真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)培訓(xùn)系列課件

真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)主講人：東北大學(xué)劉玉岱教授真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)主講人：東北大學(xué)《真空技術(shù)》一.真空技術(shù)概況（楊乃恒）二.真空工程理論基礎(chǔ)（張世偉）三.真空系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（劉坤）四.干式真空泵原理與技術(shù)基礎(chǔ)（巴德純）五.真空獲得設(shè)備原理與技術(shù)基礎(chǔ)（張以忱）六.真空鍍膜技術(shù)基礎(chǔ)（張以忱）七.真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)（劉玉岱）八.質(zhì)譜原理與真空檢漏（劉玉岱）九.真空冶金技術(shù)基礎(chǔ)（王曉冬）十.真空設(shè)備選型的方法與實(shí)踐（徐成海）東北大學(xué)第七期培訓(xùn)系列之《真空技術(shù)》一.真空技術(shù)概況（楊乃恒）東北大學(xué)第七期培訓(xùn)

真空測(cè)量1真空測(cè)量概述2全壓力測(cè)量3分壓力測(cè)量4真空計(jì)校準(zhǔn)真空測(cè)量1真空測(cè)量概述1真空測(cè)量概述1.1什么是真空測(cè)量1.2真空度的表征及單位1.3真空計(jì)分類(lèi)1.4真空計(jì)測(cè)量范圍1.5真空測(cè)量特點(diǎn)1.6選擇真空計(jì)原則

1真空測(cè)量概述1.1什么是真空測(cè)量1.1什么是真空測(cè)量真空測(cè)量就是真空度的測(cè)量，而真空度是指低于大氣壓力的氣體稀薄程度。以壓力表示真空度是由于歷史沿用下來(lái)的，并不十分合理。壓力高意味著真空度低；反之，壓力低與真空度高相對(duì)應(yīng)。真空測(cè)量包括全壓力測(cè)量、分壓力測(cè)量和真空計(jì)校準(zhǔn)三部分。用于探測(cè)低壓空間稀薄氣體壓力的儀器稱(chēng)為真空計(jì)。本文所述壓力的測(cè)量是指比大氣壓力小得多的氣體壓力測(cè)量。1.1什么是真空測(cè)量真空測(cè)量就是真空度的測(cè)量壓力是一個(gè)力學(xué)量，為單位面積所承受的力。大氣壓力為101325Pa，直接測(cè)量這樣大的壓力是容易的，但在真空技術(shù)中，測(cè)量這樣大的壓力是比較少的。真空技術(shù)中遇到的氣體壓力都比較低，如有時(shí)要測(cè)10-10Pa的壓力，這樣極小的壓力用直接測(cè)量單位面積所承受的力是不可能的。因此，測(cè)量真空度的辦法通常是在氣體中造成一定的物理現(xiàn)象，然后測(cè)量這個(gè)過(guò)程中與氣體壓力有關(guān)的某些物理量，再設(shè)法間接確定出真實(shí)壓力來(lái)。壓力是一個(gè)力學(xué)量，為單位面積所承受的力。大氣壓真空計(jì)種類(lèi)繁多，工作原理各異，除極少數(shù)幾種是直接測(cè)量壓力外，其它幾乎都是間接測(cè)量壓力的。被測(cè)量氣體多為混合氣體，上述壓力測(cè)量是指混合氣體全壓力測(cè)量。在近代真空測(cè)量技術(shù)中，分壓力測(cè)量越來(lái)越重要。這里所說(shuō)的分壓力測(cè)量是指全面地測(cè)出混合氣體各組成成分的分壓力。這樣，混合氣體的全壓力等于其各組成成分的分壓力之和?，F(xiàn)代分壓力真空計(jì)都屬于電離類(lèi)，即先將氣體電離，然后將所得的各成分離子加速，再把離子引進(jìn)分析器，將離子分開(kāi)，分別測(cè)出各成分離子流強(qiáng)度，便可知?dú)怏w的成分和數(shù)量。分析器有磁的、電的、電磁結(jié)合和其它方式等。有時(shí)只需知曉被測(cè)系統(tǒng)殘余氣體成分和相對(duì)含量，并不要求測(cè)出分壓力值，這種儀器稱(chēng)為殘余氣體分析儀。

真空計(jì)種類(lèi)繁多，工作原理各異，除極少數(shù)幾種是直正確的壓力測(cè)量必須對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槎鄶?shù)真空計(jì)是通過(guò)與壓力有關(guān)的物理量間接反應(yīng)壓力，而不是直接通過(guò)真空計(jì)有關(guān)參數(shù)計(jì)算求得壓力值。這種真空計(jì)必須用標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)或能產(chǎn)生已知低壓的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。可以說(shuō)真空計(jì)校準(zhǔn)是真空測(cè)量的基礎(chǔ)，是發(fā)展真空測(cè)量的有力工具。真空計(jì)量器具分三類(lèi)：計(jì)量基準(zhǔn)器具、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和工作計(jì)量器具。前兩類(lèi)用于復(fù)現(xiàn)和傳遞真空度量值，統(tǒng)一全國(guó)真空量值；后一類(lèi)是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。三種計(jì)量器具的不確定度依次降低。正確的壓力測(cè)量必須對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槎鄶?shù)真1.2真空度的表征及單位用壓力表示真空度是由歷史上采用U型壓力計(jì)測(cè)量真空所形成的，這并不十分合理。在一般真空系統(tǒng)中，通常以各向同性的中性氣體的壓力這一流體靜力學(xué)的物理量表示真空度，因此，真空度的測(cè)量?jī)H僅歸結(jié)于壓力的測(cè)量。但特別應(yīng)注意測(cè)量條件。測(cè)量的對(duì)象是在有限的容器內(nèi)、靜止(隨機(jī)運(yùn)動(dòng))、穩(wěn)態(tài)、各向同性單一的中性氣氛。在這種情況下，麥克斯威速度分布、余弦散射定律和流體靜力學(xué)壓力概念（）

都較好地符合客觀實(shí)際，真空度的測(cè)量也比較簡(jiǎn)單容易。1.2真空度的表征及單位用壓力表示真空度是根據(jù)真空度定義，真空度最好用分子密度n表示，而以壓力表示真空度與此并不矛盾。測(cè)量壓力時(shí)，一般氣體處于平衡態(tài)并滿(mǎn)足麥克斯威速度分布定律，即成立。測(cè)量時(shí)氣體溫度T一定，所以氣體壓力p正比于分子密度n。也就是說(shuō)，此時(shí)壓力是分子密度的量度，所以可以用壓力表示真空度。在空間研究中，研究對(duì)象是無(wú)限空間的運(yùn)動(dòng)(1～10kms-1或更高)、非穩(wěn)態(tài)、綜合環(huán)境作用下的復(fù)雜氣氛，此時(shí)麥克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以壓力也失去了原來(lái)的物理意義，真空度的測(cè)量比較復(fù)雜和困難了。根據(jù)真空度定義，真空度最好用分子密度n表示，而在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，但也不是唯一的，還可以用如下參數(shù)表示真空度：粒子密度n、分子平均自由程、碰撞次數(shù)z、覆蓋時(shí)間。

當(dāng)真空度很高時(shí)，即分子密度很小時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落十分明顯，如壓力p=10-12Pa時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落已大于5×10-2，壓力已失去真實(shí)意義。由此看來(lái)，在某些情況下，壓力只是其它量的相對(duì)指示而已。在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，根據(jù)氣體分子對(duì)表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞單位表面積氣體分子動(dòng)量垂直分量的時(shí)間變化率，即單位面積上所受的力，單位為“帕斯卡”(Pascal)，簡(jiǎn)稱(chēng)“帕”(Pa)。lPa＝1Nm-2在工程上有時(shí)嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示壓力。低真空時(shí)，有時(shí)用“真空度百分?jǐn)?shù)”表示，比如水環(huán)式真空泵、往復(fù)式真空泵和直排大氣羅茨真空泵常用此單位表示真空度。當(dāng)壓力p＞102Pa時(shí)，真空度百分?jǐn)?shù)為δ＝（p0-p）/p0×100％

