真空量測技術

此處所謂的「真空量測技術」指的是用來量測「真空系統內部壓力」的技術。真空系統內的壓力就是真空腔體內壁單位面積上所承受氣體分子的力，亦即真空系統中殘餘氣體壓力的分布程度。一般在描述系統真空度方面，多以低真空（low / rough vacuum ）、高真空（high vacuum，HV）及超高真空（ultra-high vacuum，UHV）來表示不同的系統真空狀態。進深入了解量測真空壓力的方法前，我們需要先知道不同真空度所對應的壓力單位讀值及其相對應的氣體分子運動模式：

真空度及相對壓力單位（Torr）	不同真空度中的氣體分子運動模式
一大氣壓（Atmospheric Pressure） 760 Torr
低真空（Low Vacuum） 760 ~ 25 Torr	黏滯流（viscous flow）系統內的氣體分子間有相互碰撞的作用，每一個氣體分子的運動都受到其周圍氣氛子的限制，氣體分子間有摩擦性。氣流方向與氣體分子運動方向一致，故此氣流也稱為連續流。
中真空（Medium Vacuum） 25 to 1×10⁻³ Torr	過渡氣流（transition flow）由於部分氣體分子被抽離（壓力下降），系統內氣體分子的平均自由徑略微增加。一部分氣體仍維持在黏滯流的狀態，但也有部分的氣體已轉換為下面即將要提到的分子流狀態。
高真空（High Vacuum，HV） 1×10⁻³ to 1×10⁻⁹ Torr	分子氣流（molecular flow）當壓力降低到一定程度時，系統內的氣體分子完全任意運動、氣體分子間沒有相互作用，氣體分子相遇時為彈性碰撞。氣體分子與系統內壁碰撞的機會比氣體分子彼此碰撞的機會來得大。
超高真空（Ultra High Vacuum，UHV） 1×10⁻⁹ to 1×10⁻¹² Torr

有了前面對於真空度與其相對應的壓力範圍，以及對氣體分子運動類別的基本認識，接下來就可探討我們如何量測「真空」。若從今日我們所熟知的氣體性質來看真空量測的方式，大致可分為兩大類：

直接壓力測量

理論上壓力越高、氣體分子數量（密度）越高、氣體碰撞次數也越高，根據當代對於真空的定義：「真空就是一個容器內的壓力小於大氣壓力」，這裡所謂的「壓力」指的就是容器內單位面積所受的力。從氣體動力論來看這個定義，是指氣體對容器內壁所施加的壓力，而這也跟單位體積內之氣體分子密度、氣體之溫度有關。如何去量測氣體分子之熱速度作用於容器內壁所施加的力，就是這裡所謂的直接壓力測量。

在這個分類下，開發出諸如：壓力天平、液位壓力計、壓縮式真空計、彈性元件真空計等機械式真空計，而這些真空計適用的真空範圍約莫在1000 ～ 10^-1 mbar（約莫是1330 ～ 0.133 Torr），可充分涵蓋大氣到低真空的範圍。但若要量測的範圍是在高真空或超高真空，就必須透過第二類的壓力量測方式來達成。

間接壓力測量

與第一類直接量測壓力相反，第二類量測方式是根據氣體與壓力相關的特性來量測，例如：熱導性（thermal conductivity）、游離機率（ionization probability）以及電導性（electrical conductivity）等。由於這類真空計不是直接量測單位面積所受的力，因此若產品說明書上沒特別註明時，這類真空記得讀值大多是以空氣或氮氣為參考依據，若要用於量測其他氣體時，需要根據相關修正係數來做修正。在這個分類下，有我們常見的派蘭尼式真空計（Pirani Gauge）、離子式真空計（Ion Gauge）、冷陰極真空計（Cold Cathode Gauge）等，下圖是這些常見真空計的適用工作壓力範圍。

