Термопарний манометричний перетворювач ЛТ - 2

Другим прикладом використання залежності теплопровідності газу від його тиску є термопарний манометр.

Термопарний манометричний перетворювач ЛТ - 2 - це лампа зі скляним або металевим балоном (ЛТ - 4), в який вмонтовано чотири електроди. Як і в манометрі опору, до двох з них приєднана платинова нитка (дротик) 1 (рис. 15.3), яка нагрівається електричним струмом від батареї БТ. До середини платинової нитки приварена термопара 2, вільні кінці якої приєднані до останніх двох електродів, до яких через розйом підключається мілівольтметр. Величина робочого струму I, що нагріває нитку, контролюється міліамперметром 3 і встановлюється до відповідного значення реостатом R.

Рис. 15.4

Рис. 15.3

Термопара - це два дротики з різних металів, які з одного кінця з’єднані за допомогою зварювання. Особливістю такої пари є таке явище: якщо зварені кінці нагрівати до температури, наприклад, T, то на вільних кінцях, що охолоджуються до T, з’явиться термопарна електрична рушійна сила (Т.Е.Р.С.), величина якої залежить від різниці температур (T - T) - чим більша ця різниця, тим більшою буде Т.Е.Р.С.. Вибором відповідних металів можна збільшити цю Т.Е.Р.С.. У розглядуваної лампи використовується термопара з металів хромеля (90 % Ni + 10 % Cr) і копеля (56 % Cu + 44 % Ni).

Відкритим кінцем лампа приєднується герметично до вакуумної системи. Поки тиск у вакуумній системі буде атмосферним, мілівольтметр буде показувати Т.Е.Р.С., близьку до нуля при струмі I, заданому для даної лампи при її виготовленні. При достатньому зниженні тиску мілівольтметр 4 почне показувати зростаючу Т.Е.Р.С., тому що теплопровідність газу із зниженням тиску зменшиться і це призведе до підвищення температури нитки і термопарного спаю. Коли тиск знизиться настільки, що теплопровідність стане дуже малою і температура нитки перестане зростати, стрілка мілівольтметра зупиниться на граничній (максимальній) позначці, при умові що струм I буде попередньо вірно виставлений і постійно залишатися незмінним; у цей момент витрати тепла ниткою і термопарою будуть зумовлені практично тільки теплопровідністю самих дротиків і випроміненням.

Термопарну манометричну лампу виготовляють у запаяному вигляді з вакуумом в середині - Торр. Щоб вірно визначити робочий струм запаяної лампи, необхідно дуже старанно підібрати величину I реостатом R так, щоб стрілка мілівольтметру, який показує величину Т.Е.Р.С., встановилась при цьому струмі незмінно на поділці 10 mV. Цей струм і є робочим для даної лампи, тобто струмом відповідно високому вакууму, при ньому виконують всі вимірювання після приєднання попередньо відкритої лампи до вакуумної системи.

За допомогою термопарної лампи вимірюють фактично не тиск, а Т.Е.Р.С., тому для визначення тиску використовують градуювальну криву - залежність величини Т.Е.Р.С. від тиску (рис. 15.4).

Тепловими манометричними перетворювачами можна проводити вимірювання для різних газів і пари, вести безперервні спостереження за зміною тиску у вакуумній системі; вони не складні для виготовлення. Усе це є їх позитивними якостями. Але вони мають і недоліки, головними з яких є: вузький діапазон вимірювання тиску (5– ) Торр, оскільки чутливість манометра поза межами діапазону різко знижується і виміри стають неточними; залежність градуювальних кривих від виду газу і зміни робочого струму I з часом. Останній недолік виникає тому, що змінюється електричний опір платинової нитки - її поверхня забруднюється парою вакуумних масел та ін. У зв’язку з цим при використанні теплових манометричних перетворювачів необхідно періодично перевіряти (визначати) робочий струм. Очевидно, що для цього вакуумну систему необхідно відкачати до тиску не менше - Торр.

15. 3. Іонізаційні манометричні перетворювачі

Вимірювання тиску за допомогою цих манометрів відбувається завдяки іонізації залишкового газу і визначення іонізаційного струму, що буде мірою молекулярної концентраціі, тобто тиску газу. Очевидно, що збільшення струму буде відповідати зростанню тиску.

Іонізаційний манометр, як і термопарний, складається з двох частин: вимірювальної і датчика. Датчик – це скляна лампа – перетворювач манометричний іонізаційний (ПМІ – 2), має вигляд (рис. 15.5) скляної колби 1, що закінчується трубкою 2, через яку приєднується до вакуумної системи. У середині колби впаяні три електроди: вольфрамовий катод 3, розміщений на осі колби у вигляді петлі з двома відводами 4, анод – молібденова сітка у вигляді біфілярної спіралі 5, що охоплює катод і також має два відводи 6, і нікілевий колектор іонів 7 у вигляді циліндра, що охоплює ці електроди і має відвід 8. Два відводи у сітки-анода необхідні для розжарювання її електричним струмом, щоб викликати виділення поглинутих газів як з неї, так і з інших елементів лампи.

