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1、培训系列之培训系列之6(6(刘玉岱刘玉岱) )：真：真空测量技术基础空测量技术基础 (2) (2)Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技术真空技术o一. 真空技术概况 （巴德纯）o二. 真空工程理论基础 （张世伟）o三. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯）o四. 真空系统组成与设计基础 （刘坤）o五. 真空获得设备原理与技术基础 （张以忱）o六. 真空测量技术基础 （刘玉岱）o七.真空镀膜技术基础 （张以忱）o八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱）o九. 真空冶金技术基础
2、 （王晓冬）o十. 真空与低温技术及设备 （徐成海）东北大学第八期东北大学第八期培训系列之培训系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid
3、 Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1 .2
4、 真空度的表征及单位真空度的表征及单位o 用压力表示真空度是由历史上采用用压力表示真空度是由历史上采用U型压力型压力计测量真空所形成的，这并不十分合理。计测量真空所形成的，这并不十分合理。o 在一般真空系统中，通常以各向同性的中性在一般真空系统中，通常以各向同性的中性气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度，气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度，因此，真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但因此，真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容器内、静止器内、静止(随机运动随机运动)、稳态、各向同性单一的、稳态、各向同
5、性单一的中性气氛。在这种情况下，麦克斯威速度分布、中性气氛。在这种情况下，麦克斯威速度分布、余弦散射定律和流体静力学压力概念余弦散射定律和流体静力学压力概念 （ ） 都较好地符合客观实际，真空度的测量也比较简都较好地符合客观实际，真空度的测量也比较简单容易。单容易。1,4pnkT vnc pgh1,4pn k Tvn cpg hVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 根据真空度定义，真空度最好用分子密度根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表表示，而以压力表示真空度与此并不矛
6、盾。测量压示，而以压力表示真空度与此并不矛盾。测量压力时，一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度力时，一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度分布定律，即分布定律，即 成立。成立。 测量时气体温度测量时气体温度T一定，所以气体压力一定，所以气体压力p正正比于分子密度比于分子密度n。也就是说，此时压力是分子密。也就是说，此时压力是分子密度的量度，所以可以用压力表示真空度。度的量度，所以可以用压力表示真空度。o 在空间研究中，研究对象是无限空间的运动在空间研究中，研究对象是无限空间的运动(110km s-1或更高或更高)、非稳态、综合环境作用下、非稳态、综合环境作用下的复杂气氛，此时麦克斯威速度分布定律
7、和余弦的复杂气氛，此时麦克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以压力也失去了原来散射定律就不一定成立，所以压力也失去了原来的物理意义，真空度的测量比较复杂和困难了。的物理意义，真空度的测量比较复杂和困难了。pnkTVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 在一般情况下，以压力表示真空度是流行、在一般情况下，以压力表示真空度是流行、沿用的，但也不是唯一的，还可以用如下参数表沿用的，但也不是唯一的，还可以用如下参数表示真空度：示真空度：粒子密度粒子密度n、分子平均自由程、
8、分子平均自由程 、碰、碰撞次数撞次数z、覆盖时间、覆盖时间 。 o 当真空度很高时，即分子密度很小时，统计当真空度很高时，即分子密度很小时，统计涨落十分明显，如压力涨落十分明显，如压力p=10-12Pa时，统计涨落已时，统计涨落已大于大于510-2 ，压力已失去真实意义。由此看来，压力已失去真实意义。由此看来，在某些情况下，压力只是其它量的相对指示而已。在某些情况下，压力只是其它量的相对指示而已。/()npkT/()npkTVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 根据气体分子
9、对表面碰撞而定义的气体压力，根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力，是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间变化率，即单位面积上所受的力，单位为变化率，即单位面积上所受的力，单位为“帕斯帕斯卡卡”(Pascal)，简称，简称“帕帕”(Pa)。 lPa1Nm-2o 在工程上有时嫌帕的量值太小，常采用在工程上有时嫌帕的量值太小，常采用kPa和和MPa表示压力。表示压力。o 低真空时，有时用低真空时，有时用“真空度百分数真空度百分数”表示，表示，比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗茨真空泵常用此单位表示真空度
