5.5　热阴极电离真空计

5.5.1　普通热阴极电离真空计

电离真空计是通过待测气体在控制条件下电离所产生的离子流来测定压力的一种真空计。电离真空计的工作原理是：在低压力的气体中，具有足够能量的电子与气体分子碰撞时，能引起气体分子电离，产生正离子与电子。电子在一定的运行路程中与气体分子的碰撞次数正比于气体分子的密度，即正比于气体压力。因此，其产生的正离子数亦正比于气体压力。故测出离子流，就可测知气体的压力。

对于一定结构的规管，当各电极电位一定时，对某种气体，在规管中所形成的正离子流I+正比于发射电子流Ie和气体的压力，即

式中，k称为电离计的灵敏度，其意义是在单位电子电流、单位压力下所得到的离子流，单位为1/Pa，k值通过实验得到。对于不同气体，k值亦不同，通常所指的灵敏度是对于干燥空气或氮气而言的。把规管对某种气体的灵敏度ki与规管对氮气的灵敏度k氮的比值R称为相对灵敏度，即

（5-2）

实际测量中，如果已知被测气体的种类，就可根据测得的数据和该气体的相对灵敏度R，估算出被测气体的实际压力，即

（5-3）

电离规管对不同气体的相对灵敏度见表5-2。

电离真空计规管的结构通常由发射电子的阴极、收集电子的栅极以及收集离子的收集极组成。目前国内常用的DL-2型热阴极电离真空计规管结构见图5-13。栅极用钨丝或钼丝制成。收集极因需要高温除气用薄镍皮制成，为增加强度还在其上压有凹槽。阴极一般用钨丝制成，因钨的电子发射稳定，热强度亦好。但钨的工作温度高达2250～2500K，对残余气体有化学作用，热辐射效应也大，因此有的选用工作温度低（1400K）、寿命长、碳化后抗氧化能力强的钍钨丝为阴极。

电离真空计的主要优点是：

①测出的是总压力；

②反应迅速，可连续读数，还可远距离控制；

③可测量很低的压力，普通型的电离计就可测量到5×10-6Pa，改进后制成的超高真空电离计，可测量到10-11Pa；

④规管小，易于连接到被测量处。还可制成裸规，直接在被测空间测量；

⑤p～I曲线直线范围宽；

⑥对机械振动不敏感。

电离真空计存在的缺点有：

①灵敏度与气体种类有关；

②压力高于10-1Pa时，钨灯丝易于烧毁，故一旦真空系统突然漏气，如没设置专门的保护线路，规管灯丝往往立即烧毁；

③工作时有化学清除及电清除作用，造成压力的改变，影响测量准确度；

④玻壳、电极的放气，亦导致测量的误差。

5.5.2　B-A真空计

5.5.2.1　B-A真空计的结构及工作原理

普通电离规管的测量下限主要受软X射线的影响：即一定能量的电子踫撞到栅极上会产生软X射线，这种软X射线照射到收集极，就会使收集极产生光电发射的电子流。实验表明，光电发射电流Ix与加速极电压Ug、电子电流Ie以及受照面积A有如下关系：

（5-4）

该电流大约相当于1×10-6Pa的压力，因此当其下限为1×10-5Pa时将引起10%的误差。显然，要降低测量下限，就必须减小光电流Ix，而要减小Ix，就必须减小Ie、Ug和A。由于降低Ie和Ug对测试灵敏度性能影响较大，因此对它们的降低是有限的，而最主要的办法还是减小收集极的受照面积A。B-A真空计就是采用这种办法来降低光电流的。

B-A真空计规管的结构如图5-14所示。为了减小收集极的面积而又保证有足够的离子收集效率，将原来的圆筒状改为一根细丝并置于加速极中心，两组灯丝放在加速极之外，一组备用。由于离子收集极的面积减少了100～1000倍，故测量下限降低100～1000倍，即达10-8～10-9Pa。

1—离子收集极；2—加速极（栅极）；3—阴极灯丝；4—外壳

贝耶得和阿尔伯特当时使用ϕ0.2mm的细丝做收集极。近代所用细丝直径已减小到4μm，测量下限可达10-10Pa。

收集极常用细钨丝。阴极灯丝早期多用钨丝，因钨丝工作温度高，有分解残余气体及化学清除作用，严重影响测试精度。目前有不少产品已采用敷氧化钍铱丝、铑丝等。

加速极（栅极）常用ϕ0.1～ϕ0.15mm的钼丝绕在铜杆上，也有用ϕ0.5～ϕ1mm的铜丝或钨丝直接绕成螺旋形的。前者的机械强度较好，灵敏度较高，但除气时必须采用电子轰击法；后者只需用低压交流电或直流电就可除气，但机械强度差，高温下易变形。

为了提高测试灵敏度，加速栅的螺旋直径应越大越好，一般约在20mm以上。对于螺旋节距通常有一最佳值，取2～3mm。

B-A真空计规管有多种型号，常用的DG-1型规管的性能参数如下：

5.5.2.2　B-A真空计的运用

①B-A真空计是目前使用最为广泛的超高真空计，其测量范围为10-1～10-9Pa；

②B-A真空计规管工作压力不应在10-1Pa以上，否则会影响规管寿命，甚至毁坏；

③B-A真空计规管的灯丝和收集极很细，因此必须垂直安装，且最好管脚向上，以免各电极工作时变形或损坏；

④在B-A真空计工作前应对玻璃管壳和各电极充分除气。玻璃管壳的除气可用烘烤加热的办法，各电极的除气可采用电子轰击法；

⑤B-A电离规管对各种气体的相对灵敏度不同，表5-3列出了B-A电离规管对不同气体的相对灵敏度。

实际测量中，与普通电离真空计一样，如果已知被测气体的种类，就可根据测得的数据和该气体的相对灵敏度R，估算出被测气体的实际压力，即

（5-5）

规管工作条件：Ug=125V，Uc=-25V，Ic=1mA。