Техника измерения вакуума

В зависимости от степени разряжения различают методы измерения вакуума. С по­мощью разрядника определяют вакуум при включении форвакуумного насоса (рисунок 6).

Рисунок 6 – Газоразрядная трубка

Одно­временно включается термопарный вакуумметр. С помощью термопарной лампы (рисунок 7) кон­тролируется вакуум для включения диффузионного насоса. Включение ионизационного ма­нометра типа ЛМ-2 производится при достижении вакуума не хуже 10⁴ мм рт. ст. (иначе пере­горит вольфрамовый катод). Откачиваемый прибор прогревается длительное время (до трех суток) при температуре до 450°С (для вакуумных стекол типа ЗС-5). Прибор отпаивается от вакуумного поста при температуре порядка 100°С. После распыления геттера вакуум в авто­эмиссионном микроскопе составляет, как правило, порядка 10^-10 мм рт. ст.

Термопарный манометр ЛТ-2

Термопарный манометр ЛТ-2 широко применяется в промышленности и в научных исследованиях. Манометрическая лампа играет роль датчика, с помощью которого не элек­трическая величина давление измеряется с помощью термо-ЭДС.

Устройство лампы ЛТ-2 показано на рисунке 7. Там же приведена принципиальная электрическая схема электрического прибора.

Рисунок 7 – Термопарная лампа и принципиальная электрическая схема электрического прибора

Манометрическая лампа состоит из стеклянного баллона 1, внутри которого помещена нить накала 2 в виде тонкой платиновой ленты или проволоки, и термопара 3 из хромеля и копеля. Термопара припаяна к средней части нити, благодаря чему между ними осуществляется достаточно хороший тепловой контакт. С помощью трубки 9 лампа напаивается на вакуумный пост, где измеряется давление. Действие лампы ЛТ-2 основано на изменении температуры нити, нагреваемой электрическим током от батареи 5, с изменением давления газа. Указанная зависимость может наблюдаться только в области низких давлений, когда теплопроводность газа зависит от его давления. Об изменении температуры судят по изменению термо-ЭДС термопары, измеряемой милливольтметром 4.

К недостаткам термопарных манометров относятся:

1 Низкая чувствительность, которая ограничивает диапазон измеряемых давлений (до 10^-4 мм рт. ст.).

2 Инерционность: вследствие наличия известной теплоемкости нити накала (включая ее спай с термопарой) при изменении давления газа новый температурный режим устанавливается не сразу, обычно для этого требуется от 15-20 секунд. Таким образом, быстрые процессы термопарным манометром не могут регистрироваться.

Манометрическая лампа – ЛМ-2

Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2 похожа на обычную трех электрод­ную лампу и не превышает по размерам среднюю приемно-усилительную. Внутри баллона 7 (рисунок 8.1) размещены три электрода: катод – 1, анод-сетка – 2, и никелевый цилиндрический коллектор – 3 (собирает положительно заряженные ионы). Вывод коллектора осуществляется че­рез молибденовый ввод – 6 в верхней части баллона, что улучшает изоляцию между коллекто­ром и другими электродами. Молибденовые выводы 4 от катода 1 и 5 от сетки-анода – 2 де­лаются через катодную ножку. Баллон 7 изготовляют из стекла типа ЗС-5 (молибденовое стекло у него коэффициент объемного расширения такой же, как коэффициент объемного расширения у молибдена). Манометрическая лампа ЛМ-2 напаивается на вакуумный пост через патрубок 8. На рисунке 8.2 приведена схема включения ЛМ-2 к вакуумному посту или к при­бору.

Рисунок 8.1 – Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2

Рисунок 8.2 – Схема включения ЛМ-2 к вакуумному посту или к при­бору

На анод-сетку подается положительное анодное напряжение, а на коллектор – отрица­тельное (обычно 10 – 15 % от анодного напряжения). Манометр, собранный по такой схеме, обладает большей чувствительностью, так как электроны, летящие от катода к аноду, совершают колебательное движение между коллектором и анодом. Вероятность ионизации газа при этом резко увеличивается. Ионный ток возрастает.

Каким же образом не электрическая величина давление измеряется с помощью элек­тронной лампы? Из молекулярно-кинетической теории известно, что давление равно:

(1)

где – концентрация молекул газа в откачиваемом объеме;

к – постоянная Больцмана

Т – температура в К.

Понятно, что величина ионного тока пропорциональна концентрации молекул, а, следовательно, и давлению. Лампа ЛМ-2 калибруется по манометру Мак-Леода. Пределы из­мерения вакуума лампой ЛМ-2 составляют от 10^-4 – 10^-8 мм рт. ст. При этом ионный ток кол­лектора изменяется от 100 до 0.005 мкА.

Помни! Длительная работа лампы ЛМ-2 в вакууме порядка 10^-4 мм рт. ст. приводит к перегоранию вольфрамового катода – 1.

Ионизационный манометр ЛМ-12 для измерения сверхвысокого вакуума

В отличие от ЛМ-2 манометрическая лампа ЛМ-12 обладает следующими положи­тельными качествами: одна или две катодные нити – 3 помещены вне сетки-анода, коллектор же ионов в виде тонкой проволоки – 1 расположен по оси лампы внутри сетки-анода – 2 (рисунок 10) при электронном токе в 5мА лампа работает в обычном диапазоне 10^-5 – 10^-10 мм рт. ст..

Рисунок 9 – Манометрическая лампа

Рисунок 10 – Манометрическая лампа ЛМ-12

Расположение коллектора ионов внутри, а не вне сетки-анода оказалось выгодным в том отношении, что уменьшились потери ионов, уходящих к стенкам колбы, большей своей частью они попадают на коллектор.

Главной особенностью ИМ-12 является то, что роль коллектора ионов выполняет очень тонкая вольфрамовая нить – 1, которая из-за небольшой поверхности воспринимает только часть рентгеновского излучения с сетки-анода – 2. Электроны, вылетающие из катода – 3 устремляются к аноду сетки, пролетают сквозь нее, долетают до коллектора, имеющего от­рицательный потенциал, заворачиваются обратно. Так как путь электронов увеличивается, то вероятность ионизации газа тоже увеличивается. Чувствительность лампы резко возрастает и становится выше чувствительности лампы ЛМ-2. С помощью лампы ЛМ-12 можно измерить предельный вакуум до 5 10^-11 мм рт. ст.

Оценку качества вакуума (парциального давления) определяют так же с помощью масс-спектрометров и автоэмиссионных микроскопов (до 10^-12 ммрт. ст.).