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 1/48 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 kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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 čmax 1,2 3 3,7 10 11 12 13 19 Umax 110 170 65 95 100 120 90 85 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 5/48 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 ~ 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. Odstranění svodových proudů. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 vákuová fyzika 1 10 / 48 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 / 48 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) v o 1 i [ 1 i i i ^ 1 j j | 5 7 1011 15 20 r (min) Obr. 5.49. Změny kolektorového proudu Jc při modulaci v Bayardově-Alpertově-Redheadově vakuometru. Zpomalené ustalování proudu Ic je způsobeno mezi jiným sorpčními a desorpčními procesy na modulátoru J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 14 / 48 V7 V'8 ríf t) v3 pCPú) /a / / / V /k / / / * <> M / / / / / s 10 -s V 7 -8 10 -9 ■to V'a t)'12 10'11 10'*° 10* 10° 10'' Kf áIc(A) 8 10 10 -11 t2 Obr. 5.48. Charakteristiky modulátorového vakuometru. Kolektorový proud: ][, — při spojení modulátoru M s anodou (M -+ Ä); J* — při spojení modulátoru se zemí [M -* Z); závislost tlaku na rozdílovém modulačním proudu A/c je vyznačena čárkovaně nika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 +200V O-300V etekřron o jeho draho CD » í on a jeho dráha Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A — mřížková anoda; K — katoda; C — kolektor; E — stíněni; 5 - prstencová elektroda (supresor) Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu /c na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p roszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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 / 48 LĽ&+230V -270 ±50 V S V; L Obr. 5.56. Helmerův-Haywardův vakuometr se zakřiveným svazkem iontů A ~ anoda; X — katoda; Ev E2 — clony; Dj, D2 — elektrody deflektoru; C — kolektor; S — supresorová mřížka; 1,2 — otvory v clonách J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 18 / 48 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 B připojení měřeného tlaku, 2 - válcová anoda, 3 - katod permanentní magnet □ (3 Vakuová fyzika 1 20 / 48 Výbojový manometr - Penning J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 21 / 48 Obr. 7-26. Dráhy elektronu ve výbojovém manometru s magnetickým polem. L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 o) b) K S A 9 9 9 0 R c) L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 23 / 48 Inverzní magnetron 1 - připojení měřeného tlaku, 2 - anoda, 3 - válcová katoda, 4 - permanentní magnet Vakuová fyzika 1 24 / 48 Obr. 7-30. Dráhy elektronu v inverzním výbojovém manometru A — anoda K — katoda M — míf ta srážky, L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 26 / 48 6kV t B Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 Vakuová fyzika 1 □ t3 27 / 48 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 28/48 Manometry se studenou katodou jsou závislé na druhu plynu. Například pro měrku IKR 050 (Pfeiffer) platí pro tlaky < 10"3 Pa 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 Vakuová fyzika 1 29/48 10-7 2 4 6 1CH3 2 4 6 10-5 2 4 6 1 Qdes = 2 x 10 -T, pro t0 = l 02-T4 scmz • tľ: 1013 hPa -> 0,1 hPa (rotačka), ŕi = 35 min • ŕ2: 0,1 hPa -> 10"4 hPa (turbo), ŕ2 = 34,5 s • ŕ3: 10"4 hPa 10"6 hPa (turbo), ŕ3 = 360 min t = 6 h 36 min mater. oprac. Qdes [hPai](l h) L scmz -i v / Qdes [hPaÍ](4 h) Qdes [hPai](10 h) nerez leštěná 2 x 1(T8 4 x 10-9 2 x 10-10 nerez pískovaná 3 x 1(T10 6,5 x KT11 4 x KT11 dural 6 x 1(T8 1, 7 x 1CT8 1, 1 x 1CT8 sklo 4, 5 x ícr9 1, i x i(r9 5, 5 x i(r10 viton 1, 2 x i(r6 3, 6 x i(r7 2, 2 x 10-7 viton zahřátí 4 h 1, 2 x i(r9 3,3 x 10"10 2, 5 x i(r10 33) K velké vakuové komoře připojíme pomocí trubičky (D = 5 mm, L = 125 cm) komůrku s objemem V = 250 cm3. V celé aparatuře je tlak Pi= 1,333 Pa, ve velké komoře rychle snížíme tlak na Po = l,333x 10_2Pa. Za jak dlouho bude v malé komůrce tlak P2 = 2,666xl0-2 Pa? V aparatuře je vzduch, teplota je 293 K. pD = 0,005x 2,666 10-2 = 0,0001 mPa molekulární proudění G = l,215xl0"5 m3/s t = 94,5 s K aparatuře je připojen otevřený U-manometr naplněný rtutí. Rozdíl hladin v ramenech je h = 200 mm. Jaký tlak je v aparatuře? Atmosférický tlak je 105 Pa. P = Patrn " h [tOir] P = 105 - 200 x 133,322 [Pa] P = 73,3 kPa 35) K aparatúre je připojen uzavřený U-manometr naplněný rtutí. Rozdíl hladin v ramenech je h = 200 mm. Jaký tlak je v aparatuře? Atmosférický tlak je 105 Pa. P = h [torr] P = 200x133,322 [Pa] P = 26,7 kPa 36) Odvoďte vztah pro McLeodův manometr. = P2V2 V\ objem baňky a kapiláry. P2 = P1+H [torr] , V2 = ^nd2h kde d je průměr kapiláry, h]e rozdíl rovin X4, X2 Pl = i|P2 = 4vTíí(Pl + w) K = je konstanta manometru Pi = Kh(P\ + H)^P1 = 1 — Ka pro K/z