第三章 真空测量

1、重庆大学物理系p真空测量的研究对象真空测量的研究对象真空计真空计( (真空规真空规): ): 测量比大气压小的气体压强的工具测量比大气压小的气体压强的工具真空度的测量真空度的测量: : 总压强的测量和分压强的测量总压强的测量和分压强的测量气体成分分析和分压强测量气体成分分析和分压强测量真空计的校准真空计的校准p真空的量度真空的量度真空度真空度是对气体稀薄程度的客观量度；是对气体稀薄程度的客观量度；p真空度的高低通常使用气体的压强来表示；（存在局限性）真空度的高低通常使用气体的压强来表示；（存在局限性）麦克劳林真空计麦克劳林真空计 10-4 torr弹簧弹簧/布氏管压力表布氏管压力表 10-2

2、torr热偶真空计热偶真空计760 - 10-3 torr电离真空计电离真空计10-3 - 10-10 torr ）真空测量原理及特征：）真空测量原理及特征：测量真空度的办法通常都是先在气体中引起一定的测量真空度的办法通常都是先在气体中引起一定的物理现象物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的某些物理量，再设法确然后测量这个过程中与气体压强有关的某些物理量，再设法确定出真实压强来。定出真实压强来。 任何具体物理现象与压强的关系，都是在某一压强范围内才任何具体物理现象与压强的关系，都是在某一压强范围内才最显著，超出了这个范围，关系变得微弱了。因此任何方法都最显著，超出了这个范围，关系变得微弱

3、了。因此任何方法都有其一定的有其一定的测量范围测量范围，这个范围就是真空计的，这个范围就是真空计的量程量程。总是用几个真空计，分别管辖一定区域。但是由于各种真空总是用几个真空计，分别管辖一定区域。但是由于各种真空计原理上的差异，在计原理上的差异，在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。2）真空计的）真空计的分类分类真空计真空计测量低于大气压的气体压强的工具。测量低于大气压的气体压强的工具。真空计可以直接测量气体的压强，或者间接测量压强。真空计可以直接测量气体的压强，或者间接测量压强。直接测量的为直接测量的为绝对真空计绝对真空计，间接测量的为，间接测量的为相对

4、真空计相对真空计。按照真空计的按照真空计的不同原理与结构不同原理与结构可以分为：可以分为：静态变形真空计静态变形真空计压缩式真空压缩式真空热传导真空计热传导真空计电离真空计电离真空计气体放电真空计气体放电真空计辐射真空计等。辐射真空计等。 10-1210-1010-810-610-410-2110+2P (mbar)Rough VacuumHigh VacuumUltra High VacuumBourdon GaugeThermocouple GaugeCold Cathode GaugeCapacitance ManometerHot Fil. Ion GaugeResidual Gas

5、AnalyzerPirani GaugeSpinning Rotor GaugeMcLeod Gauge3）总压强真空计的工作压强区间）总压强真空计的工作压强区间力学真空计力学真空计气体热传导真空计气体热传导真空计电离真空计电离真空计n液体压强真空计液体压强真空计(U(U形计形计) )n压缩真空计压缩真空计麦克劳林（麦克劳林（McleodMcleod）n弹性形变真空计（弹性形变真空计（Bourdon tubeBourdon tube）n薄膜真空计（薄膜真空计（Diaphragm gaugeDiaphragm gauge）hpp0hp 提高措施：提高措施：1）用比重小的液体；用比重小的液体；2）

6、斜置斜置U形管；形管；3）平面镜反射、光学干涉测量液面差平面镜反射、光学干涉测量液面差。最小液面差：最小液面差：0.1mm(人眼人眼)；0.01mm(测高仪测高仪)。测量低压困难。测量低压困难。组成：组成：测量毛细管测量毛细管1(顶端为封闭端顶端为封闭端)、比较、比较毛细管毛细管2、玻璃玻璃泡、水银贮器、三通阀、与泡、水银贮器、三通阀、与被被测真空系统相连接的测真空系统相连接的导管导管和和刻度尺刻度尺等。等。 操作：操作：1、测量前将压缩式测量前将压缩式真空真空计的导管与被测系计的导管与被测系统相连接，由于系统内压力各处相等，所统相连接，由于系统内压力各处相等，所以以玻璃玻璃泡和测量毛细管内的