Рис. 15-5.

Електрони, що емітуються нагрітим катодом, спрямовуються до анода і створюють електронний струм, а іони, що створилися під дією ударної іонізаціі, збираються колектором іонів і створюють іонний струм, який вимірюється мікроамперметром (рис.15.6, а). Оскільки сітка має великий період намотки, то значна частина електронів не зразу досягає її поверхні, а пролетівши повз неї, опиняється в гальмуючому електричному полі анода і починає коливальних рух навколо сітки перед тим, як потрапить до неї. Збільшення довжини траєкторії руха електронів збільшує імовірність іонізаціі і значно підвищує чутливість манометра. З цією ж метою відстань між сіткою-анодом і колектором іонів роблять відносно великою. Для створення іонного струму достатньо до колектора прикласти від’ємну напругу приблизно до 10 В, але для прискорення емісійних електронів необхідна позитивна напруга до 250 В.

Підключення іонізаційного датчика можна здійснювати також за схемою рис. 15.6, б, де функцію анода виконує колектор іонів, а іони збираються сіткою 5. Але чутливість манометра при такому підключнні нижча, тому схема за рис. 15.6, а має більше застосування.

З експериментів відомо, якщо тиск газу буде не вище Торр, то відношення іонного струму до електронного буде прямо пропорційним до тиску в манометричній лампі:

. (15.5)

Коефіцієнт пропорційності k визначає чутливість манометра і якщо електронний струм підтримувати завжди на постійній величині, то можна вважати, що

, (15.6)

де – постійна манометра.

Рис. 15.7.

Величина постійної манометра залежить від роду газу, електричної схеми підключення і режиму її роботи, конструкції датчика, тому її визначають геометрично з градуювального графіка, який будують при градуюванні іонізаційного манометра за допомогою іншого манометра. Очевидно, що при збільшенні величини електронного струму іонний струм також зростатиме.

Градуювальний графік має в головному лінійну залежність (рис. 15.7), але можна бачити, що за підвищених тисків (> Торр) при збільшеному електронному струмі (20 mA) іонний струм зростає швидше ніж тиск. Це пояснюється виникненням лавинної іонізації.

Завдяки лінійній залежності іонізаційного струму від тиску іонізаційні манометри мають високу точність вимірювань у діапазоні тисків - Торр.

До недоліків їх слід віднести можливість руйнування розжареного катода при раптовому проникненні у колбу атмосферного повітря. Руйнування відбудеться завдяки інтесивному бомбардуванні іонами, що будуть утворюватися біля катода. Крім цього приєднувати манометр до вакуумної системи треба через трубку великого діаметра, в супротивному разі газовий розряд, що протікає в манометрі, призведе до поглинання газу електродами, тобто до помітного зниження тиску в ньому в порівнянні з вакуумною системою. Тому перед кожним вимірюванням необхідно провести знегаження елементів манометра інтенсивним електронним бомбардуванням, яке створюють розжаренням спіралі анода.

При вимірюванні низьких тисків (< Торр) з’являються помітні неточності, пов’язані з появою фотоелектронної емісії з колектора іонів, що виникають під дією рентгенівських променів, які випромінює анод внаслідок бомбардування його прискореними електронами. Останній недолік частково усувається зміною конструкціі.

15. 4. Іонізаційний манометр Байярда – Альперта

Щоб точно вимірювати низькі тиски, Байярд і Альперт створили манометр, в якому колектором іонів служить тонкий вольфрамовий дротик 1, оточений сіткою – анодом 2, а катод 3 розміщений зовні сітки (рис. 15.8). Анодну напругу було понижено до 100 В. Усе це було зроблено з метою зниження рентгенівського випромінювання і його дії на колектор іонів.

Рис. 15.8

Дійсно, чутливість цього манометра зросла у 100 і більше разів. Манометр Байярда – Альперта дає точні виміри тисків до ~ Торр. Розміщення колектора іонів всередині сітки зменшило число іонів, що потрапляли на стінку колби, а не на колектор, тобто при такому розміщенні відповідність іонного струму числу утворених іонів вища. Вимірювання тисків нижчих Торр, обмежене тиском пари вольфраму, що з’являється при температурі розжарення нитки катода ~ 2 300С, а також помітному проникненню до колби атмосферного гелію через скло. Градуювання манометрів виконують шляхом порівняння вимірів з показаннями компресійного манометра.

