Глава 2 Часть 3 курса лекций "Вакуумная техника"

Преподаватель Федоров А. Л.

Вакуумметры
Область давлений, используемых в современной вакуумной техни­ке, 105...10-12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне нельзя обеспечить одним прибором. Приборы для измерения общих дав­лений называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. Ваку­умметры измеряют общее давление газов в вакуумной системе.
По методу измерения разделяются на абсолютные и относитель­ные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам.
Диапазон рабочих давлений вакуумметров:

гидростатических - 105...10 Па;                 деформационных - 105...10-1 Па;
компрессионных   - 10...10-3 Па;                   тепловых          - 103...10-1 Па;
электронных          - 10...10-8 Па;                  магнитных        - 10...10-11 Па.
радиоизотопных   - 105...10-2 Па;
Деформационные преобразователи
К ним относятся трубчатые и мембранные преобразователи, рис. 2.34. Линейность показаний этих приборов сохраняется при небольших деформациях, поэтому приборы измеряют давления, лежащие в пределах  2...3 порядков.
                 
Рис. 2.34.
Гидростатические преобразователи
Простейшими гидростатическими преобразователями являются жид­костные манометры с открытым и закрытым коленом. В качестве рабо­чей жидкости применяется масло, диапазон рабочих давлений 105 ...10 Па, и ртуть, диапазон рабочих давлений 105 ...103 Па. Мано­метры с открытым коленом удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В манометре с закрытым коленом перед заполнением ра­бочей жидкостью получают давление Рср=0, что позволяет непосредс­твенно измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе. В этом случае показания прибора не зависят от атмосферного давления. При измерении малых давлений манометр с закрытым коленом имеет меньшие габариты, чем манометр с открытым коленом.
Гидростатические манометры с предварительным сжатием газа на­зываются компрессионными.  Диапазон измерения компрессионных мано­метров 10...10-3 Па.
Тепловые преобразователи
Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависи­мости теплопередачи через разреженный газ  от  давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находя­щемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.
Существует два вида тепловых преобразователей: термопарный и сопротивления, рис. 2.35. Оба имеют одинаковую чувствительность к различным газам.
        
Рис. 2.35.
Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, рис. 2.36, так и в режиме с постоянной температурой нити, рис. 2.37.
       
Рис. 2.36.                                               Рис .2.37.
Электронные преобразователи
Принцип действия основан на пропорциональной зависимости меж­ду давлением и ионным током, образующимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Существуют две схемы: с внут­ренним и внешним коллектором.
Схема с внутренним коллектором аналогична обычному триоду, рис. 2.38. Коллектором ионов является сетка,  на которую относительно  катода подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт, а на анод - положительное напряжение 100-200 В.  Электроны на  пути  от катода к аноду (ток Ie) соударяются    с молекулами остаточных  газов, и  образовавшиеся положительные  ионы попадают на сетку, создавая ионный ток Iи, измеряемый гальванометром.

Рис .2.38.
В схеме с внешним коллектором потенциалы сетки и анода меня­ются местами, и коллектором становится анод, рис.2.39. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что уве­личивает длину траектории электронов и повышает вероятность иони­зации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то, что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления

Рис. 2.39.

Магнитные преобразователи
Принцип действия магнитных преобразователей основан на за­висимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных маг­нитном и электрическом полях от давления. Применяют несколько ви­дов электродных систем, обеспечивающих поддержание самостоятельно­го газового разряда при высоком вакууме.
Ячейка Пеннинга, рис.2.40, состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2. Электроны, вылетающие из анода в результате автоэлектронной эмиссии, движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами. Магнитная индукция В выбирается больше критического

Рис. 2.40.
значения, соответствующего ра­венству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой дви­жется электрон. При соударении с молекулой остаточного газа элект­рон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиаль­ном направлении к аноду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду, образуя ионный ток Iи. Соударение положительных ионов с катодом приводит к образованию вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному.
Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя Iр=Iф+Iи+Iв, где  Iф - фоновый ток автоэлектронной эмиссии;  Iв - ток вторичной электронной эмиссии.  Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления,  ионный ток и ток вторичной эмиссии от давле­ния зависят, Iи+Iв=аРn, где а=0,1...0,01 А/Па и n=1...1,4 - посто­янные.
Кроме ячейки Пеннинга применяют магнетронные преобразователи, рис. 2.41, в которых катоды соединены стержнем, и инверсно-магнетронные, в которых центральный стержень - анод, а наружный цилиндр – катод.

