真空测量

学术   2024-10-18 11:35   中国  

在真空技术领域,测量真空度是至关重要的环节。气体的稀薄程度可以用气体分子密度来描述,对于理想气体分子,压强与气体分子密度、玻耳兹曼常数以及绝对温度有关。

测量真空度的装置叫真空计,其压强敏感元件为规头。真空计测量总压强的方法分为直接法和间接法。直接法利用液柱差、机械变形等原理直接测量压强,包括液位压强计、压缩式真空计、弹性元件真空计等,其中前两种属于绝对真空计。间接法利用气体的某些物理性质,如热传导、粘滞性、电离及光散射效应等测量压强,包括热传导真空计、粘滞真空计及电离真空计等。在真空技术中绝大多数真空计采用间接法,且需用绝对真空计或其他方法校准。当被测气体不是单一成分时,这些真空计的读数含义较为复杂,未经气体种类修正前统称等效氮压强,只有通过分压强测量才能精确反映容器中的真空状态和总压强。

常见的真空计有以下几种:

一、热传导真空计

利用气体在不同压强下热传导能力随之变化的原理测量气体压强。以一定加热电流通过装有热丝的规头,热丝温度由加热和散热平衡决定,而散热能力与气体压强相关,所以热丝温度随压强变化。若用热偶测量热丝温度,称为热偶规;利用热丝电阻值反映温度的则称电阻规或皮喇尼规。热传导真空计主要用于帕范围,采取特殊措施可扩大测量范围。但其指示受气体种类、热丝表面污染、环境温度等因素影响,准确度不高,只能作粗略的真空指示。

二、皮拉尼真空计

工作原理是根据真空度不同,单位体积内的空气分子数不同,对正在发热的电阻丝带走热量的能力不同,从而使电阻丝温度不同。因为电阻丝的电阻率是温度的函数,所以不同的真空度引起电阻率不同,进而电阻不同,电流在电阻丝上的压降不同,根据电压的变化就能换算出空气压强,也就是测量真空度。实际的皮拉尼真空计一般做成四臂电桥,并有用于温度补偿的电阻丝与其串联。

三、电容薄膜真空计

属于弹性元件真空计。弹性薄膜将规管真空室分为参考压强室和测量室。测量低压强时,参考室抽至高真空,压强近似为零。当测量室压强不同时,薄膜变形的程度也不同。测量室中有一固定电极,与薄膜形成一个电容器。薄膜变形时电容值相应改变,通过电容电桥可测量电容的变化从而确定相应压强值。为防止薄膜发生蠕变,通常采用零位法测量。电容薄膜真空计可直接测量气体或蒸气的压强,测量值与气体种类无关,结构牢固,可经受烘烤。采用不同规头可获得较高精度,可用于高纯气体监测、低真空精密测量和压强控制,也可用作低真空测量的副标准。

四、电离真空计

简称电离计,利用气体电离的原理来测量压强。分为热阴极和冷阴极两大类。热阴极电离真空计的规头通常有阴极、阳极和收集极三个电极。电子从阴极向阳极运动使气体电离,在一定温度下,每个从阴极发出的电子所产生的正离子数和空间的气体密度成正比,因此在一定温度下和压强成正比。收集极接收的离子流与阴极电子发射电流、电离计系数及压强成正比。校验电离计系数后可根据离子流大小确定压强。

热阴极电离计规头主要类型有:

  • 三极管型电离计:收集极为圆筒形并置于栅极外侧,压强测量范围是帕。当工作压强高于帕时,钨丝寿命缩短,而且由于二次电离效应,离子流与压强的关系开始偏离线性。

  • 高压强电离计:采用涂氧化钍或氧化钇的铱丝阴极,可工作在高达帕的压强下并有相当长的寿命。降低电离几率,可测量帕的压强。

  • BA 计:将电离计规头收集极做成细丝并放在栅极轴线位置上,灯丝位于栅极外侧,可测量低至帕的压强。为测量帕或更低的压强,可采用调制 BA 计、引出极电离计、弯柱电离计或热阴极磁控电离计等,这些还能在一定程度上排除栅极电子诱导脱附离子对压强测量的影响。


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