真空測量技術(shù)

各種真空計(jì)的測量范圍見表。在選擇真空計(jì)類型時(shí)，除考慮測量范圍外，還應(yīng)注意各種真空計(jì)的準(zhǔn)確度、對工作條件的適應(yīng)性、對被測環(huán)境的影響(如真空規(guī)頭本身放氣、吸氣的影響)和壓強(qiáng)讀數(shù)是否與氣體種類有關(guān)等。 壓縮式真空計(jì) 又稱麥克勞計(jì)(圖1)。它將汞提升，把體積為V、初始壓強(qiáng)與被測壓強(qiáng)P相同的氣體壓縮到末端封閉的毛細(xì)管1中，然后測量封閉毛細(xì)管1和比較毛細(xì)管2兩者的汞液面高度差。根據(jù)理想氣體等溫壓縮原理,封閉毛細(xì)管中的壓強(qiáng)為PV/πr2h1，而比較毛細(xì)管上的壓強(qiáng)仍為P,兩者的壓強(qiáng)差對應(yīng)于汞液面高度差h，汞液面高度可由讀數(shù)顯微鏡讀出，如V?πr2h1,則P埄πr2h1h/V，單位為毫米汞柱。麥克勞計(jì)不能測量可凝氣體的壓強(qiáng)。為了防止汞蒸氣進(jìn)入被測容器，一般用液氮冷阱隔離。麥克勞計(jì)笨重，汞蒸氣對人體有害，主要作標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)用。在10-2帕和10-3帕?xí)r，它的精度分別可達(dá)±1%和±3%，高壓強(qiáng)下精度更高。 電容薄膜真空計(jì) 屬彈性元件真空計(jì)，其結(jié)構(gòu)和電路原理如圖2。一彈性薄膜將規(guī)管真空室分為兩個(gè)小室，即參考壓強(qiáng)室和測量室。測量低壓強(qiáng) (P<100帕)時(shí)，參考室抽至高真空,其壓強(qiáng)近似為零。當(dāng)測量室壓強(qiáng)不同時(shí)，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(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 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)可直接測量氣體或蒸氣的壓強(qiáng)，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(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、低真空精密測量和壓強(qiáng)控制，也可用作低真空測量的副標(biāo)準(zhǔn)。 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。

粘滯真空計(jì) 利用在真空中轉(zhuǎn)動或 振動的物體受氣體分子阻尼作用而發(fā)生運(yùn)動衰減的現(xiàn)象來測量氣體壓強(qiáng)。氣體分子的阻尼力與壓強(qiáng)有關(guān)。實(shí)際使用的粘滯真空計(jì)主要有磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)和振膜真空計(jì)。磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)利用可控磁場把不銹鋼球懸浮在真空中，用旋轉(zhuǎn)磁場把鋼球加速到400轉(zhuǎn)/秒，然后停止加速,任其自然衰減，用電子學(xué)方法精確測量其轉(zhuǎn)速衰減率，從而確定壓強(qiáng)。這種真空計(jì)具有很高的測量精度，吸氣、放氣速率小，壓強(qiáng)指示受氣體種類影響小，如鋼球表面鍍金則可在較惡劣的氣氛下工作。然而這種真空計(jì)在高真空端的讀數(shù)受振動影響較大,測量時(shí)間也較長。因此,這種真空計(jì)可作為 1~10-4帕范圍內(nèi)的副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)或用作標(biāo)準(zhǔn)傳遞真空計(jì)。

電離真空計(jì) 簡稱電離計(jì)，利用氣體電離的原理來測量壓強(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)頭主要類型和結(jié)構(gòu)如圖3。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)(圖3a)，其壓強(qiáng)測量范圍是 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(圖3b)，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(圖3c)，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，這種電離計(jì)可測量低至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)脫附離子對壓強(qiáng)測量的影響。