Рис .2.41.
Преимущество магнитного преобразователя перед электронным - более высокая надежность, т.к. применен холодный катод. Недостаток - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.
Радиоизотопные преобразователи
В радиоизотопных преобразователях для ионизации  газа используется  α-, или  β-излучение радиоактивных изотопов.  Преобразователь состоит из стержневого коллектора 1, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3, рис. 2.42.

Рис. 2.42.
Вылетающие из радиоизотопно­го источника α- частицы,  соударяясь  с молекулами остаточных газов, образуют по­ложительные ионы,  которые  под действием разности потенциалов между анодом и коллектором направляются к коллектору, вызывая в цепи ионный ток, пропорциональный давлению.
Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью ра­диоактивного распада от температуры и воздействия газов. Поэтому данный прибор считается одним из лучших для измерения вакуума.
Газоанализаторы
Измерители парциальных давлений, как и измерители общих дав­лений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых пар­циальных давлений, чувствительностью, а также свойственным только им параметром - разрешающей способностью.
Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоя­щее время осуществляют двумя методами: ионизационным и сорбцион­ным.
Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положи­тельных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду. Сорбционный метод использует анализ адсорбированных газов.
Принцип действия магнитного газоанализатора (масс-спектромет­ра) основан на прстранственном разделении моноэнергетического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле, рис. 2.43.  Ионообразование  осуществляется

Рис. 2.43.
электронной  бомбардировкой  нейтральных  газовых  молекул  в ионном источнике 1 за счет тока эмиссии, iэ. Ионный  источник  находится под отрицательным потенциалом относительно земли,  выталкивающим ионный пучок i+ в пространство дрейфа со  скоростями  v~(q/m)0,5.  В  пространстве дрейфа действует поперечное магнитное поле с индукцией В, под воз­действием силы Лоренца F1=qvB положительные ионы движутся в направлении, определяемом правилом левой руки, по окружностям посто­янных радиусов R. При этом центростремительная сила Лоренца урав­новешивается центробежной силой F2=mv2/R. Из условия равенства сил F1=F2 найдем радиус траектории ионов:
R=mv/(qB).                                                     (2.16)
В результате на коллектор 3 попадают только те ионы, радиус которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллекто­ром. Изменяя радиус траектории иона R за счет изменения ускоряюще­го напряжения или индукции В, можно обеспечить попадание на кол­лектор ионов с различными массовыми числами. Ионный ток регистри­руется прибором 2.
Чувствительность масс спектрометра возрастает при  увеличении ширины щелей. Верхний предел рабочих давлений 0,01 Па определяется постоянством коэффициента чувствительности, нижний 10-8Па - фоно­выми токами.
Для проведения анализа с помощью метода сорбции в камеру с исследуемым газом, имеющую обычный манометрический преобразова­тель, помещают прогреваемую прямым пропусканием электрического то­ка вольфрамовую нить. Перед началом работы ее обезгаживают прогре­вом до 2500 К. После охлаждения на ее поверхности адсорбируются молекулы остаточных газов. При нагревании нити происходит десорб­ция газов и давление в камере повышается, причем десорбция различ­ных газов происходит при разной температуре нити. Для повышения чувствительности прибора необходимо увеличивать адсорбирующую по­верхность. Если адсорбирующую поверхность охладить, то можно про­вести анализ газов с малой теплотой адсорбции.
Измерение газовых потоков
Газовый поток - это масса газа, проходящая в единицу времени через заданное сечение элемента вакуумной системы. Потоки индиви­дуальных веществ можно измерять также количеством молекул газа, проходящих через заданное сечение элемента вакуумной системы в единицу времени. Единица газового потока кг/с, или при постоянной температуре газа м3Па/с.
Стационарный поток газа можно записать в виде
Q = U(Р1-Р2),                   (2.17)
где U - проводимость вакуумной  системы.
Данное уравнение можно использовать для измерения стационар­ных газовых потоков методом двух манометров по перепаду давления на вакуумном элементе известной проводимости.
Другое выражение для определения как стационарных, так и нестационарных газовых потоков можно записать в дифференциальной форме:

                                                   (2.18)
В соответствии с этим уравнением для измерения газовых пото­ков используют два метода: постоянного давления и постоянного объ­ема. При р=const поток газа Q=pdV/dt, а его измерение осуществляется по скорости изменения объема газа при постоянном давлении.
Описанные методы считаются абсолютными. Косвенные методы - тепловые, радиоизотопные, ионизационные - нуждаются в градуировке по абсолютным методам.

Метод двух манометров
Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений на элементе с известной проводимостью. Может применяться для изме­рения производительности и быстроты действия вакуумных насосов.
        Поток газа, откачиваемый насосом 5, измеряется по перепаду давлений на диафрагме 3 известной проводимости U, рис.2.44. Диафрагма установлена в измерительном колпаке 6. Давления Р1 и Р2 измеряются соответственно манометрами 2 и 4. Регулировка потока газа осуществляется с помощью натекателя 1, подключенного к вспомогательной вакуумной  системе. Рабочее давление вспомогательной вакуумной системы больше, чем основной. Производительность насоса, или газовый поток, рассчитываются по уравнению (2.17), а быстрота откачки
S = Q/Р2 = U(Р1 - Р2)/Р2.            (2.19)

Для расширения пределов измерения проводимость диафрагмы ме­няют, например, применяя ирисовую диафрагму, или поворотные диски с отверстиями различных диаметров.

Рис. 2.44.

Метод постоянного давления
1. С использованием жидкостной бюретки
Давление в измерительном обьеме 5  жидкостной бюретки 6 Pизм=Pв-pgh, где
Pв - давление внешней среды; ρ - плотность жидкости; h - разность уровней,
рис .2.45.

Рис. 2.45.
Если Рв>>рgh, то можно считать, что Ризм=const, тогда Q=PизмDV/Dt= КбРизмDh/Dt; Кб=pR2изм - постоянная бюретки.  Кран 4 нужен,  чтобы опустить обьем жидкости в бюретке, и повторить измерения. Натекатель 3 - для регулирования по­тока газа. Бюретку обычно заполняют вакуумным маслом.
2. Метод газовых пузырей
При вытекании газа из обьема 2 в  обьем 1, рис.2.46., при Р2>Р1 газовый поток может быть рассчитан по скорости dN/dt возникновения и обьему Vп  газовых пузырей 4, возникающих в жидкости 3: Q = VпєР1єdN/dt.         Вакуумирование пространства над жидкостью увеличивает чувствительность измерения, т.к. сопровожда­ется увеличением обьема пузырьков.

Рис. 2.46.
                          Метод постоянного обьема
       Насос 1 и клапан 2 используют для получения вакуума в обьеме 3. В процессе измерения клапан 2 закрывается, рис. 2.47. Газ из баллона 6 через

Рис. 2.47.
натекатель 4, поступающий в обьем 3, вызывает увеличение давления Р. Если поток газа постоянен, то происходит линейное повышение давления (кривая 1).
По скорости повышения давления определяют газовый поток Q=VdP/dt.
В момент прекращения откачки вакуумной камеры (t=0) в ней возникает газовыделение адсорбированных газов, приводящее к нелинейному повышению давления (кривая 2), рис. 2.48. Суммарное изменение давления идет согласно