鑑於科技演進（粒子物理學、表面分析等）對於真空度的要求越來越高，在此將特別針對常用於中真空到超高真空的量測方式來做介紹：

技術示意		技術說明
		派藍尼真空計（Pirani Gauge）利用氣體與壓力相關的熱導性（thermal conductivity）來測量真空度。透過一條具有高電阻溫度係數材料所製成的燈絲進行量測，當一定的電流流過燈絲時，系統可讓燈絲維持在特定溫度間（例如：100-130°C）。若系統內壓力變高，表示系統內氣體分子密度高、氣體分子與該燈絲碰撞的機率高。由於氣體分子與燈絲進行碰撞的過程中也一併把燈絲產生的熱給帶走了（熱導），因此燈絲溫度隨之降低，而為維持燈絲溫度一致，控制器必須輸出定量的電壓或電流以維持燈絲溫度恆定。藉上述熱傳導所導致的溫度下降現象，我們便可以觀測燈絲上電壓或電流的變化來推導系統內的壓力狀況。派蘭尼真空計適用於760到10⁻³ Torr的壓力範圍。
		熱離子式真空計（Hot cathode ionization gauge）當系統壓力降低地到分子流的程度（約莫是1×10⁻³ to 1×10⁻¹² Torr），氣體的平均自由徑變得極大，在這狀況下氣體分子要與上述的派藍尼式真空計燈絲發生碰撞的機率大幅減少，讓派藍尼真空計這類的熱導式真空計完全無用武之地。在高真空環境下是應用氣體分子的離子電流強度來推導系統真空度。要得到氣體的離子電流讀值，首先就必須將氣體分子離子化（ionization）。熱離子真空計是由在一組燈絲上通過電流來產生熱電子，然後施加一加速電場好讓熱電子獲得夠高的能量，撞擊周遭的氣體分子並使其離子化，然後再由氣體分子離子化之比率估算剩餘氣體分子的數量，進而推導出系統內真空壓力的大小。
		冷陰極式真空計（Cold cathod gauge）冷陰極式真空計不是透過燈絲產生可用於游離氣體分子的熱電子，而是在高強度電場中產生自發性的持續放電，由陰極所產生的電子高強度電場加速，再加上施以與電子運動方向垂直的強磁場，使電子以螺旋路徑（增加電子與氣體分子碰撞、游離的機率）飛向陽極。就結構上來說，這類真空計不怕空氣瞬間侵入（無需考慮會有燈絲因此毀損的問題），以及不需要擔心外界振動會造成影響，因此相當廣泛地應用在高真空、超高真空的應用中。

技術示意		技術說明
		派藍尼真空計（Pirani Gauge）利用氣體與壓力相關的熱導性（thermal conductivity）來測量真空度。透過一條具有高電阻溫度係數材料所製成的燈絲進行量測，當一定的電流流過燈絲時，系統可讓燈絲維持在特定溫度間（例如：100-130°C）。若系統內壓力變高，表示系統內氣體分子密度高、氣體分子與該燈絲碰撞的機率高。由於氣體分子與燈絲進行碰撞的過程中也一併把燈絲產生的熱給帶走了（熱導），因此燈絲溫度隨之降低，而為維持燈絲溫度一致，控制器必須輸出定量的電壓或電流以維持燈絲溫度恆定。藉上述熱傳導所導致的溫度下降現象，我們便可以觀測燈絲上電壓或電流的變化來推導系統內的壓力狀況。派蘭尼真空計適用於760到10⁻³ Torr的壓力範圍。
		熱離子式真空計（Hot cathode ionization gauge）當系統壓力降低地到分子流的程度（約莫是1×10⁻³ to 1×10⁻¹² Torr），氣體的平均自由徑變得極大，在這狀況下氣體分子要與上述的派藍尼式真空計燈絲發生碰撞的機率大幅減少，讓派藍尼真空計這類的熱導式真空計完全無用武之地。在高真空環境下是應用氣體分子的離子電流強度來推導系統真空度。要得到氣體的離子電流讀值，首先就必須將氣體分子離子化（ionization）。熱離子真空計是由在一組燈絲上通過電流來產生熱電子，然後施加一加速電場好讓熱電子獲得夠高的能量，撞擊周遭的氣體分子並使其離子化，然後再由氣體分子離子化之比率估算剩餘氣體分子的數量，進而推導出系統內真空壓力的大小。
		冷陰極式真空計（Cold cathod gauge）冷陰極式真空計不是透過燈絲產生可用於游離氣體分子的熱電子，而是在高強度電場中產生自發性的持續放電，由陰極所產生的電子高強度電場加速，再加上施以與電子運動方向垂直的強磁場，使電子以螺旋路徑（增加電子與氣體分子碰撞、游離的機率）飛向陽極。就結構上來說，這類真空計不怕空氣瞬間侵入（無需考慮會有燈絲因此毀損的問題），以及不需要擔心外界振動會造成影響，因此相當廣泛地應用在高真空、超高真空的應用中。