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 1 / 32 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 2/32 Ionizační manometr se žhavenou katodou i 1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 3/32 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 = Ko[Pa_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 4/32 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. 2 2J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 5/32 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 + JI li = K0Iep + JI li i i Parazitní proudy omezují možnost měření nízkých tlaků. Vakuová fyzika 1 6/32 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 li ~ AcIej=^;, Ac - plocha kolektoru, Ie - anodový proud, Dac - 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 7/32 Odstranění svodových proudů. 3 3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 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 9/32 4 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 Vakuová fyzika 1 11 / 32 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 + Ix M^Z; ťc = S"p + l£ S" < S'=> I>c - V'c = (S' - S")p + (ix - I") xx xx ^ F g, _ g„ můžeme měřit tlaky ~ 10"10Pa (tenze par W při T=2000K Pp ~ 10~10Pa) Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plynu. Chyba měření ~ 15%. Speciální modifikace vnořený manometr. Vakuová fyzika 1 12 / 32 «5 20 r (min) Obr. 5.49. Změny kolektorového proudu /c při modulaci v Bayardově-Alpertově-Redheadově vakuometru. Zpomalené ustalování proudu /c je způsobeno mezi jiným sorpčními a desorpčními procesy na modulátoru 6J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198á> ■0«. Vakuová fyzika 1 10' V'8 u9 n" ■G" na nu /ť/ f A / / / * // / / / / / s p(Pa) 10 s »■« C"' J9 W* »'B C* /o"" »"* »"° W kt Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: — pri spojení modulátoru M s anodou {M -» J" — při spojení modulátoru se zemí (M -» Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu Aifi je vyznačena čárkovaně 7J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 o + 50V 300 V .—>- eMřron o jeho drahá (D s> ion a jeho dráha IC(A) V-ďPa ^— v •6,710'' J-S,7icr 'Po wo 200 300 400 Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A - mřížková anoda; K — katoda; C - kolektor; E - stínění; S - prstencová elektroda (supresor) Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu Jc na potenciálu (záporném) supresoru í/, a tlaku p J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 ■O0.O Vakuová fyzika 1 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 9_ 9J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 16 / 32 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 10 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198fr a> -š -00.0 17 / 32 Vakuová fyzika 1 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 18 / 32 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). I ~ NeLidgpe kTE • Ne - počet elektronů emitovaných katodou za ls • Li - dráha na které dochází k ionizaci • do - efektivní průměr molekuly plynu • Ui - ionizační potenciál plynu • E - intenzita elektrického pole mezi K-A • p - tlak plynu I = Sp Vakuová fyzika 1 19/32 Výbojový manometr - Penning 12J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 -► a -00.0 20 / 32 Vakuová fyzika 1 Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem. 13 !L Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 ■OQ.O Vaku* »vá fyzika 1 Výbojový manometr - inverzní magnetron 14J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Vakuová fyzika 1 22 / 32 Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru A — anoda K — katoda M — mláta trttky. L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 <<► At ; p' > p N' , N'kT . p'V - = ääí:p= —^n=iť p = í/-\/27rkTmo =4> p = \J27rkTm0 1 At Měříme pouze průměrný tlak během doby At. Měření je nespojité. Horní hranice pro měřený tlak je dána podmínkou, že na konci doby At není ještě vytvořena monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul ~ 10~7 Pa . Zdola není měřený tlak omezen. Vakuová fyzika 1 31 / 32 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 32 / 32