Ionizaˇ cn´ı manometry
Princip: ionizace molekul a mˇeˇren´ı poˇctu nabit´ych ˇc´astic Rozdˇelen´ı podle zp˚ usobu ionizace: • Manometry se ˇ zhavenou katodou • Manometry se studenou katodou • Manometry s radioaktivn´ım z´ aˇriˇcem
Pˇri ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizov´any vˇsechny molekuly, ale jenom ˇc´ast z nich ni = γn ; γ < 1.
Vakuov´ a fyzika 1
1 / 32
Podm´ınky ˇcinnosti: • je nutn´ e pracovat pˇri stejn´e teplotˇe, pˇri kter´e byl manometr cejchov´an. • koeficient γ mus´ı b´ yt konstantn´ı v cel´em oboru mˇeˇren´ych tlak˚ u • mˇ eˇren´y iontov´y proud mus´ı b´yt tvoˇren pouze ionty molekul plynu -
vylouˇcit parazitn´ı proudy • mˇ eˇrit vˇsechny vznikl´e ionty
Nev´yhody: • ˇ cerpac´ı efekt - sorpce plyn˚ u vlivem elektrick´eho n´aboje • desorpce plyn˚ u z elektrod vlivem velk´e teploty
Vakuov´ a fyzika 1
2 / 32
Ionizaˇ cn´ı manometr se ˇ zhavenou katodou
1
1
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
3 / 32
Katoda vytv´aˇr´ı elektronov´y proud Ie , kter´y ionizuje plyn. Kolektor sb´ır´a kladn´e ionty. Ip - proud kladn´ych iont˚ u na kolektor, Ie - emisn´ı elektronov´y proud na anodu, p - tlak plynu Ip = K0 Ie p ⇒ p =
1 Ip K0 Ie
K0 [Pa−1 ] citlivost manometru, liˇs´ı se pro ruzn´e plyny, protoˇze se plyny liˇs´ı koeficientem specifick´e ionizace - - mnoˇzstv´ı iont˚ u vytvoˇren´ych jedn´ım elektronem na dr´aze 1cm v dan´em plynu pˇri tlaku 133 Pa a teplotˇe 273 K. Z´avis´ı na energii elektron˚ u - tedy na urychlovac´ım napˇet´ı. He Ne H2 N2 CO O2 Ar Hg max 1.2 3 3.7 10 11 12 13 19 Umax [V ] 110 170 65 95 100 120 90 85
Vakuov´ a fyzika 1
4 / 32
Kmity elektron˚ u pˇri pouˇzit´ı mˇr´ıˇzkov´e anody. 2
2
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
5 / 32
Dopad iont˚ u na kolektor z´avis´ı na • potenci´ alu kolektoru • na tvaru kolektoru • na poloze kolektoru vzhledem k prostoru, kde doch´ az´ı k ionizaci
Pravdˇepodobnost ohybu dr´ahy iont˚ u se zvyˇsuje s rostouc´ı poˇc´ateˇcn´ı rychlost´ı iont˚ u a se zmenˇsov´an´ım pr˚ umˇeru kolektoru. Pokud nejsou v obvodu kolektoru ˇz´adn´e dalˇs´ı proudy je iontov´y kolektorov´y proud m´ırou tlaku. Ic = Ip = K0 Ie p Ve skuteˇcnosti se mohou v obvodu kolektoru projevit parazitn´ı proudy. Ic = Ip +
X i
Ii = K0 Ie p +
X
Ii
i
Parazitn´ı proudy omezuj´ı moˇznost mˇeˇren´ı n´ızk´ych tlak˚ u.
Vakuov´ a fyzika 1
6 / 32
Parazitn´ı proudy • Proudy vyvolan´ e rentgenov´ym a ultrafialov´ym z´aˇren´ım - Anoda se
vlivem dopadu elektron˚ u s velkou energi´ı st´av´a zdrojem mˇekk´eho rentgenov´eho z´aˇren´ı. V d˚ usledku elektromagnetick´eho oz´aˇren´ı povrchu kolektoru vznik´a fotoemise z kolektoru. Je nutn´e pracovat s 1 , Ac - plocha n´ızkou teplotou katody. Parazitn´ı proud I1 ∼ Ac Ie DAC kolektoru, Ie - anodov´y proud, DAC - vzd´alenost anoda-kolektor. • Proudy vyvolan´ e elektronovou desorpc´ı - pˇri bombardov´an´ı povrchu
elektrony se mohou uvolˇ novat neutr´aln´ı atomy a molekuly, ionizovan´e atomy a molekuly, disociovan´e molekuly. • Iontov´ y proud ze ˇzhaven´e katody - katoda m˚ uˇze emitovat i ionty,
pouˇz´ıvat n´ızkou teplotu katody, projevuje se pouze pˇri velmi n´ızk´ych tlac´ıch. • Svodov´ e proudy - nedokonal´a izolace kolektoru od ostatn´ıch elektrod.
