了解真空计的种类、原理及选择

在现代工业领域中，真空规管是一种常见的精密测量工具，它主要通过测量真空状态来实现精确测量操作。而真空规管的型号十分丰富，每种型号都有着不同的适用范围和测量优势。不同类型的真空规管在科研和工业生产中有着广泛的应用，例如在真空镀膜、芯片制备以及真空冶炼等工艺过程中，控制真空度是确保工艺效果的关键‌。

本文将以安捷伦产品为例，对真空规管的种类及原理进行介绍，并分析不同型号的应用范围和优势，以帮助大家更好地了解和应用真空规管。

▲ 各种真空规 图片来源：安捷伦官网

按照真空规管的测量范围，主要可以分为三大类，即低真空测量真空规、高真空测量真空规及全量程规。真空规管还可以根据其工作原理进一步分类：

❶ 利用力学性能的机械式压力计‌：波尔登管式压力计和电容薄膜计；

‌❷ 利用热交换的真空计‌：热偶规‌、热对流规及皮拉尼规；

❸ 利用带电粒子效应的真空计‌：热阴极电离规和冷阴极电离规。‌

另外，真空测量技术的主要产品还有应用于高/超高真空的反磁控规、残余气体分析仪、溅射离子泵电流和校准规等。下图为各种真空测量产品测量的主要范围。

▲ 真空测量产品测量的主要范围 单位（mbar）（图片点击可放大）

 低真空中真空测量技术 

低真空测量技术是指从大气压到 10^-3 mbar（10^-1 Pa）范围的真空测量。此范围内，测量的腔体或管路内气体分子数量较多，呈粘滞流流态，所以可以借助气体分子的作用力直接测量或让气体分子从热丝上带走热量来间接测量。

❶ 电容薄膜计

电容薄膜计的工作原理是位于被测腔室和参考压力密封室之间的薄膜随受力大小不同发生弯曲变形，从而改变电路中的电容值，电容值再转化为可读取的真空度。电容薄膜计测量非常准确，且与所测气体种类无关。

▲ 电容薄膜计的原理示意图

❷ 热传递真空计

热传递真空计的原理是通过测量在真空中气体分子与一根热丝碰撞导致的能量损失来间接获得压力值。其中热偶规‌、热对流规及皮拉尼规各有优势。

▲ 热传递计的原理示意图

热偶规在 2 Torr~1 mTorr （266 Pa~0.133 Pa）范围内是最经济的真空规，且热偶规更易于校准。但因为是温度测量，它的测量精度和范围有限，在压力变化较大时反应慢，另外测量除空气/氮气以外的其它气体时需注意修正系数。

热对流规是用电流测量的，相对温度测量来说，可改善其响应时间。热对流规比热偶规有更宽的动态范围，从大气压到 1 mTorr（0.133 Pa）涵盖了整个低真空范围。不过热对流规的测量精度和安装位置有关，也同样有精度有限的问题。

而皮拉尼规则综合了以上两种产品的优势，采用电压测量，规管热传递结合惠斯通电桥来改善精度、范围和响应时间。量程范围从大气压到 10^-3 Pa，安装方向水平、垂直均可。

▲ 从左到右分别为：热偶规、热对流规及皮拉尼规 图片来源：安捷伦官网

热传导真空计的读值与被测气体种类有关，通常使用氮气（空气）校准。下图为几种常见气体的测量值偏差及修正系数。

 高真空/超高真空测量技术 

高真空及超高真空测量技术是指压力低于 10^-3 mbar（10^-1 Pa）的真空测量。此范围内，测量的腔体或管路内气体分子数量很少，呈分子流态，电离技术是主要的真空测量方法。

电离技术的原理是：电子与中性气体分子或原子碰撞，产生电子和带正电的离子，通过测量离子流的大小就可以得知气体浓度，从而得知压力的高低。应用电离技术的真空规有热阴极电离规（BA）和冷阴极电离规。

