第10章真空测量

1、真真 空空 测测 量量真空测量的研究对象真空测量的研究对象p混合气体的全压力测量混合气体的全压力测量 由于指定空间内被测气体大多数为混合由于指定空间内被测气体大多数为混合气体，真空测量应于混合气体的全压力测量。所用的真空计测量全压力气体，真空测量应于混合气体的全压力测量。所用的真空计测量全压力l 绝对真空计和相对真空计绝对真空计和相对真空计A.A. 绝对真空计：从其绝对真空计：从其本身测得的压强物理量本身测得的压强物理量中中直接算出直接算出气体的气体的压力值压力值B.B. 相对真空计：通过相对真空计：通过与气体压力有关的物理量与气体压力有关的物理量以以间接间接的方法的方法反映反映所测的气体所测

2、的气体压力值压力值C.C. 相对真空计必须相对真空计必须绝对真空计的绝对真空计的校准校准才能准确地对真空度进行测量才能准确地对真空度进行测量l 真空计或真空规真空计或真空规真空技术中习惯以各向同性的中性气体的压力来表示真空度的高低。真空技术中习惯以各向同性的中性气体的压力来表示真空度的高低。通常把用于测量比大气压小得多的气体压力的工具称为通常把用于测量比大气压小得多的气体压力的工具称为真空计或真空规真空计或真空规。p气体成分分析和分压力测量气体成分分析和分压力测量A.A. 气体成分分析：气体成分分析：定性地判断定性地判断残余气体中包含有哪些种类残余气体中包含有哪些种类气体成分气体成分并并估计估

3、计各自各自所占的比例所占的比例。B.B. 分压力测量：指能满足一定精度要求的分压力测量：指能满足一定精度要求的定量测定定量测定各种气体成分的各种气体成分的分压力值分压力值。真空计的分类及测量范围真空计的分类及测量范围p真空计的分类真空计的分类l 绝对真空计和相对真空计绝对真空计和相对真空计（按真空计读数的刻度方法进行分类）（按真空计读数的刻度方法进行分类）A.A. 绝对真空计：绝对真空计：如如u u形管压力计、压缩式真空计、热辐射式真空计等形管压力计、压缩式真空计、热辐射式真空计等l 相对真空计：相对真空计：如热传导真空计、电离真空计等如热传导真空计、电离真空计等l直接测量真空计和间接测量真空

4、计直接测量真空计和间接测量真空计（按真空计的测量原理（按真空计的测量原理) )A.A.直接测量真空计直接测量真空计：以直接测量单位面积上的力为原理以直接测量单位面积上的力为原理如静态液位真空计、弹性元件真空计等；如静态液位真空计、弹性元件真空计等；B.B.间接测量真空计：间接测量真空计：通过低压下与气体压力有关的物理量的变化来间通过低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接地测量出压力的变化接地测量出压力的变化如压缩式真空计、热传导真空计、热辐射真空计、电离真空计、分压如压缩式真空计、热传导真空计、热辐射真空计、电离真空计、分压力真空计等力真空计等。名称名称原理压强测量范围(Pa)U形管压强计（

5、水银）形管压强计（水银）根据（压缩操作的）液柱高差根据（压缩操作的）液柱高差测量压强测量压强 -液体真空计U形管压强计（油）形管压强计（油）压缩真空计（麦克劳真空规）压缩真空计（麦克劳真空规）弹簧管真空计（布尔登规）弹簧管真空计（布尔登规）利用电气或机械方法检测膜片利用电气或机械方法检测膜片在压力差所造成的弹性变形来在压力差所造成的弹性变形来测量压强测量压强-变形真空计隔膜真空规（机械式）隔膜真空规（机械式）隔膜真空规（电气式）隔膜真空规（电气式）电阻真空计（皮喇尼真空规）电阻真空计（皮喇尼真空规）利用气体分子热传导与压强有利用气体分子热传导与压强有关发原理关发原理-热传导真空计热偶真空计热偶

6、真空计普通电离真空计普通电离真空计利用热电子对残余气体分利用热电子对残余气体分子的碰撞电子的碰撞电离-热阴极计高压强电离真空计（舒茨型）高压强电离真空计（舒茨型）超高真空电离真空计（超高真空电离真空计（B-A型）型）潘宁放电真空规潘宁放电真空规利用磁场中放电所产生的利用磁场中放电所产生的放电电流放电电流-冷阴极计10-1010210410-2110-410-610-8真空测量的特点真空测量的特点p测量范围宽测量范围宽 真空技术的发展已可获得1.1105 Pa直至10 -13Pa，宽达18个数量级的压力范围。不可能依靠一种测量原理和一种真空计来实现整个范围的真空度测量。不同种类的真空计对应各自不

7、同的压力不同种类的真空计对应各自不同的压力测量范围，即有不同的量程测量范围，即有不同的量程。p多为间接测量多为间接测量除了压力较高的真空区域压力较高的真空区域(10510Pa)，采用压力采用压力的直接测量的直接测量外，大部分低压空间气体的测量大部分低压空间气体的测量都是利用低压下气体的某些特性（如热传导、电离等）进行间接的真空度测量进行间接的真空度测量，对相对真空计的校准工作就显得更为重要。p采用电测技术采用电测技术测量反应迅速，灵敏度高，自动化。p测量值与气体种类有关测量值与气体种类有关大部分真空计的读数与被测气体的种类和相关成分有关.p测量精度不高测量精度不高在间接测量压力间接测量压力的过

8、程中，往往需要引进外加能量（如热能、电能、机械能、放射能等等）。由于这些外加能量的引这些外加能量的引用用将不可避免产生测量误差产生测量误差，而稀薄气体所能产生的测量信号本身很稀薄气体所能产生的测量信号本身很微弱微弱。真空计的测量精度远比其他的物理仪器的测量精度。液体真空计液体真空计压缩式真空计压缩式真空计phg结构示意图结构示意图A:A:一根与被测真空系统相连接的开管一根与被测真空系统相连接的开管B,D:B,D:内径相同的毛细管内径相同的毛细管D:D:测量毛细管测量毛细管B:B:比较毛细管比较毛细管V:V:球泡球泡, ,其体积远大于毛细管其体积远大于毛细管C:C:水银贮存器水银贮存器1,21,

