Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
12.11.2022
Размер:
32.25 Mб
Скачать

• разрешающая способность ρ, выражаемая отношением М/ М, где М – наименьшее различаемое изменение массового числа.

Разрешающая способность масс-спектрометра определяет собой верхний предел измеряемых массовых чисел: чем больше ρ, тем большие массовые числа могут быть данным прибором зарегистрированы и считается, что тем он лучше313. Величина ρ для масс-спектрометров приводится в его техническом паспорте, но может быть определена и экспериментально. На рис. 4.2.10 приведены примеры масс-спектров, полученных на масс-спектрометрах с различной разрешающей способностью.

Для масс-спектра, изображенного на рис. 4.2.10, а), можно записать выражение для определения величины ρ:

ρ = М/ М = l·(М1 + М2)/(a + b) М,

(4.2.10)

где l – расстояние между соседними пиками; а – ширина пика М1 на высоте 0,1; М2 ширина пика М2 на высоте 0,1; М – разность массовых чисел двух соседних пиков (М2 М1). Масс-спектр, изображенный на рис. 4.2.9, б), получен на приборе с явно недостаточной разрешающей способностью, но может быть использован для каких-либо качественных оценок314.

Рис. 4.2.10. Примеры масс-спектров, полученных на масс-спектрометрах с различной разрешающей способностью

В зависимости от типа масс-спектрометра для всего диапазона измеряемых массовых чисел могут быть постоянными величины: М, М/ М или М2/ М. Постоянство той или другой из приведенных величин определяет внешний вид получаемых масс-спектров.

Характеристиками масс-спектрометров являются:

чувствительность – характеристика, аналогичная характеристике электронного ионизационного манометра, которая определяется как отношение изменения ионного тока в цепи коллектора к вызывающему его изменению концентрации парциальных i-х компонентов системы молекул и выражается в А/Па. В зависимости от рода газа чувствительность масс-спектрометра меняется, что важно учитывать при расшифровке масс-спектра. Падение чувствительности масс-спектрометра происходит с ростом давления в масс-спектрометре вследствие рассеяния ионов в анализаторе, когда средняя длина их свободного пробега λ становится сравнима с длиной траектории ионов L. Потери ионного пучка в области анализа при этом могут быть оценены по формуле

Iкл /Iион = е / ,

(4.2.11)

где Iкл – величина ионного тока, достигающего коллектора; Iион величина ионного тока, полученного в анализаторе. Чтобы получить максимальную разрешающую способность, в масс-спектрометрах выгодно иметь большую величину L, но при этом обычное для экспериментатора желание повысить рабочее давление в масс-спектрометре приводит к падению чувствительности прибора из-за возникающей рекомбинации ионов;

313Для вакуумной техники, в которой вакуумная системы не должна содержать молекул с массами большими, чем 44 , вопрос о высокой разрешающей способности масс-спектрометра неактуален.

314Вопрос использования полученных в результате проведенных измерений данных решается при учете возможностей достижения целей проводимых измерений.

231

порог чувствительности – минимальная измеряемая концентрация парциальных i-х компонентов системы молекул, которая может быть определена. Обычно регистрации подлежит сигнал с амплитудой, вдвое превышающей уровень фонового сигнала;

максимальное рабочее давление, при котором отклонение от линейной зависимости между

ионным током и соответствующей ему концентрации парциальных i-х компонентов системы молекул превышает 10 %. Обычно масс-спектрометры работают при давлениях ниже 10–2 – 10–3 Па.

Число известных конструкций масс-спектрометров достаточно велико. Обычно их классифицируют на основе эффектов, используемых в анализаторах масс-спектрометрических преобразователей для разделения пучка ионов по массовым числам.

Условно масс-спектрометры делят на две группы:

1) статические,вкоторых разделение ионов происходит в постоянных электрических или магнитных полях, или в их комбинациях;

2) динамические,в которых разделение ионов происходит в переменных электрических и магнитных полях.

В табл. 4.2.2 представлены схемы некоторых видов масс-спектрометров, применяемых в вакуумной технике.