10、。当压力茨真空泵常用此单位表示真空度。当压力p102Pa时，真空度百分数为时，真空度百分数为（p0-p）/p0100 式中式中p0 标准大气压力，标准大气压力，Pa。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China13真空计分类真空计分类按真空刻度方法分类：按真空刻度方法分类：（1）绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响）绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响 应（刻度）可通过自身几何尺寸计算出来或由测应（刻度）可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。与气体种类无关。力确定。与气体种类
11、无关。（2）相对真空计：由一些与气体压力有函数关系）相对真空计：由一些与气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进行刻度，的量来确定压力，不能通过简单的计算进行刻度，必须进行校准才能刻度。一般由作为传感器的真必须进行校准才能刻度。一般由作为传感器的真空计规管（或规头）和用于控制、指示的测量器空计规管（或规头）和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。组成。读数与气体种类有关。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao按真空计测量原理分类按真空计测量原理分类(1
12、)直接测量真空计直接测量真空计 这种真空计直接测量单位面积上的力，有这种真空计直接测量单位面积上的力，有 A.静态液位真空计：利用静态液位真空计：利用U型管两端液面型管两端液面差来测量压力。差来测量压力。 B.弹性元件真空计：利用与真空相连的容弹性元件真空计：利用与真空相连的容器表面受到压力的作用而产生弹性变形来器表面受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的大小。测量压力值的大小。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China(2)间接测量真空计间接测量真空计 压力为压力为10-1P
13、a时，作用在时，作用在1cm2表面上力只有表面上力只有10-5N，显然测量这样小的力是困，显然测量这样小的力是困难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空计有：计有： A.压缩式真空计：其原理是在压缩式真空计：其原理是在U型管的基础上再型管的基础上再应用波义耳定律，即将一定量待测压力的气体，应用波义耳定律，即将一定量待测压力的气体，经过等温压缩使之压力增加，以便用经过等温压缩使之压力增加，以便用U型管真空型管真空计测量，然后用体积和压力的关系计算被测压力。计测量，然后用
14、体积和压力的关系计算被测压力。 B.热传导真空计：利用低压下气体热传导与压力热传导真空计：利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶真空计。真空计。 C.热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力有关原理。有关原理。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaD.电离真空计：利用低压下气体分子被荷能粒子碰电离真空计：利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随压力变化的原
15、理。如：撞电离，产生的离子流随压力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。电离真空计等。E.放电管指示器：利用气体放电情况和放电颜色与放电管指示器：利用气体放电情况和放电颜色与压力有关的性质判定真空度，一般仅能作为定性压力有关的性质判定真空度，一般仅能作为定性测量。测量。F.粘滞真空计：利用低压下气体与容器壁的动量交粘滞真空计：利用低压下气体与容器壁的动量交换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子真空计。真空计。G.场致显微仪：以吸附和解吸时间与压力关系计算场致显微仪：以吸附和
16、解吸时间与压力关系计算压力。压力。H.分压力真空计：利用质谱技术进行混合气体分压分压力真空计：利用质谱技术进行混合气体分压力测量。常见的有四极质谱计、回旋质谱计和射力测量。常见的有四极质谱计、回旋质谱计和射频质谱计等。频质谱计等。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4 真空计测量范围真空计测量范围o 压力测量中，除极少数直接测量外，绝大多压力测量中，除极少数直接测量外，绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象，然后
