Физическая энциклопедия - вакуумметр

(от вакуум и греч. metreo измеряю), прибор для измерения давлений газов ниже атмосферного в диапазоне от 760 до 10-13 мм рт. ст. (105-10-11 Па). Универс. метода измерений, охватывающего весь этот диапазон, не существует; используются разл. физ. закономерности, связанные (прямо или косвенно) с давлением газа. Существуют В. жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые, ионизационные и др. Каждый из этих типов В. рассчитан на измерение в определ. области давления (рис. 1). Рис. 1. Диапазоны измерения давления разл. вакуумметрами (штрихи предельные давления). Все В. могут быть разделены на две группы: абсолютные и относительные. Абсолютные измеряют непосредственно давление р, их показания не зависят от рода газа. Ниж. предел давлений абс. В. 10-6 мм рт. ст. (10-4Па). К ним относятся жидкостные, деформационные и компрессионные В. Относит. В.

измеряют величины, зависящие от давления; они градуируются по абсолютным образцовым В., их показания зависят от рода газа. К ним относятся тепловые, ионизационные, вязкостные и радиометрические В. В жидкостных В. (диапазон измерений 760-10-2 мм рт. ст. (105-1 Па)) Рис. 2. Схема жидкостного вакуумметра. измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости.

В. представляет собой U-образную трубку, заполненную жидкостью (Hg или вакуумные масла). В одном из колен трубки находится газ при измеряемом давлении р, в другом при известном давлении рк. Разность давлений в коленах уравновешивается столбом жидкости высотой h, т. е. (р-рк)=grh, где r плотность жидкости, a g ускорение свободного падения. Применяют В. с открытым и закрытым коленом (рис. 2). В первом случае рк=ратм и измеряется разность между атмосферным и измеряемым давлениями. Во втором случае рк приравнивается к нулю и измеряется абс. давление газа. Масляные В. более чувствительны, т. к. плотность масла примерно в 15 раз меньше плотности Hg (но масла хорошо растворяют газы). В деформационном В. давление или разность давлений определяется по деформации упругого датчика (сильфон, мембрана, спиральная трубка). Опорным давлением также служит атмосферное или очень малое давление (меньше измеряемого во много раз).

Компрессионный В.манометр Мак-Леода, основан на БойляМариотта законе: рv=const. Осн. части прибора (рис. 3): измерит. баллон 1 с известным объёмом V; трубка 3, соединяющая прибор с системой, в к-рой измеряется давление; два капилляра одинакового диаметра d, один из к-рых 2 соединён с объёмом V, а другой с соединит. трубкой 4. Рис. 3. Схема компрессионного вакуумметра: а перед измерением; б измерение по методу линейной шкалы.

Снизу вводится жидкость (обычно Hg), к-рая отсекает в объёме V0 газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его в малом объёме V1 запаянного капилляра до давления р1->р. Давление P1 определяется по разности уровней h жидкости в капиллярах, а измеряемое давление р из соотношения: p=(V1/V0)p1»(V1/V0)h.

Диапазон измеряемых давлений 1010-6 мм рт. ст. (103-10-3 Па). Компрессионный В.абсолютный, погрешность его измерения может быть сведена до 1-2%. Он используется в кач-ве образцового для градуировки В. др. типов. В радиометрическом В. между двумя пластинами в газе, имеющими разные темп-ры, возникают силы отталкивания (см. РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ).

Отклонение пластин пропорц. давлению газа, если расстояние d между ними меньше ср. длины свободного пробега l, молекул газа. Область измерения: 10-2-10-8 мм рт. ст. (1-10-6 Па). Верх. предел определяется давлением, при к-ром l становится сравнима с d; ниж. предел обусловлен соотношением между радиометрич. силой и силой давления на холодную пластину ИК излучения нагретой пластины.

Конструктивные разновидности радиометрич. В.манометры, созданные дат. физиком М. Кнудсеном и др. Действие вязкостного В. основано на зависимости вязкости разреженного газа от его давления, если l больше или сравнима с размерами датчика (манометрич. преобразователя). Существуют два типа вязкостных В. В колебательном В. мерой давления газа явл. время затухания свободных колебаний вибратора, обычно кварцевой нити, закреплённой с одного или двух концов или соединённой с мембраной. В В. с вращающимся элементом момент силы от быстро вращающегося элемента передаётся через газ к неподвижному элементу, подвешенному на чувствит.