Таблица 4.2.2

Некоторые виды масс-спектрометров, применяемые в вакуумной технике

 

 

Название

Уравнение

№ п/п

Схема действия масс-спектрометра

и диапазон

измерения

 

 

массовых чисел

 

 

 

1

 

 

 

Магнитный

Мi /q ~

 

 

 

от 2 до 450 а.е.м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Омегатронный

Мi /q ~

от 1 до 250 а.е.м.

 

 

 

Квадрупольный (а)

Мi /q ~ Е~i

3

и монопольный (б)

 

от 1 до 2000 а.е.м.

 

В омегатронном масс-спектрометре используется движение ионов под влиянием переменного электрического поля в плоскости, перпендикулярной постоянному магнитному полю. Все образовавшиеся при ионизации ионы движутся в этой плоскости по круговой траектории. Время, необходимое для совершения каждого полного оборота, не зависит от направления и начальной скорости ионов, но зависит от их массы и заряда, а также напряженности магнитного поля:

T = M/Bq, тогда Мi /q = В/ωi .

(4.2.12)

232

где В – индукция магнитного поля, Тл; ωi – циклическая частота движения i-го иона с массой Мi на орбите.

Если период вращения иона совпадает с периодом переменного электрического поля, то он ускорится этим полем и начнет движение по спирали Архимеда к коллектору. При этом нерезонансные ионы на коллектор не попадут. Таким образом, меняя частоту электрических колебаний, можно регистрировать ионы с разными массовыми числами.

Квадрупольный масс-спектрометр – это прибор, в котором ионы можно разделить в соответствии с величиной массового числа без применения магнитного поля. Анализатор такого рода состоит из четырех абсолютно прямых металлических стержней, расположенных строго параллельно на определенном расстоянии друг от друга так, чтобы пучок ионов мог двигаться непосредственно вдоль центральной оси (рис. 4.2.11). В качестве входного отверстия используют не щель, а круглое отверстие диаметром около 0,1 мм. Стержни, расположенные по диагонали друг против друга, соединены электрически, и обе пары присоединены к противоположным полюсам источника постоянного напряжения Е=, а также к генератору радиочастоты с амплитудой напряжения Е~ .

Рис. 4.2.11. Схема устройства квадрупольного масс-спектрометра

Сканирование можно осуществлять, изменяя напряжение постоянного тока и радиочастоты при их постоянном отношении.

На продольное движение ионов оказывает влияние поле квадрупольного конденсатора, вызывая их боковое смещение. При фиксированных значениях частоты и амплитуды переменного напряжения только у ионов с определенным значением Мi/q амплитуда колебаний в направлении, поперечном оси анализатора, не превышает расстояния между стержнями. Такие ионы (резонансные) за счет начальной скорости проходят через анализатор и на выходе из него регистрируются, попадая на коллектор ионов. Сквозь квадруполь проходят ионы, масса которых удовлетворяет условию

Мi = CМСU=/ω2,

(4.2.13)

где CМС – постоянная масс-спектрометра.

Амплитуда колебаний ионов других масс (нерезонансных) нарастает по мере их движения в анализаторе так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Развертку по массовым числам можно осуществлять, изменяя величины постоянного напряжения U= и амплитуду радиочастотного напряжения U~ при их постоянном соотношении. Максимальное разрешение достигается при отношении U=/U~ , приближающемся к предельной величине 0,1678.

Современные квадрупольные масс-спектрометры работают в диапазоне массовых чисел от 2 до 2000 а.е.м. В качестве детектора ионов на выходе квадрупольного анализатора обычно используется электронный умножитель.

Квадрупольный масс-спектрометр может быть упрощен (табл. 4.2.2, поз. 3 п. б) – предлагается использовать один стержень с заземленным уголком – монополь, при относительном сохранении всех достоинств квадруполя. Разрешение (ρ ≈ 100) монопольного масс-спектрометра достаточно для вакуумных измерений.

233

Квадрупольные масс-спектрометры благодаря простоте своей конструкции и высокой степени электромагнитной совместимости в настоящее время используются практически на всех электрофизических установках, имеющих вакуумную систему. На рис. 4.2.12 приведено изображение комплекта поставки квадрупольного массспектрометра (а) и условное изображение масс-спектро- метров, используемое в принципиальных схемах высоковакуумных систем (б).

