真空測(cè)量與常見的真空計(jì)

2022/07/04

氣體的稀薄程度也可以用氣體分子密度（單位容積中氣體分子數(shù)）n來描述。對(duì)于完全平衡態(tài)的理想氣體分子,P=nkT,k為玻耳茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度。測(cè)量真空度的裝置稱為真空計(jì)，真空計(jì)的壓強(qiáng)敏感元件稱為規(guī)頭。某些真空計(jì)可直接測(cè)量氣體總壓強(qiáng)，某些真空計(jì)雖然也給出壓強(qiáng)讀數(shù)，而實(shí)際測(cè)量的是氣體分子密度，測(cè)量結(jié)果與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)容器中同時(shí)存在多種氣體成分時(shí)，容器中氣體總壓強(qiáng)等于各氣體分壓強(qiáng)之和?？倝簭?qiáng)測(cè)量方法可分為直接法和間接法兩種。直接法利用液柱差、機(jī)械變形等原理直接測(cè)量壓強(qiáng)，包括液位壓強(qiáng)計(jì)、壓縮式真空計(jì)、彈性元件真空計(jì)等。根據(jù)前兩種儀器測(cè)出的物理量可算出壓強(qiáng)值，屬于絕對(duì)真空計(jì)。間接法利用氣體某些物理性質(zhì)（如熱傳導(dǎo)、粘滯性、電離及光散射效應(yīng)等）來測(cè)量壓強(qiáng)，包括熱傳導(dǎo)真空計(jì)、粘滯真空計(jì)及電離真空計(jì)等。在真空技術(shù)中使用的真空計(jì)絕大多數(shù)采用間接法，這些真空計(jì)必須用絕對(duì)真空計(jì)或其他方法校準(zhǔn)。對(duì)于用間接法測(cè)量的真空計(jì)，由于不同種類氣體的物理性質(zhì)不同，即使在相同壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)讀數(shù)也隨氣體而異，因此要用相應(yīng)的氣體來校準(zhǔn)。當(dāng)被測(cè)氣體不是單一成分時(shí)，這些真空計(jì)的讀數(shù)的含義較為復(fù)雜。由于一般真空計(jì)校準(zhǔn)時(shí)所采用的氣體是純氮，因此這些真空計(jì)的讀數(shù)在未經(jīng)氣體種類修正之前統(tǒng)稱為等效氮壓強(qiáng)。當(dāng)被測(cè)空間包含多種氣體成分時(shí)，只有通過分壓強(qiáng)測(cè)量才能精確地反映容器中的真空狀態(tài)和總壓強(qiáng)

常見的真空計(jì)

1.熱傳導(dǎo)真空計(jì)

利用氣體在不同壓強(qiáng)下熱傳導(dǎo)能力隨之變化的原理測(cè)量氣體壓強(qiáng)。在這類真空計(jì)中，以一定加熱電流通過裝有熱絲的規(guī)頭，熱絲的溫度決定于加熱和散熱之間的平衡。散熱能力是氣體壓強(qiáng)的函數(shù)，故熱絲的溫度隨壓強(qiáng)而變化。如用一附加的熱偶測(cè)量熱絲的溫度，則這種規(guī)頭稱為熱偶規(guī)；如利用熱絲本身的電阻值來反映溫度，則稱電阻規(guī)或皮喇尼規(guī)。氣體熱傳導(dǎo)只在低壓強(qiáng) (P<100帕)下隨壓強(qiáng)變化，而低至10-1帕?xí)r氣體熱傳導(dǎo)又不是主要的散熱方式，因此熱傳導(dǎo)真空計(jì)主要用于100～10-1帕范圍，采取特殊措施可擴(kuò)大測(cè)量范圍。熱傳導(dǎo)真空計(jì)的指示不但和氣體種類有關(guān)，而且易受熱絲表面污染、環(huán)境溫度等因素影響，故準(zhǔn)確度不高，只作粗略的真空指示用

2.皮拉尼真空計(jì)

其工作原理是：真空度不同，單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)就不同，對(duì)于正在發(fā)熱的電阻絲帶走熱量的能力（散熱能力）就不同，電阻絲溫度就不同，因?yàn)殡娮杞z的電阻率是溫度的函數(shù)，所以不同的真空度就引起了電阻率的不同，則電阻就不同，電流在電阻絲上的壓降就不同，根據(jù)電壓的變化就能換算出空氣壓強(qiáng)，也就是測(cè)量真空度。實(shí)際的皮拉尼真空計(jì)一般做成四臂電橋，并有用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娮杞z與其串聯(lián)。

3.電容薄膜真空計(jì)　