7、压力与待测系泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力统内的压力p相等。相等。2、测量时用任一种方法将水银面提升；测量时用任一种方法将水银面提升；21VppV 21)(VhppV212VVVhphVVp12刻度方法：刻度方法：直线刻度法直线刻度法：平方刻度法：平方刻度法：ChhVVp122212124hChVdhVVp量程：大气量程：大气10-5/10-6mmHg优点优点/缺点缺点优点：优点：绝对真空计；压强的读数完全由绝对真空计；压强的读数完全由它的尺寸计算，无需其他仪器校准。它的尺寸计算，无需其他仪器校准。缺点：缺点：水银的饱和蒸气压高，污染被测空间，水银的饱和蒸气压高，污染被测空间，且对人

8、有害；操作笨重费时，不能连续读数。且对人有害；操作笨重费时，不能连续读数。只作测量校准使用。只作测量校准使用。它是直接由气体压力引起弹性元它是直接由气体压力引起弹性元件机械变形的真空计。件机械变形的真空计。变形元件有：变形元件有：弹性金属薄膜；弹性金属薄膜；弹性金属管；弹性金属管；量程：量程：100105Pa它是直接由气体压力引起弹性元件它是直接由气体压力引起弹性元件机械变形，机械变形，利用电容感知利用电容感知的真空计。的真空计。量程量程：4个数量级（个数量级（10210-2Pa、 10310-1Pa 、etc）热传导真空计是根据在热传导真空计是根据在低压强低压强下下, , 气体分子热传气体分

9、子热传导与压力有关的原理制成的。它是在一玻璃管壳中由导与压力有关的原理制成的。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根边杆支撑一根热丝热丝，热丝通以电流加热，使其温度高，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产热丝和管壳之间产生热传导生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压强。如果预先进行了热传导，因而也就决定于气体压强。如果预先进行了校准校准, , 则可用则可用热丝的温度热丝的温度或其相关量来指示或其相关量来指示气体的压气体的压强强。p借由量测一借由量测一发热体发热

10、体与一与一接受发热体接受发热体之间之间导热程度导热程度来判断气体的压力。来判断气体的压力。p当当K Kn n值在值在0.01K0.01Kn n1010之间时，热传导的量与压强之间时，热传导的量与压强成正比的关系。成正比的关系。p低压强时，热丧失有三个途径低压强时，热丧失有三个途径周围气体的导周围气体的导热热、辐射热辐射热、支柱发热体本身的主干。、支柱发热体本身的主干。p为了使量测压力的精确度提高。后两者的热量损为了使量测压力的精确度提高。后两者的热量损失，尽量避免。失，尽量避免。p发热体的主干越短越好，发热体的直径越发热体的主干越短越好，发热体的直径越小越好小越好p热传导真空计热传导真空计p热

11、传导真空计规管热丝的温度热传导真空计规管热丝的温度T T是压强是压强p p的函数。如果预先测的函数。如果预先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度出这个函数关系，便可根据热丝的温度T T来确定压强来确定压强p p。p热丝温度的测量方法，有以下三种热丝温度的测量方法，有以下三种: :p(1)(1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质利用热丝随温度变化的线膨胀性质; ;p(2)(2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化利用热电偶直接测量热丝的温度变化; ;p(3)(3)利用热丝电阻随温度变化的性质。利用热丝电阻随温度变化的性质。p热偶真空计和电阻真空计是目前粗真空和低真空测量中用得热偶真空计和电阻真空计是目前

12、粗真空和低真空测量中用得最多的。最多的。 膨胀式真空计膨胀式真空计热偶真空计热偶真空计电阻电阻 ( Pirani 真空计真空计n热丝温度由一细小的热电偶来测量。热丝温度由一细小的热电偶来测量。n它有一根钨或铂制的加热丝，另由两根不同的金它有一根钨或铂制的加热丝，另由两根不同的金属丝组成一对热电偶。热电偶的一端属丝组成一对热电偶。热电偶的一端( (热端热端) )与热与热丝在丝在o o点焊住，另两头分别焊于芯柱引线上。点焊住，另两头分别焊于芯柱引线上。n热电偶材料的选择原则是：热电偶材料的选择原则是：(1)(1)应具有较大的热电应具有较大的热电势和热电势温度变化率，并且热电势与温度之间势和热电势温

