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 n, = 70 ; 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 Ionizační manometr se žhavenou katodou Katoda vytváří elektronový proud /e, který ionizuje plyn. Kolektor sbírá kladné ionty. Ip - proud kladných iontů na kolektor, le - emisní elektronový proud na anodu, p - tlak plynu Ip = K0lep => p = KolPa^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 133 Pa a teplotě 273 K. Závisí na energii elektronů - tedy na urychlovacím napětí. He Ne H2 N2 CO o2 Ar Hg 1.2 3 3.7 10 11 12 13 19 umax[v] 110 170 65 95 100 120 90 85 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. 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 = lP = K0lep Ve skutečnosti se mohou v obvodu kolektoru projevit parazitní proudy. / 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 \\ ~ Acle-^, Ac - plocha kolektoru, le - anodový proud, D&c - 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. 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 Pa) než uspořádání s vnějším kolektorem. Spodní hranice měřitelného tlaku je dána zejména parazitním foto-proudem. Maximální měřitelný tlak 10° Pa. 10 / 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 ; l'c = S'p + l'x M Z ; l'c'= S"p + % S»-90V Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů .4 - anoda; K — katoda; £], E2 — clony; Dt, 0, — elektrody deflektoru; C — kolektor; S — supresorová mfižka; 1,2 — otvory v clonách □ ► < & ► c) »-»I-1-1-1-1-1 o qoi q& oca qa cos b m 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 / = f(p). 0 uid0 I ~ NeLjdQpe i ns = \j2-KkTrriQ P Předpoklady r > Aŕ ; p1 > p A/' , N'kT . p1 V v =- ; p =-=4> /V = -— ^Aŕ V A-7" p = v\/2-KkTmn =4> p =-\/2-KkTmn AAt P' H Aŕ Měříme pouze průměrný tlak během doby Aŕ. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou, že na konci doby Aŕ není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul ~ 10~7 Pa . Zdola není měřený tlak omezen. F4160 30 / 35 Indikace tlaku podle výboje 3ouze 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 Manometr metoda min [Pa] max [Pa] ionizační se žhavenou katodou nepřímá 10-io 10° ionizační se studenou katodou nepřímá ítr9 10° ionizační s radioaktivním zářičem nepřímá io-2 103 sorpční metoda nepřímá ítr7 F4160 32 / 35 Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme známou čerpací rychlostí. Pak platí 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. F4160 33 / 35 Rozprašovač plynu Kalibrační komora Clona Prutokoměr Hlavní výveva T-||iii«»iihi[«i||-[^ Předčerpávaci výveve +- Speciální clony NPL (vyrábí National Physical Laboratory)