真空测量技术

真空测量技术
测量容器中或某部分空间气体的稀薄程度（即真空度）的技术。

真空测量技术在真空电子器件工艺、固态电子器件工艺、集成电路工艺、表面分析技术等领域有广泛应用。

真空度常用容器中气体的总压强 P来表示。

气体压强的测量单位是牛顿/米2，简称帕(Pa)，传统上气体压强单位采用毫米汞柱，后来发现汞的同位素组成不是唯一的，故在1971年国际计量会议规定
1标准大气压＝101325.0帕＝760托 (Torr)
1毫米汞柱（mmHg）和1托相近，两者相差约千万分之一。

压强的另一单位是巴(bar)，
1巴＝106达因/厘米2＝105帕
故 1毫米汞柱≈1托≈133.3帕＝1.333毫巴
气体的稀薄程度也可以用气体分子密度（单位容积中气体分子数）n来描述。

对于完全平衡态的理想气体分子,P＝nkT,k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度。

测量真空度的装置称为真空计，真空计的压强敏感元件称为规头。

某些真空计可直接测量气体总压强，某些真空计虽然也给出压强读数，而实际测量的是气体分子密度，测量结果与环境温度有关。

当容器中同时存在多种气体成分时，容器中气体总压强等于各气体分压强之和。

总压强测量方法可分为直接法和间接法两种。

直接法利用液柱差、机械变形等原理直接测量压强，包括液位压强计、压缩式真空计、弹性元件真空计等。

根据前两种仪器测出的物理量可算出压强值，属于绝对真空计。

间接法利用气体某些物理性质（如热传导、粘滞性、电离及光散射效应等）来测量压强，包括热传导真空计、粘滞真空计及电离真空计等。

在真空技术中使用的真空计绝大多数采用间接法，这些真空计必须用绝对真空计或其他方法校准。

对于用间接法测量的真空计，
由于不同种类气体的物理性质不同，即使在相同压强下，压强读数也随气体而异，因此要用相应的气体来校准。

当被测气体不是单一成分时，这些真空计的读数的含义较为复杂。

由于一般真空计校准时所采用的气体是纯氮，因此这些真空计的读数在未经气体种类修正之前统称为等效氮压强。

当被测空间包含多种气体成分时，只有通过分压强测量才能精确地反映容器中的真空状态和总压强（见真空质谱计）。

各种真空计的测量范围见表。

在选择真空计类型时，除考虑测量范围外，还应注意各种真空计的准确度、对工作条件的适应性、对被测环境的影响（如真空规头本身放气、吸气的影响）和压强读数是否与气体种类有关等。

压缩式真空计 又称麦克劳计(图1)。

它将汞提升，把体积为V、初始压强与被测压强P相同的气体压缩到末端封闭的毛细管1中，然后测量封闭毛细管1和比较毛细管2两者的汞液面高度差。

根据理想气体等温压缩原理,封闭毛细管中的压强为PV/πr2h1，而比较毛细管上的压强仍为P,两者的压强差对应于汞液面高度差h，汞液面高度可由读数显微镜读出，如 V»πr2h1,则P埄πr2h1h/V，单位为毫米汞柱。

麦克劳计不能测量可凝气体的压强。

为了防止汞蒸气进入被测容器，一般用液氮冷阱隔离。

麦克劳计笨重，汞蒸气对人体有害，主要作标准真空计用。

在10-2帕和10-3帕时，它的精度分别可达±1％和±3％，高压强下精度更高。

电容薄膜真空计 属弹性元件真空计，其结构和电路原理如图2。

一弹性薄膜将规管真空室分为两个小室，即参考压强室和测量室。

测量低压强 (P＜100帕)时，参考室抽至高真空,其压强近似为零。

当测量室压强不同时，薄膜变形的程度也不同。

在测量室中有一固定电极，它与薄膜形成一个电容器。

薄膜变形时电容值相应改变，通过电容电桥可测量电容的变化从而确定相应压强值。

为了防止薄膜发生蠕变，通常采用零位法测量，即在固定电极和薄膜之间加一直流电压，利用静电力补偿薄膜受压强差而产生的应力，使膜片保持零位。

电容薄膜真空计可直接测量气体或蒸气的压强，测量值与气体种类无关、结构牢固、可经受烘烤，如对不同压强范围采用不同规头，可得到较高精度。

电容薄膜真空计可用于高纯气体监测、低真空精密测量和压强控制，也可用作低真空测量的副标准。

热传导真空计 利用气体在不同压强下热传导能力随之变化的原理测量气体压强。

在这类真空计中，以一定加热电流通过装有热丝的规头，热丝的温度决定于加热和散热之间的平衡。

散热能力是气体压强的函数，故热丝的温度随压强而变化。

如用一附加的热偶测量热丝的温度，则这种规头称为热偶规；如利用热丝本身的电阻值来反映温度，则称电阻规或皮喇尼规。

气体热传导只在低压强 (P＜100帕)下随压强变化，而低至10-1帕时气体热传导又
不是主要的散热方式，因此热传导真空计主要用于100～10-1帕范围，采取特殊措施可扩大测量范围。

