真空技術的應用涉及到各個領域, 大到航天設備,小到普通的燈泡。真空度的測量無疑是真空技術的關鍵, 作為真空度測量設備的真空計類型很多, 其靈敏度、量程和用途各不相同, 常用的有熱偶真空計、皮拉尼(電阻) 真空計、潘寧真空計和熱陰極電離真空計等,前三者都是用于低真空測量的。本文將詳細介紹用于高真空測量的熱陰極電離真空計的工作原理。

         當氣體導電時, 氣體分子與高速飛行的電子發生碰撞而電離, 碰撞的頻率與氣體分子的密度有關。密度大, 碰撞的頻率就高, 產生的離子也越多; 而氣體分子的密度又與氣體的壓強有著直接關系, 因此, 如果能測定氣體中被電離的離子流的大小, 即可確定氣體的壓強。熱陰極電離真空計就是根據上述原理制成的, 其原理如圖1所示。

圖1　電離規管結構示意圖

         熱陰極F通電加熱后向外發射電子,形成電子流Ie。在柵極C 上加一約為150 V～ 200 V 的正電壓, 這一正電壓可吸引和加速由熱陰極發射出來的電子。被加速的電子穿過柵極后, 因收集極T 的電壓相對柵極C 為負電壓, 電子又被收集極T 推回, 再加速向柵極返回。這樣, 電子在往返的運動中增大了與氣體分子碰撞的概率, 使更多的氣體分子電離, 變成正離子和二次電子, 而正離子又將被電位最低的收集極T 所吸引,在收集極電路中形成電流I i, 在數值上該電流就是正離子流的大小, 并且與真空系統的壓強以及電子流I e有著如下關系:

         式中: Ii為被電離的氣體正離子流; K為無量綱的比例系數, 其數值是由各電極材料、形狀、相對位置和相對電勢等因素決定的常量, 可以簡單理解為電離效率; Ie為熱陰極發射的電子流; P為真空系統的壓強, 是我們所要測量的量。

         在實際應用中為了簡化設計, 一般都是把Ie控制在一個固定的數值上, 這樣就能把K I e 也看做常量F= (KIe)-1, 把F代入式(1), 再經過變化后得到:

         顯然, 為了求出壓強P , 只要測量I i 就可以了。但實際應用中還受許多因素的影響: 如果電極的面積很大, 將會把高壓強時吸附的氣體釋放出來, 這種釋氣現象對低真空的測量影響較大; 電子轟擊金屬表面會有X 射線產生, 射線的影響在超高真空測量時尤其明顯;由于不同氣體分子被電離的難易程度不同, 因此在使用時, 對不同的氣體要分別進行校正。

         如果電子流過大, 而氣體分子密度較低, 會發生飽和現象, 離子流和電子流不再有式(1) 中的線性關系;并且如果電子過大, 燈絲(熱陰極) 的加熱電流需要提高, 將會嚴重影響燈絲的使用壽命, 因此實際使用中,電子流一般為0.1mA～ 10mA。由于低真空時的壓強P 很小, 離子流在皮安數量級, 為了提高靈敏度, 經常采用不同電子流來分別測量不同真空段的壓強。