lecture-3 (1033144), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

А- электромагнитный статор, Б-ведущий диск на магнитном роторе (N-S), В-ведомый диск, Г-измерительное зеркало, Д- источник света, Е- шкала оценки давления по углу поворота зеркала φ.

Рис. 10. Конструкция вязкостного вакуумметра С. Дешмана.

Развитие вязкостных вакуумметров неразрывно связано с изобретением колебательного, струнного и др. вакуумметров, в которых измеряют, например, декремент затухания кварцевой нити, деформируемой от какого-либо источника магнитного или электрического поля [16].

Развитие средств получения вакуума привело к появлению криосорбцинного, магниторазрядного и других типов насосов, позволяющих получать очень высокое разрежение от 10^-5 до 10^-10 Па. При этом ионизационный вакуумметр, изобретенный О. Бакли (1916 г.) [17] продолжал показывать давление 10_­­­^-5 Па, но косвенные расчеты показывали, что давление в камерах ниже порогового значения 10_­­­^-5 Па. После этого в кругах «вакуумщиков» стала появляться новая теория, схожая с теорией «природной боязни пустоты» и запрещающая получать разрежение ниже, чем 10_­­­^-5 Па.

Сейчас мы знаем, что на предел измерения ионизационного вакуумметра влияют фоновые вяления, зависящие от формы и размеров коллектора, конфигурации и расположения электродов и других параметров. Однако только догадка Бойярда и Альперта в 1950 году [18], понявших, что причиной ограничения предела измерения существующего ионизационного вакуумметра является фоновый ток, возникающий на коллекторе ионов большой площади, позволила им, уменьшив диаметр цилиндрического коллектора ионов с 1 мм до 1 мкм, уменьшить нижний предел измерения вакуумметра с 10^-5 до 10^-8 Па. Решение о расширении диапазона, так называемого ионизационного вакуумметра с горячим катодом, было удивительно просто и лежало на поверхности, как и все гениальные вещи.

Для преодоления проблем автоэлектронной эмиссии и затухания разряда при низких давлениях в ионизационных вакуумметров с холодным катодом Гобсон и Редхед в 1958 г. разработали [19] инверсно-магнетронный вакуумметр, который до сих пор широко используется в практике вакуумных измерений, а некоторые модели подобных вакуумметров, например магниторазрядных вакуумметров, были предложены Ф. Пеннингом еще за 15 лет до начала работ Байарда и Альперта.

Рассматривая градуировочную характеристику магниторазрядного вакуумметра, представленную на рис. 11, мы видим ярко выраженный максимум ионного тока I_и в области 10^-1 Па, являющийся границей между различными физическими законами, используемыми для измерения давления. Увеличение количества ионов и ионного тока в диапазоне давлений от 10^-5 до 10^-1 Па объясняется увеличением молекулярной концентрации газа в зазоре, где происходит ионизация молекул, при увеличении давления. При дальнейшем увеличении молекулярной концентрации газа происходит пробой в межэлектродном зазоре (см. пунктир на рис. 11). Уменьшение количества ионов в диапазоне давлений от 10^-1 до 10⁰ Па при увеличении молекулярной концентрации газа происходит за счет увеличенной рекомбинации ионов (превращения ионов в исходные молекулы газа), при этом защита от электрического пробоя обеспечивается дополнительным сопротивлением в цепи электродов.

Рис. 11. Градуировочная кривая магниторазрядного вакуумметра.

Расширение диапазона измеряемых давлений магниторазрядного вакуумметра от 10⁰ до 10^-10 Па решается созданием условий для принудительного движения первичных ионов по строго определенным спиралеобразным траекториям, как это происходит в инверсно-магнетронном вакуумметре, являющемся вариантом магниторазрядного вакуумметра. Данные траектории обеспечивают высокую вероятность ионизации молекул газа, концентрация которого в сверхвысоком вакууме чрезвычайно низка.

Проблемы современных приборов для измерения вакуума

Таблица, составленная в США С. Дешманом, а затем в России Л. Н. Розановым (рис. 12) [11, 16], показывает, что инженерам, работающим с аппаратурой, функционирующей в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, приходится использовать 2-3 вакуумметра, измеряющих давление в пределах до 5-ти порядков, что соответствует философскому закону перехода количества в качество, согласно которому смена количества молекул в единице объема при изменении давления на 15 порядков (от 10^-5 до 10^-10 Па) не позволила конструкторам создать прибор, способный измерять вакуум в широком диапазоне давлений и работающий на одном физическом явлении.

Рис. 12. Таблица диапазонов измерения давления различными вакуумметрами по [11,16].

