低温的气体分子碰撞高温固体时,会从固体夺取热量。通过被气体分子夺取的热量来计算压力的真空计被成为热传导真空计。热传导真空计主要被应用于中低真空领域。代表性的热传导真空计包括Pirani真空计和热电偶真空计。

    原理
    金属圆筒内部设有一白金细线,两端连接电极。通过电极给白金细线提供电流时,白金细线会发热,气体分子碰撞白金细线或热辐射或通过固体热传导等方式,白金线的热量会被夺走。单位时间内以上三种方式夺走的热量为Qg,Qr,Qs,则平衡状态下时以下公式成立  
        Ｑ = Ｉ2Ｒ = Ｑg + Ｑr + Ｑs (1) 
    Ｑ是单位时间细线放出的热量,R是细线的电阻,I是细线的电流。

    气体的平均自由行程比细线的直径大很多时,Qg通过自由分子的热传导被表示为
        Ｑg = αΛπｄａ(Ｔ－Ｔ0)ｐ (2)

     T和T0分别为细线和金属圆筒的温度,P为气体压力,a是细线长度。 剩下的Qs和Qr可以分别表示如下
        Ｑs = Ｓκ(Ｔ－Ｔ0)/Ｌ (3)

        Ｑr = πｄａσε(Ｔ4－Ｔ04) (4)

    (3)是电极的热传导,其中S是细线的断面积,κ是固体的传导率,Ｌ是电极的长度。(4)式代表热辐射,σ和ε分别被称为常数和固体辐射率。如果保持T和T0一定,则(3)和(4)式为常数。如果用I02R表示一定量的固体热传导和热辐射,则式1可以表示为
       Ｉ2Ｒ = Ａｐ ＋ I02Ｒ (5)

       Ａ = αΛπｄａ(Ｔ－Ｔ0) (6)

     I0是压力为0的时候细线的电流, 是弥补固体热传导和热辐射而带来的热量损失。Ａ式是不依存压力的定数

    如果已知细线的电阻R,电流I0及定数A,则可以通过(5)式求得压力P。

和Pirani真空计一样,热电偶真空计也是利用气体分子的热传导现象,因为价格低廉,被广泛应用到中真空领域。

构造和原理

    热电偶接在白金或钨的细线上。这段细线通过电流后会发热。发出的热量通过周围气体分子的热传导,或细线本身的固体热传导,或热辐射放出。利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理。  

    如果保持细线的发热量即保持一定的电流,则周围压力高的时候气体夺走的热量较多,致使细线的温度较低。反过来周围压力低的时候细线的温度会升高。这种温度的变化通过热电偶检测出来,将热电偶的起电力换成压力之后即可知真空腔内的压力。

特征

    利用气体分子的热传导现象,可能测量的压力范围在1~300Pa之间。热电偶真空计测得细线温度同时,也受到细线本身的固体热传导和热辐射放热的影响。因此精度不高。但是电路简单,价格低廉

    另外此真空计在大气压状态下也不会烧损。而且测得的压力值通过电信号被取出,因此在自动控制方面容易控制。

Penning真空计是利用真空中的放电现象,测量中高真空领域的温度计,测量性稳定,耐用性久为其特点。

构造原理

   让真空中的残留气体电离,通过测量电离生成的离子或电子的电流而得出气体的压力,这种真空计被称为电离真空计。电离真空计让有几十eV的电子碰撞气体分子使其电离。电子的产生方式有两种:一种是加热金属丝放出热电子(热阴极),另一种方式是利用等离子体(冷阴极)。Penning真空计是冷阴极电离真空计的一种。

    Penning真空计利用Penning放电现象。一般而言,冷阴极放出的电子比热阴极少。单纯在阴阳两极间加电压,如果压力低于0.1Pa则不会持续放电。为了增加电子飞行距离,从外部加磁场,这样可使在更低的压力下也可放电。

　　检测部如图所示,主要构造为圆筒形(或圆环形)阳极。圆板状的阴极和永久磁铁构成。磁力线和电极的中心轴平行设置。阳极电压2~3kV,磁场强度约1000G。

　  从阴极放出的电子受洛仑兹力而作螺旋运动。同时,轴方向的空间电压如图C所示。电子被控制在势井内,于两侧的阴极之间做往返运动。实际上的电子运动要比这种估算复杂得多。但是,螺旋运动和往返运动使得电子的飞行距离大幅度增长。电子最终会被阳极捕捉,但是在被捕捉之前多次和气体分子碰撞,在两阴极之间产生等离子体状态。等离子体中的电子和阳极放出的电子一样会做螺旋运动和往返运动,但离子因为质量较大,螺旋运动半径较大,而且在高电位空间产生,短时间内被阴极捕捉。
  
