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| 第六讲：真空测量
刘玉岱
(东北大学) 一、概述
1.什么是真空测量
真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的，并不十分合理。压力高意味着真空度低；反之，压力低与真空度高相对应。
真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分。
用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。本文所述压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。
压力是一个力学量，为单位面积所承受的力。大气压力为101325Pa，直接测量这样大的压力是容易的，但在真空技术中，测量这样大的压力是比较少的。真空技术中遇到的气体压力都很低，如有时要测lO-10pa的压力，这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此，测量真空度的办法通常是在气体中造成一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量，再设法间接确定出真实压力来。
真空计种类繁多，工作原理各异，除极少数几种是直接测量压力外，其它几乎都是间接测量压力的。
被测量气体除少数情况外，多为混合气体。上述压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中，分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。这样，混合气体的全压力就等于其各组成成分的分压力之和。
现代分压力真空计都属于电离类，即先将气体电离，然后将所得的各成分离子加速，再把离子引进分析器，将离子分开，分别测出各成分离子流强度，便可知气体的成分和数量。分析器有磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有时只需知晓被测系统残余气体成分和相对含量，并不要求测出分压力值，这种仪器称为残余气体分析仪。
正确的压力测量必须对真空计进行校准。因为多数真空计是通过与压力有关的物理量来间接反应压力，而不能直接通过真空计有关参数计算求得压力值。这种真空计必须用标准真空计或能产生已知低压的校准装置进行校准。可以说，真空计校准是真空测量的基础，是发展真空测量的有力工具。
真空计量器具分三类：计量基准器具、计量标准器具和工作计量器具。前两类用于复现和传递真空度量值，统一全国真空量值；而后一类是在现场应用。三种计量器具的不确定度依次降低。
2.真空度的表征及单位
用压力表示真空度是由历史上采用U型压力计测量真空所形成的，这并不十分合理。
在一般真空系统中，通常以各向同性的中性气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度，因此，真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容器内、静止(随机运动)、稳态、各向同性单一的中性气氛。在这种情况下，麦克斯威速度分布、余弦散射定律和流体静力学压力概念( p = nkT，v = 1/4nc，p = ρgh)都较好地符合客观实际，真空度的测量也比较简单容易。
根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表示，而以压力表示真空度与此并不矛盾。测量压力时，一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度分布定律，即 p = nkT 成立。测量时气体温度T一定，所以气体压力p正比于分子密度n。也就是说，此时压力是分子密度的量度，所以可以用压力表示真空度。
在空间研究中，研究对象是无限空间运动(1～lOkm·s-1或更高)、非稳态、综合环境作用下的复杂气氛，此时麦克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以压力也失去了原来的物理意义，真空度的测量比较复杂和困难了。
在一般情况下，以压力表示真空度是流行、沿用的，但也不是唯一的，还可以用如下参数表示真空度：
(1)
当真空度很高时，即分子密度很小时，统计涨落十分明显，如压力 p = 10-12pa时，统计涨落已大于5×10-2，压力已失去真实意义。由此看来，在某些情况下，压力只是其它量的相对指示而已。
根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力，是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间变化率，即单位面积上所受的力，单位为“帕斯卡”(Pascal)，简称“帕”(Pa)。
1Pa = 1Nm-2
在工程上有时嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示压力。
低真空时，有时用“真空度百分数”表示，比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗茨真空泵常用此单位表示真空度。当压力p>102Pa时，真空度百分数δ为
(2)
3.真空计分类
按真空度刻度方法分类
(1)绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型镑压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。
(2)相对真空计：由一些气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进刻度，必须进行校准才能刻度。相对真空计一般由作为传感器的真空计规管(或规头)和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。相对真空计的种类很多，如热传导真空计和电离真空计等。
