Чувствительность ионизационных манометров к различным газам
Чувствительность ионизационных манометров к различным газам
На рис. II 1.54 показаны экспериментальные зависимости эффективности ионизации для различных газов от энергии электронов Ve. Из рисунка видно, что для всех газов эффективность ионизации увеличивается при увеличении энергии электронов, затем проходит через максимум (Ve~804-120 эв) и снова падает. Для интервала
энергий от потенциала ионизации Vi до 500 эв можно пользоваться приближенной аппроксимацией для Se
где а и b — постоянные величины, зависящие от рода газа. Значения а и b для некоторых газов приведены в табл. Ш.З.
Таблица 111.3
|
Постоянные |
Н 1 |
Не |
Ne |
Аг |
n2 |
О2 |
Hg |
со |
|
Vi, в |
13,6 |
24,6 |
21,6 |
15,8 |
14,5 |
12,6 |
10,4 |
14,1 |
|
а |
750 |
429 |
1780 |
3850 |
3320 |
4450 |
5790 |
3850 |
|
b |
50,7 |
85,5 |
148,5 |
74,3 |
81 |
107,5 |
74,6 |
88.,4 |
Для удобства пользования формулой (III.49) в справочниках обычно приводятся значения
Чтобы иметь представление о величине поправки, связанной с чувствительностью ионизационных манометров к различным газам, в табл. Ш.4 даны экспериментальные значения обратной относительной чувствительности /qi для манометрического датчика типа ЛМ-2 (ПМИ-2).
Таким образом, определив величины Se для данного газа, всегда можно оценить общее число ионов nit образованных пе электронами на пути L при давлении р. Так, для плоской системы электродов и постоянной энергии электронов
Следовательно, чувствительность ионизационного манометра k можно связать с эффективностью ионизации Sc, воспользовавшись выражениями (III.43) и (III.46),
Но так как чувствительность k входит в выражение для постоянной ионизационного манометра (C—Iek)t определяемой экспериментально из градуировочных графиков, то при практической работе, кроме градуировочного значения С, получаемого обычно для сухого воздуха, нужно знать пересчетный коэффициент учитывающий род газа. Этот коэффициент может быть или рассчитан, или получен экспериментально и представляет собой отношение чувствительности манометра для данного газа kr к чувствительности по сухому воздуху £в
Если датчик вакуумметра проградуирован в единицах давления по воздуху, а требуется измерять давление какого-то другого газа, то истинное давление этого газа рГ может быть получено делением измеренного кажущегося давления рв на относительную чувствительность датчика q-t к данному газу, т. е.
Таблица Ш.4
|
Газ |
N. (воз-(ДУХ) |
н. |
Не |
Ne |
Аг |
Кг |
Хс |
о. |
со2 |
со |
н3о |
|
1 |
2,18 |
5,9 |
4 |
0,76 |
0,51 |
0,37 |
1,05 |
0,65 |
0,9 |
1.1 |
с радиоактивными источниками
Одним из недостатков термоэлектронных ионизационных манометров является наличие накаливаемого катода, который обладает ограниченным сроком службы и часто выходит из строя, если в датчик манометра (при раскаленном катоде) попадает воздух при давлении, превышающем 10-3 мм рт. ст. Поэтому стремление избавиться от накаливаемого катода, сохранив при этом принцип измерения давления по ионному току, привело к созданию манометров с радиоактивными источниками. Источником ионизации в этих манометрах служит а-, р- или у-излучение естественно радиоактивных веществ (например, радия) или некоторых видов стабильных радиоактивных изотопов (кобальт-60, полоний-210, плутоний-239 и Др.).
Учитывая, что выходы ионизации, вызванной а-, (3- и у-излучениями, при прочих равных условиях относятся между собой как IO4:102:1, наиболее целесообразно применение радиоактивных веществ, излучающих а-частицы (отсюда и название — альфатронные манометры). а-Час-тица представляет собой двухзарядный положительный ион гелия, обладающей очень большой начальной энергией. Так, а-частицы, образующиеся при распаде атомов радия, имеют энергию ~4,8- 10б эв. Для того чтобы ускорить до такой энергии ион гелия в электрическом поле, нужно иметь разность потенциалов 2,4-106 в.
Эффективность ионизации а-частицы Sa (число пар ионов, образованных одной a-частицей на пути в 1 см при давлении 1 мм рт. ст.) может быть найдена из выражения
Манометры
где Vo — начальная энергия а-частицы, эв
Vi — потенциал ионизации молекулы или атома соответствующего газа, эв
L — полная длина пробега а-частицы при давлении 760 мм рт. ст.
