真空系统检测技术

1、 4.1 真空测量仪表与规管的选用和安装真空测量仪表与规管的选用和安装 4.1.1真空仪表的选用真空仪表的选用 选用原则：选用原则： （1 1）应具有足够的测量范围。一般要求真空仪）应具有足够的测量范围。一般要求真空仪 表的测量范围至少比被测真空度范围宽表的测量范围至少比被测真空度范围宽1 12 2个数量级个数量级 以上。以上。 （2 2）应具有足够的测量精度，有些场合还需要）应具有足够的测量精度，有些场合还需要 考虑重复性和可靠性。考虑重复性和可靠性。 （3 3）吸气与放气量小，尽量减少对被测系统的）吸气与放气量小，尽量减少对被测系统的 影响。影响。 （4 4）被测气体的种类对测试结果的影响

2、小，气）被测气体的种类对测试结果的影响小，气 体对仪表应无损害。体对仪表应无损害。 在真空设备中，有时往往不是用一种仪表就能解决问在真空设备中，有时往往不是用一种仪表就能解决问 题的，而需要用两种或两种以上的仪表以互补彼此的题的，而需要用两种或两种以上的仪表以互补彼此的 不足和满足所需的测量范围，这就要根据具体情况来不足和满足所需的测量范围，这就要根据具体情况来 决定。决定。 （5 5）应能测量气体和蒸汽的全压力。）应能测量气体和蒸汽的全压力。 （6 6）应能连续指示和测量，必要时还需考虑自动控制）应能连续指示和测量，必要时还需考虑自动控制 和远距离测量。和远距离测量。 （7 7）仪表和规管应

3、反应时间快、稳定可靠、结构牢固、）仪表和规管应反应时间快、稳定可靠、结构牢固、 寿命长。寿命长。 （8 8）安装使用方便、维修简单、对操作人员无害。）安装使用方便、维修简单、对操作人员无害。 表表4-l给出不同真空应用范围测量仪表的选用。给出不同真空应用范围测量仪表的选用。 真空仪表的选用真空仪表的选用 粗真空（粗真空（1013251000Pa ）：）： 1 普通真空应用设备可用弹簧管真空表；普通真空应用设备可用弹簧管真空表； 2 有腐蚀性气体场合可用电容式薄膜真空计；有腐蚀性气体场合可用电容式薄膜真空计； 3 较精密的测量场合，可用较精密的测量场合，可用U型真空计。型真空计。 低真空（低真空

4、（10310 1Pa） ） 1 仅用作粗略指示时，可用电火花真空指示器；仅用作粗略指示时，可用电火花真空指示器； 2 一般场合下可用热偶真空计或电阻真空计；一般场合下可用热偶真空计或电阻真空计； 3 较精密测量时可用较精密测量时可用 （1） 压缩式真空计；压缩式真空计； （2 2） 电容式薄膜真空计电容式薄膜真空计 同时要求测量粗真空到低真空范围时可用同时要求测量粗真空到低真空范围时可用 1 振膜式真空计振膜式真空计 2 电容式薄膜真空计电容式薄膜真空计 3 放射性电离真空计（需采取防护措施）放射性电离真空计（需采取防护措施） 高真空（高真空（10 1 10 6Pa） ） 1 主要用电离真空计

5、主要用电离真空计 2 压缩式真空计压缩式真空计 3 对放气量较大的真空设备及要求不高的场合，可用冷对放气量较大的真空设备及要求不高的场合，可用冷 阴极电离真空计阴极电离真空计 在要求同时测量低真空和高真空时可用在要求同时测量低真空和高真空时可用 1 复合真空计复合真空计 2 高压力电离真空计高压力电离真空计 1 BA式电离真空计式电离真空计 2 冷阴极磁控式电离真空计冷阴极磁控式电离真空计 超高真空超高真空（10 6 10 10Pa） ） 同时测量低真空到超高真空时，可用宽量程超高真空同时测量低真空到超高真空时，可用宽量程超高真空 计或复合式超高真空计计或复合式超高真空计 极高真空极高真空（1

6、0 10 Pa ） ） 1 冷阴极磁控式电离真空计冷阴极磁控式电离真空计 2 热阴极磁控式电离真空计热阴极磁控式电离真空计 3 改进型改进型BA电离真空计电离真空计 数字式电容薄膜真空计数字式电容薄膜真空计 （1）真空规管的安装位置应尽量接近测量的部位，这）真空规管的安装位置应尽量接近测量的部位，这 一点对于大型真空设备来说尤为重要。原则上讲，规一点对于大型真空设备来说尤为重要。原则上讲，规 管安装到所需要测量真空度的位置上最好。但有时由管安装到所需要测量真空度的位置上最好。但有时由 于真空装置的结构及生产工艺限制，例如真空冶炼中于真空装置的结构及生产工艺限制，例如真空冶炼中 的尘埃和高温，真

7、空蒸馏中的油蒸汽，真空系统中的的尘埃和高温，真空蒸馏中的油蒸汽，真空系统中的 离子、热辐射、电磁场、低温以及金属蒸汽等因素，离子、热辐射、电磁场、低温以及金属蒸汽等因素， 都会沾污或影响真空计的测量结果。这样则不能将规都会沾污或影响真空计的测量结果。这样则不能将规 管安装到所希望的位置上，真空规管就只能安装在离管安装到所希望的位置上，真空规管就只能安装在离 开真空容器一定距离的管道中（如图开真空容器一定距离的管道中（如图4-1中的位置中的位置1和和 2）。）。 真空规管安装真空规管安装 图图3-1 管路流阻形成的测量误差管路流阻形成的测量误差 设从容器中被抽走的气体流量为设从容器中被抽走的气体

8、流量为 Q，由于，由于 1、2位置间的管道的流阻位置间的管道的流阻 的影响，的影响，1、2位置间的压差为位置间的压差为 PP1P2 此处此处C为为1、2间管道的流导，间管道的流导，S2、 P2分别为位置分别为位置 2处的抽速和压力。处的抽速和压力。 2 2 P C S 气体流阻的影响还与气体压力的高低（即气体分气体流阻的影响还与气体压力的高低（即气体分 子运动状态）有关，在低压力（分子流）时气体流导子运动状态）有关，在低压力（分子流）时气体流导 与管道直径的三次方成正比；在高压力（粘滞流）时与管道直径的三次方成正比；在高压力（粘滞流）时 气体流导与管道直径的四次方成正比。同时气体流导气体流导与