按真空计测量原理分类
直接测量真空计 这种真空计直接测量单位面积上的力，有:
(1)静态液位真空计：利用U型管两端液面差来测量压力。
(2)弹性元件真空计：利用与真空相连的容器表面受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的大小。
间接测量真空计 压力为10-1Pa时，作用在1cm2表面上力只有10-5N，显然测量这样小的力是困难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空计有：
(1)压缩式真空计：其原理是在U型管的基础上再应用波义耳定律，即将一定量待测压力的气体，经过等温压缩使之压力增加，以便用U型管真空计测量，然后用体积和压力的关系计算被测压力。
(2)热传导真空计：利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶真空计。
(3)热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力有关原理。
(4)电离真空计：利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随电力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。
(5)放电管指示器：利用气体放电情况和放电颜色与压力有关的性质判定真空度，一般仅能作为定性测量。
(6)粘滞真空计：利用低压下气体与容器壁的动量交换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子真空计。
(7)场致显微仪：以吸附和解吸时间与压力关系计算压力。
(8)分压力真空计：利用质谱技术进行混合气体分压力测量。常用的有四极质谱计、回旋质谱计和射频质谱计等。
4.真空计测量范围
压力测量中，除极少数直接测量外，绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象，然后再测量这一过程中与压力有关的物理量，进而设法确定压力值。这是真空测量的特点，亦会造成某些问题。
任何具体物理现象与压力的关系，都是在某一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是真空计的“量程”。尽可能扩展每一种方法的量程，是真空科学研究的重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(105～10-14pa)，没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在原理上的差异．在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。
在被测空间引起一定物理现象，还会出现这样的问题，即从测量的角度出发，本需要一种单纯的物理现象，但有时却不可避免地带来一系列寄生现象，这些寄生现象不但给测量量带来误差，有时还会“喧宾夺主”，完全把主要现象掩盖住了。
由上观之，为改善真空计性能及提高真空测量准确度，必须突出主要现象，抑制寄生现象。表1给出一些真空计的压力测量范围。
表1 一些真空计的压力测量范围 真空计名称 | 测量范围(Pa) | 真空计名称 | 测量范围(Pa) | | 水银U型管 | 105～10 | 高真空电离真空计 | 10-1～10-5 | | 油U型管 | 104～1 | 高压力电离真空计 | 102～10-4 | | 光干涉油微压计 | 1～10-2 | B-A计 | 10-1～10-8 | | 压缩式真空计(一般型) | 10-1～10-3 | 宽量程电离真空计 | 10～10-8 | | 压缩式真空计(特殊型) | 10-1～10-5 | 放射性电离真空计 | 105～10-1 | | 弹性变形真空计 | 105～102 | 冷阴极磁放电真空计 | 1～10-5 | | 薄膜真空计 | 105～10-2 | 磁控管型电离真空计 | 10-2～10-11 | | 振膜真空计 | 105～10-2 | 热辐射真空计 | 10-1～10-5 | | 热传导真空计(一般型) | 102～10-1 | 分压力真空计 | 10-1～10-14 | | 热传导真空计(对流型) | 105～10-1 |
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5.真空测量特点
(1)测量压力范围宽，105～lO-14Pa。
(2)大部分真空计是间接测量，只有压力为105～lOPa时，可直接测单位面积所受的力。但大多数真空测量的压力远比上述为小，不能直接测量，应利用低压下气体的某些特性(如热传导、粘滞性和电离等)进行间接测量。
(3)多采用非电量电测技术。
(4)大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分．否则会造成很大误差。
(5)测量精度不高。
6.选择真空计原则
(1)在要求的压力区域内有要求的精度。
(2)被测气体是否会损伤真空计；真空计可否会给被测气体状态带来影响。
(3)能测全压力吗?可校准吗?灵敏度与气体种类有关否。
(4)可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。
(5)稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。
(6)还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。
除上述应考虑的问题外，还要查阅参考书、样本或直接向生产工厂询问。
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刘玉岱
(东北大学) 二、全压力测量
