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關(guān)閉窗口 眾所周知，20世紀(jì)，真空工業(yè)的發(fā)展極為顯著，引起各界的關(guān)注。真空科學(xué)與技術(shù)在科學(xué)研究中只是一門實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中卻成了一門基本技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用。
真空工業(yè)的如此發(fā)展，是否歸究于技術(shù)方面的重大發(fā)明或發(fā)現(xiàn)呢?根本不是。全世界真空工業(yè)發(fā)展的原因只是由于其他工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ婵盏男枨笤黾恿�。如日本國的真空設(shè)備廠家的銷售額中，僅電子工業(yè)就占40％左右，正說明這一領(lǐng)域?qū)φ婵占夹g(shù)的需求增加了。
進(jìn)入21世紀(jì)，真空工業(yè)又將如何發(fā)展，賴以發(fā)展的需求又是什么?在科學(xué)與技術(shù)不斷的發(fā)展的今天，真空技術(shù)又會起到什么新的作用?又能取得什么新成就?這許多未知的問題，令人關(guān)注，值得思考。
過去我們談?wù)婵占夹g(shù)的發(fā)展動向，通常去查找學(xué)術(shù)論文和專利資料，以了解真空狀態(tài)下的物理現(xiàn)象的應(yīng)用，真空獲得和測量儀器的進(jìn)展等情況。而現(xiàn)在我們應(yīng)改變以往的做法，要抓住真空的需求關(guān)系，從這個側(cè)面來展望真空技術(shù)的發(fā)展動向。也就是，應(yīng)從某些重要的真空應(yīng)用領(lǐng)域中探討與真空技術(shù)的關(guān)系，來展望21世紀(jì)真空技術(shù)本身的發(fā)展動向。
一、需要不斷擴(kuò)大真空的應(yīng)用領(lǐng)域
在21世紀(jì)，真空的需求是增長還是減少?今后的發(fā)展趨勢又將如何?這主要取決于真空應(yīng)用的領(lǐng)域是否增加，需求是否增長。
在20～30年前，真空書籍中就指出：真空技術(shù)的應(yīng)用，一是靠壓力差，二是通過空間的電子或分子排除干擾，三是降低粒子撞擊表面的次數(shù)。用于各自的需求不同，所需的真空度當(dāng)然也就不同了。所謂排除空間障礙物，即粒子的平均自由程要比裝置的特征尺寸長。真空蒸發(fā)、電子管和加速器就是利用了真空的這一特點(diǎn)。除大功率的電子管外，其他大部分做成固體元件，這樣就不再需要真空了。暖水瓶是真空技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾獞?yīng)用，如果以后能生產(chǎn)出優(yōu)良的絕熱材料，且很便宜，那么真空在暖水瓶的生產(chǎn)過程中將會失去作用。從降低表面粒子入射頻率的必要性看，超高真空技術(shù)定會得到發(fā)展，它可使表面長時間地維持其清潔。目前，真空技術(shù)的應(yīng)用的特點(diǎn)是：利用真空環(huán)境來研制一些新材料和新工藝。使真空應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)大，例如超微粉和納米顆粒的制作以及固體元件的工藝開發(fā)。另一個應(yīng)用領(lǐng)域是為了減少化學(xué)反應(yīng)過程和核聚變反應(yīng)中的不純物，有時也要利用真空。真空室的器壁本身與反應(yīng)過程有著極其密切地關(guān)系。
人們對真空的需求將會擴(kuò)大。如日本三井物產(chǎn)公司把鉛摻入鋁中，然后用高溫使鋁蒸發(fā)，利用這種方法煉鋁就會擴(kuò)大對真空泵的需求。因此，對于真空設(shè)備廠來說將會有一個很大的真空泵的銷售市場。過去煉鋁采用電解法，現(xiàn)正在研究熔爐還原法。在熔爐內(nèi)還原時，由于耐火材料與鋁的混合，使分離非常困難。如果把熔爐中出現(xiàn)的含有鋁的不純物溶解于鉛溶液中就可以對含鋁的鉛和不純物進(jìn)行分離。利用真空可以分離由此形成的鋁鉛混合物。由此可見，新工藝的出現(xiàn)，就會直接影響到真空行業(yè)，對真空的需求也會隨之急劇增加。前幾年我國真空煉鎂工藝的出現(xiàn)，曾一度使真空設(shè)備廠產(chǎn)的滑閥泵和羅茨泵供不應(yīng)求。造成畸形發(fā)展。但這也說明一個問題，即新工藝、新材料等出現(xiàn)，勢必要帶動真空產(chǎn)業(yè)等發(fā)展。
