Техника измерения вакуума

Для измерения низких давлений применяют манометры, работа которых основана на использовании различных физических принципов. Так для измерения низкого вакуума используют жидкостные U-образные и механические манометры; для измерения среднего вакуума — теплоэлектрические и радиоактивные манометры; для измерения высокого вакуума — компрессионные, магнитные элек-троразрядные и ионизационные манометры Область применения каждого из этих манометров показана на рис. 26

Устройство жидкостного U-образного манометра показано на рис. 27, а и б. Разность уровней жидкости (в качестве которой чаще всего используется ртуть) в обоих коленах U-образной стеклянной трубки является мерой разности давлений Если одно колено манометра находится под атмосферным давлением (рис 27, а), а другое сообщается с откачиваемым объемом, то такой манометр называется открытым Поскольку в манометрах этого типа пониженное давление сравнивается с атмосферным, то для определения абсолютного значения давления в откачиваемом объеме необходимо знать истинную величину атмосферного давления, что является существенным недостатком жидкостных манометров открытого типа.

У закрытых U-образных манометров (рис 27, б) закрытое колено предварительно откачивается до низкого давления и по-

казание манометра соответствует значению абсолютного давления в вакуумной установке.

Примером механического манометра является изображенный на рис. 28 стрелочный металлический манометр. Хотя он менее точен, чем жидкостный U-образный манометр, но зато имеет меньшие размеры и более прочен, что имеет существенное значение при использовании в производственных условиях. Основной деталью этого манометра является пружина 1, сделанная из закрытой с одного конца трубки, которая при помощи трубки 2 присоединяется к откачиваемому объему. На наружную поверхность пружины 1 всегда воздействует атмосферное давление. До

тех пор, пока внутри пружины сохраняется атмосферное давление, стрелка манометра стоит в начале шкалы (на нуле). По мере понижения давления в откачиваемом объеме внутренняя поверхность пружины испытывает воздействие меньшего давления, вследствие чего пружина начинает сжиматься, и ее подвижный конец 3 перемещается ближе к неподвижному концу. При этом система передачи заставляет стрелку перемещаться по шкале в направлении против часовой стрелки. Деление шкалы, против которого останавливается стрелка, показывает разность между атмосферным и измеряемым давлением.

Описанная конструкция механического манометра обычно применяется при измерении разрежения в диапазоне от 760 до 10 мм рт. ст. Жидкостные U-образные манометры обычно измеряют давление до 1 мм рт. ст.

Измерение давлений ниже 1 мм рт. ст. чаще всего производится с помощью теплоэлектрических манометров. К числу теплоэлектрических манометров (рис. 29) относятся термопарные манометры и манометры сопротивления.

Принцип действия теплоэлектрического манометра основан на том, что теплопроводность разреженного газа зависит от его давления. Поэтому, если в откачиваемый объем поместить нагретую металлическую нить, то условия ее охлаждения за счет

отдачи тепла холодным стенкам в значительной мере будут определяться теплопроводностью окружающего ее газа, а следовательно, его давлением.

В термопарном манометре (рис. 29, а) термопара 3, состоящая из хромелевой и копелевой проволок диаметром 50 мк, своим спаем приварена к платиновому подогревателю. При неизменном токе накала подогревателя в результате изменения давления меняется температура спая, а следовательно, и термо- э. д. с. термопары, по величине которой судят о давлении.

Помимо термопарных манометров для измерения давления в диапазоне 10—10~³ мм рт. ст. широкое применение находят манометры сопротивления. Манометр сопротивления (рис. 29, б, в) представляет собой нагреваемую электрическим током металлическую нить, помещенную в баллон, присоединенный к вакуумной системе. При уменьшении давления теплопроводность газа снижается, вследствие чего при неизменном токе накала повышается температура нити, а следовательно, и ее сопротивление, по величине которого можно судить о давлении в откачиваемой системе.

В целях достижения максимальной чувствительности манометра для изготовления нити применяют металлы с возможно большим температурным коэффициентом электрического сопротивления (вольфрам, платина).

Для измерения давлений ниже Ю"³ мм рт. ст. применяется ионизационный манометр (рис. 30), который является разновидностью электронной лампы трехэлектродного типа.

Накаленный катод 4 (вольфрамовая проволока, изогнутая в виде шпильки) испускает электроны, которые ускоряются по направлению к положительно заряженной сетке 3, играющей в данном случае роль анода. Электроны, сталкиваясь на своем пути с атомами и молекулами остаточных газов, производят их ионизацию и уходят на сетку. Положительные ионы остаточных газов притягиваются отрицательно заряженным коллектором 2 и отдают ему свой варяД. Число образующихся в манометре ионов пропорционально плотности газа и, следовательно, ионный ток может служить мерой давления газа в системе, к которой присоединен манометр.

Недостатком ионизационного манометра с накаленным катодом является ограниченный срок службы (порядка 100 часов). Кроме того, наличие накаленного катода делает недопусти-давления в манометре выше 10^-3 мм рт. ст., так как в этом случае катод перегорает.