9、管道直径的四次方成正比。同时气体流导 与管道的长度成反比。与管道的长度成反比。 因此，尽量使规管的安装位置尽可能接近被测点位因此，尽量使规管的安装位置尽可能接近被测点位 置。此外还应注意，在真空系统中存在气源的地方，置。此外还应注意，在真空系统中存在气源的地方， 一般不适宜安装规管。一般不适宜安装规管。 （2）真空规管测量的压力为静压力（不能承受气体）真空规管测量的压力为静压力（不能承受气体 的流动压力），因而，规管的进气口方向应与真空管的流动压力），因而，规管的进气口方向应与真空管 道内气流方向垂直，道内气流方向垂直，见图见图4-2（a）。 （3）为避免气流阻力（流导）和涡流的影响，规管）为

10、避免气流阻力（流导）和涡流的影响，规管 不应该装在管道的拐弯处，不应该装在管道的拐弯处，如图如图4-2（b）； （4）根据压力的高低来决定规管导管在真空系统内）根据压力的高低来决定规管导管在真空系统内 应否伸出或缩进。应否伸出或缩进。 当管道内为高及超高真空（当管道内为高及超高真空（10 1Pa时 时 ）见图见图3-3（a） 但是在低真空下（但是在低真空下（10 1Pa） ） ，图图3-3(b) (a) 低压力下的规管安装低压力下的规管安装 （b）高压力下的规管安装）高压力下的规管安装 图图3-3 不同工作压力下规管的安装不同工作压力下规管的安装 a b （5）规管的测量入口应该避开气源以及热

11、辐射和粒子）规管的测量入口应该避开气源以及热辐射和粒子 （电子、离子）的直接入射。（电子、离子）的直接入射。 （6）普通热阴极电离计规管，应该垂直安装，否则，）普通热阴极电离计规管，应该垂直安装，否则， 栅极和灯丝产生变形，影响测量精度及使用寿命。栅极和灯丝产生变形，影响测量精度及使用寿命。 （7）为避免测量接管流导影响，规管的接管管道要）为避免测量接管流导影响，规管的接管管道要 尽可能短而粗，接管内径不得小于规管尾部直径且长尽可能短而粗，接管内径不得小于规管尾部直径且长 度不大于度不大于10cm。 4.1.3 规管与被测系统的连接形式规管与被测系统的连接形式 通常根据被测系统内的压力高低来选

12、择规管与真空通常根据被测系统内的压力高低来选择规管与真空 系统的连接和密封方式。系统的连接和密封方式。 热偶规、电阻规、电离规、热偶规、电阻规、电离规、BA规与金属真空系统规与金属真空系统 连接有三种方式，（连接有三种方式，（a）通过真空橡胶管与系统相接；）通过真空橡胶管与系统相接； （c）通过橡胶密封与系统相接；（）通过橡胶密封与系统相接；（e）通过玻璃金属）通过玻璃金属 封接与系统相接。见图封接与系统相接。见图3-4。 常用于超高真空系统上，没有外壳的规管，称做裸规。常用于超高真空系统上，没有外壳的规管，称做裸规。 采用金属陶瓷封接，采用金属陶瓷封接，见图见图4（f）。常用于超高真空系。常

13、用于超高真空系 统的标准测试罩上。在测量静态平衡系统的气体压力时，统的标准测试罩上。在测量静态平衡系统的气体压力时， 裸规的读数能比管规更真实地反映出被测系统的压力。裸规的读数能比管规更真实地反映出被测系统的压力。 图图4-4 常用的规管安装连接结构常用的规管安装连接结构 金属裸规金属裸规 超高真空测量裸规超高真空测量裸规 粗真空粗真空 与与 低真空：低真空： 玻璃规管：玻璃规管： 1 用真空橡胶管连接用真空橡胶管连接（见图（见图3-4a） 2 用真空橡胶密封圈用真空橡胶密封圈（见图（见图3-4c） 金属规管金属规管 ： 1 用螺纹直接连接用螺纹直接连接（见图（见图3-4b） 2 用金属法兰连

14、接，真空胶圈密封用金属法兰连接，真空胶圈密封（见图（见图3-4d） 高真空高真空 玻璃规管玻璃规管 ： 1 真空橡胶圈密封（见图真空橡胶圈密封（见图3-4c） 2 玻璃规管的导管与可伐管的一端封接，可伐管的另玻璃规管的导管与可伐管的一端封接，可伐管的另 一端与金属法兰焊接，用氟橡胶或金属垫圈密封（见一端与金属法兰焊接，用氟橡胶或金属垫圈密封（见 图图3-4e） 金属规管金属规管 ： 1 用金属法兰连接，真空胶圈密封用金属法兰连接，真空胶圈密封（见图（见图3-4d） 2用金属法兰连接，金属垫圈或氟橡胶密封用金属法兰连接，金属垫圈或氟橡胶密封（图（图3-4d） 超高真空超高真空、极高真空极高真空

15、玻璃规管：玻璃规管： 规管导管与可伐管的一端封接，可伐管的另一端规管导管与可伐管的一端封接，可伐管的另一端 与金属法兰焊接，用金属垫圈（或氟橡胶）密封（见与金属法兰焊接，用金属垫圈（或氟橡胶）密封（见 图图3-4e） 金属规管金属规管 ： 用金属法兰连接，金属垫圈（或氟橡胶）密封用金属法兰连接，金属垫圈（或氟橡胶）密封 （见图（见图3-4d） 3.2 真空规管的使用真空规管的使用 3.2.1 温度差对规管测量影响温度差对规管测量影响 （1） 压力较高（压力较高（p130Pa，d ） 严格地讲，当压力较高时，只要两个相连容器处于平严格地讲，当压力较高时，只要两个相连容器处于平 衡状态，则无论其两