式中p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，Pa。

根據(jù)氣體分子對(duì)表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞1．3真空計(jì)分類(lèi)按真空刻度方法分類(lèi)：（1）絕對(duì)真空計(jì)：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(yīng)（刻度）可通過(guò)自身幾何尺寸計(jì)算出來(lái)或由測(cè)力確定。與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)。（2）相對(duì)真空計(jì)：由一些與氣體壓力有函數(shù)關(guān)系的量來(lái)確定壓力，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)行刻度，必須進(jìn)行校準(zhǔn)才能刻度。一般由作為傳感器的真空計(jì)規(guī)管（或規(guī)頭）和用于控制、指示的測(cè)量器組成。讀數(shù)與氣體種類(lèi)有關(guān)。1．3真空計(jì)分類(lèi)按真空刻度方法分類(lèi)：按真空計(jì)測(cè)量原理分類(lèi)(1)直接測(cè)量真空計(jì)這種真空計(jì)直接測(cè)量單位面積上的力，有A.靜態(tài)液位真空計(jì)：利用U型管兩端液面差來(lái)測(cè)量壓力。B.彈性元件真空計(jì)：利用與真空相連的容器表面受到壓力的作用而產(chǎn)生彈性變形來(lái)測(cè)量壓力值的大小。按真空計(jì)測(cè)量原理分類(lèi)(2)間接測(cè)量真空計(jì)壓力為10-1Pa時(shí)，作用在1cm2表面上力只有10-5N，顯然測(cè)量這樣小的力是困難的。但可根據(jù)低壓下與氣體壓力有關(guān)的物理量的變化來(lái)間接測(cè)量壓力的變化。屬于這類(lèi)的真空計(jì)有：A.壓縮式真空計(jì)：其原理是在U型管的基礎(chǔ)上再應(yīng)用波義耳定律，即將一定量待測(cè)壓力的氣體，經(jīng)過(guò)等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計(jì)測(cè)量，然后用體積和壓力的關(guān)系計(jì)算被測(cè)壓力。B.熱傳導(dǎo)真空計(jì)：利用低壓下氣體熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)這一原理制成。常用的有電阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)。C.熱輻射真空計(jì)：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關(guān)原理。(2)間接測(cè)量真空計(jì)壓力為10-1Pa時(shí)，作用在1cm2D.電離真空計(jì)：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨壓力變化的原理。如：熱陰極電離真空計(jì)、冷陰極電離真空計(jì)和放射性電離真空計(jì)等。E.放電管指示器：利用氣體放電情況和放電顏色與壓力有關(guān)的性質(zhì)判定真空度，一般僅能作為定性測(cè)量。F.粘滯真空計(jì)：利用低壓下氣體與容器壁的動(dòng)量交換即外摩擦原理。如振膜式真空計(jì)和磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)。G.場(chǎng)致顯微儀：以吸附和解吸時(shí)間與壓力關(guān)系計(jì)算壓力。H.分壓力真空計(jì)：利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行混合氣體分壓力測(cè)量。常見(jiàn)的有四極質(zhì)譜計(jì)、回旋質(zhì)譜計(jì)和射頻質(zhì)譜計(jì)等。D.電離真空計(jì)：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的1.4真空計(jì)測(cè)量范圍壓力測(cè)量中，除極少數(shù)直接測(cè)量外，絕大多數(shù)是間接測(cè)量。就是先在被測(cè)氣體中引起一定的物理現(xiàn)象，然后再測(cè)量這一過(guò)程中與壓力有關(guān)的物理量，進(jìn)而設(shè)法確定壓力值。這是真空測(cè)量的特點(diǎn)，亦會(huì)造成某些問(wèn)題。任何具體物理現(xiàn)象與壓力的關(guān)系，都是在某一壓力范圍內(nèi)才最顯著，超出這個(gè)范圍，關(guān)系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍．這個(gè)范圍就是真空計(jì)的“量程”。盡可能擴(kuò)展每一種方法的量程，是真空科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。近代真空技術(shù)所涉及到的壓力范圍寬達(dá)19個(gè)數(shù)量級(jí)(105～10-14Pa)，沒(méi)有任何一種真空計(jì)能測(cè)量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計(jì)分別管轄一定的區(qū)域。但由于各種真空計(jì)在原理上的差異，在相互銜接的區(qū)域，往往要造成較大的誤差。

1.4真空計(jì)測(cè)量范圍壓力測(cè)量中，除極少數(shù)直接在被測(cè)空間引起一定物理現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，即從測(cè)量的角度出發(fā)，本需要一種單純的物理現(xiàn)象，但有時(shí)卻不可避免地帶來(lái)一系列寄生現(xiàn)象，這些寄生現(xiàn)象不但給測(cè)量帶來(lái)誤差，有時(shí)還會(huì)“喧賓奪主”，完全把主要現(xiàn)象掩蓋住了。由上觀之，為改善真空計(jì)性能及提高真空測(cè)量準(zhǔn)確度，必須突出主要現(xiàn)象，仰制寄生現(xiàn)象。表1給出一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍。在被測(cè)空間引起一定物理現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題表1.一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍表1.一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍1.5真空測(cè)量特點(diǎn)測(cè)量壓力范圍寬，105～10-14Pa大部分真空計(jì)是間接測(cè)量。只有壓力為105～10Pa時(shí)可直接測(cè)單位面積所受的力，但大多數(shù)真空測(cè)量的壓力遠(yuǎn)比上述為小，不能直接測(cè)量，應(yīng)利用低壓下氣體的某些特性(如熱傳導(dǎo)、粘滯性和電離等)進(jìn)行間接測(cè)量。多采用非電量電測(cè)技術(shù)。大部分真空計(jì)的讀數(shù)與氣體種類(lèi)和成分有關(guān)。所以測(cè)量時(shí)要特別注意被測(cè)量氣體種類(lèi)和成分，否則會(huì)造成很大誤差。測(cè)量精度不高。

1.5真空測(cè)量特點(diǎn)測(cè)量壓力范圍寬，105～1.6選擇真空計(jì)原則在要求的壓力區(qū)域內(nèi)有要求的精度。被測(cè)氣體是否會(huì)損傷真空計(jì)；真空計(jì)和被測(cè)氣體相互影響。能測(cè)全壓力嗎?可校準(zhǔn)嗎?靈敏度與氣體種類(lèi)有關(guān)否?？煞襁B續(xù)指示、電氣指示以及反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短。穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性、可靠性和壽命如何。還要看真空計(jì)的安裝方法、操作性能、保修、管理、市場(chǎng)有無(wú)銷(xiāo)售、購(gòu)買(mǎi)難易程度和規(guī)格如何。除上述應(yīng)考慮的問(wèn)題外，還要查閱參考書(shū)、樣本或直接向生產(chǎn)工廠詢(xún)問(wèn)。

1.6選擇真空計(jì)原則在要求的壓力區(qū)域內(nèi)有要求的精度。

2全壓力測(cè)量2.1U型管真空計(jì)2.2彈性元件真空計(jì)2.3壓縮式真空計(jì)2.4熱傳導(dǎo)真空計(jì)2.5熱陰極電離真空計(jì)2.6冷陰極電離真空計(jì)2.7電容式薄膜真空計(jì)2.8放射性電離真空計(jì)2.9磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)2全壓力測(cè)量2.1U型管真空計(jì)2．1U型管真空計(jì)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的測(cè)量壓力的儀器，它通常是用玻璃管制成，其工作液體有多種，通常為水銀。管的一端與待測(cè)壓力的真空容器相連，另一端是封死的或開(kāi)口與大氣相通，以U型管兩瑞的液面差來(lái)指示真空度。U型管真空計(jì)的測(cè)量范圍為105～10Pa。它是一種絕對(duì)真空計(jì)。（1）開(kāi)式U型管真空計(jì)：將U型管內(nèi)充入適量的工作液(如水銀)，一端開(kāi)口接大氣(即環(huán)境大氣壓p0)，另一端與被測(cè)真空系統(tǒng)相連接(待測(cè)壓力p)，如圖1所示。

2．1U型管真空計(jì)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的測(cè)量壓力的儀

圖1開(kāi)式U型管真空計(jì)其壓力計(jì)算公式如下：p=p0－ρgh式中p——待測(cè)壓力

p0——環(huán)境大氣壓力

h——兩液面高度差

ρ——工作液密度

g——重力加速度

(2)閉式U型管真空計(jì)：如圖2所示，把管內(nèi)預(yù)先抽至壓力為10-1Pa以下，然后將工作液(如水銀)注入管內(nèi)，其開(kāi)口端與待測(cè)真空系統(tǒng)相連接。當(dāng)真空系統(tǒng)抽氣前，真空系統(tǒng)內(nèi)的壓力等于環(huán)境大氣壓力，則工作液充滿(mǎn)封閉端形成最大液面差h0；當(dāng)系統(tǒng)抽氣到某一瞬間時(shí)，兩端液面處于液面靜壓力平衡時(shí)，則待測(cè)壓力值可用下式求得(忽略封閉端內(nèi)壓力對(duì)液面的影響)：(2)閉式U型管真空計(jì)：如圖2所示，把管內(nèi)預(yù)先抽至壓力為10p=ρgh式中

p——待測(cè)壓力

h——兩液面高度差

ρ——工作液密度

g——重力加速度

圖2閉式U型管真空計(jì)p=ρgh2.2彈性元件真空計(jì)利用彈性元件在壓差作用下產(chǎn)生彈性變形的原理制成，一般用于粗真空（102～105Pa）的測(cè)量。根據(jù)變形彈性元件分類(lèi)，這類(lèi)真空計(jì)通常有彈簧管式、膜盒式和膜片式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示2.2彈性元件真空計(jì)利用彈性元件在壓差作用

圖3彈性元件真空表結(jié)構(gòu)示意圖圖3彈性元件真空表結(jié)構(gòu)示意圖彈性元件真空表的主要特點(diǎn)如下：測(cè)量結(jié)果是全壓力。測(cè)量過(guò)程中，儀表的吸氣和放氣很小。測(cè)量精度較高。反應(yīng)速度較快。結(jié)構(gòu)牢固。是絕對(duì)真空計(jì)，0.5級(jí)以上的表可作為標(biāo)準(zhǔn)表。彈性元件真空表的主要特點(diǎn)如下：2.3壓縮式真空計(jì)壓縮式真空計(jì)是對(duì)U型管真空計(jì)的重大改進(jìn)，它是依據(jù)理想氣體的波義耳定律制成的。由于它首先是由麥克勞提出的，故此種真空計(jì)又稱(chēng)為麥克勞真空計(jì)(簡(jiǎn)稱(chēng)麥?zhǔn)嫌?jì))。壓縮式真空計(jì)是測(cè)量壓力低于lPa實(shí)用的絕對(duì)真空計(jì)，并且從1874年至今仍做為校準(zhǔn)其它真空計(jì)的主要儀器。2.3壓縮式真空計(jì)壓縮式真空計(jì)是對(duì)U型管真

圖4壓縮式真空計(jì)圖4示出一種工作用壓縮式真空計(jì)，它是用硬質(zhì)玻璃吹制而成。由測(cè)量毛細(xì)管3（頂端為封閉端)、比較毛細(xì)管4、玻璃泡2、水銀貯器1、三通閥7、與被測(cè)真空系統(tǒng)相連接的導(dǎo)管6和刻度尺5等組成。圖4測(cè)量前將壓縮式真空計(jì)的導(dǎo)管與被側(cè)系統(tǒng)相連接，由于系統(tǒng)內(nèi)壓力各處相等，所以玻璃泡和測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)的壓力與待測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力p相等。測(cè)量時(shí)用任一種方法將水銀提升，當(dāng)水銀面停在如圖5所示的位置，停止提升，其壓力計(jì)算公式為p＝πd2ρgh1（h1－h(huán)2）/(4V)式中d為測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi)徑。V和d為真空計(jì)的已知數(shù)據(jù)，則：

p＝Kh1（h1－h(huán)2）K＝πd2ρg/(4V)=1.05×105·d2/V式中p——待測(cè)壓力，Pa

h1、h2——液面差，m

K——真空計(jì)常數(shù)，Pam-2

V——玻璃泡和測(cè)量毛細(xì)管總?cè)莘e，m3測(cè)量前將壓縮式真空計(jì)的導(dǎo)管與被側(cè)系統(tǒng)相連接，由根據(jù)測(cè)量時(shí)選定水銀面的基準(zhǔn)線位置的不同，刻度方法分為下面三種：

