真空的测量简介

1赵风周物理学院2011年6月真空物理与技术VacuumPhysicsandTechnology2第四章真空的测量一．概述二．总压强测量三．分压强测量四．真空计校准五．真空测量技术3第一节概述一、真空度真空度：真空技术中习惯以各向同性的中性气体的压强来表示真空度的高低，压强越小，则真空度越高真空计：通常把测量比大气压强小得多的气压的工具称为真空计或真空规一般意义上的真空测量属于混合气体全压强测量真空测量技术还包含气体成分分析和分压强测量真空计分类：绝对真空计和相对真空计，后者需要经过校准才能使用4真空度量值的单位采用压强单位，Pa工程上还使用kPa、MPa还有毫米汞柱、毫巴、Torr、PPI等单位测量大于100Pa压强时，也可使用真空度百分数表示%10010110155pδ二、真空度量值的单位56三、真空计的分类与测量范围78第二节总压强测量U形管真空计(UtubeManometer)是利用液柱的高度差来进行气体压强测量的真空计，真空测量中一般使用水银，也有使用油的使用时，将管的一端与待测真空系统相连，另一端开口联通大气或封死，读数由U形管两边得液面差决定测量范围：10~105Pa在低真空范围内测量全压强的绝对真空计一、液位式真空计91.1开式U形管真空计开始抽气前，两端液面等高；开始抽气后，随着真空系统压强降低，两端液面出现高度差，某一时刻达到平衡状态时，有ghppρ0使用水银为工作液时，=13.595×103kg/m3hpp5010333.1101.2闭式U形管真空计将管内预抽至10-1Pa真空，注入工作液，开口端与待测系统相连抽气到某一时刻，两端液面处于静力平衡时，待测压强为ghpρ使用水银为工作液时hp510333.1111.3U形管真空计的改进当待测压强很小时，就会出现读数困难，可作如下改进(1)换用密度小的液体(2)将U形设计改成斜放式(3)利用光放大读数(4)光干涉放大，可确定1.72×10-9m的液面变化1213二、压缩式真空计压缩式真空计由硬质玻璃吹制而成，主要包含一下几部分：测量毛细管、比较毛细管、玻璃泡、水银贮存器、刻度尺、连接导管原理：理想气体的波意耳定律测量前，将真空计与被测系统连接，压强相等测量时，线将水银面提到MM线高度，将被测系统与玻璃泡分开,玻璃泡内的压强与被测压强p相等，MM线以上玻璃泡+测量毛细管体积为V2.1工作原理14水银面升到右图位置时,测量毛细管内气体体积为V1，压强为p1，而比较毛细管内压强仍为p，测量毛细管和比较毛细管的液面差h=h1=h2，则测量毛细管内压强为pghpρ1根据玻义耳定律，有)()(1111ghpVVpVghpVppVρρ测量低压，pgh，V1=d2h1/4，可得压缩真空计基本方程)(42112hhghVdpρπ15)(42112hhghVdpρπV和d在制作压缩真空计时可测得，为固定数据，则上式可写成2252211Pa/m/1005.14)(：真空计常数，KVdgVdKhhKhpρπ162.2压缩真空计的测量刻度方法和灵敏度压缩真空计的刻度按测量时选定的水银面基准位置不同，可分为三种方法：(1)平方刻度法测量时将比较毛细管内液面升到测量毛细管顶进行读数的方法，即h2=0，h1=h2Khp(2)直线刻度法测量时将液面升到测量毛细管的某一基准线进行读数，即h1=常数，h1-h2=hhKhKhpL117(3)无标定刻度法测量时无基准线，将水银面提升到任意位置固定，利用测高仪分别测出h1和h2，直接代入基准方程求出p压缩真空计是麦克劳(H.McLeod)1874年发明的，因此又称为麦克劳真空计压缩真空计是一种测量可靠性很高的绝对真空计，普遍将其定为国家级的真空测量标准18压缩真空计的灵敏度压缩真空计的灵敏度用dh/dp表示平方刻度，灵敏度为Khph21dd直线刻度，灵敏度为LKph1dd灵敏度主要取决于V、d、h等值：V一般约为500cm3，d=0.8mm，h最