17、再测量这一过程中与压力有关的物理现象，然后再测量这一过程中与压力有关的物理量，进而设法确定压力值。这是真空测量的物理量，进而设法确定压力值。这是真空测量的特点，亦会造成某些问题。特点，亦会造成某些问题。o 任何具体物理现象与压力的关系，都是在某任何具体物理现象与压力的关系，都是在某一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范围这个范围就是真空计的围这个范围就是真空计的“量程量程”。尽可能扩。尽可能扩展每一种方法的量程，是真空科学研究的重要内展每一种方法的量程，是真空科学研究的
18、重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数量级个数量级(10510-14 Pa)，没有任何一种真空，没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在原理上的差异，在相互衔接的区域，往往要造成原理上的差异，在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。较大的误差。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Ch
19、inao 在被测空间引起一定物理现象，还会在被测空间引起一定物理现象，还会出现这样的问题，即从测量的角度出发，出现这样的问题，即从测量的角度出发，本需要一种单纯的物理现象，但有时却不本需要一种单纯的物理现象，但有时却不可避免地带来一系列寄生现象，这些寄生可避免地带来一系列寄生现象，这些寄生现象不但给测量带来误差，有时还会现象不但给测量带来误差，有时还会“喧喧宾夺主宾夺主”，完全把主要现象掩盖住了。，完全把主要现象掩盖住了。o 由上观之，为改善真空计性能及提高由上观之，为改善真空计性能及提高真空测量准确度，必须突出主要现象，仰真空测量准确度，必须突出主要现象，仰制寄生现象。表制寄生现象。表1给出
20、一些真空计的压力给出一些真空计的压力测量范围。测量范围。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China表表1.一些真空计的压力测量范围一些真空计的压力测量范围Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.5 真空测量特点真空测量特点o 测量压力范围宽，测量压力范围宽，10510-14 Pao 大部分真空计是间接测量。只有压力为大部分真空计是间接测量。只有压力为10510Pa
21、时可直接测单位面积所受的力，但大时可直接测单位面积所受的力，但大多数真空测量的压力远比上述为小，不能直接测多数真空测量的压力远比上述为小，不能直接测量，应利用低压下气体的某些特性量，应利用低压下气体的某些特性(如热传导、如热传导、粘滞性和电离等粘滞性和电离等)进行间接测量。进行间接测量。o 多采用非电量电测技术。多采用非电量电测技术。o 大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分，所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分，否则会造成很大误差。否则会造成很大误差。o 测量精度不高。测量精度不高。 Vacuum and
22、Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.6 选择真空计原则选择真空计原则o在要求的压力区域内有要求的精度。在要求的压力区域内有要求的精度。o被测气体是否会损伤真空计；真空计和被测气体被测气体是否会损伤真空计；真空计和被测气体相互影响。相互影响。o能测全压力吗能测全压力吗?可校准吗可校准吗?灵敏度与气体种类有灵敏度与气体种类有关否。关否。o可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。o稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。o还要看真空
23、计的安装方法、操作性能、保修、管还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买难易程度和规格如何。理、市场有无销售、购买难易程度和规格如何。o除上述应考虑的问题外，还要查阅参考书、样本除上述应考虑的问题外，还要查阅参考书、样本或直接向生产工厂询问。或直接向生产工厂询问。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 2 全压力测量全压力测量Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Uni
24、versity, China21 U型管真空计型管真空计o 结构最简单的测量压力的仪器，它通常是用结构最简单的测量压力的仪器，它通常是用玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的或开口与大气相通，以封死的或开口与大气相通，以U型管两瑞的液面型管两瑞的液面差来指示真空度。差来指示真空度。U型管真空计的测量范围为型管真空计的测量范围为10510Pa。它是一种绝对真空计。它是一种绝对真空计。（1）开式）开式U型管真空计：将型管真空计：将U型管内充入适量的工型管内充入适量
25、的工作液作液(如水银如水银)，一端开口接大气，一端开口接大气(即环境大气压即环境大气压p0)，另一端与被测真空系统相连接，另一端与被测真空系统相连接(待测压力待测压力p)，如图如图1所示。所示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图图1 开式开式U型管真空计型管真空计o其压力计算公式如下：其压力计算公式如下： p = p0gh式中式中 p 待测压力待测压力 p0 环境大气压力环境大气压力 h 两液面高度差两液面高度差 工作液密度工作液密度 g 重力加速度重力加速度Vacu