9、2：三通阀：三通阀硬质玻璃吹制而成硬质玻璃吹制而成：水银密度：水银密度g g：重力加速度：重力加速度p结构结构：p测量原理：测量原理：测量前测量前 将压缩式真空计的导管与被测系统相连接，将压缩式真空计的导管与被测系统相连接，系系统内压力各处相等，玻璃泡和测量毛细管内的压力与待统内压力各处相等，玻璃泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力测系统内的压力p相等相等。测量时测量时 通过活塞通过活塞2 2抽真空，然后用活塞抽真空，然后用活塞1 1充气充气, ,使水银使水银储存器储存器C C中的水银上升到覆没交叉口中的水银上升到覆没交叉口MMMM，则，则D D、V V和和B B、A A内的气体被隔成两个

10、区域内的气体被隔成两个区域设设M- MM- M以上包括测量毛细管和玻璃泡的总体积之和为以上包括测量毛细管和玻璃泡的总体积之和为V V当继续提升水银时，玻璃泡内的气体被压缩，体积开始当继续提升水银时，玻璃泡内的气体被压缩，体积开始减小，压力增高减小，压力增高；当水银面停在如图所示的位置时，测量毛细管内气体体当水银面停在如图所示的位置时，测量毛细管内气体体积为积为VlVl，压力为，压力为P2P2，而比较，毛细管内气体压力仍为，而比较，毛细管内气体压力仍为p p测量毛细管和比较毛细管液面高度差测量毛细管和比较毛细管液面高度差 h= H-h h= H-h则测量毛细管内的压力则测量毛细管内的压力= =

11、液体真空计液体真空计压缩式真空计压缩式真空计根据根据波义耳定律波义耳定律可写出可写出)()(1112phgVVpVphgVppV因为一般用因为一般用压缩式真空计测量低压压缩式真空计测量低压，即，即pg gh h，故等式右边项中的，故等式右边项中的p可以忽略可以忽略)()(11hgVVphgVVp421HdV)1005. 14Vd(K)()(42522VdghHKHhHgHVdpP-P-待测压力待测压力(Pa)(Pa)H,h-H,h-液面差（液面差（m)m)K-K-真空计常数（真空计常数（Pa/mPa/m2 2) )液体真空计压缩式真空计hKdphd21p压缩式真空计测量刻度方法及灵敏度压缩式真

12、空计测量刻度方法及灵敏度l压缩式真空计灵敏度压缩式真空计灵敏度:单位压力变化所对应的水银液单位压力变化所对应的水银液面高度的变化面高度的变化dh/dph/dp；l测量刻度方法：测量刻度方法：压缩式真空计的刻度按测量时所选定压缩式真空计的刻度按测量时所选定的水银面基准位置的不同；的水银面基准位置的不同；A.A.平方刻度法平方刻度法: :在测量时将比较毛细管内的水银面提升到测量毛细管在测量时将比较毛细管内的水银面提升到测量毛细管内顶点高度处进行读数的一种方法。内顶点高度处进行读数的一种方法。由于由于p与与h h平方成正比关系，故平方成正比关系，故称为平方刻度法称为平方刻度法.平方刻度法灵敏度平方刻

13、度法灵敏度: :平方刻度时灵敏度与水银液面高度差平方刻度时灵敏度与水银液面高度差h h有关有关，即与被测压力有关即与被测压力有关。最最高灵敏度高灵敏度出现在出现在最小的最小的h h值值上，即出现在上，即出现在低压力时低压力时。而且，。而且，降低降低K也也可以提高灵敏度可以提高灵敏度，也就是应，也就是应增大玻璃泡的容积增大玻璃泡的容积V和和减小毛细管的直径减小毛细管的直径d)1005. 1(K25Vd液体真空计液体真空计压缩式真空计压缩式真空计p测量刻度方法及灵敏度测量刻度方法及灵敏度B. B. 直线刻度法直线刻度法: :将水银面提升到测量毛细管的某一参考点将水银面提升到测量毛细管的某一参考点（

14、规定为基准线）处时进行读数，即令（规定为基准线）处时进行读数，即令H为常数，为常数，KHKhKhHKhHKHpLLL令)()(直线刻度法灵敏度直线刻度法灵敏度: :LKdphd21此时，因此时，因p与与h h成直线关系，成直线关系，故称直线刻度法故称直线刻度法。灵敏度与灵敏度与h h无关，即在全量程上各点灵敏度都恒定不变无关，即在全量程上各点灵敏度都恒定不变。p压缩式真空计的注意问题压缩式真空计的注意问题l不能用于测量蒸气压力不能用于测量蒸气压力（因为大部分蒸气不遵守波义耳定律）（因为大部分蒸气不遵守波义耳定律）l两根毛细管要求具有相同的直径两根毛细管要求具有相同的直径（可以减少毛细作用引起的

15、误差）（可以减少毛细作用引起的误差）l与高真空的连接处要加上冷阱与高真空的连接处要加上冷阱（防止水银蒸汽进入高真空部分，室温下水（防止水银蒸汽进入高真空部分，室温下水银蒸气压达银蒸气压达10-3-3Torr)Torr)直线刻度的基准线位置是可以任意选定的。出于扩展量程和提高灵敏度的需要，同直线刻度的基准线位置是可以任意选定的。出于扩展量程和提高灵敏度的需要，同一台压缩真空计可以同时选定多个一台压缩真空计可以同时选定多个H作为基准，因此也就对应有多个刻度尺。作为基准，因此也就对应有多个刻度尺。基准线基准线位置越低，即位置越低，即H越大，真空计常数越大，真空计常数K也就越大也就越大变形真空计变形真

