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Penning真空計是利用真空中的放電現(xiàn)象,測量中高真空領(lǐng)域的溫度計,測量性穩(wěn)定,耐用性久為其特點(diǎn)。

構(gòu)造原理

讓真空中的殘留氣體電離,通過測量電離生成的離子或電子的電流而得出氣體的壓力,這種真空計被稱為電離真空計。電離真空計讓有幾十eV的電子碰撞氣體分子使其電離。電子的產(chǎn)生方式有兩種:一種是加熱金屬絲放出熱電子(熱陰極),另一種方式是利用等離子體(冷陰極)。Penning真空計是冷陰極電離真空計的一種。

Penning真空計利用Penning放電現(xiàn)象。一般而言,冷陰極放出的電子比熱陰極少。單純在陰陽兩極間加電壓,如果壓力低于0.1Pa則不會持續(xù)放電。為了增加電子飛行距離,從外部加磁場,這樣可使在更低的壓力下也可放電。

檢測部如圖所示,主要構(gòu)造為圓筒形(或園環(huán)形)陽極。圓板狀的陰極和永久磁鐵構(gòu)成。磁力線和電極的中心軸平行設(shè)置。陽極電壓2~3kV,磁場強(qiáng)度約1000G。

從陰極放出的電子受洛侖茲力而做螺旋運(yùn)動。同時,軸方向的空間電壓如圖C所示。電子被控制在勢井內(nèi),于兩側(cè)的陰極之間做往返運(yùn)動。實(shí)際上的電子運(yùn)動要比這種估算復(fù)雜得多。但是,螺旋運(yùn)動和往返運(yùn)動使得電子的飛行距離大幅度增長。電子最終會被陽極捕捉,但是在被捕捉之前多次和氣體分子碰撞,在兩陰極之間產(chǎn)生等離子體狀態(tài)。等離子體中的電子和陽極放出的電子一樣會做螺旋運(yùn)動和往返運(yùn)動,但離子因?yàn)橘|(zhì)量較大,螺旋運(yùn)動半徑較大,而且在高電位空間產(chǎn)生,短時間內(nèi)被陰極捕捉。

  Penning放電可在0.1Pa的壓力下發(fā)生。假設(shè)電子的數(shù)量和氣體壓力無關(guān),在陰極被捕捉到的離子數(shù)量(單位時間發(fā)生電離的次數(shù)=電流),則與壓力及氣體分子的電離斷面積成正比例。如果知道離子電流和壓力的比例系數(shù),則可知道壓力值。電離斷面積依氣體分子而變化,比例系數(shù)也會因氣體分子而變。市場上的真空計一般以干燥空氣或氮?dú)鉃闃?biāo)準(zhǔn)測出比例系數(shù)。

特征用途

Penning真空計測量性能穩(wěn)定,可測量高真空領(lǐng)域的電流。因?yàn)槭抢潢帢O方式,不必?fù)?dān)心電極的燒損問題。缺點(diǎn)是放電穩(wěn)定性有一定不足。另外從陰極放出的電子量受表面污染影響嚴(yán)重。

根據(jù)以上特點(diǎn),此真空計適合不想頻繁更換真空計的高真空領(lǐng)域設(shè)備上,同時因?yàn)榇苏婵沼嫳旧碛休^強(qiáng)的磁場,要考慮其安裝在設(shè)備上的位置。