什麼是「真空」？當我們談及這個概念時，很多人會想到太空。
與地球環境對比，太空環境是真空的，但是真空不是不存在任何物質的狀態，即使在太空中也存在大量的塵埃、顆粒以及高能粒子。在《吃鵝腿之前，你最好了解一下這些物理知識》中，我們已經對真空有了一個大概的了解。
真空的科學定義較為寬泛：低於一個標準大氣壓的氣體空間就被稱為真空。真空是相對而言的，不存在絕對的真空！
實現超高真空一直是實驗物理的一個重要環節。在實驗物理中，超高真空能夠保證良好的隔熱條件，以實現極低溫度；在測試中，超高真空能夠保持樣品表面的乾淨、不受特定氣氛原子的污染，能實現對樣品表面物理特性的探測；同時，超高真空環境能夠減少氣體分子對電子、離子等粒子的散射，確保實驗按照理想條件進行。
那我們如何來評定真空的優良呢？一個空間中真空的高低可以通過空間中分子數的多少反應，而分子在不斷運動、相互碰撞中形成了壓強。因此真空度可以用壓強來衡量。工程中常採用的壓強單位包括：帕斯卡（Pa）、巴（bar）和托（Torr），兩者的換算關係為：1Pa=7.5*103 Torr。真空度的優良可以粗略劃分為粗真空：105~102Pa、低真空：102~10-1Pa、高真空：10-1~10-6Pa、超高真空：10-6~10-9Pa。
在大氣環境中，大氣壓強約為105帕斯卡。而實驗中常需要達到的真空度需要低於10-1Pa，遠低於大氣環境的壓強，那麼如何實現如此高的真空度呢？實驗室常採用機械泵、分子泵、離子泵等手段實現超高真空。
旋片式機械泵
機械泵的種類較多，包括旋片式、定片式、滑片式機械泵。其中，旋片式機械泵由定子、轉子、旋片、彈簧、排氣閥、泵油等部分構成，如圖1所示。
圖1. 旋片式機械泵的結構
旋片泵的旋片把轉子、泵腔和兩個端蓋所圍成的月牙形空間分隔成三個空間，如圖1右所示，旋片之間由彈簧相互連接，旋片端部貼於機械泵的腔體壁滑動。
當轉子單向旋轉時，與進氣口連通的空間1容積逐漸增大，氣體壓強降低，泵體吸入氣體，機械泵處於吸氣過程；當旋片將空間2與進氣口隔絕時，氣體被壓縮，並被推動與出氣口相連；與出氣口連通的空間3容積縮小，排出氣體。機械泵連續運轉，周期性地從進氣口側吸入氣體，並將已吸入的氣體從排氣口排出，達到提高真空度的目的。
我們可以設想一種場景，現在我們有一個待抽真空的腔體，空間體積為V，壓強為P0。當旋片式機械泵開始工作時，轉子旋轉一次，第一次吸氣過程剛完成時形成空間1的體積為V，此時與空間1連通的環境壓力P1，壓力大小滿足：
則第二次抽氣過程完成後，待抽氣腔體的壓強大小為：
當機械泵的轉速為m時，經過t秒後，轉子旋轉次，腔體內的壓強為：
在這種理想情況僅在真空較差的情況下成立。
但是由於機械泵本身的結構特點，機械泵僅適用於得到低真空條件。影響機械泵真空度的因素包括死空間、泵本身的氣密性。其中，機械泵的死空間是限制極限真空的主要原因：
圖2.死空間示意圖
如圖2所示，機械泵的空間並非完全理想，機械泵中的轉子與泵腔定子相切，而在切點位置之外，轉子與腔體壁之間仍然存在一定空間。當旋片越過出氣口後，這部分空間內仍然存在部分空氣，並被旋片隔絕。這部分空間的氣體無法被完全排出，而是會隨著旋片旋轉與進氣口相連，導致真空度無法進一步降低，這部分空間被稱為死空間，如圖2標註所示。
由於機械泵本身存在的問題，基於機械泵的進一步
改進的雙級泵和氣鎮泵能夠達到更好的效果。
雙級泵
雙級泵是由兩部分機械泵組合形成，如圖3所示。當前級泵排出的氣體經過氣道轉入後一級機械泵（低真空泵），低真空級泵再通過壓縮將氣體排出，組成雙級泵。雙級泵結構能夠有效降低機械泵死空間對真空度的影響，從而有效提高機械泵的極限真空度。
圖3. 雙級泵結構示意圖
氣鎮泵
氣鎮泵設計的出發點在於：在實際的實驗環境中，真空泵待抽空間常會混有部分水汽。
在機械泵的運行過程中，隨著泵體對氣體的壓縮，水蒸氣分壓增大。當壓縮空間的總壓強還未達到開啟排氣閥的臨界壓強時，水蒸氣分壓就達到了飽和，則水蒸氣就會凝結成水，壓力降低，導致氣體無法被排出。