Масс-спектрометры серии Extorr XT – устройства, содержащие квадрупольный анализатор остаточного газа, широкодиапазонный комбинированный измеритель давления: типа Пирани (от атмосферного давления) и электронный ионизационный типа Байярда – Альперта (до 10–5 Па). В качестве коллектора используется либо цилиндр Фарадея315, либо электронный умножитель при малых давлениях.

а

Рис. 4.2.12. Внешний вид комплекта поставки квадрупольного масс-спектрометра типа Extorr XT российской компании «Пирамид Вакуум*» (а) и условное изображение масс-спектрометров (б)

4.2.4. Расшифровка масс-спектров остаточных газов

__________

*Компания «Пирамид Вакуум» создана для

 

Получение записи масс-спектра остаточного газа с

решения задач в областях, связанных в первую

очередь с работой высоковакуумных и сверх-

помощью масс-спектрометра не означает, что определи-

высоковакуумных систем. Все сотрудники по-

ли искомые величины концентраций парциальных i

лучили базовое академическое образование в

компонентов системы молекул. Проблема состоит в не-

Московском инженерно-физическом институте,

где продолжают свою научную деятельность.

обходимости расшифровки полученного масс-спектра.

 

Приведенный на рис. 4.2.13 масс-спектр изображен

 

необычно: в каждом пике, соответствующем определенному массовому числу, можно видеть его аддитивные составляющие. Их наличие объясняется тем,

что все газы после их ионизации имеют так называемые индивидуальные масс-спектры.

На рис. 4.2.14 приведены индивидуальные масс-спектры ряда газов, обычно входящих в состав остаточных газов вакуумных систем. В качестве примера можно проследить, что из шести газов в рассмотренных примерах, пять газов дадут вклад в пик, соответствующий массовому числу 16.

Массовые числа ионов, а.е.м.

Рис. 4.2.13. Масс-спектр, соответствующий составу атмосферного воздуха

Число пиков в масс-спектрах обычно значительно превышает количество компонентов исследуемой газовой смеси. Из-за наличия индивидуальных масс-спектров отсутствует четкая корреляция

315 Цилиндр Фарадея – наиболее распространенный в электрофизике прибор, используемый в качестве первичного эталонного прибора для измерения токов пучков заряженных частиц. При измерении тока пучок частиц попадает на изолированный от окружающих предметов электрод, который задерживает частицы пучка и почти все вторичные частицы, образующиеся при столкновении частиц пучка с материалом электрода, что позволяет сохранить заряд, переносимый частицами пучка.

234

между определенными пиками и определенными газами, между их амплитудой и концентрацией парциальных i-х компонентов системы молекул (парциальным давлением).

Таким образом, задача расшифровки масс-спектра состоит из двух подзадач:

1)по определению предположительного компонентного состава смеси газов;

2)по расчету парциальных давлений.

Определить компонентный состав можно по таблицам, подобным тем, что представлены на рис. 4.2.14 и в которых приведены относительные амплитуды βi сопутствующие пиков в индивиду-

альных масс-спектрах, βi =

 

, где

амплитуды основных пиков,

амплитуды со-

 

путствующих пиков.

 

 

 

 

CH4

H2O

N2

 

 

 

CO2

O2

CO

 

Рис. 4.2.14. Индивидуальные масс-спектры ряда газов, обычно входящих в состав остаточных газов вакуумных систем

Обычно для высоковакуумных систем приблизительный вид масс-спектра и его компоненты известны (см. табл. 4.2.1). В этом случае по полученному масс-спектру легко определить качественный состав смеси остаточных газов, сравнивая присутствующие в спектре пики с таблицами, подобными таблицам на рис. 4.2.14. Отсутствие каких-либо пиков в спектре указывает на отсутствие в системе определенных газов (или на недостаточную чувствительность масс-спектрометра).

