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

М

Рис. 16.1

ас-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, а потім напускають до неї залишкові гази, які необхідно проаналізувати.

І

Рис. 16.2

онізація 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 60 або 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 N мають 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