Tepelné manometry Princip je založen na závislosti tepelné vodivosti plynu na tlaku. Podstatnou částí manometru je nějaký citlivý element, který je elektrickým příkonem P vyhříván na teplotu 7~, vyšší než je teplota okolí 7~o. Nejčastěji měříme teplotu T: • z velikosti odporu - odporové manometry • pomocí termočlánku - termočlánkové manometry • z deformace bimetalu - dilatační manometry Vakuová fyzika 1 1 / 49 Odporové manometry - Pirani U' i_ 1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Odpor vlákna R = f (T) Pe = Ul = l2R = ; R = R0{1 + (3{T - T0)) Pe = Pc + Pz + PP • Pc - výkon odváděný molekulami plynu • Pz - výkon odváděný zářením vlákna • P p ~ výkon odváděný přívody vlákna Pz = S0ae(TA- 7o4) Pc = [aXT(p)]S0(T - T0) a - akomodační koeficient Xt{p) - tepelná vodivost Vakuová fyzika 1 3/49 Tab. 5.3. Mírný odpor q a teplotní součinitel odporu p (orientační údaje) Kov e (í = 0°C) P (r = 0ažlO0°C) (a cm) (K->) konstantan (60 % Cu, 40 % Ni) 50 .10"" ~0 med (obyčejná, vyžíhaná) 1,6.10"6 4,5.10"3 molybden (vyžíhaný) 4,5.10-" 3,3.10"3 nikl (obyčejný) 6,5.10" 6 6 .10"3 platina 10 .10"" 3 .UT3 slitina Pt-Rh (90 %Pt) 21 .ÍO"" 4 .10-3 stříbro elektrolytické 1,5.10-" 4 . 10'3 tantal 15 .10-" 4,5.10" 3 wolfram (vyžíhaný) 4,5-5,5.10-" 4,5.10" 3 železo (čisté) 9 .10"" 5 .10"3 Metody měření • Metoda konstantní teploty (odporu) • Metoda konstantního proudu 3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ► i ono Vakuová fyzika 1 5/49 5_ 5J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 7/49 Tepelný vakuometr s konstantním odporem J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, P Ug(V) 10'' 10° 101 102 10 3 10* 105 p(Pa) Vlákno d = 50 fim, L = 50 mm, teplota T = 470 K, měřící obor 10 - 5000 Pa 7 7J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 9/49 L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 Pirani manometr velmi jednoduchá konstrukce • měřící rozsah 10~2 — 105Pa • chyba měření asi ~ 15% • závisí na druhu plynu a na okolní teplotě Vakuová fyzika 1 Termistorový manometr J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 12 / 49 Vakuová fyzika 1 10_ 10J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198* Vakuová fyzika 1 13 / 49 Termočlánkový-manometr Dilatační manometr Obr. 5.26. Dvojkovový dilatační vakuometr (dle Klumba a Haase, 1936). Dvě dvojkovové (bimetalové) spirály jsou upevněny na svých koncích xx a jejich druhé konce jsou spojeny s ručičkou. Spirálami prochází proud, který je zahřívá. Ručička se otáčí v závislosti na tlaku 5W, 0.1-100Pa 12 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 15 / 49 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 n, = 70 ; 7 < 1. Vakuová fyzika 1 16 / 49 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 Vakuová fyzika 1 17 / 49 Ionizační manometr se žhavenou katodou 13 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 18 / 49 Katoda vytváří elektronový proud /e, který ionizuje plyn. Kolektor sbírá kladné ionty. Ip - proud kladných iontů na kolektor, le - emisní elektronový proud na anodu, p - tlak plynu Ip = K0lep => p = KolPa^1] 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 133 Pa a teplotě 273 K. Závisí na energii elektronů - tedy na urychlovacím napětí. 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 Vakuová fyzika 1 19 / 49 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. 14J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 20 / 49 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 = lP = K0lep Ve skutečnosti se mohou v obvodu kolektoru projevit parazitní proudy. / i Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. Vakuová fyzika 1 21/49 Parazitní proudy • 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 \\ ~ Acle-^, Ac - plocha kolektoru, le - anodový proud, D&c - vzdálenost anoda-kolektor. • Proudy vyvolané elektronovou desorpcí - při bombardování povrchu elektrony se mohou uvolňovat neutrální atomy a molekuly, ionizované atomy a molekuly, disociované molekuly. • Iontový proud ze žhavené katody - katoda může emitovat i ionty, používat nízkou teplotu katody, projevuje se pouze při velmi nízkých tlacích. • Svodové proudy - nedokonalá izolace kolektoru od ostatních elektrod. Vakuová fyzika 1 22 / 49 Odstranění svodových proudů. 