Vakuov´ a fyzika 1
7 / 32
Odstranˇen´ı svodov´ych proud˚ u. 3
3
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
8 / 32
Pˇri ˇcinnosti ionizaˇcn´ıho manometru doch´az´ı k zachycov´an´ı iont˚ u kolektorem a t´ım k ˇcerpac´ımu efektu. Konstrukce manometru • s vnˇ ejˇs´ım kolektorem - kolektor v´alcov´y, anoda v´alcov´a mˇr´ıˇzka,
katoda uvnitˇr anody • s vnitˇrn´ım kolektorem Bayard-Alpert - kolektor tenk´ y dr´atek
uprostˇred, anoda v´alcov´a mˇr´ıˇzka, katoda vnˇe mˇr´ıˇzky u (10−9 Pa) neˇz uspoˇr´ad´an´ı Uspoˇr´ad´an´ı Bayard-Alpert mˇeˇr´ı do niˇzˇs´ıch tlak˚ s vnˇejˇs´ım kolektorem. Spodn´ı hranice mˇeˇriteln´eho tlaku je d´ana zejm´ena parazitn´ım foto-proudem. Maxim´aln´ı mˇeˇriteln´y tlak 100 Pa.
Vakuov´ a fyzika 1
9 / 32
4 4
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
10 / 32
Modifikace Bayard-Alpert-Redhead, pro mˇeˇren´ı n´ızk´ych tlak˚ u 5 5
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
11 / 32
Mˇeˇren´ı prob´ıh´a ve dvou kroc´ıch • nejdˇr´ıve spoj´ıme modul´ ator s anodou(M → A) • pak ho spoj´ıme s kolektorem (M → Z ), ˇ c´ast iont˚ u proud´ı na
modul´ator M → A ; I0c = S0 p + I0x M → Z ; I00c = S00 p + I00x S 00 < S 0 ⇒ I0c − I00c = (S0 − S00 )p + (I0x − I00x ) I0x = I00x ⇒ p =
I0c − I00c S0 − S00
m˚ uˇzeme mˇeˇrit tlaky ∼ 10−10 Pa (tenze par W pˇri T=2000K Pp ∼ 10−10 Pa) Ionizaˇcn´ı manometry mˇen´ı sloˇzen´ı i tlak mˇeˇren´eho plynu. Chyba mˇeˇren´ı ∼ 15%. Speci´aln´ı modifikace vnoˇren´y manometr.
Vakuov´ a fyzika 1
12 / 32
6
6
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
13 / 32
7 7
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
14 / 32
8 8
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
15 / 32
9 9
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
16 / 32
10
10
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
17 / 32
11 11
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
18 / 32
Ionizaˇ cn´ı manometr se studenou katodou (V´ ybojov´ y manometr) Mˇeˇren´ı vyuˇz´ıv´a z´avislosti parametr˚ u elektrick´eho v´yboje za n´ızk´eho tlaku na tlaku. Princip je zaloˇzen na samostatn´em v´yboji, kter´y vznik´a pˇri vysok´em napˇet´ı. Proud proch´azej´ıc´ı v´ybojem je m´ırou tlaku I = f (p). Ui d 0
I ∼ Ne Li d20 pe− kTE
• Ne - poˇ cet elektron˚ u emitovan´ych katodou za 1s • Li - dr´ aha na kter´e doch´az´ı k ionizaci • d0 - efektivn´ı pr˚ umˇer molekuly plynu • Ui - ionizaˇ cn´ı potenci´al plynu • E - intenzita elektrick´ eho pole mezi K-A • p - tlak plynu
I = Sp Vakuov´ a fyzika 1
19 / 32
V´ybojov´y manometr - Penning 12
12
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
20 / 32
13 13
L. P´ at´y: Fyzika n´ızk´ych tlak˚ u, Academia, Praha 1968 Vakuov´ a fyzika 1
21 / 32
V´ybojov´y manometr - inverzn´ı magnetron 14
14
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
22 / 32
15 15
L. P´ at´y: Fyzika n´ızk´ych tlak˚ u, Academia, Praha 1968 Vakuov´ a fyzika 1
23 / 32
16 16
A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 Vakuov´ a fyzika 1
24 / 32
• Penning˚ uv manometr - Anoda ve tvaru v´alce, dvˇe ploch´e katody,
magnetick´e pole kolm´e ke katodˇe • Inverzn´ı magnetron - Katoda ve tvaru v´ alce, tyˇcov´a anoda,
magnetick´e pole rovnobˇeˇzn´e s anodou Doln´ı hranice mˇeˇren´eho tlaku 10−7 Pa. Se st´ın´ıc´ı elektrodou doln´ı hranice tlaku 10−9 Pa. Horn´ı hranice mˇeˇren´eho tlaku 100 Pa. Velk´a dr´aha elektron˚ u vlivem geometrie elektrod a magnetick´eho pole. Pˇri n´ızk´em tlaku pot´ıˇze se zap´alen´ım a s udrˇzen´ım stabiln´ıho v´yboje. Rozpraˇsov´an´ı elektrod. Chyba mˇeˇren´ı asi ∼ 15 − 30%.