(1)無(wú)定標(biāo)刻度法：即在測(cè)量時(shí)，將水銀面提升到任意位置固定下來(lái)，如圖5的位置，分別測(cè)出h1和h2值，代入基本方程式就可計(jì)算出待測(cè)的壓力值p，這種方法稱(chēng)為無(wú)定標(biāo)刻度法，此法多用于做為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)校對(duì)其它相對(duì)真空計(jì)時(shí)。圖5壓縮式真空計(jì)測(cè)量圖根據(jù)測(cè)量時(shí)選定水銀面的基準(zhǔn)線位置的不同，刻度方(2)平方刻度法：在測(cè)量時(shí)，將比較毛細(xì)管中水銀面提升到與測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)頂端同一水平線(基準(zhǔn)線)上，即此時(shí)h2＝0．則基本方程式可寫(xiě)成：p＝Kh2（3）直線刻度法：在測(cè)量時(shí)，將水銀面提升到測(cè)量毛細(xì)管上某一位置(此位置做為基準(zhǔn)線)，即h1＝常數(shù)，則基本方程式寫(xiě)成：

p＝K·h1h＝Klineh式中Kline為直線刻度真空計(jì)常數(shù)，Pam-1。所以p與水銀液面高度差h成直線關(guān)系，故稱(chēng)為直線刻度法。(2)平方刻度法：在測(cè)量時(shí)，將比較毛細(xì)管中水銀面提升到與測(cè)量在刻度過(guò)程中，h1可選其等于任意值，選定一個(gè)值(一條基準(zhǔn)線)就可有一對(duì)應(yīng)的刻度尺，因此，同一臺(tái)壓縮式真空計(jì)可同時(shí)選定幾個(gè)h1值．就可有對(duì)應(yīng)的幾個(gè)不同的刻度尺?？赡魵猓ㄓ绕涫撬┦钦婵障到y(tǒng)中常見(jiàn)的，由于其不符合波義耳定律，故壓縮式真空不能正確反應(yīng)可凝蒸氣的壓力。通常在壓縮式真空計(jì)與被測(cè)系統(tǒng)之間安一冷阱，用以捕集可凝性蒸氣，此時(shí)壓縮真空計(jì)的指示為永久氣體的分壓力。

在刻度過(guò)程中，h1可選其等于任意值，選定一個(gè)值壓縮式真空計(jì)的特點(diǎn)：1)刻度與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)，這是對(duì)永久性氣體而言。2)測(cè)量范圍較寬、精度較高。工作用壓縮式真空計(jì)的測(cè)量范圍為102～10-3Pa，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)后可使量程進(jìn)一步擴(kuò)大。其測(cè)量精度比較高，一般相對(duì)誤差為1010-2左右。3)不能連續(xù)測(cè)量。由于每測(cè)量一次需升降水銀一次，不能連續(xù)讀數(shù)，操作費(fèi)時(shí)。4)水銀蒸氣對(duì)人體有害。壓縮式真空計(jì)的特點(diǎn)：2.4熱傳導(dǎo)真空計(jì)熱傳導(dǎo)真空計(jì)是根據(jù)在低壓力下（>>d），氣體分子熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)的原理制成的。其原理圖如圖6所示。它是在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周?chē)鷼怏w和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導(dǎo)，因而也就決定于氣體壓力。如果預(yù)先進(jìn)行了校準(zhǔn)則可用熱絲的溫度或其相關(guān)量來(lái)指示氣體的壓力。

2.4熱傳導(dǎo)真空計(jì)熱傳導(dǎo)真空計(jì)是根據(jù)在低壓力圖6所示規(guī)管中的熱絲熱量散失，只有Qg在低壓力與壓力有關(guān)，而QL和Qr均與壓力無(wú)關(guān)，可簡(jiǎn)寫(xiě)成

圖6熱傳導(dǎo)真空計(jì)原理圖圖6所示規(guī)管中的熱絲熱量散失，只有Qg在低壓力與壓力有關(guān)，而熱傳導(dǎo)量Q與壓力p的關(guān)系如圖7所示。由上式表明，當(dāng)K1<<K2p時(shí)，即QL+Qr<<Qg時(shí)，總的熱量損失Q只與壓力p有關(guān)，熱絲溫度T1是壓力p的函數(shù)，即T1＝f（p）。圖7熱傳導(dǎo)量Q與壓力p的關(guān)系熱傳導(dǎo)量Q與壓力p的關(guān)系如圖7所示。圖7熱傳

熱絲溫度的測(cè)量方法，有以下三種：(1)利用熱絲隨溫度變化的線膨脹性質(zhì)；(2)利用熱電偶直接測(cè)量熱絲的溫度變化；(3)利用熱絲電阻隨溫度變化的性質(zhì)。

真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)培訓(xùn)系列

根據(jù)第一種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)膨脹式真空計(jì)。根據(jù)第二種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)熱偶真空計(jì)。根據(jù)第三種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)電阻真空計(jì)，在電阻真空計(jì)中也有用熱敏電阻代替金屬熱絲的，此時(shí)真空計(jì)稱(chēng)熱敏電阻真空計(jì)。其靈敏度較高，但穩(wěn)定性較差。熱偶真空計(jì)和電阻真空計(jì)是目前粗真空和低真空測(cè)量中用得最多的兩種真空計(jì)。熱傳導(dǎo)真空計(jì)是相對(duì)真空計(jì)，常常在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，用絕對(duì)真空計(jì)或用校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)第一種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)膨脹式真空計(jì)氣體種類(lèi)的影響：熱傳導(dǎo)真空計(jì)對(duì)不同氣體的測(cè)量結(jié)果是不同的，這是由于不同氣體分子的導(dǎo)熱系數(shù)不同引起的。因此，在測(cè)量不同氣體的壓力時(shí)，可根據(jù)干燥空氣（或氮?dú)猓┛潭鹊膲毫ψx數(shù)，再乘以相應(yīng)的被測(cè)氣體相對(duì)靈敏度，就可得到該氣體的實(shí)際壓力，即

preal＝Srpread式中pread——以干燥空氣（或氮?dú)猓┛潭鹊膲毫τ?jì)讀數(shù)，Pa

preal——被測(cè)氣體的實(shí)際壓力，Pa

Sr——被測(cè)氣體對(duì)空氣的相對(duì)靈敏度氣體種類(lèi)的影響：熱傳導(dǎo)真空計(jì)對(duì)不同氣體的測(cè)量結(jié)通常以干燥氣體（或氮?dú)猓┑南鄬?duì)靈敏度為1，其它一些常用的氣體和蒸氣的相對(duì)靈敏度如表2所示。表2熱傳導(dǎo)規(guī)對(duì)一些氣體與蒸氣的相對(duì)靈敏度通常以干燥氣體（或氮?dú)猓┑南鄬?duì)靈敏度為1，其它2.5熱陰極電離真空計(jì)電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級(jí)電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù)，正比于氣體密度n，在一定溫度下正比于氣體的壓力p。因此，可根據(jù)離子電流的大小指示真空度，這就是電離真空計(jì)工作原理。由燈絲加熱提供電子源的電離真空計(jì)稱(chēng)為熱陰極電離真空計(jì)，其型式繁多，各具不同特點(diǎn)和適用不同的壓力測(cè)量范圍。2.5熱陰極電離真空計(jì)熱陰極電離真空計(jì)由測(cè)量規(guī)管(或規(guī)頭)和電氣測(cè)量電路(真空計(jì)控制單元和指示單元)組成。規(guī)管功能是把非電量的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電量—離子電流。熱陰極電離真空計(jì)規(guī)管的基本結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)電極：(1)提供一定數(shù)量電子流Ie的燈絲F(陰極)；(2)產(chǎn)生電子加速場(chǎng)并收集電子流的陽(yáng)極A(亦稱(chēng)電子加速極)；(3)收集離子流Ii的離子收集極C(相對(duì)陰極為負(fù)電位)。熱陰極電離真空計(jì)由測(cè)量規(guī)管(或規(guī)頭)和電氣測(cè)量離子流Ii與壓力p可用下式表示：

Ii＝KIep式中Ie

——發(fā)射電子流

K——規(guī)管系數(shù)，單位為Pa-1在一定壓力范圍內(nèi)K為一常數(shù)，若保持發(fā)射電子流Ie為一恒量時(shí)，則離子流Ii與壓力p呈線性關(guān)系。當(dāng)壓力高到某一值時(shí)，K值會(huì)隨壓力p而變化，這就達(dá)到了壓力線性測(cè)量上限pmax，它由電極的幾何結(jié)構(gòu)、電極間電位分布以及發(fā)射電流大小所決定。離子流Ii與壓力p可用下式表示：規(guī)管系數(shù)K在氣體壓力p很低時(shí)仍可保持為常數(shù)，但離子流Ii隨壓力p降低而減小到一定限度后，將會(huì)埋沒(méi)在電離計(jì)工作中不可避免地存在著的其它與壓力p無(wú)關(guān)的本底電流之中，因而達(dá)到其壓力測(cè)量下限pmin。這種本底電流包括X射線光電流等。

規(guī)管系數(shù)K在氣體壓力p很低時(shí)仍可保持為常數(shù)，但按線性壓力范圍的不同，熱陰極電離真空計(jì)分三類(lèi)：普通型電離真空計(jì)（1×10-1～10-5Pa）超高真空電離真空計(jì)（1×10-1～10-8Pa，有的下限為10-10Pa）高壓力電離真空計(jì)（1×102～10-3Pa）按線性壓力范圍的不同，熱陰極電離真空計(jì)分三類(lèi)：圖8示出DL-2型普通型熱陰極電離規(guī)結(jié)構(gòu)，其Ie=5mA,K=0.15Pa-1，線性壓力測(cè)量范圍是1×10-1～10-5Pa電離規(guī)管系數(shù)K與氣體種類(lèi)有關(guān)，引入相對(duì)靈敏度Sr概念，

