電離真空計(jì)是通過(guò)使氣體分子電離，測(cè)量離子數(shù)量(電流)而得出壓強(qiáng)的真空計(jì)。其測(cè)量真空度在10^-8 Pa以上，被廣泛應(yīng)用于高真空至超高真空領(lǐng)域，定量性能優(yōu)異。

　　電離真空計(jì)可以按照電離方式不同分為兩種：一種是應(yīng)用最廣、依靠高溫陰極熱電子發(fā)射原理而工作的熱陰極電離真空計(jì)；另一種是利用真空中的高壓放電原理而工作的冷陰極電離真空計(jì)。

　　熱陰極電離真空計(jì)中使氣體分子電離的電子，是通過(guò)加熱燈絲來(lái)獲得的。熱陰極電離真空計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示，其基本構(gòu)造包括燈絲、加速和捕捉電子的陽(yáng)極網(wǎng)以及捕捉離子的離子收集極。

圖1 熱陰極電離真空計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　加熱燈絲之后，有熱電子放出，熱電子被正電壓的陽(yáng)極網(wǎng)加速。因?yàn)殛?yáng)極網(wǎng)是用細(xì)的金屬絲做成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以大部分電子沒(méi)有被捕捉而穿過(guò)陽(yáng)極網(wǎng)。因?yàn)閷?duì)面的離子收集極處于相對(duì)負(fù)電位，所以電子無(wú)法到達(dá)離子收集極而被反彈回來(lái)。這樣電子在燈絲和離子收集極之間往返運(yùn)動(dòng)，最終被陽(yáng)極網(wǎng)捕捉。

　　燈絲和離子收集極之間如果有氣體分子，往返運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)與其碰撞，使其電離而產(chǎn)生陽(yáng)離子和電子。生成的電子同樣做往返運(yùn)動(dòng)最終被陽(yáng)極網(wǎng)捕捉，而在陽(yáng)極網(wǎng)和離子收集極之間生成的陽(yáng)離子則被離子收集極捕捉。設(shè)離子收集極的捕捉效率為a，電子使氣體分子電離的幾率為σ，氣體分子密度為n，電熱絲放出的熱電子電流為Ie，電子被陽(yáng)極網(wǎng)捕捉前飛行的平均距離為L(zhǎng)，離子收集極檢測(cè)出的電流為Ii，則

　　式中　L、a、σ———常數(shù)。

　　如果控制Ie 為一定值，則Ii 和n成正比。假設(shè)氣體是理想氣體，通過(guò)方程p=nkT，則可知Ii 和p成正比，即

　　也就是說(shuō)，測(cè)得離子電流就可知?dú)怏w壓強(qiáng)。S被稱(chēng)為電離真空計(jì)的系數(shù)或感度，其值通常由實(shí)驗(yàn)而定。一般的電離真空計(jì)，S為0.1～0.3Pa^-1。

　　熱陰極電離真空計(jì)測(cè)量真空度有一定的極限。熱電子撞擊陽(yáng)極網(wǎng)時(shí)，會(huì)放出軟 X射線。軟 X射線照射離子收集極后，離子收集極放出光電子。放出的光電子和離子入射效果相同，被稱(chēng)為擬離子流，因此真空計(jì)存在著和壓強(qiáng)無(wú)關(guān)的殘留電流，從而錯(cuò)誤評(píng)估實(shí)際的真空度。殘留電流發(fā)生的示意圖如圖2所示。另外，陽(yáng)極網(wǎng)上吸附的氣體分子受電子撞擊后，也會(huì)成為離子被檢測(cè)出來(lái)，這也干擾了真空計(jì)的測(cè)量精度。

圖2 熱陰極電離真空計(jì)的擬離子流原理

　　冷陰極電離真空計(jì)利用真空中的高電壓放電現(xiàn)象，也被稱(chēng)為冷規(guī)。冷陰極放出的電子比熱陰極少，單純?cè)陉庩?yáng)兩極間加電壓，如果壓強(qiáng)低于0.1Pa則不會(huì)持續(xù)放電。可通過(guò)從外部施加磁場(chǎng)，增加電子的飛行距離，以實(shí)現(xiàn)在更低的壓強(qiáng)下持續(xù)放電。

　　冷陰極電離真空計(jì)的主要構(gòu)造為圓筒形陽(yáng)極、圓板狀的陰極和永久磁鐵(圖3)。磁力線和電極的中心軸平行設(shè)置。陽(yáng)極電壓為2～3kV，磁場(chǎng)強(qiáng)度約為1000G。

圖3 冷陰極電離真空計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖

　　從陰極放出的電子受洛倫茲力而作螺旋運(yùn)動(dòng)，并被束縛在磁場(chǎng)中。螺旋運(yùn)動(dòng)使得電子的飛行距離大幅度增加。電子最終會(huì)被陽(yáng)極捕捉，但是在被捕捉之前多次和氣體分子發(fā)生碰撞，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陰極放出的電子一樣會(huì)作螺旋運(yùn)動(dòng)，但陽(yáng)離子因?yàn)橘|(zhì)量較大，螺旋運(yùn)動(dòng)半徑較大，短時(shí)間內(nèi)被陰極捕捉，并產(chǎn)生二次發(fā)射電子。氣體電離產(chǎn)生的電子和陰極發(fā)射的二次電子也在陰極板間長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)，從而使電離過(guò)程連鎖地進(jìn)行下去。

　　冷陰極放電可在0.1Pa的壓強(qiáng)下發(fā)生。在陰極被捕捉到的離子數(shù)量，與壓強(qiáng)及氣體分子的電離斷面面積成正比例。如果知道離子電流和壓強(qiáng)的比例系數(shù)，則可知道壓強(qiáng)值。電離斷面面積根據(jù)氣體分子而變化，比例系數(shù)也會(huì)因氣體分子而變。市場(chǎng)上的真空計(jì)一般以干燥空氣或氮?dú)鉃闃?biāo)準(zhǔn)測(cè)出比例系數(shù)。

　　冷陰極電離真空計(jì)的測(cè)量性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于高真空領(lǐng)域的測(cè)量。同時(shí)，因?yàn)槭抢潢帢O電離方式，不必?fù)?dān)心電極的燒損問(wèn)題。

　　冷陰極電離真空計(jì)的缺點(diǎn)是：

　　(1)放電的穩(wěn)定性有一定不足；

　　(2)從陰極放出的電子量受表面污染影響嚴(yán)重；

　　(3)真空計(jì)本身有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，需要考慮其安裝在設(shè)備上的位置。