Оценка ионизирующей способности а-частиц показала, что при подходящей конструкции датчика ионные токи могут быть измерены обычными схемами с применением усилителей постоянного тока уже при давлении ~ 10-3 мм рт. ст.
На рис. III.55 схематически показан датчик радиоактивного манометра и упрощенная измерительная схема. Он состоит из металлического баллона 2, в котором помещены радиоактивный источник 1 и коллектор ионов 3. Последний находится под отрицательным потенциалом по отношению к источнику радиоактивного излучения и улавливает ионы, образованные при ударе а-частиц о встречные молекулы газа. Выбитые из молекул в том же количестве электроны улавливаются анодом 4.
Так же как и в термоэлектронных ионизационных манометрах, градуировочные кривые манометров с радиоактивным источником представляют собой прямые линии, подтверждающие линейную зависимость между ионным током и давлением (рис. III.56). Как видно из рисунка, линейность градуировки сохраняется от нижнего предела давления (10~3 мм рт. ст.), определяемого возможностями измерительной схемы и током вторичных электронов, выбиваемых а-частицами со стенок коллектора ионов, до 10 мм рт. ст. При более высоких давлениях из-за эффектов объемной рекомбинации ионов (превращения их в нейтральные атомы) линейность градуировки нарушается, но достаточно высокая чувствительность манометра сохраняется до давлений в несколько сот миллиметров ртутного столба.
В некоторых разновидностях радиоизотопных манометров используются источники (3-частиц, которые представляют собой электроны, движущиеся с большими начальными скоростями. В этом случае радиоактивным веществом может служить тритий, сорбированный титановой пленкой, нанесенной на подложку из нержавеющей стали. Средняя энергия (3-частиц такого источника порядка 5 кэв. Поэтому обращение с датчиком вполне безопасно, поскольку стенки камеры уже сами обеспечивают достаточную защиту.
Диапазон измерений радиоактивного манометра с источником p-излучения находится в пределах 10“5— 1 мм рт. ст. Здесь, как и в обычных термоэлектронных ионизационных манометрах, нижний предел измеряемых давлений ограничивается влиянием фонового тока, обусловленного рентгеновским излучением, возникающим в результате соударений 0-частиц со стенками камеры, а верхний предел связан с заметным поглощением 0-частиц газом.
Другая разновидность радиоизотопного манометра с источником 0-излучения схематически показана на рис. Ш.57. Датчиком такого манометра является конденсатор, помещенный в баллоне, связанном с откачиваемым объемом. Па одну из обкладок конденсатора нанесен источник p-излучения, например изотоп радиоактивного элемента прометия Рт147. В этом случае p-излучение, кроме ионизирующего действия, заряжает конденсатор до напряжения V, которое можно измерить ЭЛеКтростатическим вольтметром. Из-за присутствия в цепи конденсатора ионного тока, связанного с ионизирующим действием p-излучения, величина V будет зависеть от давления, и ее можно принять за меру изменения давления в объеме. На рис. Ш.58 показана градуировочная кривая одного из манометров с конденсаторным датчиком. Пределы измеряемых .давлений здесь обычно 10~2— 1 мм рт. ст.
Чувствительность манометров с радиоактивными источниками также зависит от рода газа, давление которого измеряется. Для источников а- и p-излучения эта зависимость различна и связана с конструктивными особенностями датчика.
Г радуировка вакуумметров производится путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных манометров (например, жидкостных U-образных, компрессионных и др.) и образцовых приборов других типов с заведомо точно известным давлением. Градуировка манометров, которые используются в качестве эталонных, точно определяется- расчетным путем, независимо от каких-либо сравнительных измерений давления. Погрешность их градуировки не должна превышать 1,5% • Такие приборы называют образцовыми манометрами первого разряда. Другие манометры, используемые в качестве образцовых, предварительно проградуированные по приборам первого разряда, называют образцовыми второго разряда и т. д. Погрешность этих приборов может достигать 10—15%.
При градуировке вакуумметров в диапазоне давлений 760—10-5 мм рт. ст., как правило, их непосредственно присоединяют к объему, откачанному до калибровочного давления р. При более низких давлениях (<10“5 мм рт. ст.) применяют косвенные методы градуировки, например метод изотермического расширения, метод постоянного объема и метод переменной проводимости.