Sr=K/KN2

圖8DL-2電離規(guī)圖8示出DL-2型普通型熱陰極電離規(guī)結(jié)構(gòu)，其由于電離真空計(jì)是以N2校準(zhǔn)的，若被測(cè)氣體非為N2，則電離真空計(jì)的讀數(shù)pread是被測(cè)氣體離子流所對(duì)應(yīng)的等效氮壓力，非為真實(shí)壓力preal。若知道被測(cè)氣體相對(duì)靈敏度Sr時(shí)，其真實(shí)壓力為

preal=pread/Sr

表3傳統(tǒng)型電離規(guī)相對(duì)靈敏度由于電離真空計(jì)是以N2校準(zhǔn)的，若被測(cè)氣體非為N用改變規(guī)管電極結(jié)構(gòu)及各電極的電參數(shù)，用抗氧化材料制做陰極（如銥絲涂氧化釔），可提高線性測(cè)量上限。制成高壓力電離真空計(jì)，壓力測(cè)量上限pmax可達(dá)100Pa以上，如圖9示出DL-5規(guī)、圖10示出DL-8規(guī)。

圖9DL-5規(guī)電極結(jié)構(gòu)圖圖10DL-8型規(guī)管結(jié)構(gòu)示意圖

用改變規(guī)管電極結(jié)構(gòu)及各電極的電參數(shù)，用抗氧化柵狀陽(yáng)極受電子轟擊產(chǎn)生X射線，離子收集極接受后產(chǎn)生光電子發(fā)射，形成本底電流Ix。減少I(mǎi)x以降低測(cè)量下限pmin的措施如下：(1)減少離子收集極被軟X射線照射的面積，如B－A型電離計(jì)。(2)在離子收集極附近，安置負(fù)電位的抑制極，如抑制電離規(guī)。(3)收集極電流中扣除本底光電流，如調(diào)制電離規(guī)。(4)本底光電流Ix對(duì)應(yīng)的本底壓力指示px與規(guī)系數(shù)K成反比，所以提高K能夠降低測(cè)量壓力下限pmin，如彈道規(guī)和熱陰極磁控管電離規(guī)。柵狀陽(yáng)極受電子轟擊產(chǎn)生X射線，離子收集極接受后圖11B-A式規(guī)管的結(jié)構(gòu)圖11示出B-A規(guī)管結(jié)構(gòu)，其pmin=10-8Pa圖11B-A式規(guī)管的結(jié)構(gòu)圖11示出B-A規(guī)管結(jié)構(gòu)，其pmi圖12示出抑制規(guī)（Pa）

圖13示出彎注抑制規(guī)（Pa）圖12抑制規(guī)圖13彎注抑制規(guī)圖12示出抑制規(guī)（Pa）

圖1圖14示出調(diào)制規(guī)（Pa）

圖15示出分離規(guī)（Pa）

圖16示出熱陰極磁控規(guī)（Pa）圖14調(diào)制規(guī)圖15分離規(guī)圖16熱陰極磁控規(guī)圖14示出調(diào)制規(guī)（Pa）

圖12.6冷陰極電離真空計(jì)

是一種相對(duì)真空計(jì)，由規(guī)管和測(cè)量電路組成。圖17示出冷陰極電離真空計(jì)的示意圖。

圖17冷陰極電離真空計(jì)2.6冷陰極電離真空計(jì)

是一種相對(duì)真空計(jì)，由規(guī)管和測(cè)量電冷陰極電離真空計(jì)與熱陰極電離真空計(jì)一樣，是利用低壓力下氣體分子的電離電流與壓力有關(guān)的特性，用放電電流做為真空度的測(cè)量，由電流表CB指示出來(lái)。所不同的在于電離源。熱陰極電離真空計(jì)是由熱陰極發(fā)射電子，而冷陰極電離真空計(jì)是靠冷發(fā)射所產(chǎn)生的少量初始自由電子，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，但由于正交磁場(chǎng)的存在，也將施力于運(yùn)動(dòng)的電子，從而改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在電、磁場(chǎng)的共同作用下，電子沿螺旋形軌道迂回地飛向陽(yáng)極，這樣就大大延長(zhǎng)了電子達(dá)到陽(yáng)極的路程，使碰撞氣體分子的機(jī)會(huì)增多；同時(shí)又因陽(yáng)極是一個(gè)中空的環(huán)，在其中軸線附近運(yùn)動(dòng)的電子還可能穿過(guò)陽(yáng)極環(huán)憑原有動(dòng)能繼續(xù)前進(jìn)，而后又被帶負(fù)電位的陰極排斥而折回，這樣飛行中的電子可能在兩陰極間往返振蕩直到最后被陽(yáng)極吸收為止，使電子到達(dá)陽(yáng)極的實(shí)際路程遠(yuǎn)大于兩極間的幾何尺寸，故碰撞幾率大大增加。

冷陰極電離真空計(jì)與熱陰極電離真空計(jì)一樣，是利用電子碰撞氣體分子時(shí)，有一部分為電離碰撞，電離后形成的正離子在陰極上打出的二次電子，也受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共間作用而參與這種運(yùn)動(dòng)，使電離過(guò)程連鎖的進(jìn)行，在很短時(shí)間內(nèi)雪崩式地產(chǎn)生大量的電子和離子，這樣就形成了自持氣體放電(一般稱(chēng)為潘寧放電)，此放電電流與壓力有如下關(guān)系：

式中I――放電電流

K——常數(shù)

n——常數(shù)，一般在1～2，與規(guī)管結(jié)構(gòu)有關(guān)電子碰撞氣體分子時(shí)，有一部分為電離碰撞，電離后圖17示出的是普通型冷陰極電離真空計(jì)，其壓力測(cè)量范圍1～10-5Pa。冷陰極電離真空計(jì)沒(méi)有與壓力無(wú)關(guān)的本底光電流。限制其下限延伸是其場(chǎng)致發(fā)射。測(cè)量上限主要受限流電阻及在高壓力時(shí)，電子與離子復(fù)合幾率增加等限制。延伸下限制成倒置磁控管與磁控管式規(guī)管如圖18、圖19所示，其pmin=10-11Pa。冷陰極電離真空規(guī)，沒(méi)有熱陰極，不怕大氣沖擊，但其測(cè)量誤差較大。圖17示出的是普通型冷陰極電離真空計(jì)，其壓力測(cè)圖18倒置磁控管式規(guī)管示意圖圖19正磁控管式規(guī)管示意圖圖18倒置磁控管式規(guī)管示意圖圖19正磁控管式規(guī)管示2.7電容式薄膜真空計(jì)根據(jù)彈性薄膜在壓差作用下產(chǎn)生應(yīng)變而引起電容變化的原理制成的真空計(jì)稱(chēng)為電容式薄膜真空計(jì)，它由電容式薄膜規(guī)管(又稱(chēng)為電容式壓力傳感器)和測(cè)量?jī)x器兩部分組成。根據(jù)測(cè)量電容的不同方法，儀器結(jié)構(gòu)有偏位法和零位法兩種。零位法是一種補(bǔ)償法，具有較高的測(cè)量精度。目前在計(jì)量部門(mén)作為低真空副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的就是采用零位法結(jié)構(gòu)。

2.7電容式薄膜真空計(jì)根據(jù)彈性薄膜在壓差作圖20示出了零位法電容式薄膜真空計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。它由電容式薄膜規(guī)管、測(cè)量電橋電路、直流補(bǔ)償電源、低頻振蕩器、低頻放大器、相敏檢波器和指示儀表等組成。缺圖20圖20零位法薄膜真空計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖圖20示出了零位法電容式薄膜真空計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。它由電容式薄電容式薄膜規(guī)管的中間裝著一張金屬?gòu)椥阅て?，在膜片的一?cè)裝有一個(gè)固定電極，當(dāng)膜片兩側(cè)的壓差為零時(shí)，固定電極與膜片形成一個(gè)靜態(tài)電容C0，它與電容C1串聯(lián)后作為測(cè)量電橋的一條橋臂，電容C2、C3和C4與C5的串聯(lián)電容組成其它三條橋臂。電容式薄膜規(guī)管的中間裝著一張金屬?gòu)椥阅て谀D21差動(dòng)式雙電容薄膜規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖圖22單側(cè)雙電容薄膜規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖圖21差動(dòng)式雙電容薄膜規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖

