氣體的稀薄程度也可以用氣體分子密度(單位容積中氣體分子數(shù))n來描述。對于*平衡態(tài)的理想氣體分子,P=nkT,k為玻耳茲曼常數(shù),T為溫度。測量真空度的裝置稱為真空計,真空計的壓強(qiáng)敏感元件稱為規(guī)頭。某些真空計可直接測量氣體總壓強(qiáng),某些真空計雖然也給出壓強(qiáng)讀數(shù),而實際測量的是氣體分子密度,測量結(jié)果與環(huán)境溫度有關(guān)。
常見的真空計有:
1.熱傳導(dǎo)真空計
利用氣體在不同壓強(qiáng)下熱傳導(dǎo)能力隨之變化的原理測量氣體壓強(qiáng)。在這類真空計中,以一定加熱電流通過裝有熱絲的規(guī)頭,熱絲的溫度決定于加熱和散熱之間的平衡。散熱能力是氣體壓強(qiáng)的函數(shù),故熱絲的溫度隨壓強(qiáng)而變化。如用一附加的熱偶測量熱絲的溫度,則這種規(guī)頭稱為熱偶規(guī);如利用熱絲本身的電阻值來反映溫度,則稱電阻規(guī)或皮喇尼規(guī)。氣體熱傳導(dǎo)只在低壓強(qiáng)(P<100帕)下隨壓強(qiáng)變化,而低至10-1帕?xí)r氣體熱傳導(dǎo)又不是主要的散熱方式,因此熱傳導(dǎo)真空計主要用于100~10-1帕范圍,采取特殊措施可擴(kuò)大測量范圍。熱傳導(dǎo)真空計的指示不但和氣體種類有關(guān),而且易受熱絲表面污染、環(huán)境溫度等因素影響,故準(zhǔn)確度不高,只作粗略的真空指示用
2.皮拉尼真空計
其工作原理是:真空度不同,單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)就不同,對于正在發(fā)熱的電阻絲帶走熱量的能力(散熱能力)就不同,電阻絲溫度就不同,因為電阻絲的電阻率是溫度的函數(shù),所以不同的真空度就引起了電阻率的不同,則電阻就不同,電流在電阻絲上的壓降就不同,根據(jù)電壓的變化就能換算出空氣壓強(qiáng),也就是測量真空度。實際的皮拉尼真空計一般做成四臂電橋,并有用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娮杞z與其串聯(lián)。
3.電容薄膜真空計
屬彈性元件真空計,彈性薄膜將規(guī)管真空室分為兩個小室,即參考壓強(qiáng)室和測量室。測量低壓強(qiáng)(P<100帕)時,參考室抽至高真空,其壓強(qiáng)近似為零。當(dāng)測量室壓強(qiáng)不同時,薄膜變形的程度也不同。在測量室中有一固定電極,它與薄膜形成一個電容器。薄膜變形時電容值相應(yīng)改變,通過電容電橋可測量電容的變化從而確定相應(yīng)壓強(qiáng)值。為了防止薄膜發(fā)生蠕變,通常采用零位法測量,即在固定電極和薄膜之間加一直流電壓,利用靜電力補(bǔ)償薄膜受壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的應(yīng)力,使膜片保持零位。電容薄膜真空計可直接測量氣體或蒸氣的壓強(qiáng),測量值與氣體種類無關(guān)、結(jié)構(gòu)牢固、可經(jīng)受烘烤,如對不同壓強(qiáng)范圍采用不同規(guī)頭,可得到較高精度。電容薄膜真空計可用于高純氣體監(jiān)測、低真空精密測量和壓強(qiáng)控制,也可用作低真空測量的副標(biāo)準(zhǔn)。
4.電離真空計
簡稱電離計,利用氣體電離的原理來測量壓強(qiáng)。電離真空計分為熱陰極和冷陰極兩大類。熱陰極電離真空計的規(guī)頭中通常有三個電極,即陰極、陽極和收集極,分別起發(fā)射電子、加速電子和收集離子的作用。電子從陰極向陽極運(yùn)動的過程中使氣體電離,如果忽略二次電離效應(yīng)(指電離過程中產(chǎn)生的新電子受電場加速又獲得電離能力并引起新的電離),每個從陰極發(fā)出的電子所產(chǎn)生的正離子數(shù)和空間的氣體密度成正比,因此在一定溫度下和壓強(qiáng)成正比。所以收集極接收的離子流Ii=SIeP,Ie為陰極電子發(fā)射電流,S為比例常數(shù),稱為電離計系數(shù)。在一定溫度下用標(biāo)準(zhǔn)真空計校驗電離計系數(shù)后,即可根據(jù)離子流的大小確定壓強(qiáng)。熱陰極電離計規(guī)頭主要類型陰極一般采用鎢絲,陽極可做成柵網(wǎng)狀,使電子能在其兩側(cè)來回穿行以增加電子的行程,故又稱柵極。三極管型電離計收集極為圓筒形并置于柵極外側(cè)其壓強(qiáng)測量范圍是10-1~10-5帕。當(dāng)工作壓強(qiáng)高于10-1帕?xí)r,鎢絲壽命縮短,而且由于二次電離效應(yīng),離子流與壓強(qiáng)的關(guān)系開始偏離線性。涂氧化釷或氧化釔的銥絲陰極可工作在高達(dá)100帕的壓強(qiáng)下并有相當(dāng)長的壽命,這種燈絲即使在大氣中加熱也不致?lián)p壞。如果電離計規(guī)頭采用這種燈絲,并把陽極和收集極都做成特殊形式,縮短電極間距離,降低陽極電壓,使氣體電離幾率降低(即電離計系數(shù)降低),則這種電離計可以測量10-3~100帕的壓強(qiáng),稱為高壓強(qiáng)電離計。三極管型電離計測量低壓強(qiáng)的下限決定于收集極的光電流,即由于電子打在陽極上產(chǎn)生的軟X射線照射到收集極上引起光電發(fā)射,光電流便構(gòu)成收集極電流的本底。當(dāng)光電流占離子流的10%時即達(dá)到電離計的測量下限。將電離計規(guī)頭收集極做成細(xì)絲并放在柵極軸線位置上,燈絲位于柵極外側(cè),這時電離計的靈敏度變化不大,而由于收集極面積小,它所截獲的X射線比三極管型減少3個數(shù)量級,這種電離計可測量低至10-8帕的壓強(qiáng)。它是1950年由貝亞得和阿爾玻特提出的,故稱BA計。為測量10-9帕或更低的壓強(qiáng)可采用調(diào)制BA計、引出極電離計、彎柱電離計或熱陰極磁控電離計等。這些電離計還能在一定程度上排除柵極電子誘導(dǎo)脫附離子對壓強(qiáng)測量的影響。
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