皮拉尼真空计的核心测量原理

皮拉尼真空计的核心测量原理基于气体分子热导率与压力的关联性，通过检测加热元件（如金属丝）的电阻变化间接推算气体压力。以下是其原理的详细分解：

1. 核心物理机制：热导率与压力的关系

• 气体热导率：气体分子通过碰撞传递热量的能力。在真空环境中，气体分子密度（即压力）越低，单位时间内与加热元件碰撞的分子数越少，热导率越低；反之，压力越高，热导率越高。

• 压力依赖性：在中低真空范围（10⁻⁴ mbar 至 1000 mbar），气体热导率与压力近似呈线性关系，这是皮拉尼真空计测量的理论基础。

2. 加热元件的电阻变化

• 加热丝设计：通常采用铂、钨等金属丝作为加热元件，其电阻随温度升高而显著增加（正温度系数特性）。

• 热平衡状态：

• 加热丝通电后发热，热量通过两种方式散失：

1. 气体传导：气体分子碰撞带走热量（主要散热途径，占比约70%-90%）。

2. 固体传导/辐射：通过支撑结构或辐射散热（次要途径）。

• 当系统达到热平衡时，加热丝的电阻（即温度）稳定，且与气体热导率直接相关。

3. 电阻-压力转换的两种电路模式

（1）定电流模式

• 原理：保持加热丝电流恒定，通过测量电阻变化反映温度（即压力）变化。

• 过程：

• 电流恒定 → 加热丝发热功率固定。

• 压力降低 → 气体热导率下降 → 散热减少 → 加热丝温度升高 → 电阻增大。

• 通过惠斯通电桥等电路将电阻变化转换为电压信号，经校准后显示压力值。

• 特点：结构简单，但需高精度恒流源，且非线性误差需补偿。

（2）定电压模式

• 原理：保持加热丝电压恒定，通过测量电流变化反映电阻（即温度/压力）变化。

• 过程：

• 电压恒定 → 加热丝功率随电阻变化（P=V²/R）。

• 压力降低 → 电阻增大 → 功率下降 → 温度变化趋缓 → 电流减小。

• 电流信号经放大和校准后输出压力值。

• 特点：灵敏度较高，但需稳定电压源，且需补偿功率变化对温度的影响。

4. 关键修正因素

• 气体种类修正：不同气体（如H₂、He、N₂）的热导率差异显著，需通过校准曲线或公式修正。例如，氢气热导率是氮气的7倍，直接测量会导致读数偏低。

• 温度补偿：环境温度波动会影响加热丝基准电阻，需通过温度传感器（如热敏电阻）进行补偿。

• 非线性校正：在很高或极低压力下，热导率与压力的非线性关系需通过多项式拟合或查表法修正。

5. 典型应用场景示例

• 半导体制造：在化学气相沉积（CVD）腔室中，皮拉尼真空计监测压力波动（如±0.5%），确保薄膜均匀性。

• 真空镀膜：控制蒸发源压力在10⁻³ mbar量级，避免金属氧化或飞溅。

• 科研实验：在超高真空系统（如表面分析仪）中，作为粗真空计与电离规组合使用，覆盖10⁻⁴至1000 mbar范围。

总结

皮拉尼真空计通过“加热丝电阻变化→热导率→压力"的间接测量链，实现了中低真空范围的快速、低成本检测。其核心优势在于结构简单、响应速度快（毫秒级），但需针对气体种类和温度进行修正，且不适用于超高真空（<10⁻⁴ mbar）环境。

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