真空測量技術

傳統上氣體壓強單位採用毫米汞柱，後來發現汞的同位素組成不是唯一的，故在1971年國際計量會議規定

1標準大氣壓=101325.0帕=760託 (Torr)

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

1巴=106達因/釐米2=105帕

故　 1毫米汞柱≈1託≈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）n來描述。對於完全平衡態的理想氣體分子,P=nkT,k為玻耳茲曼常數,T為絕對温度。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，而實際測量的是氣體分子密度，測量結果與環境温度有關。當容器中同時存在多種氣體成分時，容器中氣體總壓強等於各氣體分壓強之和。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。根據前兩種儀器測出的物理量可算出壓強值，屬於絕對真空計。間接法利用氣體某些物理性質（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。在真空技術中使用的真空計絕大多數採用間接法，這些真空計必須用絕對真空計或其他方法校準。對於用間接法測量的真空計，由於不同種類氣體的物理性質不同，即使在相同壓強下，壓強讀數也隨氣體而異，因此要用相應的氣體來校準。當被測氣體不是單一成分時，這些真空計的讀數的含義較為複雜。由於一般真空計校準時所採用的氣體是純氮，因此這些真空計的讀數在未經氣體種類修正之前統稱為等效氮壓強。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和總壓強（見真空質譜計）。

各種真空計的測量範圍見表。在選擇真空計類型時，除考慮測量範圍外，還應注意各種真空計的準確度、對工作條件的適應性、對被測環境的影響（如真空規頭本身放氣、吸氣的影響）和壓強讀數是否與氣體種類有關等。　壓縮式真空計　又稱麥克勞計(圖1)。它將汞提升，把體積為V、初始壓強與被測壓強P相同的氣體壓縮到末端封閉的毛細管1中，然後測量封閉毛細管1和比較毛細管2兩者的汞液麪高度差。根據理想氣體等温壓縮原理,封閉毛細管中的壓強為PV/πr2h1，而比較毛細管上的壓強仍為P,兩者的壓強差對應於汞液麪高度差h，汞液麪高度可由讀數顯微鏡讀出，如V»πr2h1,則P埄πr2h1h/V，單位為毫米汞柱。麥克勞計不能測量可凝氣體的壓強。為了防止汞蒸氣進入被測容器，一般用液氮冷阱隔離。麥克勞計笨重，汞蒸氣對人體有害，主要作標準真空計用。在10-2帕和10-3帕時，它的精度分別可達±1%和±3%，高壓強下精度更高。　電容薄膜真空計　屬彈性元件真空計，其結構和電路原理如圖2。一彈性薄膜將規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。為了防止薄膜發生蠕變，通常採用零位法測量，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、結構牢固、可經受烘烤，如對不同壓強範圍採用不同規頭，可得到較高精度。電容薄膜真空計可用於高純氣體監測、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。　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頭，熱絲的温度決定於加熱和散熱之間的平衡。散熱能力是氣體壓強的函數，故熱絲的温度隨壓強而變化。如用一附加的熱偶測量熱絲的温度，則這種規頭稱為熱偶規；如利用熱絲本身的電阻值來反映温度，則稱電阻規或皮喇尼規。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於100～10-1帕範圍，採取特殊措施可擴大測量範圍。熱傳導真空計的指示不但和氣體種類有關，而且易受熱絲表面污染、環境温度等因素影響，故準確度不高，只作粗略的真空指示用。

粘滯真空計　利用在真空中轉動或振動的物體受氣體分子阻尼作用而發生運動衰減的現象來測量氣體壓強。氣體分子的阻尼力與壓強有關。實際使用的粘滯真空計主要有磁懸浮轉子真空計和振膜真空計。磁懸浮轉子真空計利用可控磁場把不鏽鋼球懸浮在真空中，用旋轉磁場把鋼球加速到400轉/秒，然後停止加速,任其自然衰減，用電子學方法精確測量其轉速衰減率，從而確定壓強。這種真空計具有很高的測量精度，吸氣、放氣速率小，壓強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。然而這種真空計在高真空端的讀數受振動影響較大,測量時間也較長。因此,這種真空計可作為 1～10-4帕範圍內的副標準真空計或用作標準傳遞真空計。