  　Penning放电可在0.1Pa的压力下发生。假设电子的数量和气体压力无关,在阴极被捕捉到的离子数量(单位时间发生电离的次数=电流),则与压力及气体分子的电离断面积成正比例。如果知道离子电流和压力的比例系数,则可知道压力值。电离断面积依气体分子而变化,比例系数也会因气体分子而变。市场上的真空计一般以干燥空气或氮气为标准测出比例系数。

特征用途

    Penning真空计测量性能稳定,可测量高真空领域的电流。因为是冷阴极方式,不必担心电极的烧损问题。缺点是放电稳定性有一定不足。另外从阴极放出的电子量受表面污染影响严重。

    根据以上特点,此真空计适合不想频繁更换真空计的高真空领域设备上,同时因为此真空计本身有较强的磁场,要考虑其安装在设备上的位置。

电离真空计是通过使气体分子电离,测量离子数量而得出压力的真空计,被用于高真空至超高真空领域,定量性能优异。 

构造原理

 　　和先前所讲的冷阴极型Penning真空计不同,热阴极电离真空计中使气体电离的电子,是通过加热电热丝来获得。准确来讲应称之为热阴极型电离真空计,但平时多被直接简单称为电离真空计。
　　电离真空计的基本构造为电热丝(F),加速和捕捉电子的阳极网(G),捕捉离子的集电器(C)而构成

　　电热丝和阳离子集电器之间如果有气体分子,往返运动的电子会与其碰撞而产生阳离子和电子,生成的电子同样做往返运动最终被阳极网捕捉。而在阳极网和阳离子集电器之间生成的阳离子则被阳离子集电器捕捉。阳离子集电器的捕捉效率为a,电子使气体分子电离的几率为σ,气体分子密度为n,电热丝放出的热电子的电流为Ie,电子被阳极网捕捉前飞行的平均距离为L,阳离子集电器检测出的电流为Ii,则

　　Ｉi = Ｉe·ｎσＬａ　　　　　　(1)

    L,a,σ 是常数。如果控制Ie为一定值,则Ii和n成正比例。假设气体是理想气体,通过方程式p=nkT,则可知Ii和P成正比例。也就是所测得离子电流就可知气体压力。

　　Ｉi = ＳＩe·ｐ　　　　(2)

    　S被称为电离真空计系数或感度,其值通常由实验而定。一般的电离真空计,S值大约为0.1~0.3/Pa。

1、真空的定义

　　真空系统指低于该地区大气压的稀薄气体状态

　　2、真空度

　　处于真空状态下的气体稀薄程度，通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。

　　3、真空度单位

　　通常用托（Torr）为单位，近年国际上取用帕（Pa）作为单位。

　　1托＝1/760大气压＝1毫米汞柱

　　4、托与帕的转换

　　1托＝133.322帕　或　1帕＝7.5×10-3托

　　5、平均自由程

　　作无规则热运动的气体粒子，相继两次碰撞所飞越的平均距离，用符号“λ”表示。

　　6、流量

　　单位时间流过任意截面的气体量，符号用“Q”表示，单位为帕·升/秒（Pa·L/s）或托·升/秒（Torr·L/s）。

　　7、流导

　　表示真空管道通过气体的能力。单位为升/秒（L/s），在稳定状态下，管道流导等于管道流量除以管道两端压强差。符号记作“U”。　　U＝Q/(P2- P1)

　　8、压力或压强

　　气体分子作用于容器壁的单位面积上的力，用“P”表示。

　　9、标准大气压

　　压强为每平方厘米101325达因的气压，符号：（Atm）。

　　10、极限真空

　　真空容器经充分抽气后，稳定在某一真空度，此真空度称为极限真空。通常真空容器须经12小时炼气，再经12小时抽真空，最后一个小时每隔10分钟测量一次，取其10次的平均值为极限真空值。

　　11、抽气速率

　　在一定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率，简称抽速。即Sp＝Q/（P－P0）

　　12、热偶真空计

　　利用热电偶的电势与加热元件的温度有关，元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空计。

　　13、电离真空计（又收热阴极电离计）

　　由筒状收集极，栅网和位于栅网中心的灯丝构成，筒状收集极在栅网外面。热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集极收集，根据收集的离子流大小来测量气体压强的真空计。