16、者的温度是否相等，其压力应该是衡状态，则无论其两者的温度是否相等，其压力应该是 相等的。相等的。如图如图3-5，根据气体压力公式根据气体压力公式PnkT，有，有n1 k T1n2 k T2 ，如，如T1T2，n1n2，则有，则有 2 1 2 1 T T n n 在高压力情况下，处于平衡状态下的真空系统内存在高压力情况下，处于平衡状态下的真空系统内存 在温度不均匀时，其分子密度与绝对温度成反比。在温度不均匀时，其分子密度与绝对温度成反比。 其测量结果将用下式修正其测量结果将用下式修正 P2 式中式中P1温度为温度为T1时的校准压力值；时的校准压力值； P2温度为温度为 T2时的校准压力值。时的校

17、准压力值。 1 1 2 P T T 由于由于T1和和T2都为绝对温度，如都为绝对温度，如T1与与T2均在常温条件，即均在常温条件，即 使使T1T2，其影响是不太大的，因此，只有在作精密测，其影响是不太大的，因此，只有在作精密测 量时，才需要用式量时，才需要用式(3-2）进行修正。）进行修正。 如如T1与与T2均在常温条件，即使均在常温条件，即使T1T2，其影响是不太大，其影响是不太大 的，只有在作精密测量时，才需要进行温度修正。的，只有在作精密测量时，才需要进行温度修正。 图图4-5 温度对测量影响的示意图温度对测量影响的示意图 （2）低压力（）低压力（d）情况下）情况下 当容器处在低压力下，

18、其余情况仍如当容器处在低压力下，其余情况仍如图图3-5相同，相同， 这时就存在着热流逸现象。因为这时气体分子的运动这时就存在着热流逸现象。因为这时气体分子的运动 状态处于分子态，处于平衡状态下的两个相连容器，状态处于分子态，处于平衡状态下的两个相连容器， 在单位时间内气体分子从容器在单位时间内气体分子从容器1进入容器进入容器2的分子数和的分子数和 从容器从容器2进入容器进入容器1的分子数分别为的分子数分别为 和和 、 分别为气体分子相应于温度分别为气体分子相应于温度T1和和T2时的平均速时的平均速 度，度，A为连接两容器管道的截面积。为连接两容器管道的截面积。 Avn 11 4 1 Avn 2

19、2 4 1 1 v 2 v 从容器从容器1到容器到容器2的净分子数为的净分子数为 N )( 4 1 2211 vnvnA 由于处于平衡状态，由于处于平衡状态，N0，上式可简化为，上式可简化为 对于根据直接测量压力的真空仪表可按上式进行修正。对于根据直接测量压力的真空仪表可按上式进行修正。 2 2 1 1 2T P T P mk A N 2 1 2 1 T T P P 对于根据气体分子密度测量的电离真空计按下式进行对于根据气体分子密度测量的电离真空计按下式进行 修正修正 式中式中T1、T2分别为校准时真空规管和校准系统的分别为校准时真空规管和校准系统的 温度；温度； 、 分别为测量时真空规管和被

20、测真空系统的分别为测量时真空规管和被测真空系统的 温度；温度； P、P2分别为真空规管在测量时和校准时的压力分别为真空规管在测量时和校准时的压力 读数值。读数值。 P 2 1 1 2 2 P T T T T 1 T 2 T 真空规管测得的压力真空规管测得的压力P与真空室中实际达到的压力与真空室中实际达到的压力Ps 也可用如下近似关系表示也可用如下近似关系表示 式中：式中：T1测量时真空室空间温度；测量时真空室空间温度； T2测量时规管周围环境温度。测量时规管周围环境温度。 2 1 T T P P s 1氧气的影响氧气的影响 氧气是理想气体，可以用麦氏真空计进行测量，当氧气是理想气体，可以用麦氏

21、真空计进行测量，当 氧分压过高时，会使水银表面发生氧化，影响水银的氧分压过高时，会使水银表面发生氧化，影响水银的 表面张力，使水银在毛细管中移动时位置不准确，造表面张力，使水银在毛细管中移动时位置不准确，造 成测量误差。成测量误差。 普通热传导（例电阻）真空计的灯丝在高温下会氧普通热传导（例电阻）真空计的灯丝在高温下会氧 化，改变热丝的表面状态，引起规管零点漂移和灵敏化，改变热丝的表面状态，引起规管零点漂移和灵敏 度的改变，应采用抗氧化热丝的规管。热阴极电离规度的改变，应采用抗氧化热丝的规管。热阴极电离规 灯丝亦易氧化，使其寿命缩短。灯丝亦易氧化，使其寿命缩短。 对于氧分压较高的气体氛围，在粗

22、低真空范围内可用对于氧分压较高的气体氛围，在粗低真空范围内可用 薄膜真空计测量；高真空时使用辐射真空计和冷阴极薄膜真空计测量；高真空时使用辐射真空计和冷阴极 规管规管 3.2.2 气体及蒸气对真空计的影响气体及蒸气对真空计的影响 2 水蒸气的影响水蒸气的影响 水蒸气是可凝性气体，压缩式真空计测量时要压缩水蒸气是可凝性气体，压缩式真空计测量时要压缩 被测气体，使水蒸气凝结，因此在一般情况下不能用被测气体，使水蒸气凝结，因此在一般情况下不能用 压缩式真空计进行测量。它对热传导真空计的影响与压缩式真空计进行测量。它对热传导真空计的影响与 氧气一样，会使规管零点漂移和灵敏度发全变化。氧气一样，会使规管

23、零点漂移和灵敏度发全变化。 在通常情况下。对水蒸气的测量可采用在通常情况下。对水蒸气的测量可采用U形压力计和形压力计和 薄膜规、辐射真空计、粘滞规、克努曾真空计等。薄膜规、辐射真空计、粘滞规、克努曾真空计等。 冷阴极规管不会发生氧化问题，也可以用于水蒸气冷阴极规管不会发生氧化问题，也可以用于水蒸气 分压高的真空系统的测量。分压高的真空系统的测量。 3 3 油蒸气的影响。油蒸气的影响。 在采用机械泵、油扩散泵系统抽气时，系统中存在在采用机械泵、油扩散泵系统抽气时，系统中存在 大量的有机油蒸气及其分裂物，不服从波义尔定律。如大量的有机油蒸气及其分裂物，不服从波义尔定律。如 用压缩式真空计测量机械泵

