Вакуумметрия

(от Вакуум и ...метрия (См. …метрия)) совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) — ньютон на квадратный метр (н/м2). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. Ст. 1 мм рт. Cт. = 133,322 н/м2. Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений (рис. 1). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические.

Этими вакуумметрами измеряют полное давление. При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления (См. Парциальное давление) компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров (См. Масс-спектрометры) и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 103—10-10 н/м2 (10— 10-12 мм рт. Ст.). В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре (рис. 2) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении рв, а в другом — при известном (опорном) давлении рк.

Если плотность жидкости ρ, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h. рв — pk = gρh, где g — ускорение свободного падения. Обычно pk « рв. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла (См. Вакуумное масло)) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров. Проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10-1 н/м2 (10-3 мм рт. Ст.). В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану).

Например, в мембранном вакуумметре (рис. 3) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100—1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 102 н/м2(1 мм рт. Ст.). Компрессионным вакуумметром (рис. 4) можно измерять более низкие давления 10-3 н/м2 (10-5 мм рт. Ст.). Действие такого вакуумметра основано на Бойля - Мариотта законе. Основные части прибора. Баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление.

Снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p1 ≥ р в малом объёме запаянного капилляра где h — высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p1 определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта p = p1 V1/V, таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V. Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа. Для измерения вакуума до 10-2 н/м2 (10-4 мм рт. Ст.) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления.

Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению. В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода (рис.

5). Катод К, анод А, создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации. Отрицательный коллектор Кол, собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. Рис. 1). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта (рис. 6), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10-8 н/м2 (10-10 мм рт. Ст.). Ионизационный вакуумметр Лафферги (рис.

7) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра — 10-11 н/м2 (10-13 мм рт. Ст.). Для измерения давлений до 10-5 н/м2 (10-7 мм рт. Ст.) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (Альфатрон), в котором ионизация газа осуществляется α-частицами. В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10-12 н/м2 (10-14 мм рт. Cm.). Вакуумметр (рис. 8) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А, плоскость которого параллельна пластинам.

Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н = 32 ка/м (400 э). Направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U = 2—3 кв через сопротивление R = 1 Мом. Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10-2 н/м2 (10-4 мм pт. Ст.), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) — до 10-12н/м2 (10-14 мм рт.

Ст.). Вязкостный вакуумметр применяют в лабораторной практике для измерения давлений до 10-4 н/м2 (10-6 мм рт. Ст.). Принцип его действия основан на зависимости вязкости разреженного газа от его давления. Существуют демпферный вязкостный вакуумметр и вязкостный вакуумметр с диском. В первом мерой давления служит время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. Во втором — вращающийся с большой скоростью диск передаёт через газ вращающий момент др. Диску, подвешенному на тонкой нити. Угол поворота этого диска служит мерой давления. В радиометрическом вакуумметре используется Радиометрический эффект. Между двумя неодинаково нагретыми пластинами, помещенными в разреженный газ, возникают силы, отклоняющие пластины на величину, пропорциональную давлению газа.

Показания такого вакуумметра почти не зависят от природы газа. Предел измерения 10-5 н/м2 (10-7 мм рт. Ст.). Лит. Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. С англ., М., 1964. Эшбах Г. Л., Практические сведения по вакуумной технике, М.—Л., 1966. Лекк Д. Х., Измерение давления в вакуумных системах, пер. С англ., М., 1966. Востров Г. А. И Розанов Л. Н., Вакуумметры, Л., 1967. А. П. Аверина, А. М. Григорьев, Л. П. Хавкин. Рис. 1. Диапазоны рабочих давлений различных вакуумметров (пунктирными линиями показаны предельные давления). Рис. 2. Жидкостный U-oбразный вакуумметр с открытым (а) и закрытым (б) коленом. Рис. 3. Мембранный вакуумметр. 1 — мембрана. 2 — корпус. 3 — передняя прозрачная поверхность вакуумметра. 4 — присоединительный фланец. 5 — система рычагов.

6 — стрелка. Рис. 4. Схема компрессионного вакуумметра Мак-Леода. Рис. 5. Схема ионизационного вакуумметра. А — анод. К — катод. Кол — коллектор. Рис. 6. Лампа Байярда-Альперта. 1 — анод. 2 — катод. 3 — коллектор. А — анод. Рис. 7. Вакуумметр Лафферти. 1 — катод. 2 — анод. 3 — коллектор. 4 — экран. 5 — магнит. Н — напряжённость магнитного поля. Рис. 8. Схема магнитного электроразрядного вакуумметра. Р — давление, N и S — сев. И юж. Полюсы магнита. А — анод. К — катод. Н — нарпряженность магнитного поля. Г — гальванометр..