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真空計知識介紹
來源: | 作者:guoguangdianqi | 發布時間: 933天前 | 6791 次瀏覽 | 分享到:

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,壓力的國際單位為帕(Pa),曾使用的單位還有托(Torr)和毫巴(mbar)等。

  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。最早出現的是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絕對壓力的測量,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。

  真空計可分為絕對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絕對真空計,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絕對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)到極高真空(小于10-10帕)的全范圍測量,因而有多種真空計。最常用的有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絕對真空計。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絕對真空計。這種真空計一般用硬質玻璃制成。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。玻璃容器的體積和毛細管的高度是可精確測出的,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。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。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。

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