16、空计p弹性变形真空计弹性变形真空计利用利用弹性元件弹性元件在在压力差作用下产生压力差作用下产生弹性变形弹性变形的原理而制成的一种的原理而制成的一种直测量真空计直测量真空计，可以在压力为，可以在压力为l05l0Pa的范围内进行的范围内进行低真空测量低真空测量。p特点特点A.规管灵敏度规管灵敏度与气体种类无关与气体种类无关；B.对被测系统对被测系统干扰少干扰少（由于其自身的吸气与放气均较小）；（由于其自身的吸气与放气均较小）；C.可对可对腐蚀性气体和可凝性蒸气进行测量腐蚀性气体和可凝性蒸气进行测量；A.A.根据弹性元件结构的不同：根据弹性元件结构的不同：弹簧管式、膜盒式和膜片式弹簧管式、膜盒式和膜

17、片式B.B.根据弹性变形量的测量方式划分：根据弹性变形量的测量方式划分：机械传动式和电量测量式机械传动式和电量测量式p类别类别电量测量式电量测量式: :连续远距离测量，测量的灵敏度高。连续远距离测量，测量的灵敏度高。变形量与电信号间的变送方式：变形量与电信号间的变送方式：电感式、压电式、电阻应变式和电容式。电感式、压电式、电阻应变式和电容式。尤其是利用电容法所制成的尤其是利用电容法所制成的电容式薄膜真空计电容式薄膜真空计，已经逐渐地，已经逐渐地代替了传统的机械式薄膜真空计，获得了广泛的应用代替了传统的机械式薄膜真空计，获得了广泛的应用变形真空计变形真空计 电容式薄膜规管电容式薄膜规管p电容式薄

18、膜规管电容式薄膜规管通过测量压强差压强差引起金属薄膜的偏移偏移，从而改变电容器电容电容器电容来测量压强测量压强。A.“绝对式绝对式”电容规电容规：将薄膜的一边密封成参考真空；B.“差动式差动式”电容规电容规：薄膜的两边均通入气体；p类型类型：p测量原理测量原理l 原理：原理：电极薄膜电极薄膜将空间分成互相密封的测量和测量和比较比较两个小室，固定电极和活动电极薄膜构成差动电固定电极和活动电极薄膜构成差动电容器容器并作为电桥的两个活动桥臂两个活动桥臂。活动电极处于中间位置时，两个电容器的电容量相等，活动电极由于压差作用偏离中间位置时，一个电容器的电容增加而另一个电容器的电容减小，电容变化造成电桥不

19、平衡电容变化造成电桥不平衡，产生输出输出电压电压，经过校准达到测量压强测量压强的目的。l 基本结构基本结构：由两个结构完全相同圆形固定电极固定电极和一个公用的活动电极活动电极所组成。p电容输出与位移变化之间的关系电容输出与位移变化之间的关系变形真空计变形真空计 电容式薄膜规管电容式薄膜规管平行板电容器电容平行板电容器电容0200dRdSC当间隙当间隙d d0 0变化变化d d时，膜片两侧电容器时，膜片两侧电容器的电容相应地将增加或减小的电容相应地将增加或减小C C1 1和和C C2 2。差动电容器电容相对变化方程差动电容器电容相对变化方程.503000 ddddddCC电容器输出电容的电容器输

20、出电容的相对变化与输入位移之间相对变化与输入位移之间的关系是的关系是非线性非线性的，采用的，采用差动结构差动结构，可以，可以消除非线性偶次项消除非线性偶次项, , 改善输出与输入之间的非线性改善输出与输入之间的非线性. .如果限制活动电极薄膜在较小的如果限制活动电极薄膜在较小的d d范围内变化使范围内变化使d/dd/d0 01 1, , 特性方程中特性方程中各非线性项忽略不计各非线性项忽略不计，电容器输出与输入之间的特性电容器输出与输入之间的特性，可以，可以近似成线性关系近似成线性关系。)1/( ,0000ddCCKdKddCC其中K K电容器灵敏度电容器灵敏度（表示单位输出位移能引起电容相对

21、变化的大小）（表示单位输出位移能引起电容相对变化的大小）p电容式薄膜真空计的特点电容式薄膜真空计的特点变形真空计变形真空计 电容式薄膜规管电容式薄膜规管l 电容式薄膜真空计为全压计电容式薄膜真空计为全压计（所测结果是气体与蒸气的全压强）（所测结果是气体与蒸气的全压强）l 测量结果与气体成分无关测量结果与气体成分无关; ;l 测量精度高测量精度高（一一 般不大于般不大于0.1%2%）;l 反应速度快反应速度快(小于小于2100ms);l 温度影响小温度影响小;l 测量范围宽测量范围宽（测量下限可达测量下限可达10-3l0-2Pa）；）；l 特殊气体压力的测量特殊气体压力的测量（适合于对有氧、水蒸

22、气及油蒸气等）适合于对有氧、水蒸气及油蒸气等）l 用作标准真空计用作标准真空计（由于其性能稳定，重复性好）（由于其性能稳定，重复性好）热传导真空计热传导真空计p基本原理基本原理气体的热传导与其压强有关气体的热传导与其压强有关d分子平均自由程长于特征尺寸，气体热分子平均自由程长于特征尺寸，气体热传导现象与其压强有关传导现象与其压强有关lrgQQQQQ Q热丝输入电功率热丝输入电功率QgQg气体热传导气体热传导耗散的热量耗散的热量Q Qr r热丝辐射热丝辐射耗散的热量耗散的热量Q Ql l边杆导热边杆导热耗散的热量耗散的热量Qg g与压强有关，而与压强有关，而Qr r, Q, Ql l与压强没有直

23、接关系与压强没有直接关系基本形式基本形式：热丝温度或其相关量来确定气体压强热丝温度或其相关量来确定气体压强在一管泡中由边杆支撑着一根热丝，热丝通电加热热丝通电加热，使其温度高于周围气体及管泡温度，在热丝与管泡间发生气热丝与管泡间发生气体热传导作用体热传导作用。当达到热平衡时，热丝的温度与气体热传导有关热丝的温度与气体热传导有关，与气体压强有关，由热丝温度或其相关量来确定气体压强。由热丝温度或其相关量来确定气体压强。21222)(rTTKPaQ224114222)(lrTTQrdldTAKQwl0478. 0oTT2T1r2r1（r r2 2r r1 1；K K自由分子热传导系数）自由分子热传导