1.U型管真空计
结构最简单的测量压力的仪器，它通常是用玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的或开口与大气相通，以U型管两端的液面差来指示真空度。U型管真空计的测量范围为105～10Pa。它是一种绝对真空计。
(1)开式U型管真空计：将U型管内充入适量的工作液(如水银)，一端开口接大气(即环境大气压p0)，另一端与被测真空系统相连接(待测压力p)如图1所示。
其压力计算公式如下
p = p0 - ρgh (1)
式中 p —— 待测压力
p0—— 环境大气压力
h —— 两液面高度差
ρ—— 工作液密度
g —— 重力加速度
(2)闭式U型管真空计：如图2所示，把管内预先抽至压力为10-1Pa以下，然后将工作液(如水银)注入管内，其开口端与待测真空系统相连接。当真空系统抽气前，真空系统内的压力等于环境大气压力，则工作液充满封闭端形成最大液面差h0；当系统抽气到某一瞬间时，两端液面处于液面静压力平衡时，则待测压力值可用下式求得(忽略封闭端内压力对液面的影响)：
p = ρgh (2)
2.弹性元件真空计
利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的真空测量仪表称为弹性元件真空表。在结构和外形上与工业用压力表类似，一般用于粗真空(102～105Pa)的测量。根据变形弹性元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、膜盒式和膜片式，其结构如图3所示。
弹性元件真空表性能稳定，其测量范围一般为102～105Pa，精度有0.5级、1.5级和2.5级数种。
在工业生产中有些设备需要既测量正压(高于一个大气压)，也要测量负压(低于一个大气压，即真空状态)，因此制成的弹性元件压力真空表，在同一条表盘刻度上同时刻有正压力和真空度。
弹性元件真空表的主要特点如下：
(1)测量结果是气体和蒸气的全压力，并与气体种类、成分及其性质无关；
(2)测量过程中，仪表的吸气和放气很小，同时仪表内部没有高温部件，不会使油蒸气分解；
(3)测量精度较高；
(4)反应速度较快；
(5)结构牢固，选用适当材料能测量腐蚀性气体；
(6)是绝对真空计，0.5级以上的表可作为标准表。
3.压缩式真空计
压缩式真空计是对U型管真空计的重大改进，它是依据理想气体的波义耳定律制成的。由于它首先是由麦克劳提出的，故此种真空计又称为麦克劳真空计(简称麦氏计)。
压缩式真空计是测量压力低于1Pa实用的绝对真空计，并且从1874年至今仍做为校准其它真空计的主要仪器。
图4示出一种工作用压缩式真空计。它是用硬质玻璃吹制而成。由测量毛细管3(顶端为封闭端)、比较毛细管4、玻璃泡2、水银贮器1、三通阀7、与被测真空系统相连接的导管6和刻度尺5等组成。
测量前将压缩式真空计的导管与被测系统相连接，由于系统内压力各处相等，所以玻璃泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力p相等。测量时用任一种方法将水银面提升，当水银面停在如图5所示的位置时，停止提升，其压力计算公式为:
(3)
此式即为压缩式真空计的基本方程式。式中d为测量毛细管的内径。V和d在吹制压缩式真空计时可测得为已知数据，则：
(4)
式中 p——待测压力，Pa
h1、h2——为液面差，m
K——称为真空计常数，Pam-2
V——玻璃泡和测量毛细管总容积，m3
根据测量时选定水银面的基准线位置的不同，有三种刻度方法：
(1)无定标刻度法：即在测量时，将水银面提升到任意位置固定下来，如图5的位置，分别测出h1和h2值，代入基本方程式就可计算出待测的压力值p，这种方法称为无定标刻度法，此法多用于做为标准计校对其它相对真空计时。
(2)平方刻度法：在测量时，将比较毛细管中水银面提升到与测量毛细管内顶端同一水平线(基准线)上，即此时h2=0，则基本方程式可写成:
p = Kh2 (5)
可见压力p与水银面高度差h的平方成正比，所以此法称为平方刻度法。
(3)直线刻度法：在测量时，将水银面提升到测量毛细管上某一位置(此位置做为基准线)，即h1=常数，则基本方程式写成：
p = K·h1h = Klineh (6)
式中Kline为直线刻度真空计常数，Pam-1。所以p与水银液面高度差h成直线关系，故称为直线刻度法。
在刻度过程中，h1可选其等于任意值，选定一个值(一条基准线)就可有一对应的刻度尺，因此，同一台压缩式真空计可同时选定几个h1值，就可有对应的几个不同的刻度尺。
可凝蒸气(特别是水)是真空系统中常见的，由于其不符合玻意耳定律，故压缩式真空不能正确反应可凝蒸气的压力。通常在压缩式真空计与被测系统之间安一冷阱，用以捕集可凝性蒸气，此时压缩真空计的指示为永久气体的分压力。
压缩真空计的特点是：
(1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气体而言。
(2)测量范围较宽、精度较高。工作用压缩式真空计的测量范围为102～lO-3Pa，对其结构尺寸进行改进后可使量程进一步扩大。其测量精度比较高，一般相对误差在lO×10-2左右。
(3)不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，操作费时。
(4)水银蒸气对人体有害。
4．热传导真空计
热传导真空计是根据在低压力下(λ>>d)，气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图6所示。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。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力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。
图6所示规管中热丝热量散失，只有Qg在低压力与压力有关，而QL和Qr均与压力无关，可简写成
Q = K1 + K2p (7)
