真空测量及真空度表征和单位

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1.什么是真空测量


      真空测量就是真空度的测量,而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的,并不十分合理。压力高意味着真空度低;反之,压力低与真空度高相对应。
      真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分。
      用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。本文所述压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。
      压力是一个力学量,为单位面积所承受的力。大气压力为101325Pa,直接测量这样大的压力是容易的,但在真空技术中,测量这样大的压力是比较少的。真空技术中遇到的气体压力都很低,如有时要测lO-10pa的压力,这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此,测量真空度的办法通常是在气体中造成一定的物理现象,然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量,再设法间接确定出真实压力来。
      真空计种类繁多,工作原理各异,除极少数几种是直接测量压力外,其它几乎都是间接测量压力的。
      被测量气体除少数情况外,多为混合气体。上述压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中,分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。这样,混合气体的全压力就等于其各组成成分的分压力之和。
      现代分压力真空计都属于电离类,即先将气体电离,然后将所得的各成分离子加速,再把离子引进分析器,将离子分开,分别测出各成分离子流强度,便可知气体的成分和数量。分析器有磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有时只需知晓被测系统残余气体成分和相对含量,并不要求测出分压力值,这种仪器称为残余气体分析仪。
      正确的压力测量必须对真空计进行校准。因为多数真空计是通过与压力有关的物理量来间接反应压力,而不能直接通过真空计有关参数计算求得压力值。这种真空计必须用标准真空计或能产生已知低压的校准装置进行校准。可以说,真空计校准是真空测量的基础,是发展真空测量的有力工具。
      真空计量器具分三类:计量基准器具、计量标准器具和工作计量器具。前两类用于复现和传递真空度量值,统一全国真空量值;而后一类是在现场应用。三种计量器具的不确定度依次降低。

2.真空度的表征及单位


    用压力表示真空度是由历史上采用U型压力计测量真空所形成的,这并不十分合理。
    在一般真空系统中,通常以各向同性的中性气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度,因此,真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容器内、静止(随机运动)、稳态、各向同性单一的中性气氛。在这种情况下,麦克斯威速度分布、余弦散射定律和流体静力学压力概念( p = nkT,v = 1/4nc,p = ρgh)都较好地符合客观实际,真空度的测量也比较简单容易。
    根据真空度定义,真空度最好用分子密度n表示,而以压力表示真空度与此并不矛盾。测量压力时,一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度分布定律,即 p = nkT 成立。测量时气体温度T一定,所以气体压力p正比于分子密度n。也就是说,此时压力是分子密度的量度,所以可以用压力表示真空度。
    在空间研究中,研究对象是无限空间运动(1~lOkm·s-1或更高)、非稳态、综合环境作用下的复杂气氛,此时麦克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立,所以压力也失去了原来的物理意义,真空度的测量比较复杂和困难了。
    在一般情况下,以压力表示真空度是流行、沿用的,但也不是唯一的,还可以用如下参数表示真空度:

真空度表示方法


 

    当真空度很高时,即分子密度很小时,统计涨落十分明显,如压力 p = 10-12pa时,统计涨落已大于5×10-2,压力已失去真实意义。由此看来,在某些情况下,压力只是其它量的相对指示而已。
    根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力,是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间变化率,即单位面积上所受的力,单位为“帕斯卡”(Pascal),简称“帕”(Pa)。
    1Pa = 1Nm-2
    在工程上有时嫌帕的量值太小,常采用kPa和MPa表示压力。
    低真空时,有时用“真空度百分数”表示,比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗茨真空泵常用此单位表示真空度。
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