24、系数）（ 1 1管泡全辐射系数；管泡全辐射系数； 1 1热丝全辐射系数；热丝全辐射系数； 常数）常数）（K KW W导热系数导热系数;A0 0截面积截面积;dT/dl温度梯度）温度梯度）热传导真空计热传导真空计p热传导热量散失热传导热量散失Q Q与压力与压力p p的关系的关系l 低真空范围内低真空范围内( ( d) d) 导热能力随压力有明确的对应变化关系）导热能力随压力有明确的对应变化关系）l 压力测量的下限为压力测量的下限为1010-1-1-10-10-2-2PaPa（进入高真空（进入高真空( d)d) ，气体分子散热量与压力成，气体分子散热量与压力成正比，但总散热能力已极低。正比，但总散

25、热能力已极低。Qg变得很小，所能引起的热丝温度变化也自然很小，这种变化已变得很小，所能引起的热丝温度变化也自然很小，这种变化已无法从噪声中检测出来时无法从噪声中检测出来时) )p热传导真空计特点及类别热传导真空计特点及类别热传导真空计热传导真空计A.A. 结构简单，易于制造和使用操作结构简单，易于制造和使用操作；B.B. 规管工作温度和工作电压低规管工作温度和工作电压低（没有显著的热放气和电（没有显著的热放气和电清除现象，热丝在突然暴露大气时也不易被烧毁）；清除现象，热丝在突然暴露大气时也不易被烧毁）；C.C. 所测读数为全压力所测读数为全压力；D.D. 远距离、连续测量远距离、连续测量；l

26、特点A.A. 测量受外界温度影响较大测量受外界温度影响较大（规管安装于不易受到辐射或规管安装于不易受到辐射或对流传热的位置）；对流传热的位置）；B.B. 热丝具有一定的热惯性热丝具有一定的热惯性（压力变化时热丝温度的改变常压力变化时热丝温度的改变常滞后一些时间，读数亦滞后一些时间）；滞后一些时间，读数亦滞后一些时间）；C.C. 读数刻度需要校准读数刻度需要校准的的相对真空计相对真空计（校准曲线为非线性，（校准曲线为非线性，并因气体种类而异，对空气的校准曲线不能直接用于其他气体并因气体种类而异，对空气的校准曲线不能直接用于其他气体）D.D. 及时校准及时校准（热丝易因表面被沾污而老化）；（热丝易

27、因表面被沾污而老化）；l 类别类别根据热丝温度测量方法的不同根据热丝温度测量方法的不同电阻真空计：电阻真空计：测量热丝电阻随温度变化的电阻真空计测量热丝电阻随温度变化的电阻真空计热电偶真空计：热电偶真空计：采用热电偶直接测量热丝温度的热电偶真空计采用热电偶直接测量热丝温度的热电偶真空计优点：优点：缺点缺点:热传导真空计电阻真空计（皮喇尼真空规）p结构结构测量范围为测量范围为l0l04 4l l0 0-1-1PaPa（热丝电阻的变化反（热丝电阻的变化反映气体压力变化的一种热传导真空计）映气体压力变化的一种热传导真空计）l 在规管壳内封装一个用在规管壳内封装一个用电阻温度系数高的电阻丝电阻温度系数

28、高的电阻丝绕制的绕制的圆柱圆柱螺旋形螺旋形热丝，热丝两端用引线引出规管，接测量线路；热丝，热丝两端用引线引出规管，接测量线路；l 电阻丝电阻丝：常用的热丝材料有钨、铂和镍三种；：常用的热丝材料有钨、铂和镍三种；l 管壳管壳：规管壳可用：规管壳可用金属或玻璃金属或玻璃制成制成；p测量范围测量范围规管规管和和测量线路测量线路金属外壳金属外壳优点：耐用、拆卸热丝方便等，优点：耐用、拆卸热丝方便等，缺点：密封性能较差、价格高缺点：密封性能较差、价格高；玻璃外壳玻璃外壳优点：密封性能好、价格低等，优点：密封性能好、价格低等，缺点：易损坏。缺点：易损坏。l 测量线路测量线路采用采用惠氏电桥或文氏电桥惠氏电

29、桥或文氏电桥热传导真空计热传导真空计电阻真空计电阻真空计（皮喇尼真空规（皮喇尼真空规）p工作模式工作模式（根据测量热丝电阻变化的方法不同）（根据测量热丝电阻变化的方法不同）l定电压法：定电压法：保持电桥两端保持电桥两端电压不变电压不变，失平衡，失平衡电流与压力的关系电流与压力的关系；l定电流法定电流法：保持热丝保持热丝电流不变电流不变，失平衡，失平衡电压与压力的关系电压与压力的关系；l定电阻法（即定温度法）：定电阻法（即定温度法）：在任何压力下都用改变电桥电在任何压力下都用改变电桥电压的方法，保持电桥处于平衡状态压的方法，保持电桥处于平衡状态。电桥电压与压力的关系即为校准曲线。电桥电压与压力的

30、关系即为校准曲线优点优点：热丝电阻及其温度基本为定值，具有热辐射及边杆导热均为恒定热丝电阻及其温度基本为定值，具有热辐射及边杆导热均为恒定p举举例例定定温型电阻真空计温型电阻真空计l测量线路测量线路Rw-Rw-规管规管Rv-Rv-可变电阻可变电阻R1,R2-R1,R2-电阻电阻CB-CB-指示仪表指示仪表E-E-电源电源l工作原理工作原理A.A.在在10-2-2l0-3-3PaPa真空度时电桥调于真空度时电桥调于一定的电压一定的电压U U0 0（热热丝温度为一定值丝温度为一定值）。）。B.B.改变电阻改变电阻Rv使使电桥平衡电桥平衡，即指示仪表，即指示仪表CB指零。指零。C.C.当压力增高时，

