电离真空计的工作原理

　　电离真空计是通过使气体分子电离，测量离子数量(电流)而得出压强的真空计。其测量真空度在10^-8 Pa以上，被广泛应用于高真空至超高真空领域，定量性能优异。

　　电离真空计可以按照电离方式不同分为两种：一种是应用最广、依靠高温阴极热电子发射原理而工作的热阴极电离真空计；另一种是利用真空中的高压放电原理而工作的冷阴极电离真空计。

　　热阴极电离真空计中使气体分子电离的电子，是通过加热灯丝来获得的。热阴极电离真空计的结构和原理如图1所示，其基本构造包括灯丝、加速和捕捉电子的阳极网以及捕捉离子的离子收集极。

图1 热阴极电离真空计的结构和工作原理

　　加热灯丝之后，有热电子放出，热电子被正电压的阳极网加速。因为阳极网是用细的金属丝做成的网状结构，所以大部分电子没有被捕捉而穿过阳极网。因为对面的离子收集极处于相对负电位，所以电子无法到达离子收集极而被反弹回来。这样电子在灯丝和离子收集极之间往返运动，最终被阳极网捕捉。

　　灯丝和离子收集极之间如果有气体分子，往返运动的电子会与其碰撞，使其电离而产生阳离子和电子。生成的电子同样做往返运动最终被阳极网捕捉，而在阳极网和离子收集极之间生成的阳离子则被离子收集极捕捉。设离子收集极的捕捉效率为a，电子使气体分子电离的几率为σ，气体分子密度为n，电热丝放出的热电子电流为Ie，电子被阳极网捕捉前飞行的平均距离为L，离子收集极检测出的电流为Ii，则

　　式中　L、a、σ———常数。

　　如果控制Ie 为一定值，则Ii 和n成正比。假设气体是理想气体，通过方程p=nkT，则可知Ii 和p成正比，即

　　也就是说，测得离子电流就可知气体压强。S被称为电离真空计的系数或感度，其值通常由实验而定。一般的电离真空计，S为0.1～0.3Pa^-1。

　　热阴极电离真空计测量真空度有一定的极限。热电子撞击阳极网时，会放出软 X射线。软 X射线照射离子收集极后，离子收集极放出光电子。放出的光电子和离子入射效果相同，被称为拟离子流，因此真空计存在着和压强无关的残留电流，从而错误评估实际的真空度。残留电流发生的示意图如图2所示。另外，阳极网上吸附的气体分子受电子撞击后，也会成为离子被检测出来，这也干扰了真空计的测量精度。

图2 热阴极电离真空计的拟离子流原理

　　冷阴极电离真空计利用真空中的高电压放电现象，也被称为冷规。冷阴极放出的电子比热阴极少，单纯在阴阳两极间加电压，如果压强低于0.1Pa则不会持续放电。可通过从外部施加磁场，增加电子的飞行距离，以实现在更低的压强下持续放电。

　　冷阴极电离真空计的主要构造为圆筒形阳极、圆板状的阴极和永久磁铁(图3)。磁力线和电极的中心轴平行设置。阳极电压为2～3kV，磁场强度约为1000G。

图3 冷阴极电离真空计的结构示意图

　　从阴极放出的电子受洛伦兹力而作螺旋运动，并被束缚在磁场中。螺旋运动使得电子的飞行距离大幅度增加。电子最终会被阳极捕捉，但是在被捕捉之前多次和气体分子发生碰撞，在两阴极之间产生等离子体状态。等离子体中的电子和阴极放出的电子一样会作螺旋运动，但阳离子因为质量较大，螺旋运动半径较大，短时间内被阴极捕捉，并产生二次发射电子。气体电离产生的电子和阴极发射的二次电子也在阴极板间长期运动，从而使电离过程连锁地进行下去。

　　冷阴极放电可在0.1Pa的压强下发生。在阴极被捕捉到的离子数量，与压强及气体分子的电离断面面积成正比例。如果知道离子电流和压强的比例系数，则可知道压强值。电离断面面积根据气体分子而变化，比例系数也会因气体分子而变。市场上的真空计一般以干燥空气或氮气为标准测出比例系数。

　　冷阴极电离真空计的测量性能稳定，可应用于高真空领域的测量。同时，因为是冷阴极电离方式，不必担心电极的烧损问题。

　　冷阴极电离真空计的缺点是：

　　(1)放电的稳定性有一定不足；

　　(2)从阴极放出的电子量受表面污染影响严重；

　　(3)真空计本身有较强的磁场，需要考虑其安装在设备上的位置。