24、的极限真空度时要比用热用压缩式真空计测量机械泵的极限真空度时要比用热 传导真空计测得的数据高一个数量级。用油传导真空计测得的数据高一个数量级。用油U U型压力计型压力计 测量油蒸气时。因工作油可以溶解油蒸气，所以也不能测量油蒸气时。因工作油可以溶解油蒸气，所以也不能 得到正确的指示。得到正确的指示。 用热传导真空计或电离真空计测量油蒸气时。会因用热传导真空计或电离真空计测量油蒸气时。会因 油蒸气污染灯丝或在高温阴极上分解生成碳氢化合物，油蒸气污染灯丝或在高温阴极上分解生成碳氢化合物， 严重的污染电极和管壁，使热传导情况改变，而使规管严重的污染电极和管壁，使热传导情况改变，而使规管 的灵敏度和特

25、性发生明显的变化，造成测量误差。的灵敏度和特性发生明显的变化，造成测量误差。 在油蒸汽分压高的系统中，低真空时用在油蒸汽分压高的系统中，低真空时用薄膜薄膜真空真空 计测量；高真空时使用计测量；高真空时使用辐射真空计辐射真空计进行测量。进行测量。 3.2.3 测量系统（规管及其连接管）对测量精度的影响测量系统（规管及其连接管）对测量精度的影响 测量系统（规管和连接导管）对被测系统的影响，测量系统（规管和连接导管）对被测系统的影响， 可以概括为抽气（气沉效应）和放气（气源效应）两种可以概括为抽气（气沉效应）和放气（气源效应）两种 动态作用的综合。特别是在很低的压力（超高真空）测动态作用的综合。特别

26、是在很低的压力（超高真空）测 量中。这两种作用的影响是十分严重的。量中。这两种作用的影响是十分严重的。 例如用两支例如用两支BA规通过各自的连接管接到静态真空系规通过各自的连接管接到静态真空系 统上，用来测量系统内的压力。统上，用来测量系统内的压力。 1电离规管的抽气作用电离规管的抽气作用 1）电清除抽气作用）电清除抽气作用 电子碰撞气体分子使其电离成离子。具有一定能量的电子碰撞气体分子使其电离成离子。具有一定能量的 离子（约离子（约100eV）打到规管壁上或被收集极接收。这些）打到规管壁上或被收集极接收。这些 离子被束缚在固体表面或被埋入表层下面而被清除掉。离子被束缚在固体表面或被埋入表层下

27、面而被清除掉。 电清除抽气速率的大小与电子流、各电极电位、有电清除抽气速率的大小与电子流、各电极电位、有 无磁场、规管壁温度等因素有关。若电子流增加，离子无磁场、规管壁温度等因素有关。若电子流增加，离子 流就随之呈线性增加，所以电清除抽速与电子流近似地流就随之呈线性增加，所以电清除抽速与电子流近似地 呈线性关系。栅极（加速极）电位变化将引起电离几率呈线性关系。栅极（加速极）电位变化将引起电离几率 和离子能量的改变，因此电清除抽速和离子能量的改变，因此电清除抽速Se也随之变化。也随之变化。 减少电清除抽气的方法是降低电子流和栅极电位。减少电清除抽气的方法是降低电子流和栅极电位。 2）化学清除抽气

28、作用）化学清除抽气作用 化学清除抽气作用通常有以下几种：化学清除抽气作用通常有以下几种：1）活性气体）活性气体 （H2、N2、CO2、CO等）在规管壁等表面上的化学吸等）在规管壁等表面上的化学吸 附效应；附效应；2）氧与高温钨丝作用生成）氧与高温钨丝作用生成WO3，WO3蒸发沉蒸发沉 积在规管壁上形成黑色膜层，此效应随着钨丝阴极温度积在规管壁上形成黑色膜层，此效应随着钨丝阴极温度 的升高而增大；的升高而增大；3）气体在高温钨丝表面的热分解作用：）气体在高温钨丝表面的热分解作用： H2在高温钨丝表面上可分解为在高温钨丝表面上可分解为H，H很容易被吸附在规很容易被吸附在规 管及导管壁上。管及导管壁

29、上。O2也能在热钨丝表面分解为也能在热钨丝表面分解为O，并被吸，并被吸 附在规管壁上。附在规管壁上。 在在TW1475K时，对氢的抽速时，对氢的抽速ScH0.1L.s-1； 在在TW1700K时，对氧的抽速时，对氧的抽速ScO410 2L.s1。 。 2电离规管的放气作用电离规管的放气作用 1）热解吸作用：电离规管的高温热阴极本身就是气源。）热解吸作用：电离规管的高温热阴极本身就是气源。 它的高温热量辐射到其它电极和规管壁上时，将引起气它的高温热量辐射到其它电极和规管壁上时，将引起气 体的热解吸。此外，栅极接收电子，收集极收集离子，体的热解吸。此外，栅极接收电子，收集极收集离子， 也会因发热使

30、吸附的气体解吸。也会因发热使吸附的气体解吸。 在超高真空测量时，必须对规管各电极和管壁进行充分在超高真空测量时，必须对规管各电极和管壁进行充分 的加热去气（采用烘烤、电子轰击、高频加热等方法），的加热去气（采用烘烤、电子轰击、高频加热等方法）， 否则将产生很大的测量误差。否则将产生很大的测量误差。 2）电子碰撞解吸作用：当电子打在规管加速极上时，）电子碰撞解吸作用：当电子打在规管加速极上时， 会使其上吸附的气体解吸或先在其表面上将气体电离后会使其上吸附的气体解吸或先在其表面上将气体电离后 再以离子形式解吸出来。再以离子形式解吸出来。 电子碰撞解吸作用是影响电离计测量下限的重要因素。电子碰撞解吸