在2l世紀(jì)，表面處理在內(nèi)的表面技術(shù)成為相當(dāng)大的一個真空應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)槿藗儗Σ牧峡煽啃缘囊螅绕鋵Ρ砻婕夹g(shù)的應(yīng)用定會有所增長�，F(xiàn)在人們都喜歡用防銹、防氧化的材料。鋁合金雖己生產(chǎn)出來了，但就原有工藝稍加改進(jìn)，就會在性能上大有改觀，如用氧化膜將材料與大氣隔開，就能滿足用戶上述的要求。這種情況，只要提示一下與真空廠家合作就能開拓一個相當(dāng)可觀的市場。又如過去作超純鋁箔的方法很費(fèi)事，又要把真空設(shè)備應(yīng)用到這個項(xiàng)目的生產(chǎn)過程中去，就一定會產(chǎn)生更好地超純鋁箔來。如果真空廠家能積極地參與到這一應(yīng)用領(lǐng)域中去，人們對真空的需求自然會大大加強(qiáng)。
今后電子技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ婵盏男枨笠矔^續(xù)有所增長。由于真空是個很純凈的空間，而電子元件的生產(chǎn)工藝也需要純凈，因此真空是制作電子元件的理想環(huán)境。如分子束外延，半導(dǎo)體產(chǎn)品多是在真空狀態(tài)中進(jìn)行的。
搞分子束外延似乎都在以超大規(guī)模集成電路為目標(biāo)。要想達(dá)到這一目標(biāo)就要求有非常微細(xì)的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，最大的障礙就是灰塵。如果一系列的操作都能在真空中進(jìn)行，從底片進(jìn)入真空室到最終處理完成也在真空中進(jìn)行是最理想的。如何去掉灰塵，首先是避免人與元件的直接接觸。但真空設(shè)備不一定都是干凈的。一般認(rèn)為放氣、排氣或者切換開關(guān)時就會揚(yáng)起灰塵，所以還是存在一定的問題。有時也需要給裝置搞一個清潔的表面，清潔的表面是極其容易受污染對，當(dāng)必須使表面維持清潔狀態(tài)的時候，有一個受到控制的氣體環(huán)境往往比處于超高真空狀態(tài)更為理想。為了充入某種氣體以保證清潔度，就要在充分處理本底之后，再充入干凈的氣體。例如在濺射成膜時的真空度并不高。然而充入氣體之前的本底壓力則對膜的質(zhì)量有很大的影響，所以濺射裝置必須給創(chuàng)造一個良好的本底真空度。
有時由于充入其它氣體，而使得真空度略有下降，但就在這種真空度稍有改變的情況下，也可以進(jìn)行同樣的操作。真空技術(shù)不僅僅建立狹義上的真空，而且制作高純氣體，再受控制的環(huán)境下維持所需表面，這也是真空技術(shù)的應(yīng)用。如果這樣考慮，真空技術(shù)的應(yīng)用也就更廣泛了。
真空設(shè)備似乎可以作為工具使用。人們隨著對高級產(chǎn)品的需求，也迫切需要真空技術(shù)更加簡便，并可應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域。因此，在21世紀(jì)真空技術(shù)將會繼續(xù)得到發(fā)展。
二、真空技術(shù)在能源方面的應(yīng)用
最近，人們對能源危機(jī)的關(guān)注已逐漸淡薄，但如何根本問題并沒有得到解決。能源問題是一個長期地、不容樂觀地重要問題。從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，要研究用新能源代替舊能源。如太陽能利用技術(shù)，在不久的將來，有可能達(dá)到實(shí)用化。日本曾提出到1990年，總能源的需要量的2％將由新能源代替。將核聚變裝置列為2l 世紀(jì)達(dá)到實(shí)用化的目標(biāo)�，F(xiàn)在各國都在進(jìn)行太陽熱利用技術(shù)。典型的太陽熱利用技術(shù)即對太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的研究。