31、热损耗大，热丝温度降低，电阻变当压力增高时，热损耗大，热丝温度降低，电阻变小，电桥失去平衡，小，电桥失去平衡，CB有指示。有指示。增高电桥输入电压增高电桥输入电压至至U U使电桥再次平衡使电桥再次平衡，则，则热丝温度及电阻恢复原值热丝温度及电阻恢复原值。D.D.气体压力气体压力p与电桥电压的平方差呈线性关系与电桥电压的平方差呈线性关系。热传导真空计热传导真空计热偶真空计热偶真空计p基本原理基本原理（借助于热电偶直接测量借助于热电偶直接测量热丝温度的变化热丝温度的变化，热电偶产生，热电偶产生的的热电势热电势就用于表征规管内的就用于表征规管内的压力压力）p结构结构（热偶式规管和测量线路）热偶式规管

32、和测量线路）1 1：热丝：热丝2 2：热电偶：热电偶3 3：管壳：管壳4 4：毫伏表：毫伏表5 5：限流电阻：限流电阻6 6：毫安表：毫安表7 7：稳压电源：稳压电源A.A.测量时规管热丝通以一定的测量时规管热丝通以一定的加热电流加热电流。在。在较低压力较低压力下下(r r2 2) )，热丝温度及热电偶电势热丝温度及热电偶电势E E决定于规管内的决定于规管内的压力压力p p。B.B.当压力降低时，当压力降低时，气体分子传导气体分子传导走的热量减少，走的热量减少，热丝温度热丝温度随之升随之升高，故高，故热电偶电势热电偶电势E E增大。反之，热电偶电势增大。反之，热电偶电势E E减小。减小。p举例

33、举例国产国产DL-3型热偶计规管型热偶计规管l热丝材料热丝材料A.A. 规管热丝的工作温度为规管热丝的工作温度为100200，B.B. 在工作温度和较高压力下具有足够的在工作温度和较高压力下具有足够的物理和化学物理和化学稳定性稳定性以及以及较小的电阻温度系数较小的电阻温度系数C.C. 常用的材料有：铂丝、钨丝和镍丝（铂丝最好）常用的材料有：铂丝、钨丝和镍丝（铂丝最好）l热电偶热电偶A.A. 在工作温度范围内有足够的在工作温度范围内有足够的灵敏度和物理、化学稳定性，灵敏度和物理、化学稳定性，零散小零散小并能并能大量生产大量生产等。等。B.B.常用的材料常用的材料有康铜有康铜(镍镍45%，铜，铜5

34、5%) -镍铬合金镍铬合金(镍镍85%，铬，铬15%)；铂铑一铂；铜一康铜；镍铬合金一铝镍合金等；铂铑一铂；铜一康铜；镍铬合金一铝镍合金等热传导真空计热偶真空计p热偶真空计工作特性热偶真空计工作特性A.A. 压力一热偶电势对应值压力一热偶电势对应值（难以用计算方法精确求得）；难以用计算方法精确求得）；B.B.需绝对真空计校准需绝对真空计校准（在标准环境条件下）；（在标准环境条件下）；C.C.按照按照p-Ep-E校准曲线校准曲线（将毫伏计（将毫伏计的刻度改成真空度，数显式，数显式仪表直接显示出压力读数）仪表直接显示出压力读数）l热偶真空计热偶真空计（需要校准的相对真空计需要校准的相对真空计）A.

35、A.当压力从当压力从0.1MPa0.1MPa开始逐步降低时，开始逐步降低时，在一段压力范围在一段压力范围内热偶电势内热偶电势E一直在零值附近一直在零值附近。（其原因是气体分子多，传。（其原因是气体分子多，传导走的热量多，因而热丝温度低，热偶电势导走的热量多，因而热丝温度低，热偶电势E亦低，此时亦低，此时(r1 1) )热热传导与压力无关，故热偶电势传导与压力无关，故热偶电势E在起始一段压力范围内不变化；）在起始一段压力范围内不变化；）B.B.当压力降至当压力降至l02 2 Pa Pa时，热偶电势时，热偶电势E开始增大开始增大。（。（这是由这是由于此时气体传导走的热量减少，热丝温度已升高。当压力

36、继续降低于此时气体传导走的热量减少，热丝温度已升高。当压力继续降低时，热偶电势继续增大，但是越来越缓慢，最后趋于一定值。）时，热偶电势继续增大，但是越来越缓慢，最后趋于一定值。）C.C.p p再降低，再降低，E不再变化，即热偶真空计已达到其测量不再变化，即热偶真空计已达到其测量极限极限。（。（约为约为10-1-1 Pa Pa）lp-Ep-E校准曲线校准曲线国产国产DL-3DL-3型（对于干燥空气型（对于干燥空气) )热传导真空计热传导真空计热偶真空计热偶真空计p影响测量的因素影响测量的因素l规管加热电流规管加热电流( (影响灵敏度和测量范围影响灵敏度和测量范围) )A.A.加热电流增大，规管灵

37、敏度提高，能测较高的压加热电流增大，规管灵敏度提高，能测较高的压力，测量范围变窄力，测量范围变窄( (加热电流减小，规管灵敏度降低，能加热电流减小，规管灵敏度降低，能测量较低压力，测量范围较宽测量较低压力，测量范围较宽) )B.B.毫伏表的指示直接给出被测系统的压力毫伏表的指示直接给出被测系统的压力( (在一定加在一定加热电流的情况下热电偶电势热电流的情况下热电偶电势E E与压力的关系与压力的关系) )。气体气体Sr气体气体Sr空气或N21CO0.97H20.67CO20.94He1.12SO20.77Ne1.31CH40.61Ar1.56C2H40.86Kr2.3C2H20.60l气体的种类