13、度变化率，并且热电势与温度之间最好呈线性关系；最好呈线性关系；(2)(2)具有高的电导率、低的电阻具有高的电导率、低的电阻温度系数和低的比热；温度系数和低的比热；(3)(3)物理化学性能、热电特物理化学性能、热电特性都较稳定。性都较稳定。n热电偶规管中组成热电偶的金属丝可有铜热电偶规管中组成热电偶的金属丝可有铜- -康铜、康铜、铬铬- -康铜、铁康铜、铁- -康铜、镍铬康铜、镍铬- -铝镍合金、铂铝镍合金、铂- -铂铑合铂铑合金、钨金、钨- -钼等。国产钼等。国产DL-3DL-3型热偶规管采用康铜型热偶规管采用康铜- -镍镍铬作为热电偶。铬作为热电偶。最简单的方法：利用热丝本身的电阻最简单的方

14、法：利用热丝本身的电阻值做为标示，值做为标示，应选用电阻温度系数大的材料如钨丝、应选用电阻温度系数大的材料如钨丝、镍丝等，制成镍丝等，制成个测量管个测量管(称为真空称为真空规管规管)真空规管真空规管测温电桥测温电桥l真空规管热丝充当电桥的一臂，另一个与规管完全相同，但真空规管热丝充当电桥的一臂，另一个与规管完全相同，但预先抽空到预先抽空到10-4-10-5托封下的管子托封下的管子D D做为相邻臂。另两臂则由性做为相邻臂。另两臂则由性能稳定的电阻能稳定的电阻R Rl l、R R2 2组成。组成。R RV V可变电阻，用于调节电桥平衡之用。可变电阻，用于调节电桥平衡之用。l使用前，将真空规管抽到使

15、用前，将真空规管抽到1010-4-4-10-10-5-5TorrTorr的高真空，此时将电的高真空，此时将电桥调到平衡，电流表桥调到平衡，电流表M M指示为零。当真空度逐渐下降时，由于气指示为零。当真空度逐渐下降时，由于气体将规管热丝热量导走，电阻降低，电桥失去平衡，电流表便体将规管热丝热量导走，电阻降低，电桥失去平衡，电流表便出现读数。出现读数。l电流与压强关系电流与压强关系曲线是用绝对真空计来测量压强而校出的，曲线是用绝对真空计来测量压强而校出的，它通常由生产厂商随同仪器付给。它通常由生产厂商随同仪器付给。1 1、恒电压法、恒电压法 110-3Torr2 2、恒温法、恒温法 10010-3

16、Torr 1.5%规管仍是电桥的一臂，规管仍是电桥的一臂，RV为可变电阻，供调节电桥平衡之用。为可变电阻，供调节电桥平衡之用。 电桥的供电桥的供电系由一电子放大器供给，电桥的不平衡讯号用以控制放大器。电系由一电子放大器供给，电桥的不平衡讯号用以控制放大器。测量时，视需要将电子放大器输出调于一定数值，并将电桥调到平衡，测量时，视需要将电子放大器输出调于一定数值，并将电桥调到平衡，这时规管热丝就处于一定温度。当压强改变时这时规管热丝就处于一定温度。当压强改变时(例如增大例如增大)，热丝温度下降，热丝温度下降，电桥失去平衡，送出讯号到放大器输入端，使放大器提高输出电压，于是整电桥失去平衡，送出讯号到