屬彈性元件真空計(jì)，彈性薄膜將規(guī)管真空室分為兩個(gè)小室，即參考?jí)簭?qiáng)室和測(cè)量室。測(cè)量低壓強(qiáng) (P<100帕)時(shí)，參考室抽至高真空,其壓強(qiáng)近似為零。當(dāng)測(cè)量室壓強(qiáng)不同時(shí)，薄膜變形的程度也不同。在測(cè)量室中有一固定電極，它與薄膜形成一個(gè)電容器。薄膜變形時(shí)電容值相應(yīng)改變，通過電容電橋可測(cè)量電容的變化從而確定相應(yīng)壓強(qiáng)值。為了防止薄膜發(fā)生蠕變，通常采用零位法測(cè)量，即在固定電極和薄膜之間加一直流電壓，利用靜電力補(bǔ)償薄膜受壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的應(yīng)力，使膜片保持零位。電容薄膜真空計(jì)可直接測(cè)量氣體或蒸氣的壓強(qiáng)，測(cè)量值與氣體種類無關(guān)、結(jié)構(gòu)牢固、可經(jīng)受烘烤，如對(duì)不同壓強(qiáng)范圍采用不同規(guī)頭，可得到較高精度。電容薄膜真空計(jì)可用于高純氣體監(jiān)測(cè)、低真空精密測(cè)量和壓強(qiáng)控制，也可用作低真空測(cè)量的副標(biāo)準(zhǔn)。

4.電離真空計(jì)　

簡(jiǎn)稱電離計(jì)，利用氣體電離的原理來測(cè)量壓強(qiáng)。電離真空計(jì)分為熱陰極和冷陰極兩大類。熱陰極電離真空計(jì)的規(guī)頭中通常有三個(gè)電極，即陰極、陽極和收集極，分別起發(fā)射電子、加速電子和收集離子的作用。電子從陰極向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中使氣體電離，如果忽略二次電離效應(yīng)（指電離過程中產(chǎn)生的新電子受電場(chǎng)加速又獲得電離能力并引起新的電離），每個(gè)從陰極發(fā)出的電子所產(chǎn)生的正離子數(shù)和空間的氣體密度成正比，因此在一定溫度下和壓強(qiáng)成正比。所以收集極接收的離子流Ii=SIeP，Ie為陰極電子發(fā)射電流，S為比例常數(shù)，稱為電離計(jì)系數(shù)。在一定溫度下用標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)校驗(yàn)電離計(jì)系數(shù)后，即可根據(jù)離子流的大小確定壓強(qiáng)。熱陰極電離計(jì)規(guī)頭主要類型陰極一般采用鎢絲，陽極可做成柵網(wǎng)狀，使電子能在其兩側(cè)來回穿行以增加電子的行程，故又稱柵極。三極管型電離計(jì)收集極為圓筒形并置于柵極外側(cè)其壓強(qiáng)測(cè)量范圍是 10-1～10-5帕。當(dāng)工作壓強(qiáng)高于10-1帕?xí)r，鎢絲壽命縮短,而且由于二次電離效應(yīng)，離子流與壓強(qiáng)的關(guān)系開始偏離線性。涂氧化釷或氧化釔的銥絲陰極可工作在高達(dá) 100帕的壓強(qiáng)下并有相當(dāng)長(zhǎng)的壽命，這種燈絲即使在大氣中加熱也不致?lián)p壞。如果電離計(jì)規(guī)頭采用這種燈絲，并把陽極和收集極都做成特殊形式，縮短電極間距離，降低陽極電壓，使氣體電離幾率降低（即電離計(jì)系數(shù)降低），則這種電離計(jì)可以測(cè)量10-3～100帕的壓強(qiáng)，稱為高壓強(qiáng)電離計(jì)。三極管型電離計(jì)測(cè)量低壓強(qiáng)的下限決定于收集極的光電流，即由于電子打在陽極上產(chǎn)生的軟 X射線照射到收集極上引起光電發(fā)射，光電流便構(gòu)成收集極電流的本底。當(dāng)光電流占離子流的10%時(shí)即達(dá)到電離計(jì)的測(cè)量下限。將電離計(jì)規(guī)頭收集極做成細(xì)絲并放在柵極軸線位置上，燈絲位于柵極外側(cè)，這時(shí)電離計(jì)的靈敏度變化不大，而由于收集極面積小，它所截獲的X射線比三極管型減少3個(gè)數(shù)量級(jí)，這種電離計(jì)可測(cè)量低至10-8帕的壓強(qiáng)。它是1950年由貝亞得和阿爾玻特提出的，故稱BA計(jì)。為測(cè)量10-9帕或更低的壓強(qiáng)可采用調(diào)制 BA 計(jì)、引出極電離計(jì)、彎柱電離計(jì)或熱陰極磁控電離計(jì)等。這些電離計(jì)還能在一定程度上排除柵極電子誘導(dǎo)脫附離子對(duì)壓強(qiáng)測(cè)量的影響。