1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利演示了大氣壓實(shí)驗(yàn)，為人類(lèi)揭示了“真空”這個(gè)物理狀態(tài)的存在。在此后的幾個(gè)世紀(jì)里，尤其是在20世紀(jì)初，真空技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，被應(yīng)用于民用等領(lǐng)域。同樣，真空技術(shù)也是薄膜制備的基礎(chǔ)。幾乎所有薄膜材料的制備都是在真空或者在較低的氣壓條件下進(jìn)行的。因此，本章中我們將對(duì)真空的一些基本知識(shí)及有關(guān)真空的獲得、真空的測(cè)量進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

真空的基本知識(shí)

一、真空度的單位

人類(lèi)所接觸的真空大體上可分為兩種：一種是宇宙空間所存在的真空，稱(chēng)之為“自然真空”；另一種是人們用真空泵抽調(diào)容器中的氣體所獲得的真空，人們稱(chēng)之為“人為真空”。不論哪一種類(lèi)型上的真空，只要在給定空間內(nèi)，氣體壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)，均稱(chēng)之為真空。一般意義上的“真空”并不是指“什么物質(zhì)也不存在”。目前，即使采用的真空制備手段所能達(dá)到的低壓強(qiáng)下，每立方厘米體積中仍有幾百個(gè)氣體分子。因此，平時(shí)我們所說(shuō)的真空均指相對(duì)真空狀態(tài)。在真空技術(shù)中，常用“真空度”這個(gè)習(xí)慣用語(yǔ)和“壓強(qiáng)”這一物理量表示某一空間的真空程度，但是應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格區(qū)別它們的物理意義。某空間的壓強(qiáng)越低意味著真空度越高，反之，壓強(qiáng)高的空間則真空度低。

“毫米汞柱（mmHg）”是通過(guò)直接度量長(zhǎng)度來(lái)獲得真空的大小的。尤其在使用托里拆利氣壓計(jì)時(shí)，把毫米用作壓力測(cè)量則更為直觀。但是1958年，為了紀(jì)念托里拆利，用“托（Torr）”代替了毫米汞柱。1托就是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1毫米汞柱對(duì)單位面積上的壓力，表示為1Torr = 1mmHg。1971年國(guó)際計(jì)量會(huì)議正式確定“帕斯卡”作為氣體壓強(qiáng)的國(guó)際單位，1Pa = 1 N/m2 ≈ 7.5×10-3Torr。表1-1給出了目前真空技術(shù)中常用的壓強(qiáng)單位及其之間的換算關(guān)系。

表1-1 幾種壓強(qiáng)單位的換算關(guān)系



二、真空區(qū)域的劃分

為了研究真空和實(shí)際使用方便，常常根據(jù)各壓強(qiáng)范圍內(nèi)不同的物理特點(diǎn)，把真空劃分為以下幾個(gè)區(qū)域：

粗真空：1×105 ～ 1×102 Pa

低真空：1×102 ～ 1×10-1Pa

高真空：1×10-1 ～1×10-6Pa

超高真空：<1×10-6Pa

真空各區(qū)域的氣體分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)各不相同。粗真空下，氣態(tài)空間近似為大氣狀態(tài)，分子仍以熱運(yùn)動(dòng)為主，分子之間碰撞十分頻繁；低真空是氣體分子的流動(dòng)逐漸從粘滯流狀態(tài)向分子狀態(tài)過(guò)渡，此時(shí)氣體分子之間和分子與器壁之間的碰撞次數(shù)差不多；當(dāng)達(dá)到高真空時(shí)，氣體分子的流動(dòng)已為分子流，氣體分子與容器器壁之間的碰撞為主，而且碰撞次數(shù)減少，在高真空下蒸發(fā)的材料，其粒子將沿直線(xiàn)飛行；在超高真空時(shí)，氣體的分子數(shù)目更少，幾乎不存在分子間的碰撞，分子與器壁的碰撞機(jī)會(huì)也更少了。



三、固體對(duì)氣體的吸附及氣體的脫附

在真空技術(shù)中，常常會(huì)遇到各種各樣的氣體，這些氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象是很常見(jiàn)的，這對(duì)于高真空技術(shù)，尤其是超高真空技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)具有重大意義的問(wèn)題。例如，為了提高管內(nèi)的真空度，需預(yù)先對(duì)零件進(jìn)行除氣處理，這個(gè)過(guò)程就是固體表面的氣體分子脫附的過(guò)程，伴隨著氣體的脫附，容器中將形成一定程度的真空狀態(tài)。另外，真空設(shè)備中還常利用吸附原理制作各種吸附泵來(lái)獲得高真空，有時(shí)也利用潔凈表面具有吸附大量氣體分子的能力來(lái)進(jìn)行真空的獲得等。

