在人工环境中实现的最低可能真空压力范围为 10⁻¹⁴ 到 10⁻¹⁵ 托。虽然专业实验室通常可以达到 10⁻¹² 到 10⁻¹³ 托的压力，但实现绝对真空——即零压力——被认为是物理上不可能的。
追求完美真空并非是为了达到零压力。相反，它是一项技术努力，旨在将气体分子的密度降低到它们不再干扰特定科学或工业过程的水平。
了解真空的范围
它关乎分子密度，而非空无一物
“真空”并非完全虚无的状态。它是一个包含气体分子的空间，其压力显著低于周围大气压。标准大气压约为 760 托（或 1000 毫巴）。
真空的质量取决于残留分子的数量。当压力降低时，单个分子在撞击另一个分子之前可以行进的距离——其平均自由程——会急剧增加。
真空的标准分级
真空级别根据压力范围进行分类，每个级别都支持逐渐更敏感的应用。
- 粗真空和中真空（760 至 10⁻³ 托）：此范围用于机械任务，如食品包装、干燥和蒸馏。分子数量减少，但它们仍然非常密集。
- 高真空 (HV)（10⁻³ 至 10⁻⁷ 托）：在此级别，分子的平均自由程变得显著。这对于薄膜涂层、质谱分析和操作电子显微镜等过程至关重要。
- 超高真空 (UHV)（10⁻⁷ 至 10⁻¹¹ 托）：在 UHV 中，分子非常稀疏，以至于一个粒子可以行进数公里而不会发生碰撞。这种原始环境对于表面科学、粒子加速器和基础物理研究至关重要。
- 极高真空 (XHV)（<10⁻¹¹ 托）：这是真空技术的前沿。达到 XHV 需要专门的设备和技术来克服材料本身的物理极限。
实现完美真空的实际障碍
实现逐渐降低的压力会变得指数级困难。主要的挑战从简单地去除空气转变为对抗容器本身的物理特性。
看不见的敌人：放气
实现 UHV 和 XHV 的最大障碍是放气。真空室的壁，即使是由高度抛光的不锈钢制成，也含有被困气体，如水蒸气和氢气。这些分子会从材料表面缓慢释放，不断将气体重新添加到系统中。
固体的渗透性
在极低压力下，外部大气中的气体可以扩散或直接渗透穿过真空室的固体壁。氢气作为最小的分子，尤其成问题，即使是致密的金属也能缓慢渗入。
抽空虚无的挑战
传统泵通过移动流体来工作，但在 UHV 级别，没有连续的气体流体。系统必须捕获单个随机移动的分子。这需要专门的捕集泵，例如离子泵或低温泵，它们捕获分子而不是排出它们。
将真空与您的目标匹配
“最佳”真空是满足您的应用要求且不会产生过高成本和复杂性的真空。
- 如果您的主要重点是工业制造或涂层：高真空 (HV) 为大多数工艺提供了必要的环境，而无需 UHV 系统的极端成本。
- 如果您的主要重点是表面科学或半导体研究：超高真空 (UHV) 是必不可少的，以保持分析或沉积的化学纯净表面。
- 如果您的主要重点是基础物理或粒子加速：进入极高真空 (XHV) 对于最大限度地减少不必要的粒子相互作用并确保实验准确性至关重要。
最终，选择合适的真空级别是一项关键的工程决策，它平衡了技术要求与物质的基本物理限制。
总结表：
| 真空级别 | 压力范围（托） | 常见应用 |
|---|---|---|
| 粗/中真空 | 760 至 10⁻³ | 包装、干燥 |
| 高真空 (HV) | 10⁻³ 至 10⁻⁷ | 薄膜涂层、质谱分析 |
| 超高真空 (UHV) | 10⁻⁷ 至 10⁻¹¹ | 表面科学、半导体研究 |
| 极高真空 (XHV) | <10⁻¹¹ | 粒子加速器、基础物理 |
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