подвеске. Угол закручивания последнего явл. мерой давления. В кач-ве рабочих элементов используются диски и коаксиальные цилиндры. Диапазон измеряемых давлений 10-2-10-7мм рт. ст. (1-10-5 Па). Действие тепловых В. основано на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. В герметичном баллоне расположена тонкая нить, нагреваемая электрич.

током. При изменении давления изменяется теплоотвод от нити. Если поддерживать постоянным ток I накала нити, то изменение давления вызовет изменение её темп-ры Тн. Можно Тн поддерживать постоянной, тогда мерой давления служит ток I, подаваемое на нить напряжение или подводимая к ней мощность. Ур-ние теплового баланса В.: I2R=Qт+Qи+Qн, где R сопротивление нити, QT, Qи, Qнтеплота, отводимая от нити за счёт теплопроводности газа, излучения нити и нагрева держателей нити. Последние два вида тепловых потерь не зависят от давления и определяют ниж. предел измерения, когда Qт становится меньше Qи+Qн.

Обычно этот предел =10-2-10-4 мм рт. ст. (1 10-2 Па). Верх. предел обусловлен тем, что при больших давлениях в вязкостном режиме теплопроводность газа перестаёт зависеть от давления. Зависимость теплопроводности от давления имеет место только в мол. и молекулярно-вязкостном режиме, когда l, превышает радиус нагреваемой нити.

В режиме пост. темп-ры верх. предел может быть доведён до 50100 мм рт. ст. (=104 Па). Различают термопарные В., где темп-pa нити измеряется присоединённой к ней термопарой, и В. сопротивления (Пирани), в к-рых темп-pa нити определяется по её сопротивлению R. В ионизационных В. мерой давления явл. величина ионного тока. В радиоизотопных В. для ионизации газа используются aи b-ЧАСтицы.

Датчик содержит цилиндрич. коллектор ионов, анод и радиоакт. источник (напр., 238Pu). Ионы, образующиеся в результате столкновений a-частиц с молекулами газа, движутся к коллектору под действием напряжения (50-150 В), приложенного между анодом и коллектором. Интенсивность потока a-частиц постоянна, и ионный ток пропорц. давлению: Iи=кр, где к чувствительность В. Для разных конструкций к лежит в пределах от 10-6 до 10-12А/мм рт. ст. Верх. предел измерений ограничивается тем, что пробег частиц становится меньше размеров датчика. Для расширения верх. предела до 760 мм рт. ст. (до 105 Па) уменьшают размеры датчика. Ниж. предел измерения определяется током, обусловленным попаданием на коллектор частиц, выбивающих вторичные эл-ны. Этот предел =10-4-10-3 мм рт. ст. (10-2-10-1 Па). В электронном ионизационном В. ионизация газа осуществляется электронным ударом. Эл-ны, эмиттируемые накалённым катодом (НК), движутся к цилиндрич. аноду А (рис. 4, а) и ионизуют газ. Образовавшиеся ионы собираются на цилиндрич. коллекторе К, имеющем отрицат. потенциал относительно катода (от -25 до -100 В). Ионный ток Iи-Silp, где il ток термоэлектронной эмиссии (0,05-10 мА), S уд. чувствительность. Диапазон измерения 10-2-5•10-8мм рт. ст. (1 5•10-6 Па). Верх. предел связан со сроком службы катода, отклонением от линейной зависимости Iи от р за счёт рекомбинации ионов и эл-нов Рис. 4. Схемы электронных ионизационных манометрич. преобразователей: НК катод; К коллектор ионов; А анод; 9 экран; М модулятор; Р рефлектор; Д дефлектор; О отражатель.

и уменьшения l до величины, меньшей траектории эп-нов. Ниж. предел измеряемых давлений связан с фотоэлектронным током с коллектора под действием рентг. излучения, возникающего при электронной бомбардировке анода. Для измерения сверхвысокого вакуума применяются спец. конструкции ионизац. В., где этот ток снижен. Наиболее распространён манометр Байярда Альперта (рис.

4, б), где коллектор расположен по оси цилиндрич. анодной сетки, а катод -. вне этой сетки. При этом на коллектор попадает лишь малая часть рентг. квантов; ниж. предел В. =10-10 мм рт. ст. (10-8 Па). Модулируя ионный ток с помощью дополнит. модулирующего электрода тонкого стержня, расположенного между анодом и коллектором (рис. 4, в), удаётся измерять вакуум до 10-11 мм рт.

