Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 1 Molekulární manometry Dopadají-li molekuly plynu o teplotě T1 a se střední aritmetickou rychlostí va1 na stěnu o teplotě T1, působí na stěnu tlakem P . = 1 4 nva ; P = 1 3 monv2 e ; ve va = 3 8 P = 1 2 mova1 Přitom polovina tlaku je vyvolána od dopadajících molekul a polovina od odražených molekul. Pokud bude teplota stěny T2 různá od teploty plynu T1, pak bude střední aritmetická rychlost odražených molekul va2 různá od původní rychlosti va1. Proto aniž se změní koncentrace molekul změní se hodnota tlaku působící na stěnu. P = 1 4 mova1 + 1 4 mova2 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 2 P = 1 4 mova1 1 + va2 va1 = 1 2 P 1 + va2 va1 T1 = T2 P = P T1 < T2 P > P Toho můžeme využít pro měření tlaku. Dvě desky vzdálené od sebe o d 1 - teplota T1 - pohyblivá 2 - teplota T2 - nepohyblivá T2 > T1 ; d P = P - P = 1 2 P 1 + va2 va1 - P = 1 2 P T2 T1 - 1 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 3 P = 2P T1 T2 - T1 Odvození platí pro akomodační koeficienty rovny 1. Akomodační koeficient závisí na druhu plynu, proto tento manometr není absolutní. Dolní hranice měřícího rozsahu je určena velikostí tlaku záření zahřáté destičky. Horní hranice je dána podmínkou d. Dolní hranice měřených tlaků je 10-5 P a. Horní hranice měřených tlaků je 101 P a. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 4 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 5 Viskozní manometr Měřící obor 10-5 - 100 P a Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 6 Různé útlumové manometry S kmitající tyčinkou, s kotoučem, který koná torzní kmity, s tyčinkou, která koná torzní kmity, rozsah 10-4 - 101 P a Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 7 Tepelné manometry Princip je založen na závislosti tepelné vodivosti plynu na tlaku. Podstatnou částí manometru je nějaký citlivý element, který je elektrickým příkonem P vyhřiván na teplotu T , vyší než je teplota okolí T0. Nejčastěji měříme teplotu T : ˇ z velikosti odporu - odporové manometry ˇ pomocí termočlánku - termočlánkové manometry ˇ z deformace bimetalu - dilatační manometry Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 8 Odporové manometry - Piraniho Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 9 Odpor vlákna R = f(T ) Pe = UI = I2 R = U2 R ; R = R0(1 + (T - T0)) Pe = Pc + Pz + Pp ˇ Pc - výkon odváděný molekulami plynu ˇ Pz - výkon odváděný zářením vlákna ˇ Pp - výkon odváděný přívody vlákna Pe = konst 1 m0 S0(T - T0)p + S0(T 4 - T 4 0 ) p = konst m0 T - T0 Zpravidla měříme při Pe = konst. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 10 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 11 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 12 p = f(T - T0) T - T0 = 1 R R0 - 1 p = f(R) Měřící rozsah 10-2 - 105 P a. Velmi jednoduchá konstrukce. Nepřímá měřící metoda. Zavisí na druhu plynu a na okolní teplotě. Chyba měření 15%. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 13 Tepelný vakuometr s konstantním odporem Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 14 Vlákno d = 50 m, L = 50 mm, teplota T = 470 K, měřící obor 10 - 5000 P a Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 15 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 16 Termočlánkový-manometr Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 17 Manometr metoda dolní hranice [Pa] horní hranice [Pa] Kapalinové U-trubice absolutní 10-1 105 McLeodův absolutní 10-4 105 Mechanické absolutní 102 105 Kapacitní absolutní 10-3 105 Piezo absolutní 101 105 Molekulární nepřímá 10-5 101 Viskozní nepřímá 10-5 101 Odporové nepřímá 10-2 105 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 18 Ionizační manometry Princip: ionizace molekul a měření počtu nabitých částic Rozdělení podle způsobu ionizace: ˇ Manometry se žhavenou katodou ˇ Manometry se studenou katodou ˇ Manometry s radioaktivním zářičem Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich ni = n ; < 1. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 19 Podmínky činnosti: ˇ je nutné pracovat při stejné teplotě, při které byl manometr cejchován. ˇ koeficient musí být konstantní v celém oboru měřených tlaků ˇ měřený iontový proud musí být tvořen pouze ionty molekul plynu - vyloučit parazitní proudy ˇ měřit všechny vzniklé ionty Nevýhody: ˇ čerpací efekt - sorpce plynů vlivem elektrického náboje ˇ desorpce plynů z elektrod vlivem velké teploty Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 20 Ionizační manometr se žhavenou katodou Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 21 Katoda vytváří elektronový proud Ie, který ionizuje plyn. Kolektor sbírá kladné ionty. Ip - proud kladných iontů na kolektor, Ie - emisní elektronový proud na anodu, p - tlak plynu Ip = K0Iep p = 1 K0 Ip Ie K0[P a-1 ] citlivost manometru, liší se pro ruzné plyny, protože se plyny liší koeficientem specifické ionizace - - množství iontů vytvořených jedním elektronem na dráze 1cm v daném plynu při tlaku 133Pa a teplotě 273K. Závisí na energii elektronů - tedy na urychlovacím napětí. He Ne H2 N2 CO O2 Ar Hg max 1.2 3 3.7 10 11 12 13 19 Umax[V ] 110 170 65 95 100 120 90 85 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 22 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 23 Dopad iontů na kolektor zavisí na ˇ potenciálu kolektoru ˇ na tvaru kolektoru ˇ na poloze kolektoru vzhledem k prostoru, kde dochází k ionizaci Pravděpodobnost ohybu dráhy iontů se zvyšuje s rostoucí počáteční rychlostí iontů a se zmenšováním průměru kolektoru. Pokud nejsou v obvodu kolektoru žádné další proudy je iontový kolektorový proud mírou tlaku. Ic = Ip = K0Iep Ve skutečnosti se mohou v obvodu kolektoru projevit parazitní proudy. Ic = Ip + i Ii = K0Iep + i Ii Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 24 Parazitní proudy 1. Proudy vyvolané rentgenovým a ultrafialovým zářením - Anoda se vlivem dopadu elektronů s velkou energií stává zdrojem měkkého rentgenova záření. V důsledku elektromagnetického ozáření povrchu kolektoru vzniká fotoemise z kolektoru. Je nutné pracovat s nízkou teplotou katody. Parazitní proud I1 AcIa 1 DAC , Ac - plocha kolektoru, Ia - anodový proud, DAC - vzdálenost anoda-kolektor. 2. Proudy vyvolané elektronovou desorpcí - při bombrdování povrchu elektrony se mohou uvolňovat neutrální atomy a molekuly, ionizované atomy a molekuly, disociované molekuly. 3. Iontový proud ze žhavené katody - katoda může emitovat i ionty, používat nízkou teplotu katody, projevuje se pouze při velmi nízkých tlacích. 4. Svodové proudy - nedokonalá izolace kolektoru od ostatních elektrod. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 25 Odstranění svodových proudů. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 26 Při činnosti ionizačního manometru dochází k zachycování iontů kolektorem a tím k čerpacímu efektu. Konstrukce manometru ˇ s vnějším kolektorem - kolektor válcový, anoda válcová mřížka, katoda uvnitř anody ˇ s vnitřním kolektorem Bayard-Alpert - kolektor tenký drátek uprostřed, anoda válcová mřížka, katoda vně mřížky Uspořádání Bayard-Alpert měří do nižších tlaků (10-9 P a) než uspořádání s vnějším kolektorem. Spodní hranice měřitelného tlaku je dána zejména parazitním foto-proudem. Maximální měřitelný tlak 100 P a. Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 27 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 28 Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 29 Měření probíhá ve dvou krocích ˇ nejdříve spojíme modulátor s anodou(M A) ˇ pak ho spojíme s kolektorem (M Z), část iontů proudí na modulátor M A ; I c = S p + I x M Z ; I c = S p + I x S < S I c - I c = (S - S )p + (I x - I x ) I x = I x p = I c - I c S - S můžeme měřit tlaky 10-10 P a (tenze par W při T=2000K Pp 10-10 P a) Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plynu. Chyba měření 15%. Speciální modifikace vnořený manometr.