热传导量Q与压力p的关系如图7所示。
由上式表明，当K1<2p时，即QL + Qr<g时，总的热量散失Q只与压力p有关，也即Q与Qg有关。它表明，在一定的加热条件下，可根据低压力下气体分子热传导，即气体分子对热丝的冷却能力作为压力的指示。这就是热传导真空计的基本工作原理。
热传导真空计规管热丝的温度T1是压力p的函数(见图7)，即T1 = f(p)。如果预先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度T1来确定压力p。热丝温度的测量方法，有以下三种；
(1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质；
(2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化；
(3)利用热丝电阻随温度变化的性质。
根据第一种测温方法制成的真空计称膨胀式真空计。根据第二种测温方法制成的真空计称热偶真空计。根据第三种测温方法制成的真空计称电阻真空计，在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的，此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高，但稳定性较差。
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最多的两种真空计。
热传导真空计是相对真空计，常常在标准环境下，用绝对真空计或用校准系统进行校准。
气体种类的影响：热传导真空计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同气体分子的导热系数不同引起的。因此，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，再乘以相应的被测气体相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即
preal = Srpread
式中 pread——以干燥空气(或氮气)刻度的压力计读数，Pa
preal——被测气体的实际压力，Pa
Sr——被测气体对空气的相对灵敏度。
通常以干燥空气(或氮气)的相对灵敏度为1，其它一些常用的气体和蒸气的相对灵敏度如表2所示。
表2 热传导规对一些气体与蒸汽的相对灵敏度 气体或蒸气 | S | 气体或蒸气 | S | 空气 | 1 | 一氧化碳 | 0.97 | 氢 | 0.67 | 二氧化碳 | 0.94 | 氮 | 1.12 | 二氧化硫 | 0.77 | 氖 | 1.31 | 甲烷 | 0.61 | 氩 | 1.56 | 乙烯 | 0.86 | 氮 | 2.30 | 乙炔 | 0.60
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刘玉岱
(东北大学)
5．热阴极电离真空计(上接1997年第l期)
电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。这就是电离真空计工作原理。
由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计，其型式繁多，各具不同特点和适用不同的压力测量范围。
热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量——离子电流。热阴极电离真空计规管的基本结构主要包括三个电极：
(1)提供一定数量电子流Ie的灯丝F(阴极)；
(2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极)；
(3)收集离子流I，的离子收集极C(相对阴极为负电位)。
离子流Ii与压力p可用下式表示：
Ii=KIep (9)
式中Ie——发射电子流
K——规管系数，单位为Pa-1
在一定压力范围内K为一常数，若保持发射电子流I，为一恒量时，则离子流Ii与压力p呈线性关系
当压力高到某一值时，K值会随压力p而变化，这就达到了压力线性测量上限pmax，它由电极的几何结构、电极间电位分布以及发射电流大小所决定。
规管系数K在气体压力p很低时仍可保持为常数，但离子流Ii随压力p降低而减小到一定限度后，将会埋没在电离计工作中不可避免地存在着的其它与压力p无关的本底电流之中，因而达到其压力测量下限pmin。这种本底电流包括X射线光电流等。
按线性压力范围的不同，热阴极电离真空计主要分三类：
(1)普通型电离真空计(1×10-1～lO-5Pa)；
(2)超高真空电离真空计(1×10-1～lO-8Pa，有的下限为10-10Pa)；
(3)高压力电离真空计(102～10-3Pa)。
图8示出DL一2型普通型热阴极电离规结构，其Ie=5mA，K=0．15Pa-1，线性压力测量范围是l×10-1～10-5Pa。
由于不同气体电离截面不同，所以电离规管系数K与气体种类有关，引入相对灵敏度S，概念，Sr=K／KN2。
由于电离真空计是以N2校准的，若被测气体非为N2，则电离真空计的读数pread是被测气体离子流所对应的等效氮压力，非为真实压力preal。若知道被测气体相对灵敏度Sr时，其真实压力为
preal=pread/Sr (10)
表3列出了普通型电离规的Sr值。
表3 传统型电离规相对灵敏度
气体 | 对N2相对灵敏度Sr | 气体 | 对N2相对灵敏度Sr | H2 | 0.46 | CO2 | 1.53 | He | 0.17 | 干燥空气 | 1.0 | Ne | 0.25 | H2O | 0.9 | Ar | 1.31 | Hg | 3.4 | Kr | 1.98 | 扩散泵油气 | ９～１３ | Xe | 2.71 | HCl | 0.38 | N2 | 1.0 | CH4 | 1.26 | O2 | 0.95 | CCl4 | 0.70 | CO | 1.11 |