31、作用是影响电离计测量下限的重要因素。 如图所示，由于规管与真空系统连接的管道有一定的气阻，如图所示，由于规管与真空系统连接的管道有一定的气阻， 当规管存在吸气和放气作用时，就会使规管与真空系统内的压当规管存在吸气和放气作用时，就会使规管与真空系统内的压 力不一样。设规管接至真空系统管道的气体流导为力不一样。设规管接至真空系统管道的气体流导为C，规管的导，规管的导 管口的压力为管口的压力为P1，而规管的放气或吸气量为，而规管的放气或吸气量为 Q，这时规管内的，这时规管内的 压力压力Pg应为：应为： 3）光解吸作用）光解吸作用：规管内的金属表面受光辐射时，其表：规管内的金属表面受光辐射时，其表 面

32、上吸附的分子解吸和分解出来。光解吸现象主要对面上吸附的分子解吸和分解出来。光解吸现象主要对 超高真空测量产生影响。超高真空测量产生影响。 Pg C Q P 1 式中式中“”表示放气，表示放气，“”表示表示 吸气。吸气。 一般规管的导管流导大约为一般规管的导管流导大约为2Ls，一般未经烘烤除气，一般未经烘烤除气 的规管管壁的放气量的规管管壁的放气量Q10 4 10 5Pa.L s，因此，在，因此，在 高真空时这种影响十分显著。在经过高真空时这种影响十分显著。在经过充分的除气充分的除气之后，之后， 其放气量就可降低至其放气量就可降低至10 10 10 11PaL s，这时这种影，这时这种影 响就可

33、大为减少。响就可大为减少。 在实际使用时，规管的放气和吸气也随着时间在变在实际使用时，规管的放气和吸气也随着时间在变 化的，如热电离规管在开始工作时，它的放气量随管壁化的，如热电离规管在开始工作时，它的放气量随管壁 和电极温度的逐渐上升，致使吸附的气体解吸而增大，和电极温度的逐渐上升，致使吸附的气体解吸而增大， 但以后随着时间的增长，放气量就逐渐减小，至某一时但以后随着时间的增长，放气量就逐渐减小，至某一时 刻，规管的吸气作用反占主要地位，因此，测试结果的刻，规管的吸气作用反占主要地位，因此，测试结果的 误差也随着时间在变化。误差也随着时间在变化。 3.2.4 其它因素对被测系统的影响其它因素

34、对被测系统的影响 真空系统暴露大气后，电离规会吸附很多气体。在真空系统暴露大气后，电离规会吸附很多气体。在 真空环境下，气体又释放出来，影响测量结果。为消真空环境下，气体又释放出来，影响测量结果。为消 除这种影响，规管使用前要彻底除气（或利用电离计除这种影响，规管使用前要彻底除气（或利用电离计 的除气功能）。的除气功能）。 规管如果装在管路上，这时由于管道阻力影响，管路规管如果装在管路上，这时由于管道阻力影响，管路 中各点压力不同。规管安装距真空泵越近，测得压力中各点压力不同。规管安装距真空泵越近，测得压力 越低；反之，离泵越远测得压力越高。因而，要注意越低；反之，离泵越远测得压力越高。因而，

35、要注意 对测量结果的修正。对测量结果的修正。 超高真空系统规管加热烘烤后，表面除气很好，易吸附气超高真空系统规管加热烘烤后，表面除气很好，易吸附气 体。此时，规管相当一个小体。此时，规管相当一个小“真空泵真空泵”，有抽气作用。结，有抽气作用。结 果会造成规管测出的真空度比真空室中实际真空度高的假果会造成规管测出的真空度比真空室中实际真空度高的假 象。象。 相对灵敏度相对灵敏度修正系数修正系数 电离规的工作原理是根据阴极发射电子，使气体分子电离规的工作原理是根据阴极发射电子，使气体分子 电离，通过测得离子流大小来表示真空度的。电子对电离，通过测得离子流大小来表示真空度的。电子对 不同气体电离效果

36、不同，一般真空规以干燥空气或氮不同气体电离效果不同，一般真空规以干燥空气或氮 气为测量对象来进行定标，如果测量其它气体，则必气为测量对象来进行定标，如果测量其它气体，则必 须对测量结果进行修正，否则将造成测量误差。通常须对测量结果进行修正，否则将造成测量误差。通常 采用相对灵敏度采用相对灵敏度作为修正系数，若以作为修正系数，若以Pce表示真空计表示真空计 指示的真空度，那么真空中实际的真空度指示的真空度，那么真空中实际的真空度Ps 为为 式中：式中：电离计规管相对灵敏度，为被测气体的规管灵敏电离计规管相对灵敏度，为被测气体的规管灵敏 度，为氮（或干燥空气）的规管灵敏度。度，为氮（或干燥空气）的

37、规管灵敏度。 ce s P P 表表4-3 电离规管对不同气体的相对灵敏度电离规管对不同气体的相对灵敏度（以氮为测量基准（以氮为测量基准 定标）定标） 气气 体体 气气 体体 H2 He Ne Ar Kr Xe N2 O2 CO 0.46 0.17 0.25 1.31 1.98 2.71 1.00 0.95 1.11 CO2 干燥空气干燥空气 H2O Hg HCl CH4 CCl4 扩散泵油蒸汽扩散泵油蒸汽 1.53 1.00 0.90 3.4 0.38 1.26 0.70 9 13 2 / N 2 / N 热偶规管的气体修正系数热偶规管的气体修正系数q 热偶规管是利用气体热传导随压力而变的原

38、理制成的。热偶规管是利用气体热传导随压力而变的原理制成的。 热传导与气体种类有关，而热偶规管是用干燥空气定标热传导与气体种类有关，而热偶规管是用干燥空气定标 的。测量其它气体同样需要修正，表头指示的。测量其它气体同样需要修正，表头指示Pce与系统中与系统中 气体实际压力气体实际压力Ps的关系如下：的关系如下： PsqPce q气体修正系数（相对灵敏度），见表气体修正系数（相对灵敏度），见表4-4。 表表4-4 热偶计对不同气体的气体修正系数热偶计对不同气体的气体修正系数q 气气 体体 修正系数修正系数q 气气 体体修正系数修正系数q 干燥空气干燥空气 氢氢 氦氦 氖氖 氩氩 氪氪 1.00 0