　　14、复合真空计

　　由两种或两种以上真空计组成，可实现自动转换、自动换档。

　　15、冷阴极电离计

　　阳极筒的两端有一对阴极板，在外加磁场作用，阳极筒内形成潘宁放电产生离子，根据阴极板收集的离子流的大小来测定气体压强的真空计。

　　16、电阻真空计

　　利用加热元件的电阻与温度有关，元件的温度又与气体传导有关的原理，通过电桥电路来测量真空度的真空计。

　　17、麦克劳真空计（压缩式真空计）

　　将待测的气体用汞（或油）压缩到一极小体积，然后比较开管和闭管的液柱差，利用玻义尔定律直接算出气体压强的一种绝对真空计。

　　18、B－A规

　　这是一种阴极与收集极倒置的热阴极电离规。收集极是一根细丝，放在栅网中心，灯丝放在栅网外面，因而减少软X射线影响，延伸测量下限，可测超高真空。

　　19、水环真空泵

　　泵的叶轮转子旋转而产生水环。由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。

　　20、往复真空泵

　　利用活塞的往复运动而进行抽气的机械真空泵。

　　21、油封机械真空泵

　　用油来保持密封的机械真空泵，可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式等。

　　22、罗茨真空泵

　　具有一对同步高速旋转的鞋底形转子的机械真空泵，此泵不可以单独抽气，前级需配油封、水环等可直排大气的真空泵。

　　23、涡轮分子真空泵

　　有一高速旋转的叶轮，当气体分子与高速旋转的涡轮叶片相碰撞时就被驱向出气口再由前级泵抽除。

　　24、油扩散真空泵

　　扩散泵喷口中喷出高速蒸汽流。在分子流条件下，气体分子不断地向蒸流中扩散，并被蒸汽带向泵出口处逐级被压缩后再由前级泵排除。

　　25、低温真空泵

　　利用20K以下的低温表面凝聚吸附气体的真空泵。

　　26、冷阱（水冷挡板）

　　置于真空容器和泵之间，用于吸附气体或捕集油蒸汽的装置。

　　27、气镇阀

　　油封机械真空泵的压缩室上开一小孔，并装上调节阀，当打开阀并调节入气量，转子转到某一位置，空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外起此作用的阀门称为气镇阀。

　　28、真空冷冻干燥

　　真空冷冻干燥，也称升华干燥。其原理是将材料冷冻，使其含有的水份变成冰块，然后在真空下使冰升华而达到干燥目的。

　　29、真空蒸镀

　　在真空环境中，将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀，或叫真空镀膜。

　　30、真空干燥

　　利用真空环境下沸点低的特点来干燥物品的方法。

　　31、真空系统常用名称

　　(1)主泵：在真空系统中，用于获得所需要真空度来满足特定工艺要求的真空泵，如真空镀膜机中的油扩散泵就是主泵。

　　(2)前级泵：用于维持某一真空泵前级压强低于其临界前级压强的真空泵。如罗茨泵前配置的旋片或滑阀泵就是前级泵。

　　(3)粗抽泵：从大气压下开始抽气，并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵。如真空镀膜机中的滑阀泵，就是粗油泵。

来源:国防科工委 真空计量一级站

1、引言

　真空计量要满足在真空应用中量大面广的实际需要，解决其真空测量和校准问题，可以为真空应用提供计量服务和技术保障。正是真空应用对真空计量不断增长的需要和越来越高的要求，促进了真空计量学的发展，使真空计量的研究领域不断扩充，量程不断延伸，精度不断提高。真空计量已成为计量学一个新的独立分支，在国际上得到了承认。

　真空计量中三个基本物理量是真空度(全压力p和分压力pi)、气体微流量(Q)和抽速(S)。真空计量的主要研究内容为：(1)真空度（全压力）的测量与校准；(2)真空质谱分析、分压力的测量与校准；(3)气体微流量(或漏率)的测量与校准；(4)真空泵的抽速测量。

　真空计量学是有关真空测量和校准的知识领域，包括理论和实践的各个方面。在计量学中，计量标准不是一台台孤立的仪器和设备，而是一个个完整的、统一的、有机的体系。建立国家级计量标准，要求不同区域(或不同实验室)相同类型(或不同类型)的计量标准之间以相互标准作为基础。

　在国际上，许多国家建立了真空计量中心，建立了国家级真空计量标准，形成了真空量值传递系统。真空计量标准的国际化比对，是真空计量学发展的重要阶段，是真空量值统一的中心工作。国际标准化组织(ISO)设立的真空科学技术委员会(TC)颁布了一系列有关真空计量方面的国际标准和国家标准文件，促进了在国际范围内真空量值的统一。[1]