ст. (10-9 Па). Подавление фонового тока с коллектора электрич. полем дополнит. электрода (супрессора) в сочетании с модуляцией позволяет измерять ещё более низкие давления. Существуют В., где коллектор экранирован от рентг. излучения. В экстракторном манометре канад. учёного Редхеда (рис. 4, г) ионы из пр-ва ионизации вытягиваются через отверстия в экране и при помощи полусферич.

рефлектора Р (находящегося под потенциалом анода) фокусируются на тонкий проволочный коллектор. В манометре Хельмера (рис. 4, е) ионный поток, выходящий из отверстия в экране, отклоняется с помощью 90-градусного угл. электростатического дефлектора Д и направляется к коллектору. В вакуумметре Грошковского тонкий проволочный коллектор расположен напротив отверстия в торце анодной сетки и защищён от рентг.

излучения стеклянной трубкой (рис. 4, д). Эфф. собирание ионов обеспечивается большим отрицат. потенциалом коллектора относительно катода (=350 В). С помощью описанных В. удаётся измерять давления до 10-12 мм рт. ст. (10-10 Па) и в отд. случаях до 10-13 мм рт. ст. (10-11 Па). Уменьшение ниж. предела может быть достигнуто увеличением длины пробега эл-нов.

Это даёт возможность при малом электронном токе и, следовательно, уменьшенном фоновом токе обеспечить высокую чувствительность. В орбитронном В. (рис. 4, ж) увеличение траектории достигается с помощью логарифмич. электрич. поля, создаваемого двумя концентрич. цилиндрами (внутренний анод, внешний коллектор). Эл-ны, эмиттируемые катодом и получившие значит.

момент кол-ва движения относительно оси благодаря рефлектору, вращаются без захвата по вытянутым орбитам вокруг анода. Ниж. предел измерения: 10-12 мм рт. ст. В ионизационном магнетронном В. (манометре Лафферти) удлинение траектории эл-нов Рис. 5. Схема магнитных электроразрядных манометрич. преобразователей. достигается с помощью магн.

поля (рис. 4, з). Этим прибором можно измерять давления до 10-13 мм рт. ст. В магнитном электроразрядном В. используется зависимость от давления тока самостоят. разряда, возникающего в разреженном газе в скрещённых магн. и электрич. полях. Существует неск. конструктивных вариантов прибора. В манометре Пеннинга разрядный промежуток образуется двумя параллельными пластинами К (катоды) и расположенным между ними кольцевым или цилиндрич.

анодом А (рис. 5, а). Рис. 6. Траектории эл-нов в инверсно магнетронном вакуумметре. В магнетронном В. (рис. 5, б) и инверсно-магнетронном В. (рис. 5, в) катод и анод два соосных цилиндра. Под действием электрич. Е и магн. Н полей эл-ны движутся таким образом, что их попадание на анод А может происходить только в результате столкновений с молекулами газа (рис.

6). Образовавшиеся при этом вторичные эл-ны движутся по аналогичным траекториям, а ионы, попадая на катод К, вызывают на нём ионно-электронную эмиссию. В результате в разрядном промежутке возникает самостоятельный разряд. Зависимость разрядного тока I от давления определяется ф-лой: I=крn, где к и n постоянные прибора. Верх. предел измерения магн.

электроразрядных В.=10-2-10-1 мм рт. ст. (1-10-1 Па) ограничен тем, что в цепь высоковольтного питания включено балластное сопротивление (для предотвращения перерастания разряда в дуговой). Оно ограничивает макс. ток величиной Iб?1-2 мА. С ростом давления разрядный ток перестаёт изменяться, когда его величина становится соизмеримой с током Iб.

Ниж. предел измерений связан с возможностью зажигания и поддержания тлеющего разряда при низких давлениях, а также с фоновым током, создаваемым за счёт автоэлектронной эмиссии с участков катода, расположенных вблизи анода (фон =10-11 мм рт. ст.). При В =400 Гс и анодном напряжении Uа=2-3 кВ предельный вакуум составляет 10-610-7мм рт. ст. (10-4-10-8 Па).

Увеличивая разрядный промежуток, повышая Ua до 5-6 кВ и В до 1000 Гс и экранируя катод, можно измерить давление =10-13 мм рт. ст. .