Общий прием в расшифровке масс-спектров состоит в решении системы линейных уравнений вида

Ux =

=

· pi ,

(4.2.14)

где Ux амплитуда пика в масс-спектре газовой смеси, соответствующего массовому числу М/q = x;

амплитуда сопутствующего пика i-го газа с массовым числом x; kxi коэффициент чувствительности масс-спектрометра по i-у газу (эти коэффициенты очень близки к коэффициентам чувстви-

235

тельности, приведенным на рис. 4.2.4 для электронных ионизационных манометров); kxi = βi·ki , где ki коэффициент чувствительности масс-спектрометра по основному пику i-го газа; pi искомая величина концентраций парциальных i-х компонентов системы молекул (парциального давления i-го газа); n – количество предполагаемых компонентов в ансамбле молекул.

В расчетах удобно пользоваться коэффициентами относительной чувствительности масс-

спектрометра по разным газам CМСi, значения которых определяются как CМСi =

 

, где: k0 коэффи-

 

циент чувствительности по основному пику опорного газа (обычно азота).

 

 

 

Подставляя в уравнение (4.2.13) выражение для kxi, получим

МС

 

 

 

Ux= k0

МС

/

= k0∑ β

.

(4.2.15)

Система уравнений (4.2.15):

не имеет решений для случая i > x, то есть когда количество предполагаемых компонентов в смеси превышает число пиков в масс-спектре;

имеет единственное решение при i = x;

имеет несколько решений при i < x.

Последний случай наиболее часто встречается на практике, что приводит к некоторой неопределенности в получаемых результатах.

Задача усложняется, если в системе присутствуют пары углеводородов или других органических соединений. Даже простейшие из них имеют большое количество пиков в индивидуальном массспектре, например метан CH4 – 9 пиков, этан C2H6 – 10, диффузионное масло – 19 пиков, пропан

С3Н8 – 28 и т.д.

Расшифровка масс-спектра «грязной системы» невозможна.

Для решения системы уравнений (4.2.14) необходимо знать значение коэффициента чувствительности масс-спектрометра по опорному газу k0 или коэффициенты чувствительности по всём газам смеси ki. Для этого перед измерениями проводится градуировка масс-спектра по эталонным смесям газов. Данный метод определения величин pi наиболее точен.

Однако определение коэффициентов чувствительности по эталонным смесям газов существенно увеличивает общее время измерений. Поэтому обычно проводят несколько упрощенную процедуру, заключающуюся в одновременном измерении средней молекулярной концентрации (полного давления) p0 и снятии масс-спектра.

В этом случае измеренная манометром величина p0 в соответствии с законом Дальтона определя-

ется следующим выражением:

 

 

p0 = ∑ ψ

,

(4.2.16)

где pi молекулярная концентрация (парциальное давление) i-го газа; п – количество предполагаемых компонентов в ансамбле молекул; ψ – коэффициент парциальной чувствительности манометра по i-у газу.

Молекулярная концентрация (парциальное давление) i-го газа находится из уравнения

pi = p0

МС

/ МС

.

(4.2.17)

Нужно согласится с тезисом, прозвучавшим на Всероссийской конференции «Вакуумная техника и технология-2010»316, о том, что современная масс-спектрометрия находится в стадии активного развития. Идет активный поиск не только новых конструкционных решений, но и новых концепций масс-спектрометрии на базе современной газовой электроники.

Электронные и ионные технологии, применяемые в масс-спектрометрии, в комплексе с ионными технологиями, применяемыми во многих электрофизических современных технологиях, принадлежат к перспективным научно-техническим направлениям, однотипно решающим многие задачи, что гарантирует их широкое использование.

316 С 15 по 17 июня 2010 г. в г. Санкт-Петербурге состоялась Всероссийская научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология-2010». Материалы конференции опубликованы в журнале «Вакуумная техника и технология». Т. 20, № 3. См. статью: Цыбин О.Ю. «Сто лет масс-спектрометрии: эволюция науч- но-технических идей и решений».

236

Вопросы контроля и поддержки

1.Что определяет выбор физической модели объекта измерений? К чему приводит ошибка при этом выборе?

2.Каким образом создается ряд физических величин, достаточно адекватно характеризующих вакуум?

3.Что такое «диагностическая модель» объекта измерений?

