Методы измерения вакуума

Способы измерения вакуума являются самостоятельным разделом вакуумной электроники, поскольку необходимо измерять давления в диапазоне ниже атмосферного от 760 до 10″ ¹³ мм рт. ст. (10*—10'" Па). Универсального метода измерений, охватывающего этот диапазон давлений, не существует. Поэтому исследуются различные физические явления и эффекты, на основе которых и разрабатываются методы измерений вакуума.

Гидростатические (/-образные вакуумметры относятся к абсолютным манометрам, позволяющим непосредственно измерять давление. Конструкция жидкостных манометров представляет собой (/-образную трубку с сообщающимися коленами, которые заполнены ртутью или вакуумным маслом с низким значением упругости пара. Процесс измерения давления сводится к измерению разности уровней жидкости в коленах, одно из которых соединено с измеряемым объемом. Диапазон измеряемых давлений лежит в пределах 760—10″ ² мм рт. ст.

В деформационном вакуумметре давление измеряется по деформации упругого датчика типа мембраны или сильфона. Опорным давлением служит атмосферное давление.

К абсолютным вакуумметрам относятся компрессионный тип, например манометр МакЛеода, использующий закон Бойля-Мариоттару = const.

Все остальные типы вакуумметров относятся к относительным манометрам_у в которых измеряются физические параметры в зависимости от давления, и в дальнейшем градуируются по абсолютным образцовым вакуумметрам.

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Передача тепла происходит от нагреваемой электрическим током тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Уравнение теплового баланса такого прибора можно представить в следующем виде:

где !_н — ток, проходящий через нить; R — сопротивление нити; Е_Ку Е_]у Е_И, Е_м— соответствующие значения потерь тепла за счет конвекции, теплопроводности газа, излучения нити и теплопроводности материала нити.

Конвективным теплообменом в области среднего и высокого вакуума можно пренебречь, т. е. Е_к «0.

Потери тепла за счет теплопроводности через газовый промежуток где До — коэффициент теплопроводности газа, А — сечение нити.

В области высокого вакуума коэффициент теплопроводности пропорционален давлению газа.

где К г— коэффициент пропорциональности.

Потери тепла излучением и конвективным теплообменом:

/

здесь А— площадь поверхности нити; К_И— коэффициент излучения материала нити; Ти и Т_к— соответственно температуры нити и баллона.

Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразователя,.

где X — коэффициент теплопроводности материала нити, Л, — сечение нити.

Тогда измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений (2.22), (2.23) и (2.24) можно записать так:

Более точное измерение давления может быть достигнуто при условии, чтобы Е, составляло значительную долю от E_tl + Е_м> т. е. чтобы сумма Е_и + ?_Л/ была существенно меньше мощности l²_HR, выделяющейся в нити манометра. Это условие определяет нижний предел измерений вакуума тепловым преобразователем.

Из уравнения (2.25) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала /// и температуры нити Т_н.

Существует два метода работы тепловых манометров: в режимах постоянной температуры нити и постоянного тока накала. Градуировочные кривые теплового манометра показаны на рис. 2.7 для обоих методов работы. Они представляют собой в средней части параболу и гиперболу. Концы градуировочных кривых у верхнего и нижнего пределов измерения уже не описываются уравнением (2.25) и переходят в линии, параллельные оси давления.

Рис. 2.7. Градуировочные кривые теплового преобразователя: а — при постоянном токе накала: б — при постоянной температуре нити.

Для увеличения верхнего предела измерений тепловым преобразователем следует уменьшать его габариты, вследствие чего увеличивается отношение L/d и сдвигается граница низкого вакуума в сторону более высоких давлений. Зависимость коэффициента конвективного теплообмена от давления используется для измерения давлений в области низкого вакуума. Недостатком этого способа является зависимость показания прибора от его положения в пространстве.

Нижний предел измерения тепловых преобразователей можно оптимизировать путем уменьшения доли Ец + Ем в сумме тепловых потерь нити. Этого можно достичь понижением температуры нити и уменьшением диаметра вводов, соединяющих нить с баллоном.

Показания тепловых преобразователей определяются соотношением (2.24) и зависят от рода газа. Преобразователь будет давать одинаковые показания при выполнении следующих условий:

Выпускаемые промышленностью приборы проградуированы по сухому воздуху. Если необходимо измерить давление других газов, то нужно учитывать относительную чувствительность прибора к данному газу.

