 |
Модернизированные приборы Пирани с эффектом конвекции
|
|
|
|
Эти приборы как правило при более высоких давлениях работают лучше, чем конвекционные приборы Пирани. Они измеряют передачу тепла обусловленную конвекцией так же, как и проводимостью. В них тонкий провод прикрепляется горизонтально (конвекционные приборы Пирани могут использоваться в любой ориентации, хотя рекомендуется помещать их так, чтобы провод был расположен вертикально).ы Провод с размерами, сходными с размерами в конвекционных приборах Пирани, обычно расположен внутри концентрического изолированного цилиндра, диаметр которого больше корпуса конвекционных приборов Пирани. В диапазоне давлений от 10-2 Па до 103 Па приборы могут работать так же, как конвекционные приборы Пирани. Однако, при давлениях в диапазоне от 103 до 105 Па, где конвекция обычно является существенным механизмом передачи тепла, вместо провода применяется цилиндр в качестве составной части, обладающей постоянной температурой, напряжением и током.
5.9.4. Термопары и термисторные приборы
Термопара и термисторные приборы могут использоваться вместо моста Уитстона для получения температуры горячего провода.
Приборы термопары, как правило, менее чувствительны, чем приборы Пирани,а также имеют более узкий диапазон рабочего давления.
5.10. Приборы с вращающимся ротором
Как и большинство вакуумных устройств, приборы с вращающимся ротором (смотрите рис. 5-18), также известные как приборы измерения молекулярного сцепления или вязкости, на самом деле скорее измеряют концентрацию молекул, чем давление. В случае прибора с вращающимся ротором (SRG) она измеряется через угловой момент. Свободно подвешенная вращающаяся сфера будет замедляться, так как молекулы газа сталкиваются с ней и замедляют ее. Шар, обычно из магнитной стали, имеющий диаметр несколько миллиметров, помещен в немагнитную трубу(иногда называемую пальцем), горизонтально присоединенную к вакуумной системе. Шар удерживается в подвешенном состоянии магнитным полем и вращается с частотой несколько сотен герц под действием вращающегося магнитного поля.
|
|
|
Вращающееся поле затем выключается и относительное замедление измеряется магнитными датчиками. Это замедление, вызванное молекулярными столкновениями, связано, согласно кинетической теории, с концентрацией. Наименьшее давление, которое может быть измерено, ограничено остаточной тягой, вызванными наведенными вихревыми токами.
SRG имеет хорошую продолжительную стабильность и выказывает умеренную зависимость от вида газа. Обычно эта зависимость может быть компенсирована, если известен состав газа. В отличие от приборов ионизации SRG невзаимодействующий прибор и не загрязняет системы заряженными частицами. Хорошо подходит в качестве образцового прибора для калибровки других вакуумных приборов. Однако, он очень чувствителен к вибрации; и также требуется около 30 секунд для вычисления скорости замедления шара, что делает прибор непригодным для измерения быстро меняющихся давлений.
5.11 Приборы ионизации
Введение
При давлении в вакуумной системе ниже приблизительно 0.1 Па (10-3 мбар) прямые методы измерения давления, такие как измерение отклонения диафрагмы или измерение свойств смеси газов (например, теплопроводности) уже неприменимы. Следовательно, необходимо обратиться к методам, суть которых сводится к подсчету количества молекул газа, т.е. к измерению не давления, а концентрации. Из кинетической теории газов для данной смеси газов при известной температуре Т, давление,р,непосредственно связано с концентрацией,n, уравнением (в случае идеального газа):
|
|
|
P=cnT, (6)
где с - константа.
Одним из самых удобных методов измерения концентрации является использование какой-либо технологии для ионизации молекул газа, а затем сбор ионов. Наиболее часто используемые на практике вакуумные приборы для осуществления ионизации используют электроны с умеренными энергиями (от 50 эВ до 150 эВ). Результирующий ионный ток непосредственно связан с давлением, и,таким образом, может быть выполнена калибровка. Это последнее утверждение будет верным только в конечном диапазоне давлений, который будет определять рабочий диапазон прибора. Верхний предел давления будет достигнут, когда плотность газа достаточно велика для того, чтобы при образовании ион имел значительную вероятность взаимодействия либо с нейтральными молекулами газа, либо со свободными электронами в газе. В результате ион нейтрализуется и не может достичь коллектора. Для практических целей в обычных лабораторных системах или промышленных заводах в качестве этого предела может быть взято значение 0.1 Па (10-3мбар).
Нижний предел давления прибора будет достигнут либо когда электрические токи утечки в головке прибора или измерительной электроники становятся сравнимыми с измеряемым ионным током, либо когда другое физическое воздействие (например, влияние внешнего рентгеновского излучения) дает рост токов до этого значения. Для большинства приборов, описанных в Руководстве, эти пределы находятся ниже 10-6 (10-8 мбар).
