Ionizační manometry Princip: ionizace molekul a měření počtu nabitých částic Rozdělení podle způsobu ionizace: • Manometry se žhavenou katodou • Manometry se studenou katodou • Manometry s radioaktivním zářičem Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich m = ^n ; 7 < 1. Podmínky činnosti: • je nutné pracovat při stejné teplotě, při které byl manometr cejchován. • koeficient 7 musí být konstantní v celém oboru měřených tlaků • měřený iontový proud musí být tvořen pouze ionty molekul plynu - vyloučit parazitní proudy • měřit všechny vzniklé ionty Nevýhody: • čerpací efekt - sorpce plynů vlivem elektrického náboje • desorpce plynů z elektrod vlivem velké teploty F4160 2/35 Ionizační manometr se žhavenou katodou A C ô l~V"l> Qh \y-¥ *ua -u0 □ S1 F4160 3/35 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 1 Iv Ip = K0Iep=>p = —— Äo[Pa_1] citlivost manometru, liší se pro různé plyny, protože se plyny liší koeficientem specifické ionizace - e e - množství iontů vytvořených jedním elektronem na dráze lem 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 '~>maxy> \ 110 170 65 95 100 120 90 85 4/35 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. □ S" - = 1 -00.0 Dopad iontů na kolektor závisí na • potenciálu kolektoru • na tvaru kolektoru • 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 + ^h = Kohp + ^h i i Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. Parazitní proudy • Proudy vyvolané rentgenovým a ultrafialovým zářením - Anoda se vlivem dopadu elektronů s velkou energií stává zdrojem měkkého rentgenového záření. V důsledku elektromagnetického ozáření povrchu kolektoru vzniká fotoemise z kolektoru. Je nutné pracovat s nízkou teplotou katody. Parazitní proud I\ ~ AcIejy—, Ac -plocha kolektoru, Ie - anodový proud, Dac - vzdálenost anoda-kolektor. Proudy vyvolané elektronovou desorpcí - při bombardování povrchu elektrony se mohou uvolňovat neutrální atomy a molekuly, ionizované atomy a molekuly, disociované molekuly. • Iontový proud ze žhavené katody - katoda může emitovat i ionty, používat nízkou teplotu katody, projevuje se pouze při velmi nízkých tlacích. • Svodové proudy - nedokonalá izolace kolektoru od ostatních elektrod. Odstranění svodových proudů. F4160 8/35 Při činnosti ionizačního manometru dochází k zachycování iontů kolektorem a tím k čerpacímu efektu. Konstrukce manometru • s vnějším kolektorem - kolektor válcový, anoda válcová mřížka, katoda uvnitř anody • 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 10° Pa. □ B> 9/35 □ S" F4160 10 / 35 -iü«"^c Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků F4160 11 / 35 Měření probíhá ve dvou krocích • nejdříve spojíme modulátor s anodou(M —>■ A) • pak ho spojíme s kolektorem (M —>■ Z), část iontů proudí na modulátor M ^ A- I'c = S'p + I'x M^Z- ľ> = S"p + ľ> s" p = ±£—ta- X 'i ^ ť O/ __ o// můžeme měřit tlaky ~ 10_10Pa (tenze par W při T=2000K Pp ~ 10_10Pa) Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plynu. Chyba měření ~ 15%. Speciální modifikace vnořený manometr. F4160 12 / 35 UpA) ion 15 20 r (min) Obr. 5.49. Změny kolektorového proudu ÍQ při modulaci v Bayardově-Alpertově-Redheadově vakuometru. Zpomalené ustalování proudu /c je způsobeno mezi jiným sorpčními a desorpčními procesy na modulátoru □ ť5P ! / 35 /C'//0"W) P (Po) 10's V6 XT7 o"a w9 trM W2 ~ n-"' v13 iön tí" tí10 «ŕ tí8 n7 vs ŮIC(A) Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: ľe - při spojení modulátoru M s anodou (M -» A); ľ - při spojení modulátoru se zemí (M ^> Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu A/c je vyznačena čárkovaně □ g - = soao F4160 14 / 35 + 50V Ie'JOmA +200 V O-300V elektron o Jeho draho O » ion a jeho dráha Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A - mřížková anoda; K - katoda; C - kolektor; £ - stínění; S - prstencová elektroda (supresor) I0(A) — vďPa t ^ *fí7Pa *6,7tí"l =b \ -•^ _-6,7-KrPo 0 «XI 200 300 íOO Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu Jc na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p □ gi - = ^ -00*0 Obr. 5.53. Redheadův extraktorový vakuometr: a) schéma, b) konstrukční provedení. Stínění a baňka jsou na potenciálu katody (200 V), reflektor iontů je spojen s anodou (305 