Martin Kormunda

Přednáška 10

Měření nízkých tlaků : membránové a kompresní vakuoměry, tepelné vakuoměry, ionizační

vakuoměry.

Martin Kormunda

Měření ve vakuové technice● jde o metody měření fyzikálních veličin, které

jsme dříve definovali:● tlak plynu● proud plynu● tenze par● čerpací rychlost● mezní tlak

● základ je ale v měření tlaku (celkového a posléze parciálních), protože měření ostatních veličin ho také vyžadují

Martin Kormunda

Metody měření tlaku● dvě základní kategorie

● přímá měření – z definice, tlak je síla působící na plochu, případně může způsobit deformaci pružných těles a to lze měřit – tlak lze z naměřených hodnot spočítat absolutně

● nepřímá měření – využívá se jiná f. veličina, která na tlaku závisí (tepelná vodivost plynu, elektrická vodivost plynu) – obvykle závisí i na další velicinách jako teplota, druh plynu – zjištěná hodnota tlaku není absolutní

Martin Kormunda

Jaké metoda je vhodná pro konkrétní případ

● musíme posoudit zejména:● měřící obor (rozsah tlaků)● citlivost (poměr očekávané změny tlaku s citlivostí

přístroje)● přesnost (chyby měření)● dobu odezvy přístroje ● vliv vakuometru na tlak plynu ve vak. systému

(některé vakuometry mají čerpací efekt)● vliv vakuometru na složení plynu ve vak. systému

(tenze par pracovní náplně, ionizace, ..)

Martin Kormunda

Umístění vakuometru● je důležité protože je nutné dát:

● pozor na tlaková spád ve vakuovém systému – zejména při čerpání

● pozor na vliv samotné měrky vakuometru – často malá komůrka připojená do systému pomocí malého otvoru

● efúze● čerpací efekt● adsorbce a desorpce se stěn měrky

– pomůže vnořený měřící systém do vak. komory (křehký)

Martin Kormunda

Přímé měřící metody● Kapalinové manometry

● první byla Torricelliho trubice užitá pro měření atm. tlaku

● pro nízké tlaky se používaly U-trubice

p2

p1

p2

h h

p1 - p

2 = hρg p

2 = hρg

Martin Kormunda

U - trubice● náplně voda, olej nebo rtuť● přesnost měření = přesnost odečtení výšky

hladiny, mějme ∆h = 0.1 mm pak● pro Hg z rce p = hρg je přesnost cca 10 Pa● pro olej dokonce 0.1 Pa

● to jsou současně i spodní hranice oboru tlaků● jak to zlepšit?

Martin Kormunda

Vylepšení U - trubice● zpřesnění odečítání pomocí naklonění ramena● ale pro ultra vakuum stále nepoužitelné

p2

h

p2 = hρg = h´ ρ g sin α

h´α

Martin Kormunda

Mc Leodův kompresní rtuťový manometr

● jednoduchý princip:● velký objem plynu o nízkém tlaku stlačíme na malý

objem v měřící kapiláře, pokud to uděláme pomalu, tak pV = konst.

● tím tlak vzroste natolik, že je měřitelný pomocí principu U -trubice

http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/McLeod+gauge

Martin Kormunda

Postup měření● Zvýšíme tlak v zásobníku Hg (otevřeme ventil

na atm.) - rtuť stoupá až dosáhne výšky označené C – tj. Oddělí se objem plynu V od měřeného systému

● Další stoupání hladiny Hg stlačuje plyn v kompresním objemu – stoupá tlak

● Další postup má dvě varianty● Necháme stoupat hladinu Hg až do místa A (konec

měřící kapiláry), pak platí h = p – px = p, pro px << p

a B-Marriot zákon pxV = phS = h2S, p

x = S/V h2 =

k*h2 – kvadratická závislost, k – kompresní poměr

Martin Kormunda

Postup měření● nebo zvedneme hladinu Hg ke značce B

(vzdálenost ho od konce měřící kapiláry) – tj.

konstantní kompresní poměr – pxV = ph

0S a opět

dosadíme h a pak px = h

0S/V * h = k´*h – lineární

stupnice

Martin Kormunda

Vlastnosti● McLeodův manometr se dodnes používá ke

kalibraci nepřímých vakuometrů● Nehodí se pro rutinní měření, měří pomalu,

neměří kondenzující páry, má páry Hg

Martin Kormunda

Mechanické manometry● Mechanicky se snímá pohyb pružného

elementu (membrány, spirálové Bourdonovy trubice)

