Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 1 Odporové manometry - Piraniho Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 2 p = f(T - T0) T - T0 = 1 R R0 - 1 p = f(R) Měřící rozsah 10-2 - 105 P a. Velmi jednoduchá konstrukce. Nepřímá měřící metoda. Zavisí na druhu plynu a na okolní teplotě. Chyba měření 15%. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 3 Tepelný vakuometr s konstantním odporem Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 4 Vlákno d = 50 m, L = 50 mm, teplota T = 470 K, měřící obor 10 - 5000 P a Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 5 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 6 Termočlánkový-manometr Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 7 Manometr metoda dolní hranice [Pa] horní hranice [Pa] Kapalinové U-trubice absolutní 10-1 105 McLeodův absolutní 10-4 105 Mechanické absolutní 102 105 Kapacitní absolutní 10-3 105 Piezo absolutní 101 105 Molekulární nepřímá 10-5 101 Viskozní nepřímá 10-5 101 Odporové nepřímá 10-2 105 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 8 Ionizační manometry Princip: ionizace molekul a měření počtu nabitých částic Rozdělení podle způsobu ionizace: ˇ Manometry se žhavenou katodou ˇ Manometry se studenou katodou ˇ Manometry s radioaktivním zářičem Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich ni = n ; < 1. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 9 Podmínky činnosti: ˇ je nutné pracovat při stejné teplotě, při které byl manometr cejchován. ˇ koeficient musí být konstantní v celém oboru měřených tlaků ˇ měřený iontový proud musí být tvořen pouze ionty molekul plynu - vyloučit parazitní proudy ˇ měřit všechny vzniklé ionty Nevýhody: ˇ čerpací efekt - sorpce plynů vlivem elektrického náboje ˇ desorpce plynů z elektrod vlivem velké teploty Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 10 Ionizační manometr se žhavenou katodou Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 11 Katoda vytváří elektronový proud Ie, který ionizuje plyn. Kolektor sbírá kladné ionty. Ip - proud kladných iontů na kolektor, Ie - emisní elektronový proud na anodu, p - tlak plynu Ip = K0Iep p = 1 K0 Ip Ie K0[P a-1 ] citlivost manometru, liší se pro ruzné plyny, protože se plyny liší koeficientem specifické ionizace - - množství iontů vytvořených jedním elektronem na dráze 1cm v daném plynu při tlaku 133Pa a teplotě 273K. Závisí na energii elektronů - tedy na urychlovacím napětí. He Ne H2 N2 CO O2 Ar Hg max 1.2 3 3.7 10 11 12 13 19 Umax[V ] 110 170 65 95 100 120 90 85 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 12 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 13 Dopad iontů na kolektor zavisí na ˇ potenciálu kolektoru ˇ na tvaru kolektoru ˇ na poloze kolektoru vzhledem k prostoru, kde dochází k ionizaci Pravděpodobnost ohybu dráhy iontů se zvyšuje s rostoucí počáteční rychlostí iontů a se zmenšováním průměru kolektoru. Pokud nejsou v obvodu kolektoru žádné další proudy je iontový kolektorový proud mírou tlaku. Ic = Ip = K0Iep Ve skutečnosti se mohou v obvodu kolektoru projevit parazitní proudy. Ic = Ip + i Ii = K0Iep + i Ii Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 14 Parazitní proudy 1. Proudy vyvolané rentgenovým a ultrafialovým zářením - Anoda se vlivem dopadu elektronů s velkou energií stává zdrojem měkkého rentgenova záření. V důsledku elektromagnetického ozáření povrchu kolektoru vzniká fotoemise z kolektoru. Je nutné pracovat s nízkou teplotou katody. Parazitní proud I1 AcIa 1 DAC , Ac - plocha kolektoru, Ia - anodový proud, DAC - vzdálenost anoda-kolektor. 2. Proudy vyvolané elektronovou desorpcí - při bombrdování povrchu elektrony se mohou uvolňovat neutrální atomy a molekuly, ionizované atomy a molekuly, disociované molekuly. 3. Iontový proud ze žhavené katody - katoda může emitovat i ionty, používat nízkou teplotu katody, projevuje se pouze při velmi nízkých tlacích. 4. Svodové proudy - nedokonalá izolace kolektoru od ostatních elektrod. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 15 Odstranění svodových proudů. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 16 Při činnosti ionizačního manometru dochází k zachycování iontů kolektorem a tím k čerpacímu efektu. Konstrukce manometru ˇ s vnějším kolektorem - kolektor válcový, anoda válcová mřížka, katoda uvnitř anody ˇ s vnitřním kolektorem Bayard-Alpert - kolektor tenký drátek uprostřed, anoda válcová mřížka, katoda vně mřížky Uspořádání Bayard-Alpert měří do nižších tlaků (10-9 P a) než uspořádání s vnějším kolektorem. Spodní hranice měřitelného tlaku je dána zejména parazitním foto-proudem. Maximální měřitelný tlak 100 P a. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 17 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 18 Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 19 Měření probíhá ve dvou krocích ˇ nejdříve spojíme modulátor s anodou(M A) ˇ pak ho spojíme s kolektorem (M Z), část iontů proudí na modulátor M A ; I c = S p + I x M Z ; I c = S p + I x S < S I c - I c = (S - S )p + (I x - I x ) I x = I x p = I c - I c S - S můžeme měřit tlaky 10-10 P a (tenze par W při T=2000K Pp 10-10 P a) Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plynu. Chyba měření 15%. Speciální modifikace vnořený manometr. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 20 Ionizační manometr se studenou katodou (Výbojový manometr) Měření využívá závislosti parametrů elektrického výboje za nízkého tlaku na tlaku. Princip je založen na samostatném výboji, který vzniká při vysokém napětí. Proud procházející výbojem je mírou tlaku I = f(p). I NeLid2 0pe- Uid0 kT E ˇ Ne - počet elektronů emitovaných katodou za 1s ˇ Li - dráha na které dochází k ionizaci ˇ d0 - efektivní průměr molekuly plynu ˇ Ui - ionizační potenciál plynu ˇ E - intenzita elektrického pole mezi K-A ˇ p - tlak plynu I = Sp Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 21 Výbojový manometr - Penning Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 22 Výbojový manometr - inverzní magnetron Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 23 ˇ Penningův manometr - Anoda ve tvaru válce, dvě ploché katody, magnetické pole kolmé ke katodě ˇ Inverzní magnetron - Katoda ve tvaru válce, tyčová anoda, magnetické pole rovnoběžné s anodou Dolní hranice měřeného tlaku 10-7 P a. Horní hranice měřeného tlaku 100 P a. Velká dráha elektronů vlivem geometrie elektrod a magnetického pole. Při nízkém tlaku potíže se zapálením a s udržením stabilního výboje. Rozprašování elektrod. Chyba měření asi 15 - 30%. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 24 Ionizační manometr s radioaktivním zářičem (Alfatron) Ionizace se uskutečňuje pomocí - zářiče, zářič s velkým poločasem rozpadu (radium, 1600let) Iontový proud je úměrný tlaku Ip = Sp S - závisí na druhu plynu, nepřímá metoda Dolní hranice měřeného tlaku 10-2 P a, (fotoproud vyvolaný - rozpadem) Horní hranice měřeného tlaku 103 P a. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 25 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 26 Sorpční měřící metoda K měření tlaku můžeme využít závislosti objemové koncentrace na koncentraci povrchové. ns = - je doba pobytu molekul na stěně, ns - je povrchová koncentrace = 1 4 nva ; p = nkT ns = p 2kT m0 = N A Dokonale odplyněný povrch části systému (povrch vlákna, který se žhavil průchodem proudu) se uvede do styku s molekulami měřeného objemu za normální teploty. Po době t se vlákno zahřeje a tím se uvolní molekuly adsorbované během této doby. Jiným manometrem (nejčastěji ionizačním se žhavenou katodou) se změří tlak p . Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 27 Předpoklady > t ; p p = N At ; p = N kT V N = p V kT p = 2kT m0 p = N At 2kT m0 p = K p t Měříme pouze průměrný tlak během doby t. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou. že na konci doby t není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul 10-7 P a . Zdola není měřený tlak omezen. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 28 Indikace tlaku podle výboje Pouze přibližná metoda. P[Pa] Tvar výboje 5.103 - 103 hadovitý výboj 103 - 5.102 elektrody se pokryjí doutnavým světlemj 102 kladný sloupec vyplní 2/3 trubice 5.101 vrstvy v kladném sloupci 10 vrstvy mizí, záporné světlo 1/2 trubice 5 záporné světlo v celé trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 29 Manometr metoda dolní hranice [Pa] horní hranice [Pa] ionizační se žhavenou katodou nepřímá 10-10 100 ionizační se studenou katodou nepřímá 10-7 100 ionizační s radioaktivním zařičem nepřímá 10-2 103 sorpční metoda nepřímá 10-7