真空測定

ガスの薄さは、ガスの分子密度（単位体積あたりのガス分子の数）nで表すこともできます。完全に平衡状態にある理想気体分子の場合、P = nkT、kはボルツマン定数、Tは絶対温度です。真空度を測定する装置を真空計と呼び、真空計の感圧素子をゲージヘッドと呼びます。一部の真空計は、全ガス圧を直接測定できます。一部の真空計も圧力測定値を示しますが、実際の測定値はガスの分子密度であり、測定結果は周囲温度に関連しています。コンテナ内に同時に複数のガス成分がある場合、コンテナ内の全ガス圧は各ガスの分圧の合計に等しくなります。全圧測定方法は、直接法と間接法の2種類に分けられます。直接法では、液柱差と機械的変形の原理を使用して、液面圧力計、圧縮真空計、弾性要素真空計などの圧力を直接測定します。最初の2つの機器で測定された物理量に従って、絶対真空計に属する圧力値を計算できます。間接法では、ガスの物理的特性（熱伝導、粘度、イオン化、光散乱効果など）を使用して、熱伝導真空計、粘性真空計、電離真空計などの圧力を測定します。真空技術で使用される真空計の大部分は間接法を使用しており、これらの真空計は絶対真空計または他の方法で校正する必要があります。間接法で測定した真空計は、ガスの種類によって物性が異なるため、同じ圧力でも圧力の読みがガスによって異なるため、対応するガスで校正する必要があります。測定されるガスが単一の成分ではない場合、これらの真空計の読み取り値の意味はより複雑になります。一般的な真空計の校正に使用されるガスは純窒素であるため、これらの真空計の読み取り値は、ガスの種類によって補正される前に、まとめて等価窒素圧力と呼ばれます。測定された空間にさまざまなガス成分が含まれている場合、分圧測定のみが容器内の真空状態と全圧を正確に反映できます。

一般的な真空計

1.熱伝導率真空計

ガス圧は、ガスの熱伝導率が圧力によって変化するという原理を使用して測定されます。このタイプの真空計では、熱線を備えたゲージヘッドに一定の加熱電流を流し、熱線の温度は加熱と放熱のバランスで決まります。放熱能力はガス圧の関数であるため、熱線の温度は圧力によって変化します。追加の熱電対を使用して熱線の温度を測定する場合、このゲージヘッドは熱電対ゲージと呼ばれます。熱線自体の抵抗値が温度を反映するために使用される場合、それは抵抗ゲージまたはピラニゲージと呼ばれます。ガス熱伝導は低圧（P <100 Pa）での圧力によってのみ変化し、ガス熱伝導は10-1 Paと低い場合の主な熱放散方法ではありません。したがって、熱伝導真空計は主に100-10-1 Paの範囲。特別な対策により、測定範囲を拡張できます。熱伝導真空計の表示は、ガスの種類だけでなく、電熱線の表面汚染や周囲温度などの影響も受けやすいため、精度は高くなく、大まかな真空表示に使用されます。

2.ピラニ真空計

その動作原理は、真空度が異なり、単位体積あたりの空気分子の数が異なり、熱を奪う抵抗線の能力（熱放散容量）が異なり、抵抗線の温度が異なることです。 、抵抗線の抵抗率が温度であるため。したがって、真空度が異なれば抵抗率も異なり、抵抗も異なり、抵抗線の電流の電圧降下も異なります。電圧の変化に応じて、気圧を変換することができます。つまり、真空度を測定します。実際のピラニ真空計は一般的に4アームブリッジになっており、それに直列に温度補償用の抵抗線があります。