● Měřící obor od atm. do cca 1 mbar ● Často se používali na

hlídání vakua (relé)

Martin Kormunda

Přesné membránové vak.● stejný princip - pružná membrána● velmi tenké membrány - různé materiály● kapacitní snímání deformace● měřící rozsah od 0,001 Pa

Martin Kormunda

MKS Baratron● existují i další výrobci● obvykle předepsaná pozice● v nabídce různé měřící rozsahy● existují i vyhřívané ● pro maximální přesnost stabilní elektronika● POZOR - nastavení nuly

Martin Kormunda

Nepřímé měřící metody● Tepelné vakuoměry

● založeny na tom, že přenos tepla - tepelná vodivost plynu závisí na tlaku plynu

● nejčastější provedení je Piraniho (odporový) vakuoměr

Martin Kormunda

Piraniho vakuoměr● přímým průchodem proudu se elektricky ohřívá

odporový drát (W nebo Ni) asi na 200 oC● míra jeho ochlazování plynem je závislá na

tlaku se pak měří 2 způsoby● udržuje se konstantní teplota drátu (odpor) a mění

se topný příkon, který je mírou tlaku● udržuje se konstantní příkon, mírou tlaku je pak

teplota (odpor) drátu - méně časté● údaje přístroje závisí na typu plynu, přístroj je

obvykle kalibrován na N2

Martin Kormunda

Piraniho vakuoměr

http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/IG1pg1052app.pdf

Martin Kormunda

Piraniho vakuoměr● horní mez● dolní mez● malá lineární o.

Martin Kormunda

Závislost na druhu plynu

Martin Kormunda

Viskózní manometr● využívají závislost koeficientu tření na tlaku

plynu● vyzkoušeny desítky konstrukcí

● rotující disk - měřím brzdící moment, pokles otáček, přenos impulzu na druhý kotouč, ...

● kmitání vlákna - měříme rozkmit,● jednoduchý princip, ale obtížně prakticky

realizovatelný - tření v ložiscích a uchycení, ..● prakticky nepoužitelné

Martin Kormunda

Viskózní manometry - ideje

Martin Kormunda

Viscovac Leybold-Heraeus● malá ocelová kulička se roztočí na 425 ot/min.

a pak se měří doba potřebná k poklesu otáček na 405 ot/min.

● složité - magnetický závěs kuličky● při opakovaném měření lze spočítat přesnost,

ta je obvykle cca 2% v oblasti tlaků 10-7 mbar až 1 mbar - u vyšších tlaků už tření na tlaku nezávisí

● u nízkých tlaků je doba dlouhá● výhoda: tlak lze spočítat pro známý plyn

Martin Kormunda

Viscovac Leybold-Heraeus

Martin Kormunda

Ionizační vakuoměry● využívají ionizace molekul měřeného plynu ● počet vzniklých iontů je přímo úměrný počtu

neutrálních molekul● počet vzniklých iontů lze změřit pomocí proudu

takto: i = n e v ● je více možností ionizace:

● srážkou s elektrony (zdroj žhavená nebo studená katoda, fotokatoda, el. výboj), zářením, silným el. polem

Martin Kormunda

Výbojový manometr● využívá samostatného el. výboje

inicializovaného srážkou s elektrony● výbojový proud závisí na tlaku● konstrukce - obyčejná výbojka

● přivedeme dc o velikosti několika kV a při tlaku 10 až 20 mbar se objeví výboj

● odhad tlaku z tvaru výboje - nejprve provazcový u nižších tlaků vyplní celou trubici a při 1 *10-3 mbar zmizí

Martin Kormunda

Teslů transformátor● vysoko napěťový vysokofrekvenční zdroj● k skleněné stěně systému přiblížíme elektrodu

sekundárního obvodu T. t.● pak:

● 1 mbar - výboj bude v ose● 0,1 mbar - výboj vyplní celou komoru● 0,01 mbar - výboj ztrácí na intenzitě● 1 * 10-3 - ustává a světélkuje u stěn