金屬?gòu)椥阅て瑢⒈∧ふ婵找?guī)管隔離成兩個(gè)室，分別為接被測(cè)真空系統(tǒng)的測(cè)量室和接高真空系統(tǒng)(pb＜10-3Pa)的參考?jí)毫κ?。在這兩個(gè)室的連通管道上設(shè)置一個(gè)高真空閥門(mén)7，測(cè)量時(shí)，先將閥門(mén)7打開(kāi)，用高真空抽氣系統(tǒng)將規(guī)管內(nèi)膜片兩側(cè)的空間抽至參考?jí)毫b。同時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量電橋電路，使之平衡，即指示儀表指零。然后，關(guān)閉閥門(mén)7，測(cè)量室接通被測(cè)真空系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)壓力p1>pb時(shí)，由于規(guī)管中的壓力差p1－pb，膜片發(fā)生應(yīng)變引起電容C0改變，破壞了測(cè)量電橋電路的平衡、指示儀表上亦有相應(yīng)的指示。調(diào)節(jié)直流補(bǔ)償電源電壓對(duì)電容C0充電．使其靜電力與壓差相等，此時(shí)，電橋電路重新達(dá)到平衡，指示儀表又重新指零。根據(jù)補(bǔ)償電壓的大小，就能得到被測(cè)壓力p1，故有金屬?gòu)椥阅て瑢⒈∧ふ婵找?guī)管隔離成兩個(gè)室，分別式中p1——被側(cè)壓力；pb——參考?jí)毫?；U——補(bǔ)償電壓；K——規(guī)管常數(shù)，其值K=C0/d0，C0和d0分別為固定電極與膜片在平衡狀態(tài)下的靜態(tài)電容和間距。當(dāng)p1》pb時(shí)，測(cè)量結(jié)果就是絕對(duì)壓力，即

p1=KU2

電容式薄膜真空計(jì)測(cè)量范圍為10－1～101Pa,其規(guī)管常數(shù)K可通過(guò)校準(zhǔn)得到。式中p1——被側(cè)壓力；近年來(lái)，電容式薄膜真空計(jì)取得了重大進(jìn)展，新型的雙電容式薄膜真空計(jì)的問(wèn)世，提高了該類(lèi)真空計(jì)的精度，擴(kuò)展了測(cè)量范圍，使其測(cè)量下限可達(dá)10－3Pa。單側(cè)雙電容薄膜真空計(jì)具有靈敏度高、氣體的介電常數(shù)不變、壓力讀數(shù)完全不受氣體成分影響、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。如將其規(guī)管參考室內(nèi)加置消氣劑并抽至Pa，就可測(cè)量Pa的絕對(duì)壓力。近年來(lái)，電容式薄膜真空計(jì)取得了重大進(jìn)展，新型2.8放射性電離真空計(jì)利用放射性同位素輻射α粒子或β粒子對(duì)氣體分子的電離作用制成的真空計(jì)稱(chēng)為放射性電離真空計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖23所示

放射性電離真空計(jì)由放射性電離規(guī)管和測(cè)量?jī)x器兩部分組成。放射性電離規(guī)管主要由放射性同位素源B、圓筒形陽(yáng)極A和離子收集極C組成。測(cè)量?jī)x器主要由離子流測(cè)量放大器F、輸出表G和陽(yáng)極電源E組成。圖23放射性電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)2.8放射性電離真空計(jì)利用放射性同位素輻射α當(dāng)放射性同位素輻射出來(lái)的高能α或β粒子在規(guī)管內(nèi)與氣體分子碰撞時(shí)，使氣體分子電離，在一定壓力范圍內(nèi)，電離所產(chǎn)生的離子流與氣體壓力有如下關(guān)系：Ii＝Sp式中Ii——離子流

p——被測(cè)壓力S——規(guī)管靈敏度這種真空計(jì)所使用的放射性同位素的強(qiáng)度較弱，對(duì)人體為安全劑量。其壓力測(cè)量范圍0.1～104Pa，它的讀數(shù)與氣體種類(lèi)有關(guān)。當(dāng)放射性同位素輻射出來(lái)的高能α或β粒子在規(guī)管內(nèi)2.9磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)磁懸浮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的衰減與其周?chē)鷼怏w分子的外摩擦有關(guān)。由圖24可見(jiàn)，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(guò)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(duì)驅(qū)動(dòng)線圈3產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)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(huì)自動(dòng)地趨向磁場(chǎng)最強(qiáng)處(—般在對(duì)稱(chēng)軸上)，但若受外界擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子將圍繞軸作水平振動(dòng)。圖中緊臨真空室下方的阻尼鋼針6可使這種振動(dòng)衰減。2.9磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)

圖24磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖24磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)結(jié)構(gòu)

這種真空計(jì)是基于氣體分子對(duì)自由旋轉(zhuǎn)鋼球的減速作用而工作的。當(dāng)鋼球被驅(qū)動(dòng)線圈的磁場(chǎng)從靜止加速到每秒400轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速之后，停止驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，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(duì)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。這種真空計(jì)是基于氣體分子對(duì)自由旋轉(zhuǎn)鋼球的減速3分壓力測(cè)量

3.1分壓力測(cè)量概述3.2四極濾質(zhì)器3.3射頻質(zhì)譜計(jì)3.4識(shí)譜技術(shù)

3分壓力測(cè)量3.1分壓力測(cè)量概述3．1分壓力測(cè)量概述在近代真空測(cè)量技術(shù)中，殘余氣體分析和分壓力測(cè)量已愈來(lái)愈重要，在實(shí)驗(yàn)室或者在生產(chǎn)線上經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到殘余氣體分析器。在濺射過(guò)程和其它等離子工藝過(guò)程中，殘余氣體分析器可用來(lái)測(cè)量氣體純度、從薄膜中放出氣體載荷和本底氣體成分，這些都是工藝過(guò)程中必須的。前面涉及的真空計(jì)都是用來(lái)測(cè)定全壓力的，而本章將敘述的分壓力真空計(jì)，即要用來(lái)測(cè)量混合氣體組成成分的分壓力。全壓力可以說(shuō)是反映真空的數(shù)量方面，而分壓力既反映數(shù)量方面，更重要的是反映真空的質(zhì)量方面。

3．1分壓力測(cè)量概述在近代真空測(cè)量技術(shù)中，在超高真空下，氣體的成分常常是極不相同的。在氣體成分未明的情況下，超高真空計(jì)的讀數(shù)就無(wú)法確定其對(duì)應(yīng)的壓力。電離真空計(jì)是以空氣或氮校準(zhǔn)的，所測(cè)得的壓力值為與混合氣體離子流總和相對(duì)應(yīng)的等效空氣壓力或等效氮壓力。電離真空計(jì)對(duì)不同氣體的相對(duì)靈敏度相差很大，因此，電離真空計(jì)對(duì)混合氣體測(cè)得的等效氮壓力不是混合氣體的真實(shí)壓力，有時(shí)甚至?xí)袛?shù)量級(jí)的誤差。為了測(cè)量真空中混合氣體組分和相應(yīng)的分壓力值，必須進(jìn)行分壓力測(cè)量，所用的儀器稱(chēng)為分壓力真空計(jì)。由分壓力真空汁測(cè)得的混合氣體各組分分壓力之和才是其全壓力，這就同時(shí)給出了真空的量與質(zhì)兩個(gè)方面。在超高真空下，氣體的成分常常是極不相同的。在氣分壓力真空計(jì)是專(zhuān)用的小型質(zhì)譜儀器——真空質(zhì)譜計(jì)。目前的分壓力真空計(jì)，大多數(shù)由于精度不夠高，只能用于分析氣體各種成分的存在并估計(jì)其大小，尚未能進(jìn)行定量測(cè)定，這時(shí)稱(chēng)為殘余氣體分析器。作為分壓力真空計(jì)或殘余氣體分析器的真空質(zhì)譜計(jì)都屬于電離類(lèi)型的，按原子離子或分子離子的質(zhì)荷比進(jìn)行分析，分析有三個(gè)階段：(1)在離子源中用電子碰撞的辦法將氣體電離；(2)在質(zhì)量分析器中利用磁偏轉(zhuǎn)、共振、飛行時(shí)間不同等質(zhì)量分離技術(shù)，將離子按質(zhì)荷比不同進(jìn)行分離；(3)檢測(cè)器(或離子收集極)接收分離的離子，將離子流放大，在顯示裝置上顯示出每一質(zhì)荷比的離子流強(qiáng)度。分壓力真空計(jì)是專(zhuān)用的小型質(zhì)譜儀器——真空質(zhì)譜計(jì)真空質(zhì)譜計(jì)能掃描1～50u，以至1～300u的質(zhì)量范圍，并能分辨相隔1u的相鄰離子。

圖25給出了儀器的輸出，即各種離子的電流按其質(zhì)量大小排列的譜線圖，又稱(chēng)質(zhì)譜圖。這是理想情況，實(shí)際測(cè)得結(jié)果往往如圖26所示的情況。

圖25用離子的質(zhì)量數(shù)來(lái)表示的質(zhì)譜圖圖26典型殘余氣體質(zhì)譜圖真空質(zhì)譜計(jì)能掃描1～50u，以至1～3質(zhì)譜計(jì)的主要性能參數(shù)如下：質(zhì)量范圍。分辨能力和分辨本領(lǐng)。靈敏度。最小可檢分壓力ppmin。分壓比靈敏度rmin。最高線性工作壓力。圖27分辨本領(lǐng)的兩種定義質(zhì)譜計(jì)的主要性能參數(shù)如下：圖27分辨本領(lǐng)的兩種定義3.2四極濾質(zhì)器四極濾質(zhì)器又稱(chēng)四極質(zhì)譜計(jì)。其質(zhì)量分離原理是基于不同質(zhì)荷比的離子在高頻和直流四極場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定與否來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是無(wú)磁濾質(zhì)器，指標(biāo)較高。四極濾質(zhì)器的探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖28所示。它由三部分組成：離子源、分析器和收集器。離子源由燈絲、反射極和陽(yáng)極組成。電子由加熱的燈絲發(fā)出，被陽(yáng)極加速，有一部分穿過(guò)陽(yáng)極孔而進(jìn)入離化室，電子在離化室內(nèi)與氣體分子碰撞電離，產(chǎn)生正離子。離化室內(nèi)的離子被離子入口膜片加速并吸出，進(jìn)入分析器。分析器由四根對(duì)稱(chēng)排列的四極桿組成，兩個(gè)相對(duì)的極桿彼此連接起來(lái)，兩對(duì)極桿之間加直流電壓和高頻電壓，直流電壓和高頻電壓幅植保持一定比值(3.2四極濾質(zhì)器四極濾質(zhì)器又稱(chēng)四極質(zhì)譜計(jì)

一般約為1／6)。當(dāng)直流電壓和高頻電壓低時(shí)，低質(zhì)量的離子在四極場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定(有界)，且運(yùn)動(dòng)軌跡幅度小于四極場(chǎng)半徑，故低質(zhì)量的離子可以通過(guò)四極桿空間，通過(guò)離子出口打到離子收集極上。當(dāng)直流電壓和高頻電壓高時(shí)，高質(zhì)量的離子可以通過(guò)四極場(chǎng)空間。在一特定的電壓下，只有一種質(zhì)量的離子可以通過(guò)，其余的離子都通不過(guò)，所以稱(chēng)為質(zhì)量過(guò)濾器或簡(jiǎn)稱(chēng)濾質(zhì)器。依據(jù)濾質(zhì)器的特點(diǎn)，當(dāng)直流電壓和高頻電壓由小逐漸變大時(shí)，質(zhì)量不同的離子，從質(zhì)量小到質(zhì)量大，依次地通過(guò)分折器達(dá)到收集極。因此，根據(jù)收集極離子流的變化，可以判斷各種氣體的成分和相對(duì)多少。