　1980年以来，在国际计量局(BIPM)组织下，在世界范围内开展了统一真空度量值的工作，历时近10年，12个国家级真空标准参加了以德国PTB真空标准为核心的国际比对。1987~1989我站参加了这一国际比对，比对结果一致性小于1.5%，优于12个国际比对 2%的平均值。 此后，我站还与意大利 IMGC、美国NIST 等进行了多次真空量值的直接或间接比对，均取得了良好的一致性。

　1990年以来，真空计量的研究重点放在了气体微流量和分压力的测量与校准上，建立了相应的计量标准， 开展了国际间真空漏孔的比对工作。 1980~1999年，我站与国家计量研究院先后进行了三轮真空漏孔的国内比对， 取得了较好的结果，具备了开展国际比对的条件。我站正在与美国NIST进行标准漏孔的国际比对， 与国际上统一漏率量值， 以保证漏率量值的校准精度。

　目前，我站已建立了较完整的真空度(全压力)、分压力和气体微流量(或漏率)的计量标准体系， 建成了国防真空校准实验室， 基本上满足了真空应用对真空计量的需求。

2、真空度(全压力)测量与校准

　在真空计量中， 真空度(全压力)测量与校准占有十分重要的地位，它是分压力、气体微流量(或漏率)计量的基础， 技术上相对比较成熟， 在真空应用中占有较大的比重。

  2.1、真空度(全压力)测量

　在真空度测量方面， 目前，已有从105Pa压力到极高真空(10-11Pa)的各种真空计，有工业化的产品。当今， 根据真空应用中对真空计使用要求，国际上真空计的新产品正在向小型化、一体化、集成化、系统化和智能化的方向发展。小型化是指真空计的体积越来越小；一体化是指真空计测量单元与规管集成为一体；集成化是指将多台真空计组合成一台； 系统化是指将真空度测量与控制相结合； 智能化是指真空计具有自我诊断、 自我保护、 自动操作、 数据采集与处理的综合功能。

　真空计小型化是电子技术的产物， 它是一体化和集成化的基础。小型化使真空计便于安装；一体化提高了真空计的测量精度；集成化扩展了真空计的测量范围，适合于真空系统中的实际应用；系统化满足了工业自动化控制的要求；智能化使真空计便于操作和使用。真空计的这些特点和发展趋势值得关注。

2.2、真空度(全压力)校准

　在真空度的校准方面，从粗低真空、中真空到高真空等区域内的绝对真空标准装置都已经建立；具有可从105Pa压力到极高真空(10-10Pa)校准的各种真空计，开展了国家级真空计量标准之间的直接和间接。

　20世纪60年代是真空度标准发展时期， 各国相继建立了许多不同类型的真空度标准，初步开展了在一国之内的真空标准之间的互校，逐步建成了国家级真空度标准和形成了国家真空计量中心。20世纪70年代是真空度标准深入发展时期，从实践和理论两个方面对真空标准的测量不确定度进行了仔细地探讨，继续开展了一国之内的真空度标准的互校，逐步开展了国际间真空度标准的比对工作。20世纪80年代以后，通过开展国际间真空度标准的比对，不断完善和提高已有真空标准的测量精度。延伸了真空校准下限，建立了超高和极高真空校准装置。如德国PTB建立了分子束法校准系统， 校准下限为10-10Pa [2]。

　在国内，真空计量技术与国际上同步发展。20世纪60年代，我站开始研制从低真空到超高真空较完整的玻璃真空标准装置系列，即压缩式真空计标准装置、低真空膨胀式标准装置、高真空膨胀式标准装置、小孔疏导法超高真空标准装置， 为真空计量一级站的发展奠定了基础。

　自从1983年国防科工委组建国防计量体系以来，国防真空计量技术加速发展，也是我站发展最迅速的一个时期。通过“七五” 、“八五”和“九五” 3个五年计划的建设发展，我站已研制建立了精密压力计、金属膨胀式真空计量标准、程控式真空规校准装置、真空规比对法校准装置等真空标准装置，形成了全压力真空计量标准的体系，可在 105~10-7Pa真空度范围内对各种类型的真空计进行校准。

　我站十分重视国防真空计量体系的建设，形成了真空量值的传递网，由国防科工委真空计量一级站、2个真空计量二级站组成的较完整的国防真空计量量值传递体系，使真空量值的传递渠道畅通，保证了真空量值的准确与统一。