где р_н и Ктн— давление и коэффициент теплопроводности воздуха; д, = К_тя/К_ь — коэффициент относительной чувствительности теплового преобразователя к данному газу. Если преобразователь измеряет давление смеси газов, то его показания будут выражены в воздушном эквиваленте р_н:

Для воздуха сумма в (2.27) равна p_MK_/t а коэффициент относительной чувствительности теплового преобразования к данному газу примет вид q, = К_Гв / Кн-

Так как из определения относительной чувствительности следует, что р_н = p^/q_tM. Тогда можно записать:

Разделив обе части уравнения на р^, получим.

где У…У«— объемные концентрации соответствующих газов, причем /У, = 1 .

г-1.

Таким образом, коэффициент относительной чувствительности для смеси газов определяется по формуле

Тепловые преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.

В термопарном преобразователе (рис. 2.8, а) температура нити / измеряется термопарой 2. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне 3, имеющем патрубок для подключения к вакуумной системе. Термо-ЭДС термопары измеряется милливольтметром. ток накала нити регулируется реостатом и измеряется миллиамперметром.

В преобразователе сопротивления для измерения температуры используется зависимость сопротивления нити от температуры. Он включается в мостовую схему (рис. 2.8, б). Ток накала нити измеряется миллиамперметром, включенным в то же самое плечо моста, что и преобразователь, а температура нити — по току гальванометра в измерительной диагонали моста. Ток накала регулируется реостатом.

Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, так и в режиме постоянной температуры нити.

Рис. 2.8. Схемы тепловых преобразователей: а — термопарного; б — преобразователя сопротивления. 1 — нить накала; 2 — термопара; 3 — баллон Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в вакуумной системе, а также 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 измеряемых рабочих давлений лежит в пределах 10²—КГ* мм рт. ст. (5×10*—10″ ' Па).

В основе принципа действия электронных ионизационных вакуумметров лежит прямая зависимость между давлением остаточных газов и ионным током, образовавшимся в результате ионизации молекул газа термоэлектронами.

Существует две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором, реализованных на базе триодной конструкции.

Рис. 2.9. Схемы электронных преобразователей: а — с внутренним коллектором; б — с внешним коллектором.

Схема с внутренним коллектором (рис. 2.9, а) аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подается отрицательное напряжение величиной в несколько десятков вольт. На анод подается соответственно положительное напряжение 100—200 В. Электроны на пути от катода к аноду (ток /_е) соударяются с молекулами остаточных газов и ионизируют их. Образовавшиеся положительные ионы попадают на сетку, создавая ионный ток I,_h измеряемый гальванометром.

В схеме с внешним коллектором (рис. 2.9, б) потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то, что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления.

Для электронного преобразователя справедливо уравнение.

где dN— число положительных ионов; п— число электронов; dr— элементарная длина траектории электронов; е — эффективность ионизации, равная количеству положительных ионов, образуемых одним электроном на единице пути при единичном давлении.

Если ввести в уравнение (2.29) электронный ток /, = n/t, то получим.

Интегрируя это уравнение по всей длине траектории электрона с энергией, большей потенциала ионизации, получим выражение для ионного тока которое перепишем в виде

где К_и = Je-dr — чувствительность электронного вакуумметра, г, и г₂— пределы ин;

л тегрирования, определяемые геометрией манометра.

Выражение (2.30) называется уравнением электронного преобразователя. Для того чтобы измеряемый ионный ток был пропорционален давлению, необходимо во время измерения поддерживать постоянное значение электронного тока. Тогда а-!_вКц— постоянная электронного манометра, которая равна тангенсу угла наклона градуировочной кривой 1ц (р) к оси давления.

Конструкция электронного преобразователя с внешним коллектором представлена на рис. 2.10, а. Коллектор ионов / имеет форму цилиндра с электрическим вводом в верхней части баллона, сетка 2— форму двойной спирали с двумя выводами для обезгаживания путем пропускания электрического тока. Катод 3 изготовлен из вольфрама. Постоянная а при токе эмиссии 5 мА для типового преобразователя составляет примерно 10'³А/Па. Пределы давлений, которые могут быть измерены таким манометрическим преобразователем, составляют I0'¹—IO'¹⁰ мм рт. ст. (1—10″ ⁵ Па).

Верхний предел измерения типового электронного преобразователя составляет примерно 1 Па и соответствует нарушению линейности градуировочной характеристики, когда средняя длина свободного пробега электрона в объеме прибора становится меньше величины пробега электрона между электродами. Для расширения верхнего предела можно уменьшить расстояние между электродами. Чтобы катод не сгорел при таких высоких давлениях, его изготовляют из оксидов редкоземельных металлов.

Рис. 2.10. Конструктивные схемы электронных преобразователей: а — с внешним коллектором; б — с осевым коллектором; в — с магнитным полем.

