методичні вказівки до лабораторних робіт
з дисципліни “Метрологія ”
для студентів спеціальності 8.090801
“Мікроелектроніка і напівпровідникові прилади”
денної і заочної форм навчання
Вимірювання тиску та вакууму
1 Поняття про вакуум
Тиск газу Р у системі визначається кількістю частинок n в одиничному об’ємі та їх середньою швидкістю U:
.
(1.1)
Зменшення концентрації молекул веде до зниження тиску в системі. Стан газу в обмеженому об’ємі при сталому тиску, який є нижчим за атмосферний, має назву вакуум.
Відповідно ГОСТу 5297-70 визначають чотири стани розрідженого газу:
- низький вакуум − область тиску, вища за 100 Н/м2 (вища за 1 Тор, при якому середня довжина вільного пробігу значно менша за лінійні розміри, які важливі для даного процесу, наприклад лінійні розміри відкачаного об’єму: λ<<d);
- середній вакуум – область тиску від 100 до 10-1 Н/м2 (при якому середня довжина вільного пробігу сумісна з лінійними розмірами важливими для даного процесу: λ ~d);
- високий вакуум – область тиску від 10-1 до 10-5 Н/м2 (середня довжина вільного пробігу значно вища за лінійні розміри, які важливі для даного процесу);
- надвисокий вакуум – область тиску нижча за 10-5 Н\м2 ( при якому не відбувається помітного змінювання властивості поверхні, що початково була вільною від адсорбованого газу, за значний для діючого процесу час).
Визначаючи стан розрідженого газу за допомогою довжини вільного пробігу молекул треба мати на увазі, що вона визначається концентрацією молекул та їх ефективним перерізом σ:
,
(1.2)
і тоді з урахуванням (1.1) можна записати:
.
(1.3)
Цей вираз встановлює прямий зв’язок між тиском газу та довжиною вільного пробігу його молекул. Для прикладу в таблиці 1.1 є значення середньої довжини вільного пробігу молекул повітря при різних значеннях тиску при 200С .
Таблиця 1.1- Середня довжина вільного пробігу молекул при різних значеннях тиску
Тиск Р, Тор |
760 |
101 |
10 |
10-2 |
10-4 |
10-6 |
Середня довжина вільного пробігу молекули, м |
6,2·10-6 |
5·10-5 |
5·10-3 |
0,5 |
50 |
5·103 |
2.Вимірювання вакууму
Для виміру вакууму залежно від ступеня розрідження можна користуватися манометрами наступних видів:
-U-подібний;
-компресійний;
-тепловий;
-іонізаційний;
2.1. U-подібний манометр
Ці манометри являють собою скляні трубки, зігнуті у вигляді літери U та заповнені рідиною (частіше - ртуттю). Один кінець трубки є запаяним.Перед початком вимірювань запаяне коліно заповнюється ртуттю, а відкрите - з'єднується з посудом, у якому треба виміряти тиск. У процесі відкачування по мірі змінювання тиску ртуть у відкритому коліні піднімається. Установлена різниця рівнів h дорівнює різниці тиску в обох колінах, яка має бути виміряна у відповідних одиницях довжини ртутного стовпа (наприклад, у мм. рт. ст. або Тор):
h=P1-P2 , (2.1)
де P-тиск пари ртуті.
Подібними манометрами можна вимірювати тиск до 10-1Тор. При цьому відкрите коліно у тій своїй частині, яка відповідає тиску близько десятих долей Тор, виконується з малим нахилом до горизонту. Якщо P1<<P2, можна приблизно рахувати:
P=h. (2.2)