一般約為1／6)。當(dāng)直流電壓和高頻電壓低時(shí)，低質(zhì)量的—般商品濾質(zhì)器質(zhì)量范圍為l～500u，分辨本領(lǐng)100～500，靈敏度為l0-5～10-6APa-1。帶倍增器的達(dá)幾安每帕，最小可檢分壓力為10-9～10-11Pa，分壓比靈敏度為20xl0-6，最高工作壓力為l0-1～10-2Pa。圖28四極濾質(zhì)器探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖—般商品濾質(zhì)器質(zhì)量范圍為l～500u，分辨本領(lǐng)3.3射頻質(zhì)譜計(jì)射頻質(zhì)譜計(jì)沒(méi)有笨重的磁鐵，只靠電場(chǎng)來(lái)達(dá)到質(zhì)量分析的目的。其工作原理見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖29。G1加正電位，做電子收集極；G5加正電位，以對(duì)向收集極運(yùn)動(dòng)的離子形成拒斥場(chǎng)；在G3與G2，G4間加一角頻率為ω的高頻電壓。于是，G2、G3間的電位差為

V23＝V0sin（ωt＋θ）G3、G4間的電位差為

V34＝－V0sin（ωt＋θ）3.3射頻質(zhì)譜計(jì)射頻質(zhì)譜計(jì)沒(méi)有笨重的磁鐵，圖29射頻質(zhì)譜計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖圖29射頻質(zhì)譜計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖因?yàn)镚1正而G2負(fù)，故陰極發(fā)射的電子在G1前后來(lái)回振蕩。它在G1、G2間產(chǎn)生的離子群受G2加速，除G2截獲一部分外，其余進(jìn)入高頻電場(chǎng)，在G2、G3和G4間進(jìn)行分析。原來(lái)，離子經(jīng)G2加速后不同質(zhì)量的離子已具有不同的速度，在合適相位時(shí)進(jìn)入高頻電場(chǎng)的離子，就會(huì)受到電場(chǎng)的加速。如果有一種離子，它們的速度使得當(dāng)其飛抵G3開(kāi)始進(jìn)入G3~G4時(shí)，電場(chǎng)相位正好改變，那么它們就能夠從電場(chǎng)獲得最大能量；其余離子因速度不合適，能量有大有小，但都未能達(dá)到此最大值。這樣，便可以調(diào)節(jié)G5的拒斥場(chǎng)，使只有動(dòng)能最大的離子才能穿過(guò)G5，飛抵離子收集極。質(zhì)量掃描由改變高頻電場(chǎng)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镚1正而G2負(fù)，故陰極發(fā)射的電子在G1前后3．4識(shí)譜技術(shù)質(zhì)譜計(jì)對(duì)殘余氣體或氣體樣品分析的結(jié)果，實(shí)際上是離子流與分析器掃描參數(shù)的關(guān)系圖，即質(zhì)譜圖。如何由該圖正確判斷樣品的化學(xué)成分及其含量是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，它是建立在詳細(xì)了解系統(tǒng)中所找到的氣體和蒸氣碎片圖型的基礎(chǔ)上的。在熟悉了殘余氣體分析之后，殘余氣體的許多主要成分的定量分析就相當(dāng)簡(jiǎn)單易懂了。然而，精確的定量分析需要細(xì)致的校準(zhǔn)和許多復(fù)雜的分析技術(shù)。質(zhì)譜分析的精確性除了與質(zhì)譜計(jì)本身性能有關(guān)外，還與使用方法、分析技術(shù)等有關(guān)。3．4識(shí)譜技術(shù)質(zhì)譜計(jì)對(duì)殘余氣體或氣體樣品分A質(zhì)量數(shù)的標(biāo)定判斷出各個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)量數(shù)。常見(jiàn)的殘余氣體質(zhì)量數(shù)M<50，這些氣體譜峰的位置和高度有一定的規(guī)律和特征。主要成分：2H2+,4He+,16CH4+,18H2O+,20Ne+,28CO+,28N2+,32O2+,40Ar+和44CO2+。據(jù)此可推斷出其它位置譜峰的質(zhì)量數(shù)。高質(zhì)量數(shù)端，可以通過(guò)預(yù)先校核確定。A質(zhì)量數(shù)的標(biāo)定B碎片圖型電子碰撞電離型離子源產(chǎn)生單荷離子和多荷離子、分子離子和碎片離子以及同位素離子。每種氣體有其獨(dú)有的碎片質(zhì)荷比數(shù)值，而峰的幅值則和氣體及儀器的工作條件有關(guān)。這種分裂物圖型為氣體碎片圖型。每種氣體的獨(dú)有的碎片圖型是鑒定氣體存在的“指紋”。B碎片圖型C分壓力計(jì)算具有獨(dú)特碎片圖型的單一氣體或蒸氣，或具有分離譜的幾種氣體和蒸氣的混合物的定量分析要比含有重疊峰的混合物的定量分析來(lái)得簡(jiǎn)單。⑴分離譜：近似分析得粗糙的結(jié)果。由主峰離子流Ii與質(zhì)譜計(jì)對(duì)N2的靈敏度SN2計(jì)算等效氮分壓力

ppe＝Ii/SN2由離子流相對(duì)比例和全壓力p計(jì)算等效氮分壓力

ppe＝pIi/∑Ii（全壓力p為等效氮壓力）

⑵重疊譜：質(zhì)譜計(jì)將M/Z相同的譜峰疊加在一起形成重疊譜，質(zhì)譜圖就顯得更為復(fù)雜。碎片峰離子流與其主峰離子流的相對(duì)比值稱(chēng)碎片峰的圖象系數(shù)。某種質(zhì)譜計(jì)在恒定工作條件下，碎片峰的種類(lèi)及其圖象系數(shù)是一定的。由質(zhì)譜圖的圖象系數(shù)可以計(jì)算出待測(cè)氣體成分的分壓力值。

C分壓力計(jì)算4真空計(jì)校準(zhǔn)4.1真空計(jì)校準(zhǔn)概述4.2靜態(tài)膨脹法4.3動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法4.4標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)4.5副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)4真空計(jì)校準(zhǔn)4.1真空計(jì)校準(zhǔn)概述4.1真空計(jì)校準(zhǔn)概述真空計(jì)校準(zhǔn)是真空測(cè)量的基礎(chǔ)，是研究和發(fā)展真空測(cè)量的有力工具。它不僅能使已有的相對(duì)真空計(jì)統(tǒng)一在可靠的標(biāo)準(zhǔn)之下，而且還可對(duì)發(fā)展中的真空計(jì)進(jìn)行性能的研究。所謂“真空計(jì)?；础本褪菍?duì)相對(duì)真空計(jì)進(jìn)行“刻度”。真空計(jì)刻度是在一定條件下對(duì)一定種類(lèi)氣體進(jìn)行的，從而得到校準(zhǔn)系數(shù)或刻度曲線。因此氣體種類(lèi)的改變或工作條件的變化，原校準(zhǔn)曲線就不能使用，必須重新進(jìn)行校準(zhǔn)。同一臺(tái)測(cè)量?jī)x器，更換規(guī)管時(shí)校準(zhǔn)曲線也會(huì)發(fā)生變化。由此觀之，對(duì)相對(duì)真空計(jì)校準(zhǔn)是非常必要的，又要定期進(jìn)行，否則會(huì)產(chǎn)生超過(guò)允許的測(cè)量誤差。4.1真空計(jì)校準(zhǔn)概述真空計(jì)校準(zhǔn)是真空測(cè)量的基校準(zhǔn)是對(duì)真空計(jì)整體而言，既包括所謂的一次儀表的真空規(guī)管，又包括所謂的二次儀表的電子線路。通常是二者合在一起進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以分別對(duì)真空計(jì)規(guī)管和電子線路進(jìn)行校準(zhǔn)，而后者是較為理想的。真空計(jì)校堆的前提是必須有標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)和校準(zhǔn)系統(tǒng)，并通過(guò)一定方法進(jìn)行。真空標(biāo)準(zhǔn)有絕對(duì)真空計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)真空計(jì)(或副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì))和絕對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)。所有絕對(duì)真空計(jì)均可作為真空標(biāo)準(zhǔn)。而以絕對(duì)真空計(jì)為基準(zhǔn)，將經(jīng)過(guò)壓力衰減后精確計(jì)算出的再生低壓力作為標(biāo)準(zhǔn)的真空計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)稱(chēng)為絕對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)。如膨脹法校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用靜力熱平衡，其理論基礎(chǔ)為理想氣體的波義耳定律，把U型管壓力計(jì)校準(zhǔn)下限延伸至高真空(10－4Pa)。穩(wěn)定性和精度高的真空計(jì)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)之后，可作為次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，稱(chēng)這種真空計(jì)為副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)。校準(zhǔn)是對(duì)真空計(jì)整體而言，既包括所謂的一次儀表的在計(jì)量學(xué)中，所謂標(biāo)準(zhǔn)是按精度等級(jí)排列的一個(gè)體系。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)并于1990年5月1日實(shí)施“真空計(jì)量器具檢定系統(tǒng)”(JJG2022—89)。根據(jù)當(dāng)前真空技術(shù)發(fā)展水平，真空獲得和真空測(cè)量范圍，已從大氣壓(105Pa)至極高真空(＜10-10Pa)。但工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，實(shí)際廣泛應(yīng)用的壓力范圍為10-8～105Pa。為了保證該范圍內(nèi)真空度量值的準(zhǔn)確一致，制定了檢定系統(tǒng)，進(jìn)行真空度量值傳遞，檢定各級(jí)真空計(jì)量器具。該檢定系統(tǒng)主要適用于10-8～105Pa范圍內(nèi)，計(jì)量、科研和工業(yè)部門(mén)使用的真空標(biāo)準(zhǔn)裝置和真空計(jì)的檢定。圖30示出真空計(jì)量器具檢定框圖。在計(jì)量學(xué)中，所謂標(biāo)準(zhǔn)是按精度等級(jí)排列的一個(gè)體系圖30真空計(jì)量器具檢定框圖

