Mano Ionizační manometry • Konstrukce • Parametry • Provoz a použití • Výhody a nevýhody Kalibrace manometrů - etalony Speciální typy manometrů Uvod Proč používáme ionizační manometry? 1 ■ ■ ■ ■ Mechanické m. U trubice Piezo m. Tepelné m. Kapacitní m. McLeodův m. ■ Viskózni m. loniz. stud. katoda ■ loniz. žhav. katoda 10-10 10-8 10-6 10-4 iQ-2 100 102 104 [Pa] 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. 3/46 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 □ s 4/46 Ionizační manometr se žhavenou katodou J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 5/46 Kmity elektronů při použití mřížkové anody. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 6/46 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 9/46 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. +200)/ - 1*1- Q-300V elektron o jeho draho O » ion a jeho dráho Obr. 5.51. Schuemannův vakuometr s potenciálovou bariérou A — mřížková anoda; K — katoda; C — kolektor; E — stínění; S — prstencová elektroda (supresor) I0(A) 70'' 70 0 •íf V 1Ů r/2 •13 0 9Po ^ i 200 300 400 Obr. 5.52. Závislost kolektorového proudu lc na potenciálu (záporném) supresoru Us a tlaku p kowski: 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 13 / 46 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 14 / 46 a) Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Měrka pro XHV vakuum Grid Filament volume of the gauge, the deflector is an open ( 0.2%BeCu alloy) Bent Belt-Beam array of bars and slots. firemní materiály VacLab Inc. 16 / 46 63 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 10~8 — 105 Pa □ t3 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 připojení měřeného tlaku, 2 - válcová anoda, 3 - katoda permanentní magnet Inverzní magnetron připojení měřeného tlaku, 2 - anoda, 3 - válcová permanentní magnet L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 22 / 46 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 23 / 46 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 24 / 46 10-7 2 4 6 10-6 2 4 6 10-5 2 4 6 1 At ; p' ^> p N' , N'kT _ p'V v = —— ; p' = => N' = F AAt V kT p = i/^27rkTm0 p = y/27rkTm0 p = K 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. SS Kalibrace manometrü - CMI - etalony Ut \% cf MV] 10.q000 1,0000 -■ 0,1000 - 0,0100 - 0,0010 -■ 0,0001 l-1-1-1-1-r -10123456789 P [10* Pa] ABSOLUTE PRESSURE IM GAS GAUGE PRESSURE IM LIQUID 1] materiäly CMI 35 / 46 Kónická tlaková měrka Patří do kategorie pístových měřidel tlaku. Tlak se měří jako síla působící kolmo na efektivní plochu pístu. Tento manometr měří tlakovou diferenci mezi prostorem nad pístem a prostorem pod ním. Typ FPG8601 - měřící rozsah 0,5 Pa - 15 kPa. Nejpřesnější manometr pro tento tlakový rozsah (státní etalon), rozlišení 10 mPa, reprodukovatelnost 20 mPa. Nutno započítat opravy na vztlakovou a třecí sílu mazacího plynu, tepelnou roztažnost pístu, ... Je nutné provádět kalibrace pomocí přesných závažia nulování manometru. Tlak na referenční straně vlivem mazacího plynu neklesá pod 0,15 Pa. Pro přesná měření v oblasti nízkých tlaků nutno měřit jiným manometrem. P.KIenovský, bakalářská práce, MU, 2006 Manometr na principu dynamické expanze Do kalibrační komory vpouštíme známý proud plynu a komoru čerpáme známou čerpací rychlostí. Pak platí I P = š Mezi vývevu 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 vývevy, molekulární režim proudění plynu clonou. Měřící rozsah 10_1 — 10~5 Pa, v daném rozsahu nejpřesnější. P.KIenovský, bakalářská práce, MU, 2006 39 / 46 Speciální clony NPL (vyrábí National Physical Laboratory) P.KIenovský, bakalářská práce, MU, 2006 □ t3 P.KIenovsky, Bakalářská práce, Brno 2006 Etalon na principu dynamické expanze rozsah 10 1 — 10 6 Pa , chyba měření 0,6% — j Vi - V2 1 = p- ti — t2 0 Speciální typy manometrů MOT Interferometr U - trubice □ t3 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 44 / 46 Interferometr meas. pFP oc (n - l)kBT Puim = hgp 133 Pa Egan et al. Rev. Sci. Instrum. 87, 053113 (2016) 45 / 46 U-trubice 100 Pa - 10 kPa, olej, teflonová úprava válců, teplotní stabilita 10 mK Yanhua Li et al 2015 Metrológia 52 111 46 / 46