如何選擇真空環(huán)境下濕度測量

       在真空環(huán)境下進行“濕度"測量，其概念、方法和儀器與常壓環(huán)境有本質(zhì)區(qū)別。
　　首先需要明確一個核心概念：在真空（尤其是高真空、超高真空）環(huán)境下，我們通常不討論“相對濕度"（RH%，因為空氣中水蒸氣分壓與飽和蒸氣壓的比值），因為幾乎沒有“空氣"作為載體。我們討論的是“水汽含量"、“水蒸氣分壓"或“水分子數(shù)密度"。
　　測量目標(biāo)可以歸結(jié)為：
　　1.水蒸氣分壓：單位：帕斯卡（Pa）、托（Torr）。
　　2.水分子數(shù)密度：單位：分子數(shù)/立方厘米（molecules/cm3）。
　　3.露點/霜點：在真空下意義有限，通常換算為分壓。
　　主要挑戰(zhàn)：
　　1.極低的濃度：需要儀器具有高的靈敏度。
　　2.污染與吸附：水分子極易吸附在容器壁、管道和傳感器表面，導(dǎo)致測量響應(yīng)遲滯、讀數(shù)不準(zhǔn)（本底高或脫附造成假信號）。
　　3.儀器兼容性：測量儀器本身不能污染真空系統(tǒng)，也不能因真空環(huán)境而損壞。
　　4.區(qū)分氣體種類：需要將水蒸氣與其他氣體（如H?,CO,N?,O?等）區(qū)分開來。
　　選擇測量方案時的考慮因素：

　　常用測量方法與儀器：
　　1.質(zhì)譜分析法-主流、全面的方法
　　原理：將真空腔體內(nèi)的氣體分子電離，根據(jù)其質(zhì)荷比進行分離和檢測。
　　應(yīng)用：
　　使用四極桿質(zhì)譜儀或殘余氣體分析儀，可以檢測到水特征峰（主要峰為m/z=18，以及m/z=17，16）。
　　不僅可以定性確認(rèn)水分子的存在，還可以定量分析其分壓（需進行校準(zhǔn)），并同時監(jiān)測其他所有殘余氣體成分。
　　優(yōu)點：靈敏度高，能區(qū)分水和其他氣體，是科研和工業(yè)真空系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
　　缺點：設(shè)備昂貴、復(fù)雜，需要專業(yè)操作和校準(zhǔn)。
　　2.冷鏡式露點儀（適用于中低真空范圍）
　　原理：通過冷卻一個鏡面，直到水蒸氣在其表面凝結(jié)成露或霜，用光電裝置檢測凝結(jié)瞬間的鏡面溫度，即露點/霜點溫度。再通過查詢水蒸氣飽和蒸氣壓表，得到對應(yīng)的水蒸氣分壓。
　　應(yīng)用：通常在粗真空到中真空范圍（例如，氣壓高于10?3Pa）使用。需要將鏡面直接置于真空腔體內(nèi)或通過采樣腔室連接。
　　優(yōu)點：是測量水蒸氣分壓的基準(zhǔn)方法，精度高，可直接溯源。
　　缺點：在高真空下（水汽分壓極低），鏡面需要冷卻到極低溫度（如-80°C以下），技術(shù)難度大；鏡面污染會嚴(yán)重影響測量；響應(yīng)速度較慢。
　　3.石英晶體微天平
　　原理：石英晶體諧振器的共振頻率會因其表面質(zhì)量（吸附物質(zhì)）的變化而改變。通過將晶體暴露在真空環(huán)境中，測量其頻率變化，可以推算出吸附在表面的水分子質(zhì)量。
　　應(yīng)用：更多地用于測量材料出氣率、水汽吸附動力學(xué)，或作為極靈敏的微量水汽沉積監(jiān)測器。
　　優(yōu)點：靈敏度高，可達單分子層級別。
　　缺點：測量的是累積吸附量，而非實時分壓；需要復(fù)雜的校準(zhǔn)來解釋數(shù)據(jù)；晶體表面狀態(tài)對結(jié)果影響大。
　　4.專用薄膜電容式傳感器（經(jīng)過特殊設(shè)計）
　　原理：常規(guī)的電容式濕度傳感器利用吸濕性聚合物薄膜吸水后介電常數(shù)的變化。對于真空應(yīng)用，需要對其進行特殊設(shè)計和封裝，使其能承受真空并測量極低的水汽分壓。
　　應(yīng)用：某些廠商提供適用于真空環(huán)境的變體，常用于半導(dǎo)體行業(yè)、真空干燥過程監(jiān)控等。
　　優(yōu)點：如果可用，則設(shè)備相對簡單，響應(yīng)較快。
　　缺點：在超高真空下靈敏度不足；可能存在脫附污染和交叉干擾；需要針對真空環(huán)境進行特殊選型和校準(zhǔn)。
　　總結(jié)與建議：
　　對于大多數(shù)科研和工業(yè)高真空/超高真空系統(tǒng)，殘余氣體分析儀（RGA）的選擇。它能全面回答“有沒有水？有多少？還有什么其他氣體？"的問題。
　　對于以水汽為關(guān)鍵工藝參數(shù)的真空過程（如真空冷凍干燥），可在中真空段使用特殊設(shè)計的冷鏡露點儀或真空兼容的電容式傳感器進行監(jiān)控。
　　對于材料放氣、吸附等表面科學(xué)研究，QCM是一個強有力的工具。
　　對于要求極限靈敏度、非接觸的原位測量，激光光譜法是前沿方向。
　　最后，非常重要的一點是：在真空系統(tǒng)中，測量行為本身（如引入傳感器）就可能改變局部的水汽平衡。因此，測量方案的設(shè)計、傳感器的安裝位置以及數(shù)據(jù)的解讀都需要非常謹(jǐn)慎，通常需要結(jié)合整個系統(tǒng)的烘烤除氣工藝來綜合考慮。