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 1/41
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
2/41
Ionizační manometr se žhavenou katodou
p
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
3/41
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 =
K0 Ie
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
čmax	1,2	3	3,7	10	11	12	13	19
Umax	110	170	65	95	100	120	90	85
Vakuová fyzika 1
4/41
Kmity elektronů při použití mřížkové anody. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
5/41
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.
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.
Odstranění svodových proudů. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
8/41
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.
Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Ionizační manometry se žhavenou katodou
Ionizační manometry mění složení i tlak měřeného plynu.
chyba měření ~ 15%.
speciální modifikace vnořený manometr.
řada konstrukčních modifikací
Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro měření nízkých tlaků
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
12 / 41
Měření probíhá ve dvou krocích
• nejdříve spojíme modulátor s anodou(M —> A)
• pak ho spojíme s kolektorem (M —> Z), část iontů proudí modulátor
M -> A ; l'c = S'p + 4 M        ;   l'c' = S"p + l£
s» < s'^ i'c -i'c' = (s' - s> + & - O
V -1"
X X =?> P g/ _ g//
můžeme měřit tlaky ~ 10~10 Pa (tenze par W při T=2000 K
Pp ~ ÍO"10 Pa)
4 (PM
	1		
	A)		
			
	!	i —i •	
	i	i	
	i		
	i		
		i i	
	,—i--1	., i ..	
5   7 7D77
75 20 r (mm)
Obr. 549, 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
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
14 / 41
-7
t)
v8
to'9 10'*>
tr11 v*
15
10
P (Po)
							
