真空科学技术发展到现在,可以从大气中获得10的-11次方Pa宽达15个数量级的压力范围。随着真空测量技术的不断提高,这个测量数值还会不断降低。这些压力范围可以分为不同区域,主要分为低真空、中真空、高真空、超高真空、极高真空。
每个真空区域都有一定的物理特点。这些特点与气体的分子密度、平均自由程等因素有关。所谓分子密度是指单位体积的气体分子数,它与空间气体的压力脱离温度有关。所谓分子自由程是指一个分子与其他气体分子每连续两次碰撞所走过的路程,而相当多的不同自由程的平均值称为分子平均自由程。
低中真空区域
分子密度比较大,与常压下气体状态相比,只是分子数目由多变小的量变化,其物理性质与大气压下的气体相比没有本质上的区别。尽管如此,分子数目减少这种量变过程对生产却可以起到重要作用。例如,真空运输、真空吸盘、真空过滤等就是利用真空与大气之间存在的压差做功原理来实现的。
高真空区域
当气体处于高真空区域时,空间的气体分子数大为减少。高真空的气体流动状态为分子流,这就引起了真空物理性质的变化。首先表现在气体的内摩擦出现了滑动现象,气体的热传导也表现出温度的剧增现象。与此同时,与大气和低、中真空状态相反,压力已经与气体输送现象有关了。在高真空区域如果气体各部分温度不同,还会出现热流逸、热辐射等在大气和低、中真空时所没有的新的物理性能。由于这些特点,这一区域的真空在生产和科研部门的应用更加广泛。例如,真空镀膜、真空热处理、真空冶金及微电子技术等都需要高真空条件。
超高真空区域
如果气体分子数目进一步减少,则跨入了超高真空区域。在超高真空区域中,真空又一次从气体分子数目的量度而产生了一个新的质变。这种变化表现在气体分子在与真空接触的物体表面间的吸附和脱附过程之中。这就是兴起的表面物理和表面化学所研究的科学。例如,粒子加速器、受控核聚变装置、微电子、光电子技术;航天器用真空技术等都需要超高真空条件。
极高真空区域
极高真空是指大气压力低于10的-11次方Pa的空间真空环境。由于极高真空处于空间真空的分子沉环境中,完全不同于地面实验室容器的运动规律。它的分子运动不服从麦克斯韦速度分布律。在这种环境下,真空理论与技术都将发生实质性的变化。航天工业的发展,航天器(包括火箭、人造地球卫星、空间站、宇宙飞船、载人航天飞船)在高轨道的运行,真空度达10的-11次方Pa,航天器周围的环境是3~4K的无限空间环境,从航天器发出的气体分子一旦离开,就会飞向无限空间,不再返回,这就是分子沉环境气体分子运动的特性。我国著名科学家钱学森早在1969年就批准将“极高真空获得技术”作为国家重点预研项目,由兰州物理所承担研制,于1985年成功研制出用分子沉技术获得极高真空度装置,真空度达4.4×10的-11次方Pa,达到世界先进水平。