間接真空壓力計如何運作？

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具有氣體相關壓力讀數的真空計

此類型的真空計不會將壓力作為區域相關的力直接測量，而是會透過與粒子數的密度成正比，進而與壓力成正比的其他物理變數間接測量。具有氣體相關壓力讀數的真空計包括：具有不同設計的減壓計、熱傳導式真空計以及離子化真空計。

儀器包含實際感應器 (儀表頭、感應器) 以及操作感應器所需的控制裝置。壓力刻度或數位顯示通常以氮氣壓力為基礎；如果必須測定氣體 (或蒸氣) 的實際壓力 p_T，則指示壓力 p_I 必須乘以此氣體的特性係數。這些係數因儀器類型而異，且會作為獨立於壓力的係數，以表格的形式提供 (見表 3.2)，或者，如果這些係數取決於壓力，則必須根據圖表測定 (見圖 3.11)。

表 3.2 連接係數

圖 3.11 以氮氣當量讀數為基礎之各種氣體的 THERMOVAC 真空計校正曲線

一般而言，以下內容適用：
實際壓力 p_T = 指示壓力 p_I · 校正係數
如果壓力讀數為「氮氣刻度」但未校正，則其中一個是指「氮氣當量」值。

在所有電子真空計 (包括取決於氣體類型的真空計) 中，電腦使用的與日俱增導致人們希望在螢幕上直接顯示壓力，例如，將其插入製程氣流圖表中的適當位置。為了能夠儘可能使用最標準化的電腦介面，建構了所謂的變送器 (具有標準化電流輸出的訊號變頻器)，而非感應器與顯示裝置 (例如 THERMOVAC 變送器、潘寧變送器、IONIVAC 變送器等)。變送器需要供應電壓 (例如 +24 伏特)，並提供在整個測量範圍 (4 至 20 mA 或 0 – 10 V) 內呈線性的壓力相關電流訊號。直到將此訊號提供給電腦，並透過適當軟體進行處理之後，才會提供壓力讀數，然後直接顯示在螢幕上。

熱傳導式真空計

古典物理學教授並提供實驗證明，靜態氣體的導熱性與較高壓力 (粒子數密度) p > 1 mbar 下的壓力無關。但是，在較低壓力 p < 1 mbar 下，導熱性與壓力相關。

它在中度真空範圍內會從約 1 mbar 開始與壓力成比例減少，並在高真空範圍內達到零。此壓力相依性用於熱傳導式真空計，能夠精確測量 (取決於氣體類型) 中度真空範圍內的壓力。

這種測量儀器中最廣泛的是 Pirani 真空計。半徑為 r₁ 的載流燈絲可加熱至約 212 到 302°F (100 到 150°C) (圖 3.10)，並透過輻射與熱傳導 (當然也包括燈絲末端的支架) 將其產生的熱釋放給周圍的氣體。在粗真空範圍內，透過氣體對流的熱傳導幾乎與壓力無關 (見圖 3.10)。但是，如果在幾 mbar 的壓力下，氣體平均自由路徑的數量級與燈絲直徑相同，則此類型熱傳遞的下降會越來越多，變成取決於密度，進而取決於壓力。低於 10_-3 mbar 時，氣體的平均自由路徑大致對應於測量管半徑 r₂ 的尺寸。儀表頭中的感測燈絲構成惠斯登電橋的分支。

