真空測量與常見的真空計

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為絕對溫度。測量真空度的裝置稱為真空計，真空計的壓強敏感元件稱為規(guī)頭。某些真空計可直接測量氣體總壓強，某些真空計雖然也給出壓強讀數(shù)，而實際測量的是氣體分子密度，測量結(jié)果與環(huán)境溫度有關(guān)。當容器中同時存在多種氣體成分時，容器中氣體總壓強等于各氣體分壓強之和。總壓強測量方法可分為直接法和間接法兩種。直接法利用液柱差、機械變形等原理直接測量壓強，包括液位壓強計、壓縮式真空計、彈性元件真空計等。根據(jù)前兩種儀器測出的物理量可算出壓強值，屬于絕對真空計。間接法利用氣體某些物理性質(zhì)（如熱傳導、粘滯性、電離及光散射效應等）來測量壓強，包括熱傳導真空計、粘滯真空計及電離真空計等。在真空技術(shù)中使用的真空計絕大多數(shù)采用間接法，這些真空計必須用絕對真空計或其他方法校準。對于用間接法測量的真空計，由于不同種類氣體的物理性質(zhì)不同，即使在相同壓強下，壓強讀數(shù)也隨氣體而異，因此要用相應的氣體來校準。當被測氣體不是單一成分時，這些真空計的讀數(shù)的含義較為復雜。由于一般真空計校準時所采用的氣體是純氮，因此這些真空計的讀數(shù)在未經(jīng)氣體種類修正之前統(tǒng)稱為等效氮壓強。當被測空間包含多種氣體成分時，只有通過分壓強測量才能精確地反映容器中的真空狀態(tài)和總壓強

常見的真空計

1.熱傳導真空計

利用氣體在不同壓強下熱傳導能力隨之變化的原理測量氣體壓強。在這類真空計中，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的函數(shù)，故熱絲的溫度隨壓強而變化。如用一附加的熱偶測量熱絲的溫度，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)。氣體熱傳導只在低壓強 (P<100帕)下隨壓強變化，而低至10-1帕時氣體熱傳導又不是主要的散熱方式，因此熱傳導真空計主要用于100～10-1帕范圍，采取特殊措施可擴大測量范圍。熱傳導真空計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，故準確度不高，只作粗略的真空指示用

2.皮拉尼真空計

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，因為電阻絲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，也就是測量真空度。實際的皮拉尼真空計一般做成四臂電橋，并有用于溫度補償?shù)碾娮杞z與其串聯(lián)。

3.電容薄膜真空計　

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

4.電離真空計　

簡稱電離計，利用氣體電離的原理來測量壓強。電離真空計分為熱陰極和冷陰極兩大類。熱陰極電離真空計的規(guī)頭中通常有三個電極，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動的過程中使氣體電離，如果忽略二次電離效應（指電離過程中產(chǎn)生的新電子受電場加速又獲得電離能力并引起新的電離），每個從陰極發(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)，稱為電離計系數(shù)。在一定溫度下用標準真空計校驗電離計系數(shù)后，即可根據(jù)離子流的大小確定壓強。熱陰極電離計規(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。三極管型電離計收集極為圓筒形并置于柵極外側(cè)其壓強測量范圍是 10-1～10-5帕。當工作壓強高于10-1帕時，鎢絲壽命縮短,而且由于二次電離效應，離子流與壓強的關(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 100帕的壓強下并有相當長的壽命，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（即電離計系數(shù)降低），則這種電離計可以測量10-3～100帕的壓強，稱為高壓強電離計。三極管型電離計測量低壓強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。當光電流占離子流的10%時即達到電離計的測量下限。將電離計規(guī)頭收集極做成細絲并放在柵極軸線位置上，燈絲位于柵極外側(cè)，這時電離計的靈敏度變化不大，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個數(shù)量級，這種電離計可測量低至10-8帕的壓強。它是1950年由貝亞得和阿爾玻特提出的，故稱BA計。為測量10-9帕或更低的壓強可采用調(diào)制 BA 計、引出極電離計、彎柱電離計或熱陰極磁控電離計等。這些電離計還能在一定程度上排除柵極電子誘導脫附離子對壓強測量的影響。