宇宙真空學(xué)

前言

真空科學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的高技術(shù)之一。制備超純材料需要超高真空技術(shù)，太陽(yáng)能薄膜電池及芯片制作需要清潔真空技術(shù)，航天器空間環(huán)境地面模擬設(shè)備需要大型真空容器技術(shù)。真空科學(xué)技術(shù)已滲透到人們的教學(xué)、科研、生產(chǎn)過(guò)程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及日常生活中的方方面面，人們普遍認(rèn)識(shí)到了真空科學(xué)技術(shù)的重要性。 真空科學(xué)技術(shù)是一門(mén)涉及多學(xué)科、多專業(yè)的綜合性應(yīng)用技術(shù)，它吸收了眾多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和最新成果，使自己不斷地進(jìn)步和發(fā)展。真空科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著國(guó)家科學(xué)和工業(yè)現(xiàn)代化的水平，大力發(fā)展真空科學(xué)技術(shù)是振興民族工業(yè)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家現(xiàn)代化的基本出發(fā)點(diǎn)。 多年來(lái)，黨和國(guó)家政府非常重視發(fā)展真空科學(xué)技術(shù)。大學(xué)設(shè)立了真空科學(xué)技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)高層次真空專業(yè)人才；興辦真空企業(yè)，設(shè)計(jì)、制造真空產(chǎn)品；成立真空科學(xué)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)新技術(shù)，提高真空應(yīng)用水平；建立了相當(dāng)規(guī)模和水平的真空教學(xué)、科研和生產(chǎn)體系；獨(dú)立自主地生產(chǎn)出各種真空產(chǎn)品，滿足了各行業(yè)的需求，推動(dòng)了社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 在取得豐碩的物質(zhì)成果和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，真空科技人員積累了寶貴的理論認(rèn)知和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在和真空科學(xué)技術(shù)摸、爬、滾、打的漫長(zhǎng)歲月中，一大批人以畢生的精力，辛勤的勞動(dòng)親身經(jīng)歷了多少次失敗的痛苦和成功的喜悅。通過(guò)深刻的思考與精心的整理?yè)Q得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些付出了昂貴代價(jià)得來(lái)的知識(shí)是書(shū)本上難以學(xué)到的。經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)滄桑歲月，當(dāng)年風(fēng)華正茂的真空科技工作者均年事已高，霜染鬢須，退居二線。唯一的希望是將自己積累的知識(shí)、技能、經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)通過(guò)文字載體傳承給新一代的后來(lái)人，使他們能夠在前人搭建的較高平臺(tái)上工作?；谶@一考慮，在蘭州物理研究所支持下，我們聚集在一起，成立了《真空科學(xué)技術(shù)叢書(shū)》編寫(xiě)委員會(huì)，由全國(guó)高等院校、科研院所及企業(yè)中長(zhǎng)期從事真空科學(xué)技術(shù)研制工作的工程技術(shù)人員組成。編寫(xiě)一套《真空科學(xué)技術(shù)叢書(shū)》，系統(tǒng)的、完整的從真空科學(xué)技術(shù)的基本理論出發(fā)，重點(diǎn)敘述應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用的典型例證。這套叢書(shū)分專業(yè)、分學(xué)科門(mén)類編寫(xiě)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性、理論性和實(shí)用性，避免重復(fù)性。這套叢書(shū)的出版是我國(guó)真空科學(xué)技術(shù)工作者大力合作的成果，匯集了我國(guó)真空科學(xué)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，希望這套叢書(shū)對(duì)21世紀(jì)我國(guó)真空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展起到推動(dòng)作用，為實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。 