真空计简单介绍

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一、真空技术相关基础知识
• 真空区域的划分 粗真空：105~102帕 低真空：102~10-1帕 高真空：10-1~10-5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。
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三、真空计简介
• 电阻真空计
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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Hale Waihona Puke Baidu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。
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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105～10-11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(105 ～102帕)、低真空（102～10-1帕）、高真空（10-1～10-5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。
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三、真空计简介
复合真空计附有一个热偶规管、一个电离规管，分别插在 被测真空系统上。通过复合真空计上的旋纽，分别给两个 规曹加热，并选择使用。 比如大规模工业化生产所使用的真空计，大多数就是数显 复合真空计。如PECVD和PVD上。
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• 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。
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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( 90～150 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, 温差电 偶真空计就是根据这个原理制成的。温差 电偶真空计的电离真空计的测量范围1～ 5×10-2 Pa。
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三、真空计简介
• 真空计的定义 测量低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。
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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; Ie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。
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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Ｕ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,这在当时不仅解决了10-1～10-5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。
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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。
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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。
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三、真空计简介
• U型管真空压力计
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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ΜΜ′，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
• 复合真空计
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三、真空计简介
I=Kpn 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。 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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三、真空计简介
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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）。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。
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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
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三、真空计简介
• 热阴极电离真空计
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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；
真空计的介绍
高冠军 2011.8.20
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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。
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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 ( N／m2 ) = 1.01325 bar
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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：
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三、真空计简介
• 压缩式真空计
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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。