圖30真空計(jì)量器具檢定4.2靜態(tài)膨脹法1910年克努曾最早提出靜態(tài)膨脹法壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)。靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)低真空計(jì)時(shí)，因?yàn)槿萜鞅谖?、放氣不顯著，校準(zhǔn)精度較高。在高真空校準(zhǔn)時(shí)，由于器壁吸、放氣顯著，必須設(shè)法減小其影響。此方法制作簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)算迅速、檢定效率高，且排除了汞蒸氣對(duì)人的危害。膨脹法校準(zhǔn)是基于波意耳定律，即在恒定的溫度下，一定質(zhì)量的氣體的壓力與體積之積為一常數(shù)。單級(jí)膨脹系統(tǒng)工作示意圖見(jiàn)圖31所示。首先將氣源室中充有需要壓力為p1的校準(zhǔn)氣體，由標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)G2測(cè)量。再將校準(zhǔn)室抽氣至低于校準(zhǔn)壓力下限兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣可略去校準(zhǔn)室本底壓力對(duì)校準(zhǔn)的影響。

4.2靜態(tài)膨脹法1910年克努曾最早提出靜態(tài)

膨脹法校準(zhǔn)是基于波義耳定律。單級(jí)膨脹系統(tǒng)第一次膨脹后

第n次碰撞后

校準(zhǔn)高真空可用雙級(jí)膨脹。

圖31單級(jí)膨脹系統(tǒng)原理圖

膨脹法校準(zhǔn)是基于波義耳定律。4.3動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法有時(shí)也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)流量法和小孔法校準(zhǔn)，它是建立在氣流連續(xù)性原理、分子流狀態(tài)和等溫條件基礎(chǔ)上的，由于是動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，吸氣和放氣的影響很小。在分子流狀態(tài)下，流導(dǎo)僅為結(jié)構(gòu)幾何尺寸的函數(shù)，與壓力無(wú)關(guān)。其校準(zhǔn)下限隨真空獲得和小流量測(cè)量水平而延伸。是目前超高真空和極高真空的切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法。4.3動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法有時(shí)也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)流量動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法校準(zhǔn)原理是根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論原理，利用薄壁小孔作標(biāo)準(zhǔn)流導(dǎo)產(chǎn)生已知低壓力的。圖32是這種校準(zhǔn)方法原理示意圖。首先將校準(zhǔn)室壓力抽至校準(zhǔn)壓力下限以下二至三個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣計(jì)算校準(zhǔn)壓力時(shí)可忽略本底的影響。校準(zhǔn)氣體以穩(wěn)定流量pG通過(guò)針閥K，由進(jìn)氣管注入校準(zhǔn)室。氣體以分子流流經(jīng)一薄壁小孔并由真空系統(tǒng)抽除。在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在小孔上方的校準(zhǔn)室建立起已知的低壓力p，用它來(lái)校準(zhǔn)真空計(jì)G。校準(zhǔn)室的壓力可由下式計(jì)算p＝qG/C+pb動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法校準(zhǔn)原理是根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論原理，利流量qG由流量計(jì)測(cè)量，流量范圍為10-7～10-3Pam3s-1，其測(cè)量精度可達(dá)±0.5％，壓力校準(zhǔn)范圍是10-5~10-1Pa。雙級(jí)動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法校準(zhǔn)可以延伸校準(zhǔn)下限至10-6Pa。圖32動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法校準(zhǔn)原理圖

流量qG由流量計(jì)測(cè)量，流量范圍為4.4標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)在5×10-3～103Pa壓力范圍內(nèi)，是一可靠的壓力標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)普遍將它確定為國(guó)家真空計(jì)量的基準(zhǔn)器具。4.4標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)在5×10-

標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)是在分析了工作壓縮式真空計(jì)誤差的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法的改進(jìn)而成。主要有以下幾方面：(1)采用磨毛毛細(xì)管，使毛細(xì)管內(nèi)徑更均勻，消除了毛細(xì)管不同長(zhǎng)度上水銀壓低值的無(wú)規(guī)則變化，以及水銀在毛細(xì)管中運(yùn)動(dòng)的異常現(xiàn)象。(2)設(shè)置兩個(gè)無(wú)脂閥，防止水銀蒸氣抽氣效應(yīng)。(3)采用無(wú)定標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量。(4)測(cè)量毛細(xì)管采用錐形封頂。為防止測(cè)量毛細(xì)管封頂時(shí)，破壞測(cè)量毛細(xì)管頂端已磨毛的內(nèi)表面。采用錐形封頂，如圖33右上角所示。這樣就要考慮測(cè)量毛細(xì)管的內(nèi)頂端位置問(wèn)題，所以引入壓縮后氣柱高度修正量△2。（5）考慮測(cè)量毛細(xì)管和比較毛細(xì)管之間的壓低值不同的壓低值修正量△1。標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)是在分析了工作壓縮式真空計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)

結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖33所示，其壓

力計(jì)算公式如下：圖33標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)壓縮式真空計(jì)

結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖33所示，其壓

力計(jì)4.5副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)所謂副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)，實(shí)質(zhì)上是一種高穩(wěn)定、高精度的相對(duì)真空計(jì)，它經(jīng)過(guò)一等真空標(biāo)準(zhǔn)器具校準(zhǔn)之后，可作為二等真空標(biāo)準(zhǔn)器具，對(duì)一般工作真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)法具有校準(zhǔn)迅速和校準(zhǔn)壓力范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。因此，自60年代以來(lái)，國(guó)際上采用的副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)有熱陰極電離真空計(jì)和薄膜真空計(jì)。副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的校準(zhǔn)方法采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)，以比對(duì)法校準(zhǔn)工作計(jì)量器具。4.5副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)課程結(jié)束謝謝大家！END課程結(jié)束謝謝大家！END演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)主講人：東北大學(xué)劉玉岱教授真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)主講人：東北大學(xué)《真空技術(shù)》一.真空技術(shù)概況（楊乃恒）二.真空工程理論基礎(chǔ)（張世偉）三.真空系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（劉坤）四.干式真空泵原理與技術(shù)基礎(chǔ)（巴德純）五.真空獲得設(shè)備原理與技術(shù)基礎(chǔ)（張以忱）六.真空鍍膜技術(shù)基礎(chǔ)（張以忱）七.真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)（劉玉岱）八.質(zhì)譜原理與真空檢漏（劉玉岱）九.真空冶金技術(shù)基礎(chǔ)（王曉冬）十.真空設(shè)備選型的方法與實(shí)踐（徐成海）東北大學(xué)第七期培訓(xùn)系列之《真空技術(shù)》一.真空技術(shù)概況（楊乃恒）東北大學(xué)第七期培訓(xùn)

真空測(cè)量1真空測(cè)量概述2全壓力測(cè)量3分壓力測(cè)量4真空計(jì)校準(zhǔn)真空測(cè)量1真空測(cè)量概述1真空測(cè)量概述1.1什么是真空測(cè)量1.2真空度的表征及單位1.3真空計(jì)分類(lèi)1.4真空計(jì)測(cè)量范圍1.5真空測(cè)量特點(diǎn)1.6選擇真空計(jì)原則

1真空測(cè)量概述1.1什么是真空測(cè)量1.1什么是真空測(cè)量真空測(cè)量就是真空度的測(cè)量，而真空度是指低于大氣壓力的氣體稀薄程度。以壓力表示真空度是由于歷史沿用下來(lái)的，并不十分合理。壓力高意味著真空度低；反之，壓力低與真空度高相對(duì)應(yīng)。真空測(cè)量包括全壓力測(cè)量、分壓力測(cè)量和真空計(jì)校準(zhǔn)三部分。用于探測(cè)低壓空間稀薄氣體壓力的儀器稱(chēng)為真空計(jì)。本文所述壓力的測(cè)量是指比大氣壓力小得多的氣體壓力測(cè)量。1.1什么是真空測(cè)量真空測(cè)量就是真空度的測(cè)量壓力是一個(gè)力學(xué)量，為單位面積所承受的力。大氣壓力為101325Pa，直接測(cè)量這樣大的壓力是容易的，但在真空技術(shù)中，測(cè)量這樣大的壓力是比較少的。真空技術(shù)中遇到的氣體壓力都比較低，如有時(shí)要測(cè)10-10Pa的壓力，這樣極小的壓力用直接測(cè)量單位面積所承受的力是不可能的。因此，測(cè)量真空度的辦法通常是在氣體中造成一定的物理現(xiàn)象，然后測(cè)量這個(gè)過(guò)程中與氣體壓力有關(guān)的某些物理量，再設(shè)法間接確定出真實(shí)壓力來(lái)。壓力是一個(gè)力學(xué)量，為單位面積所承受的力。大氣壓真空計(jì)種類(lèi)繁多，工作原理各異，除極少數(shù)幾種是直接測(cè)量壓力外，其它幾乎都是間接測(cè)量壓力的。被測(cè)量氣體多為混合氣體，上述壓力測(cè)量是指混合氣體全壓力測(cè)量。在近代真空測(cè)量技術(shù)中，分壓力測(cè)量越來(lái)越重要。這里所說(shuō)的分壓力測(cè)量是指全面地測(cè)出混合氣體各組成成分的分壓力。這樣，混合氣體的全壓力等于其各組成成分的分壓力之和。現(xiàn)代分壓力真空計(jì)都屬于電離類(lèi)，即先將氣體電離，然后將所得的各成分離子加速，再把離子引進(jìn)分析器，將離子分開(kāi)，分別測(cè)出各成分離子流強(qiáng)度，便可知?dú)怏w的成分和數(shù)量。分析器有磁的、電的、電磁結(jié)合和其它方式等。有時(shí)只需知曉被測(cè)系統(tǒng)殘余氣體成分和相對(duì)含量，并不要求測(cè)出分壓力值，這種儀器稱(chēng)為殘余氣體分析儀。