小分辨率一般取为1mm灵敏度一般为(2~5)×10-3mm/Pa，测量范围102~10-3Pa192.3压缩真空计的优缺点优点：绝对真空计，压强数值完全由其尺寸算出，无需校准缺点：水银饱和蒸汽压高，污染真空室，对人体有害，不能连续读数——仅作为测量标准使用20三、弹性变形真空计弹性变形真空计是利用弹性元件在压强差作用下产生变形的原理制成的一种直接测量真空计，测量范围105~10Pa特点：规管的灵敏度与气体种类无关，吸气放气少，对系统干扰小，可对腐蚀性和可凝性蒸汽测量存在问题：金属弹性元件的蠕变和弹性系数的温度效应根据弹性单元的结构，可分为三类：弹簧式、膜盒式、膜片式根据弹性变量的测量方式，分为：机械传动式和电量测量式弹性元件材料通常为磷青铜、黄铜或者薄壁不锈钢等材料一般使用指针表盘来显示真空度，也称为指针式真空表刻度：习惯将大气压标为0，高真空状态标为-0.1MPa212223四、电容式薄膜真空计弹性膜片真空计中，膜片在压强差作用下产生的形变量，可通过机械的、光学的和电学的多种方法测量。电测量可实现连续远距离测量、灵敏度高而被广泛采用。变形量的电信号变送方式有电感式、压电式、电阻应变式和电容式，压电式和电容式薄膜真空计应用广泛，逐渐取代了传统机械式薄膜真空计，获得广泛应用。242526274.1工作原理测量原理：压强改变时薄膜产生形变，膜与探测电极之间的距离随之改变，从而其间的电容量改变，用电学方法测出电容量，便可通过校准确定气体压强。284.2灵敏度简单的电容薄膜真空规，其电容可依平行平板电容估算dAC/0εε位移分辨率：电容变化对应的薄膜位移量20CCAdδεεδ若薄膜直径为50mm，感应电极面积为1×10-4m2，二者间距为0.1mm，一般的电子设备对电容的分辨率最小可达3×10-17F，根据这些数据可得C=8.9×10-12F，考虑分布电容，可设为15pF，所以可得d=3×10-10m注意：电容分辨率比总电容量小五个数量级29电容薄膜真空计测量的是薄膜两边的压强差，若参考气压很低，则可认为所测压强即为真实压强，且与气体种类无关例外：气体的介电常数与空气/真空相差很大时，会有很大误差量程：一般四个量程，扩展很难——电容分辨率采用高频技术等措施后，精度可达±0.1%4.3性能30五、热传导真空计热传导真空计是基于气体分子热传导能力在一定压强范围内与气体压强有关的原理制成基本结构：在玻璃或者金属制成的圆形管壳中心线处设置一根热丝，热丝加热后温度高于周围气体和管壳温度，在热丝和管壳之间产生因气体分子引起的热传导。热平衡时，热丝温度取决于气体的热传导——d时，热传导∝压强热传导真空计实际就是测量热丝温度随气体压强变化的真空测量仪器315.1理论分析热丝达到热平衡时，有热平衡方程lrgQQQQ单位时间热辐射耗散热量QrLrTTQ1422411r2)(πεεσ单位时间支杆导热耗散热量Ql)d/d(239.020llTAKQw单位时间气体热传导耗散热量Qg)(12212121gTTpKQfαααααα32335.2电阻真空计电阻真空计，又称为Pirani真空计，是凭借热丝电阻的变化反映气体压强变化的热传导真空计，测量范围104~10-1Pa一般采用惠氏电桥或文氏电桥工作模式①定电压法：电桥两端电压不变，测量失衡电流与气压的关系②定电流法：保持热丝或电桥电流不变，测量失衡电压与气压的关系③定电阻法(定温度法)：任何压强下都改变电桥电压，保持电桥处于平衡状态，测量电桥电压与气压的关系34工作原理在10-2~10-3Pa时，将电桥调于一定电压U0，改变RV使电桥平衡，CB指零p增大时，热损耗增大，热丝温度降低，电阻变小，电桥失衡，CB不为零改变电桥电压至U，热丝温度和电阻恢复)(202UUCp35365.3热偶真空计热偶真空计是借助热电偶直接测量热丝温度的变化，热电偶产生的热电势直接表征规管内的压强测量范围：102~10-1Pa5.3.1结构原理构成：热