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真空技术和低温技术都是通用性很强的科学,它们之间存在着密不可分的关系,主要是以气体与固体或液体表面之间的相互作用为基础。在极低温下,几乎所有的气体都凝结成固体,因其饱和蒸气压非常低,这样就可以获得真空;同时,为了获得和保持低温,又必须应用真空技术,例如:真空绝热、减压降温制冷等。低温技术的发展促进了真空科学;而真空技术的前进又带动着低温技术,现在已经形成了真空需要低温,低温离不开真空的局面。

根据气体的状态方程pv=nrt,腔体内的气压与其内气体分子的温度是直接相关的,因此既可以通过调节温度来改变腔室气压(即真空度),也可以通过改变真空来获得低温。


通过改变温度提高真空度


一类是改变气体分子与固体表面之间的吸附或脱附;另一类是改变物质分子自身的物态,比如气体的蒸发和凝结。例如:

1)  高温烘烤脱附除气,提高腔室真空度:真空系统要获得10-9 torr以上的超高真空,室温条件下需要几天甚至数周连续不断的抽气才能达到。而将真空系统或系统中某些部件加热烘烤,可以加速固体表面气体分子的脱附速率。结束烘烤降到室温后,腔室的真空度通常会提高1-2个量级。

2)  低温吸附泵吸气,提高腔室真空度:低温吸附泵是利用活性炭或分子筛等吸附剂,在低温下具有很强的吸附气体的能力来得到真空的。这种泵结构简单、没有震动,泵和被抽空间可以靠得很近,而且抽速大。吸附泵可以对氦、氢、氖等气体抽超高真空。吸附剂饱和后,可用升温及减压的办法使它放出所吸附的气体得到再生。

3)  冷凝泵吸气,用低温表面冷凝气体以达到抽气的目的。当真空腔体内有冷面存在时,会在其上出现凝结,可以起到抽气的作用,这就是低温冷凝泵和低温冷阱的工作原理。饱和蒸气压与温度密切相关,温度降低时,饱和蒸气压也会降低。

表1给出了大气的标准成分。图1给出了各种气体的饱和蒸气压的温度关系曲线。由图1可见,温度降到20k时,除了氖、氢、氦等难凝结的气体外,空气中所有其他成分的饱和蒸汽压均低于10-10 torr。于是,当充满空气的密闭容器冷却到20k时,真空即可达到1.2e-3 torr;冷到4.2k时只剩下氦气,真空度可达到5e-5torr。冷凝泵的冷表面一般可选在14-20k左右,并采用先用易凝结气体冲洗或先用其他泵抽真空等办法,大幅度减少被抽系统中氢、氦等难凝结气体的数量。工作过程中漏入系统的少量难凝结气体亦可用其他泵抽走。


【表1】 标准大气成分



【图1】各种气体饱和蒸汽压的温度关系


通过改变压强(真空度)获得低温

凡是伴随着低温吸热的物理过程都可以用来制冷。一类是相变制冷,即利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的融化或升华过程从被冷却物体吸取热量以制取冷量。另一类则通过改变液体上方蒸气的压强,从而改变液池温度,如气体绝热膨胀制冷,高压气体经绝热膨胀即可达到较低的温度,令低压气体复热即可制取冷量。例如:

1)  低温液体如液氮、液氦可以获得77k和4.2k的低温。

通过抽气系统对液面上方的空间减压,即可改变液池的温度。压强越低,则温度也越低。表2和图2分别给出了液氮和液氦饱和蒸汽压与温度的对应关系。减压所能达到的最低压强,不仅取决于减压系统的抽速,而且取决于到达液池的热流大小。为了得到尽可能低的温度,设法减少漏热是很重要的。


【表2】液氮饱和蒸汽压与温度的对应关系


【图2】液氦饱和蒸汽压与温度的对应关系


2)  气体等焓膨胀制冷

在一定压力及温度条件下,气体通过节流阀或膨胀机进行绝热膨胀时,它的温度会降低,甚至会液化。这种制冷方法常用于气体分离和气体液化及气体制冷机中。对于实际气体的焓值是温度和压强的函数,气体节流前后的焓值一般发生变化,这一现象称为焦耳-汤姆孙效应。这就是jt制冷机制冷的原理。

3)气体绝热放气制冷

当容器中一定量的汽化气体通过控制阀向环境介质绝热放气(或用真空抽气)时,则残留在容器中的气体将要向放出的气体作推动功,消耗它本身的一部分热力学能(内能) ,因而温度降低。这也是气体制冷机的原理之一。费勉公司的闭循环样品架是利用gm制冷机来提供冷量,而gm制冷机就是通过高压氦气的绝热膨胀吸热来制冷的。


真空与温度的关系在固体材料中也有体现

固体也有饱和蒸气压。在一定条件下,固体表面动能较大的分子能克服临近分子的结合力逸出固体表面直接变为蒸汽分子(升华),从而产生蒸气压,达到平衡时的压力即是饱和蒸气压。比如干冰、碘等固体可直接由固体升华成气体。和液体类似,固体材料在不同温度下也有不同的饱和蒸气压,并且随着温度的升高而增大。和低温相比,高温下腔室的真空度普遍偏低,一方面是由于大量气体分子的高温脱附引起,另一方面,高温下同种材料的饱和蒸气压变高,在没有达到固-气相动态平衡之前,升华占主导地位,也会引起真空度变差。

   图3 给出了固体材料的饱和蒸气压与温度的关系,饱和蒸气压随着温度的升高明显增大。在相同温度下,pb,zn,cd三种金属的饱和蒸气压相比其他金属明显偏高。因此这三种金属及其合金不适用于超高真空环境。



【图3】 固体材料的饱和蒸汽压与温度的关系




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