17、放大器输入端，使放大器提高输出电压，于是整个电桥的输入电流增大，使规管热丝温度重新提高，直到恢复到原来温度为个电桥的输入电流增大，使规管热丝温度重新提高，直到恢复到原来温度为止。此时电桥恢复平衡，放大器的输出电压就停止在这个新位置上。止。此时电桥恢复平衡，放大器的输出电压就停止在这个新位置上。在这个方法里，随压强而变化的量是在这个方法里，随压强而变化的量是输出电压输出电压。用绝对真空计测量压强，。用绝对真空计测量压强，可测得输出电压与压强的关系。可测得输出电压与压强的关系。电阻真空计电阻真空计 (Pirani Gauges)定标曲线定标曲线优点：优点：它反映的是总压强，即被测容器的真实压强它反

18、映的是总压强，即被测容器的真实压强能连续测量，并能远距离读数；能连续测量，并能远距离读数；结构简单，容易制造；结构简单，容易制造；即使突然遇到大气，亦不烧毁即使突然遇到大气，亦不烧毁缺点缺点校准曲线因气体种类而异，故对于空气测得的校准曲线，校准曲线因气体种类而异，故对于空气测得的校准曲线，不能直接用于其他气体；不能直接用于其他气体；有热惯性，压强变化时热丝温度的改变常滞后一些时间，有热惯性，压强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；读数亦滞后一些时间；受外界温度的影响较大，故规管必须安装于不易受辐射热受外界温度的影响较大，故规管必须安装于不易受辐射热或对流热的地方；或对流热的

19、地方；老化现象较严重，必须经常校准。老化现象较严重，必须经常校准。p利用探测利用探测离子的数目离子的数目来推测气体的来推测气体的分子密度分子密度，间接求出压强值，间接求出压强值 p有有热阴极热阴极 及及冷阴极冷阴极 两种形式两种形式p热阴极真空计基本原理；热阴极真空计基本原理；p灯丝制造热电子，借由热电子电离周围气体分子形成离子，然灯丝制造热电子，借由热电子电离周围气体分子形成离子，然后离子被吸引接收，形成电流，电流大小意味离子数多寡，压强后离子被吸引接收，形成电流，电流大小意味离子数多寡，压强大小与离子数多寡有对等之关系。大小与离子数多寡有对等之关系。p冷阴极真空计基本原理冷阴极真空计基本原

20、理p利用高压解离产生离子利用高压解离产生离子热阴极电离真空计热阴极电离真空计超高真空热阴极电离真空计超高真空热阴极电离真空计B-A (Bayard-Alpert)B-A (Bayard-Alpert)规规抑制规抑制规热阴极磁控管式电离规热阴极磁控管式电离规调制电离规调制电离规自持放电型真空计自持放电型真空计磁控放电真空计磁控放电真空计倒置磁控管式真空计倒置磁控管式真空计热阴极电离真空计热阴极电离真空计热阴极电离真空计规管结构图热阴极电离真空计规管结构图1、灯丝，、灯丝，2、栅极，、栅极，3、收集极，、收集极，4、封装外壳、封装外壳不同气体被具有相同能量的电子碰撞，使其电离的程不同气体被具有相同

21、能量的电子碰撞，使其电离的程度不同。质量越轻者，其电离的数目越小。每种气体具度不同。质量越轻者，其电离的数目越小。每种气体具有其电离几率有其电离几率P Pr r，而电离几率又与电子碰撞的截面有关，而电离几率又与电子碰撞的截面有关，所以离子数可写成所以离子数可写成离子所提供的电流视离子数而定离子所提供的电流视离子数而定对于气体的种类的敏感度可写成对于气体的种类的敏感度可写成pPTpnTnnrii)/273()/273(1currentelectronicurrentionipiis : :/ )/(KpIIei优点：优点：测出的是总压强；测出的是总压强；反应迅速，可连续读数，可远距离控制；反应迅

22、速，可连续读数，可远距离控制；可测量很低的压强；可测量很低的压强；规管小，易于连接到被测量处，可制成裸规；规管小，易于连接到被测量处，可制成裸规；刻度曲线直线范围宽；刻度曲线直线范围宽；对机械振动不敏感；对机械振动不敏感；缺点：缺点：灵敏度与气体的种类有关；灵敏度与气体的种类有关；压强高于压强高于1010-1-1PaPa时，灯丝易烧毁；时，灯丝易烧毁；在使用时带来化学清除作用及电清除作用，影响测在使用时带来化学清除作用及电清除作用，影响测量准确度；量准确度；玻壳、电极的放气等都会导致测量的误差；玻壳、电极的放气等都会导致测量的误差；极限极限1010-4-4PaPa；离子收集极的光电发射电流离子