偶式规管和测量线路在较低压强下(≥r2)，热丝温度、热偶电势E决定于规管内的压强p加热电流一定时，可根据热电偶的电势E直接得到被测系统的压强加热电流改变，灵敏度和测量范围都会随之改变37385.3.2工作特性395.3.3气体种类的影响不同气体的导热系数不同，导致热偶真空计对不同气体的测量结果不同各种气体的p-E校准曲线形状类似，所以可根据干燥空气或氮气的刻度压强读数，再乘以相应的被测气体的相对灵敏度，可得实际压强readrrealpSp40六、电离真空计普通电离真空计用于低于10-1Pa的高真空的测量，结构上包括作为传感元件的规管和控制、测量仪表两部分原理：利用某种手段使进入规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成的离子流；由于被测气体分子产生的离子流在一定压强范围内与气体的压强成正比，通过测量离子流的大小就可以反映出被测气体的压强值根据电离方式，可分为三类：热阴极电离真空计，依靠场致发射的冷阴极电离真空计，放射性电离真空计416.1热阴极电离真空计6.1.1工作原理热阴极电离真空计规管中，热阴极发射的电子经阳极加速后获得足够的能量，与气体分子碰撞，引起分子电离，产生正离子和电子电子与分子的碰撞次数正比于分子密度n，也就是正比于气压p，所以电离产生的正离子数正比于压强p收集极接收的离子流Ii，在一定压强范围内与阴极发射电流和气压p成正比，即pKIIeiK为电离真空计的规管系数（电离真空计灵敏度），单位Pa-1，对一定气体，温度恒定时，K为定值——相对真空计42436.1.2分类及测量范围热阴极电离真空计按线性范围的不同，分为三类①普通型热阴极电离真空计：10-1~10-5Pa②超高真空热阴极电离真空计：10-1~10-11Pa③高压强热阴极电离真空计：100~10-3Pa限制热阴极电离真空计测量上限的因素：离子流与压强的关系在高压强下偏离线性而趋于饱和。上限由电极结构、电极间电位分布及发射电流的大小决定。热阴极电力真空计下限：规管系数K在p很低时仍可保持为常数，但离子流随压强降低而减小到一定程度后，淹没在本底电流中而不可分辨，此时达到压强测量下限。本底电流包括软X射线电流、电子诱导脱附离子流和阴极材料蒸汽离子流446.1.3普通型热阴极电离真空计普通型电离真空计由Buckley首先由三极管改制而成，将栅极接负电位，用于控制阴极电流发射和离子收集，K=8.3×10-2Pa-1改进：栅极接正电位作为电子收集极，原有的板极接负电位作离子收集极，K可达0.15Pa-1线性压强测量范围：10-1~10-5Pa4546气体成分对测量的影响♣不同气体的电离截面或电离效率不同，K值与气体种类有关♣灵敏度：以氮气为基准，各种气体的K值与氮气K值的比值2NrKKSrreadreal/Spp47优点①可测量气体或蒸汽的全压强②能够实现连续、远距离测量③校准曲线为线性④响应迅速缺点①读数与气体种类有关②高温灯丝的电清除作用、化学清除作用以及规管的放气作用会影响低压强的测量准确度，并改变被测系统气体成分③高压强或意外漏气时灯丝易烧毁486.1.4高压热阴极电离真空计(1)扩展压强测量上限的意义普通型电离规的测量上限为10-1Pa，而实际应用中，常常要求能测量高于10-1Pa的压强普通电离规与热偶真空计的组合——复合真空计得到广泛应用，压强测量范围达10-5Pa~104Pa；但热偶真空计的测量下限和普通电离规的测量上限都是10-1Pa，由于测量原理不同，会在10-1Pa出现测量不衔接问题10-1Pa是真空冶金、真空热处理、半导体单晶制备等应用技术的工作压强，需要准确测量——扩展电离规的测量上限是必须的！中真空电离真空计49(2)影响压强测量上限的因素I.高于10-1Pa时，热规的钨丝阴极将氧化烧断II.高于10-1Pa时，离子流与压强的关系曲线偏离线性解决途径a)换用抗氧化阴极：纯铱丝+氧化钇涂