真空测量技术基础《真空技术》真空测量1真空测量概述1.1什么是真空测量压力是一个力学量，为单位面积所承受的力。大气压力为101325Pa，直接测量这样大的压力是容易的，但在真空技术中，测量这样大的压力是比较少的。真空技术中遇到的气体压力都比较低，如有时要测10-10Pa的压力，这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此，测量真空度的办法通常是在气体中造成一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量，再设法间接确定出真实压力来。真空计种类繁多，工作原理各异，除极少数几种是直接测量压力外，其它几乎都是间接测量压力的。被测量气体多为混合气体，上述压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中，分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。这样，混合气体的全压力等于其各组成成分的分压力之和。现代分压力真空计都属于电离类，即先将气体电离，然后将所得的各成分离子加速，再把离子引进分析器，将离子分开，分别测出各成分离子流强度，便可知气体的成分和数量。分析器有磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有时只需知晓被测系统残余气体成分和相对含量，并不要求测出分压力值，这种仪器称为残余气体分析仪。正确的压力测量必须对真空计进行校准。因为多数真空计是通过与压力有关的物理量间接反应压力，而不是直接通过真空计有关参数计算求得压力值。这种真空计必须用标准真空计或能产生已知低压的校准装置进行校准。可以说真空计校准是真空测量的基础，是发展真空测量的有力工具。真空计量器具分三类：计量基准器具、计量标准器具和工作计量器具。前两类用于复现和传递真空度量值，统一全国真空量值；后一类是在现场应用。三种计量器具的不确定度依次降低。1.2真空度的表征及单位根据真空度定义，真空度最好用分子密度n表示，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分布定律，即成立。测量时气体温度T一定，所以气体压力p正比于分子密度n。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。在空间研究中，研究对象是无限空间的运动(1～10kms-1或更高)、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和余弦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。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示真空度：粒子密度n、分子平均自由程、碰撞次数z、覆盖时间。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p=10-12Pa时，统计涨落已大于5×10-2，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。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变化率，即单位面积上所受的力，单位为“帕斯卡”(Pascal)，简称“帕”(Pa)。lPa＝1Nm-2在工程上有时嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示压力。低真空时，有时用“真空度百分数”表示，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。当压力p＞102Pa时，真空度百分数为δ＝（p0-p）/p0×100％式中p0——标准大气压力，Pa。1．3真空计分类按真空计测量原理分类(1)直接测量真空计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U型管两端液面差来测量压力。B.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测量压力值的大小。(2)间接测量真空计压力为10-1Pa时，作用在1cm2表面上力只有10-5N，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的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空计有：A.压缩式真空计：其原理是在U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，经过等温压缩使之压力增加，以便用U型管真空计测量，然后用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有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶真空计。C.热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力有关原理。D.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理。如：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。E.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，一般仅能作为定性测量。F.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真空计。G.场致显微仪：以吸附和解吸时间与压力关系计算压力。H.分压力真空计：利用质谱技术进行混合气体分压力测量。