Измерение вакуума

Плотность газа можно также описать молекулярной плотностью газа (количеством молекул газа в единице объема) n. Для молекулы идеального газа, находящейся в идеальном равновесии, P=nkT, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура. Прибор для измерения степени вакуума называется вакуумметром, а чувствительный к давлению элемент вакуумметра — измерительной головкой. Некоторые вакуумметры могут напрямую измерять общее давление газа. Хотя некоторые вакуумметры также дают показания давления, фактическим измерением является молекулярная плотность газа, а результаты измерения связаны с температурой окружающей среды. Когда в контейнере одновременно находится несколько компонентов газа, общее давление газа в контейнере равно сумме парциальных давлений каждого газа. Методы измерения полного давления можно разделить на два типа: прямой метод и косвенный метод. Прямой метод использует принципы разности столбов жидкости и механической деформации для непосредственного измерения давления, включая манометры уровня жидкости, компрессионные вакуумметры и вакуумметры с упругими элементами. По физическим величинам, измеренным первыми двумя приборами, можно рассчитать значение давления, которое принадлежит абсолютному вакуумметру. Косвенный метод использует некоторые физические свойства газа (такие как теплопроводность, вязкость, эффекты ионизации и светорассеяния и т. д.) для измерения давления, включая теплопроводный вакуумметр, вязкостный вакуумметр и ионизационный вакуумметр. Подавляющее большинство вакуумметров, используемых в вакуумной технике, используют непрямой метод, и эти вакуумметры должны быть откалиброваны с помощью абсолютных вакуумметров или других методов. Для вакуумметра, измеренного косвенным методом, из-за различных физических свойств разных типов газов даже при одном и том же давлении показания давления меняются в зависимости от газа, поэтому его следует калибровать с соответствующим газом. Когда измеряемый газ не является однокомпонентным, значение этих показаний вакуумметра более сложное. Поскольку газ, используемый при общей калибровке вакуумметров, представляет собой чистый азот, показания этих вакуумметров в совокупности называются эквивалентным давлением азота до корректировки по типу газа. Когда измеряемое пространство содержит различные компоненты газа, только измерение парциального давления может точно отразить состояние вакуума и общее давление в контейнере.

Общие вакуумметры

1. Вакуумметр теплопроводности

Давление газа измеряется по принципу изменения теплопроводности газа при различных давлениях. В этом типе вакуумметра через головку датчика, снабженную нагревательной проволокой, проходит определенный ток нагрева, а температура горячей проволоки определяется балансом между нагревом и рассеиванием тепла. Способность рассеивать тепло зависит от давления газа, поэтому температура горячей проволоки зависит от давления. Если для измерения температуры нагретой проволоки используется дополнительная термопара, то эта измерительная головка называется термопарным датчиком; если значение сопротивления самой горячей проволоки используется для отражения температуры, это называется датчиком сопротивления или датчиком Пирани. Теплопроводность газа изменяется только с давлением при низком давлении (P<100 Па), а теплопроводность газа не является основным методом отвода тепла, когда оно составляет всего 10-1 Па. Поэтому вакуумметр теплопроводности в основном используется в диапазон 100-10-1 Па. Специальные меры позволяют расширить диапазон измерения. Показания теплопроводного вакуумметра связаны не только с типом газа, но также легко зависят от таких факторов, как поверхностное загрязнение нагревательной проволоки, температура окружающей среды и т. д., поэтому точность не высока, и это только используется для грубой индикации вакуума.

2. Вакуумметр Пирани

Его принцип работы: разная степень вакуума, разное количество молекул воздуха на единицу объема, разная способность нагревательной проволоки отводить тепло (мощность рассеивания тепла) и разная температура резистивной проволоки. , потому что удельное сопротивление провода сопротивления - это температура. Поэтому разная степень вакуума вызывает разное удельное сопротивление, тогда разное сопротивление и разное падение напряжения тока на проводе сопротивления. По изменению напряжения можно преобразовать давление воздуха, то есть измерить степень вакуума. Настоящий вакуумметр Пирани обычно выполнен в виде моста с четырьмя плечами, и последовательно с ним имеется резистивная проволока для температурной компенсации.

