Методы измерения вакуума

1. Методы измерения вакуума

Понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический
смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые
определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при
давлении в сосуде 10-1 Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см2 стенки
сосуда, пренебрежимо мала.
Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике
является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет
теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы
электронных приборов и другие явления.
Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением
газа p и молекулярной концентрацией п существует связь:
p n k T
1

2.

Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются
вакуумметрами.
В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов,
применяемых для измерения давлений ниже 10-3 Па, пропорциональны не давлению,
а концентрации молекул газа.
По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и
относительные.
Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е.
силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента.
Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам
прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и
деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 105 до 10 -2 Па.
Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют
зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в
вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют
общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.
2

3. Классификация вакуумметров

3

4.

По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:
• жидкостные вакуумметры. Измеряют разность давлений на поверхность
жидкости в U-образной трубке. Диапазон измеряемых давлений 10 5-10 Па. В
настоящее время жидкостные вакуумметры практически не используются.
p pa Ж g h
p Ж g h
где pa – атмосферное давление, Па; pж – плотность рабочей жидкости, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2; h – разность уровней жидкости, м.
4

5.

компрессионные вакуумметры -разновидность жидкостных манометров, в которых,
с целью увеличения измеряемого диапазона, рабочей жидкостью вакуумметра
предварительно создается сжатие газа. Несмотря на то, что приборы неудобны в
повседневной работе, они иногда находят своё применение как образцовые
(калибровочные) вакуумметры. Диапазон измеряемых давлений – 10 3-10-2 Па.
деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по
деформации упругого чувствительного элемента. Диапазон измеряемых давлений –
10 5-102 Па.
5

6. Термопарный вакуумметр

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости
теплопередачи через разреженный газ от давления.
Измерительное уравнение теплового
преобразователя можно записать так:
I Н2 R ( E И Е М )
p
К Т (Т Н Т б )
где KТ - коэффициент теплопроводности,
ТН и Тб – температуры нити и баллона,
Iн — ток, проходящий через нить;
R — сопротивление нити;
EИ, ЕМ- потери теплоты за счет излучения нити
и теплопроводности материала нити.
Схема термопарного вакуумметра
Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления 105... 10 -1 Па.
6

7. Вакуумные датчики Пирани

Вакуумные датчики Пирани измеряют давление в диапазоне от атмосферного
до 10-2 Па. Они работают по принципу передачи тепла от катода, который
нагревается проходящим через него электрическим током, к окружающему
газу.
7

8. Электронные ионизационные преобразователи.

Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации
газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о
давлении.
Измерительное уравнение ионизационного
преобразователя можно записать так:
Ii
p
Ie K
где К – чувствительность
вакуумметра;
Ii – ионный ток;
Ie – электронный ток.
Ионизационный преобразователь измеряет в диапазоне давлений от
1 Па до 5*10 - 6 Па.
8

9. Магнитные электроразрядные преобразователи

Измерительное уравнение можно записать так:
Ii
p
Ie K
Схема магниторазрядного
вакуумметра:
1- катоды; 2 - полый анод ( в виде петли,
рамки, цилиндра); 3 – постоянные
магниты
где К – чувствительность вакуумметра;
Ii – ионный ток;
Ie – электронный ток.
Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10-10 Па.
9

10.

Магнитные электроразрядные вакуумметры
MP7ER и MP7FR
Двойные инверсно-магнетронные активные датчики с холодным катодом
позволяют измерять широкий диапазон вакуума.
Датчик 7Е позволяет делать измерения в высоком вакууме 1 – 10-6 Па, а
датчик 7F в сверхвысоком вакууме – 1 – 10-9 Па.
10

11.

Вакуумметр абсолютного давления серии SmartlineTM
Вакуумметр предназначен для измерения давления до 5x10-7 Па.
Широкодиапазонный вакуумметр VSM72MV, включающий в себя два
датчика (низковакуумный датчик Пирани и высоковакуумный датчик с
холодным катодом) обеспечивает удобное, точное и стабильное измерение
вакуума в диапазоне от атмосферы до сверхглубокого вакуума.
11

12. Масс-спектрометрия

Главный недостаток вакуумметров – отсутствие информации о химическом
составе газовой среды в камере.
Анализатор остаточных газов (масс-спектрометр).
Каждый спектрометр, независимо от конструкции состоит из трех независимых
элементов:
• источника, где образуется пучок ионов;
• анализатора, где ионы разделяются во времени и пространстве;
• детектора, где ионы, разделенные по массам в анализаторе, детектируются и
измеряются.
12

13.

Схема масс-спектрометра: 1 – ионный источник; 2,4 –
щелевые диафрагмы; 3 – область однородных и
постоянных электрического и магнитного полей; 5 –
область однородного и постоянного магнитного поля
(силовые линии перпендикулярны плоскости
рисунка); 6 – траектории иона; 7 – детектор.
13

14. Масс-спектры остаточных газов

14

15. Ловушки

Для защиты откачиваемого объема от паров рабочей жидкости используются
специальные устройства, называемые ловушками.
Ловушки представляют собой устройства, предназначенные для улавливания паров
или газов в целях предотвращения или уменьшения их проникновения из одной части
вакуумной системы в другую.
Ловушки должны:
•хорошо защищать откачиваемый сосуд от проникновения паров рабочей жидкости;
•препятствовать снижению быстроты действия насоса (не более чем на 30 %);
•иметь конструкцию, обеспечивающую легкий доступ к защитным элементам для их
периодической очистки;
•охлаждаемые ловушки должны обеспечивать малый расход хладагента.
В зависимости от рабочего давления различают:
1) высоковакуумные ловушки, предназначенные для улавливания паров масла из
диффузионных пароструйных вакуумных насосов;
2) форвакуумные ловушки – для улавливания паров масла из форвакуумных насосов.
15

16.

Форвакуумная ловушка
Ловушка эффективно защищает вакуумную систему от обратного потока паров масла,
который появляется при работе обычного механического насоса, использующего
масляную смазку в своей рабочей камере.
Сорбционная форвакуумная ловушка:
1 - корпус; 2 - входной фланец;3 - сорбент
16

17. Основные типы высоковакуумных ловушек

Наиболее эффективными являются вымораживающие ловушки, охлаждаемые жидким
азотом. Однако высокая стоимость и необходимость в постоянной подаче охлаждающего
вещества уменьшают все достоинства. Поэтому предпочтение следует отдавать
механическим и адсорбционным ловушкам.
17

18. Механические высоковакуумные ловушки

18

19. Низкотемпературные охлаждаемые ловушки

Металлическая жалюзийная азотная
ловушка:
1 – корпус, 2 – медный хладопровод,
3 – защитные элементы, 4 – сосуд
Дьюара.
19

20. Адсорбционные ловушки

Сорбционная высоковакуумная
ловушка: 1 - корпус ловушки; 2 - сорбент
20