Рис. 2.48.
кривой 3. Для надежного измерения потока методом  постоянного  объема газовыделение должно быть мало по сравнению с измеряемым газовым  потоком.  Этого  можно  достичь длительной предварительной откачкой вакуумной камеры.
Методы измерения газовых потоков, точность которых может быть обеспечена только после предварительной градуировки, называются косвенными. Чувствительность по потоку приборов для косвенных из­мерений KQ=a/Q, где a - показания прибора в делениях самой чувствительной шкалы; Q - газовый поток, определенный абсолютным мето­дом. В процессе градуировки определяется диапазон потоков, в котором сохраняется линейность градуировочной характеристики.
Проверка градуировки в процессе эксплуатации осуществляется с помощью калиброванных течей.  Например, в стеклянный баллон 1, заполненный гелием  при  давлении 105 Па, впаяна через переход  2 кварцевая трубка  3, рис. 2.48. Гелий диффундирует сквозь плавленый  кварц, величина потока 10-6...10-9 м3∙Па/с.

Рис. 2.49.
Тепловой метод
Теплопередача в области низкого вакуума при вынужденной конвекции зависит от скорости течения газа, а температура нагретой нити, следовательно, от потока газа. Градуируют тепловой потокомер по абсолютному прибору.
Методы течеискания
При изготовлении вакуумных систем из-за пор или трещин в ма­териалах возможно появление течей. Из-за малых размеров дефектов, вызывающих течи, обнаружить визуально их практически невозможно. Для определения места течей разработаны следующие методы течеиска­ния: а) пробного газа; б) высокочастотного разряда; в) люми­несцентный; г) радиоизотопный; д) пузырьковый.
Метод пробного газа получил наиболее широкое распространение, рис. 2.50.

Рис. 2.50.
После получения вакуума в испытуемом объекте место, проверяемое на наличие течи, обдувается пробным газом, который через    дефект начинает поступать в обьект и регистрируется масс-спектрометром. Для предотвращения повышения давления проверяемый объект должен находиться под непрерывной откачкой. Основным пробным газом является гелий. Он безопасен в работе, хорошо проникает через течи, у него низкая адсорбируемость.
При использовании метода пробного газа следует учитывать инерционность испытаний и невысокую точность нахождения места те­чи. Для уточнения места поверхность покрывают специальной вакуум­ной замазкой, которая в момент прекращения проникновения пробного газа фиксирует место течи. Так можно определить координаты места течи с точностью до нескольких миллиметров.
Вместо пробных газов иногда используют пробные жидкости - спирт, эфир, бензин, ацетон. При этом время проникновения жидкости может достигать нескольких часов. Поэтому пробные жидкости исполь­зуют для индикации грубых течей при высоких давлениях.
Метод высокочастотного разряда заключается в том, что при приближении электрода высокочастотного трансформатора к месту течи образуется направленный разряд. Появление разряда связано с пони­жением давления воздуха в месте течи и улучшением условий электри­ческого пробоя газового промежутка. Этот метод удобен для опреде­ления течей в стеклянных вакуумных системах.
Люминесцентный метод использует проникновение раствора люми­нофора в капиллярные течи. Проверяемый обьект длительное время вы­держивается в растворе люминофора. После удаления люминофора с по­верхности обьекта заполненные капилляры обнаруживаются в виде то­чек или полос при облучении ртутно-кварцевыми лампами. Люминофор дает желтое или красное свечение.
Радиоизотопный метод обнаружения течей состоит в том, что испытуемые обьекты в течение некоторого времени выдерживаются в атмосфере радиоактивного газа. После удаления радиоактивного газа и тщательной очистки поверхности от радиоактивных загрязнений из­лучающими остаются только негерметичные приборы. Метод применяется при автоматической проверке на герметичность малогабаритных полуп­роводниковых приборов.
Пузырьковый метод наиболее простой. В испытуемом обьекте соз­дается избыточное давление газа, и обьект погружается в жидкость. Диаметр пузырька в месте его образования равен диаметру капилляра. Воду без образования пузырьков можно нагреть до 80ºС, масло до 200ºС.
Герметичность вакуумных систем
Требования к герметичности вакуумных систем формируются с учетом условий их дальнейшей эксплуатации. В техническом задании на разработку вакуумной системы, работающей под непрерывной откач­кой, задается рабочее давление Рраб, при котором должен осущест­вляться технологический процесс. Для обеспечения эффективного использования откачных средств необходимо обеспечить предельное давление
Рпр≥0,1Рраб.                                           (2.20)
Если вакуумная система хорошо обезгажена и газовыделением можно пренебречь по сравнению с натеканием, тогда допустимый газо­вый поток, поступающий через все течи, имеющиеся в вакуумной уста­новке,
Qн≤Pпр∙Sо=0,1Pраб∙Sо,                                    (2.21)
где Sо - быстрота откачки обьекта.
Если технические требования связаны с поддержанием не общего, а парциального давления Рп какого-то компонента смеси, содержание которого равно g, то
Qн≤0,1∙Pп∙So/g.                                     (2.22)
В вакуумных системах объемом V, работающих в течение времени t без непрерывной откачки, для допустимого возрастания давления Р газовый поток
Qн≤V∙DP/Dt.                                        (2.23)
Если требования ставятся по парциальным давлениям, то анало­гично (2.21) получим
Qн≤V∙DP/(Dtg).                                      (2.24)
При совпадении условий испытаний на герметичность с рабочими условиями уравнения (2.21)...(2.24) определяют требования к поро­говой чувствительности испытаний. Если контроль на герметичность производится с помощью пробного газа или при другой

