9. Приборы для измерения уровня вакуума.

Измерение уровня вакуума — это процесс определения давления газа или пара в вакуумной системе. Для этого используются вакуумметры, которые подбираются в зависимости от диапазона давлений и точности измерений.

Часто в качестве измеряемого параметра, характеризующего степень вакуума в системе, используют общее давление газа. Приборы для измерения вакуума можно разделить на две группы.

Манометры первой группы измеряют давление непосредственно как силу, с которой газ воздействует на единицу площади. В них используются такие явления, как упругая деформация мембраны или перепад уровней жидкости в двух сообщающихся трубках. Эти приборы измеряют давление независимо от состава газа. Не применимы для области высоко вакуума.

Приборы второй группы измеряют некие физические параметры газа, функциональная зависимость которых от его плотности хорошо известна, например, теплопроводность или степень ионизации.

Классификация вакуумметров по принципу действия

1. Механические вакуумметры

• Измеряют давление в области грубого вакуума (10^3 – 1 Торр).

• Принцип работы: давление газа деформирует механические элементы (пружины, мембраны).

• Примеры:

  • Манометр Бурдона: трубка изгибается под действием давления газа.

  • Мембранный манометр: мембрана прогибается под давлением газа.

2. Тепловые вакуумметры

• Применяются для измерения давления в диапазоне среднего и высокого вакуума (1 – 10^{-4} Торр).

• Принцип работы: измерение изменения теплопроводности газа.

• Примеры:

  • Термопарный вакуумметр: фиксирует нагревание нити за счёт теплопередачи.

  • Манометр Пирани: определяет изменение сопротивления нагретой проволоки при охлаждении газом.

3. Ионизационные вакуумметры

• Используются для измерения давления в области высокого и ультравысокого вакуума (10^{-4} – 10^{-12} Торр).

• Принцип работы: ионизация молекул газа и измерение тока ионов.

• Примеры:

  • Вакуумметр горячего катода: электронный поток ионизирует молекулы газа.

  • Вакуумметр холодного катода (Penning): используются высоковольтные разряды для ионизации газа.

4. Ёмкостные манометры

• Подходят для грубого и среднего вакуума (10^3 – 10^{-3} Торр).

• Принцип работы: изменение ёмкости между мембраной и электродом при деформации мембраны под давлением газа.

• Высокая точность и стабильность.

5. Оптические вакуумметры

• Используются для ультравысокого вакуума (<10^{-7} Торр).

• Принцип работы: анализ оптических эффектов, например, интенсивности свечения плазмы в разряде.

6. Сорбционные вакуумметры

• Применяются для ультравысокого вакуума.

• Принцип работы: изменение адсорбции газа на поверхности специального материала в зависимости от давления.

7. Абсолютные манометры

• Используются для эталонного измерения давления.

• Примеры:

  • Ртутные манометры: столб ртути реагирует на изменение давления.

  • Силовые манометры: измеряют давление путём определения силы, действующей на поршень или мембрану.

Выбор вакуумметра в зависимости от диапазона давления

Диапазон давления (Торр)	Тип вакуумметра
10^3 – 1	Механические, мембранные, ртутные манометры.
1 – 10^{-3}	Тепловые (Пирани, термопарные), ёмкостные.
10^{-3} – 10^{-7}	Ионизационные (горячего катода).
10^{-7} – 10^{-12}	Ионизационные (Penning, холодного катода).

Особенности измерения вакуума

1. Точность:

   • Зависит от типа вакуумметра и условий измерения.

   • Абсолютные манометры обеспечивают эталонную точность.

2. Калибровка:

   • Регулярная калибровка необходима для поддержания точности.

3. Комбинированные системы:

   • Для измерения в широком диапазоне давления используются системы, объединяющие несколько типов вакуумметров.

Применение вакуумметров

• Промышленность: контроль вакуума в упаковке, вакуумной металлургии.

• Наука: исследования в области физики и химии.

• Микроэлектроника: производство полупроводников.

• Космическая техника: создание вакуумных условий для испытаний.

1. Манометры для низкого и среднего вакуума (стр 316)

Простые U образные трубки, подсчёт давления. Манометры с диафрагмой.

2. Манометр Маклеода. (стр 319) используется закон Бойля-Мариотта.

3. Тепловые манометры (стр 320). При небольших давлениях, при которых средняя длина свободного пробега превышает расстояние между противоположными стенками камеры, передача тепла от горячего тела к холодному становится пропорциональной давлению газа.

Обычно эти манометры содержат в себе одну или более нагреваемых электрическим током нитей, температура которых определяется балансом выделяемой энергии и потерь тепла за счёт передачи его окружающим стенкам. Температура нити как индикатор давления газа может измеряться либо непосредственно с помощью термопары, либо косвенно, путём измерения сопротивления нити (Манометры сопротивления типа Пирани)

Терморезистивные вакуумметры (манометр Пирани) – принцип работы вакуумметра Пирани основан на том, что теплоотдача металлов убывает с уменьшением давления, а сопротивление металлов увеличивается, прямо пропорционально температуре.

Термопарные манометрические лампы – зависимость теплоотдачи от давления. При увеличении теплопроводности газа с давлением ЭДС, создаваемая термопарой, соответственно уменьшается. Эта зависимость-нелинейна, но величина давления может быть получена непосредственно из показаний предварительно откалиброванного амперметра с подвижной рамкой.

4. Манометры для высокого и сверхвысокого вакуума. Все измерения давления ниже 10^-3 мм. рт. ст. основаны на явлении ионизации остаточных газов.

Инжекция электронов с энергиями, превышающими потенциал ионизации газа, т.е. свыше 50 эВ. (стр.323)

Ионизационные лампы – зависимость ионизационного тока от уровня вакуума.

ИЛ с термокатодом. (стр 324) Работа этих манометров основана на ионизации молекул остаточных газов электронами, летящими от накалённого катода, а мерой давления служит ионный ток, измеряемый при постоянстве тока эмиссии катода.

ИЛ с ненакаливаемым катодом. (стр 328) Ионизация происходит в тлеющем разряде, ток положительных ионов которого и контролируется.

ИЛ представляет собой стеклянную колбу 7 с трубкой 8 для присоединения к вакуумной системе и тремя впаянными в неё электродами: катодом 1, анодом 2 и коллектором ионов 3 в виде охватывающего цилиндра, имеющего по отношению к катоду отрицательный потенциал; 4, 5 и 6 - выводы соответственно катода, анода и коллектора.