德國萊寶真空計原理

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

真空計簡史

自1643年意大利物理學家E.托里拆利進行大氣壓力實驗以來，先后出現許多種真空計。zui早出現的是Ｕ形管真空計,它只能用來測量粗真空和低真空。1874年,H.G.麥克勞發明的壓縮式真空計,解決了低真空和高真空的壓力的測量，但仍不能進行連續測量。1906年，M.皮喇尼發明電阻式真空計，解決了工業生產中的低真空測量問題。繼而，O.E.巴克利于1916年又發明電離真空計,這在當時不僅解決了10-1～10-5帕的高真空測量,而且促進了油擴散泵等真空設備的發展和應用。1937年，F.M.潘寧發明冷陰極電離真空計，適用于有大量放氣和經常暴露于大氣的真空設備的測量，所以在真空冶金和機械工業中得到廣泛應用。1950年，R.T.貝阿德和D.A.阿爾伯特發明BA式電離真空計,解決了10-8帕的超高真空測量問題,從而使真空測量獲得了突破,并推動了超高真空技術的發展；而與此有關的表面物理、核能、航天和大型集成電路等科學技術也得到了迅速發展。1960年以來，相繼研制成功的調制規、抑制規、彎注規、分離規和磁控式電離規等已能實現10-11帕左右的超高真空測量。

德國真空計分類

德國萊寶真空計可分為真空計和相對真空計兩大類。凡能從其本身測得的物理量（如液柱高度、工作液、比重等）直接計算出氣體壓力的稱真空計，這種真空計測量精度較高，主要用作基準量具。相對真空計主要利用氣體在低壓力下的某些物理特性（如熱傳導、電離、粘滯性和應變等）與壓力的關系間接測量，其測量精度較低，而且測量結果還與被測氣體種類和成分有關。因此相對真空計必須用真空計標定和校準后方能用作真空測量。但它能直接讀出被測壓力，使用方便，在實際應用中占絕大多數。真空技術需要測量的壓力范圍為105～10-11帕，甚至更小,寬達16個數量級以上,尚無一種真空計能適用于從粗真空（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）的全范圍測量,因而有多種真空計。zui常用的有U形管真空計、壓縮式真空計、電阻真空計和冷熱陰極電離真空計。U形管真空計用以測量粗真空和低真空的真空計（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），另一端接被測真空系統。根據兩邊管中的壓差所造成的液柱差可測出被測真空系統的壓力。壓縮式真空計又稱麥克勞真空計，是一種測量低真空和高真空的真空計。這種真空計一般用硬質玻璃制成（圖2a）。A是一根與被測真空系統相連接的開管，D、B為內徑相同的毛細管，V為球泡,其體積遠大于毛細管。測量時，通過活塞2抽真空，然后用活塞1充氣,使汞儲存器C中的汞上升到覆沒交叉口ΜΜ′，則D、V和B、A內的氣體被隔成兩個區域。再充氣繼續提高汞液面,D、V內的氣體則進一步被壓縮，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管的高度是可測出的，所以用玻意耳定律即可算出被測壓力。測量精度較高,在10-3帕時的精度小于或等于5％。電阻真空計又稱皮喇尼真空計，是一種測量低真空的相對真空計，主要由電阻式規管和測量線路兩部分組成。電阻式規管（圖3）是在管殼內封裝著一條電阻溫度系數較大的電阻絲，常用的為鎢或鉑絲。測量時，規管與被測真空系統相接，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有關，而氣體分子的熱傳導又與壓力有關。當被測壓力降低時，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。因此根據電阻值的大小就可測量出壓力。熱陰極電離真空計通稱電離真空計，主要用于高真空測量。它是由圓筒式熱陰極電離規管（圖4）和測量線路兩部分組成。這種規管與三極電子管相似，有3個電極：陰極（燈絲）、螺旋形柵極（加速極）和圓筒形收集極。測量時，規管與被測真空系統相連。通電后，熱陰極發射電子，在飛向帶正電位的加速極的路程中與管內空間的低壓氣體分子碰撞,使氣體分子電離。電離所產生的電子和離子,分別在加速極和收集極（帶負電位）上形成電子流Ie和離子流Ii。在被測氣體壓力低于10-1帕的狀況下,當電子流Ie恒定時，離子流Ii與被測真空系統中的氣體分子密度（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。這種真空計的測量范圍為10-1～10-5帕。此外,還有測量上限能達102帕以上的高壓力電離真空計。這種電離真空計在工作時，陰極發射的電子撞擊加速極時產生軟性X射線，照射到收集極上時便引起收集極的光電子發射，因而就在離子流測量回路中增加一個與被測壓力無關的剩余光電流IX,限制測量下限的擴展。為了減少這種軟X射線對收集極的影響，人們又研制出BA式電離規管（圖5）。它是將收集極改為針形，并與陰極的位置對換，這樣使光電流IX大為減少，使壓力測量下限從10-5帕擴展到10-8帕左右，從而解決了超高真空測量的問題。冷陰極電離真空計一種測量高真空的相對真空計。它由電離規管和測量線路兩部分組成（圖6）。規管一般由兩塊平行的陰極、一個環形的陽極和產生磁場的磁鋼構成。在電極之間加有高壓直流電場，而整個規管的電極系統又置于垂直電極平面的磁場中。在正交電場和磁場的作用下，由低壓氣體分子電離產生的放電電流是被測壓力的函數，所以放電電流的大小可作為壓力的度量。

熱偶真空計，電阻真空計，壓敏真空計，電離真空計，熱偶與電離復合真空計，電阻與電離復合真空計，壓敏與電離復合真空計，

按真空度刻度方法分類

（1）真空計：直接讀取氣體壓力，其壓力響應（刻度）可通過自身幾何尺寸計算出來或由測力確定。真空計對所有氣體都是準確的且與氣體種類無關，屬于真空計的有U型鎊壓力計、壓縮式真空計和熱輻射真空計等。

（2）相對真空計：由一些氣體壓力有函數關系的量來確定壓力，不能通過簡單的計算進刻度，必須進行校準才能刻度。相對真空計一般由作為傳感器的真空計規管（或規頭）和用于控制、指示的測量器組成。讀數與氣體種類有關。相對真空計的種類很多，如熱傳導真空計和電離真空計等。

按真空計測量原理分類

直接測量真空計這種真空計直接測量單位面積上的力，有:

（1）靜態液位真空計：利用U型管兩端液面差來測量壓力。

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

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

（1）壓縮式真空計：其原理是在U型管的基礎上再應用波義耳定律，即將一定量待測壓力的氣體，經過等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計測量，然后用體積和壓力的關系計算被測壓力。

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

（3）熱輻射真空計：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關原理。

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

（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的性質判定真空度，一般僅能作為定性測量。

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

（7）場致顯微儀：以吸附和解吸時間與壓力關系計算壓力。

（8）分壓力真空計：利用質譜技術進行混合氣體分壓力測量。常用的有四極質譜計、回旋質譜計和射頻質譜.