3.10 在恆定溫差下，管件 (半徑 r2) 中加熱燈絲 (半徑 r1) 的散熱量對氣體壓力 (示意圖) 的相依性。

I 因金屬末端的輻射與傳導而導致的熱耗散
II 因氣體而導致的熱耗散，與壓力相關
III 因輻射與對流而導致的熱耗散

在現今佔主導地位之具有恒定電阻的 THERMOVAC 熱傳導式真空計中，感測燈絲也是惠斯登電橋的分支。調節施加在此電橋上的加熱電壓，以使電阻與燈絲的溫度保持恆定，無論熱損失為何。這表示電橋始終保持平衡。此調節模式需要幾毫秒的時間常數，因此，與具有可變電阻的儀器相比，此類儀器對壓力變更的回應非常迅速。施加在電橋上的電壓是對壓力的測量。測量電壓透過電子方式進行校正，以便在整個測量範圍內取得近似對數刻度。具有恆定電阻之熱傳導式真空計的測量範圍為 10_^-4 到 1013 mbar。由於回應時間非常短，其特別適合控制與壓力監控應用。在最敏感的範圍內，即 10^-3 到 10 mbar 之間，這對應於壓力讀數的 15 % 左右。此範圍外的測量不確定性明顯更大。

與取決於氣體類型的所有真空計一樣，熱傳導式真空計的指示儀器刻度與數位顯示也適用於氮氣與空氣。在誤差範圍內，可直接讀取具有類似分子質量 (即 O₂、CO 等) 的氣體壓力。一系列氣體的校正曲線顯示在圖 3.11 中。

壓力測量中實際壓力 pT 與指示壓力 pI 之間差異的極端範例為，將氣體從壓力缸引入含有氬氣的真空系統，以避免水分 (幫浦時間)。根據圖 3.11，使用 THERMOVAC 作為壓力測量儀器達到「Ar 大氣壓力」 p_T 時，將取得僅 40 mbar 的 p_I 讀數。氬氣可能會從容器 (蓋子打開，鐘罩升起) 中逸出。針對此類應用以及類似應用，必須使用與氣體類型無關的壓力開關或真空計。

離子化真空計

離子化真空計是測量高真空與超高真空範圍內氣體壓力的最重要儀器。此類真空計根據與壓力成正比的粒子數密度來測量壓力。要測量壓力的氣體會進入儀器的儀表頭，並在電場的協助下進行部分離子化。當電子在電場中加速，並獲得足夠能量，以在與氣體分子碰撞形成正離子時，會發生離子化。這些離子會將其電荷傳送至系統中的測量電極 (離子收集器)。以此方式產生的離子電流 (或者更準確地說，中和這些離子所需之測量電極饋線中的電子電流) 是對壓力的測量，因為離子產率與粒子數密度成正比，進而與壓力成正比。

離子的形成是高電場強度放電 (冷陰極是潘寧/反磁放電的傘形術語，參見直接壓力測量)，或熱陰極發射電子衝擊 (Bayard-Alpert/Extractor/三極管的傘形術語) (參見直接壓力測量) 的結果

在其他恆定條件下，離子產率與離子電流取決於氣體類型，因為某些氣體比其他氣體更容易離子化。由於所有真空計的壓力讀數取決於氣體類型，因此離子化真空計使用氮氣作為參考氣體 (氮氣當量壓力，參見直接壓力測量) 進行校正。若要取得氮氣以外氣體的實際壓力，讀數壓力必須乘以表 3.2 中提供之相關氣體的校正係數。表 3.2 中所述的係數會假定與壓力無關，儘管其在某種程度上取決於電極系統的幾何設計。因此，會將這些係數視為各種類型離子化真空計的平均值 (見圖 3.16)。