所謂的氣體吸附就是固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象，吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。其中物理吸附?jīng)]有選擇性，任何氣體在固體表面均可發(fā)生，主要靠分子間的相互吸引力引起的。物理吸附的氣體容易發(fā)生脫附，而且這種吸附只在低溫下有效；化學(xué)吸附則發(fā)生在較高的溫度下，與化學(xué)反應(yīng)相似，氣體不易脫附，但只有當(dāng)氣體和固體表面原子接觸生成化合物時(shí)才能產(chǎn)生吸附作用。氣體的脫附是氣體吸附的逆過(guò)程。通常把吸附在固體表面的氣體分子從固體表面被釋放出來(lái)的過(guò)程叫做氣體的脫附。

真空技術(shù)中，氣體在固體表面的吸附和脫附現(xiàn)象總是存在的，只是外界條件不同，產(chǎn)生吸附或脫附的程度不同。一般地，影響氣體在固體表面吸附和脫附的主要因素是氣體的壓強(qiáng)、固體的溫度、固體表面吸附的氣體密度以及固體本身的性質(zhì)，如表面光潔程度、清潔度等。當(dāng)固體表面溫度較高時(shí)，氣體分子容易發(fā)生脫附，對(duì)真空室的適當(dāng)烘烤有利于真空的獲得就是利用這個(gè)道理。除上述影響以外，在一些有電離現(xiàn)象的真空泵和真空計(jì)中，都不同程度的存在電吸收作用和化學(xué)清理作用，這兩個(gè)因素也將加速固體對(duì)氣體的吸附。其中電吸收是指氣體分子經(jīng)電離后形成正離子，正離子具有比中性氣體分子更強(qiáng)的化學(xué)活潑性，因此常常和固體分子形成物理或化學(xué)吸附；化學(xué)清理現(xiàn)象常在活潑金屬（如鋇、鈦等）固體材料的真空蒸發(fā)時(shí)出現(xiàn)，這些蒸發(fā)的固體材料將與非惰性氣體分子生成化合物，從而產(chǎn)生化學(xué)吸附。



第二節(jié) 真空的獲得

真空的獲得就是人們常說(shuō)的“抽真空”，即利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓。目前常用獲得真空的設(shè)備主要有旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵。其中前面三種真空泵屬于氣體傳輸泵，即通過(guò)將氣體不斷吸入并排出真空泵從而達(dá)到排氣的目的；后四種真空泵屬于氣體捕獲泵，是一種利用各種吸氣材料所特有的吸氣作用將被抽空間的氣體吸除，以達(dá)到所需真空度。由于這些捕獲泵工作時(shí)不采用油做介質(zhì)，故又稱(chēng)之為無(wú)油類(lèi)泵。表1-2列出了幾種常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍和通常所能獲得的極限壓強(qiáng)。極限壓強(qiáng)是表示真空泵性能的重要參數(shù)之一，是指當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器作為負(fù)載時(shí)，使泵按規(guī)定的條件正常工作一段時(shí)間，真空度不再變化而趨于穩(wěn)定時(shí)的低壓強(qiáng)。表中虛線(xiàn)部分表示該真空泵和別的裝置組合起來(lái)使用時(shí)所能擴(kuò)展的區(qū)域。



表1-2 幾種常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍





從表中可以看出，表示真空度的壓強(qiáng)其變化范圍在十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如果從大氣開(kāi)始抽氣，使用一種真空泵是很難達(dá)到超高真空度的，即沒(méi)有一種真空泵可以涵蓋從大氣壓到10-8Pa的工作范圍。人們常常把2~3種真空泵組合起來(lái)構(gòu)成復(fù)合排氣系統(tǒng)以獲得所需要的高真空。例如，有油真空系統(tǒng)中，油封機(jī)械泵（兩極）+油擴(kuò)散泵組合裝置可以獲得10-6~10-8Pa的壓強(qiáng)；無(wú)油系統(tǒng)中，采用吸附泵+濺射離子泵+鈦升華泵裝置可以獲得10-6~10-9Pa的壓強(qiáng)；有時(shí)也將有油、無(wú)油系統(tǒng)混用，如采用機(jī)械泵+復(fù)合分子泵裝置可以獲得超高真空。其中機(jī)械泵和吸附泵都是從一個(gè)大氣壓力下開(kāi)始抽氣，因此常將這類(lèi)泵稱(chēng)為“前級(jí)泵”，而將那些只能從較低的氣壓抽到更低的壓力下的真空泵稱(chēng)為“次級(jí)泵”。本節(jié)將重點(diǎn)介紹機(jī)械泵、復(fù)合分子泵和低溫泵的結(jié)構(gòu)和工作原理等方面的內(nèi)容。