热传导真空计的指示不但和气体种类有关，而且易受热丝表面污染、环境温度等因素影响，故准确度不高，只作粗略的真空指示用。

粘滞真空计 利用在真空中转动或振动的物体受气体分子阻尼作用而发生运动衰减的现象来测量气体压强。

气体分子的阻尼力与压强有关。

实际使用的粘滞真空计主要有磁悬浮转子真空计和振膜真空计。

磁悬浮转子真空计利用可控磁场把不锈钢球悬浮在真空中，用旋转磁场把钢球加速到400转／秒，然后停止加速,任其自然衰减，用电子学方法精确测量其转速衰减率，从而确定压强。

这种真空计具有很高的测量精度，吸气、放气速率小，压强指示受气体种类影响小，如钢球表面镀金则可在较恶劣的气氛下工作。

然而这种真空计在高真空端的读数受振动影响较大,测量时间也较长。

因此,这种真空计可作为 1～10-4 帕范围内的副标准真空计或用作标准传递真空计。

电离真空计 简称电离计，利用气体电离的原理来测量压强。

电离真空计分为热阴极和冷阴极两大类。

热阴极电离真空计的规头中通常有三个电极，即阴极、阳极和收集极，分别起发射电子、加速电子和收集离子的作用。

电子从阴极向阳极运动的过程中使气体电离，如果忽略二次电离效应（指电离过程中产生的新电子受电场加速又获得电离能力并引起新的电离），每个从阴极发出的电子所产生的正离子数和空间的气体密度成正比，因此在一定温度下和压强成正比。

所以收集极接收的离子流I i＝SI e P，I e为阴极电子发射电流，S为比例常数，称为电离计系数。

在一定温度下用标准真空计校验电离计系数后，即可根据离子流的大小确定压强。

热阴极电离计规头主要类型和结构如图3。

阴极一般采用钨丝，阳极可做成栅网状，使电子能在其两侧来回穿行以增加电子的行程，故又称栅极。

三极管型电离计收集极为圆筒形并置于栅极外侧（图3a），其压强测量范围是 10-1～10-5帕。

当工作压强高于1 0-1帕时，钨丝寿命缩短,而且由于二次电离效应，离子流与压强的关系开始偏离线性。

涂氧
化钍或氧化钇的铱丝阴极可工作在高达 100帕的压强下并有相当长的寿命，这种灯丝即使在大气中加热也不致损坏。

如果电离计规头采用这种灯丝，并把阳极和收集极都做成特殊形式(图3b)，缩短电极间距离，降低阳极电压，使气体电离几率降低（即电离计系数降低），则这种电离计可以测量10-3～100帕的压强，称为高压强电离计。

三极管型电离计测量低压强的下限决定于收集极的光电流，即由于电子打在阳极上产生的软 X射线照射到收集极上引起光电发射，光电流便构成收集极电流的本底。

当光电流占离子流的10％时即达到电离计的测量下限。

将电离计规头收集极做成细丝并放在栅极轴线位置上（图3c），灯丝位于栅极外侧，这时电离计的灵敏度变化不大，而由于收集极面积小，它所截获的X射线比三极管型减少3个数量级，这种电离计可测量低至10-8 帕的压强。

它是1950年由贝亚得和阿尔玻特提出的，故称BA计。

为测量10-9 帕或更低的压强可采用调制 BA 计、引出极电离计、弯柱电离计或热阴极磁控电离计等。

这些电离计还能在一定程度上排除栅极电子诱导脱附离子对压强测量的影响。

冷阴极电离计靠阴极光电发射（或场致发射）和正离子轰击阴极所引起的二次发射提供电子，利用磁场加长电子行程。

一般冷阴极电离计（如潘宁计）的轴向磁场约300～400高斯，阳极电压为1000～2000伏，灵敏度系数为10-2安／帕，工作范围为1～10-4 帕。

冷阴极电离计结构简单、牢固，在工业真空系统中作真空粗略指示或控制用。

如增强其磁场并采用类似磁控管的结构，测量下限可扩展至10-8～10-9帕，然而这种电离计在接近低压强端，I i-P曲线呈非线性，有时因放电模式变化，曲线出现不连续现象，对测量有一定影响。

真空计的校准 有三种方法。

①直接比对法：从大气压到10-3 帕可采取和绝对真空计直接比对的方法进行校准。

②膨胀法：使小体积的、压强已知的气体在等温情况下膨胀到大体积中，从而得到低的已知压强。

如果减小器壁吸附和真空计吸气、放气的影响，此法校准下限可达10-5 帕,精度达±3％。

③动态流导法：利用气体通过小孔在其两侧产生压强差的原理。

如已知小孔流导，测出流量和小孔一侧的压强便可算出另一侧压强。

此法的校准范围是10-2～10-7帕，然而低压强端的校准精度只有±10％左右。