冷陰極離子化真空計

冷放電的離子化真空計稱為冷陰極或潘寧/反磁真空計。原則上，測量管中的放電程序與濺鍍離子幫浦之電極系統中的程序相同。所有類型之冷陰極離子化真空計的一個共同特點是，它們只包含兩個未加熱電極、一個陰極與一個陽極，在這兩個電極之間，所謂的冷放電會透過直流電壓 (約 2 kV) 啟動並維持，以便在極低的電壓下繼續放電。它的實現方式是，使用磁場使電子的路徑足夠長，以便電子與氣體分子的碰撞速度足夠大，進而形成維持放電所需的電荷載體數量。磁場 (見圖 3.12) 的安排應使磁力線穿過電場線。這樣會將電子限制在螺旋路徑上。由碰撞產生的正負電荷載體會移動到對應電極，並形成壓力相關放電電流，如儀器上所指示。讀數 (mbar) 取決於氣體類型。測量範圍的上限透過以下事實提供：在數個 10^-2 mbar 的等級以上，冷陰極放電變更為具有強光輸出的輝光放電，其中電流 (恆定電壓下) 僅在很小程度上取決於壓力，因此不適合用於測量目的。在所有冷陰極真空計中，氣體吸附量都比以熱陰極操作的離子化真空計中的氣體吸附量高得多。冷陰極測量管幫浦氣體類似於濺鍍離子幫浦 (S ≈ 10^-2 l/s)。在此，放電產生的離子會再次向陰極加速，且離子會在陰極被部分保留，並部分導致陰極材料濺鍍。濺鍍陰極材料會在真空計管壁上形成吸附表面薄膜。儘管這些缺點會導致壓力讀數相對較高的誤差 (高達 50 % 左右)，但冷陰極離子化真空計具有三個非常突出的優點。首先，它是所有高真空測量儀器中最便宜的。第二，測量系統對突然進氣與震動不敏感；第三，儀器易於操作。

圖 3.12 PENNINGVAC PR25 真空計的横截面。

小型法蘭 DN 25 KF；DN 40 KF
外殼
具有點火銷的環狀陽極
陶瓷墊片
電流真空引入線
連接襯套
陽極銷
陰極平板

熱陰極離子化真空計

一般來說，此類真空計是指由三個電極 (陰極、陽極與離子收集器) 組成的測量系統，其中陰極是熱陰極。陰極曾由鎢製成，但現在通常由氧化物塗層的銥 (Th₂O₃、Y2O₃) 製成，以減少電子輸出功，使其更具抗氧性。此類型離子化真空計的工作電壓較低，沒有外部磁場。熱陰極是產率非常高的電子源。電子會在電場中加速，並從電場接收足夠的能量，以離子化電極系統找到的氣體。形成的正電荷氣體離子會輸送至相對於陰極為負的離子收集器，並在此處釋放其電荷。由此產生的離子電流是對氣體密度與氣體壓力的測量。如果 i- 是熱陰極發射的電子電流，則測量系統中產生之壓力比例電流 i+ 的定義方式如下：

(3.3)

(3.3a)

變數 C 是測量系統的真空計常數。針對氮氣，此變數通常約為 10 mbar^-1。針對恆定電子電流，儀表頭的靈敏度 S 會定義為離子電流與壓力的商。因此，針對 1 mA 與 C = 10 mbar-1 的電子電流，儀表頭的靈敏度 S 為：

熱陰極離子化真空計也會呈現氣體吸附 (幫浦動作)，但其比冷陰極系統小得多，即約 10^-3 l/s。基本上，此氣體吸附會發生在儀表頭的玻璃壁上，且在較小程度上會發生在離子收集器上。此處使用的是易於操作的裸規，因為不需要外部磁鐵。熱陰極離子化真空計測量範圍的上限約為 10^-2 mbar (特殊設計除外)。它基本上由氣體分子上離子的散射程序定義，因為在較高壓力下自由路徑更短 (離子不再到達離子收集器 = 離子產率較低)。此外，在較高壓力下可能會形成不可控輝光或電弧放電，且玻璃管中可能會發生靜電放電。在這些情況下，指示壓力 p_I 可能與實際壓力 p_T 有很大偏差。

在低壓下，測量範圍受兩種效應限制：X 射線效應與離子脫附效應。這些效應會導致壓力與離子電流之間失去嚴格的比例關係，並產生明顯無法超過的低壓閾值 (見圖 3.14)。

圖 3.14 正常離子化真空計中由於 X 射線效應而出現的視在低壓限制。

I - 無 X 射線效應的壓力讀數
II - X 射線效應引起的視在低壓限制
III - I 與 II 的總和

X 射線效應 (見圖 3.15)

圖 3.15 傳統離子化真空計中 X 射線效應的說明。陰極 C 發射的電子 e- 與陽極 A 碰撞，並在此觸發軟 X 射線輻射 (光子)。此輻射會部分擊中離子收集器，並在此產生光電子 e–s。