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用改变规管电极结构及各电极的电参数，用抗氧化材料制做阴极(如铱丝涂氧化钇)，可提高线性测量上限。制成高压力电离真空计，压力测量上限pmax可达lOOPa以上。图9示出DL一5规电极结构；图lO示出DL一8规电极结构。
栅状阳极受电子轰击产生X射线，离子收集极接收此射线会产生光电子发射，形成与压力无关的光电本底电流Ix。减少Ix就可以降低线性压力测量下限pmin,可采取如下四种措施：
(1)从电板的几何结构上减少离子收集极被软X射照射的面积，这就是B-A型电离计的设计思想；
(2)在离子收集极附近，安置一相对于离子收集极为负电位的电极(抑制极)．可以使离子收集极表面发射的光电子被电场折回，以消除本底电流，这种方法称为光电子抑制法，如抑制电离规；
(3)这是一种在离子收集极电流中扣除本底光电流的方法，称为离子流调制法，如调制B—A电离规；
(4)本底光电流Ix对应的本底压力指示px与规系数K成反比，所以提高规系数K能够降低测量压力下限pmin如弹道规和热阴极磁控管电离规。
图11示出B—A规管结构，其pmin=lO-8Pa。
图12示出抑制规(pmin=10-10Pa)，图13示出弯注抑制规(pmin=10-11Pa)，图14示出调制规(pmin=lO-lOpa)，图15示出分离规(pmin=10-11Pa)，图16示出热阴极磁控规(pmin=10-11Pa)。
6．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。图17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CB(做为真空度指示仪表，一般用量程为o～100μA)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；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：
I=Kpn (11)
式中 I--放电电流
K——常数
n——常数，一般在l～2之间，与规管结构有关。
图17示出的是普通型冷阴极电离真空计，其压力测量范围1～10-5Pa。冷阴极电离真空计没有与压力无关的本底光电流。限制其下限延伸是其场致发射；测量上限主要受限流电阻及在高压力时，电子与离子复合几率增加等限制。
延伸下限制成倒置磁控管与磁控管式规管如图18、图19所示，其pinm=10-11Pa。
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。
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二、全压力测量
7．电容式薄膜真空计
根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的真空计称为电容式薄膜真空计，它由电容式薄膜规管(又称为电容式压力传感器)和测量仪器两部分组成。根据测量电容的不同方法，仪器结构有偏位法和零位法两种。零位法是一种补偿法，具有较高的测量精度。目前在计量部门作为低真空副标准真空计的就是采用零位法结构。
图20示出了零位法电容式薄膜真空计的结构原理图。它由电容式薄膜规管、测量电桥电路、直流补偿电源、低频振荡器、低频放大器、相敏检波器和指示仪表等组成。
电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极，当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C0，它与电容C1串联后作为测量电桥的一条桥臂，电容C2、C3和C4与C5的串联电容组成其它三条桥臂。
金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室，分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统(pb<10-3Pa)的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门7。测量时，先将阀门7打开，用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力pb。同时调节测量电桥电路，使之平衡，即指示仪表指零。然后，关闭阀门7，测量室接通被测真空系统。当被测压力Pl>Pb时，由于规管中的压力差p1-pb，膜片发生应变引起电容C0改变，破坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表上亦有相应的指示。调节直流补偿电源电压对电容C0充电，使其静电力与压差相等，此时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表又重新指零。根据补偿电压的大小，就能得出被测压力p1，故有
p1-pb=KU2 (12)
式中p1——被测压力
pb——参考压力
U——补偿电压
K——规管常数，其值K=Co/d0,Co和d0分别为固定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。
当p1》p0时，测量结果就是绝对压力，即
p1=KU2 (13)
电容式薄膜真空计测量范围为10-1～101Pa，其规管常数K可通过校准得到。
近年来，电容式薄膜真空计取得了重大进展，新型的双电容式薄膜真空计的问世，提高了该类真空计的精度，扩展了测量范围，使其测量下限可达lO-3Pa。
单侧双电容薄膜真空计具有灵敏度高、气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快等特点。如将其规管参考室内加置消气剂并抽至≤lO-5Pa，就可测量≥lO-3pa的绝对压力。
8．放射性电离真空计
利用放射性同位素辐射出来的α粒子或α粒子对气体分子的电离作用制成的真空计称为放射性电离真空计，其结构如图21所示。
