Měření vakua. Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 1

Transkript

1 Měření vakua Je třeba měřit vakuum ve velkém rozsahu (10-10 až 10 5 Pa) Používají se mechanické a elektrické principy Co požadujeme po vakuometrech: - absolutní měření a nezávislost údaje na druhu plynu - vysoká citlivost - mechanická odolnost měrek - snadná zpracovatelnost signálu - lineární stupnice? -většinou nízká cena? Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 1

2 Absolutní vakuometry - principy Torriceli trubice: F m. g ρ. V. g ρ. S. h. g p = = = = p = ρ. g. h S S S S p tlak; F - síla působící na plochu S; m hmotnost; g gravitační zrychlení; V - objem; ρ - hustota; h výška sloupce kapaliny; Pro definovanou kapalinu je hustota a g stejné - Tlak je úměrný výšce sloupce kapaliny pro Hg jsou mm ekvivalentní Torr Zvýšení citlivosti náklon ramene namalovat Snížení citlivosti rozšířená část ramene Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 2

3 Absolutní vakuometry Mc Leodův kompresní vakuometr Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 3

4 Mc. Leodův kompresní vakuometr jiné provedení Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 4

5 Ionizační vakuometry Elektrická ionizace měřeného plynu ionizace vznikne nejčastěji nárazem elektronů vyletujících z katody, mají malou citlivost, počet ionizovaných částic je malý, jsou citlivé na přerušení vlákna, snaha ionizaci zvětšit otázka jak Ionizace je lineárně závislá na tlaku a) Ionizační se žhavou katodou použitelné do tlaku 10-6 Pa (záleží na konstrukci), horní limit je 10-1 Pa b) Vakuometry s neregulovanou ionizací Penningův vakuometr Použití pro tlaky (hoří výboj) od 10 0 Pa až do 10-5 Pa speciální konstrukce 10-6 Pa, zda výboj hoří, to záleží na tlaku a vzdálenosti elektrod (p.d), Paschenova křivka Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 5

6 Neutrální a ionizovaný plyn Ionizace plynu.. ztráta elektronů zářením - ve vak. tech. se nepoužívá teplem ve vak. tech. se nepoužívá nárazem používá se K ionizaci používáme letící elektrony s energií větší jako ionizační Namalovat obrázek ionizace Ionizační potenciál u i = q e.u [ ev] Pro ionizaci je třeba splnit podmínku 1 µ 2 ev e U 2 i q e Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 6

7 Pohyb elektricky elektronů v elektromagnetickém poli Síla působící na elektrony v elektromagnetickém poli Lorentzova síla r r rr B // v = [ Bv] 0 r F e = e r r r ( E + [ vb] ) = ee + e[ Bv] r r r r r B v F = ebv 0 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 7

8 Pohyb elektricky nabitých částic (elektronů) v magnetickém poli Hulínský,Jurek, Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL 1982 r [ rr = e Bv] r [ rr] 0 F m Jeli B kolmé na v, dráha elektronu se zakřiví. Platí rovnováha 2 m v e e 0 m v0 = ebv r = 0 r Pravidlo pravé ruky: Pravou ruku dáme prsty do směru pohybu elektronů tak, aby siločáry vstupovaly do dlaně palec ukazuje směr síly působící na elektron. r B // v Bv = r r B v F = ebv 0 eb Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 8

9 Pohyb elektricky nabitých částic v magnetickém poli Hulínský,Jurek, Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL 1982 Dráha elektronu šroubovice r = m v e eb r Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 9

10 Pohyb elektricky nabitých částic v elektrickém poli Hulínský,Jurek, Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL 1982 Příčné homogenní elektrostatické pole rovnoběžné elektrody. Vektor intensity el. pole E o složkách E x,e z =0, E y =/E/ y = 1 2 ee m Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 10 y e x v 0 2

11 Závislost zápalného napětí plynů na tlaku a vzdálenosti elektrod (Paschenova křivka) Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 11

12 Ionizační vakuometry se žhavou katodou (regulovaná ionizace) I i = Ie l l Dosadime zavislost l na tlaku I i = d. p. l C. l. p I π 2 2 kt = I e I e = C. l. p = k p k konstanta vakuometru i. Vztah platí přibližně, každá srážka neionizuje, elektrody nejsou rovinné zavádíme korekční činitel C Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 12

13 Některé provedení měrek ionizačních vakuometrů Namalovat obrázek základního provedení Alpert-Bayardova měrka malá plocha kolektoru pro omezení Roentgenova záření limit tlaku do Pa. Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 13

14 Princip ionizačních Penningových vakuometrů neregulovaná ionizace V prostoru hoří doutnavý výboj, prochází proud mezi elektrodami. Velikost proudu závisí na tlaku Jak se zvýší citlivost a měřící rozsah? Měřící rozsah tlaků musíhořet výboj Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 14

15 Ionizační vakuometry s neregulovatelnou ionizací (Penning) Co je to paměťový efekt u penningových vakuometrů -hoří doutnavý výboj, katoda se naprašuje, napařený kov absorbuje plyn, který se při nižším tlaku opět uvolňuje vakuometr ukazuje vyšší tlak Omezení paměťového efektu je možné zmenšením anody Moderní konstrukce konstrukce, kdy magnetické a elektrické pole jsou na sebe dokonale kolmé vysoké napětí je méně jako 2 kv Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 15