C - 陰極
A - 陽極
I - 離子收集器

陰極發射的電子撞擊陽極，進而釋放光子 (軟 X 射線)。這些光子反過來會從其撞擊的表面觸發光電子。從離子收集器釋放的光電子會流向楊極，即離子收集器發射電子電流，其指示方式與流向離子收集器的正離子流相同。此光電流會模擬壓力。此效應稱為正 X 射線效應，它取決於陽極電壓以及離子收集器表面的尺寸。

但是，在某些情況下，也存在負 X 射線效應。撞擊儀表頭周圍壁的光子會在此釋放光電子，且光電子會再次流向陽極，由於陽極是網格結構，因此光電子也會流入陽極內的空間。如果周圍的壁擁有與離子收集器相同的電位，例如接地電位，則壁上釋放的部分電子可以到達離子收集器。這會導致電子電流流向離子收集器，即負電流流動，進而可以補償正離子流。此負 X 射線效應取決於儀表頭外壁的電位。

離子脫附效應

吸附的氣體可以透過電子衝擊從表面釋出。針對離子化真空計，這表示如果陽極上有一層吸附氣體，這些氣體會由撞擊電子部分釋出為離子。離子會到達離子收集器，並導致壓力指示，該壓力指示最初與壓力無關，但會隨著電子電流的增加而升高。如果使用如此小的電子電流，使入射到表面的電子數量與吸附的氣體粒子數量相比較小，則每個電子都可以釋出正離子。如果電子電流隨後增加，脫附最初會增加，因為有更多電子撞擊表面。這最終會導致表面的吸附氣體粒子減少。讀數會再次下降，且通常達到的值可能會遠低於小電子電流下觀察到的壓力讀數。實務上，由於此效應，必須確定壓力讀數是否受脫附電流的影響。此操作最簡單的方式是暫時將電子電流改為 10 倍或 100 倍。電子電流的讀數越大，壓力值約精確。

除了電極結構類似於一般三極管的傳統離子化真空計以外，還有各種離子化真空計系統 (Bayard-Alpert 系統、extractor 系統)，這些系統或多或少地抑制了這兩種效應，具體取決於設計，因此，這些系統可用於高真空與超高真空範圍內的測量。現今，Bayard-Alpert 系統通常是標準系統。

圖 3.16 各種離子化真空計測量系統的電極佈置示意圖。

a) Bayard-Alpert 離子化真空計系統
b) 傳統離子化真空計系統。
c) 用於較高壓力 (高達 1 mbar) 的離子化真空計系統
d) extractor 離子化真空計系統

I - 離子收集器
Sc - 螢幕
M - 調變器
A - 陽極
C - 陰極
R - 反射器

a) Bayard-Alpert 離子化真空計 (目前使用的標準測量系統)

為了在盡可能大的壓力範圍內確保氣體壓力與離子電流之間的線性，必須盡量抑制 X 射線效應。在 Bayard 與 Alpert 開發的電極佈置中，這是因為熱陰極位於陽極外部，且離子收集器是形成電極系統軸的細線 (見圖 3.16 a)。由於離子收集器的表面區域大幅減少，因此，X 射線效應減小了二到三個數量級。當測量超高真空範圍內的壓力時，儀表頭的內表面與容器的連接件會影響壓力讀數。吸附、脫附、解離與流動現象的各種效應無法在此背景下處理。由於上述效應，因此，透過使用 Bayard-Alpert 系統作為直接放置在容器中的裸規系統，可以廣泛避免測量誤差。

b) 傳統離子化真空計

傳統設計的三極管 (見圖 3.16 b) 可作為儀表頭使用，但已對其稍作修改，使外電極可作為離子收集器使用，且其中的網格可作為陽極使用。在此佈置下，會強制電子移動非常長的路徑 (圍繞陽極的網格線振盪)，因此，離子化碰撞的可能性與真空計的靈敏度會相對較高。由於三極管系統具有強烈的 X 射線效應，通常只能在高真空中使用，因此，氣體吸附 (幫浦) 效應與電極系統的氣體含量對壓力測量只有輕微的影響。