放射性电离真空计由放射性电离规管和测量仪器两部分组成。放射性电离规管主要由放射性同位素源B、圆筒形阳极A和离子收集极c组成。测量仪器主要由离子流测量放大器F、输出表G和阳极电源E组成。
当放射性同位素辐射出来的高能α或β粒子在规管内与气体分子碰撞时，使气体分子电离，在一定压力范围内，电离所产生的离子流与气体压力有如下关系：
Ii=Sp (14)
式中Ii——离子流
p——被测压力
S——规管灵敏度，其值与气体种类及规管结构有关，可以通过校准得到。所以，当规管结构确定之后，由离子流的大小就能得知被测压力p。
这种真空计所使用的放射性同位素的强度较弱，对人体为安全剂量。
其压力测量范围为0.1～104Pa。它的读数与气体种类有关。
9．磁悬浮转子真空计
根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪表称为磁悬浮转子真空计。
由图22可见，除了用于磁悬浮转子的螺旋线圈2外，在真空室下边还设置一敏感线圈5，通过伺服电路控制螺旋线圈2的电流，使转子悬浮在预定高度。在真空室两侧的一对驱动线圈3产生旋转磁场，驱动转子以每秒200～400转的速度自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向磁场最强处(一般在垂直对称轴上)，但若受外界扰动，转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方的阻尼钢针6可使这种振动衰减。
这种真空计是基于气体分子对自由旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被驱动线圈的磁场从静止加速到每秒400转速之后，停止驱动场，由于气体分子摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减，其转速衰减与气体压力p有着严格的对应关系。
磁悬浮转子真空计是标准真空计，量程宽(10-1～10-5Pa)，用它作互校传递标准时，累积误差小，可靠性重复性好。
三、分压力测量
1．分压力测量概述
在近代真空测量技术中，残余气体分析和分压力测量已愈来愈重要，在实验室或者在生产线上经常会见到残余气体分析器。在溅射过程和其它等离子工艺过程中，残余气体分析器可用测量气体纯度、从薄膜中放出气体载荷和本底气体成分，这些都是工艺过程中必须的。
前面涉及的真空计都是用来测定全压力的，而本章将叙述的分压力真空计，即要用来测量混合气体组成成分的分压力。全压力可以说是反映真空的数量方面，而分压力既反映数量方面，更重要的是反映真空的质量方面。
在超高真空下，气体的成分常常是极不相同的。在气体成分未明的情况下，超高真空计的读数就无法确定其对应的压力。如果电离真空计是以空气或氮校准的，所测得的压力值为与混合气体离子流总和相对应的等效空气压力或等效氮压力。由于电离真空计对不同气体的相对灵敏度相差很大，因此，电离真空计对混合气体测得的等效氮压力不是混合气体的真实压力，有时甚至会有数量级的误差。为了测量真空中混合气体组分和相应的分压力值，必须进行分压力测量，所用的仪器称为分压力真空计。由分压力真空计测得的混合气体各组分分压力之和才是其全压力，这就同时给出了真空的量与质两个方面。
分压力真空计是专用的小型质谱仪器——真空质谱计。目前的分压力真空计，大多数由于精度不够高，只能用于分析气体各种成分的存在并估计其大小，尚未能进行定量测定，这时称为残余气体分析器。
作为分压力真空计或残余气体分析器的真空质谱计都属于电离类型的，按原子离子或分子离子的质荷比进行分析，分析有三个阶段：
(1)在离子源中用电子碰撞的办法将气体电离。
(2)在质量分析器中利用磁偏转、共振、飞行时间不同等质量分离技术，将离子按质荷比不同进行分离。
(3)检测器(或离子收集极)接收分离的离子，将离子流放大，在显示装置上显示出每一质荷比的离子流强度。
真空质谱计能扫描1～50u，以至l～300u的质量范围，并能分辨相隔1u的相邻离子。
图23给出了仪器的输出，即各种离子的电流按其质量大小排列的谱线图，又称质谱图。
图23是理想情况，也称之为“质谱棒图”。实际测得结果往往是如图24所示的情况。可见线条已被一些峰所代替。
质谱计的种类很多，可根据质量分析系统的工作原理来表征和命名。如：磁偏转质谱计、回旋质谱计、飞行时间质谱计、射频质谱计、谐振感应质谱计和四极质谱计等。
质谱计的主要性能参数如下：
(1)质量范围：在满足一定分辨能力的前提下，质谱计所能分析的质量数范围叫做该质谱计的质量范围。
(2)分辨能力和分辨本领：仪器的绝对分辨能力是仪器对给定质量M的离子的分离能力的一种量度，由峰宽△M表示。峰宽是在一定峰高处测量。
仪器的分辨本领是质量与绝对分辨能力之比，即M/△M。图25示出了分辨本领的两种定义(△M/0.1h和△M/0.5h)。
(3)灵敏度：质谱计输出离子流Ii与该气体在离子源中的分压力Ppi,之比称为灵敏度Si，即
Si=Ii/ppi (15)
(4)最小可检分压力pPmin：在所分析的气体样品中，质谱计可以检测出的气体i的最小分压力称为最小可检分压力pPmin。
(5)分压比灵敏度γmin在一定背景的总压力Ptot中，质谱计能检测出某种气体的最低分压力Pmin的能力，称为分压比灵敏度γ，即
γmin=pPmin/Ptot (16)
(6)最高线性工作压力：质谱计的工作压力通常指总压力
| | | | | | | | | | 第六讲：真空测量
刘玉岱
(东北大学)
三、分压力测量
2．四极滤质器
四极滤质器又称四极质谱计。四极滤质器的质量分离原理是基于不同质荷比的离子在高频和直流四极场中，运动轨迹稳定与否来实现的。它是近代残余气体分析器中最为流行的无磁滤质器，其性能指标较高。