Принцип роботи іонізаційних манометрів використовують для перевірки ступеня вакууму в запаяних вакуумних приладах з не меншим числом електродів.

До загального недоліку іонізаційних манометрів слід віднести чутливість до впливу на виміри тиску наявності зовнішніх електричних і магнітних полів.

15. 5. Радіоактивний манометр (альфатрон)

Іонізацію молекул газів можна створювати за допомогою радіоактивної речовини, - випромінення якої має постійну інтенсивність і достатнє за величиною (тому друга назва манометра – альфатрон). Спрощена схема вимірювання і будова радіоактивного манометра наведені на рис. 15.9.

Рис. 15.9.

В якості радіоактивного джерела 1 зазвичай використовують кобальт-60, який розміщують в герметизованому металевому корпусі 2, що приєднується відкритим кінцем до вакуумної системи. Колектор іонів 3 через герметизований та ізольований відвод приєднується до резистора великого опору, який є навантаженням для кола іонного струму. Другим електродом слугує металевий циліндр 4, який через герметизований та ізольований відвод приєднується до позитивного полюса джерела постійної напруги величиною ~ 200 В. З резистора знімається різниця потенціалів, що викликається іонним струмом (~ А / Торр) і оскільки вона мала, то перед вимірюванням подається на підсилювач 5.

Іонний струм альфатрона прямо пропорційний тиску, але дуже залежить від природи газу, тому для кожного газу необхідно мати окремий відповідний градуювальний графік. Діапазон вимірювань такий же, як і у манометра опору: (10 – ) Торр.

До позитивних якостей відносяться відсутність розжареного катода, висока міцність конструкції, до негативних – необхідно виконувати запобіжні заходи захисту від дії радіоактивного випромінювання.

15. 6. Груба оцінка вакууму

Ступінь вакууму можна оцінити за видом свічення газового розряду в розрядній трубці.

Найбільш зручною є скляна розрядна трубка 1 з двома електродами 2, що розміщені на відстані приблизно 15 мм один від одного всередині захистних скляних трубок 3 (рис. 15.10). До електродів прикладається високовольтна напруга, яка призводить до виникнення газового розряду, оскільки в трубці буде знаходитися газ після приєднання її до вакуумної системи.

Газовий розряд стає помітним при тиску менше 10 Торр і має вигляд “шнура”, що розміщений на осі трубки і випромінює світло.

Зниження тиску приводить до розширення шнура і при тиску в 1 Торр він заповнює весь поперечний переріз трубки, але яскравість свічення зменшується. Трубка випромінює слабке дифузне світло.

Якщо тиск стає рівним 0,1 Торр, то розряд стає дуже блідим і з’являються світні поперечні смуги (страти).

Свічення газу стає майже непомітним при тиску 0,01 Торр, але під дією бомбардування стінки трубки іонами та електронами з’являється зеленувата або блакитна флуоресценція скла (залежно від складу скла).

Наступне зниження тиску до 0,001 Торр приводить до зникнення будь-якого свічення.

Колір свічення розряду залежить від природи газу. Розряд у повітрі має фіолетовий колір за високих тисків і змінюється на трояндово-фіолетовий при низьких тисках. Неон має жовтогарячо-червоне свічення, ртутна пара – блідо-блакитне, а двоокис вуглецю – темно-блакитне.

	Рис. 15.10

Залежність кольору свічення від природи газів дозволяє використовувати розрядні трубки для аналізу газів, що знаходяться у вакуумній системі.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть будову і принцип роботи манометра опору.

2. Проаналізуйте рівняння балансу потужностей манометра опору.

3. Поясніть будову і принцип роботи термопарного манометра.

4. Поясніть будову і принцип роботи іонізаційного манометра.

5. Поясніть будову і принцип роботи іонізаційного манометра Байярда-Альперта.

6. Які недоліки теплових та іонізаційних манометрів?

7. Поясніть будову і принцип роботи радіаційного манометра.

8. Як оцінюють ступінь вакууму за допомогою газового розряду?

Лекція шістнадцята

ВИМІРЮВАННЯ ПАРЦІАЛЬНИХ ТИСКІВ

На роботу вакуумних приладів, у тому числі газорозрядних джерел світла, дуже впливає не тільки ступінь вакууму, створеного в них, але також склад залишкових газів.