38、气体的种类( (不同气体分子的导热系数不同不同气体分子的导热系数不同) )A.A.相对灵敏度相对灵敏度： 各种气体的各种气体的P-EP-E校准曲线形状都类同校准曲线形状都类同根据干燥空气（或氮气）刻度的压力读数，再乘以相应的被根据干燥空气（或氮气）刻度的压力读数，再乘以相应的被测测气体相对灵敏度气体相对灵敏度，得到气体的实际压力，得到气体的实际压力( (气体分子中具有相同气体分子中具有相同原子数的气体或蒸气，其相对灵敏度原子数的气体或蒸气，其相对灵敏度SrSr随分子量的增大而增大）随分子量的增大而增大）readrrealpSpp preadread：以干燥空气刻度的压力计读数；：以干燥空气刻度

39、的压力计读数；p prealreal：被测气体的实际压力：被测气体的实际压力- -SrSr：被测气体对空气的相对灵敏度：被测气体对空气的相对灵敏度B.B.混合气体的真空度测量混合气体的真空度测量：用热传导用热传导真空计对真空计对混合气体的真空系统测量混合气体的真空系统测量时，如果已知混合气体时，如果已知混合气体中各种气体的中各种气体的体积百分体积百分ViVi (i (i一一1 1，2 2，3 3，n n）和）和相对相对灵敏度灵敏度SriSri，计算出，计算出混合气体对空气的相对灵敏度混合气体对空气的相对灵敏度SrSr. .根据根据直接测量得到的读数，乘以直接测量得到的读数，乘以Sr即为即为混合

40、气体的实际真空度混合气体的实际真空度。niriirSVS11 电离真空计电离真空计A.A.利用利用某种手段某种手段使进入规管中的使进入规管中的部分气体分子发生电离部分气体分子发生电离；B.B.收集收集这些离子形成这些离子形成离子流离子流；C.C.测量测量离子流的大小离子流的大小反映反映被测气体的压力值被测气体的压力值( (被测气体分子所被测气体分子所产生的离子流在一定压力范围内与气体的压力呈现出正比关系产生的离子流在一定压力范围内与气体的压力呈现出正比关系) )D.D.电离真空计是电离真空计是相对真空计相对真空计；p普通型电离真空计普通型电离真空计( (用在低于用在低于10-1-1PaPa的高

41、真空测量的高真空测量) )A.A.传感元件的传感元件的规管规管B.B.控制及指示电路所组成的控制及指示电路所组成的测量仪表测量仪表p结构结构p工作原理工作原理l热阴极电离真空计热阴极电离真空计：应用最广、依靠高温阴极热电子发射应用最广、依靠高温阴极热电子发射l冷阴极电离真空计冷阴极电离真空计：没有热阴极而靠冷发射（场致发射）没有热阴极而靠冷发射（场致发射）l放射性电离真空计放射性电离真空计：采用放射性同位素作为电离源采用放射性同位素作为电离源。p分类分类( (按电离方式的不同按电离方式的不同) )热阴极计热阴极计普通电离真空计普通电离真空计A.A.由具有一定由具有一定负电位的高温阴极灯丝负电位

42、的高温阴极灯丝发射出来的电发射出来的电子，经子，经阳极加速阳极加速后获得后获得足够的能量足够的能量，在气体中，在气体中与分与分子碰撞子碰撞时，可以引起分子的时，可以引起分子的电离电离，产生，产生正离子与电正离子与电子子。B.B.电离碰撞所产生的电离碰撞所产生的正离子数与气体压力成正比正离子数与气体压力成正比（由于电子在（由于电子在一一定的飞行路程中与气体分子碰撞的次数，正比于定的飞行路程中与气体分子碰撞的次数，正比于气体分子的密度，也就是正比于气体的压力气体分子的密度，也就是正比于气体的压力p，利用收集极将正离，利用收集极将正离子接收起来）子接收起来）p基本原理基本原理l收集极所接收的离子流收

43、集极所接收的离子流I Ii i（在一定压力范围内与阴极发射（在一定压力范围内与阴极发射电流电流Ie e和气体压力和气体压力p呈现线性关系）呈现线性关系）pKIIeiI Ii i：收集极所接收的离子流；：收集极所接收的离子流；I Ie e：阴极发射电流；：阴极发射电流；p p：气体压力：气体压力: :K K：电离真空计规管系数，单位为：电离真空计规管系数，单位为Pa-1-1( (对于一定气体，当温度恒定时，对于一定气体，当温度恒定时，K为一为一定值。规管系数定值。规管系数K是经校准得到的）是经校准得到的）热阴极计热阴极计普通电离真空计普通电离真空计p规管结构规管结构（把非电量的气体压力转变成电量

44、为离子流）（把非电量的气体压力转变成电量为离子流）l热灯丝热灯丝F F（阴极（阴极) )：发射出一定数量电子流发射出一定数量电子流I Ie e；l阳极阳极A A（电子加速阳极）（电子加速阳极）：产生电子加速场并可收集电子流的产生电子加速场并可收集电子流的；l离子收集极离子收集极C C：相对于阳极相对于阳极A A为负电位的能收集离子流为负电位的能收集离子流I Ii i；p举例举例国产国产DL-2DL-2电离规管电离规管灯丝及栅极引线灯丝及栅极引线( (从管底引出从管底引出) )；收集极收集极（从管顶部引出）（从管顶部引出）；栅极：钼丝或钨丝制成双螺旋状，可直接通电加热除气栅极：钼丝或钨丝制成双螺

45、旋状，可直接通电加热除气；收集极：薄镍皮制成，压有凹槽收集极：薄镍皮制成，压有凹槽（为增加刚度）；（为增加刚度）；加长玻璃漏电的距离加长玻璃漏电的距离（离收集极从顶部引出，在高真空时，离子电（离收集极从顶部引出，在高真空时，离子电流很小，任何漏电都会给离子流的测量带来误差）流很小，任何漏电都会给离子流的测量带来误差）；p测量范围：测量范围：1010-1-11010-5-5PaPap p在在10-1-110-6-6 Pa Pa之间是直线，在此区间以外发生弯曲之间是直线，在此区间以外发生弯曲热阴极计热阴极计普通电离真空计普通电离真空计p气体成分对测量的影响气体成分对测量的影响l电离真空计规管系数电