四极滤质器的探测器结构示意图如图26所示。它由三部分组成：离子源、分析器和收集器。离子源由灯丝、反射极和阳极组成。电子由加热的灯丝发出，被阳极加速，有一部分穿过阳极孔而进入离化室，电子在离化室内与气体分子碰撞电离，产生正离子。离化室内的离子被离子入口膜片加速并吸出，进入分析器。分析器由四根对称排列的四极杆组成，两个相对的极杆彼此连接起来，两对极杆之间加直流电压和高频电压，直流电压和高频电压幅值保持一定比值(一般约为1／6)。当直流电压和高频电压低时，低质量的离子在四极场中运动轨迹稳定(有界)，且运动轨迹幅度小于四极场半径，故低质量的离子可以通过四极杆空间，通过离子出口打到离子收集极上。当直流电压和高频电压高时，高质量的离子可以通过四极场空间。在一特定的电压下，只有一种质量的离子可以通过，其余的离子都通不过，所以称为质量过滤器或简称滤质器。依据滤质器的特点，当直流电压和高频电压由小逐渐变大时，质量不同的离子，从质量小到质量大，依次地通过分析器达到收集极。因此，根据收集极离子流的变化，可以判断各种气体的成分和相对多少。
一般商品滤质器质量范围为1～500u，分辨本领100～500，灵敏度为10-5～10-6A·Pa-1，带倍增器的达几安每帕，最小可检分压力为10-9～10-11Pa，分压比灵敏度为20×10-6，最高工作压力为10-1～10-2Pa。
3．射频质谱计
射频质谱计没有笨重的磁铁，只靠电场来达到质量分析的目的。其工作原理见结构图27。K为阴极，G1～G5为等距的栅极，C为离子收集极。以阴极电位为参照，G1加正电位，做电子收集极；G5加正电位，以对向收集极运动的离子形成一适当的拒斥场；在G3与G2，G4间加一角频率为ω的高频电压。于是，G2、G3间的电位差见式17。
因为G1正而G2负，故阴极发射的电子在G1前后来回振荡。它在G1、G2间产生的离子群受G2加速，除G2截获一部分外，其余进入高频电场，在G2、G3和G4间进行分析。原来，离子经G2加速后不同质量的离子已具有不同的速度，在合适相位时进入高频电场的离子，就会受到电场的加速。如果有一种离子，它们的速度使得当其飞抵G3开始进入G3～G4时，电场相位正好改变，那么它们就能从电场获得最大能量；其余离子因速度不合适，能量有大有小，但都未能达到此最大值。这样，便可以调节G5的拒斥场，使只有动能最大的离子才能穿过G5，飞抵离子收集极。质量扫描由改变高频电场的频率来实现的。
4．识谱技术
质谱计对残余气体或气体样品析的结果，实际上是离子流与分析器扫描参数的关系图，即质谱图。如何由该图正确判断样品的化学成分及其含量是一个比较复杂的问题，它是建立在详细了解系统中所找到的气体和蒸气碎片图型的基础上的。在熟悉了残余气体分析之后，残余气体的许多主要成分的定量分析就相当简单易懂了。然而，精确的定量分析需要细致的校准和许多复杂的分析技术。质谱分析的精确性除了与质谱计本身性能有关外，还与使用方法、分析技术等有关。
(1)质量数的标定
对质谱图进行分析，首先应准确地判断出各个谱峰对应的质量数。真空系统中常见的残余气体质量数M< 50，这些气体谱峰的位置和高度有一定的规律和特征。如图24所示，主要成分是2H2+，4He+，16CH4+，18H2O+，20Ne+，28CO+，28N2+，32O2+，40Ar+和44CO2+。这些谱峰的质量数比较容易确定，据此可推断出其它位置谱峰的质量数。如果质谱图无特征峰可据，则质谱峰质量数的标定，尤其是在高质量数端，可以通过预先校核确定。
(2)碎片图型
真空质谱计采用电子碰撞电离型离子源。当一种被分析的气体受到其能量会引起电离的电子碰撞时，会产生数种质荷比的碎片，即产生单荷离子和多荷离子、分子离子和碎片离子以及同位素离子。每种气体有其独有的质荷比数值，而峰的幅值则和气体及仪器的工作条件有关。这种分裂物图型为气体碎片图型。可根据每种气体的独有的碎片图型来鉴别该种气体的存在，所以有人称碎片图型是鉴定气体存在的“指纹”。
(3)分压力计算
分辨本领为50～150的残余气体分析器不能作为定量分析的仪器。因为它既不能消除重叠峰，碎片图型也不如定量分析器的那么稳定。具有独特碎片图型的单一气体或蒸气或具有分离谱的几种气体和蒸气的混合物的定量分析要比含有重叠峰的混合物的定量分析来得简单。本节对快速获得误差在一个数量级以内的近似的分压力测量技术加以说明。但要获得精确的，比如精确至10％的数据则需要仔细地校准。要么是快速地获得粗糙的数据，要么是费劲地获得精确的数据，再没有别的选择。下面来研究具有分离碎片图型和重叠碎片图型气体的近似分析技术与精确分析技术。
①分离谱：对具有分离谱的气体的近似分析技术将毫不费劲地获得粗精度的结果。如，Ar、O2、N2和H20的混合物是相当容易检验的。下面介绍几种常用的分压力近似估算法。
由一种气体产生的主峰离子流Ii与质谱计对N2的灵敏度SN2(N2的主峰离子流与N2的分压力之比)计算等效氮分压力,见式18。
由离子流相对比例和全压力p计算等效氮分压力，见式19。
②重叠谱前已述及，混合气体在离子源中形成分子离子、碎片离子、同位素离子，除单荷离子外，还可能形成多荷离子。质谱计将M／Z相同的谱峰叠加在一起形成重叠谱，质谱图就显得更为复杂。
重叠谱的分析更为困难，由于系统中痕量污染物会给待研究气体较小的峰增加未知量，使给定气体的峰的比值随着时间会愈来愈不稳定。重叠谱的定量分析要求准确、经常地测量碎片图型，还表明在痕量气体峰和较大组分峰重叠时，痕量气体的精确定量测量是困难的。
碎片峰离子流与其主蜂离子流的相对比值称碎片蜂的图象系数。某种质谱计在恒定工作条件下，碎片峰的种类及其图象系数是一定的。
由质谱图的图象系数可以计算出待测气体成分的分压力值。若质谱计对分压力为ppi的气体i的灵敏度为Si(气体i的主峰离子流Ii与分压力ppi的比值)，则气体i的主峰离子流见式20。
若气体i在质量数j处的图象系数为βji，则它在j处出现的碎片蜂离子流见式21。
n种气体在M／Z=j处的离子流之和见式22。
式(22)还可以写成式23。
矩阵[B]的元素见式25。
式（24）可展开写成式26。
这里Ji是质量j处的离子流，bji为碎片图型矩阵元素，ppi为第i种气体的分压力。
大多数气体的峰多于一个，所以m>n，系统是超定义的。然后将最小均方准则或其它平滑准则用于数据，以得到最佳的吻合。假如图型是仔细地取得的，并且标准差也是仔细测得的话，那么主要组分精度可达3％。实际中的矩阵将包括10×50个元素，求解就需要计算机。在这种情况下，用一台计算机来获得数据、控制仪器和用作分析是实用的。这些实验是费钱和费时间的，只有在要求相当精确的情况与才那样做。
