真空计应用原理

真空计应用原理
按工业标准的定义，真空 (Vacuum) 就是“低于一个标准大气压的气体充满空间的状态”。如图1：Overview of vacuum，随着压力或单位体积内分子数的减少，真空度的大小各不相同。
真空度的单位与压强的单位一样，用 Pa，mbar 等表示。有两种表示方式：真空度与相对真空度。一般说，用真空度比较好理解，即准确说出当前的压力和压强是多少。对高低不同的真空进行测量，所依据的原理也各不相同。

图1：


一、低真空度的测量原理
低真空度是指 1000 mbar ~ 1 mbar 范围内的真空。此范围内，由压强变化引起的压力变化比较明显，可以通过测量力的变化来测量出真空度，如：
Ø 薄膜真空计，通过应力片，感知设计好的薄膜上力的变化，得知当前的真空度。如 Pfeiffer 的真空计 CPT100 及真空计 APR 系列，就应用了 Piezo 膜应力片，来检知压力的细微变化，从而测量出真空度。
Ø 电容真空计，由于压力不同，会引起电容两极距离的变化，这会使电容的大小发生变化。这样通过测量这种电容大小的变化，就能得知当前的真空度。如 Pfeiffer 的真空计 CMR 系列。

二、中真空度的测量原理
中真空度是指 1 mbar ~ 1*10-3 mbar 范围内的真空。此范围内，压力的大小变的不容易测得，但空气的热传导能力显的很有特点。这样也有两种方法可以测量出真空度：
Ø 电容真空计 (capacitance manometer) 通过调节预设压力的大小，电容真空计可以完成中真空度范围的测量。在 Pfeiffer 的真空计 CMR 系列中，CMR 275 可测到 10-5 mbar 数量级。
Ø 皮拉尼（Pirani）真空计，中真空度条件下，空气流动的方式是层流，热传导能力与真空度线性对应。因此可以通过测量恒温电阻丝上的电流大小，测得真空度。如 Pfeiffer 的真空计 TPR 系列，及一系列复合真空计中的低中真空探头，都是采用的 Pirani 真空规管。

三、高真空度或超高真空度的测量原理
高真空是指 1*10-3 mbar ~ 1*10-7 mbar 范围内的真空，超高真空是指 1*10-7 mbar ~ 1*10-11 mbar 范围内的真空。在这样的范围内，再去通过测量压力的大小来测量压强，测量的精度及可靠性，就比较难实现。
压强的大小一方面体现为力的大小，另一方面还体现为单位体积内分子数的多少。在高真空条件下，可以通过计量单位体积内分子数的多少，来测知当前的真空度。那么如何获得单位体积内的分子数呢？
我们知道：电子在相同的电子能量，相同的磁场中，所引起的分子电离电流越大，说明分子数密度越大。离子真空计就是在高真空条件下，通过计量分子电离电流的大小来测得分子数密度，从而测得真空度。

离子真空计有两种形式：
Ø 冷阴极离子真空计（Cold cathode ionization vacuum gauge），是通过加在阴阳两极间的高电压（3 kv左右），激出电子，同时这个电场又给了电子能量，用具有一定能量的电子去电离空气分子。
为了提高灵敏度，使得到的电离电流尽可能的大，一般将阴极做成空心圆柱状，将针状的阳极放在阴极中间，同时在阴极周边设置磁场（如图2）。这样的条件下，电子的运动路径会形成螺旋状（如图3），电离空气的机会大大增加，这样就使得电离的电流尽可能的大，提高了真空计的灵敏度及精度。



Pfeiffer 的冷阴极离子真空计 IKR 系列，测量范围为：
1*10-2 mbar ~ 1*10-11 mbar，精度为：± 30% reading，重复精度：± 5%，具体的参数可参考网站：/
Ø 热阴极离子真空计 (Hot cathode ionization vacuum gauge)，是通过加热阴极，激出电子，再设置一定的电场（100 v 左右），给电子一定的能量，去电离空气分子。
热阴极离子真空计在收集电离电流方面与冷阴极离子真空计有一些区别，并不是计量阴阳两极间的电流，而是另外设置了电流收集器（ion collector），结构比较复杂，但测量精度特别是重复精度也相应提高，如 Pfeiffer 的真空计 IMR 265，重复精度达到了 2% reading。

离子真空计的使用需要注意：
1.测得的真空度与分子的种类有关。因为不同的气体，被电离的能力不一样，读取的真空度并不是最后的结果，需要按给定的系数进行转换后，才能得到正确的结果。如下表，为 Pfeiffer 的冷阴极离子真空计 IKR / PKR 系列，在 10-5 mbar 条件下的转换公式及转换系数：



2. 溅镀 (sputtering) 用的气体如氩气（Ar）会加速离子真空计污染，在探测元器件表面形成镀层，甚至会引起短路，使真空计失效。
使用中需要加强保养，以获得较好的使用效果及使用寿命。
3. 热阴极离子真空计要比冷阴极离子真空计精度高，但会受X射线影响，阳极材料本身也会使测量结果受影响。