23、收集极的光电发射电流光电子光电子光电子的流入方向与正离子的方向相同，导致收集极电流光电子的流入方向与正离子的方向相同，导致收集极电流增大，掩盖了正离子电流；增大，掩盖了正离子电流；光电发射起因光电发射起因电子轰击电子收集极时产生软电子轰击电子收集极时产生软X X射线；射线；灯丝发；灯丝发；外界照射光；外界照射光；由热电子所造成的软由热电子所造成的软X光是电离计读数误差的一个重要因子，因此减少收光是电离计读数误差的一个重要因子，因此减少收集极的表面积，将有助于该误差值得减小；集极的表面积，将有助于该误差值得减小；传统式的电离计改为传统式的电离计改为Bayard-Alpert式则大大提升其精确度；

24、式则大大提升其精确度；若要适用在高压力的环境下，则灯丝与收集极必须要尽量靠近，若要适用在高压力的环境下，则灯丝与收集极必须要尽量靠近，Schulz-Phelps的设计便是如此；的设计便是如此；增加电子碰撞的频率（极稀薄气体，极高真空度下）增加电子碰撞的频率（极稀薄气体，极高真空度下）Lafferty 真空计，在磁场的协助之下，增加电子的行走途径在磁场的协助之下，增加电子的行走途径因而提高电子与分子的碰撞机会，使得压因而提高电子与分子的碰撞机会，使得压强量测精度可提升至量测精度可提升至1010-14-14 TorrTorr在磁场的协助之下，在磁场的协助之下，增加电子的行走途径增加电子的行走途径因

25、而提高电子与分子因而提高电子与分子的碰撞机会，使得压的碰撞机会，使得压强强量测精度可提升至量测精度可提升至10-14 Torr热阴极电离真空计结简图热阴极电离真空计结简图a)普通规；普通规；b) B-A规规 ；c) 分离规；分离规；d) 抑制规；抑制规；e) 调制的调制的B-A规；规；f) 弹道规；弹道规；g) 磁控规；磁控规；h) 偏转规偏转规F- 灯丝；灯丝；G-栅极；栅极； A-阳极；阳极； IC-离子收集极；离子收集极； S-屏蔽；屏蔽；IR-离子发射极；离子发射极；SP-抑制器；抑制器； AM-放大器；放大器； M-调制器；调制器； EC-电子收集极；电子收集极； B-磁场；磁场；

26、D-偏转器偏转器阴极与阳极全部置于强力磁场之中。阴极与阳极全部置于强力磁场之中。离子的出现，先由高压放电开始得到电子，离子的出现，先由高压放电开始得到电子，电子然后在阳极与阴极间来回奔跑并借由电子然后在阳极与阴极间来回奔跑并借由磁场的帮忙，增加电子的行走途径，增加磁场的帮忙，增加电子的行走途径，增加与气体分子的碰撞次数，最后离子形成被与气体分子的碰撞次数，最后离子形成被阴极接收。阴极接收。在低压时，放电现象不易发生，因此有人在低压时，放电现象不易发生，因此有人设计刻意置放一小灯丝或是设计刻意置放一小灯丝或是放射线装置放射线装置制造电子产生。制造电子产生。优点：优点：（与热阴极相比）与热阴极相比

27、）消除了高温灯丝产生的化学消除作用，使真空计的读数不受影消除了高温灯丝产生的化学消除作用，使真空计的读数不受影响；响；不需对热丝电子发射和控制，简化了仪器结构；不需对热丝电子发射和控制，简化了仪器结构；气压激增不存在冷规管被烧毁的危险；气压激增不存在冷规管被烧毁的危险；冷规管可避免被活性气体所毒化或破坏，寿命长；冷规管可避免被活性气体所毒化或破坏，寿命长；冷规管灵敏度比普通型电离规管灵敏度高冷规管灵敏度比普通型电离规管灵敏度高1 1个数量级；个数量级；规管结构及控制电路均较简单，易于制作。规管结构及控制电路均较简单，易于制作。缺点：缺点：必须具备磁铁，规管占体积大；必须具备磁铁，规管占体积大；