39、.67 1.12 1.31 1.56 2.30 一氧化碳一氧化碳 二氧化碳二氧化碳 二氧化硫二氧化硫 甲烷甲烷 乙烯乙烯 乙炔乙炔 0.97 0.94 0.77 0.61 0.86 0.60 气体修正系数表明了气体的热传导性质，从表中可以看出，对于气体修正系数表明了气体的热传导性质，从表中可以看出，对于 气体分子中具有相同原子数的气体或蒸汽，其修正系数（相对灵气体分子中具有相同原子数的气体或蒸汽，其修正系数（相对灵 敏度）敏度）q 随被测气体分子量的的增大而增大。随被测气体分子量的的增大而增大。 热偶计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同热偶计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同

40、气体分子的导热系数不同引起的。以干燥空气（或氮气）气体分子的导热系数不同引起的。以干燥空气（或氮气） 的相对灵敏度为的相对灵敏度为1，在测量不同气体的压力时，可根据，在测量不同气体的压力时，可根据 干燥空气（或氮气）刻度的压力读数，再乘以相应的被干燥空气（或氮气）刻度的压力读数，再乘以相应的被 测气体的相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即测气体的相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即 PeSr.Pr 式中式中 Pr以干燥空气（或氮气）为测量系统的真空计读以干燥空气（或氮气）为测量系统的真空计读 数，数，Pa Pe被测气体的实际压力，被测气体的实际压力，Pa Sr被测气体对空气的相对灵敏度

41、。被测气体对空气的相对灵敏度。 3.3 特定条件下的真空测量技术特定条件下的真空测量技术 3.3.1 热偶真空计对不同气体成分的真空测量热偶真空计对不同气体成分的真空测量 相对灵敏度表明了气体热传导的性质，真空系统中相对灵敏度表明了气体热传导的性质，真空系统中 常见的气体和蒸汽的相对灵敏度如表常见的气体和蒸汽的相对灵敏度如表4-5所示。所示。 表表4-5 常用气体和蒸汽的相对灵敏度常用气体和蒸汽的相对灵敏度 气体或蒸汽气体或蒸汽 Sr 气体或蒸汽气体或蒸汽 Sr 空气空气 氢氢 氦氦 氖氖 氩氩 氪氪 1 0.67 1.12 1.31 1.56 2.30 一氧化碳一氧化碳 二氧化碳二氧化碳 二

42、氧化硫二氧化硫 甲甲 烷烷 乙乙 烯烯 乙乙 炔炔 0.97 0.94 0.77 0.61 0.86 0.60 3.3.2 热导式真空计对已知成分的混合气体系统测量热导式真空计对已知成分的混合气体系统测量 用热导式真空计对混合气体的真空系统测试时，只要用热导式真空计对混合气体的真空系统测试时，只要 事先知道混合气体中各种气体的体积百分数事先知道混合气体中各种气体的体积百分数Vi（i1， 2，3，n，表示第，表示第i种气体），就可用下列公式算种气体），就可用下列公式算 出混合气体对空气的相对灵敏度出混合气体对空气的相对灵敏度Sk，即，即 n i k i k S V S 1 100 式中式中Sk第

43、第i种气体的相对灵敏度；种气体的相对灵敏度； Vi第第i种气体的体积百分数。种气体的体积百分数。 由此可得由此可得 在计算出在计算出S Sk k之后，就可根据测得的之后，就可根据测得的P Pr r，再乘以，再乘以S Sk k， 就为混合气体系统的实际真空度。就为混合气体系统的实际真空度。 n i k i k S V S 1 100 3.3.3 真空放电指示管及高频真空火花计的应用真空放电指示管及高频真空火花计的应用 放电指示管实际上是一种原始的冷阴极电离真空规管。放电指示管实际上是一种原始的冷阴极电离真空规管。 其结构原理如其结构原理如图图3-7所示所示，在一定长度和直径的玻璃管，在一定长度和

44、直径的玻璃管 的两端封有一对平板电极，使用时将它与被测真空系统的两端封有一对平板电极，使用时将它与被测真空系统 相接，根据电极间气体放电的形状与压力的关系，真空相接，根据电极间气体放电的形状与压力的关系，真空 放电指示管能对被测真空系统的真空度作粗略的测量。放电指示管能对被测真空系统的真空度作粗略的测量。 用它来判断几千用它来判断几千Pa至至10 1Pa范围的压力，可以做到数量 范围的压力，可以做到数量 级的精确度，结构简单和使用方便。真空放电管还有独级的精确度，结构简单和使用方便。真空放电管还有独 特作用，那就是不同气体在放电时会产生不同颜色的辉特作用，那就是不同气体在放电时会产生不同颜色的

45、辉 光，来鉴别真空系统中的气体种类或检漏。光，来鉴别真空系统中的气体种类或检漏。表表4-6为一为一 些气体与蒸汽在辉光放电时呈现的颜色。些气体与蒸汽在辉光放电时呈现的颜色。 图图3-7 真空放电指示管的辉光放电现象真空放电指示管的辉光放电现象 1 阿斯顿暗区阿斯顿暗区 2 阴极辉区阴极辉区 3 阴极暗区阴极暗区 4负辉区负辉区 5法拉第暗区法拉第暗区 6 正辉柱正辉柱 7 阳极暗区阳极暗区 8 阳极辉区阳极辉区 Va阳极电位阳极电位 Vc阴极电位阴极电位 表表 4-6 某些气体和蒸汽在放电时的辉光颜色某些气体和蒸汽在放电时的辉光颜色 气体或蒸汽气体或蒸汽 阴极辉区阴极辉区颜色颜色负辉区负辉区