冷陰極電離計(jì)靠陰極光電發(fā)射(或場致發(fā)射)和正離子轟擊陰極所引起的二次發(fā)射提供電子，利用磁場加長電子行程。一般冷陰極電離計(jì)(如潘寧計(jì))的軸向磁場約300~400高斯，陽極電壓為1000~2000伏，靈敏度系數(shù)為10-2安/帕，工作范圍為1~10-4帕。冷陰極電離計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、牢固，在工業(yè)真空系統(tǒng)中作真空粗略指示或控制用。如增強(qiáng)其磁場并采用類似磁控管的結(jié)構(gòu)，測量下限可擴(kuò)展至10-8~10-9帕，然而這種電離計(jì)在接近低壓強(qiáng)端，Ii-P曲線呈非線性，有時(shí)因放電模式變化，曲線出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，對測量有一定影響。

磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)工作原理

根據(jù)磁懸浮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的衰減與其周圍氣體分子的外摩擦有關(guān)的原理制成的真空測量儀表稱為磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)。

圖22:圖

由圖22可見，除了用于磁懸浮轉(zhuǎn)子的螺旋線圈2外，在真空室下邊還設(shè)置一敏感線圈5，通過伺服電路控制螺旋線圈2的電流，使轉(zhuǎn)子懸浮在預(yù)定高度。在真空室兩側(cè)的一對驅(qū)動線圈3產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子以每秒200~400轉(zhuǎn)的速度自轉(zhuǎn)。雖然轉(zhuǎn)子在給定的垂直位置會自動地趨向磁場最強(qiáng)處(一般在垂直對稱軸上)，但若受外界擾動，轉(zhuǎn)子將圍繞軸作水平振動。圖中緊臨下方的阻尼鋼針6可使這種振動衰減。

這種真空計(jì)是基于氣體分子對自由旋轉(zhuǎn)鋼球的減速作用而工作的。當(dāng)鋼球被驅(qū)動線圈的磁場從靜止加速到每秒400轉(zhuǎn)速之后，停止驅(qū)動場，由于氣體分子摩擦的積分作用引起鋼球自轉(zhuǎn)速度衰減，其轉(zhuǎn)速衰減與氣體壓力p有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)，量程寬(10-1~10-5Pa)，用它作互校傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，累積誤差小，可靠性重復(fù)性好。

真空計(jì)的校準(zhǔn) 有三種方法。①直接比對法:從大氣壓到10-3帕可采取和絕對真空計(jì)直接比對的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。②膨脹法:使小體積的、壓強(qiáng)已知的氣體在等溫情況下膨脹到大體積中，從而得到低的已知壓強(qiáng)。如果減小器壁吸附和真空計(jì)吸氣、放氣的影響，此法校準(zhǔn)下限可達(dá)10-5帕,精度達(dá)±3%。③動態(tài)流導(dǎo)法:利用氣體通過小孔在其兩側(cè)產(chǎn)生壓強(qiáng)差的原理。如已知小孔流導(dǎo)，測出流量和小孔一側(cè)的壓強(qiáng)便可算出另一側(cè)壓強(qiáng)。此法的校準(zhǔn)范圍是10-2~10-7帕，然而低壓強(qiáng)端的校準(zhǔn)精度只有±10%左右。

傳統(tǒng)上氣體壓強(qiáng)單位采用毫米汞柱，后來發(fā)現(xiàn)汞的同位素組成不是唯一的，故在1971年國際計(jì)量會議規(guī)定

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325.0帕=760托 (Torr)

1毫米汞柱(mmHg)和1托相近，兩者相差約千萬分之一。壓強(qiáng)的另一單位是巴(bar)，

1巴=106達(dá)因/厘米2=105帕

故 1毫米汞柱≈1托≈133.3帕=1.333毫巴

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(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)際測量的是氣體分子密度，測量結(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)前兩種儀器測出的物理量可算出壓強(qiáng)值，屬于絕對真空計(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)必須用絕對真空計(jì)或其他方法校準(zhǔn)。對于用間接法測量的真空計(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)被測空間包含多種氣體成分時(shí)，只有通過分壓強(qiáng)測量才能精確地反映容器中的真空狀態(tài)和總壓強(qiáng)(見真空質(zhì)譜計(jì))。