真空計的原理

按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，真空 （Vacuum） 就是“低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)”。如圖1：Overview ofvacuum，隨著壓力或單位體積內(nèi)分子數(shù)的減少，真空度的大小各不相同。

　　真空度的單位與壓強的單位一樣，用 Pa，mbar 等表示。有兩種表示方式：真空度與相對真空度。一般說，用真空度比較好理解，即準(zhǔn)確說出當(dāng)前的壓力和壓強是多少。對高低不同的真空進行測量，所依據(jù)的原理也各不相同。

　　圖1：

　　低真空度是指 1000 mbar ~ 1 mbar范圍內(nèi)的真空。此范圍內(nèi)，由壓強變化引起的壓力變化比較明顯，可以通過測量力的變化來測量出真空度，如：

　　Ø 薄膜真空計，通過應(yīng)力片，感知設(shè)計好的薄膜上力的變化，得知當(dāng)前的真空度。如 Pfeiffer的 CPT100 及 APR 系列，就應(yīng)用了 Piezo 膜應(yīng)力片，來檢知壓力的細(xì)微變化，從而測量出真空度。

　　Ø 電容真空計，由于壓力不同，會引起電容兩極距離的變化，這會使電容的大小發(fā)生變化。這樣通過測量這種電容大小的變化，就能得知當(dāng)前的真空度。如Pfeiffer 的 CMR 系列。

　　中真空度的測量原理

　　中真空度是指 1 mbar ~ 1*10-3mbar 范圍內(nèi)的真空。此范圍內(nèi)，壓力的大小變的不容易測得，但空氣的熱傳導(dǎo)能力顯的很有特點。這樣也有兩種方法可以測量出真空度：

　　Ø 電容真空計 （capacitancemanometer） 通過調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)壓力的大小，電容真空計可以完成中真空度范圍的測量。在 Pfeiffer 的 CMR 系列中，CMR 275 可測到 10-5 mbar數(shù)量級。

　　Ø 皮拉尼（Pirani）真空計，中真空度條件下，空氣流動的方式是層流，熱傳導(dǎo)能力與真空度線性對應(yīng)。因此可以通過測量恒溫電阻絲上的電流大小，測得真空度。如Pfeiffer 的 TPR 系列，及一系列復(fù)合真空計中的低中真空探頭，都是采用的 Pirani 管。

　　高真空度或超高真空度的測量原理

　　高真空是指 1*10-3 mbar ~1*10-7 mbar 范圍內(nèi)的真空，超高真空是指 1*10-7 mbar ~1*10-11 mbar 范圍內(nèi)的真空。在這樣的范圍內(nèi)，再去通過測量壓力的大小來測量壓強，測量的精度及可靠性，就比較難實現(xiàn)。

　　壓強的大小一方面體現(xiàn)為力的大小，另一方面還體現(xiàn)為單位體積內(nèi)分子數(shù)的多少。在高真空條件下，可以通過計量單位體積內(nèi)分子數(shù)的多少，來測知當(dāng)前的真空度。那么如何獲得單位體積內(nèi)的分子數(shù)呢?

　　我們知道：電子在相同的電子能量，相同的磁場中，所引起的分子電離電流越大，說明分子數(shù)密度越大。離子真空計就是在高真空條件下，通過計量分子電離電流的大小來測得分子數(shù)密度，從而測得真空度。

　　離子真空計有兩種形式：

　　Ø 冷陰極離子真空計（Cold cathode ionizationvacuum gauge），是通過加在陰陽兩極間的高電壓（3 kv左右），激出電子，同時這個電場又給了電子能量，用具有一定能量的電子去電離空氣分子。

　　為了提高靈敏度，使得到的電離電流盡可能的大，一般將陰極做成空心圓柱狀，將針狀的陽極放在陰極中間，同時在陰極外圍設(shè)置磁場（如圖2）。這樣的條件下，電子的運動路徑會形成螺旋狀（如圖3），電離空氣的機會大大增加，這樣就使得電離的電流盡可能的大，提高了真空計的靈敏度及精度。

　　Pfeiffer 的冷陰極離子真空計 IKR 系列，測量范圍為：1*10-2 mbar ~1*10-11 mbar，精度為：± 30%reading，重復(fù)精度：± 5%，具體的參數(shù)可參考：http:///

　　Ø 熱陰極離子真空計 （Hot cathode ionizationvacuum gauge），是通過加熱陰極，激出電子，再設(shè)置一定的電場（100 v 左右），給電子一定的能量，去電離空氣分子。

　　熱陰極離子真空計在收集電離電流方面與冷陰極離子真空計有一些區(qū)別，并不是計量陰陽兩極間的電流，而是另外設(shè)置了電流收集器（ion collector），結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但測量精度特別是重復(fù)精度也相應(yīng)提高，如 Pfeiffer 的 IMR 265，重復(fù)精度達(dá)到了 2%reading。

　　離子真空計的使用需要注意：

　　2. 濺鍍 （sputtering）用的氣體如氬氣（Ar）會加速離子真空計污染，在探測元器件表面形成鍍層，甚至?xí)鸲搪罚拐婵沼嬍АＪ褂弥行枰訌姳ｐB(yǎng)，以獲得較好的使用效果及使用壽命。

　　3. 熱陰極離子真空計要比冷陰極離子真空計精度高，但會受X射線影響，陽極材料本身也會使測量結(jié)果受影響。