這套叢書(shū)像流水一樣持續(xù)不斷，是不封閉的系列叢書(shū)，只要有相關(guān)著作就可以陸續(xù)納入這套叢書(shū)出版?！秴矔?shū)》可供大專院校師生，科學(xué)研究人員，工業(yè)、企業(yè)技術(shù)人員參考。 這套叢書(shū)成立了編寫(xiě)委員會(huì)，設(shè)主編、副主編及參編人員、技術(shù)編輯等，由化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行。部分真空界企業(yè)提供了資助，作者、審稿者、編輯等付出了辛勤勞動(dòng)，在此一并表示衷心感謝。 達(dá)道安 2012年03月22日  航天器(衛(wèi)星、飛船、空間站、行星探測(cè)器等)長(zhǎng)期在宇宙真空環(huán)境中生存，和宇宙真空環(huán)境發(fā)生相互作用，使航天器材料、器件、設(shè)備的物理、化學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、表面特性、摩擦潤(rùn)滑學(xué)、熱學(xué)等性能發(fā)生了變化。影響人們?cè)诘孛娲髿猸h(huán)境中生產(chǎn)制造的航天器的工作性能，特別是可靠性及壽命。真空環(huán)境是航天器入軌后要適應(yīng)的第一空間環(huán)境，研究航天器和真空環(huán)境相互作用發(fā)生的效應(yīng)、效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)、評(píng)價(jià)試驗(yàn)以及防護(hù)效應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一直是航天科技工作者的重要課題。建立在中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院五一零所的“真空低溫技術(shù)與物理”國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在空間環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)及防護(hù)技術(shù)方面做了大量富有成效的工作，發(fā)展了真空科學(xué)技術(shù)在航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用。為我國(guó)航天事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美、俄、中、日、印及歐洲等國(guó)大力開(kāi)展宇宙行星探測(cè)計(jì)劃；包括月球探測(cè)、建立月球基地、火星探測(cè)、實(shí)現(xiàn)載人登陸火星等,這是航天技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。人們需要更詳細(xì)地了解地球周?chē)行堑男畔ⅲ貏e是生命特征及行星的環(huán)境和資源。因而需要研究宇宙真空環(huán)境特性；包括航天器周?chē)恼婵窄h(huán)境，它是由宇宙本底真空和航天器放氣派生的真空環(huán)境疊加而成，行星之間的行星際真空以及行星表面真空(大氣)環(huán)境特性。長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家利用天文觀測(cè)、行星探測(cè)器測(cè)量了一些數(shù)據(jù)，但尚未建立完整的理論計(jì)算體系。 達(dá)道安研究員長(zhǎng)期從事真空科學(xué)技術(shù)在航天工程中的應(yīng)用研究工作，在空間環(huán)境模擬理論、極高真空技術(shù)與物理等方面取得了重大研究成果。近年來(lái)他和楊亞天教授合作研究宇宙真空學(xué)，提出了可變翼軌道分子屏概念，發(fā)展了軌道分子屏技術(shù)。解決了用玻耳茲曼氣體分子分布律公式計(jì)算行星大氣總分子數(shù)時(shí)出現(xiàn)的發(fā)散問(wèn)題，經(jīng)過(guò)重整化后給出了修正的玻耳茲曼公式，計(jì)算了行星大氣總質(zhì)量及行星周?chē)髿饷芏确植?。他們又在該理論的基礎(chǔ)上，建立了行星大氣逃逸方程，計(jì)算出了行星大氣的壽命，行星水汽、水冰的壽命等，得到了和實(shí)測(cè)結(jié)果相一致的結(jié)果。 “宇宙真空學(xué)”是作者針對(duì)宇宙真空環(huán)境建立的全新的理論，把真空科學(xué)技術(shù)推廣到宇宙空間，具有開(kāi)創(chuàng)性。作者將在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)表的論文收集整理成專著出版的目的不僅是與他人分享自己的研究成果，而且希望和更多的人進(jìn)行交流，更多地開(kāi)展該理論的應(yīng)用研究。這是一件非常有意義的工作，我謹(jǐn)表示祝賀。 二○一一年十一月