46、离真空计规管系数K（与气体种类有关）与气体种类有关）A.A.电离真空计电离真空计规管系数规管系数K与气体种类有关与气体种类有关（不同气体有不同的电离截面）（不同气体有不同的电离截面）B.B.电离真空计的电离真空计的校准曲线随气体种类不同而异校准曲线随气体种类不同而异。l相对灵敏度相对灵敏度S Sr r（取各种气体的规管系数与氮气的之比）（取各种气体的规管系数与氮气的之比）若知道被测气体相对灵敏度若知道被测气体相对灵敏度Sr r时，其真实压力为时，其真实压力为用电离真空计进行压力测量时，一定要注意被测气体种类，否则将产生较大误差用电离真空计进行压力测量时，一定要注意被测气体种类，否则将产生较大误

47、差p操作时遵守规则操作时遵守规则l测量上限测量上限（不得大于（不得大于l0 0-1-1PaPa，测量下限不应低于，测量下限不应低于10-5-5PaPa）若压力大于若压力大于l0 0-1-1PaPa，则由于电子平均自由程小，气体不能电离，故不能反映气压；，则由于电子平均自由程小，气体不能电离，故不能反映气压；在高压中，热阴极容易中毒，严重时，阴极会烧毁；在高压中，热阴极容易中毒，严重时，阴极会烧毁；测量下限也不应低于测量下限也不应低于10-5-5PaPa，否则，会产生光电子，造成指示不准确；，否则，会产生光电子，造成指示不准确；l测量前要除气测量前要除气(5(5l0min)0min)，发现系统漏

48、气应立即关闭规管。，发现系统漏气应立即关闭规管。l测量前要进行预热测量前要进行预热（仪器内部建立起稳定的工作状态）仪器内部建立起稳定的工作状态）l规管不要长期点燃规管不要长期点燃（以免烧坏）以免烧坏）热阴极计热阴极计高压强电离真空计高压强电离真空计（舒茨型）（舒茨型）p扩展压力测量上限的意义扩展压力测量上限的意义（测量高于测量高于10-l -l PaPa的压力）的压力）普通型热阴极电离真空计（压力测量上限为普通型热阴极电离真空计（压力测量上限为1010-1 -1 PaPa）l测量高于测量高于1010-l -l PaPa的压力的压力A.测量时需要两种规管测量时需要两种规管（使用带来许多不便）（使

49、用带来许多不便）B.B.1010-l -l PaPa附近压力难以准确附近压力难以准确（热偶式真空计压力测量下限与电离真空计（热偶式真空计压力测量下限与电离真空计的测量上限都是的测量上限都是10-1 Pa，测量原理不同，在，测量原理不同，在10-1 Pa处两种真空计不衔接的问题）处两种真空计不衔接的问题） 不利因素不利因素：10-l Pa真空冶金、真空热处理、半导体单晶制备真空冶金、真空热处理、半导体单晶制备等应用技等应用技术的术的工作压力工作压力，需要准确地进行测量，需要准确地进行测量 10 10-l -l PaPa附近压力准确测定附近压力准确测定： 解决办法：解决办法：高压力电离真空计或中真

50、空电离真空计高压力电离真空计或中真空电离真空计扩展电离真空计的测量上限扩展电离真空计的测量上限以实现较高压力的测量以实现较高压力的测量 解决办法解决办法：普通型电离真空计与热偶真空计普通型电离真空计与热偶真空计（测量压力范围宽达（测量压力范围宽达10-5-5l04 4 Pa Pa）p影响压力测量上限的因素影响压力测量上限的因素热阴极计热阴极计高压强电离真空计高压强电离真空计（舒茨型）（舒茨型）l热灯丝（阴极热灯丝（阴极) )氧化氧化（高于（高于10-1-1 Pa Pa，钨丝阴极将氧化，寿命缩短，烧毁），钨丝阴极将氧化，寿命缩短，烧毁）解决途径：解决途径：采用抗氧化的阴极采用抗氧化的阴极 （选（

51、选表面涂有氧化钇的铱丝表面涂有氧化钇的铱丝，以，以提高电子发射性提高电子发射性能能，能在较高压力下工作，使用寿命较长，不宜在有大量油蒸气的环境下工作），能在较高压力下工作，使用寿命较长，不宜在有大量油蒸气的环境下工作）l离子流随压力的线性偏离离子流随压力的线性偏离（高于（高于10-1-1 Pa Pa压力）压力）离子流随压力的线性偏离问题离子流随压力的线性偏离问题如何保持规管系数如何保持规管系数K K不随压力不随压力p p变化的问题变化的问题电子运动轨迹、能量以及与气体分子的碰撞机制不随压力变化电子运动轨迹、能量以及与气体分子的碰撞机制不随压力变化pKIIei存在问题存在问题离子流离子流I Ii

52、 i（高于（高于1010-1-1 Pa Pa压力）趋于压力）趋于“饱和饱和”的主要原因：的主要原因：由于电离过程中出现的二次电子不断增多，电极间的离子增多，形成空由于电离过程中出现的二次电子不断增多，电极间的离子增多，形成空间电荷场，使电子的运动轨迹发生变化所致。间电荷场，使电子的运动轨迹发生变化所致。pI Ii i /I /Ie e正比于压力正比于压力p p关系的条件关系的条件（由舒茨提出）（由舒茨提出）1Kpl规管系数越低测量上限就越高规管系数越低测量上限就越高( (扩展测量上限提供设计依据扩展测量上限提供设计依据) )l改变规管系数的手段改变规管系数的手段（电极结构、电极间电位分布以及发

