真空技术书籍,第二版

5.1.2 依赖气体的间接压力测量

随着压力的下降,需要越来越多的仪器用于测量作用在膜片 上减少的力。通过测量气体属性间接提供压力信息的气体测 量原理使真空范围内真空计的设计相对容易些。对于高真空 和超高真空环境来说,通过定义压力来工作的真空计是无法 实现的,因为作用在膜片上力不足。

当考虑真空下的间接压力测量时,以粒子数密度作为出发点 是个不错的想法。根据理想气体状态方程: $p = n \cdot k \cdot T$ (公 式 1-8),这在恒定温度下与压力成正比。在真空技术中用于 测量压力所采用的两种现象是通过压力计测量区域中所含气 体的热和电传导。每个气体粒子均具有一份电导,因此,很 容易想象密度及其压力对传导具有一定程度的影响。由于气 体原子或分子具有不同的特性,特别是在大量聚集的情况 下,基于该传导现象的压力测量所提供的读数取决于气体的 类型。

皮拉尼(热传递)真空计

皮拉尼真空计利用压力 p 小于 10 至 100 hPa 左右时的气体 导热系数。管内同心张紧的金属丝(通常为钨丝)由通过金 属丝的电流电加热到 110°C 和 130°C 之间的恒定温度。周 围气体将热量消散到管壁上。在分子流范围内,热传递与分 子数密度成正比,从而与压力成正比。如果金属丝温度保持 恒定,其热量输出将是压力导致的结果。然而,它不会是压 力的线性函数,因为通过金属丝和热辐射悬浮液的导热系数 也将影响热量输出。

皮拉尼真空计的工作原理

图 5.3: 皮拉尼真空计的工作原理

限制作用有:

  • 导热系数将不再从大约 10 hPa 到气压(限制取决于气体 类型)的(层流范围)范围内压力的结果。
  • 在压力低于 10-4 hPa时,气体的导热系数相对于通过金属 丝末端的热传递将相对较低,因此不再影响金属丝的热量 输出。因此,测量限制大约在 10-4 hPa。
  • 热辐射也将把一部分热量输出传递到管壁上。

图 5.4 显示了在 10-4 hPa 和气压之间各种气体的不同曲线。 虽然从氮和空气仍然可以看出良好的线性度,但是轻型 (He) 和重型 (Ar) 气体的曲线却显示出了显著的偏差。对于皮拉尼 真空计,操作手册中给出了将指示的氮等效压力转换为所测 量气体正确压力的修正系数。这些系数可在控制和显示设备 中输入,该设备将自动指示正确的转换压力。此修正仅适用 于图 5.4 所示特性曲线的线性部分。

皮拉尼真空计曲线

图 5.4: 皮拉尼真空计曲线

冷阴极电离真空计

冷阴极电离真空计基本上只包括两个电极,一个阴极和一个 阳极,在这两极之间通过串联电阻施加高压。带负电荷的电 子通过磁场发射离开阴极,以高速从阴极向阳极移动。当它 们通过该路径时,它们电离中性气体分子,这触发气体放 电。所测气体放电电流 (图 5.5) i是压力的参数。但是,在直 线电子轨迹的情况下,只有少量分子被电离,这将导致在大 约 1 hPa 下的气体灵敏度较低且气体放电中断。有一种设计 可以避免该缺陷,即是 Hobson 和 Redhead 反磁控管 [28]。 金属针(阳极)被旋转对称的测量室(阴极)所包围(图 5.5)。轴向磁化的圆柱形、永磁环置于测量室外部,以在室内 产生磁场。

反磁控管的设计

图 5.5: 反磁控管的设计

电子以螺旋轨迹通过磁场 (图 5.6)。以这种方式延伸的电子 路径增加了与气体分子碰撞的概率,并确保产生足够的离子 来维持气体放电,即使在压力低于 1 hPa 的情况下。由于各 种气体不同的电离概率,压力读数将取决于所涉及的气体类 型。例如,氦指示的压力将低于空气所指示的压力。

反磁控管的工作原理

图 5.6: 反磁控管的工作原理

冷阴极真空计在以下条件下很容易受到污染:

  • 如果设备在压力 p 大于 0.1 hPa 时被激活。
  • 如果真空计经常在中真空范围内的氩气环境下使用。氩经 常用于溅射系统中应用。由于与离子碰撞,这导致阴极的 溅射,从而还导致真空计出现短路和故障。
  • 如果在含有烃类的残余气体环境中操作。

气体也吸附在阴极表面。这将产生伪造测量信号的抽动效 应。

在真空系统中安装真空计时,有必要将磁场考虑在内,因为 它会干扰敏感设备,特别是在它们使用电子或离子光学系统 时。

热阴极电离真空计

在这种情况下,凭借加热阴极辅助产生电子。 图 5.7 s显 示了 Bayard–Alpert 真空计的设计 [27]。细金属丝布置在圆 柱形、格子状的阳极中间;该金属丝用作离子收集器。在阳 极和阴极之间施加大约 100 V 的电压。这使所有发射的电子 向阳极加速。发射电流在阳极电路中测量,这可以通过阴极 热量输出进行设置。在其驶向阳极的途中,电子与气体分子 发生碰撞。驶向收集器的离子与阳极具有相同电势。

所测收集器电流是压力的参数。由于发射电流与离子电流成 正比,所以它可用于设置真空计的灵敏度。

Bayard-Alpert 真空计的设计

图 5.7: Bayard-Alpert 真空计的设计

使用 Bayard-Alpert 真空计,压力测量可精确到 1 · 10-10 hPa。测量误差来自传感器的抽动效应和以下两种限制作用:

  • X-射线轫致辐射: 撞击阳极罩的电子导致 放射X-射线,其 中一部分射线撞击收集器。该 X-射线导致收集器发射光电 子,并流向阳极。产生的光电子电流增加并歪曲压力相关 的收集器电流。因此,选择的收集器金属丝应尽可能的 细,以使其只收集非常少的 X-射线辐射。因此,测量下限 也被称为 X-射线限制。
  • ESD 离子: ESD(电子诱导脱附)是指附着在阳极罩上的 气体分子通过电子解吸和电离。这些离子也增加了与压力 成比例的离子电流。

热阴极电离真空计也提供气体类型相关的压力信号。然而, 测量结果比使用冷阴极电离真空计(通常为 ± 25 %)获得结 果更加精确(通常为 ±10 %)。因此,Bayard-Alpert 真空计 通常用作校准的基准。

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