一、旋片式機(jī)械真空泵

凡是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)）以獲得真空的泵，就稱(chēng)為機(jī)械泵。它是一種可以從大氣壓開(kāi)始工作的典型的真空泵，既可以單獨(dú)使用，又可作為高真空泵或超高真空泵的前級(jí)泵。由于這種泵是用油來(lái)進(jìn)行密封的，所以又屬于有油類(lèi)型的真空泵。這類(lèi)機(jī)械泵常見(jiàn)的有旋片式、定片式和滑閥式（又稱(chēng)柱塞式）幾種，其中以旋片式機(jī)械泵較為常見(jiàn)。

旋片式真空泵是用油來(lái)保持各運(yùn)動(dòng)部件之間的密封，并靠機(jī)械的辦法，使該密封空間的容積周期性地增大，即抽氣；縮小，即排氣，從而達(dá)到連續(xù)抽氣和排氣的目的。圖1-1是單級(jí)旋片泵的結(jié)構(gòu)圖，泵體主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、進(jìn)氣管和排氣管等組成。定子兩端被密封形成一個(gè)密封的泵腔。泵腔內(nèi)，偏心地裝有轉(zhuǎn)子，實(shí)際相當(dāng)于兩個(gè)內(nèi)切圓。沿轉(zhuǎn)子的軸線(xiàn)開(kāi)一個(gè)通槽，槽內(nèi)裝有兩塊旋片，旋片中間用彈簧相連，彈簧使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)旋片始終沿定子內(nèi)壁滑動(dòng)。

圖1-1所示，旋片2把泵腔分成了A、B兩部分，當(dāng)旋片沿圖中給出的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于旋片1后的空間壓強(qiáng)小于進(jìn)氣口的壓強(qiáng)，所以氣體通過(guò)進(jìn)氣口，吸進(jìn)氣體，如圖1-2(a)所示；圖1-2(b)表示吸氣截止。此時(shí)，泵的吸氣量達(dá)到上限，氣體開(kāi)始?jí)嚎s；當(dāng)旋片繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到1-2(c)所示的位置時(shí)，氣體壓縮使旋片1后的空間壓強(qiáng)增高，當(dāng)壓強(qiáng)高于1個(gè)大氣壓時(shí)，氣體推開(kāi)排氣閥門(mén)排出氣體；繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，旋片重新回到圖1-1所示的位置，排氣結(jié)束，并重新開(kāi)始下一個(gè)吸氣、排氣循環(huán)。單級(jí)旋片泵的極限真空可以達(dá)到1Pa，而雙級(jí)旋片泵的極限真空可以達(dá)到10-2Pa數(shù)量級(jí)。





圖1-1 旋片泵結(jié)構(gòu)示意圖



圖1-2 旋片泵工作原理圖

由于泵工作時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子全部浸在了油中，在每一吸氣、排氣周期中將會(huì)有少量的油進(jìn)入到容器內(nèi)部，因此要求機(jī)械泵油要具有較低的飽和蒸氣壓及一定的潤(rùn)滑性、粘度和較高的穩(wěn)定性。



二、復(fù)合分子泵

分子泵是旋片式機(jī)械真空泵的一大發(fā)展。同機(jī)械泵一樣，分子泵也屬于氣體傳輸泵，但是它是一種無(wú)油類(lèi)泵，可以與前級(jí)泵構(gòu)成組合裝置，從而獲得超高真空。目前，可把分子泵分為牽引泵（阻壓泵）、渦輪分子泵和復(fù)合分子泵三大類(lèi)。其中，牽引泵在結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速較小，但壓縮比大；渦輪式分子泵又可以分成“敞開(kāi)”葉片型和重疊葉片型。前者轉(zhuǎn)速高，抽速也較大，后者則恰好相反。復(fù)合型分子泵將渦輪分子泵抽氣能力高的優(yōu)點(diǎn)和牽引分子泵壓縮比大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子攜帶氣體分子而獲得超高真空。圖1-3為其結(jié)構(gòu)示意圖，



