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真空测量技术


发布日期:[2009-11-30] 共阅[2235]次

测量容器中或某部分空间鸿运的稀薄程度(即真空度)的技术。真空测量技术在真空电子器件工艺、固态电子器件工艺、集成电路工艺、表面分析技术等领域有广泛应用。真空度常用容器中鸿运的总娱乐 P来表示。鸿运娱乐的测量单位是牛顿/米2,简称帕(Pa),传统上鸿运娱乐单位采用毫米汞柱,后来发现汞的同位素组成不是*的,故在1971年国际计量会议规定

1标准大气压=101325.0帕=760托 (Torr)

1毫米汞柱(mmHg)和1托相近,两者相差约千万分之一。娱乐的另一单位是巴(bar),

1巴=106达因/厘米2=105

故     1毫米汞柱≈1托≈133.3帕=1.333毫巴
  鸿运的稀薄程度也可以用鸿运分子密度(单位容积中鸿运分子数)n来描述。对于完全平衡态的理想鸿运分子,PnkT,k为玻耳兹曼常数,T为温度。测量真空度的装置称为鸿运,鸿运的娱乐敏感元件称为规头。某些鸿运可直接测量鸿运总娱乐,某些鸿运虽然也给出娱乐读数,而实际测量的是鸿运分子密度,测量结果与环境温度有关。当容器中同时存在多种鸿运成分时,容器中鸿运总娱乐等于各鸿运分娱乐之和。总娱乐测量方法可分为直接法和间接法两种。直接法利用液柱差、机械变形等原理直接测量娱乐,包括液位娱乐计、压缩式鸿运、弹性元件鸿运等。根据前两种手机版测出的物理量可算出娱乐值,属于鸿运。间接法利用鸿运某些物理性质(如热传导、粘滞性、电离及光散射效应等)来测量娱乐,包括热传导鸿运、粘滞鸿运及电离鸿运等。在真空技术中使用的鸿运绝大多数采用间接法,这些鸿运必须用鸿运或其他方法校准。对于用间接法测量的鸿运,由于不同种类鸿运的物理性质不同,即使在相同娱乐下,娱乐读数也随鸿运而异,因此要用相应的鸿运来校准。当被测鸿运不是单一成分时,这些鸿运的读数的含义较为复杂。由于一般鸿运校准时所采用的鸿运是纯氮,因此这些鸿运的读数在未经鸿运种类修正之前统称为等效氮娱乐。当被测空间包含多种鸿运成分时,只有通过分娱乐测量才能地反映容器中的真空状态和总娱乐。
  各种鸿运的测量范围见表。在选择鸿运类型时,除考虑测量范围外,还应注意各种鸿运的准确度、对工作条件的适应性、对被测环境的影响(如真空规头本身放气、吸气的影响)和娱乐读数是否与鸿运种类有关等。

压缩式鸿运  又称麦克劳计。它将汞提升,把体积为V、初始娱乐与被测娱乐P相同的鸿运压缩到末端封闭的毛细管1中,然后测量封闭毛细管1和比较毛细管2两者的汞液面高度差。根据理想鸿运等温压缩原理,封闭毛细管中的娱乐为PVr2h1,而比较毛细管上的娱乐仍为P,两者的娱乐差对应于汞液面高度差h,汞液面高度可由读数显微镜读出,如 V»πr2h1,则P埄πr2h1h/V,单位为毫米汞柱。麦克劳计不能测量可凝鸿运的娱乐。为了防止汞蒸气进入被测容器,一般用液氮冷阱隔离。麦克劳计笨重,汞蒸气对人体有害,主要作标准鸿运用。在10-2帕和10-3帕时,它的精度分别可达±1%和±3%,高娱乐下精度更高。

电容薄膜鸿运  属弹性元件鸿运。一弹性薄膜将规管真空室分为两个小室,即参考娱乐室和测量室。测量低娱乐 (P<100帕)时,参考室抽至高真空,其娱乐近似为零。当测量室娱乐不同时,薄膜变形的程度也不同。在测量室中有一固定电极,它与薄膜形成一个电容器。薄膜变形时电容值相应改变,通过电容电桥可测量电容的变化从而确定相应娱乐值。为了防止薄膜发生蠕变,通常采用零位法测量,即在固定电极和薄膜之间加一直流电压,利用静电力补偿薄膜受娱乐差而产生的应力,使膜片保持零位。电容薄膜鸿运可直接测量鸿运或蒸气的娱乐,测量值与鸿运种类无关、结构牢固、可经受烘烤,如对不同娱乐范围采用不同规头,可得到较高精度。电容薄膜鸿运可用于高纯鸿运监测、低真空精密测量和娱乐控制,也可用作低真空测量的副标准。