日本于1981年在香川縣建成了第一座1MW的太陽熱實(shí)驗(yàn)發(fā)電廠。采用塔式聚光和曲面聚光兩種方式。這兩種方式的額定輸出均為1000kW。在美國、法國、俄羅斯、德國、西班牙及意大利等國都將太陽熱發(fā)電廠的研究開發(fā)列入了國家計(jì)劃。這些工廠的容量為500kW～10MW，并已建成應(yīng)用。
太陽熱發(fā)電系統(tǒng)是由聚熱裝置、熱傳輸管、蓄熱裝置、發(fā)電機(jī)和計(jì)量控制裝置所組成。
太陽熱發(fā)電的聚熱溫度范圍很寬，約為150～550℃。要想獲得150℃以上的熱能，就必須有聚光裝置。聚光的方式有很多種，但多數(shù)都采用反射鏡。鏡面材料多使用銀和鋁等。表面鏡由于膜面暴露在大氣之中，受氧化和摩擦等因素的影響，會使反射率較低。黑面鏡的缺陷是在于基板和膜面的界面上，發(fā)生污染。
近來，由于高分子材料制作的軟鏡具有重復(fù)性好、透過率高、能大量生產(chǎn)、成本低等特點(diǎn)，而倍受重視。
選擇吸收面對有效利用太陽能極為重要。在選擇吸收面的制作上，采用了真空技術(shù)。高溫聚熱裝置中采用了聚熱管。為防止由聚熱管造成的對流損失，用透明玻璃管覆蓋在聚熱管外面，玻璃管內(nèi)保持真空狀態(tài)。
下面將按原理把選擇吸收面的光吸收選擇性，分類說明如下：
1、利用半導(dǎo)體膜的譜帶之間的遷移而產(chǎn)生基礎(chǔ)吸收。
在紅外線領(lǐng)域具有高反射率的金屬表面上，涂上一層吸收波長為1～3μ的半導(dǎo)體膜，就制成了選擇吸收面。用Si、Cu、PbS、Ge、CuO、 Cr2O3等材料作為半導(dǎo)體膜。這種結(jié)構(gòu)的膜，它可吸收陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�；對紅外線則呈透明體。由于金屬表面的作用使得輻射率變小，可以更有效地利用太陽能。由于Si、Ge對太陽光的折射率高，涂上SiO2等材料的減反射膜，對太陽光的吸收率變好。
2、利用薄模干涉形成減反射效應(yīng)。
在基板上制成具有高反射率的金屬膜，在膜上疊加干涉濾光鏡。干涉濾光鏡由電介質(zhì)膜+半透明金屬膜+電介質(zhì)膜所組成。像這樣結(jié)構(gòu)的膜，可見光在電介質(zhì)膜中被吸收，而紅外線透過干涉濾光鏡被金屬膜面反射而使輻射率變小。采用這種方式的選擇吸收面的例子如：Al2O3/MO／Al2O3／MO基板，及利用光干涉效應(yīng)的單層膜一耐溫性極好的金屬碳化物，金屬氮化物，如ZrCx、HfCx等。作成槽型拋物面鏡收集器（帶有ZrCx／Zr選擇吸收面）。
3、利用表面和膜結(jié)構(gòu)形成的反射特性與波長的相互關(guān)系。
在加工成深溝和棱角的表面上，垂直入射的太陽光，在溝與棱角的間隙中，經(jīng)多次反射而被吸收。這種面會因高溫加熱而引起性能劣化，其原因可能由于蒸發(fā)、熱分解、熱膨脹造成的剝離和表面成份變化，紫外線照射引起的化學(xué)反應(yīng)或機(jī)械損傷等因素造成的。太陽光利用技術(shù)，也就是利用太陽光來發(fā)電，它是通過太陽電池吸收陽光，先變?yōu)橹绷麟娫俎D(zhuǎn)換為交流電加以利用的。太陽電池就是將陽光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑�。這種太陽光利用技術(shù)，過去僅被用在宇宙衛(wèi)星、臺燈電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)的通訊電源�，F(xiàn)在的價格仍較高（日本資料報(bào)道于1984年時其價格為3000日元／瓦），所以應(yīng)用范圍有限。
如能在太陽能電池的主體材料上加以研究和改進(jìn)，降低太陽能電池的成本，改進(jìn)制作太陽電池生產(chǎn)的工藝，這種技術(shù)是會得到進(jìn)一步發(fā)展的。如日本曾在對 3Kw的個人住宅，20Kw集體住宅，200Kw學(xué)校用裝置，lOOKw工廠用裝置以及1000Kw集中的大容量裝置等進(jìn)行了研究。這些裝置的大部分電力，最終將聯(lián)接到電力系統(tǒng)上去，同現(xiàn)有發(fā)電廠組合運(yùn)行，向形成綜合電力調(diào)配系統(tǒng)方向發(fā)展。
非晶硅太陽電池的制造，如輝光放電分解法，反應(yīng)濺射法，真空蒸發(fā)法等，多采用真空技術(shù)。