 температуре и перепаде давлений, то требования к пороговой чувствительности не­обходимо уточнить по уравнению

                 (2.25)
Qп DPпєUп
---- = -------,                                                                                   (2.25)
Qв DРвєUв
где Uв,  Uп - проводимость течи по воздуху и пробному  газу,  ∆Рв,
∆Рп - перепад давлений по воздуху и пробному газу.

Аппаратура для определения герметичности
Наиболее широко применяется масс-спектрометрический течеиска­тель, обладающий самой высокой чувствительностью, рис.2.51. Минимальные

Рис. 2.51.
обнаруживаемые течи равны 10-13 м3∙Па/с. Электроны, эмитируемые като­дом 9, попадают в камеру ионизации 8. Источник питания катода 11 подключен к анализатору через фланец 10. В случае негерметичности вакуумной системы, обдуваемой пробным газом, молекулы гелия через фланец 5  проникают в камеру ионизации. Положительные ионы гелия  ускоряющим напряжением направляются в камеру магнитного анализатора 6. Ускоряющее напряжение  Еу  и магнитная индукция В подбираются таким  образом,  чтобы  ионы гелия,  прошедшие через входную щель 7, двигаясь по траектории 4, попали в выходную щель 2. Остаточные газы по траектории 3 раз­ряжаются на стенках анализатора. Коллектор ионов 1 соединяется че­рез электрометрический каскад с блоком усиления и измерения ионно­го тока.
В отличие от анализаторов парциальных давлений, которые долж­ны иметь высокую разрешающую способность и перестраиваться на раз­личные массовые числа, датчик течеискателя настраивается только на пробный газ. При этом входная и выходная щели могут быть расшире­ны, что увеличивает чувствительность течеискателя. Этот способ по­вышения чувствительности можно применять для гелия, не имеющего в составе воздуха веществ с близкими массовыми числами.
Течеискатель подключается и испытуемому обьекту, рис.2.52., с помощью фланца 1. Для предварительной градуировки может применяться гелиевая течь 12, подключенная через клапан 13.  Для дросселирования больших потоков,  поступающих в течеискатель, служит клапан-натекатель 2. Ловушка 3 с насосом 10, подключенным  через  клапан 11, используется  для  создания рабочего давления 10  Па, измеряемого  преобразователем  4  и необходимого для  работы  масспектрометрической камеры        5.

Рис .2.52.

Форвакуумный насос 8 обеспечивает через клапан 9 работу высокова­куумного пароструйного насоса 10 и через клапан 6 - байпасную откачку камеры 5.  Работоспособность насоса 8 можно определить с по­мощью манометра 7.  Вакуумная система течеискателя предназна­чена для откачки масс-спектрометрической камеры  и,  как  правило,  не  может  быть использована для откачки испытуемого объекта, который должен иметь собственную откачную систему.

{jlcomments}