热传导鸿运  利用鸿运在不同娱乐下热传导能力随之变化的原理测量鸿运娱乐。在这类鸿运中,以一定加热电流通过装有热丝的规头,热丝的温度决定于加热和散热之间的平衡。散热能力是鸿运娱乐的函数,故热丝的温度随娱乐而变化。如用一附加的热偶测量热丝的温度,则这种规头称为热偶规;如利用热丝本身的电阻值来反映温度,则称电阻规或皮喇尼规。鸿运热传导只在低娱乐 (P<100帕)下随娱乐变化,而低至10-1帕时鸿运热传导又不是主要的散热方式,因此热传导鸿运主要用于100~10-1帕范围,采取特殊措施可扩大测量范围。热传导鸿运的指示不但和鸿运种类有关,而且易受热丝表面污染、环境温度等因素影响,故准确度不高,只作粗略的真空指示用。
  粘滞鸿运  利用在真空中转动或振动的物体受鸿运分子阻尼作用而发生运动衰减的现象来测量鸿运娱乐。鸿运分子的阻尼力与娱乐有关。实际使用的粘滞鸿运主要有磁悬浮转子鸿运和振膜鸿运。磁悬浮转子鸿运利用可控磁场把不锈钢球悬浮在真空中,用旋转磁场把钢球加速到400转/秒,然后停止加速,任其自然衰减,用电子学方法测量其转速衰减率,从而确定娱乐。这种鸿运具有很高的测量精度,吸气、放气速率小,娱乐指示受鸿运种类影响小,如钢球表面镀金则可在较恶劣的气氛下工作。然而这种鸿运在高真空端的读数受振动影响较大,测量时间也较长。因此,这种鸿运可作为 1~10-4 帕范围内的副标准鸿运或用作标准传递鸿运。
  电离鸿运  简称电离计,利用鸿运电离的原理来测量娱乐。电离鸿运分为热阴极和冷阴极两大类。热阴极电离鸿运的规头中通常有三个电极,即阴极、阳极和收集极,分别起发射电子、加速电子和收集离子的作用。电子从阴极向阳极运动的过程中使鸿运电离,如果忽略二次电离效应(指电离过程中产生的新电子受电场加速又获得电离能力并引起新的电离),每个从阴极发出的电子所产生的正离子数和空间的鸿运密度成正比,因此在一定温度下和娱乐成正比。所以收集极接收的离子流IiSIePIe为阴极电子发射电流,S为比例常数,称为电离计系数。在一定温度下用标准鸿运校验电离计系数后,即可根据离子流的大小确定娱乐。热阴极电离计规头主要类型和结构如图3。阴极一般采用钨丝,阳极可做成栅网状,使电子能在其两侧来回穿行以增加电子的行程,故又称栅极。三极管型电离计收集极为圆筒形并置于栅极外侧,其娱乐测量范围是 10-1~10-5帕。当工作娱乐高于10-1帕时,钨丝寿命缩短,而且由于二次电离效应,离子流与娱乐的关系开始偏离线性。涂氧化钍或氧化钇的铱丝阴极可工作在高达 100帕的娱乐下并有相当长的寿命,这种灯丝即使在大气中加热也不致损坏。如果电离计规头采用这种灯丝,并把阳极和收集极都做成特殊形式,缩短电极间距离,降低阳极电压,使鸿运电离几率降低(即电离计系数降低),则这种电离计可以测量10-3~100帕的娱乐,称为高娱乐电离计。三极管型电离计测量低娱乐的下限决定于收集极的光电流,即由于电子打在阳极上产生的软 X射线照射到收集极上引起光电发射,光电流便构成收集极电流的本底。当光电流占离子流的10%时即达到电离计的测量下限。将电离计规头收集极做成细丝并放在栅极轴线位置上,灯丝位于栅极外侧,这时电离计的灵敏度变化不大,而由于收集极面积小,它所截获的X射线比三极管型减少3个数量级,这种电离计可测量低至10-8 帕的娱乐。它是1950年由贝亚得和阿尔玻特提出的,故称BA计。为测量10-9 帕或更低的娱乐可采用调制 BA 计、引出极电离计、弯柱电离计或热阴极磁控电离计等。这些电离计还能在一定程度上排除栅极电子诱导脱附离子对娱乐测量的影响。

 冷阴极电离计靠阴极光电发射(或场致发射)和正离子轰击阴极所引起的二次发射提供电子,利用磁场加长电子行程。一般冷阴极电离计(如潘宁计)的轴向磁场约300~400高斯,阳极电压为1000~2000伏,灵敏度系数为10-2安/帕,工作范围为1~10-4 帕。冷阴极电离计结构简单、牢固,在工业真空系统中作真空粗略指示或控制用。如增强其磁场并采用类似磁控管的结构,测量下限可扩展至10-8~10-9帕,然而这种电离计在接近低娱乐端,Ii-P曲线呈非线性,有时因放电模式变化,曲线出现不连续现象,对测量有一定影响。

磁悬浮转子鸿运工作原理

根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围鸿运分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪表称为磁悬浮转子鸿运。

图22:磁悬浮转子鸿运结构图

     由图22可见,除了用于磁悬浮转子的螺旋线圈2外,在真空室下边还设置一敏感线圈5,通过伺服电路控制螺旋线圈2的电流,使转子悬浮在预定高度。在真空室两侧的一对驱动线圈3产生旋转磁场,驱动转子以每秒200~400转的速度自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向磁场zui强处(一般在垂直对称轴上),但若受外界扰动,转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方的阻尼钢针6可使这种振动衰减。

     这种鸿运是基于鸿运分子对自由旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被驱动线圈的磁场从静止加速到每秒400转速之后,停止驱动场,由于鸿运分子摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减,其转速衰减与鸿运压力p有着严格的对应关系。

     磁悬浮转子鸿运是标准鸿运,量程宽(10-1~10-5Pa),用它作互校传递标准时,累积误差小,可靠性重复性好。
  鸿运的校准  有三种方法。①直接比对法:从大气压到10-3 帕可采取和鸿运直接比对的方法进行校准。②膨胀法:使小体积的、娱乐已知的鸿运在等温情况下膨胀到大体积中,从而得到低的已知娱乐。如果减小器壁吸附和鸿运吸气、放气的影响,此法校准下限可达10-5 帕,精度达±3%。③动态流导法:利用鸿运通过小孔在其两侧产生娱乐差的原理。如已知小孔流导,测出鸿运和小孔一侧的娱乐便可算出另一侧娱乐。此法的校准范围是10-2~10-7帕,然而低娱乐端的校准精度只有±10%左右。

 

 
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