圖1-3 分子泵結(jié)構(gòu)示意圖



該泵轉(zhuǎn)速24000轉(zhuǎn)/分，開(kāi)始部分是一個(gè)只有幾級(jí)敞開(kāi)葉片的渦輪分子泵，第二部分是一個(gè)多槽的牽引分子泵，抽速460L/s，轉(zhuǎn)速為零時(shí)的壓縮比為150。



三、低溫泵

低溫泵是利用20K以下的低溫表面來(lái)凝聚氣體分子以實(shí)現(xiàn)抽氣的一種泵，是目前具有極限真空的抽氣泵。它主要用于大型真空系統(tǒng)，如高能物理、超導(dǎo)材料的制備、宇航空間模擬站等要求高清潔、無(wú)污染、大抽速、高真空和超高真空等場(chǎng)合。低溫泵又稱(chēng)冷凝泵、深冷泵。按其工作原理又可分為低溫吸附泵、低溫冷凝泵、致冷機(jī)低溫泵。前兩種泵直接使用低溫液體（液氮、液氦等）來(lái)進(jìn)行冷卻的，成本較高，通常作為輔助抽氣手段；致冷機(jī)低溫泵是利用制冷機(jī)產(chǎn)生的深低溫來(lái)進(jìn)行抽氣的泵，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。在制冷機(jī)的一級(jí)冷頭上，裝有輻射屏和輻射擋板，溫度處于50-77K，用以冷凝抽除水蒸汽和二氧化碳等氣體，同時(shí)還能屏蔽真空室的熱輻射，保護(hù)第二級(jí)冷頭和深冷板；深冷板裝在第二級(jí)冷頭上，溫度為10-20K，板正面光滑的金屬表面可以去除氮、氧等氣體，反面的活性碳可以吸附氫、氦、氖等氣體。通過(guò)兩極冷頭的作用，可以達(dá)到去除各種氣體的目的，從而獲得超高真空狀態(tài)。

低溫泵作為捕獲泵，能用來(lái)捕集各種包括有害的或易燃易爆氣體，使其凝結(jié)在制冷板上，以達(dá)到抽氣的目的。但是，工作一段時(shí)間后，低溫泵的低溫排氣能力會(huì)降低，因此必須經(jīng)“再生”處理，即清理低溫凝結(jié)層。再生時(shí)必須遵循以下幾點(diǎn)要求：

（1）一旦開(kāi)始再生處理，就必須清理徹底。這是因?yàn)榫植可郎貢r(shí)會(huì)使屏蔽板上冷凝的大量水蒸氣轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的深冷吸氣板上，嚴(yán)重?fù)p害低溫泵的抽氣能力。

（2）再生時(shí)應(yīng)使凝結(jié)層穩(wěn)定蒸發(fā)，一定不能使系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力超過(guò)允許值，否則在除氫這類(lèi)易燃易爆的氣體時(shí)，一旦漏入空氣就有危險(xiǎn)。

（3）再生時(shí)，需嚴(yán)防來(lái)自前級(jí)泵的碳?xì)浠衔镞M(jìn)入低溫泵內(nèi)污染吸氣面，因此要求抽氣時(shí)間盡可能短。





圖1-4 低溫泵結(jié)構(gòu)示意圖



第三節(jié) 真空的測(cè)量



一、電阻真空計(jì)

電阻真空計(jì)是熱傳導(dǎo)真空計(jì)的一種，它是利用測(cè)量真空中熱絲的溫度，從而間接獲得真空度的大小的。其原理是低壓強(qiáng)下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)，所以如何測(cè)量溫度參數(shù)并建立電阻與壓強(qiáng)的關(guān)系就是電阻真空計(jì)所要解決的問(wèn)題。

電阻真空計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。規(guī)管中的加熱燈絲是電阻溫度系數(shù)較大的鎢絲或鉑絲，熱絲電阻連接惠斯頓電橋，并作為電橋的一個(gè)臂。低壓強(qiáng)下加熱時(shí)，燈絲所產(chǎn)生的熱量Q可以表示為：

