真空的测量

邵先亦第四讲真空的测量真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的，并不十分合理。压力高意味着真空度低；反之，压力低与真空度高相对应。真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分。用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。这里所谓压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。一、真空测量概念真空技术中遇到的气体压力都很低，如有时要测l0-10pa的压力，这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此，测量真空度的办法通常是在待测的气体中制造一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量，再设法间接确定出真实压力来。真空计种类繁多，工作原理各异，除极少数几种是直接测量压力外，其它几乎都是间接测量压力的。二.真空计的分类按真空度刻度方法分类：绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型镑压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。相对真空计：由一些气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进刻度，必须进行校准才能刻度。按真空计测量原理分类分为：直接测量真空计，这种真空计直接测量单位面积上的力。间接测量真空计压力为10-1Pa时，作用在1cm2表面上力只有10-5N，显然测量这样小的力是困难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。三、真空计测量真空度范围四、真空测量特点(1)测量压力范围宽，105～l0-14Pa。(2)大部分真空计是间接测量，只有压力为105～l0Pa时，可直接测单位面积所受的力。但大多数真空测量的压力远比上述为小，不能直接测量，应利用低压下气体的某些特性(如热传导、粘滞性和电离等)进行间接测量。(3)多采用电测技术，反应迅速，灵敏度高，可实现自动化。(4)大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分，否则会造成很大误差。(5)测量精度不高。五、真空计选择原则(1)在要求的压力区域内有要求的精度。(2)被测气体是否会损伤真空计；真空计可否会给被测气体状态带来影响。(3)灵敏度与气体种类有关否。(4)可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。(5)稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。(6)还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。六、常见真空计介绍：１、U型管真空计2、压缩式真中计－麦氏真空计(10-3Pa)压缩式真空计是校准其他真空计的主要仪器。由测量毛细管3(顶端为封闭端)、比较毛细管4、玻璃泡2、水银存贮器1、三通阀7、与被测真空系统相连接的导管6和刻度尺5等组成。测量前将压缩式真空计的导管与被测系统相连接，由于系统内压力各处相等，所以玻璃泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力p相等。测量时将水银面提升，当水银面停在M-M所示的位置时，这一瞬间将被测系统与玻璃泡分开，此时，玻璃泡内部压力与被测系统内压力p相等。当继续提升水银时，玻璃泡内的气体被压缩．体积开始减小、压力增高。2PghP211()PVPVghPV1()VPghPV1VPghVP22114dVh2112()4dpghhhV压缩真空计的特点是：(1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气体而言。(2)测量范围较宽、精度较高。工作用压缩式真空计的测量范围为102～l0-3Pa，对其结构尺寸进行改进后可使量程进一步扩大。其测量精度比较高。(3)不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，操作费时。(4)水银蒸气对人体有害。３、弹性元件真空计利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的真空测量仪表称为弹性元件真空表。在结构和外形上与工业用压力表类似，一般用于粗真空(102～105Pa)的测量。根据变形弹性元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、膜盒式和膜片式。弹性元件真空表的主要特点如下：(1)测量结果是气体和蒸气的全压力，并与气体种类、成分及其性质无关；(2)测量过程中，仪表的吸气和放气很小，同时仪表内部没有高温部件，不会使油蒸气分解；(3)测量精度较高；(4)反应速度较快；(5)结构牢固，选用适当材料能测量腐蚀性气体；(6)是绝对真空计，0.5级以上的表可作为标准表。４、热传导真空计热传导真空计是根据在低压力下，气体分子热传导与压力有关的原理制成的。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。热传导与气体压强的关系热传导真空计规管热丝的温度T是压力p的函数，即T=f(p)。如果预先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度T1来确定压力p。