真空計(jì)的原理

按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，真空 （Vacuum） 就是“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)”。如圖1：Overview ofvacuum，隨著壓力或單位體積內(nèi)分子數(shù)的減少，真空度的大小各不相同。

　　真空度的單位與壓強(qiáng)的單位一樣，用 Pa，mbar 等表示。有兩種表示方式：真空度與相對(duì)真空度。一般說，用真空度比較好理解，即準(zhǔn)確說出當(dāng)前的壓力和壓強(qiáng)是多少。對(duì)高低不同的真空進(jìn)行測(cè)量，所依據(jù)的原理也各不相同。

　　圖1：

　　低真空度是指 1000 mbar ~ 1 mbar范圍內(nèi)的真空。此范圍內(nèi)，由壓強(qiáng)變化引起的壓力變化比較明顯，可以通過測(cè)量力的變化來測(cè)量出真空度，如：

　　Ø 薄膜真空計(jì)，通過應(yīng)力片，感知設(shè)計(jì)好的薄膜上力的變化，得知當(dāng)前的真空度。如 Pfeiffer的 CPT100 及 APR 系列，就應(yīng)用了 Piezo 膜應(yīng)力片，來檢知壓力的細(xì)微變化，從而測(cè)量出真空度。

　　Ø 電容真空計(jì)，由于壓力不同，會(huì)引起電容兩極距離的變化，這會(huì)使電容的大小發(fā)生變化。這樣通過測(cè)量這種電容大小的變化，就能得知當(dāng)前的真空度。如Pfeiffer 的 CMR 系列。

　　中真空度的測(cè)量原理

　　中真空度是指 1 mbar ~ 1*10-3mbar 范圍內(nèi)的真空。此范圍內(nèi)，壓力的大小變的不容易測(cè)得，但空氣的熱傳導(dǎo)能力顯的很有特點(diǎn)。這樣也有兩種方法可以測(cè)量出真空度：

　　Ø 電容真空計(jì) （capacitancemanometer） 通過調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)壓力的大小，電容真空計(jì)可以完成中真空度范圍的測(cè)量。在 Pfeiffer 的 CMR 系列中，CMR 275 可測(cè)到 10-5 mbar數(shù)量級(jí)。

　　Ø 皮拉尼（Pirani）真空計(jì)，中真空度條件下，空氣流動(dòng)的方式是層流，熱傳導(dǎo)能力與真空度線性對(duì)應(yīng)。因此可以通過測(cè)量恒溫電阻絲上的電流大小，測(cè)得真空度。如Pfeiffer 的 TPR 系列，及一系列復(fù)合真空計(jì)中的低中真空探頭，都是采用的 Pirani 管。

　　高真空度或超高真空度的測(cè)量原理

　　高真空是指 1*10-3 mbar ~1*10-7 mbar 范圍內(nèi)的真空，超高真空是指 1*10-7 mbar ~1*10-11 mbar 范圍內(nèi)的真空。在這樣的范圍內(nèi)，再去通過測(cè)量壓力的大小來測(cè)量壓強(qiáng)，測(cè)量的精度及可靠性，就比較難實(shí)現(xiàn)。

　　壓強(qiáng)的大小一方面體現(xiàn)為力的大小，另一方面還體現(xiàn)為單位體積內(nèi)分子數(shù)的多少。在高真空條件下，可以通過計(jì)量單位體積內(nèi)分子數(shù)的多少，來測(cè)知當(dāng)前的真空度。那么如何獲得單位體積內(nèi)的分子數(shù)呢?

　　我們知道：電子在相同的電子能量，相同的磁場(chǎng)中，所引起的分子電離電流越大，說明分子數(shù)密度越大。離子真空計(jì)就是在高真空條件下，通過計(jì)量分子電離電流的大小來測(cè)得分子數(shù)密度，從而測(cè)得真空度。

　　離子真空計(jì)有兩種形式：

　　Ø 冷陰極離子真空計(jì)（Cold cathode ionizationvacuum gauge），是通過加在陰陽兩極間的高電壓（3 kv左右），激出電子，同時(shí)這個(gè)電場(chǎng)又給了電子能量，用具有一定能量的電子去電離空氣分子。

　　為了提高靈敏度，使得到的電離電流盡可能的大，一般將陰極做成空心圓柱狀，將針狀的陽極放在陰極中間，同時(shí)在陰極外圍設(shè)置磁場(chǎng)（如圖2）。這樣的條件下，電子的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)形成螺旋狀（如圖3），電離空氣的機(jī)會(huì)大大增加，這樣就使得電離的電流盡可能的大，提高了真空計(jì)的靈敏度及精度。

　　Pfeiffer 的冷陰極離子真空計(jì) IKR 系列，測(cè)量范圍為：1*10-2 mbar ~1*10-11 mbar，精度為：± 30%reading，重復(fù)精度：± 5%，具體的參數(shù)可參考：http:///

　　Ø 熱陰極離子真空計(jì) （Hot cathode ionizationvacuum gauge），是通過加熱陰極，激出電子，再設(shè)置一定的電場(chǎng)（100 v 左右），給電子一定的能量，去電離空氣分子。

　　熱陰極離子真空計(jì)在收集電離電流方面與冷陰極離子真空計(jì)有一些區(qū)別，并不是計(jì)量陰陽兩極間的電流，而是另外設(shè)置了電流收集器（ion collector），結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但測(cè)量精度特別是重復(fù)精度也相應(yīng)提高，如 Pfeiffer 的 IMR 265，重復(fù)精度達(dá)到了 2%reading。

　　離子真空計(jì)的使用需要注意：

　　2. 濺鍍 （sputtering）用的氣體如氬氣（Ar）會(huì)加速離子真空計(jì)污染，在探測(cè)元器件表面形成鍍層，甚至?xí)鸲搪?，使真空?jì)失效。使用中需要加強(qiáng)保養(yǎng)，以獲得較好的使用效果及使用壽命。

　　3. 熱陰極離子真空計(jì)要比冷陰極離子真空計(jì)精度高，但會(huì)受X射線影響，陽極材料本身也會(huì)使測(cè)量結(jié)果受影響。