Кроме манометров, где ионизация осуществляется электронами, существуют радиактивные манометры, в которых ионизация производится альфа-частицами, испускаемыми радиоактивными веществами. Диапазон давлений, измеряемых радиоактивным манометром, составляет от 10² до 10~³ мм рт. ст. В качестве источника альфа-частиц применяется радий.

Радиоактивный ионизационный манометр, имеющий так же,

как и манометр с накаленным катодом, достаточно широкий диапазон измеряемых давлений и линейность градуировочной кривой, обладает еще рядом достоинств, к числу которых относится простота конструкции и практически неограниченный срок службы. Существенным недостатком радиоактивного манометра является довольно низкая чувствительность и наличие вредного для здоровья людей гамма-излучения, а также газообразных продуктов радиоактивного распада (таких, например, как радон).

Изображенный на рис. 31 радиоактивный манометр выполнен в виде закрытого с одной стороны тонкостенного металлического цилиндра 4, служащего анодом, по оси которого через изолятор 6 укреплен стержневой коллектор ионов 3. С другой стороны в цилиндре помещен радиактив-ный источник 2. Альфа-частицы, вылетая из источника, ионизируют на своем пути газ; образующиеся положительные ионы уходят на коллектор, создавая в цепи коллектора ионный ток.

Толщина слоя радиоактивного вещества невелика, так как с ее увеличением чувствительность манометра растет незначительно, зато количество вредного для здоровья гамма-излучения резко возрастает.

В последнее время для измерения давлений в диапазоне 1—10^-6 мм рт. ст. широкое применение начинают находить магнитные электроразрядные манометры.

Одна из конструкций магнитного элек-троразрядного манометра представлена на рис. 32.

Кольцо /, являющееся анодом, помещено в прямоугольной коробке 2 из красной меди, стенки которой являются катодными пластинами. Катодные пластины помещены между полюсными наконечниками 3 постоянных магнитов 4. Таким образом, магнитная система, закрытая кожухом 5, находится вне вакуума Патрубок 6 служит для присоединения манометра к вакуумной системе. На анодный вывод 7, припаянный через проходной изолятор 8 к верхней крышке коробки 2 через балластное сопротивление подается постоянное напряжение величиной от нескольких сот до нескольких тысяч вольт.

Для уяснения принципа работы манометра рассмотрим характер движения электрона в разрядном промежутке и причину возникновения разряда между электродами манометра. Если вблизи одной из катодных пластин по каким-либо причинам (например, в результате космической радиации) появится электрон, то под влиянием совместного действия электрического и магнитного полей он будет двигаться к положительно заряженному аноду по траектории, имеющей вид винтовой линии с малым шагом. Двигаясь по винтовой линии, электрон не может сразу попасть на анод, а благодаря кольцеобразной форме последнего

пролетает внутри анодного кольца по направлению к противоположной пластине катода, отражается от нее и двигается в обратном направлении, совершая, таким образом, многократные колебания около плоскости анодной рамки. Благодаря такому удлинению пути электронов значительно возрастает вероятность их встречи с молекулами остаточных газов и ионизация последних. Число ионизаций, производимых колеблющимися электронами, оказывается достаточным для возникновения электрического разряда, ток которого в достаточно широких пределах зависит от давления.

Сравнительно большая

величина разрядного тока, который является мерой давления газа, позволяет измерять его непосредственно стрелочным микроамперметром без всякого предвари-а также отсутствие в ров перед ионизационными манометрами с накаленным катодом и делают их весьма перспективными. Выпускаемые отечественной промышленностью манометры изображены на рис. 33, а, б, в.

Теплоэлектрические, ионизационные, радиоактивные и магнитные электроразрядные манометры не поддаются точному расчету и обычно градуировка этих манометров выполняется по ртутному компрессионному манометру.

Устройство ртутного компрессионного манометра показано на

рис. 34. Манометр состоит из стеклянного баллона 1 с измерительным капилляром 2, верхний конец которого запаян. От баллона вниз идет припаянная к нему стеклянная трубка 3, имеющая ответвление 4, соединяющее измерительную часть манометра

нен резервуар 6 со ртутью. Резервуар сверху открыт и, следовательно, над уровнем ртути в нем давление всегда равно атмосферному.

По мере понижения давления в вакуумной системе уровень ртути в трубке 3 будет постепенно подниматься, однако все время оставаясь ниже ответвления 4 (‘ПОЗ. II).

Для того чтобы измерить давление в вакуумной системе, поднимают резервуар со ртутью, вследствие чего поднимается и уровень ртути в трубке 3. Когда ртуть заполняет ответвление 4, она разобщает измерительную часть манометра с вакуумной системой (поз. Ill). При дальнейшем поднимании резервуара 6 стеклянный баллон 1 заполняется ртутью, а газ сжимается в верхней части измерительного капилляра 2 (поз. IV).

Вследствие уменьшения объема, занимаемого газом, его давление возрастает настолько, что становится доступным непосредственному измерению. Мерой давления служит разность уровней ртути в измерительном и сравнительном капиллярах.

Компрессионный манометр является абсолютным манометром, т. к его можно рассчитать и проградуировать без сравнения с показаниями какого-нибудь другого манометра.