真空系统设计（真空测量技术）

　　2.6.5.1概述
　　在真空测量实践中,要用真空规比较精确地去测量被研究的稀薄气体压力,以达到预期的目的,必须考虑下列问题:
　　(1)要对被研究的对象有一般性的了解:
　　1)是非可凝的气体还是可凝的蒸气,是单一气体还是混合气体,是惰性气体还是活泼气体或腐蚀性气体;
　　2)气流状态是稳态还是瞬态,是均匀气流还是非均匀气流;
　　3)所处的温度是等温还是不等温,是高温还是低温;
　　4)有无磁场、电场、振动、加速度、带电粒子、辐射等特殊条件。
　　(2)根据研究对象的情况和研究的目的,正确选用真空规,并
　　需对所选的真空规有较深入的了解,即了解其原理、量程、特殊和局限性,以便正确地使用。
　　(3)要研究真空规与被测对象之间的相互作用。规的引入可能会使被测对象的原来状态发生畸变,同时被测对象也可能改变规的性能、干扰规的正常工作。
　　由此可知,要比较精确地进行真空测量,仅仅孤立地去研究真空规还是不够的,必须全面地研究与上述三个方面有关的测量技术。
　　从真空应用角度看,多数情况并不需要过高的精确度,只有在少数情况下(例如空间研究中),才要求高的测量精度(误差不大1%)。目前的精度可以满足粗低真空范围的真空测量要求,但在更宽的量程内不能达到。
　　2.6.5.2气体的种类与真空规
　　如果被测气体是氮气或惰性气体(如氦气、氖气等),测量就比较简单。但多数情况下,系统中的气体是氮、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氩、氦、甲烷、汞和油蒸气等多种气体和蒸气的不同组合,其中尤以氧、水蒸气、油蒸气等会影响真空规,在选用真空规时必须认真考虑气体组分对真空测量的影响。
　　A氧气
　　氧是理想气体,所以可用压缩式真空规进行测量,但分压过高时,会使水银表面发生氧化,从而污染玻璃毛细管的内表面,导致水银毛细压低值无规则变化,产生很大的测量误差。氧对水银U形压力计也有同样的影响。
　　氧气会使热传导规的热丝氧化,改变热丝的表面状态,引起规管零点漂移和灵敏度的改变。如采用抗氧化性好的白金丝作热丝,则能使规管性能稳定。
　　电离规的热阴极在氧气中工作会有明显的损耗。如果在高于10-2Pa的氧压下工作,钨阴极很快就会被烧坏。如果在低于10-8Pa的氧压下工作,钨阴极就可以长时间使用。热阴极电离规对氧气有较大的抽速,冷阴极电离规对氧气的抽速更大。
　　在粗低真空区间测定氧压的最好规型是薄膜规(尤其是不锈钢制的电容薄膜真空计),也可采用α规和β规。测量空气(N2、O2)压力时应考虑规与氧气的作用。
　　B水蒸气
　　可凝性水蒸气的压力一般不能用压缩式真空规来测量。若用热传导真空规测量水蒸气的压力,也会与测氧压一样,引起规管零点的漂移和灵敏度的改变。
　　用具有钨阴极的电离规测量水蒸气气压时,水蒸气会被高温钨表面分解并与钨反应生成氧化钨和原子态氢,氧化钨蒸发后附着在玻璃壁上,原子态氢则从玻璃壁上的氧化钨中夺取氧再变成水蒸气,这样循环下去,水蒸气就起着＂输运＂钨的作用,致使钨不断地＂蒸发＂。在高于10-2Pa的水汽压力下使用钨阴极时,会使钨严重＂蒸发＂,此时钨的消耗速率相当于在氧中的1/5,与在大气中的消耗速率差不多。如在电离规中采用铼或铼钨阴极,则可用来测量高达10-1Pa的水蒸气压力通常对可凝性水蒸气测量,在粗真空区间可用U形计,在低真空区间可用薄膜规和α规,在高真空区间可用黏滞规和克努曾规。真空规对水蒸气的可靠的校准方法至今还没有建立,一般只是用氮气校准过的真空规来测量,以等效氮压力来表征水蒸气压力。
　　C油蒸气
　　在用有油的抽气手段(扩散泵和机械泵)抽气的系统中存在相对分子质量很大的有机油蒸气及其分裂物。它们的蒸气压一般比较低,因此不能用压缩式真空规测量。如用压缩式真空规测量机械泵的极限压力时,要比热传导规测出的数据约低一个数量级用油U形压力计测量油蒸气压力时,因工作油可以溶解油蒸气,所以也不能得到正确的指示。