28、磁场不能承受高温烘烤去气，去气时必须取下磁铁，操作不便；磁场不能承受高温烘烤去气，去气时必须取下磁铁，操作不便；磁铁的存在，不能做成裸规，测量空间的压强分布。磁铁的存在，不能做成裸规，测量空间的压强分布。根据根据电场与磁场的关系电场与磁场的关系可分为两大类可分为两大类普通型冷阴极电离真空计普通型冷阴极电离真空计电场电场平行平行磁场磁场潘宁（潘宁（Penning Penning ）真空计）真空计磁控管式冷阴极电离真空计磁控管式冷阴极电离真空计电场电场垂直垂直磁场磁场倒置磁控管式倒置磁控管式正置磁控管式正置磁控管式压强测量范围压强测量范围:10-4-10-13 Torr倒置磁控管式冷阴极电离真空计

29、结构简图倒置磁控管式冷阴极电离真空计结构简图1、阳极；、阳极；2、辅助阴极；、辅助阴极；3、离子收集极；、离子收集极；4、离子电流放大器；、离子电流放大器；压强测量范围压强测量范围:10-4-10-10 Torr倒置磁控管式冷阴极电离真空计结构简图倒置磁控管式冷阴极电离真空计结构简图1、阳极；、阳极；2、辅助阴极；、辅助阴极；3、离子收集极；、离子收集极；4、离子电流放大器；、离子电流放大器；1、选择适当的真空计的第一理念、选择适当的真空计的第一理念 没有一种通用的真空计能测量从大气到超高真空；没有一种通用的真空计能测量从大气到超高真空；2、选择适合的真空计的需要考虑的因素、选择适合的真空计的

30、需要考虑的因素n压强范围压强范围n辐射的影响辐射的影响n磁场磁场n温度温度n振动振动n腐蚀性气体腐蚀性气体n在大气压下开启状态的危险性在大气压下开启状态的危险性意义：意义：希望对真空容器内残余气体的成分进行分析，了解希望对真空容器内残余气体的成分进行分析，了解气体的纯度，掌握气体中各种组分气体所占份额；气体的纯度，掌握气体中各种组分气体所占份额；直接测量真空中混合气体和相应分压强值；直接测量真空中混合气体和相应分压强值；前者称为残余气体分析技术；前者称为残余气体分析技术；后者称为分压强测量技术；后者称为分压强测量技术；残余气体分析仪残余气体分析仪分压强真空计分压强真空计分压强测量仪器：专用的小

31、型质谱仪器真空质谱计分压强测量仪器：专用的小型质谱仪器真空质谱计残余气体分析器：定性分析的真空质谱计残余气体分析器：定性分析的真空质谱计真空质谱计都是电离类型；真空质谱计都是电离类型；按原子离子或分子离子的荷质比进行分析。按原子离子或分子离子的荷质比进行分析。真空质谱计的分析过程（三阶段）：真空质谱计的分析过程（三阶段）：在在离子源离子源中用电子碰撞的方法将气体电离中用电子碰撞的方法将气体电离在在质量分析器质量分析器中利用磁偏转、共振、飞行时间不中利用磁偏转、共振、飞行时间不同等质量分析技术，将离子按荷质比不同进行分同等质量分析技术，将离子按荷质比不同进行分离离检测器检测器（或离子收集极）接收分离的离子，将离（或离子收集极）接收分离的离子，将离子流放大，在显示装置上依次显示出每一荷质比子流放大，在显示装置上依次显示出每一荷质比的离子流强度的离子流强度质谱计的种类质谱计的种类（质量分子系统的工作原理质量分子系统的工作原理） 磁偏转质谱计、回旋质谱计、飞行时间质谱计、射频质谱计、谐振感应质谱磁偏转质谱计、回旋质谱计、飞行时间质谱计、射频质谱计、谐振感应质谱计、四极质谱计计、四极质谱计质谱计的主要参数：质谱计的主要参