Что измеряют вакуумные манометры

241

Что измеряют вакуумные манометры? Исторически вакуумные измерения начались с применения статических манометров, которые, несомненно, измеряют давление. Более того, до сих пор привыкли градуировать манометры различных типов по компрессионным манометрам, также измеряющим давление. Поэтому не удивительно, что все приборы для измерения вакуума называются манометрами, т. е. измерителями давления, и что при работе вакуумной установки обычно интересуются, каково в ней давление. Однако при высоковакуумных работах давление имеет важное значение, пожалуй, лишь при измерении быстроты откачки. Чаще более интересной характеристикой является средняя длина свободного пути частицы (молекулы — в случае дестилля-ции, электрона или иона — в электронных лампах, циклотронах, масс-спектрометрах и других электронных и ионных вакуумных приборах).

В практике автора вошло в обычай проводить высоковакуумные измерения по ионизационному манометру и, применяя типовые измерительные приборы к ним, оценивать давление в единицах ионного тока (например 0,5 мка). Автор и его сотрудники всегда сознавали условность такого определения, но постепенно пришли к убеждению, что ионный ток является лучшей характеристикой состояния разреженного газа в циклотроне, чем давление. Электрический пробой, образование плазмы, рассеивание ионных пучков — все эти процессы не зависят от температуры, но зависят от рода газа. Оказалось, что все ионизационные процессы, с которыми приходится иметь дело, в значительной степени сходны с процессами в ионизационном или магнитно-ионизационном манометрах, и ионный ток этих манометров является хорошим показателем состояния вакуума даже при меняющемся составе газа. Манометр, который действительно измеряет давление, был бы в этих случаях менее пригоден.

При измерениях вакуума, вообще говоря, не требуется точности выше 10% и, следовательно, не нужно вводить температурных поправок. Однако ниже, при обзоре измерений различными манометрами, для полноты рассмотрения указываются способы введения таких поправок.

Если, как это обычно бывает, какой-либо из рассмотренных манометров является отдельным прибором, соединенным с вакуумным сосудом трубкой, то возникает вопрос, какое из свойств газа измеряется этим манометром.

Статические манометры реагируют непосредственно на давление. Температура и концентрация молекул могут изменяться, не отражаясь на показании манометра, до тех пор, пока их произведение остается постоянным. Показания прибора не зависят от рода газа. В компрессионном манометре измеряемым давлением является давление в большой колбе манометра, в то время когда она соединена с сосудом, где измеряется давление.

Показания ионизационных манометров всех типов зависят от концентрации молекул в пространстве, где происходит ионизация, и от рода газа. Процесс ионизации не зависит от температуры газа.

Для манометра Кнудсена Дешман приводит следующую формулу радиометрического действия:

где К — сила отталкивания крылышек радиометра, Т — температура баллона манометра, ДГ — разность температур нагревателя и баллона и Р — давление. Так как ДТ в первом приближении не зависит от Т и концентрация молекул п пропорциональна отношению Р/Т, то этот манометр измеряет концентрацию молекул независимо от рода газа. Поскольку температура баллона изменяется лпшь незначительно, то говорят, что манометр Кнудсена измеряет давление в баллоне.

Чтобы перейти от условий, при которых газ находится в манометре, к условиям, при которых он содержится в сосуде, соединенном с манометром, следует рассмотреть два крайних случая (предполагая, что состав газа в манометре и в сосуде одинаков).

Первый случай касается условий высокого вакуума. Когда средняя длина свободного пути молекул велика по сравнению с диаметром соединительной трубки, имеет место явление термической эффузии и п_х/п₂ = j/'7’₂/7¹₁ или PJP₂ — УТ\/Т₂ [см. (1.69)], где величины с индексом 1 относятся к сосуду, а с индексом 2 — к манометру. Величины п_х и п₂ представляют числа молекул в 1 см³ Объема сосуда и манометра соответственно.

Второй случай относится к более высоким давлениям, когда средняя длина свободного пути молекулы значительно меньше

Рассмотрев, какие величины непосредственно измеряются манометрами и как относится вакуум в манометре к вакууму в сосуде, с которым он соединен, можно сделать следующие выводы:

1. Между манометром и сосудом можно включать охлаждающие ловушки без изменения показания манометра для неконденси-рующихся газов.
2. Пока высоковакуумный ионизационный манометр находится при постоянной температуре, его показания пропорциональны величине n]/Т или Р/]/Т, где величины Р и Т относятся к сосуду, с которым соединен манометр. Если температура манометра возрастает, то его показания уменьшаются в ]/ Т_к'Т₀ раз, где Т_о— начальная, а Т_к — конечная температура манометра. В ряде случаев при отравлении нити, сопровождавшемся вынужденным увеличением мощности накала, наблюдалось снижение чувствительности манометра.
3. При высоком давлении показания ионизационного манометра пропорциональны Р_х или п₁Т₁ при условии, что температура манометра сохраняется постоянной.
4. Компрессионные манометры при высоких давлениях также отмечают величины Р_± или п_лТ\, и их показания не зависят от температуры.
5. Если система электродов магнитного электроразрядного или электронного ионизационного манометров помещена непосредственно в вакуумный сосуд, то вряд ли возможен случай изменения температуры в сосуде при неизменной температуре манометра, или наоборот. Следовательно, показания таких манометров должны изменяться с изменением п₁ и пе зависеть от Т₁.

диаметра трубки. При этом давления уравниваются [59]

Из этих выражений, а также из уравнения п — NPjRT, где N — число Авогадро, a R — газовая постоянная, получим:

В заключение этой главы приводится список литературы по рассмотренным здесь манометрам. Большинство приведенных в списке работ касается отдельных типов манометров и электрических схем для них; однако в список включено также несколько работ, посвященных общим вопросам измерения низких давлений.