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 =     \ 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
Ionizační manometr se žhavenou katodou
i
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984«
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 Ip
Ip = K0Iep     P = — —
J^o le
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
č max	1.2	3	3.7	10	11	12	13	19
Umax[V]	110	170	65	95	100	120	90	85
Kmity elektronů pri použití mřížkové anody. 2
2J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
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 + J^Ii = K0IeP + J^Ii
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
-i
nízkou teplotou katody. Parazitní proud li ~ AcIejy^, 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
L--Ji---I
Odstranění svodových proudů
3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
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
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků
5
5J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
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 ; I'c = S'p + 4 M -> Z ;  l'c' = S"p + l£
s" < s'=> rc - rc' = (S' - S")p + (ix - O
r - i"
!x = Ix     P = ^7
S'-S
můžeme měřit tlaky - 1(T1UPa (tenze par W při T=2000K
Pp ~ 10~10Pa) Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plyn
Chyba měření ~ 15%.
Speciální modifikace vnořený manometr.
rctpA) v
	1		
	(M-+A)		
			
	f	[	
	l	1	
	i	1 „	
	i		
	i	j	
	j i-1__		
Q
5   7 1011
15 20 r (min)
Obr. 549. Změny kolektorového proudu /c při modulaci v Bayardově-Alpertově-Redheadově vakuometru. Zpomalené ustal ování proudu /c je způsobeno mezi jiným sorpčními a desorpčními procesy na modulátoru
6J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
\'1
v8
10
							
							/ / /
							
					4v' V		
							
			/ / /	*			
	M	/ / /					
	/ /						
píPú)
10~s
-9
10 70'»
10
-12
10'* 10'* 10'12 1Ó11 10*° IQ9 JO'8 10'7 Kf6
áIc(A)
Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: l[ — při spojení modulátoru M s anodou (M -+ A); 11 — při spojení modulátoru se zemí (M -> Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu A/c je vyznačena čárkovaně
7J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
=
+200 V
O-300V
elekřron o jeho drahá
Q » ion a jeho dráha
Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr
s potenciálovou bariérou
A — mřížková anoda; K — katoda;
C — kolektor; E — stínění; S — prstencová
elektroda (supresor)
IC(A)
10
■9
10
-0
0
■12
1Ů
0
1—			
			
			
			
			
\l		m-6,7-/0~-	%
			
			* i
200 300
400
Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu Ic na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p
8
8
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
=
Vakuová fyzika 1
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
9_
9J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1 16/32
LĹ&+230V
-270+5QV
J M j.
K>
L
s
Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů
A — anoda; K — katoda;
Eu E2 — clony; DUD2 — elektrody
deflektoru; C — kolektor;
S — supresorová mřížka;
1,2 — otvory v clonách
10
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
17 / 32
11
c)
T (A)
V'7 KT8
10'10
10
,-ff
70
n
V'5
				
				
				
				4
	r			
				
	i			i,
J				
				
o    opi   002   om 005
B (T)
nJ. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
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).
9 uid0
I ~ NeLidope kTE
• Ne - počet elektronů emitovaných katodou za ls
• Lj - 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
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984i
Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem.
13
13
L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968<
Vakuová fyzika 1
21 / 32
Co
+
I
9
o
430
01
I
Výbojový manometr - inverzní magnetron
14
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984«
Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru
A — anoda K — katoda M — míita srAXky.
15
15
L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968<
Vakuová fyzika 1
23 / 32
t
B
16_
16A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 1
24 / 32
• Penningův manometr - Anoda ve tvaru válce, dvě ploché katody, magnetické pole kolmé ke katodě
• Inverzní magnetron - Katoda ve tvaru válce, tyčová anoda, magnetické pole rovnoběžné s anodou
Dolní hranice měřeného tlaku 10~7 Pa.
Se stínící elektrodou dolní hranice tlaku 10~9 Pa.
Horní hranice měřeného tlaku 10° Pa.
Velká dráha elektronů vlivem geometrie elektrod a magnetického pole. nízkém tlaku potíže se zapálením a s udržením stabilního výboje. Rozprašování elektrod. Chyba měření asi ~ 15 — 30%.
Ionizační manometr s radioaktivním zářičem
(Alfatron)
Ionizace se uskutečňuje pomocí a - zářiče, zářič s velkým poločasem rozpadu (radium, 1600 let) Iontový proud je úměrný tlaku
Ip = Sp
S - závisí na druhu plynu, nepřímá metoda
Dolní hranice měřeného tlaku 10~2 Pa, (fotoproud vyvolaný /3 - rozpad Horní hranice měřeného tlaku 103 Pa.
17
17J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198i- \ o^cv
Měrka pro XHV vakuum
Grid Filament
volume of the gauge, the deflector is an open ( 0.2%BeClI alloy) Bent Belt-Beam
array of bars and slots.
18
18
firemní materiály VacLab Inc.
Vakuová fyzika 1
< □ ►
28 / 32
Měrka pro XHV vakuum
Bent Belt-Beam - ionizační manometr
• 3BG-03
• citlivost 5-8x 10~2 Pa-1
• min. tlak 5 x 10~12 Pa
pro porovnaní ionizační manometr z vak. praktika PBR 260
• rozsah měření 5 x 10"10 - 1000 hPa
□ {3
Sorpční měřící metoda
K měření tlaku můžeme využít závislosti objemové koncentrace na koncentraci povrchové.
ns = vr
r - je doba pobytu molekul na stěně, ns - je povrchová koncentrace
1 ,™ P N'
,= inva; p = nkT^ns = 7_=T = x
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 At se vlákno zahřeje a tím se uvolní molekuly adsorbované během této doby. Jiným manometrem (nejčastěji ionizačním se žhavenou katodou) se změří tlak p;.
Vakuová fyzika 1
30 / 32
Předpoklady r > At ; p' ^> p
N'
v =
AAt
P =
N'kT V
N' =
p'V kŤ
N'
p = z/v2ŤrkTmo =>- p = -\/27rkTmo
AAt
p = K
P
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	10"1	105
McLeodův	absolutní	10"4	102
mechanické	absolutní	102	105
kapacitní	absolutní	10"3	105
piezo	absolutní	101	105
viskózni s kuličkou	nepřímá	10"5	101
Pirani	nepřímá	1(T2	105
ionizační se žhavenou katodou	nepřímá	K)"9	10°
ionizační se studenou katodou	nepřímá	10"7	10°