Нижний предел измерения определяется фоновыми токами в цепи коллектора, возникающими из-за эмиссии фотоэлектронов в результате мягкого рентгеновского излучения анодной сетки и ультрафиолетового излучения накаленного катода. Рентгеновское излучение анодной сетки является результатом ее бомбардировки электронами. Автоэлектронная эмиссия коллектора появляется под действием разности потенциалов 200—300 В между коллектором и анодной сеткой и вносит дополнительную составляющую в фоновый ток.

Фоновые электронные токи имеют одинаковое направление с ионным током и поэтому оказывают одинаковое воздействие на измерительные приборы. Максимальным фоновым током является ток рентгеновского излучения, пропорциональный эмиссионному току:

где Kg— коэффициент пропорциональности.

С учетом фоновых токов рентгеновского излучения уравнение электронного преобразователя можно записать в следующем виде:

а нижний предел измерения определить соотношением ионного и фонового токов:

Таким образом, для расширения нижнего предела измерения с помощью электронного вакуумметра нужно при постоянном давлении р увеличить коэффициент К_и или уменьшить К$.

Для уменьшения фоновых токов и, следовательно, постоянной K_s был предложен преобразователь с осевым коллектором (рис. 2.10, б), в котором катод и коллектор поменялись местами. Это значительно уменьшило телесный угол, в котором рентгеновское излучение сетки попадает на коллектор. Это привело к уменьшению K_s приблизительно в 1000 раз по сравнению с конструкцией, приведенной на рис. 2.10, о, и расширило нижний предел измерения давления до Ю"¹⁰ мм рт. ст. (10~⁸ Па).

Чувствительность К_и можно увеличить, если поместить преобразователь в магнитное поле (рис. 2.10, в). Электроны от катода к аноду в этом случае движутся по спирали. В электронном преобразователе с магнитным полем, создаваемым катушкой 2 и направленным параллельно оси анода J, катод 4 — термоэлектронный, а коллектор / расположен в верхней части баллона. За счет увеличения чувствительности такой преобразователь имеет нижний предел на 2—3 порядка ниже, чем конструкция преобразователя, показанная на рис. 2.10, а.

Электронный преобразователь имеет неодинаковую чувствительность к различным газам, т. к. эффективность ионизации зависит от рода газа.

Если преобразователь проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, то необходимо учитывать относительную чувствительность R. Из условия равенства ионных токов запишем.

откуда где R, = KjKff — относительная чувствительность к данному газу. При измерении давления смеси газов из условия равенства ионных токов имеем.

Поделив полученное уравнение на К_н, получим.

откуда Заметные ошибки измерения возникают в случае, если скорость откачки электронных преобразователей в конструкциях преобразователей, присоединяемых через трубку с малой проводимостью, составляет КГ¹—10'¹ л/с.

Дополнительные источники погрешности измерения связаны с химическим взаимодействием газов с накаленным катодом и ионной десорбцией под воздействием электронной бомбардировки газов, химически поглощенных анодом.

Принцип действия магнитных преобразователей для измерения вакуума основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Ячейка Пеннинга (рис. 2.11, а) состоит из двух дисковых катодов / и цилиндрического анода 2, в магнетронном преобразователе (рис. 2.11,6) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 2.11, в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.

Рис. 2.11. Электродные системы магнитных преобразователей: а — ячейка Пеннинга: б— магнетронная; в— инверсно-магнетронная Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подается положительное относительно катода напряжение 2—6 кВ, при этом катод заземлен и соединяется с входом усилителя постоянного тока.

В ячейке Пеннинга элеюроны движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами.

В конструкциях, показанных на рис. 2.11, а, б, эмитированные электроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях. Траектория их движения описывается уравнением циклоиды, образованной окружностью диаметром D-2mFKqB²^ катящейся по окружности радиуса г с угловой частотой вращения <�о = qB/m и тангенциальной скоростью v_r = E/B, где Е— напряженность электрического поля; В— магнитная индукция; т и q — масса и заряд электрона.

Магнитная индукция В выбирается больше критического значения, соответствующего равенству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой движется электрон, и составляющего в современных приборах примерно 0,1 Тл.

При соударении с молекулой остаточного газа электрон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном направлении к аноду. В связи с тем, что радиальная скорость электронов значительно меньше, чем тангенциальная, при низких давлениях в разрядном промежутке образуется отрицательный объемный заряд.