Q = Q1 + Q2

式中Q1是燈絲輻射的熱量，與燈絲的溫度有關(guān)；Q2是氣體分子碰撞燈絲而帶走的熱量，大小與氣體的壓強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)熱絲溫度恒定時(shí)，Q1是恒量，即熱絲輻射的熱量不變。在某一恒定的加熱熱絲電流條件下，當(dāng)真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)降低，即空間中氣體的分子數(shù)減少時(shí)，Q2將隨之降低，此時(shí)燈絲所產(chǎn)生的熱量將相對(duì)增加，則燈絲的溫度上升，燈絲的電阻將增大，真空室的壓強(qiáng)和燈絲電阻之間的存在這樣的關(guān)系P↓→ R↑，所以可以利用測(cè)量燈絲的電阻值來(lái)間接地確定壓強(qiáng)。





圖1-5 電阻真空計(jì)

電阻真空計(jì)測(cè)量真空的范圍是105～10-2Pa。由于是相對(duì)真空計(jì)，所測(cè)壓強(qiáng)對(duì)氣體的種類(lèi)依賴(lài)性較大，其校準(zhǔn)曲線(xiàn)都是針對(duì)干燥的氮?dú)饣蚩諝獾?，所以如果被測(cè)氣體成分變化較大，則應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果做一定的修正。另外，電阻真空計(jì)長(zhǎng)時(shí)間使用后，熱絲會(huì)因氧化而發(fā)生零點(diǎn)漂移，因此在使用時(shí)要避免長(zhǎng)時(shí)間接觸大氣或在高壓強(qiáng)下工作，而且往往需要調(diào)節(jié)電流來(lái)校準(zhǔn)零點(diǎn)位置。



二、熱偶真空計(jì)

圖1-6為熱偶真空計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。熱偶真空計(jì)的規(guī)管主要由加熱燈絲C與D（鉑絲）和用來(lái)測(cè)量熱絲溫度的熱電偶A與B（鉑銠或康銅-鎳鉻）組成。熱電偶熱端接熱絲，冷端接儀器中的毫伏計(jì)，從毫伏計(jì)中可以測(cè)出熱偶電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量時(shí)，熱偶規(guī)管接入被測(cè)真空系統(tǒng)，熱絲通以恒定的電流，同電阻真空計(jì)不相同的是，此時(shí)燈絲所產(chǎn)生的熱量Q有一部分將在燈絲與熱偶絲之間傳導(dǎo)散去。當(dāng)氣體的壓強(qiáng)降低時(shí)，熱電偶接點(diǎn)處溫度將隨熱絲溫度的升高而增大，同樣，熱電偶冷端的溫差電動(dòng)勢(shì)也將增大，及氣體壓強(qiáng)和熱電偶的電動(dòng)勢(shì)之間存在這樣的關(guān)系：P↓→ ε↑。



圖1-6 熱偶真空計(jì)

熱偶真空計(jì)對(duì)不同的氣體的測(cè)量結(jié)果是不同的，這是由于各種氣體分子的熱傳導(dǎo)性能不同，因此在測(cè)量不同的氣體時(shí)，需進(jìn)行一定的修正。表1-3給出了一些氣體或蒸汽的修正系數(shù)。

表1-3 常見(jiàn)氣體和蒸汽的修正系數(shù)



熱偶真空計(jì)的測(cè)量范圍大致是102～10-1Pa，測(cè)量壓強(qiáng)不允許過(guò)低，這是由于當(dāng)壓強(qiáng)更低時(shí)，氣體分子熱傳導(dǎo)逸去的熱量很少，而以熱絲、熱偶絲的熱傳導(dǎo)和熱輻射所引起的熱損失為主，則熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化將不是由于壓強(qiáng)的變化所引起。

熱偶真空計(jì)具有熱慣性，壓強(qiáng)變化時(shí)，熱絲溫度的改變常滯后一段時(shí)間，所以數(shù)據(jù)的讀取也應(yīng)隨之滯后一些時(shí)間；另外，和電阻真空計(jì)一樣，熱偶計(jì)的加熱燈絲也是鎢絲或鉑絲，長(zhǎng)時(shí)間使用，熱絲會(huì)因氧化而發(fā)生零點(diǎn)漂移，所以使用時(shí)，應(yīng)經(jīng)常調(diào)整加熱電流，并重新校正加熱電流值。



三、電離真空計(jì)