3.容量性フィルム真空計

これは弾性素子真空計であり、弾性フィルムが調整真空チャンバーを2つの小さなチャンバー、つまり基準圧力チャンバーと測定チャンバーに分割します。低圧（P <100Pa）を測定する場合、参照チャンバーは高真空に排気され、その圧力はほぼゼロになります。測定室内の圧力が異なると、膜の変形の程度も異なります。測定チャンバーには固定電極があり、メンブレンとコンデンサーを形成します。フィルムが変形すると、それに応じて静電容量値が変化し、静電容量ブリッジを介して静電容量の変化を測定して、対応する圧力値を決定できます。フィルムのクリープを防ぐために、通常はゼロ位置法を使用して測定します。つまり、固定電極とフィルムの間にDC電圧を印加し、静電力を使用して圧力によって発生する応力を補償します。ダイヤフラムをゼロ位置に保つためのフィルムの差。静電容量フィルム真空計は、ガスまたは蒸気の圧力を直接測定できます。測定値はガスの種類とは関係がなく、構造がしっかりしていて、焼き上がりに耐えることができます。異なる圧力範囲に異なるゲージヘッドを使用すると、より高い精度を得ることができます。静電容量膜真空計は、高純度ガスの監視、低真空の精密測定、圧力制御に使用でき、低真空測定の二次標準としても使用できます。

4.電離真空計

イオノメーターと略され、ガスイオン化の原理を使用して圧力を測定します。イオン化真空計は、熱陰極と冷陰極の2つのカテゴリに分類されます。通常、熱陰極電離真空計のゲージヘッドには、陰極、陽極、コレクタの3つの電極があり、それぞれ電子を放出し、電子を加速し、イオンを収集する役割を果たします。電子は、陰極から陽極に移動する過程でガスをイオン化します。二次イオン化効果を無視すると（つまり、イオン化プロセスで生成された新しい電子が電界によって加速され、イオン化能力を獲得して新しいイオン化を引き起こす）、カソードから放出された各電子がイオン化されます。生成される陽イオンの数は、空間内のガス密度に比例するため、特定の温度での圧力に比例します。したがって、コレクタが受け取るイオン電流Ii = SIeP、Ieはカソード電子放出電流、Sは比例定数であり、イオノメータ係数と呼ばれます。イオン化計の係数を標準の真空計で一定温度で確認した後、イオン電流の大きさに応じて圧力を求めることができます。熱陰極イオン化ゲージヘッドの主な種類陰極は一般にタングステン線でできており、陽極は格子状になっているので、電子が両側を行き来して電子の移動を増やすことができます。グリッドと呼ばれます。三極真空管のコレクターは円筒形でグリッドの外側に配置されており、圧力測定範囲は10-1〜10-5Paです。使用圧力が10-1Paを超えると、タングステン線の寿命が短くなります。そして、イオン電流と圧力の関係は、二次イオン化効果のために直線性から逸脱し始めます。酸化トリウムまたは酸化イットリウムでコーティングされたイリジウムフィラメントカソードは、最大100 Paの圧力で動作し、かなり長い寿命があり、大気中で加熱してもフィラメントが損傷することはありません。イオン化ゲージヘッドがこのフィラメントを採用し、アノードとコレクターを特殊な形状にすると、電極間の距離が短くなり、アノード電圧が低下し、ガスのイオン化確率（つまり、イオン化ゲージ係数）が低下します。が減少します）、このイオン化ゲージは10-3から100Paの圧力を測定することができます高圧イオン化メーターと呼ばれます。三極真空管イオン化計によって測定される低電圧強度の下限は、コレクターの光電流によって決定されます。つまり、コレクターを照射するアノードに当たる電子によって生成される軟X線によって引き起こされる光電子放出によるものです。光電流はコレクタ電流のバックグラウンドを構成します。光電流がイオン電流の10％を占めると、イオノメーターの測定下限に達します。イオン化ゲージヘッドコレクターはフィラメントになり、グリッド軸上に配置されます。フィラメントはグリッドの外側にあります。現時点では、イオン化ゲージの感度はあまり変化せず、コレクターの面積が小さいため、それによって遮られるX線は三極真空管タイプよりも3桁小さいため、このイオノメーターは圧力を測定できます10-8 Paまで。1950年にBayardとAlbertによって提案されたため、BAと呼ばれます。 10〜9 Pa以下の圧力を測定するには、変調BAメーター、極イオン化メーター、曲線カラムイオン化メーター、または熱陰極マグネトロンイオン化メーターを使用できます。これらのイオノメーターは、圧力測定に対するゲート電子誘起脱着イオンの影響もある程度排除します