1.2 Обзор технической литературы

Область давлений, используемая в современной вакуумной технике, 10⁵... 10^-12Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне не может быть обеспечено одним прибором. В практике изменения давления разреженных газов применяются различные группы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.

Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, отдавления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.

К деформационным преобразователям относятся трубчатые и мембранные преобразователи. Трубка Бурдона – деформационный манометр в виде спиральной трубки, скручивающейся под действием атмосферного давления в случае откачки внутренней полости за счёт разных радиусов кривизны, а следовательно, и площадей наружной и внутренней поверхности трубки. Манометр измеряет давление в пределах 10⁵…10³ Па. Деформационные мембранные преобразователи различаются в зависимости от способа регистрации перемещения мембраны и метода измерения. Диапазон измерения мембранных преобразователей 10⁵…10^-1Па. Но так как линейность показаний сохраняется только при небольших деформациях мембраны, то один прибор может измерять давление, лежащие в пределах 2…3 порядков.

Простейшими гидростатическими преобразователями являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Измеряемая этими манометрами разность давлений р и р_ср уравновешивается весом столба жидкости высотойh: (р_ср- р)=ρgh; где g – ускорение свободного падения; ρ- плотность жидкости.

Манометры с открытым коленом удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления. Манометры с закрытым коленом позволяют измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе. В этом случае показание прибора не зависят от атмосферного давления. Пределы измерения ртутных манометров - 10⁵…10³, а масляных – 10⁵…10⁰Па. Погрешность при отсчёте уровняh может быть доведена до 0.1 мм.

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разрежённый газ от давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящегося при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путём пропускания электрического тока. Преимуществом тепловых преобразователей есть то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в вакуумной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Инерционность показаний, связанная с тепловой инерцией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях. Тепловые преобразователи как приборы для относительных измерений давления обычно градуируются по компрессионному манометру. Диапазон рабочих давлений 5∙10³…10^-1Па.

Принцип действия электронных преобразователей основан на пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Существует две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором. Схема с внутренним коллектором аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подаётся отрицательное напряжение в несколько десятков вольт, а на анод − положительное напряжение 100−200 В. Электроны на пути от катода к аноду соударяются с молекулами остаточных газов, и образовавшиеся положительны е ионы попадают на сетку, создавая ионный ток,измеряемый гальванометром. В схеме с внешним коллектором потенциалы сетки и катода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг её витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, не смотря на то что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления. В различных конструктивных схемах разные пределы измерений. При использовании некоторых конструкций нижний предел измерений составляет 10^-8Па.

Принцип действия магнитных преобразователей основана зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещённых магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов. Магнитные преобразователи, также как и электронные, имеют не одинаковую чувствительность к различным газам. Преимуществом магнитного преобразователя перед электронным является более высокая надёжность в работе в связи с заменой накалённого катода холодным, а недостатком – нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов. Верхний предел измерения магнитных преобразователей находится в области давлений 10…100 Па. Нижний предел измерения определяется временем зажигания разряда и значением фонового тока. В современных приборах он составляет 10^-11Па.

В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа используется α- и β- излучение радиоактивных изотопов: ²²⁶Ra,²³⁹Pu,²³⁸Pu,³Hи т. д. Особенно эффективно использование α – излучения. Энергия α – частиц (двухзарядных положительных ионов гелия), возникающих при радиоактивном распаде, составляет (4.5…5.5) ∙ 10⁶эВ. В связи с этим в радиоизотопных преобразователях не требуется накалённого катода и высокого напряжения, как в электронных и магнитных преобразователях. Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью радиоактивного распада от температуры окружающей среды и физико-химического воздействия находящихся в преобразователе газов. Благодаря этим свойствам и неограниченному сроку службы радиоизотопный преобразователь с точки зрения метрологии является одним из лучших приборов для измерения вакуума. Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей составляет 10⁵…10^-2Па., но обычно это не удаётся реализовать в одном приборе.

Преобразователи для косвенных измерений давления, показания которых не могут быть рассчитаны с необходимой для практики точностью, градуируются путём сличения их показаний с показаниями образцовых приборов: механических преобразователей и компрессионных манометров. К таким преобразователям относятся тепловые, электронные, магниторазрядные и радиоизотопные.

Измерители парциальных давлений.

Измерители парциальных давлений, как и измерители общих давлений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых парциальных давлении, чувствительностью, а также свойственным только им параметрам – разрешающей способностью. Под разрешающей способностью подразумевается отношение М_е к наименьшему различаемому изменению массового числа ∆М_е: ρм= М_е /∆М_е .В зависимости от типа прибора во всем диапазоне изменения массовых чисел могут оставаться постоянными значения рм, М_е/рм или М_ерм. Экспериментально разрешающую способность определяют по масс-спектру. Ширина пика ∆М_е измеряется на уровне 10 или 50% высоты пика. Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоящее время проводят двумя методами: ионизационным и сорбционным.

Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы иона к заряду. Можно одновременно или поочередно измерять составляющие ионного тока, соответствующие пар-циальным давлениям различных газов, присутствующих в вакуумной системе. Для разделения ионного тока на составляющие используется различие скоростей движения ионов различных газов, прошедших одинаковую разность потенциалов,

т. е. обладающих одинаковойэнергией. В большинстве случаев при ионизации газов медленными электронами образуются ионы, имеющие один элементарный положительный заряд,вследствие чего (с приемлемой для большинства измерений точностью) можно считать, что скорости ионов в электрическом поле обратно пропорциональны корню из молекулярной массы газа. Чувствительность ионизационных газоанализаторов определяется как отношение изменения ионного тока в цепи коллектора к вызывающему его изменению парциального давления газа, выражается в А/Па и зависит от рода газа.

Верхний предел измеряемых давлений определяется отклонением от линейной зависимости между ионным током и соответствующим ему парциальным давлением вследствие рассеивания ионов в анализаторе. Предельно допустимое значение такого отклонения—10%. Максимальные рабочие давления обычно не превышают 10^-3... 10^-2 Па. При более высоких давлениях для анализа газов требуются расширительные устройства или вспомогатель­ная вакуумная система, обеспечивающие снижение плотности ана­лизируемой газовой смеси без изменения процентного состава ее компонентов.

Нижним пределом измеряемых парциальных давлений считает­ся минимальное абсолютное давление, измеряемое прибором. От­носительное парциальное давление газов, которое может быть оп­ределено при данном отношении сигнал/шум, называют порогомчувствительности. За начало регистрации можно принимать сигнал, вдвое превышающий шум.

В зависимости от характера используемых электрических и магнитных полей ионизационные методы измерения парциальных давлений можно классифицировать на статические и динамиче­ские. В статических методах используются постоянные, а в дина­мических— переменные электромагнитные поля.

К ионизационным статическим газоанализаторам относятся магнитный и панорамный, а к динамическим — омегатронный, времяпролетный, квадрупольный и монополярный фильтры масс. Раз­решающая способность промышленных приборов находится в пре­делах 40...200 а.е.м.

Сорбционный метод измерения парциальных давлений исполь­зует анализ адсорбированных газов. В термодесорбционном методе — из-за различных теплот адсорбции остаточных газов нагревание поверхности по определен­ному временному закону сопровождается последовательной де­сорбцией компонентов газовой смеси. Ожеспектрометрия — метод анализа веществ на поверхности твердого тела по характерным энергиям электронов, эмиттируемым при внутриатомном переходе между энергетическими уровнями. По составу веществ на поверхности можно определить состав хорошо адсорбирующихся веществ в га­зовой фазе.