德國(guó)萊寶真空計(jì)原理

德國(guó)萊寶真空計(jì)Leyboldvacuumgauge用于測(cè)量低于大氣壓的稀薄氣體總壓力的儀表，又稱真空規(guī)。真空計(jì)的測(cè)量單位沿用壓力測(cè)量單位，壓力的單位為帕（Pa），曾使用的單位還有托（Torr）和毫巴（mbar）等

真空計(jì)簡(jiǎn)史

自1643年意大利物理學(xué)家E.托里拆利進(jìn)行大氣壓力實(shí)驗(yàn)以來，先后出現(xiàn)許多種真空計(jì)。zui早出現(xiàn)的是Ｕ形管真空計(jì),它只能用來測(cè)量粗真空和低真空。1874年,H.G.麥克勞發(fā)明的壓縮式真空計(jì),解決了低真空和高真空的壓力的測(cè)量，但仍不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。1906年，M.皮喇尼發(fā)明電阻式真空計(jì)，解決了工業(yè)生產(chǎn)中的低真空測(cè)量問題。繼而，O.E.巴克利于1916年又發(fā)明電離真空計(jì),這在當(dāng)時(shí)不僅解決了10-1～10-5帕的高真空測(cè)量,而且促進(jìn)了油擴(kuò)散泵等真空設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用。1937年，F(xiàn).M.潘寧發(fā)明冷陰極電離真空計(jì)，適用于有大量放氣和經(jīng)常暴露于大氣的真空設(shè)備的測(cè)量，所以在真空冶金和機(jī)械工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。1950年，R.T.貝阿德和D.A.阿爾伯特發(fā)明BA式電離真空計(jì),解決了10-8帕的超高真空測(cè)量問題,從而使真空測(cè)量獲得了突破,并推動(dòng)了超高真空技術(shù)的發(fā)展；而與此有關(guān)的表面物理、核能、航天和大型集成電路等科學(xué)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。1960年以來，相繼研制成功的調(diào)制規(guī)、抑制規(guī)、彎注規(guī)、分離規(guī)和磁控式電離規(guī)等已能實(shí)現(xiàn)10-11帕左右的超高真空測(cè)量。