					/a		/ / /
							
					V		
				/k	*		
			/ / /	*			
	M	/ / /					
	/ /						
10
-s
V6
K)
-ô
10
10
-9
■to
ro'* ví310'12 ió« io*0 to9 jo'8 n7 kí6
áIc(A)
V*
10'*
Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud:    — při spojení modulátoru M s anodou (M -* Á); 11 — při spojení modulátoru se zemí (M -> Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu A/c je vyznačena čárkovaně
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
=
5 -Oo^O
+200 V
0-3OOV
elektron o jeho drahá
(D » ion a jeho drahá
Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr
s potenciálovou bariérou
A — mřížková anoda; K — katoda;
C — kolektor; E — stínění; S — prstencová
elektroda (supresor)
400
Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu /c na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p
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
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1 17/41
• • • • •
s
Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů
A ~ anoda; K — katoda;
Ev E2 - clony; D^D2 — elektrody
deflektoru; C — kolektor;
S — supresorová mřížka;
1,2 — otvory v clonách
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
=
Vakuová fyzika 1
Ionizační manometr se studenou katodou
(Výbojový manometr)
Princip: samostatný výboj
Výbojové manometry s magnetickým polem
Existují dvě základní konstrukce:
• 1936 - Penningův manometr
• 1958 - Inverzní magnetron
Penningův manometr
4
4
připojení měřeného tlaku, 2 - válcová anoda, 3 - katod permanentní magnet
Vakuová fyzika 1
20 / 41
a)
Výbojový manometr - Penning J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
21 / 41
Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem.
L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968
□
Vakuová fyzika 1
a)
b)
K S A 9   9 9
0
R
i—o o—J - *
c)
L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968
Vakuová fyzika 1
23 / 41
Inverzní magnetron
1 - připojení měřeného tlaku, 2 - anoda, 3 - válcová katoda, 4 - permanentní magnet
Vakuová fyzika 1
24 / 41
Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru
A — anoda K — katoda M — míita irAžky.
L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968
Vakuová fyzika 1
26 / 41
t
B
Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 1
□ S1
27 / 41
Parametry manometrů
Proud procházející výbojem je mírou tlaku I = f(p).
9 uid0
I ~ NeLidope kTE
• Ne - počet elektronů emitovaných katodou za 1 s
• 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
výbojový proud můžeme aproximovat:
I = Kipu
pro většinu plynu v oboru tlaků 10~2 až 10~7 Pa platí 1,10 < u < 1,15
Vakuová fyzika 1 28/41
Manometry se studenou katodou jsou závislé na druhu plynu. Například pro měrku IKR 050 (Pfeiffer) platí pro tlaky < 10~
Peff = C X pr
plyn	C
vzduch (N2, 02, CO)	1,0
Xe	0,4
Kr	0,5
Ar	0,8
H2	2,4
Ne	4,1
He	5,9
1(H   2      4   6   10-6   2      4   6   10-5   2      4   6   10-*  2      4   6    ICH   2      4   6 10"2
Peff (mbar)
manuál IKR050 - Pfeiffer
Vakuová fyzika 1
30 / 41
Parametry
velikost magnetického pole 0,02 - 0,1 T
velikost napětí 2 - 6 kV
výbojového proudu < 2 mA
rozsah měřených tlaků 10_1 - 10~7 Pa (10~9 Pa)
typická chyba měření 15 - 30 %
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
Vakuová fyzika 1
31 / 41
Parametry ukázek
VC2T - TESLA Rožnov
• rozsah měření: lxlO-1 - lxlO-4 Pa
• napětí    2 kV
• mag. pole: ~ 0,04 T IKR 020 - Balzers
• rozsah měření: 5xl0_1 - lxlO-7 Pa
• napětí ^ 3 kV
• mag. pole: ~ 0,1 T
Provoz a použití
aktivní, nebo pasivní provedení
libovolná orientace
magnetické pole
rozprašování elektrod
čištění manometrů
teplota odplynení   150 - 250 °C
Výhody a nevýhody
Výhody
• robustní konstrukce
• jednoduchý měřící obvod
• rozsah měřených tlaků
• vydrží prudké zavzdušnění Nevýhody
• čerpací efekt
• závislost na druhu plynu
• chyba měření
• špatně startuje při nízkých tlacích (10~7 Pa ~ 5 minut)
Vakuová fyzika 1 34/41
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.
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
□
Vakuová fyzika 1
Měrka pro XHV vakuum
Top view of the 3BG-03, without the cover on the deflector and collector. The flanged mounting surface of the deflector can be seen in the picture, with its 3 mounting holes. Within the functional volume of the gauge, the deflector is an open array of bars and slots.
Grid
( Pt clad Mo wire)
Filament
(Ir-YA)
- . Collector
I  (Au-SUS)
Gauge Body
(0.2%BeCu alloy)
Bent Belt-Beam
firemní materiály VacLab Inc.
Vakuová fyzika 1
37 / 41
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 - Pirani + ionizační se žhavenou katodou
• rozsah měření 5 x 10"10 - 1000 hPa
MOT
PORTABLE COLD-ATOM VACUUM STANDARD (p-CAVS)
port for attachment to vacuum chamber
permanent magnet rings
lithium
metal
source
imaging lens for light from atom fluorescence
magneto-optical trap (MOT) with trapped atoms marked by yellow dot and laser light shown in red
materiály NIST
□
Vakuová fyzika 1
39 / 41
U-trubice
laser interferometer
ÖD
beam-splitter
eube-eorner
t^1_ reference line
pressure line
(b)
quartz glass
Yanhua Li et al 2015 Metrológia 52 111
Vakuová fyzika 1
40 / 41
Manometr	metoda	min [Pa]	max [Pa]
kapalinové U-trubice	absolutní	10"1	105
McLeodův	absolutní	ÍO"4	102
mechanické	absolutní	102	105
kapacitní	absolutní	10"3	105
piezo	absolutní	101	105
viskózni s kuličkou	nepřímá	10"5	101
Pirani	nepřímá	10"2	105
ionizační se žhavenou katodou	nepřímá	ÍO"9	10°
ionizační se studenou katodou	nepřímá	10"7	10°