Положительные ионы, образовавшиеся в результате столкновения с электронами, движутся к катоду. Так как их масса значительно больше, чем у электрона, то магнитное поле практически не влияет на траекторию движения ионов. Соударение положительных ионов с катодом приводит к появлению вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному току.

Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя.

где !_ф — фоновый ток автоэлектронной эмиссии; !_н — ионный ток; 1_Н — ток вторичной электронной эмиссии.

Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления и потому может считаться фоновым током; ионный и ток вторичной электронной эмиссии зависят от давления:

где, а = 10″ ²…10^_| A/Па и п = 1… 1,4 — постоянные.

Учитывая эту зависимость и пренебрегая фоновом током, получим измерительное уравнение магнитного преобразователя

здесь К_и — ар" ~¹ — чувствительность прибора. Разрядный ток магнитного преобразователя нелинейно зависит от давления.

Верхний предел измерения связан с ограничением максимального разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим измерительный прибор от возникновения дугового разряда. Для расширения верхнего предела измерения следует уменьшить анодное напряжение и размеры разрядного промежутка. Обычно верхний предел измерения находится в области давлений 10—100 Па.

Нижний предел измерения определяется временем зажигания разряда и значением фонового тока. В современных приборах он составляет 10″" Па. Для уменьшения фонового тока применяются специальные экраны 3 (рис. 2.12), расположенные в промежутке между катодом 2 и анодом /, где напряженность электрического поля максимальна. Большая часть фонового тока в этом случае переходит на корпус, минуя микроамперметр, которым измеряется разрядный ток.

Рис. 2.12. Схема магнетронного преобразователя с уменьшенными фоновыми токами.

Для обеспечения зажигания разряда при низких давлениях необходимо повышать анодное напряжение и увеличивать размеры разрядного промежутка.

Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме на экранных пластинах устанавливают острые иголки, увеличивающие автоэлектронную эмиссию. Наиболее надежным способом обеспечения быстрого зажигания разряда является использование нагреваемых элементов, включение которых приводит к резкому повышению давления и термоэмиссии электронов.

При применении сильных магнитных полей (В> 0,1 Тл) значение постоянной п в формуле, описывающей чувствительность прибора, стремится к единице. При этом диапазон работы прибора расширяется как в области низких, так и высоких давлений.

Магнитные преобразователи, так же как и электронные, имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Быстрота откачки колеблется для различных преобразователей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10″ ² до 1 л/с, что значительно больше, чем для электронных. Это приводит к увеличению погрешности измерений при наличии вакуумного сопротивления между преобразователем и вакуумной камерой.

Преимуществом магнитного преобразователя перед электронным является более высокая надежность в работе в связи с заменой накаленного катода холодным. К недостаткам можно отнести нестабильность, связанную с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.

Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразователя в вакуумных системах, где в качестве покрытий поверхности электродов используются масляные диэлектрические пленки. Продукты разложения паров масел, возникающие при ионной бомбардировке, могут в несколько раз изменить постоянную преобразователя. Во избежание этого необходимо применять самоочищающиеся магнитные преобразователи, работающие на переменном токе. В таких преобразователях катод и анод меняются местами в соответствии с полупериодами питающего напряжения, а очистка их поверхностей осуществляется ионной бомбардировкой.

На рис. 2.13 систематизированы методы измерения давления остаточных газов и диапазоны измерения. Штриховой линией обозначены предельные давления.

Современная вакуумная техника позволяет получать и измерять давления в 10¹* раз меньше атмосферного, но даже такое состояние газа еще нельзя назвать идеальным вакуумом, поскольку в 1 м³ такого вакуума содержатся сотни молекул газа. Идеальный вакуум как среда, в которой могут распространяться гравитационное, электромагнитное и другие поля, до сих пор является предметом тщательного исследования современной теоретической физики.

Рис. 2.13. Диапазоны измерения давления вакуумметрами различных типов.

В квантовой теории поля введено такое понятие как физический вакуум. Это низшее энергетическое состояние квантовых полей, которое характеризуется отсутствием реальных частиц.

Джеймс Кларк Максвелл был одним из первых, кто исследовал вакуум. Он создал его физическую модель и на ее основе получил уравнения электромагнитного поля, известные как уравнения Максвелла. Автор рассматривал их как описание свойств вакуума. Согласно модели Максвелла вакуум представляет собой пространство, заполненное «молекулярными вихрями». Вращательное движение между вихрями перелается через очень малые частицы, находящиеся между вихрями. В результате каждый вихрь заставляет вращаться соседние вихри. Сегодня такие вихри отождествляют с соли тонами… Но это уже не относится к вакуумной электронике, поэтому тонкости этого вопроса отложим на конец книги.