當空間增大，水蒸氣分壓降低，凝結在真空泵中的水揮發為水蒸氣，無法被排出。這導致真空度無法進一步降低。
因此，為了降低水蒸氣對機械泵抽真空效果的影響，氣鎮泵在排氣口附近設計一個可自動開合的小孔。小孔能夠向排氣空間通入少量乾燥空氣，以提高壓縮空間的壓力，幫助打開排氣閥。
分子泵
分子泵是利用高速旋轉的轉子壓縮氣體分子，從而驅動氣體分子被排出腔體的真空泵。分子泵能夠實現相比與機械泵更高的真空度，實現高真空條件。
圖4. 分子泵結構示意圖
如圖4所示，分子泵由泵體、動葉輪、靜葉輪、驅動系統等部分組成。高速旋轉的轉子能夠帶動動葉輪高速運動，動葉輪與氣體分子碰撞，將動量傳遞給氣體分子，被傳遞到下一級葉片，最後由前級泵抽除。
分子泵通過高速旋轉的分子泵動葉輪與氣體分子相互碰撞傳遞動量。當進氣口的氣體分子濃度較高時，高密度的氣體分子與動葉輪相互碰撞，會導致葉輪損壞。因此，保證分子泵正常運行要求環境氣壓低於一定的壓力，被稱為啟動氣壓。在實際的實驗過程中，通常會同時採用機械泵作為前級真空泵、分子泵作為二級泵。機械泵首先將待抽腔室預抽至低真空，使環境壓力低於啟動氣壓，再進一步啟動分子泵。
分子泵通過葉輪與氣體分子的碰撞傳遞動量。由於動量傳遞過程的難易程度與氣體分子量有關，所以平均分子量越大的氣體壓縮比更大，容易被抽走。而分子量小的氣體難以被抽走，例如氫氣等。因此，分子泵同樣存在極限真空。
離子泵
表面物理的實驗通常要求固體表面極為潔凈。在低真空條件下，氣體分子會吸附在固體表面，從而污染樣品，影響樣品結果。離子泵能夠實現超高真空的實驗條件，是維持超高真空的重要手段。
以濺射離子泵為例，濺射離子泵基本上由電極以及外部磁體組成。離子泵中的陽極通常為圓柱形的空心不鏽鋼，位於陽極管兩側的陰極一般由鈦板製成。鈦本身是一種良好的吸附材料，對活性氣體具有強烈的化學吸附作用。
當陰陽極接通高電壓時，陽極筒內的氣體分子被電離並形成潘寧放電，並釋放出大量電子形成空間電荷。在陰極、陽極電位以及外部磁場的共同作用下，被電離的電子在陽極筒內進行來回振蕩的滾輪線運動，並與空間中的分子相互碰撞，使氣體分子發生電離，形成離子。
由於離子的質量相對於電子質量來說較大，磁場對其影響很小，電離產生的正離子被陽極電壓加速到幾千伏，並朝著陰極運動，從而產生強烈的吸附作用。
圖5.離子泵的結構示意圖[2]
離子泵能夠達到10-10Pa的極限真空度。離子泵運行的過程中不需要泵油，並且運行過程中振動小、無噪聲。與分子泵類似，離子泵正常運行要求啟動氣壓低於。
不同類型的氣體，在濺射離子泵中抽氣的機理不同。
N2、O2、CO、CO2這些氣體，主要依靠沉積在陽極筒表面的鈦原子的化學吸附作用被抽除。例如N2受到電子轟擊後會產生N+、N2+等離子，這些離子在陽極的表面形成穩定的TiN化合物。對這些氣體，濺射的鈦分子的數目與泵抽除的壓力成正比，而濺射速率則取決於離子的質量與鈦的質量之比。
抽除H2的機理與上面這些重分子不同。氫離子的質量很小，鈦原子對氫分子的濺射速率可以忽略不計。但是，氫離子達到鈦板上會與晶格中的電子復合，形成氫原子，並擴散到鈦的晶格內部，形成TiN固溶體。
結語
機械泵、分子泵、離子泵能夠實現的真空條件依次升級，分別是低真空、高真空，以及超高真空，是實驗室中較為常見的幾種真空泵。
除此之外，真空泵還包括油擴散泵、鈦升華泵、低溫泵等設施。不同實驗要求的真空度不同，因此採用的真空泵也應該因事制宜。真空泵的應用對維持實驗的超高真空環境，保證實驗的正常進行具有至關重要的作用。
參考文獻
[1]一篇了解旋片式真空泵的原理、應用、安裝、故障與維護.
[2]https://www.bilibili.com/read/cv19853058/2.劉文強. 微型濺射離子泵的設計與性能研究[D].東南大學,2022. DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2021.001197.
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