真空科学与技术及其在荧光灯中的应用(浓缩版)

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1、真空科学与技术及其在荧光灯中的应用钱永生（上海市真空学会）引言真空，就其哲学或理论物理的意义来说，是没有任何物质的空间。然而在工业术语中，压强低于１个标准大气压（1.013×105Pa）的空间都可以叫做“真空”。白炽灯的研制〔爱迪生［（Edison）1879］是早期发明的排气系统所产生的结果，白炽灯表明了低分子密度的用途（除去活性大气组分）。真空技术是一门具有科学概念的并用这些原理来获得实际的低压强环境的系统学科。在转入正题前，我们有必要重温一下学过的某些真空概念。第一章真空的一般概念：1.1真空度量单位：真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。作为这种量度，最直接的物理量应该是每单位体积中

2、的气体分子数。根据气体分子运动论，压强Ｐ可以用分子密度n（个/cm3）和温度Ｔ（K）表示为：Ｐ＝nKT（ｃ.ｇ.ｓ.）…………………………………（ｌ）式中，ｋ是玻尔兹曼（Boltzmann）常数［ｋ＝1.38×10-16尔格/K］。但是，由于历史上的原因，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。历史上气体的压强是指气体作用于单位面积器壁上的压力，在Ｃ．Ｇ．Ｓ单位制中，压强单位：1达因／ｃｍ2＝1ｍｂｒａ；在M．K．S单位制中，压强单位是牛顿／米2。1牛顿／ｍ2＝1Ｐａ。在不同国家和用于不同的学科，压强单位的种类较繁杂，1945年时已有15种。过去，在真空技术中最常用的压强单位有：“毫米汞柱（

3、mmHg）”和“托（Torr）”。后来发现Hg有７种同位素，所得纯汞也根本没有确定的密度，同一高度纯汞表现出来的压强并不是唯一的，要看其同位素组成比例而定。于是以汞柱规定的标准大气压并不“标准”。1969年，国际计量委员会建议（1971年批准），推广一种Ｍ．Ｋ．Ｓ制合理压强单位叫“帕斯卡”（Pascal），简称“帕”（Pa）。,1Pa＝1N／ｍ2＝1Kg／ｍ2.ｓ＝7.5006×１０-3Torr＝ｌ×１０-2ｍbarｌ标准大气压（ATM）＝101325Pa≈０.1Mpa．１托（Torr）＝133.322Pa≈1.3×102Pa＝1.3mbar。使用这种单位以后，计算、换算等就很方便了。例如

4、，气流量（包括漏气率、放气率）单位，目前，惯用“托·升／秒”，如用“帕”作压强单位，则流量单位就是“瓦特”，与功率单位一致了，这样就消除了一个量多种单位的现象。因此，GB/T3163—93《真空技术术语》中参照IS03529—1981《真空技术名词术语》规定Pa为压力单位。1985年颁布的《计量法》中也规定我国采用国际单位制（SI），Pa成了压强的法定计量单位。除真空计外，我们常用的气压表（减压器）也由“kgf／cm2”或“atm”改为“MPa”刻度了。目前国际单位制“帕”的应用仍处在过渡阶段，由欧洲进口的真空计常用“mbar”；日本等国进口的真空计仍有用“Torr”。36近年来，我国出产

5、的真空计大都采用“Pa”了，也有些仪器为了照顾习惯，采用“Pa”、“Torr”、“mbar”多单位制。不过，为贯彻《计量法》今后应逐步统一用“Pa”作压强单位。标准大气压（1.013×105Pa＝760托＝760mmHg）是在北纬45°、海平面上测得的。标准大气压对应的分子密度n＝2.45×1019个/cm3。；1.2气体分子的平均自由程（）：一个气体分子与其它气体分子相继二次碰撞内所走过的路程称为自由程。自由程有长有短，它们的差异很大。然而，相当多的自由程的平均值却是一定的，这个平均值便称为平均自由程（）。单一气体分子的平均自由程（）：＝［厘米］＝2.331×［厘米］…………（２）由式（

6、２）可见，，且当Ｔ一定时，与Ｐ的乘积为一常数，即·ｐ＝＝常数…………………………………（３）对于２０℃的任一气体：＝［厘米］……………………………………（４）对于20℃的空气：＝［厘米］…………………………（5）式中，ｎ――气体分子密度［个／厘米3］σ――气体分子直径〔厘米〕Ｔ――气体的温度[k]ｋ――玻尔兹曼常数，为1.38×10-6［尔格／ｋ］Ｐ――气体压强［托］由式（2）～（5）中可知，气体分子的平均自由程随真空度升高而增大。在大气压下，＝6.7×10-6cm；当P＝1Pa时，＝0.67cm；当P＝ｌ.3×10-4Pa时，长达51m！由式（3）可见，气体种类不同，σ值不同，在Ｔ.Ｐ相

7、同的情况下，也不一样。1.3气体沿管道的流动状态：由于各种真空度下的36不同，使各真空区域的气流状态亦不同。一般可分为四种：湍流、粘滞流、过渡流、分子流。在高压强、高速度下，既分不清层次，又没有规则的气流称为“湍流”。在起始抽气阶段，从大气压至几十托间，在节流的管道中会遇到短时间的“湍流”。至今，人们对湍流的理论计算尚不成熟，一来是出现的时间很短暂；二来是难有规律可循。当气流速度和表面的不规则性小到足以能用平稳围绕障碍物