Ionizační manometry Princip: ionizace molekul a měření počtu nabitých částic Rozdělení podle způsobu ionizace: • Manometry se Žhavenou katodou • Manometry se studenou katodou • Manometry s radioaktivnýím zýa ricem Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovaný všechny molekuly, ale jenom cýst z nich n = Yn ; 7 < 1. F4160 1 / 35 Podmínky činnosti: • je nutne pracovat pri stejné teplote, pri ktere byl manometr cejchován. • koeficient 7 musí být konstantní v čelem oboru mierených tlaku • mereny iontový proud musí byt tvoren pouze ionty molekul plynu - vyloučit parazitní proudy • merit vsečhny vznikle ionty Nevýhody: • čerpací efekt - sorpče plynu vlivem električkeho naboje • desorpče plynu z elektrod vlivem velke teploty F4160 2 / 35 Ionizační manometr se žhavenou katodou □ g - = = -O c\o () F4160 3 / 35 Katoda vytváří elektronový proud Ie, který ionizuje plyn. Kolektor sbírá kladne ionty. Ip - proud kladných iontu na kolektor, Ie - emisní elektronový proud na anodu, p - tlak plynu 1 Ip Ip = KoIeP == p = -rr-r K0[Pa_1] citlivost manometru, lisí se pro ruzne plyny, protoZe se plyny lisí koeficientem specificke ionizace - e e - mnoZství iontu vytvorenych jedním elektronem na dríze 1cm v danem plynu pri tlaku 133Pa a teplote 273K. Závisí na energii elektronu - tedy na urychlovacím napetí. He Ne H2 N2 CO O2 Ar Hg 1.2 3 3.7 10 11 12 13 19 Umax [V ] 110 170 65 95 100 120 90 85 F4160 4 / 35 A 1 + 2 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. 0 Dopad iontů na kolektor závisí na • potenciálů kolektorů • na tvarů kolektorů • na poloze kolektorů vzhledem k prostorů, kde dochazí k ionizaci Pravděpodobnost ohybů drahy iontů se zvySůje s rostoůcí poCáteCní rychlostí iontů a se zmenšovaním průmerů kolektorů. Pokůd nejsoů v obvodů kolektorů zadne dalsí proůdy je iontový kolektorový proůd míroů tlaků. Ve skůtecnosti se mohoů v obvodů kolektorů projevit parazitní proůdy. Ic = Ip = K0Iep Parazitní proůdy omezůjí moznost merení nízkích tlaků. F4160 6 / 35 Parazitní proudy • Proudy vyvolané rentgenovým a ultrafialovým zarením - Anoda se vlivem dopadu elektronu s velkou energií stíva zdrojem mekkeho rentgenoveho zarení. V důsledku elektromagnetickeho ozarení povrchu kolektoru vznika fotoemise z kolektoru. Je nutne pracovat s nízkou teplotou katody. Parazitní proud I\ ~ AcIeD^c, Ac -plocha kolektoru, Ie - anodoví proud, Dac - vzdílenost anoda-kolektor. • Proudy vyvolane elektronovou desorpcí - pri bombardovaní povrchu elektrony se mohou uvolňovat neutralní atomy a molekuly, ionizovaníe atomy a molekuly, disociovaníe molekuly. • Iontový proud ze zhavene katody - katoda muze emitovat i ionty, používat nízkou teplotu katody, projevuje se pouze pri velmi nízkyích tlacích. • Svodove proudy - nedokonala izolace kolektoru od ostatních elektrod. () F4160 7 / 35 Odstranění svodových proudů. o Při cinnosti ionizacního manometru dochýzí k zachycovaní iontu kolektorem a tím k cerpacímu efektu. Konstrukce manometru • s vnejsím kolektorem - kolektor valcoví, anoda valcova mrízka, katoda uvnitr anody • s vnitrním kolektorem Bayard-Alpert - kolektor tenkí dratek uprostred, anoda valcova mrízka, katoda vne mrízky Usporídaní Bayard-Alpert merí do nizsích tlaku (10-9 P a) nez usporadaní s vnejsím kolektorem. Spodní hranice meritelneho tlaku je díana zejmíena parazitním foto-proudem. Maximalní meritelní tlak 100 Pa. F4160 9 / 35 Merení probíha ve dvou kročíčh • nejdríve spojíme modulítor s anodou(M — A) • pak ho spojíme s kolektorem (M — Z), čast iontu proudí na modulíator M — A ; ľc = S 'p + ľx M — Z ; I'C = S"p + I'X s" < s ' ic - ic' = (S' - s'')p + (ix - IX') I' I'' i' = i" => p =Ic—tc_ x x S' S'' muzeme merit tlaky ~ 10-10 Pa (tenze par W pri T=2000K Pp ~ 10_10Pa) Ionizační manometry mení složení i tlak mereneho plynu. Chyba merení ~ 15%. Spečialní modifikače vnoreny manometr. () □ &> - F4160 12 / 35 S1 ~ "O ^ O" 13 j 35 + 50V Ie'JOmA +200 V O-300V elektron o Jeho draho (D » ion a jeho draho Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A - mřížková anoda; K - katoda; C - kolektor; £ - stínění; S - prstencová elektroda (supresor) K— •67-0'° °Q '6,7-10' 0 100 200 300 Í00 <4M Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu /c na potenciálu (záporném) supresoru U, a tlaku p 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 l ono () F4160 16 / 35 □ gl - = l •O <\0 F4160 1T j 35 S1 - = □ &l - F4160 19 j 35 Ionizační manometr se studenou katodou (Výbojový manometr) Měření využívá závislosti parametrů elektrického výboje za nízkého tlaku na tlaku. Princip je založen na samostatnem výboji, který vzniká při vysokem napetí. Proud prochazející výbojem je mírou tlaku I = f (P). I ~ NeLid0pe kTE • Ne - pocet elektronu emitovaních katodou za 1s • Li - dráha na ktere dochízí k ionizaci • do - efektivní prumer molekuly plynu • U i - ionizacní potenciíl plynu • E - intenzita elektrickeho pole mezi K-A • p - tlak plynu I = Sp () F4160 20 / 35 □ S" - F4160 22 j 35 Výbojový manometr - inverzní magnetron u & - F4160 23 / 35 () F4160 24 j 35 t 6kV □ g - F4160 25 j 35 • Penningův manometr - Anoda ve tvaru válce, dvě ploché katody, magnetické pole kolmé ke katodě • Inverzní magnetron - Katoda ve tvaru valce, tyCova anoda, magneticke pole rovnobežne s anodou Dolní hranice mereneho tlaku 10-7 Pa. Se stínící elektrodou dolní hranice tlaku 10-9 Pa. Horní hranice mereneho tlaku 100 Pa. Velka draha elektronu vlivem geometrie elektrod a magnetickeho pole. Pri nízkem tlaku potíže se zapalením a s udržením stabilního výboje. Rozprašování elektrod. Chyba merení asi ~ 15 — 30%. □ S - F4160 26 / 35 Ionizační manometr s radioaktivním zářičem (Alfatron) Ionizace se ůskůtecňůje pomocí a - zarice, zíric s velkím polocasem rozpadů (radiům, 1600let) Iontoví proůd je ímerny tlaků Ip = Sp S - zívisí na drůhů plynů, nepríma metoda Dolní hranice mereneho tlaků 10-2 Pa, (fotoproůd vyvolaní - rozpadem) Horní hranice mereneho tlaků 103 Pa. () □ S - F4160 27 / 35 28 f 35 F4160 Sorpční měřici metoda K merení tlaku muzeme vyuzít zavislosti objemove končentrače na končentrači povrčhovíe. t - je doba pobytu molekul na stene, ns - je povrchoví končentrače Dokonale odplynení povrčh časti systemu (povrčh vlakna, kterí se zhavil pručhodem proudu) se uvede do styku s molekulami mereneho objemu za normalní teploty. Po dobe Aí se vlakno zahreje a tím se uvolní molekuly adsorbovane behem teto doby. Jiním manometrem (nejčasteji ionizačním se zhavenou katodou) se zmerí tlak p'. ns = vt 1 V =4 nva ; p = nkT == ns '2nkTmo p N' t = A □ &i - F4160 29 / 35 Předpoklady t > Aí ; p' » p N' . N'kT . p'V AAt ; P V ^N kT p = Aí Méříme použé průmérny tlak béhem doby Aí. Měření je nespojité. Horní hřanice přo meřený tlak je dana podmínkou, že na konci doby Aí není jeSte vytvořena monomolekuiařní vřstva adsořbovanych molekul 10-7 Pa . Zdola není meřený tlak omežen. F4160 30 / 35 Indikace tlaku podle výboje Pouze priblizna metoda. P[Pa] Tvar víboje 5 x 103 - 103 hadovití víboj 103 - 5 x 102 elektrody se pokryjí doutnavym svetlemj 102 kladní sloupec vyplní 2/3 trubice 5 x 101 vrstvy v kladnem sloupci 10 vrstvy mizí, zíporne svetlo 1/2 trubice 5 zaporne svetlo v cele trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí □ g - ■» F4160 31 / 35 Manometr metoda min [Pa] max [Pa] ionizační se žhavenou katodou nepřímá 10-io 100 ionizační se studenou katodou nepřímá 10-9 100 ionizační s radioaktivním zaričem nepříma 10-2 103 sorpční metoda nepříma 10-7 F4160 32 / 35 Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme znamou čerpací rychlostí. Pak platí Mezi vívevu a kalibrační komoru se zarazuje kruhova clona se znamou vodivostí. Vodivost clony je radove menší nez čerpací rychlost (eliminace fluktuací čerpací rychlosti). Nutno zajistit izotermičnost merení. Je nutne udrzet konstantní proud plynu I, konstantní čerpací rychlost vyvevy, molekularní rezim proudení clonou. P I S p I 1 1 S + C Meríčí rozsah 10 1 — 10 5Pa, v danem rozsahu nejpresnejsí. □ B1 _ F4160 33 / 35 - = 1 0Q,0 F4160 S4 j SS Speciaílní clony NPL (vyríabí National Physical Laboratory) SS j SS F4160