26、um and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China(2)闭式闭式U型管真空计：如图型管真空计：如图2所示，把管内预所示，把管内预先抽至压力为先抽至压力为10-1Pa以下，然后将工作液以下，然后将工作液(如水银如水银)注入管内，其开口端与待测真空系注入管内，其开口端与待测真空系统相连接。当真空系统抽气前，真空系统统相连接。当真空系统抽气前，真空系统内的压力等于环境大气压力，则工作液充内的压力等于环境大气压力，则工作液充满封闭端形成最大液面差满封闭端形成最大液面差h0；当系统抽气；当系统抽气到某一瞬间
27、时，两端液面处于液面静压力到某一瞬间时，两端液面处于液面静压力平衡时，则待测压力值可用下式求得平衡时，则待测压力值可用下式求得(忽略忽略封闭端内压力对液面的影响封闭端内压力对液面的影响)：Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinap = gh式中式中 p 待测压力待测压力 h 两液面高度差两液面高度差 工作液密度工作液密度 g 重力加速度重力加速度 图图2 闭式闭式U型管真空计型管真空计Vacuum and Fluid Engineering Research Center of
28、Northeastern University, China2.2 弹性元件真空计弹性元件真空计o 利用弹性元件在压差作用下产生弹性利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成，一般用于粗真空变形的原理制成，一般用于粗真空（102105Pa）的测量。根据变形弹性）的测量。根据变形弹性元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、膜盒式和膜片式，其结构如图膜盒式和膜片式，其结构如图3所示所示Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图图3 弹性元件真空表
29、结构示意图弹性元件真空表结构示意图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao测量结果是全压力。测量结果是全压力。o测量过程中，仪表的吸气和放气很小。测量过程中，仪表的吸气和放气很小。o测量精度较高。测量精度较高。o反应速度较快。反应速度较快。o结构牢固。结构牢固。o是绝对真空计，是绝对真空计，0.5级以上的表可作为标级以上的表可作为标准表准表 。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univers
30、ity, China2.3 压缩式真空计压缩式真空计o 压缩式真空计是对压缩式真空计是对U型管真空计的重型管真空计的重大改进，它是依据理想气体的波义耳定律大改进，它是依据理想气体的波义耳定律制成的。由于它首先是由麦克劳提出的，制成的。由于它首先是由麦克劳提出的，故此种真空计又称为麦克劳真空计故此种真空计又称为麦克劳真空计(简称简称麦氏计麦氏计)。o 压缩式真空计是测量压力低于压缩式真空计是测量压力低于lPa实实用的绝对真空计，并且从用的绝对真空计，并且从1874年至今仍年至今仍做为校准其它真空计的主要仪器。做为校准其它真空计的主要仪器。Vacuum and Fluid Engineering
31、Research Center of Northeastern University, China 图图4 压缩式真空压缩式真空计计o 图图4示出一种工作示出一种工作用压缩式真空计，它用压缩式真空计，它是用硬质玻璃吹制而是用硬质玻璃吹制而成。由测量毛细管成。由测量毛细管3（顶端为封闭端（顶端为封闭端)、比、比较毛细管较毛细管4、玻璃泡、玻璃泡2、水银贮器水银贮器1、三通阀、三通阀7、与被测真空系统相连与被测真空系统相连接的导管接的导管6和刻度尺和刻度尺5等组成等组成。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Uni
32、versity, Chinao 测量前将压缩式真空计的导管与被侧系统相测量前将压缩式真空计的导管与被侧系统相连接，由于系统内压力各处相等，所以玻璃泡和连接，由于系统内压力各处相等，所以玻璃泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力测量毛细管内的压力与待测系统内的压力p相等。相等。测量时用任一种方法将水银提升，当水银面停在测量时用任一种方法将水银提升，当水银面停在如图如图5所示的位置，停止提升，其压力计算公式所示的位置，停止提升，其压力计算公式为为 p d2gh1（h1h2）/(4V) 式中式中 d为测量毛细管的内径。为测量毛细管的内径。V和和d为真空计的已为真空计的已知数据，则：知数据，则： p
33、 Kh1（h1h2） K d2g/(4V) = 1.05105 d2/V 式中式中 p 待测压力，待测压力，Pa h1、h2 液面差，液面差，m K 真空计常数，真空计常数，Pam-2 V 玻璃泡和测量毛细管总容积，玻璃泡和测量毛细管总容积，m3Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 根据测量时选定水银面的基准线位置的根据测量时选定水银面的基准线位置的不同，刻度方法分为下面三种：不同，刻度方法分为下面三种： (1)无定标刻度法：即无定标刻度法：即在测量时，将水银面在测量时，将水