Основное уравнение прибора для прибора ионизации:
Ic=knIe, (7)
Ic- ионный ток;
К- постоянная, содержащая вероятность ионизации молекулярного газа любым способом и вероятность рекомбинации результирующих ионов;
n- концентрация молекул газа;
Ie- электроныый ток ионизации;
Вероятность ионизации молекулярного газа будет зависеть от множества факторов, и следовательно, прибор ионизации будет иметь различные значения чувствительности для различных смесей газов. В приборах, наиболее часто употребляемых на практике, для ионизации молекулярного газа используется электронный удар. Он может быть получен простым “ выкипанием ” электронов с горячей нити накаливания и притягиванием их к какому-либо виду коллектора. На пути от нити к коллектору такие электроны могут взаимодействовать с электронами в электронном облаке вокруг ядра молекулы газа, выбивая один из них или более, чтобы сформировался заряженный ион. Эти ионы притягиваются к коллектору.
|
|
|
К сожалению, вероятность электронной ионизации молекулы газа за один проход в пределах прибора обычных размеров настолько мала, что необходимо увеличить длину свободного пробега электрона и таким образом увеличить вероятность создания иона любым одиночным электроном.
На практике широко используются два метода. В приборе ионизации с горячим катодом электроны формируются на горячей нити накала и притягиваются к сетке высокой прозрачности, изготовленной из очень тонкого провода, обладающей положительным электрическим потенциалом. Поскольку сетка открыта, то существует очень высокая вероятность того, что электрон будет проходить прямо через сетку, не ударяясь в провод. Если сетка окружена экраном при отрицательном электрическом потенциале, электрон будет отброшен обратно к сетке. Этот процесс может происходить много раз, прежде чем электрон ударится в сетку и будет потерян. В результате очень в малом объеме может быть получен очень длинный пробег электрона. В противоположность этому, ионы притягиваются непосредственно к коллектору.
В приборах ионизации с холодным катодом горячая нить накаливания отсутствует. В них используется комбинация электрического и магнитного полей. Любой электрон будет двигаться по спирали вокруг линий магнитного поля, прежде чем в конечном счете он упадет на позитивно заряженный анод. В действительности пробег будет настолько длинным и вероятность ионизации настолько велика, что однажды начавшись, будет наблюдаться самоподдерживающийся газовый разряд при условии, что ионы быстро удаляются из области разряда с помощью ионного коллектора.
Хотя существует множество вариантов этих двух общих типов приборов, обсуждению подлежат четыре вида, которые доступны в продаже и широко используются на практике, а именно: триодные приборы, прибор Баярда-Альперта, осцилляторный прибор и прибор с обращенным магнетроном.
|
|
|
Триодные приборы
Этот прибор первоначально был разработан из электронного ключа. Электроны эмиттируют с горячей нити накала вдоль оси цилиндрической сетки (смотрите рис.5-19). Ионы формируются в основном внутри сетки и притягиваются к цилиндрическому аноду вокруг сетки. Обычный диапазон давлений прибора приблизительно от 0.1 Па до 10-6 Па. Особая конструкция, прибор Шульца- Пельпса, может работать приблизительно в диапазоне от 10-2 Па до 100 Па.
5.11.3. Приборы Баярда- Альперта
По сути это триодный прибор, вывернутый наизнанку (смотрите рис.5-20). На этом рисунке горячая нить накала находится вне цилиндрической сетки. Ионы образуются по-прежнему, главным образом, внутри сетки и собираются на осевом проводе. Некоторые из электронов, образующихся в результате ионизации молекул газа, при столкновении с сеткой будут генерировать рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи при облучении коллектора могут выбивать электроны с поверхности, и они будут неотличимы от ионов, падающих на коллектор. Провод коллектора находится в намного меньшем телесном угле, соответственно он поглощает меньше рентгеновского излучения. В результате предел давления будет значительно меньше, чем в триодном приборе. Это наиболее типичная конфигурация для приборов ионизации с горячей нитью накаливания. Диапазон давлений находится в пределах от 0.1 Па до 10-9 Па.
Осцилляторные приборы
В этих приборах электрическое и магнитное поля расположены так, как показано на рисунке 5-21. Анод (А) может принимать форму кольца или цилиндра. Может показаться, что в этой конфигурации электрическое и магнитное поля параллельны, но на самом деле во время разряда распределение потенциалов таково, что ось прибора расположена около катодного потенциала. В результате поля на самом деле скрещиваются. Газовый разряд начинается, если электрическое поле достаточно высоко (несколько кВ постоянного напряжения), при этом начинается полевая эмиссия электронов с одной из катодных пластин (часто применяется острый стержень для усиления этого процесса). Кроме того, газовый разряд начинается, если космические лучи вызывают ионизацию газа в головке прибора. Миниатюрный источник ультрафиолетового излучения может являться другим средством инициации разряда путем фотоэмиссии электронов с поверхности. Ионы собираются на на петлевом аноде. Диапазон давлений приблизительно от 0.1 Па до 10-7 Па.
|
|
|