Пути решения проблем

В настоящее время в России разработан принципиально новый способ измерения вакуума [20], который отличается от классических методов измерения вакуума тем, что позволяет измерять давление в широчайшем диапазоне от 10⁵ до 10^-10 Па. Рассматривая принципы работы упомянутых выше вакуумметров можно отметить, что только U-образный манометр Э. Торричелли позволяет напрямую измерять давление. Остальные конструкции, даже компрессионный вакуумметр, являющийся образцовым для других типов вакуумметров, являются приборами косвенного измерения, так как для определения давления, требуют пересчета полученных исходных данных:

а) для компрессионного вакуумметра

Р = ρ ∙ g ∙ h ∙ Vк / (V0- Vк) (2)

где Р – измеряемое давление; V0 – начальный объем сжимаемого газа; h – разность уровней в сравнительном и сравнительном капиллярах; Vк – конечный объем газа после сжатия.

б) для теплового (Пирани или термопарного) вакуумметра

(3)

где Iн – ионный ток, проходящий через нить, А; Rк – сопротивление нити при Т = 293 К, Ом; Тн – температура нити, К; ΔТ = Tн – Тб; α – температурный коэффициент сопротивления материала нити, 1/К; l – длина нити, м; r – радиус нити, м; σ – 5,67 ∙ 10^–8 Вт∙м^–2∙ К^–4 – коэффициент Стефана Больцмана; b – коэффициент теплопроводности по сечению нити, Вт ∙ м^–1∙К^–1.

в) для вязкостного вакуумметра

(4)

где φ- угол закручивания жесткого подвеса, k- константа, зависящая от природы газа и коэффициентов аккомодации при переносе момента, I- момент инерции диска, ω- угловая скорость вращающегося диска, τ- период собственных колебаний подвесной системы, r- радиус вращающегося диска, Т- температура, М- молекулярная масса газа.

г) для ионизационного вакуумметра

(5)

где К- постоянная прибора, Iи – ионный ток на коллекторе ионов.

Последний из известных в настоящее время способов измерения вакуума [20], основывается на определении вакуума как функции коэффициента покрытия поверхностей сорбатом по уже известным физическим зависимостям. Однако до настоящего времени в технике не существовало приборов для измерения коэффициета покрытия поверхностей сорбатом. Поэтому можно утверждать, что этот способ служит для измерения коэффициента покрытия поверхностей сорбатом, которого до последнего времени не существовало. Как в случае перехода от U-образного вакуумметра к компрессионному, так и в данном способе зависимостями, используемыми для пересчета, являются известные уравнения:

а) уравнение Генри (работающее в области высокого вакуума)

(6)

где K_G – константа Генри, зависит от рода адсорбента и адсорбата; Р – остаточное давление.

б) уравнение Ленгмюра (работающее в области как высокого, так и среднего вакуума)

(7)

где b- константа, зависящая от температуры и рода адсорбента, Р – остаточное давление

в) уравнение С Брунауэра, П. Эммета и Е. Теллера (БЭТ) (работающее в еще более широком диапазоне давлений, приближающемся к атмосферному)

(8)

где

Р – остаточное давление сорбата в газовой среде над поверхностью;

Р_L – давление насыщенных паров сорбата,

Е_a – теплота адсорбции,

E_L – теплота парообразования (конденсации) сорбата,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура поверхности твердого тела (сорбата)

г)Уравнение для расчёта коэффициента покрытия поверхностей пары трения сорбатом [ 23 ] :

(8)

Где

Т_а – средняя температура перед новым контактированием на пятнах, вышедших из предыдущего контакта, К;

L – среднее расстояние между вершинами микронеровностей на поверхностях трения,

V – скорость трения, м/с;

 - коэффициент прилипания;

k – постоянная Больцмана.

₀ – постоянная сорбции, с,

Р – остаточное давление сорбата в газовой среде над поверхностью;

Е – теплота адсорбции,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура поверхности твердого тела (сорбата)

d₀ – диаметр молекулы сорбата d₀ ,

m – масса молекулы сорбата, кг

В работе [21] показано, что создаваемая с участием авторов теория позволяет измерять коэффициент покрытия как функцию от коэффициента трения в широком диапазоне остаточных давлений 10⁵ до 10^-10 Па. Таким образом, мы видим, что прибор, описанный в [22], также является вакуумметром косвенного измерения.

В работах [23,24] показано, как сила трения связана с коэффициентом покрытия. Таким образом, как и в случае компрессионного, термопарного, ионизационного, вязкостного и др. вакуумметров мы имеем дело с измерением давления через косвенные параметры. Следует отметить, что широчайший диапазон измерений давления от 10⁵ до 10^-10 Па вакуумметром [22] не противоречит закону перехода количества в качество, поскольку описываемая особенность способа измерения вакуума показывает, что в процессе трения физическая природа процесса трения на наномасштабном уровне меняется автоматически с изменением измеряемого давления (рис. 13) [20]:

Характеристики

Список файлов лекций