Физика вакуума

Рис. 2.33.

2.5. Измерение газовых потоков  и давлений

Вакуумметры

Область давлений, используемых в современной вакуумной технике, 10⁵...10^-12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне нельзя обеспечить одним прибором. Приборы для измерения общих давлений называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. Вакуумметры измеряют общее давление газов в вакуумной системе.

По методу измерения разделяются  на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам.

Диапазон рабочих давлений вакуумметров:

гидростатических - 10⁵...10 Па; деформационных - 10⁵...10^-1 Па;

компрессионных   - 10...10^-3 Па;                   тепловых - 10³...10^-1 Па;

электронных          - 10...10^-8 Па;                  магнитных - 10...10^-11 Па.

радиоизотопных   - 10⁵...10^-2 Па;

Деформационные преобразователи

К ним относятся трубчатые и  мембранные преобразователи, рис. 2.34. Линейность показаний этих приборов сохраняется при небольших деформациях, поэтому приборы измеряют давления, лежащие в пределах  2...3 порядков.

                

Рис. 2.34.

Гидростатические преобразователи

Простейшими гидростатическими преобразователями  являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. В качестве рабочей жидкости применяется масло, диапазон рабочих давлений 10⁵ ...10 Па, и ртуть, диапазон рабочих давлений 10⁵ ...10³ Па. Манометры с открытым коленом удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В манометре с закрытым коленом перед заполнением рабочей жидкостью получают давление Р_ср=0, что позволяет непосредственно измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе. В этом случае показания прибора не зависят от атмосферного давления. При измерении малых давлений манометр с закрытым коленом имеет меньшие габариты, чем манометр с открытым коленом.

Гидростатические манометры с  предварительным сжатием газа называются компрессионными.  Диапазон измерения компрессионных манометров 10...10^-3 Па.

Тепловые преобразователи

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ  от  давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

Существует два вида тепловых преобразователей: термопарный и сопротивления, рис. 2.35. Оба имеют одинаковую чувствительность к различным газам.

        

Рис. 2.35.

Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, рис. 2.36, так и в режиме с постоянной температурой нити, рис. 2.37.

       

Рис. 2.36.                                               Рис .2.37.

Электронные преобразователи

Принцип действия основан на пропорциональной зависимости между давлением и ионным током, образующимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Существуют две схемы: с внутренним и внешним коллектором.

Схема с внутренним коллектором  аналогична обычному триоду, рис. 2.38. Коллектором ионов является сетка,  на которую относительно  катода подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт, а на анод - положительное напряжение 100-200 В.  Электроны на  пути  от катода к аноду (ток Ie) соударяются    с молекулами остаточных  газов, и  образовавшиеся положительные  ионы попадают на сетку, создавая ионный ток Iи, измеряемый гальванометром.

Рис .2.38.

В схеме с внешним коллектором  потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод, рис.2.39. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то, что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления

Рис. 2.39.

 

Магнитные преобразователи

Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Применяют несколько видов электродных систем, обеспечивающих поддержание самостоятельного газового разряда при высоком вакууме.

Ячейка Пеннинга, рис.2.40, состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2. Электроны, вылетающие из анода в результате автоэлектронной эмиссии, движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами. Магнитная индукция В выбирается больше критического

Рис. 2.40.

значения, соответствующего равенству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой движется электрон. При соударении с молекулой остаточного газа электрон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном направлении к аноду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду, образуя ионный ток I_и. Соударение положительных ионов с катодом приводит к образованию вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному.

Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя I_р=I_ф+I_и+I_в, где I_ф - фоновый ток автоэлектронной эмиссии;  I_в - ток вторичной электронной эмиссии.  Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления,  ионный ток и ток вторичной эмиссии от давления зависят, I_и+I_в=аРⁿ, где а=0,1...0,01 А/Па и n=1...1,4 - постоянные.

Кроме ячейки Пеннинга применяют магнетронные преобразователи, рис. 2.41, в которых катоды соединены стержнем, и инверсно-магнетронные, в которых центральный стержень - анод, а наружный цилиндр – катод.

Рис .2.41.

Преимущество магнитного преобразователя  перед электронным - более высокая надежность, т.к. применен холодный катод. Недостаток - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.

Радиоизотопные преобразователи

В радиоизотопных преобразователях для  ионизации  газа используется  α-, или  β-излучение радиоактивных  изотопов.  Преобразователь состоит из стержневого коллектора 1, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3, рис. 2.42.

Рис. 2.42.

Вылетающие из радиоизотопного источника α- частицы,  соударяясь  с молекулами остаточных газов, образуют положительные ионы,  которые  под действием разности потенциалов между анодом и коллектором направляются к коллектору, вызывая в цепи ионный ток, пропорциональный давлению.

Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью радиоактивного распада от температуры и воздействия газов. Поэтому данный прибор считается одним из лучших для измерения вакуума.

Газоанализаторы

Измерители парциальных давлений, как и измерители общих давлений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых парциальных давлений, чувствительностью, а также свойственным только им параметром - разрешающей способностью.

Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоящее время осуществляют двумя методами: ионизационным и сорбционным.

Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду. Сорбционный метод использует анализ адсорбированных газов.

Принцип действия магнитного газоанализатора (масс-спектрометра) основан на прстранственном разделении моноэнергетического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле, рис. 2.43.  Ионообразование  осуществляется

Рис. 2.43.