4.Что такое рейтинговый ряд физических величин?

5.Приведите характеристики и названия физических моделей разреженного газа, используемых при измерениях.

6.Что общего можно отметить на основании рассмотрения рабочих характеристик известных манометров, работающих при разных разрежениях газа?

7.Какая величина реально измеряется в вакуумной системе при использовании ионизационного метода измерений?

8.Что такое «горячий ионизационный метод» и «холодный ионизационный метод»?

9.Откуда берутся инициативные электроны в ячейке Пеннинга для зажигания тлеющего разря-

да?

10.К чему привело желание оптимально решить вопросы эффективности ионизации и полноты сбора образовавшихся ионов в электронных ионизационных манометрах?

11.Каким образом в электронных ионизационных манометрах повышают эффективность иони-

зации?

12.Какую величину анодного потенциала обычно используют в электронных ионизационных манометрах?

13.Чему пропорционален ионный ток, попадающий на коллектор? Почему?

14.Чем отличается удельная чувствительность манометра от чувствительности в электронных ионизационных манометрах?

15.Почему ток, измеряемый с коллектора, не равен ионному току, генерируемому в электронных ионизационных манометрах при ионизации свободных молекул?

16.В чем главное отличие манометра Байярда – Альперта от триодного?

17.Почему чувствительность электронного ионизационного манометра к разным газам разная?

18.Что такое инверсный магнетрон?

19.В чем достоинство, а в чем недостаток манометра Пеннинга?

20.Почему состав остаточного газа в вакуумной системе изменяется по мере увеличения разре-

жения?

21.Почему для построения масс-спектра остаточного газа в вакуумной системе на абсциссе используется шкала массовых чисел? А что откладывается по ординате?

22.Какое противоречие имеется между процедурами повышения чувствительности и разрешающей способности в масс-спектрометрах?

23.Почему в электрофизике всем другим масс-спектрометрам предпочитают квадрупольные?

24.Куда попадают резонансные ионы в квадрупольном масс-спектрометре, а куда – нерезонансные?

25.Можно ли говорить о том, что каждый пик в масс-спектре соответствует какому-либо компоненту в ансамбле остаточных молекул? Свой ответ объясните.

26.Что такое «индивидуальный масс-спектр газа»?

27.Почему для высоковакуумных систем приблизительный вид масс-спектра и компоненты остаточного газа известны?

28.Почему коэффициенты чувствительности масс-спектрометра по разным газам очень близки

ккоэффициентам чувствительности по этим газам электронных ионизационных манометров?

237

4.3.Технологии высокого вакуума

4.3.1.Специфика метрологии в высоком вакууме

Помимо вопроса о выборе измеряемого параметра (давление, энергия, количество молекул или их концентрация) в высоковакуумных системах существенным является вопрос методики проведения измерений.

Обычно в любой вакуумной установке неоднородны сорбционные характеристики, характеристики газовыделения из стенок камер и расположенных в ней объектов, имеются квазиточечные газовые источники, генерирующие направленные молекулярные пучки, существуют неоднородности тепловых полей, поэтому при интерпретации результатов измерений необходимо учитывать анизотропию остаточного газа в вакуумных камерах электрофизических установок.

Чтобы осознать сложности метрологического обеспечения современных высоковакуумных систем, используемых в электрофизике, достаточно внимательно рассмотреть рис. 4.3.1.

© Fermilab

Рис. 4.3.1. Теватрон: протонный-антипротонный коллайдер в США317

Поражает не только масштаб современной электрофизической системы, но и ее объемная и пространственная насыщенность. Совершенно очевидно, что при решении физических проблем, для чего и создаются подобные установки, вакуумные проблемы на их фоне становятся очень незаметными (следует заметить, что это «судьба» всех субсистем).

Проведение вакуумных измерений в таких электрофизических установках, помимо отмеченных выше неоднородностей, осложняется существованием сильных помех со стороны электрических и магнитных полей установок, попаданием на преобразователи потоков различных излучений, большой длиной соединительных кабелей и т.п.