電離真空計(jì)是目前普遍使用的真空測(cè)量計(jì)，它是利用氣體分子電離的原理進(jìn)行真空度測(cè)量的。根據(jù)氣體電離源的不同，又分為熱陰極電離真空計(jì)和冷陰極電離真空計(jì)，前者又分為普通型熱陰極電離計(jì)、超高真空熱陰極電離計(jì)和低真空熱陰極電離計(jì)。圖1-7給出了普通電離計(jì)規(guī)管的結(jié)構(gòu)，它主要有三個(gè)電極：發(fā)射電子的燈絲作為發(fā)射極A，螺旋型加速并收集電子的柵極（又稱(chēng)加速極）B和圓筒型離子收集極C等三部分組成，其中發(fā)射極接零電位，加速極接正電位（幾百伏），收集極接負(fù)電位（幾十伏），B和C之間存在拒斥場(chǎng)。電離計(jì)的工作原理是熱陰極A發(fā)射電子，經(jīng)過(guò)加速極加速，大部分電子飛向收集極，在B-C之間的拒斥場(chǎng)作用下，電子運(yùn)動(dòng)速度降低，當(dāng)速度減到零時(shí)，電子又重新飛向B極，在電子飛向B-C空間時(shí)，同樣也受到拒斥場(chǎng)的作用，在速度減為零時(shí)，電子返轉(zhuǎn)飛向C極，電子在B-C空間的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，將與氣體分子不斷發(fā)生碰撞，使氣體分子獲得能量而產(chǎn)生電離，電子被加速極收集，而電離產(chǎn)生的正離子則被收集極接受并形成離子流I+，對(duì)于某一規(guī)管，當(dāng)各電極電位一定時(shí)，I+與發(fā)射電子流Ie、氣體的壓強(qiáng)有如下的線(xiàn)性關(guān)系

I+ = kIeP

式中k為比例常數(shù)，其意義是單位電子電流和單位壓強(qiáng)下所得到的離子的電流值，單位為1/Pa，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于不同氣體，k的大小不同，其存在的范圍在4-40之間。當(dāng)發(fā)射電流一定時(shí)，離子流只與氣體的壓強(qiáng)成正比，因此可以根據(jù)離子流的大小來(lái)確定真空室中氣體壓強(qiáng)值。



圖1-7 電離真空計(jì)



普通型熱陰極真空計(jì)的測(cè)量范圍是1.33×10-1—1.33×10-5Pa，無(wú)論高于還是低于此測(cè)量極限均會(huì)使離子流I+和氣體的壓強(qiáng)之間失去線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)壓強(qiáng)較高時(shí)，電子與分子多次碰撞的幾率增加，由于加速電位比氣體的電離電位（幾十伏）高很多，所以電離產(chǎn)生的電子足以引起氣體電離，這樣，將使電離規(guī)管中的電子流急劇增加，同時(shí)由于氣體密度較高，電子的自由程很短，大多數(shù)碰撞屬于低能碰撞，不能引起電離，許多因素導(dǎo)致較高壓強(qiáng)下離子流與壓強(qiáng)之間不再保持線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)壓強(qiáng)較低時(shí)（低于1.33×10-1Pa），高速運(yùn)動(dòng)的電子到達(dá)加速極上會(huì)產(chǎn)生軟X射線(xiàn)，軟X射線(xiàn)再射向離子收集極C上，會(huì)引起收集極產(chǎn)生光電發(fā)射，發(fā)射出電子流，從而使原離子流測(cè)量電路中疊加了這個(gè)與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)的電流，使離子流I+和氣體的壓強(qiáng)之間失去線(xiàn)性關(guān)系，這時(shí)電離真空計(jì)就不能夠測(cè)量真空室中的壓強(qiáng)了。

電離真空計(jì)可以迅速、連續(xù)地測(cè)出待測(cè)氣體的總壓強(qiáng)，而且規(guī)管體積小，易于連接，但是，規(guī)管中的發(fā)射極是由鎢絲制成，當(dāng)壓強(qiáng)高于10-1Pa時(shí)，規(guī)管壽命將降低，甚至燒毀，應(yīng)避免在高壓強(qiáng)下工作；在真空系統(tǒng)暴露大氣時(shí)，電離計(jì)規(guī)管的玻殼內(nèi)表面和各電極會(huì)吸附氣體，這些氣體會(huì)影響真空測(cè)量的準(zhǔn)確程度，因此，當(dāng)真空系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露在大氣或使用一段時(shí)間以后，應(yīng)定時(shí)進(jìn)行規(guī)管的除氣處理。



參考文獻(xiàn)

（1）趙寶升編著：《真空技術(shù)》，科學(xué)出版社，北京， 1998

（2）楊邦朝、王文生：《薄膜物理與技術(shù)》，電子科技大學(xué)出版社，成都，1994
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