C) 高壓離子化真空計 (高達 1 mbar)

三極管會再次作為電極系統 (見圖 3.16 c) 使用，但這次採用了未經修改的傳統設計。由於真空計的設計允許測量高達 1 mbar 的壓力，因此陰極必須能夠抵抗相對較高的氧氣壓力。因此，會將陰極設計為所謂的無燒毀陰極，由釔塗層的銥帶組成。為了取得高達 1 mbar 壓力的直線特性 (離子電流作為壓力的線性函數)，在陽極電路中安裝了高歐姆電阻器。

d) Extractor 離子化真空計

影響壓力測量的破壞性效應也可以透過 Redhead 首次提出的離子光學系統廣泛消除。使用此 extractor 系統 (見圖 3.16 d) 時，陽極缸中的離子會集中在一個非常薄且短的離子收集器上。離子收集器會安裝在一個空間中，該空間的後壁由保持在陽極電位中的杯形電極形成，因此，從氣體空間發出的離子無法觸及此杯形電極。由於系統的幾何以及個別電極的電位，幾乎完全排除了 X 射線效應與離子脫附的破壞性影響，而無需調變器。extractor 系統測量的壓力介於 10^-4 到 10^-12 mbar 之間。另一個優點是，測量系統設計為直徑僅為 35 mm 的裸規，以便可將其安裝在小型儀器中。

轉子真空計 (SRG)

圖 3.9 轉子真空計 (SRG) 之儀表頭的横截面。

球
測量管，一端封閉，焊接到連接法蘭 7
永久磁鐵
穩定線圈
4 個驅動線圈
氣泡水準器
連接法蘭

低氣體壓力下與壓力相關的氣體摩擦可用於測量中度真空與高真空範圍內的壓力。在此類技術儀器中，使用直徑為幾毫米，且懸浮在磁場中，不與磁場接觸 (見圖 3.9) 的鋼球作為測量元素。球會設定為透過電磁旋轉場旋轉：達到起始速度 (約 425 Hz) 之後，球自行旋轉。然後，速度下降的速率取決於壓力相關氣體摩擦影響下的主導壓力。氣體壓力衍生自速度 f (減速) 的相對下降，使用下列方程式：

(3.2)

p = 氣體壓力
r = 球半徑 ρ = 球材料的密度
c- = 氣體粒子的平均速度，取決於氣體類型
σ = 球的摩擦係數，與氣體類型無關，接近 1。

只要 3 % 的測量不確定性足夠 (通常如此)，就可以套用 σ = 1，這樣具有旋轉鋼球之轉子真空計 (SRG) 的靈敏度會由球的可計算物理尺寸得出，即產品半徑 x 密度 r · ρ (參見方程式 3.2)。球在「校正」之後，便會適合作為「傳輸標準」使用，即作為透過比較校正其他真空計的參考裝置，且具有高長期穩定性。

在 SRG 的氣體運動論中，粒子計數直接代表測量原理 (將粒子脈衝傳輸至旋轉球，進而減緩速度)。
在取決於氣體類型的其他電子測量方法中，粒子數密度透過通過粒子的熱損失量 (熱傳導式真空計) 或形成的離子數 (離子化真空計) 間接測量。

組合式真空計

使用上述所有真空計類型時，測量範圍都會受到限制。隨著設備越來越小型化，擁有多個連接埠以容納涵蓋整個範圍之不同真空計類型的空間已經不適用。因此，您現在可以看到具有組合的真空計，以涵蓋整個範圍。這些通常為 Pirani / 冷陰極、Pirani / 熱陰極，涵蓋大氣至高/超高真空。或者，您也會看到 Pirani/Piezo 真空計，其中壓電式提高了測量大氣端的準確度。

部落格與 Wiki 真空基礎說明真空量測