Таким образом, вторая особенность высоковакуумных измерений – необходимость выполнения ряда технологических требований. Среди них:

повышение помехоустойчивости преобразователей;

увеличение отношения «СигналШум »;

применение информационно-коммуникационных технологий.

Ввакуумной технике, особенно при измерениях в высоком вакууме, принято мириться с большими величинами погрешностей318, что ставит под сомнение возможность использование принятой в классической метрологии концепции точности измерений.

Вклассической метрологии погрешность измерения – оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

317 Американский коллайдер Теватрон Национальной лаборатории имени Энрико Ферми (Чикаго, штат Иллинойс, США), второй по энергии ускоритель частиц после Большого адронного коллайдера 30 сентября 2011 г. выключен навсегда после 28 лет работы, в связи с тем, что Большой адронный коллайдер в CERN гораздо лучше по своим показателям, дает гораздо больше информации, и «научной нужды» в Теватроне больше

нет. В Министерстве энергетики США считают его закрытие естественным эволюционным процессом. 318 Для рабочих средств измерения 30 % (вакуумметр ВИТ-2), 55 % (вакуумметр ВИ-14).

238

В ряде литературных источников термины «ошибка измерения» и «погрешность измерения» используются как синонимы, что не совсем правильно. На практике вместо истинного значения применяют действительное значение величины хд, то есть значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Такое значение, обычно, вычисляется как среднестатистическое, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным. При записи результатов измерений необходимо указывать точность их получения или погрешность измерений. Например, запись T = 2,8 ± 0,1 c (или ± 3,6 %) означает, что истинное значение величины T лежит в интервале от

2,7 до 2,9 с.

Поскольку выяснить с абсолютной точностью истинное значение любой величины, а особенно величины разрежения газа (давления), невозможно, то невозможно и указать точную величину отклонения измеренного значения от истинного. Вероятностную оценку этого отклонения принято называть ошибкой измерения и откладывать в виде полей значений на экспериментально полученных зависимостях.

Как правило, при измерениях в высоком вакууме бывает достаточным знание порядка разрежения газа. Погрешность + 50 % говорит о том, что, например, измеренное значение разрежения составляет не 4 · 10–5, а 6 · 10–5 Па. Для подавляющего большинства технологических процессов влияние такой ошибки на результаты процесса, требующего разрежения, пренебрежимо мало319. При откладывании полей значений на экспериментально полученных полулогарифмических зависимостях «результат – давление», используемых в вакуумной технике, эти поля оказываются практически незаметными.

С 2004 г. понятие «погрешность» стало устаревать320, вместо него вводится понятие «неопределённость измерений», что более приемлемо для вакуумной техники.

Известны три основных источника неопределенности при измерениях величины давления или молекулярной концентраций в вакуумной системе:

1)показания подавляющего большинства используемых манометров селективны, то есть зависят от рода газа. При проведении измерений в системах с неизвестным составом газа получается достаточно неопределенный результат;

2)из элементов конструкции манометра может неуправляемым образом выделяться газ, а при

работе происходит неконтролируемое поглощение газа электродами или стенками камеры манометра321. Принято считать, что выделение и поглощение газа – наиболее серьезный источник ошибок измерения, особенно в вакуумных системах электрофизических установок;

3)в процессе измерений возможны медленные изменения градуировочной характеристики манометра вследствие старения последнего или изменения состояния поверхностей его электродов.

Для снижения неопределенности результатов в вакуумной технике можно применить метод «перекрестных измерений», то есть использовать одновременно два манометра, работающих на различных физических принципах и измеряющих одно и то же давление.

В области сверхвысокого вакуума часто используется методика экстраполяции результатов измерений, полученных с помощью электронно-ионизационного манометра с линейной зависимостью показаний от давления или молекулярной концентрации.

Диапазон измеряемых величин в вакуумной технике широк и занимает более 16 порядков на шкале измерений. Еще не изобретены манометры, которые способны работать в таком широком диапазоне.

Поэтому современной тенденцией является объединение в одном устройстве двух манометров: манометра Пирани и манометра Пеннинга, обеспечивающих измерения давлений от атмосферных

319Для процессов, требующих чистых поверхностей, системная диагностика должна строиться на иных физических моделях, позволяющих использовать концепции классической метрологии.