四、真空计校准
1．真空计校准概述
真空计校准是真空测量的基础，是研究和发展真空测量的有力工具。它不但能使已有的相对真空计统一在可靠的标准之下，而且还可对发展中的真空计进行性能的研究。
所谓“真空计校准”就是对相对真空计进行“刻度”。真空计刻度是在一定条件下对一定种类气体进行的，从而得到校准系数或刻度曲线。因此气体种类的改变或工作条件的变化，原校准曲线就不能使用，必须重新进行校准。同一台测量仪器，更换规管时校准曲线也会发生变化。由此观之，对相对真空计校准是非常必要的，又要定期进行，否则会产生超过允许的测量误差。
校准是对真空计整体而言，既包括所谓的一次仪表的真空规管，又包括所谓的二次仪表的电子线路。通常是二者合在一起进行校准，也可以分别对真空计规管和电子线路进行校准，而后者是较为理想的。
真空计校准的前提是必须有标准真空计和校准系统，并通过一定方法进行。
真空标准有绝对真空计、标准相对真空计(或副标准真空计)和绝对校准系统。所有绝对真空计均可作为真空标准。而以绝对真空计为基准，将经过压力衰减后精确计算出的再生低压力作为标准的真空计校准系统称为绝对校准系统。如膨胀法校准系统应用静力热平衡，其理论基础为理想气体的玻意耳定律，把U型管压力计校准下限延伸至高真空(10-4Pa)。稳定性和精度高的真空计，经过校准之后，可作为次级标准，对工作真空计进行校准，称这种真空计为副标准真空计。
在计量学中，所谓标准是按精度等级排列的一个体系。国家技术监督局批准并于1990年5月1日实施“真空计量器具检定系统"(JJG2022—89)。根据当前真空技术发展水平，真空获得和真空测量范围，已从大气压(105Pa)至极高真空(< lO-10Pa)。但工业生产和科学研究中，实际广泛应用的压力范围为10-8～105Pa。为了保证该范围内真空度量值的准确一致，制定了检定系统，进行真空度量值传递，检定各级真空计时器具。该检定系统主要适用于lO-8～lO5Pa范围内，计量、科研和工业部门使用的真空标准装置和真空计的检定。
图28示出真空计量器具检定框图。
2．静态膨胀法
1910年克努曾最早提出静态膨胀法压力校准系统。静态膨胀校准低真空计时，因为容器壁吸、放气不显著，校准精度较高。在高真空校准时，由于器壁吸、放气显著，必须设法减小其影响。此方法制作简单、操作方便、运算迅速、检定效率高，且排除了汞蒸气对人的危害。
膨胀法校准是基于波意耳定律，即在恒定的温度下，一定质量的气体的压力与体积之积为一常数。
单级膨胀系统工作示意图见图29所示。首先将气源室中充有需要压力为p1的校准气体，由标准真空计G2测量。再将校准室抽气至低于校准压力下限两至三个数量级。这样可略去校准室本底压力对校准的影响。
每操作一次传递阀K4，就将由气源室中的压力为p1容积为传递容积Vs的气体输送到校准室。第一次膨胀后，校准室压力见式27。
第n次膨胀之后，校准室的压力pn见式28。
此法计算简单，如校准高真空可用双级膨胀。
3．动态流导法
动态流导法有时也称为动态流量法和小孔法校准，它是建立在气流连续性原理、分子流状态和等温条件基础上的，由于是动态校准，吸气和放气的影响很小。在分子流状态下，流导公为结构几何尺寸的函数，与压力无关。其校准下限随真空获得和小流量测量水平而延伸。是目前超高真空和极高真空的切实可行的校准方法。
动态流导法校准原理是根据气体分子运动论原理，利用薄壁小孔作标准流导产生已知低压力的。图30是这种校准方法原理示意图。首先将校准室压力抽至校准压力下限以下2～3个数量级，这样计算校准压力时可忽略本底的影响。校准气体以稳定流量pG通过针阀K，由进气管注入校准室。气体以分子流流经一薄壁小孔并由真空系统抽除。在达到动态平衡时，在小孔上方的校准室建立起已知的低压力p，用它来校准真空计G。校准室的压力可由式29计算。
由于系统的有效抽速比小孔流导大很多，故使得小孔下游的压力户。远小于校准室压力p，这样小孔下游压力测量值误差对校准压力的影响很小。因此，只要根据校准气体流量qG、小孔流导C和小孔下游压力pb，就可以计算出校准室压力来。
校准气体的流量qG由流量计测量。流量范围为10-7～10-3Pam3s-1，其测量精度可达士O.5％，压力校准范围是10-5～lO-1Pa。
由于很难测定微小的流量，也就直接限制了校准压力下限。采用分流的办法，能扩展压力校准下限，这就是二级动态流导校准法。
4．标准压缩式真空计
标准压缩式真空计不论是在结构上还是测量方法上和第二章所述的工作压缩式真空计都有所不同，它是用比对法校准其它标准真空计量器具，在5×10-３～10３Pa压力范围内，是一可靠的压力标准，因此，各国普遍将它确定为国家真空计量的基准器具。
标准压缩式真空计是在分析了工作压缩式真空计误差的基础上，进行了结构和测量方法的改进而成。主要有以与几方面：
(1)采用磨毛毛细管，使毛细管内径更均匀，消除了毛细管不同长度上水银压低值的无规则变化，以及水银在毛细管中运动的异常现象。
(2)设置两个无脂阀，防止水银蒸气抽气效应。
(3)采用无定标法进行测量。
(4)测量毛细管采用锥形封顶。为防止测量毛细管封顶时，破坏测量毛细管顶端已磨毛的内表面。采用锥形封顶，如图31右上角所示。这样就要考虑测量毛细管的内顶端位置问题，所以引入压缩后气柱高度修正量△２。
(5)要考虑测量毛细管和比较毛细管之间压低值不同的压低值修正量△１所谓压低值是指由于水银不浸润玻璃，所以毛细现象使得水银柱有所下降，此下降值称压低值。标准压缩式真空计用比对法进行动态校准，标准压缩式真空计结构见图31所示。其压力计算公式见式30。
5．副标准真空计
所谓副标准真空计，实质上是一种高稳定、高精度的相对真空计，它经过一等真空标准器具校准之后，可作为二等真空标准器具，对一般工作真空计进行校准。这种校准法具有校准迅速和校准压力范围宽等优点。因此，自60年代以来，国际上采用的副标准真空计有热阴极电离真空计和薄膜真空计。
副标准真空计的校准方法采用动态校准系统，以比对法校准工作计量器具。
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发表于 2023-3-24 10:15:49