16 Ionizační vakuometry s neregulovatelnou ionizací (Penning) V prostoru hoří doutnavý výboj, prochází proud mezi elektrodami. Velikost proudu závisí na tlaku Měřící rozsah tlaků musíhořet výboj, závisí na konstrukci, v praxi 10-4 až 10-5 Pa ( Torr) Staré provedení velká citlivost Nové provedení malý paměťový efekt Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 16

17 Tepelné vakuoměry Využívají závislosti tepelné vodivosti plynu na tlaku ν ξ ν l x ξ p ný 1 ( ) 2 ν = k. p. µ T 3 ξ =η 2 ksí Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 17 R

18 Tepelné vakuoměry Využívají závislosti tepelné vodivosti plynu na tlaku chlazení vhodného kovového elementu plynem v prostoru. Vyhodnocuje se, -změna elektrického odporu drátu odporový vakuometr (Pirani) -změna termoelektrického napětí termočlánkový vakuometr -změna tvaru vhodného elementu (bimetalový, dilatační vakuometr) - pracují pouze v oblasti molekulární vodivosti, použití je ovlivněno průměrem drátu, pro vzduch je-li průměr 10-1 mm.. tlaky 100 Pa Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 18

19 Princip - vakuoměry odporové - Pirani Drátek vyhřívaný konstantním příkonem drátek musí mít vysoký koeficient odporu Nejčastěji se používá platina Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 19

20 Vlastnosti Piraniho vakuometrů Výkon odváděný z vlákna P = P + P + p z P d Výkon je úměrný tlaku plynu, akomodační konstantě vlákna, ploše vlákna Tepelná vodivost uchycení vlákna Výkon odváděný v důsledku tepelného záření je úměrný vyzařovacímu součiniteli, čtvrté mocnině teploty, ploše drátku uvést podrobné vztahy Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 20

21 Pirani Vakuometr zapojení měrek. Měření při konstantní teplotě vlákna, nebo při konstantním příkonu - popsat Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 21

22 Termočlánkové vakuometry Teplota vlákna je měřena termočlánkem přímo, nebo je termočlánek připevněn na vlákno Měřený rozsah: 10 3 Pa to 10-2 Pa (10 Torr to 10-4 Torr) Jsou jednoduché, spolehlivé, málo choulostivé Mají všechny nevýhody tepelných vakuometrů malý měřící rozsah Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 22

23 Termočlánkové vakuometry-závislost na druhu plynu Plyn: CH 4 H 2 H 2 S SO 2 C 2 H 2 CO 2 CO Air He Ne Ar R:? 0,61 0,67 0,71 0,77 0,79 0,86 0,94 1,00 1,12 1,31 1,56 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 23

24 Tepelné vakuometry - shrnutí - Neovlivňují měřený systém -Dobře se odplyňují -Měřící odchylky pro známý plyn jednotky %, neznámý plyn a směsi stovky % -Měřící rozsah desetiny až stovky Pa -Měří celkový tlak plynů a par -Před měřením je třeba měrku stabilizovat a odplynit průchodem proudu 3x větším Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 24

25 Kapacitní vakuometry Systém BARATRON Pro určitý rozsah tlaků je nutno použít jinou měřící hlavu, stabilní systém Systém je odolný, používá se při plasmovém leptání Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 25

26 Kapacitní vakuometry Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 26

27 Membránový vakuometr Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 27

28 Bourdonův vakuometr Konstrukce: -měděná trubice oválného průřezu připojená na vakuum - atmosférickým tlakem působícím okolo se trubice deformuje - deformace se převádí na pohyb ručky - užívá se do 100 Pa pro orientační měření Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 28

29 Dilatační vakuometry Měřící rozsah 100 Pa až 10-1 Pa, malá citlivost Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 29

30 Viskózní vakuometry Závislost viskosity plynu na tlaku v molekulární oblasti zředěný plyn unáší, nebo brzdí plochu Údaj vakuometru je závislý na molekulové hmotnosti plynu Minimálně ovlivňují tlak a složení plynu, odolávají agresivním plynům Měřící rozsah závisí na konstrukci 1 Pa až 10-5 Pa Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 30

31 Viskózní vakuometry Závislot viskosity plynu na tlaku v molekulární oblasti zředěný plyn unáší, nebo brzdí plochu Velikost přenosové síly = τ konst. p. n. Minimálně ovlivňují tlak a složení plynu, odolávají agresivním plynům Měřící rozsah závisí na konstrukci 1 Pa až 10-5 Pa M Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 31

32 Molekulární vakuometry Na pohyblivou destičku (B) budou dopadat rychlejší molekuly s větší energií, kterou získaly od vyhřáté destičky, rámeček se bude vychylovat. Teplota destiček se měřítermočlánkem, nebo z odporu destiček Absolutní měření, nezávislé na povaze plynu, chyba 5 až 10%, měřící rozsah 1 až 10-6 Pa, chouloustivý systém pro laboratorní měření Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 32

33 Regulace vakua Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 33

34 Hmotové spektrometry Je možno s nimi měřit parciální tlaky zbytkových plynů -V ionizační komoře se bombardují částice zbytkových plynů elektrony a vznikají ionty. Tyto se pohybují po zakřivené dráze na iontový kolektor. Poloměr zakřivení je závislý na hmotnosti iontu a jeho energii. -Výsledkem je diagram s peaky charakteristickými pro určitou látku Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 34

35 Hmotové spektrometry princip Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 35

36 Hmotové spektrometry princip Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 36