第六讲：真空测量
刘玉岱
(东北大学)

一、概述

1.什么是真空测量
    真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的，并不十分合理。压力高意味着真空度低；反之，压力低与真空度高相对应。
    真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分。
    用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。本文所述压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。
    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很低，如有时要测lO^-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。
    被测量气体除少数情况外，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，混合气体的全压力就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来间接反应压力，而不能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；而后一类是在现场应用。三种计量器具的不确定度依次降低。

2.真空度的表征及单位
    用压力表示真空度是由历史上采用U型压力计测量真空所形成的，这并不十分合理。
    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，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器内、静止(随机运动)、稳态、各向同性单一的中性气氛。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( p = nkT，v = 1/4nc，p = ρgh)都较好地符合客观实际，真空度的测量也比较简单容易。
    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 p = nkT 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运动(1～lOkm·s^-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：
    (1)
    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)。
    1Pa = 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δ为
    (2)

3.真空计分类
    按真空度刻度方法分类
    (1)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力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型镑压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。
    (2)相对真空计：由一些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刻度，必须进行校准才能刻度。相对真空计一般由作为传感器的真空计规管(或规头)和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。相对真空计的种类很多，如热传导真空计和电离真空计等。
    按真空计测量原理分类
    直接测量真空计  这种真空计直接测量单位面积上的力，有:
    (1)静态液位真空计：利用U型管两端液面差来测量压力。
    (2)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。
    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：
    (1)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。
    (2)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。
    (3)热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力有关原理。
    (4)电离真空计：利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随电力变化的原理。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。
    (5)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。
    (6)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。
    (7)场致显微仪：以吸附和解吸时间与压力关系计算压力。
    (8)分压力真空计：利用质谱技术进行混合气体分压力测量。常用的有四极质谱计、回旋质谱计和射频质谱计等。

4.真空计测量范围
    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。这是真空测量的特点，亦会造成某些问题。
    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“量程”。尽可能扩展每一种方法的量程，是真空科学研究的重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(10⁵～10^-14pa)，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，往往要造成较大的误差。
    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，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，这些寄生现象不但给测量量带来误差，有时还会“喧宾夺主”，完全把主要现象掩盖住了。
    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，抑制寄生现象。表1给出一些真空计的压力测量范围。

表1  一些真空计的压力测量范围

5.真空测量特点
    (1)测量压力范围宽，10⁵～lO^-14Pa。
    (2)大部分真空计是间接测量，只有压力为10⁵～lOPa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，不能直接测量，应利用低压下气体的某些特性(如热传导、粘滞性和电离等)进行间接测量。
    (3)多采用非电量电测技术。
    (4)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．否则会造成很大误差。
    (5)测量精度不高。

6.选择真空计原则
    (1)在要求的压力区域内有要求的精度。
    (2)被测气体是否会损伤真空计；真空计可否会给被测气体状态带来影响。
    (3)能测全压力吗?可校准吗?灵敏度与气体种类有关否。
    (4)可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。
    (5)稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。
    (6)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、购买的难易程度和规格如何。
    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。

(未完待续)