真空计简单介绍

1、真空计的介绍 一、真空技术相关基础知识真空定义 所谓“真空”是指在给定的空间内,气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态。不同的真空状态有不同的气体分子密度。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。一、真空技术相关基础知识相关单位 真空度的单位沿用压力的测量单位，压力的国际单位为帕（Pa），曾使用过的单位还有托（Torr）和毫巴（mbar）等。下面是这些单位之间的简单换算关系。 1ATM = 760 Torr = 76 cmHg = 1.01325 x 105 Pa = 1.01325 x 105 ( Nm2 ) = 1.01325 bar一、真空技术相关基础知识

2、真空区域的划分 粗真空：105102帕 低真空：10210-1帕 高真空：10-110-5帕 超高真空：小于10-5帕 极高真空：小于10-10帕 在太阳能组件生产工艺这块，我们的真空要求主要是低真空和高真空。二、真空计简史 自1643年意大利物理学家E.托里拆利进行大气压力实验以来，先后出现许多种真空计。最早出现的是形管真空计,它只能用来测量粗真空和低真空。1874年,H.G.麦克劳发明的压缩式真空计,解决了低真空和高真空的绝对压力的测量，但仍不能进行连续测量。1906年，M.皮喇尼发明电阻式真空计，解决了工业生产中的低真空测量问题。继而，O.E.巴克利于1916年又发明电离真空计,这在当时

3、不仅解决了10-110-5帕的高真空测量,而且促进了油扩散泵等真空设备的发展和应用。1937年，F.M.潘宁发明冷阴极电离真空计，适用于有大量放气和经常暴露于大气的真空设备的测量，所以在真空冶金和机械工业中得到广泛应用。1950年，R.T.贝阿德和D.A.阿尔伯特发明BA式电离真空计,解决了10-8帕的超高真空测量问题,从而使真空测量获得了突破,并推动了超高真空技术的发展；而与此有关的表面物理、核能、航天和大型集成电路等科学技术也得到了迅速发展。1960年以来，相继研制成功的调制规、抑制规、弯注规、分离规和磁控式电离规等已能实现10-11帕左右的超高真空测量。三、真空计简介真空计的定义 测量低

4、于大气压的气体压强的工具称为真空计。也叫真空规。 凡能从其本身测得的物理量（如液柱高度、工作液、比重直接计算出气体压力的称绝对真空计，这种真空计测量精度较高，主要用作基准量具。 相对真空计主要利用气体在低压力下的某些物理特性（如热传导、电离、粘滞性和应变等）与压力的关系间接测量，其测量精度较低，而且测量结果还与被测气体种类和成分有关。因此相对真空计必须用绝对真空计标定和校准后方能用作真空测量。但它能直接读出被测压力，使用方便，在实际应用中占绝大多数。 三、真空计简介真空计的读数 我们可以通过真空压力表和真空计的数显读出真空度。 三、真空计简介真空计与压力计 真空计与压力计的单位都是帕斯卡，都是

5、测量一个系统压强的大小的工具。只是真空计测量的压强一般都是低于标准大气压的系统，而压力计测量的一般是高于大气压的系统。三、真空计简介真空计的简单分类 真空技术需要测量的压力范围为10510-11帕，甚至更小,宽达16个数量级以上,尚无一种真空计能适用于从粗真空(105102帕)、低真空（10210-1帕）、高真空（10-110-5帕）、超高真空（小于10-5帕）到极高真空（小于10-10帕）的全范围测量,因而有多种真空计。最常用的有U形管真空计、压缩式真空计、电阻真空计和冷热阴极电离真空计，以及可以连续测量的复合真空计。 三、真空计简介U型管真空计 用以测量粗真空和低真空的绝对真空计（图1）。

6、在U字形的玻璃管中充以工作液（低蒸气压的油、汞）。管的一端被抽成真空（或直接通大气），另一端接被测真空系统。根据两边管中的压差所造成的液柱差可测出被测真空系统的压力。 三、真空计简介U型管真空压力计 三、真空计简介压缩式真空计 又称麦克劳真空计，是一种测量低真空和高真空的绝对真空计。这种真空计一般用硬质玻璃制成（图2a）。A是一根与被测真空系统相连接的开管，D、B为内径相同的毛细管，V为球泡,其体积远大于毛细管。测量时，通过活塞2抽真空，然后用活塞1充气,使汞储存器C中的汞上升到覆没交叉口，则D、V和B、A内的气体被隔成两个区域。再充气继续提高汞液面,D、V内的气体则进一步被压缩，压力增高。这

7、样D、B间存在的压差可由汞柱高度差来表示（图2b）。玻璃容器的体积和毛细管的高度是可精确测出的，所以用玻意耳定律即可算出被测压力。测量精度较高,在10-3帕时的精度小于或等于5。 三、真空计简介压缩式真空计三、真空计简介电阻真空计 又称皮喇尼真空计，是一种测量低真空的相对真空计，主要由电阻式规管和测量线路两部分组成。电阻式规管（图3）是在管壳内封装着 一条电阻温度系数较大的电阻丝，常用的为钨或铂丝。 测量时，规管与被测真空系统相接，用一定的电压、 电流加热电阻丝，其表面温度可用电阻值来反映，且 与周围的气体分子的热传导有关，而气体分子的热传 导又与压力有关。当被测压力降低时，由气体分子传 走的