15J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198$ 23 / 49 Vakuová fyzika 1 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. Vakuová fyzika 1 24 / 49 16 16J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 ■ooo Vakuová fyzika 1 26 / 49 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 ; l'c = S'p + l'x M Z ; l'c'= S"p + % S» ■0«. Vakuová fyzika 1 V A • ✓ ✓ p (Po) ir/s V6 O'7 x>" v' V" 10'" ti" »-° «« »■» w" n3 ti* kts Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: /; - pfi spojení modulátoru M s anodou (M -+ ,4); /" — při spojeni modulátoru se zemí (M -*Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu Aic je vyznačena čárkovaně 19 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 29 / 49 o + 50V I=10mA ~~-%+200V o-300V -—»• elektron o jeho draho (D » ion a jeho dráha Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A — mřížková anoda; K - katoda; C — kolektor; £ — stínění; S — prstencová elektroda (supresor) I0W 10~9- 10'" TO'1 10'' -_ vtřfa N—i •6,7-10'' °a \ '6,7-10' }Po 100 200 300 iOO Us (V) Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu /c na potenciálu (záporném) supresoru í/, a tlaku p in Vakuová fyzika 1 30/49 Obr. 5.53. Redheadův extraklorový 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;? - baňka s pokoveným vnitřním povrchem; 2 — reflektor iontů 21_ 21J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 31 / 49 Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů A - anoda; K - katoda; £,,£2 — clony; D„ D2 — elektrody deflektoru; C — kolektor; S — supresorová mřížka; 1,2 — otvory v clonách 22 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198fr a> -š -00.0 32 / 49 Vakuová fyzika 1 Ionizační manometr se studenou katodou (Výbojový manometr) Měření využívá závislosti parametrů elektrického výboje za nízkého tlaku na tlaku. Princip je založen na samostatném výboji, který vzniká při vysokém napětí. Proud procházející výbojem je mírou tlaku / = f(p). 0 uid0 I ~ NeLjdQpe i a -ono 35 / 49 Vakuová fyzika 1 Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem. 25 'L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 ■OQ.O Vaku* »vá fyzika 1 Výbojový manometr - inverzní magnetron 6 26J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 37 / 49 Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru A — anoda K — katoda M — mláta trttky. L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 <<► ns \j2-KkTrriQ P Vakuová fyzika 1 43 / 49 Předpoklady r > Aŕ ; p1 > p A/' , N'kT . p1 V v =- ; p =-=4> /V = -— ^Aŕ V A-7" p = v\/2-KkTmn =4> p =-\/2-KkTmn AAt P' H Aŕ Měříme pouze průměrný tlak během doby Aŕ. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou, že na konci doby Aŕ není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul ~ 10~7 Pa . Zdola není měřený tlak omezen. Vakuová fyzika 1 44 / 49 Indikace tlaku podle výboje 3ouze přibližná metoda. P[Pa] Tvar výboje 5 x 103 - 103 hadovitý výboj 103 - 5 x 102 elektrody se pokryjí doutnavým světlemj 102 kladný sloupec vyplní 2/3 trubice 5 x 101 vrstvy v kladném sloupci 10 vrstvy mizí, záporné světlo 1/2 trubice 5 záporné světlo v celé trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí Vakuová fyzika 1 45 / 49 Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme známou čerpací rychlostí. Pak platí 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. Vakuová fyzika 1 46 / 49 Rozprašovač plynu Hlavni výveva ^|«l»ÍIII[|ll|(-{^ Předčerpávaci výveva 30 5P.KIenovský, bakalárska práce, MU, 2006 Vakuová fyzika 1 í + } Speciální clony NPL (vyrábí National Physical Laboratory) 31 P.Klenovský, bakalárska práce, MU, 2006 Vakuová fyzika 1 48 / 49 Manometr metoda min [Pa] max [Pa] kapalinové U-trubice absolutní ío-1 105 McLeodův absolutní ÍO-4 102 mechanické absolutní 102 105 kapacitní absolutní 1CT3 105 piezo absolutní 101 105 viskózni s kuličkou nepřímá 1CT5 101 Pirani nepřímá 10-2 105 ionizační se žhavenou katodou nepřímá ÍO"9 10° ionizační se studenou katodou nepřímá ÍO-7 10° Vakuová fyzika 1 49 / 49