320VII Международный научно-технический семинар «Неопределенность измерения: научные, прикладные, нормативные и методические аспекты» (UM-2010) 27 28 мая 2010 года, г. Харьков.

Рекомендации по межгосударственной стандартизации: РМГ 91-2009 ГСИ. Совместное использование понятий «погрешность измерения» и «неопределенность измерения». Общие принципы.

321Особенностью ионизационных методов измерения является откачивающее действие ионизационных преобразователей. Давление в преобразователе может отличаться от давления в системе, что особенно сильно

выражено у преобразователей закрытого типа. Быстрота действия магниторазрядных преобразователей, например, может достигать 1 л·с-1.

239

Рис. 4.3.2. Устройство PKR
251 Full Range Measuring System Vacuum Gauge про-
изводства компании The PumpWorks Inc. (США)
Устройство обеспечивает интеграцию рабочих характеристик манометра Пирани и манометра Пеннинга

(~105 Па) до высоковакуумных (~ 10–7 Па). Например, как это сделано в устройстве PKR 251 Full Range Measuring System Vacuum Gauge произ-

водства компании The PumpWorks Inc. (США), показанном на фотогра-

фии рис. 4.3.2.

Для высоковакуумных электрофизических установок следует провести более тщательное разграничение между понятиями «измерение» и «контроль вакуумных характеристик», которое определит не только требования к точности измерения, но и, в конечной стадии, стоимость измерений. Критерием для такого разграничения является цель измерений (см. раздел 3.2.).

Для контроля вакуума важной является величина относительной погрешности измерения, связанная, прежде всего со стабильностью вакуумных условий в изучаемой системе и с «уходом» градуировочных характеристик манометров, которыми производители манометров всегда снабжают продаваемые устройства.

В подавляющем большинстве случаев в электрофизике преоблада-

ет процесс мониторинга322 вакуумных характеристик над процессом измерений. При этом число контролирующих приборов достаточно велико (более 10) и обычно контроль проводится с помощью компьютеризованных информационно-измерительных систем, которым нередко поручаются и управляющие функции. Это обеспечивает непрерывный контроль за состоянием вакуумной системы с центрального пульта управления, выявление нарушений режима или неисправностей и информирование оператора о неисправных вакуумных постах.

Применение компьютеризированных систем для управления требует четкой согласованности работы всех элементов вакуумной системы, поэтому большое расхождение в показаниях приборов, установленных, например, на последовательных ступенях одного процесса откачки, может привести к существенному нарушению нормальной работы всей системы. Для электрофизических установок это особенно важно, так как обычно их вакуумные системы характеризуются распределенной откачкой протяженных малоапертурных вакуумных камер, а сами системы являются многокамерными.

Помимо проблемы повышения точности измерительных приборов, серьезной проблемой является их надежность, в первую очередь определяемая частотой отказов. В метрологии принято различать явные и скрытые отказы. Явный, легко фиксируемый, не представляет серьезной опасности, в то время как скрытый отказ, связанный с ухудшением точностных характеристик приборов и выходом погрешностей за пределы допуска (например, уход градуировочной характеристики манометра), может привести к серьезным неприятностям. В большинстве случаев скрытые отказы – постепенные (то есть выражаются в медленном ухудшении точностных характеристик) и не обнаруживающиеся ни компьютером, ни операторами. Следовательно, важным является вопрос проведения своевременных поверок используемых рабочих средств измерения.

Рис. 4.3.3. Современный блок питания и управления электронным ионизационным манометром (а) и его экран (б) (Vacuum Gauge Controller типа IGC100 производства компании Stanford Research Systems, Inc.

(США))

 

б

 

а

 

 

Современные блоки питания и управления вакуумных измерительных систем полностью компьютеризированы (web-ready), так что контролировать и управлять системой можно из любого места. Показанный на рис. 4.3.3 блок имеет управляемый прикосновениями экран (touchscreen display) и по своим потребительским характеристикам не уступает современным мобильным телефонам.

322 Мониторинг – процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах сложного объекта или деятельности для определения тенденций изменения параметров.

240