8、热量减小，电阻丝表面温度就增高，电阻值增大；反之，电阻值减小。因此根据电阻值的大小就可测量出压力。 三、真空计简介电阻真空计三、真空计简介热阴极电离真空计 当气体导电时, 气体分子与高速飞行的电子发生碰撞而电离, 碰撞的频率与气体分子的密度有关。密度大, 碰撞的频率就高, 产生的离子也越多; 而气体分子的密度又与气体的压强有着直接关系, 因此, 如果能测定气体中被电离的离子流的大小, 即可确定气体的压强。热阴极电离真空计就是根据上述原理制成的, 其原理如下图所示。 三、真空计简介 热阴极F通电加热后向外发射电子,形成电子流Ie。在栅极C 上加一约为150 V 200 V 的正电压, 这一正电压

9、可吸引和加速由热阴极发射出来的电子。被加速的电子穿过栅极后, 因收集极T 的电压相对栅极C 为负电压, 电子又被收集极T 推回, 再加速向栅极返回。这样, 电子在往返的运动中增大了与气体分子碰撞的概率, 使更多的气体分子电离, 变成正离子和二次电子, 而正离子又将被电位最低的收集极T 所吸引,在收集极电路中形成电流I i, 在数值上该电流就是正离子流的大小, 并且与真空系统的压强以及电子流I e有着如下关系: Ii=KIeP三、真空计简介 式中: Ii为被电离的气体正离子流; K为无量纲的比例系数, 其数值是由各电极材料、形状、相对位置和相对电势等因素决定的常量, 可以简单理解为电离效率; I

10、e为热阴极发射的电子流; P为真空系统的压强, 是我们所要测量的量。 在实际应用中为了简化设计, 一般都是把Ie控制在一个固定的数值上, 这样就能把K I e 也看做常量F= (KIe)-1, 把F代入式(1), 再经过变化后得到: P=FIi 显然, 为了求出压强P , 只要测量I i 就可以了。 三、真空计简介热阴极电离真空计三、真空计简介冷阴极电离真空计 冷阴极电离真空计是一种相对真空计。它由规管和测量电路两部分组成。下图示出冷阴极电离真空计的示意图。 冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计一样，是利用低压力下气体分子的电离电流与压力有关的特性，用放电电流做为真空度的测量，由电流表 (做为真

11、空度指示仪表，一般用量程为o100A)指示出来。所不同的在于电离源。热阴极电离真空计是由热阴极发射电子，而冷阴极电离真空计是靠冷发射(场致发射、光电发射、气体被宇宙射线电离等)所产生的少量初始自由电子，它们在电场的作用下向阳极运动，但由于正交磁场的存在，也将施力于运动的电子，从而改变电子的运动轨迹。在电、磁场的共同作用下，电子沿螺旋形轨道迂回地飞向阳极(这种运动轨迹实际上是一个在阳极面上具有摆线投影的曲线)，这样就大大延长了电子达到阳极的路程，使碰撞气体分子的机会增多；三、真空计简介冷阴极电离真空计 同时又因阳极是一个中空的环，在其中轴线附近运动的电子还可能穿过阳极环凭原有动能继续前进，而后又

12、被带负电位的阴极排斥而折回，这样飞行中的电子可能在两阴极间往返振荡直到最后被阳极吸收为止，使电子到达阳极的实际路程远大于两极间的几何尺寸，故碰撞几率大大增加。电子碰撞气体分子时，有一部分为电离碰撞，电离后形成的正离子在阴极上打出的二次电子，也受电场和磁场的共同作用而参与这种运动，使电离过程连锁的进行，在很短时间内雪崩式地产生大量的电子和离子，这样就形成了自持气体放电(一般称为潘宁放电)，此放电电流与压力有如下关系： 三、真空计简介 I=Kpn 式中 I-放电电流K常数n常数，一般在l2之间，与规管结构有关。 冷阴极电离真空规，没有热阴极，不怕大气冲击，但其测量误差较大。 三、真空计简介复合式真空计 复合真空计是由温差电偶真空计与热阴极电离真空计组合而成。 由于上面已经介绍热阴极电离真空计了，这里只介绍温差电偶真空计的原理。 三、真空计简介 温差电偶真空规管由玻璃制成, 通过小管8 和真空系统相接, 如图 所示, 在规管内的两根引线上装有热丝3,另外两根引线上焊着一对温差电偶4, 温差电偶的另一端与热丝在A 点焊接。 由于在低压下, 气体的热传导系数与压强成正比,所以在通过热丝的电流( 90150 mA)一定的条件下, 热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高, 温差电偶电动势也就随之而增大。因此, 通过测量温差电偶电动势, 就可确定出被测系统的真空度