Что и как измеряют в вакууме

Для определения вакуума в первую очередь надо измерять концентрацию молекул. Поскольку в вакууме могут быть элементы разных газов, то хорошо бы уметь измерять их концентрации. Далее, хотелось бы уметь измерять поток молекул, т. е. поток газа, откачиваемого из вакуумных камер, так как этот поток характеризует, например, процесс удаления газов из материалов, помещенных в камеру, да и из самой камеры (этот процесс называется обезгаживанием). Хотелось бы знать, из каких объектов или мест самой камеры выделяется газ, какой и сколько. Хотелось бы знать и скорость откачки вакуумных насосов и предельный вакуум, ими создаваемый.

Чтобы определить поток, необходимо измерить давление газа в камере и знать скорость откачки. Если скорость откачки из камеры U, а давление в ней Р, то поток газа, удаляемого из камеры, будет Q = PU. Но скорость откачки из камеры не всегда известна, поэтому поток чаще всего измеряют иначе — методом двух вакуумметров. Суть этого метода в следующем. Если в двух разных сечениях трубопровода, ведущего от вакуумной камеры к насосу, измерять давление газа, то его значения окажутся различными.

Действительно, если давление в двух точках одинаково, то потоки газа из камеры в насос и обратно равны и откачки газа как будто бы нет (хотя откачиваться может один газ, а поступать обратно — другой!). Если же давление в камере больше давления на входе насоса, то удаляемый поток больше потока, возвращающегося в камеру, и разность потоков, называемая обычно откачиваемым потоком, будет пропорциональна разности этих давлений.

Измерение предельного вакуума, очевидно, сводится к измерению давления, создаваемого насосом при отсутствии газового потока на входе в насос, т. е. при отсутствии газовыделения со стенок откачиваемого объема и попадания молекул из атмосферы, Предельный вакуум зависит от скорости откачки насоса и потока газов, проникающих обратно из насоса в откачиваемый объем. Скоростью откачки вакуумных насосов называют отношение потока откачиваемого газа к давлению на входе насоса.

Какие же бывают вакуумметры? Начнем с приборов, измеряющих именно давление, а не концентрацию. Один из таких приборов вам, конечно, известен, и называют его или барометром (при измерении атмосферного давления), или манометром* Измеряет этот прибор разность давлений по обе стороны деформируемой стенки (например, мембраны). Принципиальная схема прибора показана на рис. 8 (метод измерения перемещений мембраны может быть любым). Поскольку деформация мембраны зависит от разности давлений, то можно измерять разности давлений, или же одно из давлений должно быть известно, чтобы можно было измерять другое. Возможны, в принципе,/(ва варианта: а) когда одно из давлений атмосферное; б) когда с одной из сторон мембраны имеется откачанный до известного вакуума герметичный объем. Диапазон давлений, измеряемых такими приборами, составляет от 10⁶ Па (10 атмосфер) до 10 Па. Расширение диапазона в сторону больших давлений не представляет трудностей, а вот в сторону меньших давлений— сложнее: деформации гибких элементов становятся столь малыми, что измерять их становится трудно.

Давление измеряют и ртутные манометры. Вместо мембраны в них используется ртуть, помещенная в U-образную трубку. Конструкция простейшего такого прибора вам, конечно, известна, и поскольку на заре вакуумной техники они были основными приборами для измерения вакуума, конструкция их постоянно совершенствовалась и ценой усложнения удалось увеличить их чувствительность. Однако высокий вакуум этими вакуумметрами измерять все же нельзя (чувствительность при низких давлениях мала), к тому же пары ртути ядовиты,

проводность перестает зависеть от давления *). При меньших давлениях теплопроводность газа оказывается так мала, что отвод тепла от проволоки по газу становится немного меньше отвода тепла излучением. В этом случае изменение давления газа и, следовательно, отвод тепла по нему, перестают влиять на температуру проволоки. Этими факторами определяется диапазон давлений, которые можно измерять вакуумметром.

Кроме перечисленных выше факторов, на показания вакуумметра влияет доля энергии молекулы, отданная проволоке при соударении. Эту величину можно вычислить так. Если атом со скоростью v и массой налетает на атом, находящийся на поверхности, с массой т₂, то он улетает со скоростью и = р(т_х — т₂)/(т₁ + т₂ Отношение отданной энергии (т^² — — т^и²)/! к исходной т^²/2 будет равно           + т₂)².

На практике эта формула соблюдается не очень строго, в частности, из-за многократных отражений (см. рис. 10). Влияние массы молекул на долю энергии, отданной при соударении, приводит к тому, что селективность получается не совсем такая, как должна была бы быть по формуле для потока тепла в

вакууме. Действительно, как показывает опыт, при равных давлениях газов Н₂, Не, N₂, Ne, Аг, Кг показания вакуумметра относятся как 1,6:1,2 :1,0:0,8 :0,6:0,5. Видно, что зависимость слабее, чем корень квадратный из массы, входящий в формулу для потока тепла в вакууме.