● barva:● fialová - vzduch, červený - neon

Martin Kormunda

Teslů transformátorhttp://www.teslacoil.ic.cz/

Martin Kormunda

Problémy ionizačních vakuometrů● zásadní - nemůžeme měřit nízké tlaky, protože

elektrony mají malou účinnost ionizace● řešení

● více elektronů - lze, žhavená katoda● delší dráhy elektronů - lze, vnější magnetické pole

(Penning)

Martin Kormunda

Penningův vakuometr● magnetické pole● napětí několik kV např. 3 kV● mag. pole 0,1 až 0,2 T

může být i delší trubka ne jen tenký disk

Martin Kormunda

Kalibrační křivky● široká „lineární“ log. oblast

● až do cca 1*10-2 mbar● a do cca 1*10-8 mbar - pak

vliv autoemise e. v el. poli● vylepšená konstrukce se

stínící elektrodou až do 1*10-12 mbar

● přesnost do 5%● čerpací efekt -

rozprašování a paměť. efekt

Martin Kormunda

Praktické zkušenosti

● jednoduchý odolný● častá kombinace s Piraniho vak. na který dobře

navazuje rozsahem, dnes často v jednom těle s automatickým přepínáním

● hůře se odplyňuje - pozor na Curieho teplotu magnetu (někdy lze magnet sundat)

Martin Kormunda

Žhavená katoda● pro vyšší ionizaci je účinnější než mag. pole

použití žhavené katody pro udržení samostatného výboje za nízkého tlaku

Martin Kormunda

Ionizační vakuoměr● konstrukce jako elektronka trioda - to je klasické

uspořádání● ze žhavené katody vystupují elektrony a

dopadají na anodu (100 a 200 V) skrze velice řídkou mřížku

● proud iontů měříme na mřížce (-50V) která je přitahuje, jejich proud je I

i = konst * I

e *p

● konst - konstrukce, druh plynu, ...

Martin Kormunda

Ionizační vakuometr

2000 oC

http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html

Martin Kormunda

Kalibrační křivka● hlavní výhoda, lineární stupnice● široká pracovní oblast od 1 mbar do 1*10-8

mbar●

Martin Kormunda

Jiné konstrukce● mřížka nahrazena spirálou z drátu (nebo

několik podélných drátků)● anoda válcová, katoda z drátku uprostřed● měřící obor 1 mbar až 1*10-6 mbar, pak je proud

už příliš malý

Martin Kormunda

Klystronové uspořádání● prohodí se funkce mřížky a anody● elektrony proletí mřížkou a pak se k ní vrací

odpuzovány kolektorem iontů - dlouhé dráhy letu + žhavená katoda

Martin Kormunda

Vlastnosti● horní hranice tlaku - dána odolnosti žhavené

katody - Iridium odolnější než W● dolní hranice - rentgenova mez - elektrony

dopadnou na kolektor a vznikne velice slabé a měkké rentgenové záření - dopadá všude kolem a na kolektoru iontů vyvolá sekundární emisi elektronů - vznikne fotoelektrický proud, který zkreslí měření

● Jak omezit foto proud?

Martin Kormunda

Omezení fotoproudu● Snadné. Zmenšíme plochu kolektorů iontů● Místo mřížky nebo destičky použijeme drátek v

průměru mikrony● Tím snížíme i čerpací efekt, ale musíme změnit

tvar měrky● vznikne Bayard-Alpertova měrka

Martin Kormunda

Bayard-Alpertova měrka● tzv. inverzní uspořádání ● kolektor uvnitř anody - el.

pole zvýší ionizaci● povrch kolektoru zmenčen

cca 1000 krát a stejně tak foto proud

● pracuje do 1 * 10-11 mbar

http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html

Martin Kormunda

Charakteristika

Martin Kormunda

Vlastnosti

● přímková charakteristika kde Ii = konst * p * I

e,

● el. proud ovlivňuje iontový, nutný stabilní proudový zdroj

● přesnosti i lepší než 1%● nejpřesnější měrka pro ultravakuové a

vysokovakuové použití● často realizován jako vnořený systém na

přírubě● čerpací efekt do 1 l/s a také paměťový efekt● dobře se odplyňuje - je to funkce elektroniky

Martin Kormunda

Vlastnosti● kalibrován na dusík● pro jiný plyn přepočet přes dusíková ekvivalent

- viz tabulky

http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html