53、射电流的大小）电极结构、电极间电位分布以及发射电流的大小）热阴极计热阴极计高压强电离真空计高压强电离真空计（舒茨型）（舒茨型）p举例举例: :DL-5DL-5型高压强电离真空计型高压强电离真空计（通过改变电极结构、发射电流的大小，降低规管系（通过改变电极结构、发射电流的大小，降低规管系数）数）1KpA A加速极加速极C收集极收集极F阴极阴极l电极结构：电极结构：抗氧化阴极抗氧化阴极F装置在规管的装置在规管的中心轴中心轴上，上，收集极收集极C C与加速极与加速极A分别为大和小的两块分别为大和小的两块长方形板状电极长方形板状电极，对称对称地装置在阴极的周围地装置在阴极的周围，规管外壳玻璃制成，也有

54、金属裸式结构。，规管外壳玻璃制成，也有金属裸式结构。l特点特点：A.A.加速极与阴极间距离近加速极与阴极间距离近（电子飞行路径短，减少电离几率，降（电子飞行路径短，减少电离几率，降低规管系数）；低规管系数）；B.B.增大收集极面积增大收集极面积（提高离子收集效率，减少离子复合的机会）（提高离子收集效率，减少离子复合的机会）；C.C.采用低发射电流采用低发射电流（减少高压力时的空间电荷效应）；（减少高压力时的空间电荷效应）；p举例：举例：DL-8DL-8型高压强电离真空计型高压强电离真空计（通过改变电极间电位分布，分级改变电离计的规管系数）（通过改变电极间电位分布，分级改变电离计的规管系数）A.

55、A.利用利用辅助电极辅助电极S和阴极和阴极K上的电位变化上的电位变化，改变，改变电极电极K-A间的间的电位分布电位分布，从而调节，从而调节规管系数规管系数；B.B.在在高压力时使规管系数取较小的值，而在低压高压力时使规管系数取较小的值，而在低压力时取较大的值力时取较大的值，同时兼顾上下限的测量；，同时兼顾上下限的测量；C C：离子收集极（两块不锈钢平行电极）；：离子收集极（两块不锈钢平行电极）；K K：外涂氧化钇的铱阴极；：外涂氧化钇的铱阴极；A A：加速阳极；：加速阳极；S S：辅助电极：辅助电极l测量范围测量范围：1010-4-4100Pa100Pal特点：特点：热阴极计热阴极计超高真空电

56、离真空计超高真空电离真空计（B-A型）p影响压力测量下限的因素影响压力测量下限的因素( (本底电流本底电流) )pKIIeiA.A.气体压力气体压力p p很低很低. .规管系数规管系数K K在仍可保持为常数在仍可保持为常数；B.B.离子流离子流I Ii i随压力随压力p p降低而减小到一定程度后，将会埋没在降低而减小到一定程度后，将会埋没在其他其他与压力与压力p p无关的本底电流无关的本底电流，达到其压力测量下限达到其压力测量下限p pminmin；l压力测量下限压力测量下限: :l本底电流本底电流：软软X X射线光电流；电子诱导导脱附离子流；阴极材料蒸气的离子流射线光电流；电子诱导导脱附离子

57、流；阴极材料蒸气的离子流l软软X X射线光电流假说射线光电流假说（2020世纪世纪5050年代初期，由诺丁汉提出）年代初期，由诺丁汉提出）A.A.软软X射线射线（栅状阳极受电子轰击会产生一种较（栅状阳极受电子轰击会产生一种较X射线波长稍长、穿透能力较弱）；射线波长稍长、穿透能力较弱）；B.B.离子收集极接收此射线会发生光电子发射离子收集极接收此射线会发生光电子发射。C.C.一个与压力无关的本底光电流一个与压力无关的本底光电流（测量时表现为约测量时表现为约10-6-6 Pa Pa的压力读数）；的压力读数）；exexSiiiieeexeiSKpSiKpiiKpii)()(pSKpSKpiie成正比

58、与则若p,eiiPSK当当p较大时，满足关系较大时，满足关系PSKPSK当当p较小时，不满足关系较小时，不满足关系l提高提高K,K,降低降低S S（扩展热阴极电离真空计下限）（扩展热阴极电离真空计下限）离子收集极接收此射线会发生光电子发射，这相当于收集极上多了一种离子收集极接收此射线会发生光电子发射，这相当于收集极上多了一种“虚假的虚假的”离子流离子流i ix x热阴极计热阴极计超高真空电离真空计超高真空电离真空计（B-A型）p扩展测量下限扩展测量下限（消除本底光电流的影响）（消除本底光电流的影响）lB-AB-A型电离计型电离计（电极的几何结构上减少离子收集极被软（电极的几何结构上减少离子收集

59、极被软X X射线照射的面积）射线照射的面积）l抑制式电离规抑制式电离规（在离子收集极附近安置负电位的电极以消除本底光电流）（在离子收集极附近安置负电位的电极以消除本底光电流）l调制式调制式B-AB-A电离规电离规（采用在离子收集极电流中扣除本底光电流的方法）采用在离子收集极电流中扣除本底光电流的方法）l弹道规和热阴极磁控管电离规弹道规和热阴极磁控管电离规（提高规管系数（提高规管系数K能够降低测量下限）能够降低测量下限）p举例：举例：B-AB-A型电离计型电离计（由贝阿德和阿尔珀特提出）（由贝阿德和阿尔珀特提出）A A：电子加速极；：电子加速极；C：离子收集极；：离子收集极；F：热阴极：热阴极l

60、电极结构电极结构（一根细金属丝充当收集极）一根细金属丝充当收集极）A.A.收集极收集极C C置于栅状电子加速极置于栅状电子加速极A A内内（保证有足保证有足够的离子收集效率，栅内的所有离子都将被收够的离子收集效率，栅内的所有离子都将被收集）集）B.B.灯丝灯丝F F则移至栅外则移至栅外（对称安装两根）（对称安装两根）l 形式形式 （管式规和裸规）（管式规和裸规）l测量范围：测量范围：1010-2-21010-9-9PaPa冷阴极计潘宁放电真空规p 工作原理（低压下气体分子的电离电流与压力有关的特性）（低压下气体分子的电离电流与压力有关的特性）A.A.少量初始自由电子少量初始自由电子（靠冷发射所