　为了延伸真空的校准下限，需要开展超高、极高真空校准技术的研究，使真空校准下限达到 10-10Pa，以满足超高和极高真空校准需求。

3、气体微流量(或漏率)测量与校准

　随着真空计量向准确、精密和更深层次的发展，提出了气体微流量(或漏率)的测量与校准，建立气体微流量(或漏率)计量标准，已成为真空计量学研究的重要内容。

　在实际应用中， 精确测量气体微流量(或漏率)和建立气体微流量(或漏率)计量标准是十分重要的。例如， 为了保持飞船舱内的压力长期工作正常，不但要找到漏孔位置，还要精确测量微小的漏率，这对于长期在空间飞行的载人飞船尤为重要。火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体，微小的泄漏具有很大的危险性，为此要对火箭燃料的加注过程和发射阵地进行安全检测。在电子工业中的半导体元件、 集成电路、计算机芯片的生产工艺中， 要求精确控制气体微流量的注入，以保证工艺质量和产品性能的稳定。

　国内外对气体微流量(或漏率)测量与校准的研究，虽然起步较晚，但是随着理论研究的深入和实践经验的积累，使之气体微流量(或漏率)测量与校准的难度和存在的问题有了更具体和更深刻的认识。近年来又投入了更大的人力和财力，从事更先进的气体微流量标准的研制，进一步提高了校准精度，延伸了校准的下限。

3.1  真空漏孔校准

　近十多年来， 国内外在真空漏孔的校准方面做了大量的研究工作， 建立了一系列的气体微流量标准，对真空漏孔进行了校准。美国国家标准技术研究院NIST先后研制了二代恒压式微流量标准，校准范围2×10 -3~2×10-8Pa·m3/s，并正在准备研制第三代气体微流量标准。德国物理技术研究院(PTB)先后研制了恒压式和定容式气体微流量标准，校准范围分别为2×10-3~2×10-9Pa·m3/s和1×10-4~1×10-8Pa·m3/s。意大利计量研究院(IMGC)先后研制了二代恒压式气体微流量标准，校准范围3×10 -5~3×10-8Pa·m3/s。1998年，中国计量研究院研制了定容式流量标准， 校准范围2×10-4~5×10-9Pa·m3/s。1994年，我站建成一台恒压式气体微流量标准装置， 校准范围1×10 -3~×10-8[3]。

　但是， 质谱检漏仪使用的真空漏孔大多在2×10-3~2×10-11Pa·m3/s漏率范围内，气体微流量标准只能校准漏率值较大的真空漏孔，无法校准漏率值小于1×10-8Pa·m3/s的漏孔。若采用相对法校准真空漏孔时，校准结果则取决于四极质谱计的线性，因为四极质谱计的线性较差，使得校准真空漏孔的不确定度非常大。

　通过对气体微流量(或漏率)校准技术研究，可以得出解决较小漏率的真空漏孔校准问题和减小测量不确定度，才能满足对真空漏孔精确校准的需求。

3.2 、正压漏孔校准

　在航天产品研制和生产中，正压检漏技术已被广泛地采用，最常用的是皂泡法和水泡法。由于对正压检漏的可靠性提出了更高的要求， 采用了质谱检漏技术，要用正压漏孔对质谱检漏仪进行标定，从而提出了正压漏孔的校准问题。国内外对真空漏孔，漏孔的一端为大气压， 另一端为真空的校准技术研究比较成熟，已经研制了多种校准装置， 并在不同标准装置间进行了比对研究。但是对于正压漏孔的校准，因受到正压检漏定量性差和校准条件比较苛刻的局限，使之研究工作才刚刚开始。通过对各种真空漏孔和正压漏孔的校准方法进行了比较和分析，提出了正压漏孔的校准方法；利用已建成的气体微流量标准装置和现有的仪器设备，对正压漏孔的校准方法进行了实验研究。在大量的理论分析和实验研究的基础上，研制了正压漏孔校准装置。正压漏孔校准装置可采用定容法和定量气体动态比较法对正压漏孔进行校准。定容法的校准范围为1×102~5× 10-3Pa·L/s，测量中的不确定度为2.58%~9.10%：定量气体动态比较法的校准范围为2×10-2~5×10-3Pa·L/s,测量不确定度小于14.2%。

　在正压漏孔校准中采用了定量气体法，解决了累积气体中未知示漏气体的定标问题，并延伸校准下限二个数量级， 解决了较小漏率的正压漏孔的校准问题。