Мы переходим к наиболее распространенному вакуумметру — ионизационному. Работа этого вакуумметра основана на ионизации находящихся в вакууме молекул электронами и сборе получившихся ионов на специальный электрод. Чем больше в вакууме молекул, тем больше получается ионов. Пусть в вакууме находятся три электрода (рис. 11): катод — накаленная проволока, испускающая электроны; анод — электрод, находящийся относительно катода под положительным потенциалом (около 100 — 200 В) и собирающий электроны, и электрод, находящийся относительно катода под отрицательным потенциалом (около 50 В), называемый коллектором и собирающий ионы. Две основные проблемы, которые приходится решать при конструировании датчика ионизационного вакуумметра,—это как удлинить траекторию электронов, чтобы

увеличить вероятность ионизации молекул, оставшихся после откачки в вакууме, и как собрать все ионы на коллектор. Чем больше ионов будет собрано на коллектор, тем больше будет ионный ток при одном и том же вакууме и тем легче будет его измерить.

Ионизационный вакуумметр существенно влияет на измеряемый вакуум. С одной стороны, накаленный катод имеет заметное газовыделение — газовые примеси диффундируют в проволоке и выделяются в вакуум. С другой стороны, вакуумметр откачивает газы, а ионы, попадая на коллектор (или другие детали датчика), могут внедряться в него. Обычно откачка преобладает над газовыделением. Казалось бы, чем плохо — лишний насос в вакуумной системе? Плохо это тем, что вакуумметр часто присоединяется к вакуумной системе через трубку. Если по трубке идет поток газа, то, как мы уже знаем, на ее концах будут разные давления. А желательно, чтобы в вакуумметре было то же давление, что в вакуумной системе,— ведь вакуумметр измеряет давление в самом себе. Поэтому надо заботиться о том, чтобы давление в вакуумметре было как можно ближе к давлению в системе. Искажение показаний может быть настолько велико, что иногда предпочитают вводить датчик прямо в откачиваемый объем, избавляясь от соединительной трубки.

Катод у датчика термоэлектронный, т. е. горячий, а на горячей поверхности интенсивно проходят разные реакции, изменяющие состав газов. Для катода ионизационного вакуумметра чаще всего используется вольфрамовая проволока, нагретая до 2500 К. Попав на поверхность такого катода, молекулы углеводородов (последствие применения механических и диффузионных насосов, содержащих’ масло) разлагаются (водород диссоциирует, кислород взаимодействует с вольфрамом и мгновенно испаряется в виде окиси вольфрама, углерод взаимодействует с кислородом и водой, давая окись углерода, и т. д.), что приводит к увеличению давления в вакуумметре. Поэтому одно из направлений совершенствования ионизационных вакуумметров — применение в них холодных катодов, использующих не термоэлектронную эмиссию, а другие ее виды.

Наличие накаленной проволоки уменьшает надежность вакуумметра. Действительно, чем хуже вакуум, тем быстрее испаряется вольфрам (в виде его окиси) и тем меньше срок службы прибора. Чтобы уменьшить влияние вакуума на работу прибора, катод иногда выполняют из иридиевой проволоки, покрытой окисью иттрия. Такой катод даже называют воздухостойким. Он обеспечивает ту же эмиссию при меньшей температуре, вдобавок иридий вообще окисляется медленнее, чем вольфрам, а при меньшей температуре — еще медленнее. Применяя такой катод, ионизационным вакуумметром удается измерять давления до 10 Па.

Молекулы, оставшиеся в «вакууме», могут оказывать отрицательное влияние на работоспособность датчика ионизационного вакуумметра не только из-за окисления катода. Нежелательные процессы происходят и на аноде. Как уже говорилось, молекулы масла, попав на накаленный вольфрамовый катод, разлагаются. На аноде ситуация иная: молекулы масла, находящиеся на поверхности, облучаемой электронами, могут полимеризоваться и образовать тонкую пленку. В зависимости от условий образования такая пленка может быть как проводящей, так и изолирующей. Во втором случае пленка заряжается электронами отрицательно, и электроны перестают долетать до анода, так как отрицательный заряд на пленке отталкивает их. Надо сказать, что полимерные пленки могут образовываться во всех приборах, где есть пары масла и электронный пучок *).

Заметим, что теплоэлектрический вакуумметр гораздо более неприхотлив, чем ионизационный: температура проволоки в нем мала и его можно включить даже при атмосферном давлении, газов он не выделяет и не откачивает.