электронной  бомбардировкой  нейтральных  газовых  молекул  в ионном источнике 1 за счет тока эмиссии, i_э. Ионный  источник  находится под отрицательным потенциалом относительно земли,  выталкивающим ионный пучок i₊ в пространство дрейфа со  скоростями  v~(q/m)0,5.  В  пространстве дрейфа действует поперечное магнитное поле с индукцией В, под воздействием силы Лоренца F₁=qvB положительные ионы движутся в направлении, определяемом правилом левой руки, по окружностям постоянных радиусов R. При этом центростремительная сила Лоренца уравновешивается центробежной силой F₂=mv²/R. Из условия равенства сил F₁=F₂ найдем радиус траектории ионов:

R=mv/(qB). (2.16)

В результате на коллектор 3 попадают только те ионы, радиус которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллектором. Изменяя радиус траектории иона R за счет изменения ускоряющего напряжения или индукции В, можно обеспечить попадание на коллектор ионов с различными массовыми числами. Ионный ток регистрируется прибором 2.

Чувствительность масс спектрометра возрастает при  увеличении ширины щелей. Верхний предел рабочих давлений 0,01 Па определяется постоянством коэффициента чувствительности, нижний 10^-8Па - фоновыми токами.

Для проведения анализа с помощью  метода сорбции в камеру с исследуемым газом, имеющую обычный манометрический преобразователь, помещают прогреваемую прямым пропусканием электрического тока вольфрамовую нить. Перед началом работы ее обезгаживают прогревом до 2500 К. После охлаждения на ее поверхности адсорбируются молекулы остаточных газов. При нагревании нити происходит десорбция газов и давление в камере повышается, причем десорбция различных газов происходит при разной температуре нити. Для повышения чувствительности прибора необходимо увеличивать адсорбирующую поверхность. Если адсорбирующую поверхность охладить, то можно провести анализ газов с малой теплотой адсорбции.

Измерение газовых потоков

Газовый поток - это масса газа, проходящая в единицу времени  через заданное сечение элемента вакуумной системы. Потоки индивидуальных веществ можно измерять также количеством молекул газа, проходящих через заданное сечение элемента вакуумной системы в единицу времени. Единица газового потока кг/с, или при постоянной температуре газа м³Па/с.

Стационарный поток газа можно записать в виде

Q = U(Р₁-Р₂),                   (2.17)

где U - проводимость вакуумной  системы.

Данное уравнение можно использовать для измерения стационарных газовых потоков методом двух манометров по перепаду давления на вакуумном элементе известной проводимости.

Другое выражение для определения  как стационарных, так и нестационарных газовых потоков можно записать в дифференциальной форме:

 

 (2.18)

В соответствии с этим уравнением для измерения газовых потоков используют два метода: постоянного давления и постоянного объема. При р=const поток газа Q=pdV/dt, а его измерение осуществляется по скорости изменения объема газа при постоянном давлении.

Описанные методы считаются абсолютными. Косвенные методы - тепловые, радиоизотопные, ионизационные - нуждаются в градуировке по абсолютным методам.

 

Метод двух манометров

Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений на элементе с известной проводимостью. Может  применяться для измерения производительности и быстроты действия вакуумных насосов.

        Поток газа, откачиваемый насосом 5, измеряется  по перепаду давлений на диафрагме  3 известной проводимости U, рис.2.44. Диафрагма установлена в измерительном колпаке 6. Давления Р₁ и Р₂ измеряются соответственно манометрами 2 и 4. Регулировка потока газа осуществляется с помощью натекателя 1, подключенного к вспомогательной вакуумной системе. Рабочее давление вспомогательной вакуумной системы больше, чем основной. Производительность насоса, или газовый поток, рассчитываются по уравнению (2.17), а быстрота откачки

S = Q/Р₂ = U(Р₁ - Р₂)/Р₂.            (2.19)

 

Для расширения пределов измерения  проводимость диафрагмы меняют, например, применяя ирисовую диафрагму, или поворотные диски с отверстиями различных диаметров.

Рис. 2.44.

 

Метод постоянного давления

1. С использованием жидкостной  бюретки

Давление в измерительном обьеме 5  жидкостной бюретки 6 P_изм=P_в-pgh, где

P_в - давление внешней среды; ρ - плотность жидкости; h - разность уровней,

рис .2.45.

Рис. 2.45.

Если Р_в>>рgh, то можно считать, что Р_изм=const, тогда Q=P_измDV/Dt= К_бР_измDh/Dt; К_б=pR²_изм - постоянная бюретки.  Кран 4 нужен,  чтобы опустить обьем жидкости в бюретке, и повторить измерения. Натекатель 3 - для регулирования потока газа. Бюретку обычно заполняют вакуумным маслом.

2. Метод газовых пузырей

При вытекании газа из обьема 2 в  обьем 1, рис.2.46., при Р₂>Р₁ газовый поток может быть рассчитан по скорости dN/dt возникновения и обьему V_п газовых пузырей 4, возникающих в жидкости 3: Q = V_пєР₁єdN/dt.         Вакуумирование пространства над жидкостью увеличивает чувствительность измерения, т.к. сопровождается увеличением обьема пузырьков.

Рис. 2.46.

Метод постоянного обьема

       Насос 1 и клапан 2 используют для получения вакуума в обьеме 3. В процессе измерения клапан 2 закрывается, рис. 2.47. Газ из баллона 6 через

Рис. 2.47.

натекатель 4, поступающий в обьем 3, вызывает увеличение давления Р. Если поток газа постоянен, то происходит линейное повышение давления (кривая 1).

По скорости повышения давления определяют газовый поток Q=VdP/dt.