Вакуумметрия
Вакуумметрия (от вакуум и... метрия), совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) - ньютон на квадратный метр (н/м2). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. = 133,322 н/м2.Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений (рис. 1). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.
При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 103-10-10 н/м2 (10- 10-12 мм рт. ст.).
В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре (рис. 2) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении рв,а в другом - при известном (опорном) давлении рк. Если плотность жидкости r, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h:
? рв - pk = grh,
где g - ускорение свободного падения; обычно pk "рв. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10-1 н/м2 (10-3 мм рт. ст.).
В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре (рис. 3) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100-1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 102 н/м2(1 мм рт. ст.).
Компрессионным вакуумметром (рис. 4) можно измерять более низкие давления 10-3 н/м2 (10-5 мм рт. ст.). Действие такого вакуумметра основано на Бойля - Мариотта законе. Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p1³ р в малом объёме запаянного капилляра
где h - высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p1 определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля - Мариотта p = p1 V1/V, таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V.
Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.
Для измерения вакуума до 10-2 н/м2 (10-4 мм рт. ст.) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.
В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода (рис. 5): катод К, анод А, создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол, собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта (рис. 6), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10-8 н/м2 (10-10 мм рт. ст.). Ионизационный вакуумметр Лафферги (рис. 7) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра - 10-11 н/м2 (10-13 мм рт. ст.). Для измерения давлений до 10-5 н/м2 (10-7 мм рт. ст.) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (альфатрон), в котором ионизация газа осуществляется a-частицами.
В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10-12 н/м2 (10-14 мм рт. cm.). Вакуумметр (рис. 8) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А, плоскость которого параллельна пластинам. Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н =32 ка/м (400 э); направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U = 2-3 кв через сопротивление R = 1 Мом. Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10-2 н/м2(10-4 мм pт. ст.), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) - до 10-12н/м2(10-14 мм рт. ст.).
Вязкостный вакуумметр применяют в лабораторной практике для измерения давлений до 10-4 н/м2(10-6 мм рт. ст.). Принцип его действия основан на зависимости вязкости разреженного газа от его давления. Существуют демпферный вязкостный вакуумметр и вязкостный вакуумметр с диском. В первом мерой давления служит время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. Во втором - вращающийся с большой скоростью диск передаёт через газ вращающий момент др. диску, подвешенному на тонкой нити; угол поворота этого диска служит мерой давления.
В радиометрическом вакуумметре используется радиометрический эффект. Между двумя неодинаково нагретыми пластинами, помещенными в разреженный газ, возникают силы, отклоняющие пластины на величину, пропорциональную давлению газа. Показания такого вакуумметра почти не зависят от природы газа. Предел измерения 10-5 н/м2(10-7 мм рт. ст.).
Лит.: Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964; Эшбах Г. Л., Практические сведения по вакуумной технике, М.-Л., 1966; Лекк Д. Х., Измерение давления в вакуумных системах, пер. с англ., М., 1966; Востров Г. А. и Розанов Л. Н., Вакуумметры, Л., 1967.
? А. П. Аверина, А. М. Григорьев, Л. П. Хавкин.