輝光放電分解法：將被稀釋的氫和氬等加入到硅烷等低壓氣體中引起輝光放電，在等離子區(qū)分解硅烷，可使非晶硅堆積在低溫基板上。
另一種是反應(yīng)濺射法：把結(jié)晶硅作為陰極，在10-3～10-1托非活性氣體中，加上高壓使其放電。因放電產(chǎn)生正離子轟擊陰極，陰極材料就被濺射出來。如果在陰極附近安置一塊低溫基板，基板上將堆積起非晶硅膜。
太陽電池不僅要求高效、廉價和大面積等特點(diǎn)，而且要求暴露在自然條件下具有良好的穩(wěn)定性。
非晶硅的優(yōu)點(diǎn)很多，能在玻璃、不銹鋼、塑料等基板上作成大面積廉價的薄膜；比結(jié)晶硅光吸收系數(shù)大，能帶寬度比結(jié)晶硅寬。
核聚變是人類未來的可靠能源，它的實(shí)現(xiàn)是全世界人們的愿望。目前，世界上最先進(jìn)的磁場封閉式托卡馬克型核聚變裝置，很多國家都在開發(fā)研制。美國正在研制TFTR型，歐洲共同體制作JET型，俄羅斯研制T-15型，日本研制JT-60型的托卡馬克型核聚變裝置。
大型聚變裝置的建造和運(yùn)行，大大推動了高新技術(shù)的開發(fā)，特別是真空技術(shù)、低溫技術(shù)、磁體技術(shù)、大功率脈沖電源技術(shù)和射頻加熱技術(shù)以及遙控處理技術(shù)等。
核聚變裝置的真空室用來長時間包容高溫等離子體。例如歐洲聯(lián)合環(huán)JET真空室是一個全焊接的雙層壁結(jié)構(gòu)的環(huán)型容器�？�?cè)莘e為200m3，焊縫總長達(dá) 8000m。這種真空室漏氣率很低，在室溫和500℃時要滿足3000余年滲入真空室l升氣體的極微小的漏率。可控聚變裝置用的高真空泵采用渦輪分子泵和低溫泵，前者用于檢漏，后者則用于抽排聚變反應(yīng)廢氣的主泵。工作于4.5K的具有活性炭吸附劑的低溫泵，所吸留的廢氣中，除了氘氚核反應(yīng)產(chǎn)物氦灰外，還有大量未能參與核反應(yīng)的氘和氚。把回收后的氘和氚再注入到大環(huán)真空室中，把除氚外的雜質(zhì)氣體按環(huán)保要求排放出去。
這種裝置的研究，可通過國際合作攻關(guān)，人類有望在2l世紀(jì)中期建成氘一氚核聚變示范電站，最終目標(biāo)是提供市場銷售用電的核聚變發(fā)電站，為2l世紀(jì)的新能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
等離子體科學(xué)技術(shù)和真空科學(xué)技術(shù)將會得到協(xié)同發(fā)展，并將為探索宇宙結(jié)構(gòu)和物質(zhì)起源等重大基礎(chǔ)科學(xué)研究中起著重要的作用。
三、對真空技術(shù)未來發(fā)展的期望
對未來真空技術(shù)的期望，首先希望廠家能研制出方便耐用的設(shè)備，朝著用戶與廠家相互滿足的方向努力。操作要方便，要縮短運(yùn)轉(zhuǎn)時間或生產(chǎn)周期。因?yàn)榛ㄙM(fèi)在抽真空上的時間非常長，所以要加以解決。
真空裝置和儀表要高級化，提高設(shè)備的壽命和精度。希望在太空中建立真空應(yīng)用的工廠�？臻g站和飛船也會釋放出自身的氣體，真空并不理想，在空間飛船后100米以外的地方才能獲得理想的超高真空。要利用微重力條件下宇宙真空環(huán)境，為人類服務(wù)。
鋁合金真空裝置可能代替不銹鋼。實(shí)現(xiàn)真空裝置鋁合金化，硬度問題利用離子鍍就可以達(dá)到實(shí)用化。
真空技術(shù)到21世紀(jì)將會做為一種重要的技術(shù)被繼續(xù)存在和發(fā)展下去。
今后的發(fā)展方向，一是向微小化領(lǐng)域（納米科技和固體元件的研制），另一個是向巨大化的領(lǐng)域（如核聚變的研究），其中在巨大化裝置和使用多種氣體的真空裝置方面，希望能研制出能夠用于從粘滯流領(lǐng)域到超高真空的寬域型真空泵。希望能研制出不經(jīng)烘烤的超高真空裝置或者烘烤100℃就可以了�？傊苑奖阌脩舻牟僮鳛槌霭l(fā)點(diǎn)，得到全世界用戶對歡迎。
我們希望21世紀(jì)中真空科學(xué)與技術(shù)取得更新的成就。真空行業(yè)得到更大的發(fā)展。
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