34、银面 提升到任意位置固定提升到任意位置固定下来，如图下来，如图5的位置，的位置，分别测出分别测出h1和和h2值，值，代入基本方程式就可代入基本方程式就可计算出待测的压力值计算出待测的压力值p，这种方法称为无，这种方法称为无定标刻度法，此法多定标刻度法，此法多用于做为标准计校对用于做为标准计校对其它相对真空计时。其它相对真空计时。图图5 压缩式真空计测量图压缩式真空计测量图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China(2)平方刻度法：在测量时，将比较毛细管中水银面平方刻度法：在测量时，
35、将比较毛细管中水银面提升到与测量毛细管内顶端同一提升到与测量毛细管内顶端同一水平线水平线(基准线基准线)上，即此时上，即此时h20 则基本方程式可写成：则基本方程式可写成： pKh2（3）直线刻度法：）直线刻度法：在测量时，将水银面提升到测在测量时，将水银面提升到测量毛细管上某一位置量毛细管上某一位置(此位置做为基准线此位置做为基准线)，即，即h1常数常数 ，则基本方程式写成：，则基本方程式写成： p Kh1h Klineh 式中式中 Kline 为直线刻度真空计常数，为直线刻度真空计常数，Pam-1 。所以所以p与水银液面高度差与水银液面高度差h成直线关系，故称为直线成直线关系，故称为直线刻
36、度法。刻度法。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 在刻度过程中，在刻度过程中，h1可选其等于任意值，可选其等于任意值，选定一个值选定一个值(一条基准线一条基准线)就可有一对应的就可有一对应的刻度尺，因此，同一台压缩式真空计可同刻度尺，因此，同一台压缩式真空计可同时选定几个时选定几个h1值就可有对应的几个不同值就可有对应的几个不同的刻度尺。的刻度尺。o 可凝蒸气（尤其是水）是真空系统中可凝蒸气（尤其是水）是真空系统中常见的，由于其不符合波义耳定律，故压常见的，由于其不符合波
37、义耳定律，故压缩式真空不能正确反应可凝蒸气的压力。缩式真空不能正确反应可凝蒸气的压力。通常在压缩式真空计与被测系统之间安一通常在压缩式真空计与被测系统之间安一冷阱，用以捕集可凝性蒸气，此时压缩真冷阱，用以捕集可凝性蒸气，此时压缩真空计的指示为永久气体的分压力。空计的指示为永久气体的分压力。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao压缩式真空计的特点：压缩式真空计的特点： 1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气刻度与气体种类无关，这是对永久性气 体而言。体而言。 2)测量范围较宽
38、、精度较高。工作用压缩式真空测量范围较宽、精度较高。工作用压缩式真空计的测量范围为计的测量范围为10210-3Pa，对其结构尺寸进，对其结构尺寸进行改进后可使量程进一步扩大。其测量精度比较行改进后可使量程进一步扩大。其测量精度比较高，一般相对误差为高，一般相对误差为10 10-2左右。左右。 3)不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，操作费时。次，不能连续读数，操作费时。 4)水银蒸气对人体有害。水银蒸气对人体有害。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern
39、 University, China2.4 热传导真空计热传导真空计o 热传导真空计是根据在低压力下（热传导真空计是根据在低压力下（ d），），气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图理图如图6所示。它是在一玻璃管壳中由边杆支所示。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。
40、如果于气体热传导，因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。指示气体的压力。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao图图6所示规管中的所示规管中的热丝热量散失，只热丝热量散失，只有有Qg在低压力与在低压力与压力有关，而压力有关，而QL和和Qr均与压力无关，均与压力无关，可简写成可简写成 12QKKp图图6 热传导真空计原理图热传导真空计原理图Vacuum and Fluid Engineer
41、ing Research Center of Northeastern University, Chinao 热传导量热传导量Q与与压力压力p的关系如图的关系如图7所示。所示。o 由上式表明，由上式表明，当当K1K2p时，即时，即QL+Qrpb时，由于规管中的压力差时，由于规管中的压力差p1pb ，膜片，膜片发生应变引起电容发生应变引起电容C0改变，破坏了测量电桥电路改变，破坏了测量电桥电路的平衡、指示仪表上亦有相应的指示。调节直流的平衡、指示仪表上亦有相应的指示。调节直流补偿电源电压对电容补偿电源电压对电容C0充电使其静电力与压差充电使其静电力与压差相等，此时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表
42、相等，此时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表又重新指零。根据补偿电压的大小，就能得到被又重新指零。根据补偿电压的大小，就能得到被测压力测压力p1，故有，故有Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China式中式中p1被侧压力；被侧压力； pb参考压力；参考压力； U补偿电压；补偿电压； K规管常数，其值规管常数，其值K=C0/d0，C0和和d0分别为分别为固定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。固定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。 当当p1pb时，测量结果就是绝对压力，即时，测