Vakuov´ a fyzika 1
25 / 32
Ionizaˇ cn´ı manometr s radioaktivn´ım z´ aˇriˇ cem (Alfatron)
Ionizace se uskuteˇcn ˇuje pomoc´ı α - z´aˇriˇce, z´aˇriˇc s velk´ym poloˇcasem rozpadu (radium, 1600let) Iontov´y proud je u ´mˇern´y tlaku Ip = Sp S - z´avis´ı na druhu plynu, nepˇr´ım´a metoda Doln´ı hranice mˇeˇren´eho tlaku 10−2 Pa, (fotoproud vyvolan´y β - rozpadem) Horn´ı hranice mˇeˇren´eho tlaku 103 Pa.
Vakuov´ a fyzika 1
26 / 32
17
17
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
27 / 32
Mˇ erka pro XHV vakuum
18 18
firemn´ı materi´ aly VacLab Inc. Vakuov´ a fyzika 1
28 / 32
Mˇ erka pro XHV vakuum
Bent Belt-Beam - ionizaˇcn´ı manometr • 3BG-03 • citlivost 5 ∼ 8 × 10−2 Pa−1 • min. tlak 5 × 10−12 Pa
pro porovnan´ı ionizaˇcn´ı manometr z vak. praktika PBR 260 • rozsah mˇ eˇren´ı 5 × 10−10 − 1000 hPa
Vakuov´ a fyzika 1
29 / 32
Sorpˇ cn´ı mˇ eˇr´ıc´ı metoda K mˇeˇren´ı tlaku m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt z´avislosti objemov´e koncentrace na koncentraci povrchov´e. ns = ντ τ - je doba pobytu molekul na stˇenˇe, ns - je povrchov´a koncentrace 1 p N0 ν = nva ; p = nkT ⇒ ns = √ τ= 4 A 2πkTm0 Dokonale odplynˇen´y povrch ˇc´asti syst´emu (povrch vl´akna, kter´y se ˇzhavil pr˚ uchodem proudu) se uvede do styku s molekulami mˇeˇren´eho objemu za norm´aln´ı teploty. Po dobˇe ∆t se vl´akno zahˇreje a t´ım se uvoln´ı molekuly adsorbovan´e bˇehem t´eto doby. Jin´ym manometrem (nejˇcastˇeji ionizaˇcn´ım se ˇzhavenou katodou) se zmˇeˇr´ı tlak p0 .
Vakuov´ a fyzika 1
30 / 32
Pˇredpoklady τ > ∆t ; p0 p ν=
N0 kT p0 V N0 ; p0 = ⇒ N0 = A∆t V kT
p N0 p 2πkTm0 ⇒ p = 2πkTm0 A∆t p0 p=K ∆t Mˇeˇr´ıme pouze pr˚ umˇern´y tlak bˇehem doby ∆t. Mˇeˇren´ı je nespojit´e. Horn´ı hranice pro mˇeˇren´y tlak je d´ana podm´ınkou, ˇze na konci doby ∆t nen´ı jeˇstˇe vytvoˇrena monomolekul´arn´ı vrstva adsorbovan´ych molekul ∼ 10−7 Pa . Zdola nen´ı mˇeˇren´y tlak omezen. p=ν
Vakuov´ a fyzika 1
31 / 32
Manometr
metoda
min [Pa]
max [Pa]
kapalinov´e U-trubice
absolutn´ı
10−1
105
McLeod˚ uv
absolutn´ı
10−4
102
mechanick´e
absolutn´ı
102
105
kapacitn´ı
absolutn´ı
10−3
105
piezo
absolutn´ı
101
105
visk´ozn´ı s kuliˇckou
nepˇr´ım´a
10−5
101
Pirani
nepˇr´ım´a
10−2
105
ionizaˇcn´ı se ˇzhavenou katodou
nepˇr´ım´a
10−9
100
ionizaˇcn´ı se studenou katodou
nepˇr´ım´a
10−7
100
Vakuov´ a fyzika 1
32 / 32
