简短的回答是，没有单一的仪器可以测量真空。正确的工具，称为真空规，完全取决于您需要测量的真空度，因为随着气体分子数量的减少，测量的物理原理也必须随之改变。
真空测量的核心挑战在于，单一的规无法覆盖从大气压到近乎完美真空的整个压力范围。正确的仪器总是与特定的真空水平直接匹配，这取决于残余气体的哪种物理特性最适合测量。
为什么一个规不够用：理解真空范围
要选择正确的规，您首先必须了解“真空”不是一个单一的状态，而是一个巨大的压力谱系，每个谱系都需要不同的测量方法。
什么是真空？
真空是任何气体压力低于周围大气压力的空间。它是对物质缺失的度量。
关键真空范围
工程师和科学家通常将真空谱系划分为几个范围。随着压力的下降，每立方厘米的气体分子数量急剧减少，迫使测量策略发生变化。
- 低真空（粗真空）： ~1 到 760 托（大气压）。
- 中真空： ~10⁻³ 到 1 托。
- 高真空 (HV)： ~10⁻⁹ 到 10⁻³ 托。
- 超高真空 (UHV)： 低于 10⁻⁹ 托。
规的工作原理：直接测量与间接测量
规之间的根本区别在于它们是直接测量压力还是从其他特性推断压力。这是选择正确工具最重要的概念。
直接规：测量物理力
在低真空范围内，有足够的气体分子施加可测量的物理力。直接规测量这种力。
这些规是与气体类型无关的，这意味着无论测量的是什么气体（例如，空气、氩气、氦气），其读数都是准确的。一个常见的例子是电容式压力计。
间接规：从气体特性推断压力
在高真空和超高真空下，分子太少而无法产生可检测的力。相反，间接规测量随压力可预测变化的某种气体特性，例如热导率或电离概率。
这些规是与气体类型相关的，通常以氮气或空气为基准进行校准。与其他气体一起使用时，需要应用校正因子才能获得准确的读数。
常见真空规类型解释
每种类型的规都是为了在其基本物理原理最有效的特定压力范围内运行而设计的。
用于低真空：皮拉尼规和热电偶规
这些是热导率规。它们的工作原理是加热一个灯丝，并测量它向周围气体散失了多少热量。
更多的气体分子（更高的压力）带走更多的热量，使灯丝冷却。更少的分散（更低的压力）导致热量损失减少。这种变化与压力读数相关。它们非常适合监测系统的初始抽气过程。
用于高真空：热阴极电离规
一旦压力低到热效应不再有用，电离规就会接管。一个热灯丝发射电子，这些电子穿过真空并与少数残留的气体分子碰撞，产生正离子。
规测量由此产生的离子电流。更高的离子电流意味着存在更多的气体分子，表明压力更高。贝亚德-阿尔珀特规是一种非常常见的类型。
用于高真空和超高真空：冷阴极规
也称为彭宁规，它们通过测量离子电流以与热阴极规类似的方式工作。然而，它们使用磁场内的施加高压放电来产生离子，而不是使用加热的灯丝。
这使得它们更坚固，更不容易烧坏，但通常不如热阴极规准确。
理解实际的权衡
选择规不仅仅取决于压力范围；它还涉及了解可能影响测量和系统健康的关键限制。
气体成分依赖性
这是间接规（皮拉尼规、电离规）最常见的陷阱。如果您的系统充满了氩气，但您的规是针对空气校准的，读数将不正确。务必了解您的规的校准基准，并在必要时应用正确的转换因子。
污染和烧坏
热阴极电离规很敏感。在过高的压力（高于 10⁻³ 托）下操作它们会迅速烧坏灯丝。它们也可能被工艺气体污染，这会影响其准确性。
交叉问题
由于没有单一的规可以覆盖整个光谱，大多数真空系统需要至少两种类型：一种用于初始“粗抽”阶段（如皮拉尼规），另一种用于高真空阶段（如电离规）。管理这些规之间的转换是真空系统操作的关键部分。
为您的应用选择合适的规
您的选择应由您的最终目标和您需要控制或监测的具体压力范围决定。
- 如果您的主要重点是初始抽气（粗真空）： 皮拉尼规或热电偶规是坚固、经济的选择。
- 如果您的主要重点是监测高真空过程（例如，镀膜或分析）： 热阴极（贝亚德-阿尔珀特）电离规可在高真空范围内提供必要的精度。
- 如果您需要一个用于工业高真空过程的坚固规： 冷阴极（彭宁）规提供可靠性和长使用寿命。
- 如果您需要在低到中等范围内进行气体无关的精度过程控制： 电容式压力计是明确的标准。
最终，了解规的工作原理是信任其测量并实现您目标的关键。
总结表：
| 真空范围 | 压力 (Torr) | 主要规类型 | 关键原理 |
|---|---|---|---|
| 低（粗）真空 | 1 到 760 | 皮拉尼 / 热电偶 | 热导率 |
| 中真空 | 10⁻³ 到 1 | 电容式压力计 | 直接力测量 |
| 高真空 (HV) | 10⁻⁹ 到 10⁻³ | 热阴极电离 | 离子电流 |
| 超高真空 (UHV) | < 10⁻⁹ | 冷阴极 (彭宁) | 磁场中的电离 |
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