46、颜色颜色 正辉柱正辉柱 空气空气 氮氮 氧氧 氢氢 氦氦 氖氖 氩氩 水蒸汽水蒸汽 一氧化碳一氧化碳 二氧化碳二氧化碳 汞汞 氨氨 有机化合物蒸汽有机化合物蒸汽 玫瑰红玫瑰红 玫瑰红玫瑰红 红红 棕粉红棕粉红 红红 黄黄 玫瑰红淡红玫瑰红淡红 蓝白蓝白 绿绿 蓝蓝 蓝到粉红蓝到粉红 蓝或紫蓝或紫 紫紫 淡蓝淡蓝 淡绿淡绿 深红深红 蓝蓝 蓝蓝 蓝绿蓝绿 绿黄绿黄 略带蓝的白色略带蓝的白色 粉红（低压蓝色）粉红（低压蓝色） 橙橙 红红 淡（柠檬）黄淡（柠檬）黄 红粉红红粉红 紫红到黄淡红紫红到黄淡红 红红 紫紫 淡蓝淡蓝 白白 蓝绿蓝绿 淡绿淡绿 蓝蓝 略带蓝的白色略带蓝的白色 高频火花检测计高

47、频火花检测计 对于带有玻璃部分的真空系统，可用高频火花检测计对于带有玻璃部分的真空系统，可用高频火花检测计 产生的高频电压使真空系统内的低气压放电，然后根产生的高频电压使真空系统内的低气压放电，然后根 据低压气体放电时产生的辉光颜色，可大概估计出据低压气体放电时产生的辉光颜色，可大概估计出 1000510 1Pa范围内的真空度。空气的放电颜色 范围内的真空度。空气的放电颜色 与压力的关系如表与压力的关系如表4-7所示。所示。 表表4-7 空气在不同压力时放电的特征辉光颜色空气在不同压力时放电的特征辉光颜色 压力（压力（Pa） 辉光颜色及状态辉光颜色及状态 压力（压力（Pa） 辉光颜色及状态辉光

48、颜色及状态 1000100 紫色细放电束紫色细放电束 101 红色到粉红色红色到粉红色 10 紫红色充满放电区紫红色充满放电区 域域 10.1 灰白色到玻璃管灰白色到玻璃管 壁荧光壁荧光 目前，在现有的各类极高真空仪表中较为可靠的最目前，在现有的各类极高真空仪表中较为可靠的最 低测量压力达到约低测量压力达到约10 12Pa 水平。实际应用的极高真空 水平。实际应用的极高真空 测量仪器主要有以下几种：测量仪器主要有以下几种： 1、改进型的、改进型的BA式电离真空计；式电离真空计； 2、冷阴极磁控式电离真空计；、冷阴极磁控式电离真空计； 3、热阴极磁控式电离真空计。、热阴极磁控式电离真空计。 以上

49、几种极高真空测量仪器的提高测量下限所以上几种极高真空测量仪器的提高测量下限所 采取措施及测量下限见表采取措施及测量下限见表4-8 3.3.4 极高真空测量技术极高真空测量技术 表表4-8 极高真空测量仪器及测量下限极高真空测量仪器及测量下限 1）改进型的）改进型的BA电离真空计电离真空计 ： 细丝式规管细丝式规管 减少收集极接受软减少收集极接受软X射线的面积射线的面积 10 10 109 调制式规管调制式规管 用测量方法消除光电流的影响用测量方法消除光电流的影响 10 10 109 10 10 抑制式规管抑制式规管 用电场抑制收集极的光电子发射用电场抑制收集极的光电子发射 10 10 109

50、10 10 弯注抑制式规管弯注抑制式规管 减少软减少软X射线对收集极的射线对收集极的 10 12 1011 照射并抑制其光电子的发射照射并抑制其光电子的发射 提取式规管提取式规管 减少软减少软X射线对收集极的照射射线对收集极的照射 10 11 109 10 10 测量规管测量规管 提高测量下限的措施提高测量下限的措施 理论下限理论下限 实际下限实际下限 2）冷阴极磁控式）冷阴极磁控式电离真空计电离真空计 测量规管测量规管 提高测量下限的措施提高测量下限的措施 理论下限理论下限 实际下限实际下限 正磁控式规管正磁控式规管 磁场内冷阴极放电，磁场内冷阴极放电， 增高了电离灵敏度增高了电离灵敏度 1

51、0 12 1011 反磁控式规管反磁控式规管 磁场内冷阴极放电，磁场内冷阴极放电， 增高了电离灵敏度增高了电离灵敏度 10 12 1011 3）热阴极磁控式）热阴极磁控式电离真空计电离真空计 测量规管测量规管 提高测量下限的措施提高测量下限的措施 理论下限理论下限 实际下限实际下限 热阴极磁控式规管热阴极磁控式规管 用磁场增大热规用磁场增大热规 电离灵敏度电离灵敏度 10 12 1011 抑制式热阴极磁控规管抑制式热阴极磁控规管 用磁场增大热规电离用磁场增大热规电离 灵敏度，并用电场抑制灵敏度，并用电场抑制 收集极的光电子发射收集极的光电子发射 10 13 1012 限制真空仪器测量下限水平进

52、一步提高的主要因素，限制真空仪器测量下限水平进一步提高的主要因素， 主要有如下主要有如下4个方面：个方面： 1 真空规管的限制真空规管的限制 1）在热阴极电离规管中，除了软）在热阴极电离规管中，除了软X射线产生的光电流以射线产生的光电流以 及电解吸等影响外，温度很高的热阴极产生了较高的金及电解吸等影响外，温度很高的热阴极产生了较高的金 属蒸汽压，如一般规管的钨阴极在通常工作温度为属蒸汽压，如一般规管的钨阴极在通常工作温度为 2000K时，其蒸汽压相当于氮的时，其蒸汽压相当于氮的10 10Pa。 。 2）冷阴极电离规管在低压力时存在着放电不稳定、非线）冷阴极电离规管在低压力时存在着放电不稳定、非

