Немного о метрологии

Метрология — это наука об измерениях. Некоторые величины, например длину, можно измерять непосредственно, сравнением измеряемой длины и эталона. Однако большинство величин измеряется косвенно — путем преобразования одних в другие и сравнения с эталонами уже преобразованных величин. Конечным звеном всей длинной цепочки является человек, который делает соответствующее заключение в зависимости от того, левее или правее деления на шкале прибора находится стрелка. Действительно, в подавляющем большинстве случаев приборы преобразуют величину, которую измеряют, в зрительные образы. Почти в любом приборе — и весах в магазине, и часах на руке, и спидометре в машине — есть стрелка или цифры, на которые мы смотрим.

В тех случаях, когда при измерении одни величины преобразуются в другие, а другие — в третьи, в качестве промежуточного сигнала обычно используют электрический сигнал. Дело в том, что электрический сигнал очень удобно преобразовывать, и техника работы с электрическими сигналами освоена очень хорошо.

Величины, характеризующие вакуум, тоже обычно преобразуют в электрические сигналы, причем часто в сигналы весьма слабые. Поэтому важной проблемой вакуумной метрологии в электрофизических установках (ускорители, токамаки, установки для исследования плазмы) является защита вакуумметров (приборы для измерения вакуума) от электромагнитных помех. Кроме того, сильные помехи для их работы создают потоки электронов в вакууме и рентгеновское излучение, которое, кстати (точнее, некстати), возникает, когда эти потоки попадают в вещество.

Измерить вакуум вообще очень сложно, и, может быть, его измерение сложнее других. Объективный критерий — достигнутая точность измерений. Обычная точность измерений в вакуумной технике составляет десятки процентов, и лишь с большими усилиями можно достичь точности 5—10%. Подавляющее большинство величин в других областях техники и физики удается измерять значительно точнее.

Вакуум характеризуют давлением в основном по традиции. В большинстве случаев надо знать не давление газа, а концентрацию молекул в нем, т. е. число молекул в единице объема, и поэтому приборы, измеряющие вакуум, определяют именно концентрацию молекул, хотя их показания представляются в единицах давления. И имеется в виду при этом давление, которое может создать газ с данной концентрацией молекул при 20 °C (давление йропорционально концентрации и температуре). Чем концентрация (и давление) меньше, тем, как говорят, вакуум «выше» или «лучше».

При всех измерениях, независимо от того, какая величина измеряется, возникает ряд однотипных вопросов. Вопросы эти следующие: как прибор влияет на исследуемый объект, как исследуемый объект влияет на прибор, изменяя его характеристики и, наконец, как наш прибор градуировать, т. е. как определить, что именно он показывает. Рассмотрим, например, измерение температуры. Опуская термометр в стакан с водой, мы немного изменяем ее температуру, поскольку вода нагревается или охлаждается от термометра (если его исходная температура не совпала случайно с температурой воды). Обычным бытовым термометром можно измерить температуру воды, но нельзя измерить температуру плавиковой кислоты или расплавленной меди. А, например, термопарой не всегда можно измерить температуру в реакторе, так как излучение может повлиять на свойства металлов, из которых сделана термопара. Что касается градуировки, то она производится сравнением показаний двух термометров — эталонного и градуируемого. Или можно использовать «реперные точки» — хорошо известные температуры плавления чистых металлов.

Влияние вакуумметра на вакуум может быть двояко: посредством газовыделения он может вакуум ухудшить, посредством откачки (почти все вакуумметры откачивают газ как насосы) он может вакуум улучшить. Может он вести себя и хитрее — одни газы откачивать, а другие выделять.

Для градуирования вакуумметров было бы удобно использовать какие-нибудь эффекты, возникающие при определенном вакууме (как, например, плавление кристалла при определенной температуре). Но подобные эффекты в вакууме неизвестны. Нельзя ли воспользоваться непосредственно определением давления как отношения силы к площади? Конечно, можно, но малые силы измерять трудно, поэтому и высокий вакуум (низкое давление) таким способом измерить нельзя. Как же выйти из этого положения? Чтобы ответить на этот вопрос, приведем такой пример. Пусть у нас имеется гиря в 1 кг и надо проверить, правильно ли измеряют весы массу в 0,5 кг. Как это сделать? Поступим так: взвесим 1 кг чего-либо, что хорошо делится на части (песок, вода), разделим этот 1 кг пополам (это можно сделать даже на весах вообще без делений), и вот «гиря» в 0,5 кг готова.

Аналогично можно действовать и при измерении вакуума. Возьмем два объема — V_r и К₂, создадим в объеме V_r давление газа Р₁₅ которое измерим отградуированным ранее вакуумметром, а из объема V₂ откачаем газ и создадим в нем высокий вакуум (рис. 7). Потом соединим объемы V и К₂, и в системе

установится давление Р = P^V^KV^ + К₂). Итак, мы нашли способ превратить известное, но большее давление Р_г в известное (если известны V и V₂) и прйтом меньшее давление Р (Р < РО. Зная это меньшее давление, можно получить еще меньшее, и т. д. Следовательно, можно отградуировать любой вакуумметр, т. е. установить, какому именно вакууму соответствуют разные показания этого вакуумметра. Увы, у этого метода, как и у любого другого, есть погрешности. Основной их источник — сорбция на стенках, т. е. прилипание к ним молекул газа. Когда газ из сосуда Ц перетекает в сосуд И₂, часть его прилипает к стенкам, причем иногда мы даже не знаем, какая именно это часть.

Другой метод получения известных меньших давлений из больших выглядит так. Пусть в объеме создан вакуум с давлением Р и открыто маленькое отверстие в сосуд с давлением Р_о (Р_о » Р). Тогда из сосуда с давлением Р_о в сосуд с давлением Р начнут попадать молекулы; количество молекул, проникающих из сосуда в сосуд в единицу времени, будет на первых порах *) постоянно, значит, общее количество молекул в сосуде будет изменяться линейно, и следовательно, давление тоже будет изменяться пропорционально времени. Поэтому, если, например, через время t вакуум оказался таким, что отградуированный ранее вакуумметр показал давление Р, то в момент времени 0,1Г вакуум был ОДР, в момент 0,01Г — 0,01Р и т. д. Зная эти давления, мы можем отградуировать любой другой вакуумметр.