德國(guó)真空計(jì)分類

德國(guó)萊寶真空計(jì)可分為真空計(jì)和相對(duì)真空計(jì)兩大類。凡能從其本身測(cè)得的物理量（如液柱高度、工作液、比重等）直接計(jì)算出氣體壓力的稱真空計(jì)，這種真空計(jì)測(cè)量精度較高，主要用作基準(zhǔn)量具。相對(duì)真空計(jì)主要利用氣體在低壓力下的某些物理特性（如熱傳導(dǎo)、電離、粘滯性和應(yīng)變等）與壓力的關(guān)系間接測(cè)量，其測(cè)量精度較低，而且測(cè)量結(jié)果還與被測(cè)氣體種類和成分有關(guān)。因此相對(duì)真空計(jì)必須用真空計(jì)標(biāo)定和校準(zhǔn)后方能用作真空測(cè)量。但它能直接讀出被測(cè)壓力，使用方便，在實(shí)際應(yīng)用中占絕大多數(shù)。真空技術(shù)需要測(cè)量的壓力范圍為105～10-11帕，甚至更小,寬達(dá)16個(gè)數(shù)量級(jí)以上,尚無一種真空計(jì)能適用于從粗真空（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*真空（小于10-10帕）的全范圍測(cè)量,因而有多種真空計(jì)。zui常用的有U形管真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)、電阻真空計(jì)和冷熱陰極電離真空計(jì)。U形管真空計(jì)用以測(cè)量粗真空和低真空的真空計(jì)（圖1）。在U字形的玻璃管中充以工作液（低蒸氣壓的油、汞）。管的一端被抽成真空（或直接通大氣），另一端接被測(cè)真空系統(tǒng)。根據(jù)兩邊管中的壓差所造成的液柱差可測(cè)出被測(cè)真空系統(tǒng)的壓力。壓縮式真空計(jì)又稱麥克勞真空計(jì)，是一種測(cè)量低真空和高真空的真空計(jì)。這種真空計(jì)一般用硬質(zhì)玻璃制成（圖2a）。A是一根與被測(cè)真空系統(tǒng)相連接的開管，D、B為內(nèi)徑相同的毛細(xì)管，V為球泡,其體積遠(yuǎn)大于毛細(xì)管。測(cè)量時(shí)，通過活塞2抽真空，然后用活塞1充氣,使汞儲(chǔ)存器C中的汞上升到覆沒交叉口ΜΜ′，則D、V和B、A內(nèi)的氣體被隔成兩個(gè)區(qū)域。再充氣繼續(xù)提高汞液面,D、V內(nèi)的氣體則進(jìn)一步被壓縮，壓力增高。這樣D、B間存在的壓差可由汞柱高度差來表示（圖2b）。玻璃容器的體積和毛細(xì)管的高度是可測(cè)出的，所以用玻意耳定律即可算出被測(cè)壓力。測(cè)量精度較高,在10-3帕?xí)r的精度小于或等于5％。電阻真空計(jì)又稱皮喇尼真空計(jì)，是一種測(cè)量低真空的相對(duì)真空計(jì)，主要由電阻式規(guī)管和測(cè)量線路兩部分組成。電阻式規(guī)管（圖3）是在管殼內(nèi)封裝著一條電阻溫度系數(shù)較大的電阻絲，常用的為鎢或鉑絲。測(cè)量時(shí)，規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相接，用一定的電壓、電流加熱電阻絲，其表面溫度可用電阻值來反映，且與周圍的氣體分子的熱傳導(dǎo)有關(guān)，而氣體分子的熱傳導(dǎo)又與壓力有關(guān)。當(dāng)被測(cè)壓力降低時(shí)，由氣體分子傳走的熱量減小，電阻絲表面溫度就增高，電阻值增大；反之，電阻值減小。因此根據(jù)電阻值的大小就可測(cè)量出壓力。熱陰極電離真空計(jì)通稱電離真空計(jì)，主要用于高真空測(cè)量。它是由圓筒式熱陰極電離規(guī)管（圖4）和測(cè)量線路兩部分組成。這種規(guī)管與三極電子管相似，有3個(gè)電極：陰極（燈絲）、螺旋形柵極（加速極）和圓筒形收集極。測(cè)量時(shí)，規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相連。通電后，熱陰極發(fā)射電子，在飛向帶正電位的加速極的路程中與管內(nèi)空間的低壓氣體分子碰撞,使氣體分子電離。電離所產(chǎn)生的電子和離子,分別在加速極和收集極（帶負(fù)電位）上形成電子流Ie和離子流Ii。在被測(cè)氣體壓力低于10-1帕的狀況下,當(dāng)電子流Ie恒定時(shí)，離子流Ii與被測(cè)真空系統(tǒng)中的氣體分子密度（亦即壓力p）成正比。因此,離子流的大小就可作為壓力的度量。這種真空計(jì)的測(cè)量范圍為10-1～10-5帕。此外,還有測(cè)量上限能達(dá)102帕以上的高壓力電離真空計(jì)。這種電離真空計(jì)在工作時(shí)，陰極發(fā)射的電子撞擊加速極時(shí)產(chǎn)生軟性X射線，照射到收集極上時(shí)便引起收集極的光電子發(fā)射，因而就在離子流測(cè)量回路中增加一個(gè)與被測(cè)壓力無關(guān)的剩余光電流IX,限制測(cè)量下限的擴(kuò)展。為了減少這種軟X射線對(duì)收集極的影響，人們又研制出BA式電離規(guī)管（圖5）。它是將收集極改為針形，并與陰極的位置對(duì)換，這樣使光電流IX大為減少，使壓力測(cè)量下限從10-5帕擴(kuò)展到10-8帕左右，從而解決了超高真空測(cè)量的問題。冷陰極電離真空計(jì)一種測(cè)量高真空的相對(duì)真空計(jì)。它由電離規(guī)管和測(cè)量線路兩部分組成（圖6）。規(guī)管一般由兩塊平行的陰極、一個(gè)環(huán)形的陽極和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁鋼構(gòu)成。在電極之間加有高壓直流電場(chǎng)，而整個(gè)規(guī)管的電極系統(tǒng)又置于垂直電極平面的磁場(chǎng)中。在正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，由低壓氣體分子電離產(chǎn)生的放電電流是被測(cè)壓力的函數(shù)，所以放電電流的大小可作為壓力的度量。