真空計(jì)種類(lèi)繁多，工作原理各異，除極少數(shù)幾種是直正確的壓力測(cè)量必須對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槎鄶?shù)真空計(jì)是通過(guò)與壓力有關(guān)的物理量間接反應(yīng)壓力，而不是直接通過(guò)真空計(jì)有關(guān)參數(shù)計(jì)算求得壓力值。這種真空計(jì)必須用標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)或能產(chǎn)生已知低壓的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)?？梢哉f(shuō)真空計(jì)校準(zhǔn)是真空測(cè)量的基礎(chǔ)，是發(fā)展真空測(cè)量的有力工具。真空計(jì)量器具分三類(lèi)：計(jì)量基準(zhǔn)器具、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和工作計(jì)量器具。前兩類(lèi)用于復(fù)現(xiàn)和傳遞真空度量值，統(tǒng)一全國(guó)真空量值；后一類(lèi)是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。三種計(jì)量器具的不確定度依次降低。正確的壓力測(cè)量必須對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槎鄶?shù)真1.2真空度的表征及單位用壓力表示真空度是由歷史上采用U型壓力計(jì)測(cè)量真空所形成的，這并不十分合理。在一般真空系統(tǒng)中，通常以各向同性的中性氣體的壓力這一流體靜力學(xué)的物理量表示真空度，因此，真空度的測(cè)量?jī)H僅歸結(jié)于壓力的測(cè)量。但特別應(yīng)注意測(cè)量條件。測(cè)量的對(duì)象是在有限的容器內(nèi)、靜止(隨機(jī)運(yùn)動(dòng))、穩(wěn)態(tài)、各向同性單一的中性氣氛。在這種情況下，麥克斯威速度分布、余弦散射定律和流體靜力學(xué)壓力概念（）

都較好地符合客觀實(shí)際，真空度的測(cè)量也比較簡(jiǎn)單容易。1.2真空度的表征及單位用壓力表示真空度是根據(jù)真空度定義，真空度最好用分子密度n表示，而以壓力表示真空度與此并不矛盾。測(cè)量壓力時(shí)，一般氣體處于平衡態(tài)并滿(mǎn)足麥克斯威速度分布定律，即成立。測(cè)量時(shí)氣體溫度T一定，所以氣體壓力p正比于分子密度n。也就是說(shuō)，此時(shí)壓力是分子密度的量度，所以可以用壓力表示真空度。在空間研究中，研究對(duì)象是無(wú)限空間的運(yùn)動(dòng)(1～10kms-1或更高)、非穩(wěn)態(tài)、綜合環(huán)境作用下的復(fù)雜氣氛，此時(shí)麥克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以壓力也失去了原來(lái)的物理意義，真空度的測(cè)量比較復(fù)雜和困難了。根據(jù)真空度定義，真空度最好用分子密度n表示，而在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，但也不是唯一的，還可以用如下參數(shù)表示真空度：粒子密度n、分子平均自由程、碰撞次數(shù)z、覆蓋時(shí)間。

當(dāng)真空度很高時(shí)，即分子密度很小時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落十分明顯，如壓力p=10-12Pa時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落已大于5×10-2，壓力已失去真實(shí)意義。由此看來(lái)，在某些情況下，壓力只是其它量的相對(duì)指示而已。在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，根據(jù)氣體分子對(duì)表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞單位表面積氣體分子動(dòng)量垂直分量的時(shí)間變化率，即單位面積上所受的力，單位為“帕斯卡”(Pascal)，簡(jiǎn)稱(chēng)“帕”(Pa)。lPa＝1Nm-2在工程上有時(shí)嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示壓力。低真空時(shí)，有時(shí)用“真空度百分?jǐn)?shù)”表示，比如水環(huán)式真空泵、往復(fù)式真空泵和直排大氣羅茨真空泵常用此單位表示真空度。當(dāng)壓力p＞102Pa時(shí)，真空度百分?jǐn)?shù)為δ＝（p0-p）/p0×100％

式中p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，Pa。

根據(jù)氣體分子對(duì)表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞1．3真空計(jì)分類(lèi)按真空刻度方法分類(lèi)：（1）絕對(duì)真空計(jì)：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(yīng)（刻度）可通過(guò)自身幾何尺寸計(jì)算出來(lái)或由測(cè)力確定。與氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)。（2）相對(duì)真空計(jì)：由一些與氣體壓力有函數(shù)關(guān)系的量來(lái)確定壓力，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)行刻度，必須進(jìn)行校準(zhǔn)才能刻度。一般由作為傳感器的真空計(jì)規(guī)管（或規(guī)頭）和用于控制、指示的測(cè)量器組成。讀數(shù)與氣體種類(lèi)有關(guān)。1．3真空計(jì)分類(lèi)按真空刻度方法分類(lèi)：按真空計(jì)測(cè)量原理分類(lèi)(1)直接測(cè)量真空計(jì)這種真空計(jì)直接測(cè)量單位面積上的力，有A.靜態(tài)液位真空計(jì)：利用U型管兩端液面差來(lái)測(cè)量壓力。B.彈性元件真空計(jì)：利用與真空相連的容器表面受到壓力的作用而產(chǎn)生彈性變形來(lái)測(cè)量壓力值的大小。按真空計(jì)測(cè)量原理分類(lèi)(2)間接測(cè)量真空計(jì)壓力為10-1Pa時(shí)，作用在1cm2表面上力只有10-5N，顯然測(cè)量這樣小的力是困難的。但可根據(jù)低壓下與氣體壓力有關(guān)的物理量的變化來(lái)間接測(cè)量壓力的變化。屬于這類(lèi)的真空計(jì)有：A.壓縮式真空計(jì)：其原理是在U型管的基礎(chǔ)上再應(yīng)用波義耳定律，即將一定量待測(cè)壓力的氣體，經(jīng)過(guò)等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計(jì)測(cè)量，然后用體積和壓力的關(guān)系計(jì)算被測(cè)壓力。B.熱傳導(dǎo)真空計(jì)：利用低壓下氣體熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)這一原理制成。常用的有電阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)。C.熱輻射真空計(jì)：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關(guān)原理。(2)間接測(cè)量真空計(jì)壓力為10-1Pa時(shí)，作用在1cm2D.電離真空計(jì)：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨壓力變化的原理。如：熱陰極電離真空計(jì)、冷陰極電離真空計(jì)和放射性電離真空計(jì)等。E.放電管指示器：利用氣體放電情況和放電顏色與壓力有關(guān)的性質(zhì)判定真空度，一般僅能作為定性測(cè)量。F.粘滯真空計(jì)：利用低壓下氣體與容器壁的動(dòng)量交換即外摩擦原理。如振膜式真空計(jì)和磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)。G.場(chǎng)致顯微儀：以吸附和解吸時(shí)間與壓力關(guān)系計(jì)算壓力。H.分壓力真空計(jì)：利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行混合氣體分壓力測(cè)量。常見(jiàn)的有四極質(zhì)譜計(jì)、回旋質(zhì)譜計(jì)和射頻質(zhì)譜計(jì)等。D.電離真空計(jì)：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的1.4真空計(jì)測(cè)量范圍壓力測(cè)量中，除極少數(shù)直接測(cè)量外，絕大多數(shù)是間接測(cè)量。就是先在被測(cè)氣體中引起一定的物理現(xiàn)象，然后再測(cè)量這一過(guò)程中與壓力有關(guān)的物理量，進(jìn)而設(shè)法確定壓力值。這是真空測(cè)量的特點(diǎn)，亦會(huì)造成某些問(wèn)題。任何具體物理現(xiàn)象與壓力的關(guān)系，都是在某一壓力范圍內(nèi)才最顯著，超出這個(gè)范圍，關(guān)系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍．這個(gè)范圍就是真空計(jì)的“量程”。盡可能擴(kuò)展每一種方法的量程，是真空科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。近代真空技術(shù)所涉及到的壓力范圍寬達(dá)19個(gè)數(shù)量級(jí)(105～10-14Pa)，沒(méi)有任何一種真空計(jì)能測(cè)量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計(jì)分別管轄一定的區(qū)域。但由于各種真空計(jì)在原理上的差異，在相互銜接的區(qū)域，往往要造成較大的誤差。

1.4真空計(jì)測(cè)量范圍壓力測(cè)量中，除極少數(shù)直接在被測(cè)空間引起一定物理現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，即從測(cè)量的角度出發(fā)，本需要一種單純的物理現(xiàn)象，但有時(shí)卻不可避免地帶來(lái)一系列寄生現(xiàn)象，這些寄生現(xiàn)象不但給測(cè)量帶來(lái)誤差，有時(shí)還會(huì)“喧賓奪主”，完全把主要現(xiàn)象掩蓋住了。由上觀之，為改善真空計(jì)性能及提高真空測(cè)量準(zhǔn)確度，必須突出主要現(xiàn)象，仰制寄生現(xiàn)象。表1給出一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍。在被測(cè)空間引起一定物理現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題表1.一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍表1.一些真空計(jì)的壓力測(cè)量范圍1.5真空測(cè)量特點(diǎn)測(cè)量壓力范圍寬，105～10-14Pa大部分真空計(jì)是間接測(cè)量。只有壓力為105～10Pa時(shí)可直接測(cè)單位面積所受的力，但大多數(shù)真空測(cè)量的壓力遠(yuǎn)比上述為小，不能直接測(cè)量，應(yīng)利用低壓下氣體的某些特性(如熱傳導(dǎo)、粘滯性和電離等)進(jìn)行間接測(cè)量。多采用非電量電測(cè)技術(shù)。大部分真空計(jì)的讀數(shù)與氣體種類(lèi)和成分有關(guān)。所以測(cè)量時(shí)要特別注意被測(cè)量氣體種類(lèi)和成分