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  5. 依赖气体的的间接压力测量

5.1.2 依赖气体的间接压力测量

随着压力的下降，需要越来越多的仪器用于测量作用在膜片 上减少的力。通过测量气体属性而间接提供压力信息的测量 原理使真空计的设计相对容易些。对于高真空和超高真空环 境来说，通过压力定义来工作的真空计是无法实现的，因为 作用在膜片上压力不足。

当考虑真空下的间接压力测量时，以粒子数密度作为出发点 是个不错的想法。根据理想气体状态方程： $p = n \cdot k \cdot T$ （公 式 1-8）8），粒子数密度在恒定温度下与压力成正比。在真 空技术中用于测量压力所采用的两种现象是通过压力计测量 区域中所含气体的热和电传导。每个气体粒子均具有一份传 导特性，因此，很容易想象密度及其压力对传导具有一定程 度的影响。由于气体原子或分子具有不同的特性，特别是在 大量聚集的情况下，基于该传导现象的压力测量所提供的读 数取决于气体的种类。

皮拉尼（热传递）真空计

皮拉尼真空计利用压力 p 小于 10 至 100 hPa 左右时的气体 导热系数。管内同心张紧的金属丝（通常为钨丝）由通过金 属丝的电流电加热到 110°C 和 130°C 之间的恒定温度。周 围气体将热量消散到管壁上。在分子流范围内，热传递与分 子数密度成正比，从而与压力成正比。如果金属丝温度保持 恒定，其热量输出将是压力导致的结果。然而，它不会是压 力的线性函数，因为通过金属丝的热辐射也将影响热量输 出。

皮拉尼真空计的工作原理

图 5.3: 皮拉尼真空计的工作原理

限制作用有：

图 5.4显示了在 10-4 hPa 和大气压之间各种气体的不同特 性。虽然从氮和空气仍然可以看出良好的线性度，但是轻 (He) 和重(Ar) 气体的曲线却显示出了显著的偏差。对于皮拉 尼真空计，操作手册中给出了氮等效压力转换为所测量气体 压力的修正系数。这些系数可在控制和显示设备中输入，该 设备将自动指示正确的转换压力。此修正仅适用于图 5.4 所 示特性曲线的线性部分。

皮拉尼真空计曲线

图 5.4: 皮拉尼真空计曲线

冷阴极电离真空计

冷阴极电离真空计基本上只包括两个电极，一个阴极和一个 阳极，在这两极之间通过串联电阻施加高压。带负电荷的电 子通过磁场发射离开阴极，以高速从阴极向阳极移动。当电 子通过该路径时，它们电离中性气体分子，这触发气体放 电。所测气体放电电流(图 5.5)是压力的参数。但是，在直 线电子轨迹的情况下，只有少量分子被电离，这将导致在大 约 1 hPa 下气体的灵敏度较低且气体放电中断。有一种设计 可以避免该缺陷，即是 Hobson 和 Redhead 反磁控管 [28]。 金属针（阳极）被旋转对称的测量室（阴极）所包围 (图 5.5)。 轴向磁化的圆柱形永磁环置于测量室外部，以在室内产 生磁场。

反磁控管的设计

图 5.5: 反磁控管的设计

电子以螺旋轨迹通过磁场 (图 5.6)。以这种方式延伸的电子 路径增加了与气体分子碰撞的概率，并确保产生足够的离子 来维持气体放电，即使在压力低于 1 hPa 的情况下。由于各 种气体不同的电离概率，压力读数将取决于所涉及的气体类 型。例如，氦指示的压力将低于空气所指示的压力。

反磁控管的工作原理

图 5.6: 反磁控管的工作原理

冷阴极真空计在以下条件下很容易受到污染：

气体也吸附在阴极表面。这将产生伪测量信号的抽动效应。 应。

在真空系统中安装真空计时，有必要将磁场考虑在内，因为 它会干扰敏感设备，特别是在它们使用在电子或离子光学系 统时。 时。

热阴极电离真空计

在这种情况下，凭借加热阴极辅助产生电子 图 5.7 显示了 Bayard–Alpert 真空计的设计 [27]。 细金属丝布置在圆柱形、 格子状的阳极中间；该金属丝用作离子收集器。在阳极和阴 极之间施加大约 100 V 的电压。这使所有发射的电子向阳极 加速。发射电流在阳极电路中测量，这可以通过阴极热量输 出进行设置。在其飞向阳极的途中，电子与气体分子发生碰 撞。飞向收集器的离子与阳极具有相同电势。

所测收集器电流是压力的函数。由于发射电流与离子电流成 正比，所以它可用于设置真空计的灵敏度。

Bayard-Alpert 真空计的设计

图 5.7: Bayard-Alpert 真空计的设计

使用 Bayard-Alpert 真空计，压力测量可精确到 1 · 10-10 hPa。测量误差来自传感器的抽气效应和以下两种现象：

热阴极电离真空计也提供气体种类有关的压力信号。然而， 测量结果比使用冷阴极电离真空计（通常为 ± 25 %）获得结 果更加精确（通常为 ±10 %）。因此，Bayard-Alpert 真空计 通常用作真空计校准的基准计。