Від того, які гази і їх кількість залишилися в електронному вакуумному приладі залежить якість та надійність його роботи. Тому виникла необхідність аналізу залишкових газів і оцінки їх парціальних тисків при виготовлені таких приладів. Визначити молекулярний склад залишкової суміші газів і оцінити тиск окремої складової можна за допомогою мас-спектрометричних аналізаторів. Принцип роботи таких газоаналізаторів базується на іонізаціі газів залишкової суміші в приладі та наступного розподілу отриманих іонів за їх масою. Залежно від фізичних ефектів, що використовуються, такі аналізатори поділяються на:

а) мас-спектрометри з магнітним розподілом іонів - використовується залежність радіуса кривизни траєкторіі позитивних іонів, що рухаються у постійному магнітному полі, від співвідношення заряда іона e до його маси m;

б) омегатрони – мас-спектрометри, в яких використовується залежність резонансної частоти коливань іонів у змінному електричному і постійному магнітному полі від співвідношення e / m;

в) хронотрони – газоаналізатори, в яких використовується залежність часу прольоту іонів однакової відстані від їх маси, - а також інші.

16. 1. Мас-спектрометри з магнітним розподілом іонів

Рис. 16.1

Мас-аналізатори газів з магнітним розподілом іонів виготовляють з кутом відхилення 180 (рис. 1.1, а) або меншим (рис. 16.1, б). Прилад складається з таких головних елементів, як джерело іонів 1, камера аналізатора 2, яка знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією B, і колектор іонів 3.

Герметизовану камеру мас-аналізатора спочатку ретельно знегажують прогріванням з одночасним здійсненням відкачки до тиску не вище Торр,апотімнапускають до неї залишкові гази, які необхідно проаналізувати.

Рис. 16.2

Іонізація молекул залишкових газів здійснюється емітованими розжареним катодом та прискореними до енергії в декілька сотен електроновольтів електронами. Створені позитивні іони, що мають заряд q, під дією електричного поля прискорюються і виштовхуються через поздовжню щілину з камери 1 до камери 2, де електричне поле на них вже не діє, але вони потрапляють під дію постійного магнітного поля. Оскільки магнітне поле направлене перпендикулярно до напряму вильоту іонів (перпендикулярно до площини рисунку), то під дією сили Лоренца вони матимуть колові траєкторії з різними радіусами кривизни R залежно від їх маси m. Величину радіуса кривизни визначають за умовою рівності сили Лоренца і відцентрової сили інерціі, що діють на іони, які рухаються зі швидкістю , перпендикулярною до напряму вектора магнітної індукції B. Оскільки швидкість іонів визначається величиною прискорюючого електричного поля, створеного різницею потенціалів U, як =, то з рівності =знаходимо, що радіус траєкторії іона за постійними значеннями U та B прямопропорційний квадратному кореню з їх маси . Відношення m/q називають масовим числом іона М і вимірюють в атомних одиницях маси (а. о. м.). Якщо, залишити величину B незмінною, але змінювати різницю потенціалів U, то створимо умови, за яких до колектора іонів 3 будуть потрапляти тільки ті іони, що мають радіус траєкторії R = R . Ці іони створять колекторний струм, який після підсилення пристроєм 4 вимірюється мікроамперметром 5. Сукупність піків іонного струму (рис. 16.2), що створюється іонами з тим чи іншим масовим числом, являє собою спектр мас, за яким аналізується склад газової суміші. Дійсно, якщо по осі U відкладати попередньо визначені іонні масові числа за відомим тиском, то за амплітудою іонного струму можна визначити парціальний тиск складових суміші газів або пари.

На рис. 16.1, б наведено мас-аналізатор з секторним магнітним полем (кут відхилення дорівнює 60або може бути 90), в якому пучок іонів фокусується завдяки розміщенню вихідної щілини джерела іонів 1, вершини секторного поля та вхідної щілини колектора 3 на одній прямій 6, а головний іонний промінь падає перпендикулярно до межі секторної області 2. Мас-аналізатори можуть мати кут відхилення також більше ніж 180.

Робота з мас-аналізаторами потребує відповідного досвіду, щоб впевнено розрізняти складові суміші, які можуть мати однакові іонні масові числа; наприклад, такі гази як СО і Nмають масове число 28 а. о. м. Розрізнення проводять за допомогою аналізу додаткових супровідних невеликих піків струму, що створюються дисоційованими іонами цих речовин і які вже не співпадають.

Для застосування мас-аналізаторів у високовакуумних системах необхідно щоб вони мали: а) можливо більшу чутливість, тобто помітний іонний струм за даним парціальним тиском; б) достатню розрізнювальну здатність – відношення М/М, де М - ширина піка (в одиницях масових чисел) на половині його висоти; в) можливість приєднання до відповідного місця у вакуумній системі. Для використання розглянутого мас-спектрометра необхідно застосовувати досить складне технічне оформлення, тому були розроблені більш прості й зручні пристрої, що отримали назву динамічних мас-аналізаторів, до яких належать омегатрон і тропатрон

Дата добавления: 2014-01-07