　　用热传导规测量时,油蒸气附在热丝和规壁上,会改变表面性能,引起热传导规零点漂移和灵敏度的改变。用电离规测量时,油蒸气会被高温阴极表面分解或由电子轰击而分解,生成碳氢化合物,污染电极和壁管,使规管的灵敏度和特性发生明显的改变。规管对油蒸气的灵敏度要比氮气高10倍。要校准电离规对高分子碳氢化合物的灵敏度是困难的,不同资料对低分子碳氢化合物校准的结果也不一致,但综合有关数据,可得出电离规对不同碳氢化合物的相对灵敏度的规律性。图2-117表明,电离规对不同碳氢化合物的相对灵敏度与这些碳氢化合物分子的电子数之间有线性关系。由图2-117所示的曲线线性外推,可以估算大分子碳氢化合物的相对灵敏度。
　　2.6.5.3非均匀环境下的真空测量
　　实际真空系统中,存在着从气源流向泵的气流,这些气源有的是经过漏孔注入的气流,有的是由于各种出气效应造成的气流,而且各种真空泵和清洁表面也有吸附气体作用。因此,实际的真空系统中气流分布通常是不均匀的。流经管状导管的气体会被管子聚束,导致流入容器的气流分布更不均匀。
　　真空系统中稀薄气流非均匀分布的影响,已成为近年来详细研究的课题,而这些研究结果又促进了精算测量气体压力技术的发展。
　　图 2-117 电离规对各种碳氢化合物的相对灵敏度
　　一般情况下,在讨论压力测量时,假定了两个条件:
　　(1)在一包壳中,单位立体角的气流密度与方向和位置无关,在给定空间的一点只存在一个压力,此压力与在此点的压力规的方位无关,即气流各向同性。
　　(2)系统所有部分是处于在同一温度下,被引用的气体压力指的是此温度下的压力,即等温假设。
　　事实上,这两个条件在许多实际系统中是不满足的,以下举两个例子加以说明。
　　(1)如容器中的气流沿同一方向黏着系数为1的表面流动,那么当规管的开口对着此表面时,则读数为0,而规管开口对着气流时读数则最大。这例子说明气流方向对测量的影响。
　　(2)一封闭的电离规,其中充有静压为P1(T1为300K)的氮气,若将其浸入液氮中(T2为77K),则其中压力P2为:
　　虽然压力降低了约3/4,但因气体密度没变,所以电离规的指示不变。这例子说明温度对测量压力的影响。
　　在超高真空系统中,定向流动和不等温度状态往往同时存在,可见研究非均匀环境下压力测量问题是实际中提出的一个十分重要的理论问题。
　　研究非均匀气流测量问题,导致碰撞压力转换器规的发展。如图2-118所示,碰撞压力转换器规是一种由两个小室构成的、具有小孔入口的管规。第一个室是球形的,它的作用是使经过小孔注入的定向分子束气流变成随机状态,然后由与此室相连的、具有挡板作用的管状电离规测量,此规的压力读数可用来监测定向分子流量。规中的分子密度n(其相应的压力为p=nkT)和规孔面对着气流方向时所进入的分子入射率n(分子数/(s·cm2))之间的关系如下:
　　图2-118 碰撞压力转换器规
　　式中,k为玻耳兹曼常数;T为热力学温度。
　　采用装在移动臂上的压力转换器规的实验不但证明了通过薄孔和短管的气流花样是与理论相符的,同时还可研究球形容器中分子流分布。
　　在航天科学的空间环境模拟容器中模拟外层空间的分子沉条件时,从容器中心的试件上发出的分子在被容器壁捕集之前,要经碰撞多次才返回到试件上。返回次数N为
　　式中,a为壁的黏着系数;g为几何因素。
　　模拟的理想目标是使N→0(分子沉),这就要求a→1。为了用电离规监测模拟分子沉的效果,将规管放在容器中心,测量从壁上返回的分子流,用所谓的＂有效压力＂来表征分子沉模拟的效果。在分子流情况下,两容器间被一理想小孔分开,通过小孔没有有效的气流流动。如两容器处在不同的温度下(T1、T2),则两处相应压力为P1和P2：
　　这是热流逸定律,但是如果将两容器用一根玻璃管分开,则会发现:
　　式中,b为热流逸修正系数。
　　在T1>T2时,b<1。这一结果说明导管聚束作用所产生的影响,导致状态偏离了热流逸定律。非均匀环境中压力测量的研究将更真实地反映了客观事物的状态,具有重大的理论和实践意义。在这方面还有很多问题有待深入研究。