Ionizační manometry Princip: ionizace molekul a měření počtu nabitých částic Rozdělení podle způsobu ionizace: • Manometry se žhavenou katodou • Manometry se studenou katodou • Manometry s radioaktivním zářičem Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich m = ryn\ 7 < 1. Podmínky činnosti: • je nutné pracovat při stejné teplotě, při které byl manometr cejchován. • koeficient 7 musí být konstantní v celém oboru měřených tlaků • měřený iontový proud musí být tvořen pouze ionty molekul plynu - vyloučit parazitní proudy • měřit všechny vzniklé ionty Nevýhody: • čerpací efekt - sorpce plynů vlivem elektrického náboje • desorpce plynů z elektrod vlivem velké teploty n &> - = ■= -00*0 Ionizační manometr se žhavenou katodou AA c 40 Ó'c ^ 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 1 Iv Ip = K0Iep=>p = —— Ko[Pa~l] citlivost manometru, liší se pro různé plyny, protože se plyny liší koeficientem specifické ionizace - e e - množství iontů vytvořených jedním elektronem na dráze lem 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 '~>maxy> \ 110 170 65 95 100 120 90 85 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. □ gP - = -E -0<\C" Dopad iontů na kolektor závisí na • potenciálu kolektoru • na tvaru kolektoru • 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 + ^h = Kohp + ^h i i Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. ^ Parazitní proudy 1. Proudy vyvolané rentgenovým a ultrafialovým zářením -Anoda se vlivem dopadu elektronů s velkou energií stává zdrojem měkkého rentgenového záření. V důsledku elektromagnetického ozáření povrchu kolektoru vzniká fotoemise z kolektoru. Je nutné pracovat s nízkou teplotou katody. Parazitní proud I\ ~ AcIajy—, Ac - plocha kolektoru, Ia - anodový proud, Dac - vzdálenost anoda-kolektor. 2. Proudy vyvolané elektronovou desorpcí - při bombardování 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. □ Qľ — -=: Odstranění svodových proudů. □ g> •ŕ} c\o Při činnosti ionizačního manometru dochází k zachycování iontů kolektorem a tím k čerpacímu efektu. Konstrukce manometru s vnějším kolektorem - kolektor válcový, anoda válcová mřížka, katoda uvnitř anody • s vnitřním kolektorem Bayard-Alpert - kolektor tenký drátek uprostřed, anoda válcová mřížka, katoda vně mřížky Uspořádání Bayard-Alpert měří do nižších tlaků (10~9 Pa) než uspořádání s vnějším kolektorem. Spodní hranice měřitelného tlaku je dána zejména parazitním foto-proudem. Maximální měřitelný tlak 10° Pa. Uj Íu«z*u«c Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků Měření probíhá ve dvou krocích • nejdříve spojíme modulátor s anodou(M —>■ A) • pak ho spojíme s kolektorem (M —>■ Z), část iontů proudí na modulátor M -»■ A ; ľc = S'p + ľx M^Z- ľ> = S"p + ľ> S" - - Ic(pA) V 1 '(M-*A) **Ĺ#+Z)- i ^ „„*_ 5" 7 W/7 15 20 r (min) Obr. 5.49. Změny kolektorového proudu /c při modulaci v Bayardově-Alpertově-Redheadově vakuometru. Zpomalené ustalovaní proudu Ic je způsobeno mezi jiným sorpčními a desorpčními procesy na modulátoru 1 ^)Q.O tí7 vB 10~9 »*» tí" tía «r» «r* »-'* Ö''3 »•" »•" tí» tí9 tí« ď Vs ŮIC(A) Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: /[. - při spojení modulátoru M s anodou (M -» Ä); J£ — při spojení modulátoru se zemí (M -* Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu A/c je vyznačena čárkovaně = 0Tft> '67-B'* % ^W-lffOpa ď3 0 m 200 300 iOO us(v) Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu Ic na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p □ s - = -o q. o Obr. 5.53. Redheadův extraktorový vakuometr: a) schéma, b) konstrukční provedení. Stínění a baňka jsou na potenciálu katody (200 V), reflektor iontů je spojen s anodou (305 V) A — mřížková anoda jedné strany otevřená; E — stínění; K — prstencová katoda (thoriovaný wolfram); C — kolektor; M — modulátor; 1 — baňka s pokoveným vnitřním povrchem; 2 — reflektor iontů KS-90V Obr. 5.56. Helmeruv-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů A — anoda; K — katoda; £1; £2 — clony; D,, D2 — elektrody deflektoru; C — kolektor; S — supresorova mřížka; 1,2 — otvory v clonách □ g - = a -o^o c) 1(A) V' 10~* Kí' III h _____________________________!s_ _-=d___________h_ ij--------|-- Opi Op2 003 qCK QQ5 B(TÍ □ g 70 5 60- ns = = r = —- Dokonale odplyněný povrch části systému (povrch vlákna, který se žhavil průchodem proudu) se uvede do styku s molekulami měřeného objemu za normální teploty. Po době Ač se vlákno zahřeje a tím se uvolní molekuly adsorbované během této doby. Jiným manometrem (nejčastěji ionizačním se žhavenou katodou) se změří tlak p'. □ s - = i Předpoklady t > At ; p' » p N' . N'kT . p'V AAt V kT J\Ĺ\b ^ P' P = K—- Ĺ At Měříme pouze průměrný tlak během doby Ač. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou, že na konci doby Ač není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul ~ 10~7 Pa . Zdola není měřený tlak omezen. □ s Indikace tlaku podle výboje Pouze přibližná metoda. P[Pa] Tvar výboje 5.103 - 103 hadovitý výboj 103 - 5.102 elektrody se pokryjí doutnavým světlemj 102 kladný sloupec vyplní 2/3 trubice 5.101 vrstvy v kladném sloupci 10 vrstvy mizí, záporné světlo 1/2 trubice 5 záporné světlo v celé trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí □ g - = Manometr metoda min [Pa] max [Pa] ionizační se žhavenou katodou nepřímá 10-io 10° ionizační se studenou katodou nepřímá io-9 10° ionizační s radioaktivním zářičem nepřímá 10"2 ÍO3 sorpční metoda nepřímá io-7 □ gi - = .e -o<\(y Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme známou čerpací rychlostí. Pak platí I v = s Mezi vývěvu a kalibrační komoru se zařazuje kruhová clona se známou vodivostí. Vodivost clony je řádově menší než čerpací rychlost (eliminace fluktuací čerpací rychlosti). Nutno zajistit izotermičnost měření. Je nutné udržet konstantní proud plynu I, konstantní čerpací rychlost vývěvy, molekulární režim proudění clonou. Měřící rozsah 10_1 — 10_5Pa, v daném rozsahu nejpřesnější. Rozprašovač plynu Prutokoměr Hlavni výveva Tniiiiiiii!iiiiiiiiiiiiiif-{>. o Předčerpávaci vývěva □ č? -0 0,0 t -i- 1- Speciální clony NPL (vyrábí National Physical Laboratory) □ g - = ^ -00*0