热丝温度的测量方法，有以下三种：(1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质，膨胀式真空计；(2)利用热丝电阻随温度变化的性质，电阻真空计；(3)利用热电偶直接测量热丝的温度变化，热偶真空计。在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的，此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高，但稳定性较差。电阻真空计和热偶真空计是目前粗真空和低真空测量中用得最多的两种真空计。电阻真空计由规管和测量线路两部分组成。其测量范因为10４一10-1Pa。常用的热丝材料有钨、铂和镍三种。热丝表而敷一层薄玻璃、石英或铷等，以防热丝氧化和腐蚀。实用的电阻真空计测量线路采用电桥。根据测量热丝电阻变化的方法不同，可分为三种模式：电阻真空计(1)定电压法：保持电桥两端电压不变，观察失平衡电流与压力的关系；(2)定电流法：保持热丝电流(或电桥电流)不变、观察失平衡电压与压力的关系；(3)定电阻法(即定温度法)：在任何压力下都用改变电桥电压的方法．保持电桥处于平衡状态。电桥电压与压力的关系即为校准曲线。在此方法中热丝电阻及其温度基本为定值。在以上三种模式中。常用的是定电压法和定温度法。定温型电阻真空计定温型电阻真空计的工作原理是：先在102~10-3Pa真空度时，将电桥调于一定的电压U0。改变电阻RV使电桥平衡，表头指零。当压力增高时，热损耗大，热丝温度降低，电阻变小，电桥失去平衡，表头有指示。此时，增高电桥输入电压至U使电桥再次平衡，则热丝温度及电阻恢复原值，可以推算出，气体压强p与电桥电压的平方差(U2-U02)呈线性关系。即：220()pCUU热偶真空计热偶真空计是借助于热电偶直接测量热丝温度的变化，热电偶产生的热电势就用于表征规管内的压强。热偶真空计由热偶规管和测量线路两部分组成。热偶规管主要出热丝和热电偶组成，热电偶的热端与热丝相连．另一端作为冷端经引线引出管外，接至毫伏表。规管上端与待测的低真空相通，COD为由铂丝制成的加热灯丝，AO和OB分别为康铜和镍铬丝组成的热电偶，热电偶的热端O与灯丝的中部相焊接，灯丝通过加热电流时，热偶的冷端A、B所处的温度基本相同，并由导线从管脚引出，与测量电动势的毫伏表相联，由测量仪器提供稳定的灯丝加热电流。DL-2热偶真空计图RKCDABO图36-5热偶规管结构mVmA在灯丝加热电流保持一定的条件下，灯丝(即热电偶的热端)的热平衡温度取决于规管所处的真空度，真空度越高，规管内单位体积的气体分子数越少，气体导热性能越差，热电偶热端的热平衡温度越高，热电偶冷热两端的温度差越大，A、B两端的电势差也就越大，这样由热电偶的温差电动势的大小可间接测出真空度。５、电离真空计工作原理是：利用某种手段使进人规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成离子流；由于被测气体分子所产生的离子流在一定压强范围内与气体的压力呈现出正比关系。则通过测量离子流的大小就可以反映出被测气体的强，电离真空计就是依此得名的。电离真空计可按电离方式的不同分为三类。一类是应用最广、依靠高温阴极热电子发射原理工作的热阴极电离真空计；另一类是没有热阴极而靠冷发射(场致发射)原理工作的冷阴极电离真空计；三是采用放射性同位素作为电离源的放射性电离真空汁。热阴极电离真空计（测量范围为0.1~10-８Pa）加速极阴极收集极离子流IemAVAKVKCI+ＤＬ-7电离真空计图热阴极电离真空计规管主要包括三个电极：(1)提供一定数量电子流Ie的灯丝F(阴极)；(2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极)；(3)收集离子流I＋的离子收集极C(相对阴极为负电位)。电离规的结构如图所示，阴极灯丝发出的电子与气体分子碰撞使气体分子电离，电离产生的正离子被收集极收集，形成离子电流I＋，此离子流可由外电路的微安表测出。正离子电流与栅极电流Ie及气体压强P成正比，即：I+=KIeP式中K是比例常数，称为电离真空计的灵敏度。通常使Ie保持不变，借助绝对真空计进行校准，用I+的值指示真空度。当压强大于0.1Pa时，I+值很大，灯丝会被烧毁，因此，真空度必须达到0.1Pa以上才可以开启电离真空计。电离真空计中正离子流与气体压强的线性关系仅存在于10-1~10-5帕压强范围内，在较高的压强下向偏小，而压强较低时却向增大的方向偏离。偏离的原因（本底电流，软X射线，碰撞自由程，二次电子）。B-A型真空计——贝阿德(Bayard)和阿尔珀特(A1Pert)首先提出冷阴极电离真空计—潘宁规（0.1-10-4Pa）冷阴极电离真空计是以冷阴极取代热阴极作为电离真空计的电子源，俗称冷规，也称为磁放电真空计。潘宁规放电的放电电流I与气体压力p的存在如下关系：I=KPn。分压力真空计和参与气体分析—质谱计随着真空技术的不断发展，不但要求准确测量气体的全压力，而且还希望对真空容器内残余气体的成分进行分析以了解气体的纯度，掌握气体中各种组分气体所占份额；或者直接测量真空中混合气体组分和相应的分压力值。这就是残余气体分析或分压力测量技术。按工作原理分：磁偏转质谱计，回旋质谱计，飞行时间质谱计，射频质谱计，四极质谱计等。真空质谱计的工作过程：（1）用电子碰撞的方法将气体电离。（2）在质量分析器中利用磁偏转、共振、飞行时间不同等质量分析技术，将离子按荷质比不同进行分离。（3）将分离的离子流进行放大，在显示装置上依次显示出每一荷质比的离子流的强度。（4）识谱。气体的质谱图四极质谱计原理分析器由四极对称排列的双曲面组成，直流电压和高频电压幅值保持一定的比例。某种离子能够穿越分析器的稳定条件由下列两个系数决定：2208eUamr2204eVqmr在某一特定的电压和频率下，只有一种质量的离子可以通过-滤质器具体的真空测量过程，需考虑：1、真空计的校准。2、气体种类对读数和规管的影响。3、环境温度对测量的影响。4、规管安装位置和方法对真空测量的影响5、真空规的抽气和放气的影响。