3. Емкостный пленочный вакуумметр

Это вакуумметр с эластичным элементом, а эластичная пленка делит регулирующую вакуумную камеру на две небольшие камеры, а именно камеру эталонного давления и камеру измерения. При измерении низкого давления (P<100Pa) эталонная камера вакуумируется до высокого вакуума, и ее давление приблизительно равно нулю. Когда давление в измерительной камере различно, степень деформации мембраны также различна. В измерительной камере находится неподвижный электрод, образующий с мембраной конденсатор. Когда пленка деформируется, значение емкости изменяется соответственно, и изменение емкости можно измерить с помощью емкостного моста, чтобы определить соответствующее значение давления. Чтобы предотвратить сползание пленки, для измерения обычно используется метод нулевого положения, то есть между неподвижным электродом и пленкой прикладывается постоянное напряжение, а электростатическая сила используется для компенсации напряжения, создаваемого давлением. разница пленки, чтобы держать диафрагму в нулевом положении. Емкостный пленочный вакуумметр может напрямую измерять давление газа или пара. Измеренное значение не имеет ничего общего с типом газа, структура прочная и выдерживает запекание. Если для разных диапазонов давления используются разные измерительные головки, можно получить более высокую точность. Емкостные пленочные вакуумметры могут использоваться для контроля газа высокой чистоты, точного измерения низкого вакуума и контроля давления, а также могут использоваться в качестве вторичного эталона для измерения низкого вакуума.

4. Ионизационный вакуумметр

Сокращенно ионометр, он использует принцип ионизации газа для измерения давления. Ионизационные вакуумметры делятся на две категории: с горячим катодом и с холодным катодом. Обычно в измерительной головке вакуумметра с ионизацией с горячим катодом имеется три электрода, а именно катод, анод и коллектор, которые играют роль испускающих электронов, ускоряющих электроны и собирающих ионы соответственно. Электроны ионизируют газ в процессе движения от катода к аноду. Если пренебречь эффектом вторичной ионизации (имеется в виду, что новые электроны, образующиеся в процессе ионизации, ускоряются электрическим полем, приобретают ионизационную способность и вызывают новую ионизацию), каждый электрон, испускаемый катодом, ионизируется. Количество произведенных положительных ионов пропорционально плотности газа в пространстве и, следовательно, пропорционально давлению при определенной температуре. Следовательно, ионный ток Ii=SIeP, принимаемый коллектором, Ie – ток катодной электронной эмиссии, а S – константа пропорциональности, называемая ионометрическим коэффициентом. После проверки коэффициента ионизометра стандартным вакуумметром при определенной температуре можно определить давление по величине ионного тока. Основной тип головки датчика ионизации с горячим катодом. Катод обычно изготавливается из вольфрамовой проволоки, а анод может быть выполнен в виде сетки, так что электроны могут перемещаться вперед и назад с обеих сторон, чтобы увеличить перемещение электронов, поэтому это также называется сеткой. Коллектор триодного ионометра имеет цилиндрическую форму и расположен вне сетки, а диапазон измерения его давления составляет от 10-1 до 10-5 Па. При рабочем давлении выше 10-1 Па срок службы вольфрамовой проволоки сокращается, и связь между ионным током и давлением начинает отклоняться от линейности из-за эффекта вторичной ионизации. Катоды накала из иридия, покрытые оксидом тория или оксидом иттрия, могут работать при давлениях до 100 Па и имеют достаточно длительный срок службы, причем нить накала не повреждается даже при нагреве в атмосфере. Если в головке ионизационного датчика используется эта нить, а анод и коллектор выполнены в специальной форме, расстояние между электродами сокращается, уменьшается анодное напряжение и уменьшается вероятность ионизации газа (т. е. коэффициент ионизационного датчика уменьшается), то этот ионизационный манометр может быть Измерение давления от 10-3 до 100 Па называется ионизационным измерителем высокого давления. Нижний предел низковольтной интенсивности, измеряемой триодным ионизационным измерителем, определяется фототоком коллектора, то есть за счет фотоэмиссии, вызванной мягким рентгеновским излучением, генерируемым электронами, попадающими на анод, облучая коллектор, фототок составляет фон коллекторного тока. Когда фототок составляет 10% от ионного тока, достигается нижний предел измерения ионометра. Коллектор головки ионизационного датчика выполнен в виде нити накала и размещен на оси сетки. Нить расположена вне сетки. В это время чувствительность ионизационного манометра сильно не меняется, а из-за малой площади коллектора перехватываемое им рентгеновское излучение меньше На три порядка меньше триодного типа, этим ионометром можно измерять давления до 10-8 Па. Он был предложен Баярдом и Альбертом в 1950 г., поэтому он называется ВА. Для измерения давления 10-9 Па или ниже можно использовать модулированный измеритель ВА, полюсный ионизационный измеритель, ионизационный измеритель с изогнутой колонной или магнетронный ионизационный измеритель с горячим катодом. Эти ионометры также в определенной степени исключают влияние десорбированных ионов, индуцированных электронами затвора, на измерения давления