V) A — mřížková anoda jedné strany otevřená; E — stínění; K — prstencová katoda (thoriovaný wolfram); C - kolektor; M - modulátor; 1 - baňka s pokoveným vnitřním povrchem; 2 — reflektor iontů QOV Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů A — anoda; K — katoda; £j, £2 - clony; 0„ D2 - elektrody deflektoru; C - kolektor; S — supresorová mřížka; 1,2 — otvory v clonách F4160 17 / 35 1(A) V6 W KTe 10~9 JO* 10'" r« r'3 ,-» ,-is XT' _____________________!s_ _-=d________________tj_ opi Opi 003 QOÍ 005 B (TY □ s - = = o ^ c^ 5 60 5. •bi f7 ^.V/ ~ 50-c OJ t AO 0 OyS c 30 0 HjO/ yt^ 20 -60^ 10 (------'-------h ------'-------h- _i—\—i— L. 6 8 10x10 P (Torr) □ S F4160 19 / 35 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 o uid0 I ~ NeLidope kTE • Ne - počet elektronů emitovaných katodou za ls • Lí - dráha na které dochází k ionizaci • do - efektivní průměr molekuly plynu • U i - ionizační potenciál plynu • E - intenzita elektrického pole mezi K-A • p - tlak plynu I = Sp □ g - = l-OQsO F4160 20 / 35 a) Výbojový manometr - Penning □ S1 F4160 21 / 35 Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem- □ S1 F4160 22 / 35 to T* Výbojový manometr - inverzní magnetron D"! £ _1 i S1 F4160 Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru A — anoda K — katoda M — inffta irdžky, s1 F4160 24 / 35 B □ S1 F4160 25 / 35 • Penninguv manometr - Anoda ve tvaru válce, dvě ploché katody, magnetické pole kolmé ke katodě • Inverzní magnetron - Katoda ve tvaru válce, tyčová anoda, magnetické pole rovnoběžné s anodou Dolní hranice měřeného tlaku 10~7 Pa. Se stínící elektrodou dolní hranice tlaku 10~9 Pa. Horní hranice měřeného tlaku 10° Pa. 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%. F4160 26 / 35 Ionizační manometr s radioaktivním zářičem (Alfatron) Ionizace se uskutečňuje pomocí a - zářiče, zářič s velkým poločasem rozpadu (radium, 16001et) Iontový proud je úměrný tlaku Ip = S p S - závisí na druhu plynu, nepřímá metoda Dolní hranice měřeného tlaku 10~2 Pa, (fotoproud vyvolaný ß - rozpadem) Horní hranice měřeného tlaku 103 Pa. F4160 27 / 35 CM ''CH o uQ □ s F4160 28 / 35 Sorpční měřící metoda K měření tlaku můžeme využít závislosti objemové koncentrace na koncentraci povrchové. ns = VT t - je doba pobytu molekul na stěně, ns - je povrchová koncentrace 1 p N' v = -nva : p = nkT => ns = = r = —- 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 Ač se vlákno zahřeje a tím se uvolní molekuly adsorbované během této doby. Jiným manometrem (nejčastěji ionizačním se žhavenou katodou) se změří tlak p'. F4160 29 / 35 Předpoklady t > At ; p' » p N' , N'kT . p'V v =------ • v =-------=> N = -— AAt 'V v kT p = v\/2iľkTmo => p = \/2irkTmo J\Ĺ\b At Měříme pouze průměrný tlak během doby Ač. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou, že na konci doby Ač není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul ~ 10~7 Pa . Zdola není měřený tlak omezen. F4160 30 / 35 Indikace tlaku podle výboje Pouze přibližná metoda. P[Pa] Tvar výboje 5 x 103 - 103 hadovitý výboj 103 - 5 x 102 elektrody se pokryjí doutnavým světlemj 102 kladný sloupec vyplní 2/3 trubice 5 x 101 vrstvy v kladném sloupci 10 vrstvy mizí, záporné světlo 1/2 trubice 5 záporné světlo v celé trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí F4160 31 / 35 Manometr metoda min [Pa] max [Pa] ionizační se žhavenou katodou nepřímá 10-io 10° ionizační se studenou katodou nepřímá 10-9 10° ionizační s radioaktivním zářičem nepřímá IQ"2 ÍO3 sorpční metoda nepřímá io-7 F4160 32 / 35 Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme známou čerpací rychlostí. Pak platí I Mezi vývěvu a kalibrační komoru se zařazuje kruhová clona se známou vodivostí. Vodivost clony je řádově menší než čerpací rychlost (eliminace fluktuací čerpací rychlosti). Nutno zajistit izotermičnost měření. Je nutné udržet konstantní proud plynu I, konstantní čerpací rychlost vývěvy, molekulární režim proudění clonou. Měřící rozsah 10_1 — 10_5Pa, v daném rozsahu nejpřesnější. □ g ~ - 1 -OQ.O F4160 33 / 35 Rozprašovač plynu Hlavní vývěva "^H|iiiiiiiiiiiiiiiiniii|f^> O Předčerpávaci vývěva < Ě51 ► < -š ► F4160 34 / 35 i Speciální clony NPL (vyrábí National Physical Laboratory) □ s F4160 36 / 36