Измерение низких давлений

Обычные манометры, например жидкостные, очевидно, недостаточно чувствительны для вакуумной техники, где давления нередко соответствуют, скажем, одной миллионной миллиметра водяного столба. Вместо них применяются различные вакуумные манометры (вакуумметры), основанные на разных физических принципах. Однако почти все они не являются «абсолютными» приборами, т.е. требуют градуировки. Чаще всего для градуировки вакуумных манометров применяется простой ртутный манометр, предложенный еще в 1874 Г.Мак-Леодом. В компрессионном манометре Мак-Леода (рис. 5) имеется стеклянный баллон известного объема, который сначала соединяют трубкой A с вакуумной системой, чтобы наполнить его газом, давление которого требуется измерить. Затем, поднимая уровень ртути в трубке, этот известный объем газа отсекают и сжимают в капилляре до значительно меньшего объема, в котором давление газа сильно повышается. Манометр сконструирован так, что окончательное давление можно измерить по разности высот ртути в капиллярных трубках C и D, и эта величина совместно с значениями начального и конечного объемов позволяет вычислить первоначальное давление. Отношение объемов (до и после сжатия) можно сделать достаточно большим для измерения давлений порядка 10^–8 атмосферного.

Рис. 5. МАНОМЕТР МАК-ЛЕОДА. При поднятии сосуда со ртутью малый объем газа, вошедший по трубке A, отсекается и сжимается в расширении слева. Давление сжатого газа измеряется по разности высот столбиков ртути в капиллярах C и D.

Манометр Мак-Леода неудобен для измерений рабочего давления в технологических вакуумных установках. Для этого чаще всего пользуются термопарными вакуумметрами, вакуумметрами Пирани (вакуумметрами сопротивления) и разными вариантами ионизационного манометра. Термопарный вакуумметр измеряет температуру горячего спая термопары (находящегося в вакууме), нагреваемого током постоянной силы. Температура этого спая (а следовательно, и ЭДС термопары) зависит от давления газа, так как от давления зависит его теплопроводность. В вакуумметре Пирани используется проволочка, закрепленная в баллоне, соединяемом с системой, в которой требуется измерить давление. Проволочка нагревается током, и несложная электронная схема измеряет ее сопротивление. Сопротивление зависит от температуры проволочки, а поскольку тепловые потери проволочки зависят от давления газа в баллоне, выходной прибор, показывающий сопротивление, можно проградуировать в единицах давления. Как и в случае термопарного вакуумметра, требуется отдельная градуировка для каждого газа.

Ионизационные манометры ионизуют газ, собирают положительно заряженные ионы и измеряют ток ионов; этот ток является мерой полного давления в системе. Три описываемых далее типа ионизационных манометров различаются способом ионизации.

В триодном ионизационном манометре имеются три электрода, подобных электродам вакуумной электронной лампы-триода. Катод прямого накала испускает электроны, которые ускоряются в поле другого электрода, поддерживаемого под положительным потенциалом ок. 150 В. На пути к этому электроду электроны сталкиваются с молекулами газа и часть их ионизуют, выбивая их электроны и тем самым превращая в положительные ионы. Положительные ионы собираются третьим электродом, потенциал которого отрицателен; ток этого электрода является мерой скорости поступления ионов. При неизменном токе эмиссии электронов из катода скорость образования ионов пропорциональна давлению газа. Манометры такого типа особой конструкции позволяют измерять давления порядка 10^–15 атмосферного. При таком давлении средняя длина свободного пробега молекулы (между двумя столкновениями) имеет порядок 100 000 км.

В магнитном электроразрядном вакуумметре «холодный» катод и анод помещены в магнитное поле. Свободные электроны, всегда образующиеся в газе вследствие хаотического движения молекул, притягиваются к аноду малых размеров, но магнитное поле вынуждает их двигаться по спирали вокруг анода. Сталкиваясь с молекулами газа, они ионизуют часть их. К ним присоединяются электроны, освобождающиеся в результате ионизации, и в конце концов они попадают на анод; ток положительных ионов на катод служит мерой давления.

В ионизационном манометре третьего типа молекулы газа ионизуются альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным изотопом, небольшое количество которого помещается в измерительную головку вакуумметра. Скорость образования альфа-частиц постоянна, а потому число ионизованных молекул любого газа, поступающих на ионный коллектор в единицу времени, пропорционально давлению этого газа.

Поскольку разные газы неодинаково поддаются ионизации, ионизационные манометры требуют отдельной градуировки для каждого газа. В условиях промышленного производства эти различия часто не принимаются во внимание.

Лекция №2. Явление электронной эмиссии. Виды электронной эмиссии.

Дата добавления: 2014-01-05