43、量结果就是绝对压力，即 p1=KU2 电容式薄膜真空计测量范围为电容式薄膜真空计测量范围为101101Pa,其规其规管常数管常数K可通过校准得到。可通过校准得到。21bppKUVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 近年来，电容式薄膜真空计取得了近年来，电容式薄膜真空计取得了重大进展，新型的双电容式薄膜真空计的重大进展，新型的双电容式薄膜真空计的问世，提高了该类真空计的精度，扩展了问世，提高了该类真空计的精度，扩展了测量范围，使其测量下限可达测量范围，使其测量下限可达103
44、Pa。o 单侧双电容薄膜真空计具有灵敏度高、单侧双电容薄膜真空计具有灵敏度高、气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快等特点。如将气体成分影响、反应速度快等特点。如将其规管参考室内加置消气剂并抽至其规管参考室内加置消气剂并抽至 Pa，就可测量，就可测量 Pa的绝对的绝对压力。压力。31031 0510Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 利用放射性同位素辐利用放射性同位素辐射射粒子或粒子或粒子对气体分粒子对气体分子的电
45、离作用制成的真空子的电离作用制成的真空计称为计称为。其结构如图其结构如图23所示所示o 放射性电离真空计由放射性电离真空计由放射性电离规管和测量仪放射性电离规管和测量仪器两部分组成。放射性电器两部分组成。放射性电离规管主要由放射性同位离规管主要由放射性同位素源素源B、圆筒形阳极、圆筒形阳极A和和离子收集极离子收集极C组成。测量组成。测量仪器主要由离子流测量放仪器主要由离子流测量放大器大器F、输出表、输出表G和阳极和阳极电源电源E组成。组成。图图23 放射性电离真空计结构放射性电离真空计结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of North
46、eastern University, Chinao 当放射性同位素辐射出来的高能当放射性同位素辐射出来的高能或或粒子在规管内与气体分子碰撞时，使气粒子在规管内与气体分子碰撞时，使气体分子电离，在一定压力范围内，电离所体分子电离，在一定压力范围内，电离所产生的离子流与气体压力有如下关系：产生的离子流与气体压力有如下关系： IiSp 式中式中 Ii 离子流离子流 p 被测压力被测压力 S 规管灵敏度规管灵敏度o 这种真空计所使用的放射性同位素的这种真空计所使用的放射性同位素的强度较弱，对人体为安全剂量。强度较弱，对人体为安全剂量。 o 其压力测量范围其压力测量范围0.1104Pa，它的读，它的读
47、数与气体种类有关。数与气体种类有关。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关。外摩擦有关。o 由图由图24可见，除了用于磁悬浮转子的螺旋线可见，除了用于磁悬浮转子的螺旋线圈圈2外，在真空室下边还设置一敏感线圈外，在真空室下边还设置一敏感线圈5，通过，通过伺服电路控制螺旋线圈伺服电路控制螺旋线圈2的电流，使转子悬浮在的电流，使转子悬浮在预定高度。在真空室两侧的一对驱动线圈预定高度。在真空室两侧
48、的一对驱动线圈3产生产生旋转磁场，驱动转子以每秒旋转磁场，驱动转子以每秒200400转的速度转的速度自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向磁场最强处磁场最强处(般在对称轴上般在对称轴上)，但若受外界扰动，但若受外界扰动，转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方的阻尼钢针的阻尼钢针6可使这种振动衰减。可使这种振动衰减。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图图24 磁悬浮转子真空计结构磁悬
49、浮转子真空计结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chinao 这种真空计是基于气体分子对自由这种真空计是基于气体分子对自由旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被驱动线圈的磁场从静止加速到每秒驱动线圈的磁场从静止加速到每秒400转转的转速之后，停止驱动场，由于气体分子的转速之后，停止驱动场，由于气体分子摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减，摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减，其转速衰减与气体压力其转速衰减与气体压力p有着严格的对应有着严格的对应关系。关
50、系。o 磁悬浮转子真空计是标准真空计，量磁悬浮转子真空计是标准真空计，量程宽（程宽（10-110-5 Pa），用它作互校传递），用它作互校传递标准时，累积误差小，可靠性重复性好。标准时，累积误差小，可靠性重复性好。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China31 分压力测量概述分压力测量概述o 在近代真空测量技术中，残余气体分析