▲ 电离技术原理示意图：电子碰撞中性气体分子产生离子M⁺，离子加速向低电位的收集极运动，形成的离子流可以提供气体浓度或压力的测量。

▲ 常见气体的在不同电子能量中的电离几率

❶ 热阴极电离规（BA）

热阴极电离规主要由4部分构成：灯丝、栅极、收集极、控制器电路。

▲ 热阴极电离规结构

其中灯丝（阴极）发射电子，栅极（阳极）正电位加速电子，与中性气体碰撞，收集极收集离子流，控制器电路的作用是供电、放大运算、显示真空度。

▲ 热阴极电离规工作原理

❷ 冷阴极电离规

冷阴极电离规主要由电磁场和收集极两部分组成。其中电磁场束缚空间自由电子，使其呈螺旋运动，与空间中性气体粒子碰撞产生电离。收集极负电位吸引离子，测量离子流，得知空间气体浓度也就是真空度。

另外，还有为超高真空优化的冷阴极电离规——反磁控规（IMG）。反磁控规通过高压转换电压极性。高压可产生和维持等离子体，产生电离后被地电位的阴极吸引。

▲ 冷阴极电离规及反磁控规的结构

超高真空测量与高真空测量使用的都是电离技术，但使用的热阴极电离规和冷阴极电离规有所不同。

超高真空热阴极电离规需要减少材料放气（无套管，裸规），用全金属密封代替 O 型圈密封，需减少栅极尺寸和使用更小直径的收集极，抑制 X 射线本底；超高真空冷阴极电离规（反磁控规）则需更高的轰击电压，并采用全金属密封。

▲ 超高真空热阴极电离规（左）及反磁控规（右） 图片来源：安捷伦官网

▲ 热阴极电离规和冷阴极电离规对比

 真空规的选择 

选择合适的真空规，通常需要考虑以下几个关键因素。

❶ 根据实际需要选择测量范围，一般来说，真空规的测量范围应该比被测真空度大1~2个数量级，即选择量程范围中间的区域。

❷ 根据所测气体的种类，要看气体是否有腐蚀性、氧化性、是否易燃易爆等。

❸ 根据工作环境的特点，比如是否有机械冲击、是否高温或低温、是否有辐射等。

❹ 根据测量精度水平‌，精度是真空规的重要指标，选择具有适当精度的测量仪器。当然，高精度就意味着高成本。

❺ 要考虑真空规与其他仪器的兼容性

❻ 部分有自动控制的要求，如通讯、I/O、模拟量等。

 真空规的安装 

真空规的安装位置十分重要，直接影响到测量容器的数值。我们可以通过对比，了解几种正确的安装示意。

❶ 连接真空规的管道应粗且短，避免连接细且长的管道。

❷ 部分腔体内工艺材料有可能进入真空规，应建立屏蔽区，以免污染。

❸ 充气管道应冲向真空室顶部，这样压力读数更准确；反之真空规正对充气管道，受束流效应压力读数会比正常值偏高。

 真空规控制器 

‌在很多复杂的真空系统中，需要监测多个真空规的数据。此时真空规需要搭配真空规控制器来完成测量工作。真空规控制器通过使用真空规检测气体压力，然后将这些数据传输给控制器进行处理和分析，从而确保真空系统始终保持在所需的真空度范围内。

下面是安捷伦 XGS-600 控制器的介绍，我们可以从中看出真空规控制器的强大功能。这款安捷伦独有的多通道多功能的真空计控制器拥有大屏显示，工作范围从大气压到 10^-9 Pa，可以选择规管类型并自动配置参数，同时显示8路真空规的读数。其响应速度<20ms，可选 Pa、mbar、Torr 等多种真空单位。

▲ 安捷伦 XGS-600 真空计控制器  图片来源：安捷伦官网

真空规控制器可同时操控多个真空规，比如 XGS-600 控制器可同时操控4个热阴极电流规+4个热传导规，或者4个冷阴极规+4个热传导规；单种真空规可操作5个电离规或12个热传导规。