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頭中通常有三個電極，即陰極、陽極和收集極，分別起發射電子、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（指電離過程中產生的新電子受電場加速又獲得電離能力並引起新的電離），每個從陰極發出的電子所產生的正離子數和空間的氣體密度成正比，因此在一定温度下和壓強成正比。所以收集極接收的離子流Ii=SIeP，Ie為陰極電子發射電流，S為比例常數，稱為電離計係數。在一定温度下用標準真空計校驗電離計係數後，即可根據離子流的大小確定壓強。熱陰極電離計規頭主要類型和結構如圖3。陰極一般採用鎢絲，陽極可做成柵網狀，使電子能在其兩側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並置於柵極外側（圖3a），其壓強測量範圍是 10-1～10-5帕。當工作壓強高於10-1帕時，鎢絲壽命縮短,而且由於二次電離效應，離子流與壓強的關係開始偏離線性。塗氧化釷或氧化釔的銥絲陰極可工作在高達 100帕的壓強下並有相當長的壽命，這種燈絲即使在大氣中加熱也不致損壞。如果電離計規頭採用這種燈絲，並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（即電離計係數降低），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於收集極的光電流，即由於電子打在陽極上產生的軟 X射線照射到收集極上引起光電發射，光電流便構成收集極電流的本底。當光電流佔離子流的10%時即達到電離計的測量下限。將電離計規頭收集極做成細絲並放在柵極軸線位置上（圖3c），燈絲位於柵極外側，這時電離計的靈敏度變化不大，而由於收集極面積小，它所截獲的X射線比三極管型減少3個數量級，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帕或更低的壓強可採用調製 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脱附離子對壓強測量的影響。

冷陰極電離計靠陰極光電發射（或場致發射）和正離子轟擊陰極所引起的二次發射提供電子，利用磁場加長電子行程。一般冷陰極電離計（如潘寧計）的軸向磁場約300～400高斯，陽極電壓為1000～2000伏，靈敏度係數為10-2安/帕，工作範圍為1～10-4帕。冷陰極電離計結構簡單、牢固，在工業真空系統中作真空粗略指示或控制用。如增強其磁場並採用類似磁控管的結構，測量下限可擴展至10-8～10-9帕，然而這種電離計在接近低壓強端，Ii-P曲線呈非線性，有時因放電模式變化，曲線出現不連續現象，對測量有一定影響。

磁懸浮轉子真空計工作原理

根據磁懸浮轉子轉速的衰減與其周圍氣體分子的外摩擦有關的原理製成的真空測量儀表稱為磁懸浮轉子真空計。

圖4：圖

由圖4可見，除了用於磁懸浮轉子的螺旋線圈2外，在真空室下邊還設置一敏感線圈5，通過伺服電路控制螺旋線圈2的電流，使轉子懸浮在預定高度。在真空室兩側的一對驅動線圈3產生旋轉磁場，驅動轉子以每秒200～400轉的速度自轉。雖然轉子在給定的垂直位置會自動地趨向磁場最強處(一般在垂直對稱軸上)，但若受外界擾動，轉子將圍繞軸作水平振動。圖4中緊臨下方的阻尼鋼針6可使這種振動衰減。

這種真空計是基於氣體分子對自由旋轉鋼球的減速作用而工作的。當鋼球被驅動線圈的磁場從靜止加速到每秒400轉速之後，停止驅動場，由於氣體分子摩擦的積分作用引起鋼球自轉速度衰減，其轉速衰減與氣體壓力p有着嚴格的對應關係。

磁懸浮轉子真空計是標準真空計，量程寬(10-1～10-5Pa)，用它作互校傳遞標準時，累積誤差小，可靠性重複性好。

真空計的校準　有三種方法。①直接比對法：從大氣壓到10-3帕可採取和絕對真空計直接比對的方法進行校準。②膨脹法：使小體積的、壓強已知的氣體在等温情況下膨脹到大體積中，從而得到低的已知壓強。如果減小器壁吸附和真空計吸氣、放氣的影響，此法校準下限可達10-5帕,精度達±3%。③動態流導法：利用氣體通過小孔在其兩側產生壓強差的原理。如已知小孔流導，測出流量和小孔一側的壓強便可算出另一側壓強。此法的校準範圍是10-2～10-7帕，然而低壓強端的校準精度只有±10%左右。