內(nèi)容概要

達(dá)道安、楊亞天編著的《宇宙真空學(xué)》具有原創(chuàng)性，發(fā)展了極高真空技術(shù)與物理，建立了宇宙真空學(xué)的理論基礎(chǔ)，把真空科學(xué)技術(shù)從地面延伸到宇宙真空，填補(bǔ)了空白，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相似著作出版。本書(shū)對(duì)發(fā)展我國(guó)真空科學(xué)技術(shù)、深空探測(cè)等方面有重要的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

　　《真空科學(xué)技術(shù)叢書(shū)：宇宙真空學(xué)》綜述了宇宙真空學(xué)的概念、理論、方法及計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的符合性，探討了宇宙真空的物理本質(zhì)，是一門(mén)新的學(xué)科領(lǐng)域。全書(shū)共分9章，包括極高真空獲得技術(shù)、空間真空測(cè)量、極高真空氣體分子運(yùn)動(dòng)理論、近地球軌道極高真空獲得技術(shù)、行星際大氣密度分布律、行星大氣逃逸理論、月球表面大氣及水汽的壽命、宇宙真空的物理本質(zhì)。

書(shū)籍目錄

第1章  緒論
  1．1宇宙真空學(xué)的發(fā)展
  1．2字宙真空學(xué)的內(nèi)涵
  1．3宇宙空間真空環(huán)境特性
  l. 4宇宙真空環(huán)境分類
  1．5行星表面環(huán)境
    l. 5．1月球表面環(huán)境
    1．5．2火星表面環(huán)境
  1．6宇宙空間氣體分子運(yùn)動(dòng)論的研究方法
    1．6．1牛頓力學(xué)方法
    1．6．2統(tǒng)計(jì)學(xué)方法
    l. 6．3氣體動(dòng)力學(xué)方法
    1．6．4重整化的玻耳茲曼分布律
  參考文獻(xiàn)
第2章  極高真空獲得技術(shù)
第3章  宇宙真空測(cè)量
第4章  極高真空氣體分子運(yùn)動(dòng)理論
第5章  近地球軌道極高真空獲得技術(shù)
第6章  行星際大氣密度分布律
第7章  行星大氣逃逸理論
第8章  月球表面大氣及水汽的壽命
第9章  宇宙真空的物理本質(zhì)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   2.6.1 高能粒子加速器 高能粒子加速器一般采用分段同步加速的方法。為了把粒子加速到很高能量，需要粒子在真空管道中不斷做加速運(yùn)動(dòng)，粒子在真空管道中運(yùn)動(dòng)的路程愈長(zhǎng)，被加速粒子所得到的能量愈高。在正、負(fù)質(zhì)子，正、負(fù)電子對(duì)撞加速器中，不同電荷的正、負(fù)質(zhì)子及電子沿相反方向在加速束流管道中做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。為了增加正、負(fù)粒子對(duì)撞的反應(yīng)概率，要求粒子束長(zhǎng)時(shí)間的貯存積累，達(dá)到對(duì)撞時(shí)所需要的束流強(qiáng)度。粒子長(zhǎng)時(shí)間或長(zhǎng)路程的在加速束流管道中作被加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果和加速束流管道中空間殘余的氣體分子發(fā)生碰撞，會(huì)減小束流強(qiáng)度。一般正、負(fù)電子對(duì)撞機(jī)管道要求的壓力為10—8～10—9 Pa，正、負(fù)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)加速器要求壓力10—9 Pa以下。我國(guó)北京高能物理所的正、負(fù)電子對(duì)撞加速器及蘭州近代物理所的重離子加速器（冷卻環(huán)）的束流管道的真空度到10—9 Pa。歐洲聯(lián)合核子研究中心（CERN）建造的正、負(fù)質(zhì)子交叉貯存環(huán)加速器真空度優(yōu)于10—10 Pa。 2.6.2 氣體分子束外延技術(shù)用來(lái)生長(zhǎng)極純半導(dǎo)體單晶材料 半導(dǎo)體晶體材料的光電性能對(duì)外來(lái)雜質(zhì)氣體分子極為敏感。在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，除材料本身要求純度高外，在制造過(guò)程中，不能引入環(huán)境的雜質(zhì)氣體分子，因而要在極高真空環(huán)境下生長(zhǎng)晶體。氣體分子束外延設(shè)備中晶體生長(zhǎng)室的壓力在10—9 Pa，壓力更低些最好。這樣低的壓力條件在地面很難實(shí)現(xiàn)?？茖W(xué)家又提出了利用太空清潔環(huán)境生長(zhǎng)極純材料的思想。利用近地球軌道分子屏技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)10—10 Pa的極高真空環(huán)境。我們提出的可變翼軌道分子屏設(shè)計(jì)，可以在近地球軌道獲得10—12 Pa的軌道分子屏空間實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)科學(xué)家利用航天飛機(jī)進(jìn)行了8次空間GaAs晶體外延生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，就是應(yīng)用軌道分子屏技術(shù)，取得了滿意的結(jié)果。

編輯推薦

　　《真空科學(xué)技術(shù)叢書(shū)：宇宙真空學(xué)》可作為宇航科技人員、大學(xué)真空專業(yè)、物理專業(yè)、宇航學(xué)院大學(xué)生、研究生的教材或參考書(shū)，也可供天文、氣象工作者參考。

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