5.5　熱陰極電離真空計

5.5.1　普通熱陰極電離真空計

電離真空計是通過待測氣體在控制條件下電離所產(chǎn)生的離子流來測定壓力的一種真空計。電離真空計的工作原理是：在低壓力的氣體中，具有足夠能量的電子與氣體分子碰撞時，能引起氣體分子電離，產(chǎn)生正離子與電子。電子在一定的運行路程中與氣體分子的碰撞次數(shù)正比于氣體分子的密度，即正比于氣體壓力。因此，其產(chǎn)生的正離子數(shù)亦正比于氣體壓力。故測出離子流，就可測知氣體的壓力。

對于一定結(jié)構(gòu)的規(guī)管，當各電極電位一定時，對某種氣體，在規(guī)管中所形成的正離子流I+正比于發(fā)射電子流Ie和氣體的壓力，即

式中，k稱為電離計的靈敏度，其意義是在單位電子電流、單位壓力下所得到的離子流，單位為1/Pa，k值通過實驗得到。對于不同氣體，k值亦不同，通常所指的靈敏度是對于干燥空氣或氮氣而言的。把規(guī)管對某種氣體的靈敏度ki與規(guī)管對氮氣的靈敏度k氮的比值R稱為相對靈敏度，即

（5-2）

實際測量中，如果已知被測氣體的種類，就可根據(jù)測得的數(shù)據(jù)和該氣體的相對靈敏度R，估算出被測氣體的實際壓力，即

（5-3）

電離規(guī)管對不同氣體的相對靈敏度見表5-2。

電離真空計規(guī)管的結(jié)構(gòu)通常由發(fā)射電子的陰極、收集電子的柵極以及收集離子的收集極組成。目前國內(nèi)常用的DL-2型熱陰極電離真空計規(guī)管結(jié)構(gòu)見圖5-13。柵極用鎢絲或鉬絲制成。收集極因需要高溫除氣用薄鎳皮制成，為增加強度還在其上壓有凹槽。陰極一般用鎢絲制成，因鎢的電子發(fā)射穩(wěn)定，熱強度亦好。但鎢的工作溫度高達2250～2500K，對殘余氣體有化學作用，熱輻射效應也大，因此有的選用工作溫度低（1400K）、壽命長、碳化后抗氧化能力強的釷鎢絲為陰極。

電離真空計的主要優(yōu)點是：

①測出的是總壓力；

②反應迅速，可連續(xù)讀數(shù)，還可遠距離控制；

③可測量很低的壓力，普通型的電離計就可測量到5×10-6Pa，改進后制成的超高真空電離計，可測量到10-11Pa；

④規(guī)管小，易于連接到被測量處。還可制成裸規(guī)，直接在被測空間測量；

⑤p～I曲線直線范圍寬；

⑥對機械振動不敏感。

電離真空計存在的缺點有：

①靈敏度與氣體種類有關；

②壓力高于10-1Pa時，鎢燈絲易于燒毀，故一旦真空系統(tǒng)突然漏氣，如沒設置專門的保護線路，規(guī)管燈絲往往立即燒毀；

③工作時有化學清除及電清除作用，造成壓力的改變，影響測量準確度；

④玻殼、電極的放氣，亦導致測量的誤差。

5.5.2　B-A真空計

5.5.2.1　B-A真空計的結(jié)構(gòu)及工作原理

普通電離規(guī)管的測量下限主要受軟X射線的影響：即一定能量的電子踫撞到柵極上會產(chǎn)生軟X射線，這種軟X射線照射到收集極，就會使收集極產(chǎn)生光電發(fā)射的電子流。實驗表明，光電發(fā)射電流Ix與加速極電壓Ug、電子電流Ie以及受照面積A有如下關系：

（5-4）

該電流大約相當于1×10-6Pa的壓力，因此當其下限為1×10-5Pa時將引起10%的誤差。顯然，要降低測量下限，就必須減小光電流Ix，而要減小Ix，就必須減小Ie、Ug和A。由于降低Ie和Ug對測試靈敏度性能影響較大，因此對它們的降低是有限的，而最主要的辦法還是減小收集極的受照面積A。B-A真空計就是采用這種辦法來降低光電流的。

B-A真空計規(guī)管的結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。為了減小收集極的面積而又保證有足夠的離子收集效率，將原來的圓筒狀改為一根細絲并置于加速極中心，兩組燈絲放在加速極之外，一組備用。由于離子收集極的面積減少了100～1000倍，故測量下限降低100～1000倍，即達10-8～10-9Pa。

1—離子收集極；2—加速極（柵極）；3—陰極燈絲；4—外殼

貝耶得和阿爾伯特當時使用?0.2mm的細絲做收集極。近代所用細絲直徑已減小到4μm，測量下限可達10-10Pa。

收集極常用細鎢絲。陰極燈絲早期多用鎢絲，因鎢絲工作溫度高，有分解殘余氣體及化學清除作用，嚴重影響測試精度。目前有不少產(chǎn)品已采用敷氧化釷銥絲、銠絲等。

加速極（柵極）常用?0.1～?0.15mm的鉬絲繞在銅桿上，也有用?0.5～?1mm的銅絲或鎢絲直接繞成螺旋形的。前者的機械強度較好，靈敏度較高，但除氣時必須采用電子轟擊法；后者只需用低壓交流電或直流電就可除氣，但機械強度差，高溫下易變形。

為了提高測試靈敏度，加速柵的螺旋直徑應越大越好，一般約在20mm以上。對于螺旋節(jié)距通常有一最佳值，取2～3mm。

B-A真空計規(guī)管有多種型號，常用的DG-1型規(guī)管的性能參數(shù)如下：

5.5.2.2　B-A真空計的運用

①B-A真空計是目前使用最為廣泛的超高真空計，其測量范圍為10-1～10-9Pa；

②B-A真空計規(guī)管工作壓力不應在10-1Pa以上，否則會影響規(guī)管壽命，甚至毀壞；

③B-A真空計規(guī)管的燈絲和收集極很細，因此必須垂直安裝，且最好管腳向上，以免各電極工作時變形或損壞；

④在B-A真空計工作前應對玻璃管殼和各電極充分除氣。玻璃管殼的除氣可用烘烤加熱的辦法，各電極的除氣可采用電子轟擊法；

⑤B-A電離規(guī)管對各種氣體的相對靈敏度不同，表5-3列出了B-A電離規(guī)管對不同氣體的相對靈敏度。

實際測量中，與普通電離真空計一樣，如果已知被測氣體的種類，就可根據(jù)測得的數(shù)據(jù)和該氣體的相對靈敏度R，估算出被測氣體的實際壓力，即

（5-5）

規(guī)管工作條件：Ug=125V，Uc=-25V，Ic=1mA。