53、线 性、滞后现象以及电清除能力大等影响。性、滞后现象以及电清除能力大等影响。 3）规管电极和管壳内壁的放气和吸气影响。）规管电极和管壳内壁的放气和吸气影响。 2 2） 测量仪表线路的限制测量仪表线路的限制 4）大气中氦对玻璃管壳的渗透，氢对不锈钢管壳的）大气中氦对玻璃管壳的渗透，氢对不锈钢管壳的 渗透。渗透。 5）收集极与其它各电极间的漏电。）收集极与其它各电极间的漏电。 6）在热阴极电离规管中，热阴极对收集极和玻壳引起）在热阴极电离规管中，热阴极对收集极和玻壳引起 的光电发射；在冷阴极电离规管中，对收集极引起的场的光电发射；在冷阴极电离规管中，对收集极引起的场 致发射，二次发射等。致发射，二

54、次发射等。 1）受弱电流测量技术上的限制，目前微电流测量放大）受弱电流测量技术上的限制，目前微电流测量放大 器直接测量最低电流的稳定水平只达器直接测量最低电流的稳定水平只达10 16A左右。 左右。 2）热磁控式电离规管的低发射电流（）热磁控式电离规管的低发射电流（10 7A）稳定技 ）稳定技 术上的问题。术上的问题。 今后在极高真空测量上有待解决的技术关键和努力方向今后在极高真空测量上有待解决的技术关键和努力方向 3）缺乏）缺乏10 12Pa可靠的真空校准系统，影响到对真空 可靠的真空校准系统，影响到对真空 仪表的极高真空性能进行深入的研究。仪表的极高真空性能进行深入的研究。 4） 10 1

55、2Pa极高真空获得水平缺乏可靠的测量证明。 极高真空获得水平缺乏可靠的测量证明。 1）改进型）改进型BA计应对高温阴极进行改进，并开发低计应对高温阴极进行改进，并开发低 温阴极；温阴极； 2）冷磁控式真空计应着重研究解决存在的其工作非线）冷磁控式真空计应着重研究解决存在的其工作非线 性、放电不稳定性等影响测量精度的现象。性、放电不稳定性等影响测量精度的现象。 3）热磁控式真空计应改进阴极和研究开发工作线性及）热磁控式真空计应改进阴极和研究开发工作线性及 放电稳定性好的规管。放电稳定性好的规管。 4）进行稳定可靠的超微电流（）进行稳定可靠的超微电流（10 16A ） ）的测量新技的测量新技 术的

56、研究。术的研究。 对于能适用于对于能适用于10 11Pa测量规管的低温阴极性能的要 测量规管的低温阴极性能的要 求如下求如下 1）阴极温度要低，最好）阴极温度要低，最好100。 2）阴极材料的蒸汽压要低，一般应）阴极材料的蒸汽压要低，一般应10 14Pa。 。 3）阴极材料的出气率要低，一般应）阴极材料的出气率要低，一般应10 13PaL s。 4）阴极应具有尽可能大的发射能力，最好达到）阴极应具有尽可能大的发射能力，最好达到mA数数 量级。量级。 5）规管能在）规管能在“正常正常”和和“出气出气”两种状态下工作，两种状态下工作， 并不怕暴露于大气。并不怕暴露于大气。 完全满足以上条件的低温阴

57、极很少，比较有希望的低温阴极有 半导体阴极（如硅P-N结半导体阴极）、薄膜阴极、场致发射 阴极和光电发射阴极等。 对解决稳定可靠的超微电流的测量问题，目前主要对解决稳定可靠的超微电流的测量问题，目前主要 的发展方向有两个方面。的发展方向有两个方面。 1、研制适用于、研制适用于10 11Pa测量的电子倍增器，这种倍 测量的电子倍增器，这种倍 增器应具有下列性能：增器应具有下列性能： 1）具有）具有108的高增益；的高增益； 2）应能经得起高温（）应能经得起高温（400左右）烘烤、极高真空以左右）烘烤、极高真空以 及暴露于大气等条件和长时间使用的考验，且能保持及暴露于大气等条件和长时间使用的考验，

58、且能保持 稳定的增益；稳定的增益； 3）倍增器材料应具有足够低的蒸汽压（）倍增器材料应具有足够低的蒸汽压（10 14Pa） ） 和出气速率（和出气速率（10 13Pa.L s）；）； 4）体积小、结构简单。）体积小、结构简单。 2、研究脉冲计数法测量微弱离子流的新方法，如进、研究脉冲计数法测量微弱离子流的新方法，如进 行单个粒子探测的研究行单个粒子探测的研究 目前，基本能满足以上条件的只有通道式电子倍增器，目前，基本能满足以上条件的只有通道式电子倍增器， 它具有结构简单、体积小、重量轻、使用方便和高增它具有结构简单、体积小、重量轻、使用方便和高增 益（可达益（可达108左右）等特点。左右）等特

59、点。 极高真空测量技术的突破还有待于新原理、新技极高真空测量技术的突破还有待于新原理、新技 术以及新概念的提出和应用。例如把气体压力定义为术以及新概念的提出和应用。例如把气体压力定义为 真空度，是以气体不流动为条件的，即以各向同性的真空度，是以气体不流动为条件的，即以各向同性的 流体静力学的物理概念为基础的。由于应用电离原理流体静力学的物理概念为基础的。由于应用电离原理 测得的离子流是与气体分子密度有密切关系的，但在测得的离子流是与气体分子密度有密切关系的，但在 极高真空下存在着定向流动和不等温情况，在这种情极高真空下存在着定向流动和不等温情况，在这种情 况下，压力与密度之间的关系还应进一步探

60、讨清楚。况下，压力与密度之间的关系还应进一步探讨清楚。 3.4 真空测量仪表的维护与故障诊断真空测量仪表的维护与故障诊断 3.5 真空系统气密性测试真空系统气密性测试 3.5.1 漏气及其产生原因漏气及其产生原因 造成真空系统漏气的原因很多，大致有下面几种情况。造成真空系统漏气的原因很多，大致有下面几种情况。 （l）器壁材料有气孔、夹渣、裂纹。轧制材料出现）器壁材料有气孔、夹渣、裂纹。轧制材料出现 这种缺陷的可能性小；而铸件易引起这种缺陷。这种缺陷的可能性小；而铸件易引起这种缺陷。 （2）焊接、封接时有缺陷。原因是焊接时操作不慎，）焊接、封接时有缺陷。原因是焊接时操作不慎， 焊接工艺选择不当，