2. 真空计分类与工作原理
真空测量首先要回答一个根本问题：我们究竟想测什么。真空系统里同时存在多种气体成分，每种成分有自己的分压力，所有成分分压力之和就是系统总压力。全压测量给出的是这个“总和”，而分压测量给出的是“每一种成分各占多少”。两者不是精度高低的关系，而是测量对象不同。选型时如果混淆，就会出现“总压达标但残余气体成分超标”或“分压合格但总压偏高”的误判。
从物理机制看，全压真空计大致分为两类：一类直接感受气体对敏感面的机械力，如电容薄膜规；另一类利用气体分子与热或电子的相互作用，如皮拉尼规、热阴极电离规、冷阴极电离规。分压测量则依赖质谱原理，用电子轰击气体分子使其电离，再按质荷比分离，典型设备是四极质谱计（RGA）。理解这条分界线，是后续选型的基础。
全压测量：从机械力到分子输运
电容薄膜规是唯一直接测量力的全压计。它把一个很薄的金属膜片夹在参考腔和测量腔之间，参考腔通常抽到高真空或密封固定压力。测量腔通入被测气体后，膜片两侧压差使膜片产生微小位移，位移改变膜片与固定电极之间的电容，电容变化经电路转换为压力读数。它的关键优势是读数与气体种类无关，因为力只取决于分子碰撞的总动量通量，不区分分子质量。典型量程覆盖 10⁻⁵ Pa 到 10⁵ Pa，高精度型号在 1～10³ Pa 区间可做到读数的 0.2% 左右。使用时要注意：膜片对温度敏感，规管需要恒温或温度补偿；测量腐蚀性气体时要选耐腐蚀膜片材料，如镍基合金或陶瓷镀层。
皮拉尼规属于热传导真空计。它内部有一根加热丝，通电后丝温取决于气体导热能力。压力升高时气体分子带走更多热量，丝温下降，电阻变化，电桥输出随之变化。皮拉尼规结构简单、成本低，适合 10⁻¹～10⁵ Pa 的粗低真空区间。但它对气体种类敏感：相同压力下，氢气导热能力远高于氩气，读数会明显不同。因此皮拉尼规通常用氮气或空气校准，测其他气体时必须乘修正系数。例如测氦气时读数偏低，测氩气时读数偏高。它也不适合长期工作在高压或强腐蚀环境。
热阴极电离规是高压强下最常用的高真空计。它用热阴极发射电子，电子在电场中加速并获得足够能量，与气体分子碰撞使其电离，产生正离子。离子被收集极收集形成离子流，离子流与气体分子密度成正比，从而换算压力。它的测量下限可达 10⁻⁸ Pa 甚至更低，上限受空间电荷和阴极寿命限制，通常在 10⁻¹ Pa 以下使用。热阴极电离规的灵敏度也随气体种类变化，且灯丝在氧气或水汽中容易氧化烧断，操作时必须先抽到足够低压力再开启。
冷阴极电离规没有热灯丝，靠高压电场和磁场共同作用，使少量自由电子在交叉电磁场中做长程螺旋运动，不断碰撞电离气体分子，形成自持放电。它的优点是结构坚固、无灯丝烧断问题、抗振动，适合 10⁻⁷～10⁻¹ Pa 区间。缺点是放电启动有延迟，压力突变时响应慢，低真空下放电不稳定，且强磁场环境会干扰读数。它常与皮拉尼规组合成复合规，覆盖从大气到高真空的宽量程。
分压测量：看清残余气体的成分
分压测量的核心是质谱。四极质谱计由离子源、四极杆质量分析器和离子检测器组成。气体分子进入离子源后被电子轰击电离，离子在四极杆中受到射频和直流电场作用，只有特定质荷比的离子能稳定通过并到达检测器，其余离子撞到杆上被中和。扫描射频电压即可依次检测不同质荷比的离子，得到质谱图。图中每个峰对应一种气体成分，峰高与该成分分压成正比。例如质荷比 2 对应 H₂，18 对应 H₂O，28 对应 N₂ 或 CO，32 对应 O₂，44 对应 CO₂。通过校准灵敏度，可以把峰高换算成分压。
分压测量的价值在于诊断。假设一个系统总压已经达到 10⁻⁵ Pa，但质谱显示水峰 18 很高，说明系统内壁放气严重，需要延长烘烤；如果 28 峰异常高而 32 峰很低，可能是油污染或一氧化碳残留；如果 2 峰持续偏高，则要检查是否有氢源或检漏残留。这些信息是全压计无法提供的。
适用区间与选型判断
把上述几种规管放到压力轴上，可以形成一条清晰的覆盖链。大气到 10² Pa 区间，电容薄膜规最可靠，读数与气体种类无关，适合作为标准传递或工艺控制。10²～10⁻¹ Pa 区间，皮拉尼规成本最低，适合前级真空监测和联锁保护。10⁻¹～10⁻⁸ Pa 区间，热阴极电离规灵敏度高、响应快，是高真空和超高真空的主力。10⁻⁷～10⁻¹ Pa 且需要抗振动、无灯丝风险的场合，冷阴极电离规更合适。复合规则把皮拉尼和电离规做在同一规管或同一控制器内，自动切换量程，覆盖 10⁵～10⁻⁸ Pa，减少接口数量。
分压测量不替代全压测量，而是补充。实际工程中常见配置是：电容薄膜规做总压基准，热阴极电离规做高真空监测，四极质谱计做残余气体分析。三者数据互相印证，才能既知道“压力是多少”，也知道“压力由什么组成”。
关键参数与修正意识
无论哪种真空计，读数都依赖校准条件。电容薄膜规的零点和满量程需要定期校验，尤其是测量腐蚀性气体后。皮拉尼规和电离规的灵敏度系数随气体种类变化，厂家通常给出相对氮气的修正因子。例如热阴极电离规对氦气的相对灵敏度约为 0.18，对氩气约为 1.2，对氢气约为 0.42。如果实际气体与校准气体不同，必须用修正因子换算，否则读数偏差可能超过一个数量级。分压测量同样需要校准，四极质谱计的灵敏度随质荷比变化，通常用已知分压的标准气体混合物标定。
理解全压与分压的区别，本质上是在理解真空系统的“总量”与“成分”两个维度。全压计回答系统是否达到目标真空度，分压计回答系统里还有什么、从哪里来。两者配合，才能完成从测量到诊断的闭环。