熱偶真空計(jì)，電阻真空計(jì)，壓敏真空計(jì)，電離真空計(jì)，熱偶與電離復(fù)合真空計(jì)，電阻與電離復(fù)合真空計(jì)，壓敏與電離復(fù)合真空計(jì)，

按真空度刻度方法分類

（1）真空計(jì)：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(yīng)（刻度）可通過自身幾何尺寸計(jì)算出來或由測(cè)力確定。真空計(jì)對(duì)所有氣體都是準(zhǔn)確的且與氣體種類無關(guān)，屬于真空計(jì)的有U型鎊壓力計(jì)、壓縮式真空計(jì)和熱輻射真空計(jì)等。

（2）相對(duì)真空計(jì)：由一些氣體壓力有函數(shù)關(guān)系的量來確定壓力，不能通過簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)刻度，必須進(jìn)行校準(zhǔn)才能刻度。相對(duì)真空計(jì)一般由作為傳感器的真空計(jì)規(guī)管（或規(guī)頭）和用于控制、指示的測(cè)量器組成。讀數(shù)與氣體種類有關(guān)。相對(duì)真空計(jì)的種類很多，如熱傳導(dǎo)真空計(jì)和電離真空計(jì)等。

按真空計(jì)測(cè)量原理分類

直接測(cè)量真空計(jì)這種真空計(jì)直接測(cè)量單位面積上的力，有:

（1）靜態(tài)液位真空計(jì)：利用U型管兩端液面差來測(cè)量壓力。

（2）彈性元件真空計(jì)：利用與真空相連的容器表面受到壓力的作用而產(chǎn)生彈性變形來測(cè)量壓力值的大小。

間接測(cè)量真空計(jì)壓力為10-1Pa時(shí)，作用在1cm2表面上力只有10-5N，顯然測(cè)量這樣小的力是困難的。但可根據(jù)低壓下與氣體壓力有關(guān)的物理量的變化來間接測(cè)量壓力的變化。屬于這類的真空計(jì)有：

（1）壓縮式真空計(jì)：其原理是在U型管的基礎(chǔ)上再應(yīng)用波義耳定律，即將一定量待測(cè)壓力的氣體，經(jīng)過等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計(jì)測(cè)量，然后用體積和壓力的關(guān)系計(jì)算被測(cè)壓力。

（2）熱傳導(dǎo)真空計(jì)：利用低壓下氣體熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)這一原理制成。常用的有電阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)。

（3）熱輻射真空計(jì)：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關(guān)原理。

（4）電離真空計(jì)：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產(chǎn)生的離子流隨電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計(jì)、冷陰極電離真空計(jì)和放射性電離真空計(jì)等。

（5）放電管指示器：利用氣體放電情況和放電顏色與壓力有關(guān)的性質(zhì)判定真空度，一般僅能作為定性測(cè)量。

（6）粘滯真空計(jì)：利用低壓下氣體與容器壁的動(dòng)量交換即外摩擦原理。如振膜式真空計(jì)和磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)。

（7）場(chǎng)致顯微儀：以吸附和解吸時(shí)間與壓力關(guān)系計(jì)算壓力。

（8）分壓力真空計(jì)：利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行混合氣體分壓力測(cè)量。常用的有四極質(zhì)譜計(jì)、回旋質(zhì)譜計(jì)和射頻質(zhì)譜.