§ 58. Измерение малых давлений

Для измерения малых давлений разработан ряд методов. Некоторые из них мы здесь опишем.

Следует отметить, что не существует таких приборов для измерения малых давлений, которые были бы пригодны во всем интервале давлений, охватываемом понятием вакуума, так же как нет приборов, способных измерять любые высокие давления. Мы опишем здесь основные приборы (манометры), используемые в технике высокого вакуума. Начнем с самых малых давлений.

Ионизационный манометр. Устройство его мало отличается от обычных трехэлектродных усилительных ламп. Принцип его действия основан на том, что определенную часть молекул или атомов газа, давление которого подлежит измерению, ионизируют, т. е. превращают в положительно заряженные ионы. Под действием внешнего электрического поля возникает ионный электрический ток, сила которого измеряется соответствующим прибором (гальванометром).

Если мощность ионизатора постоянна, то сила ионного тока пропорциональна плотности ионов (числу их в единице объема); последняя, как известно, пропорциональна давлению газа Поэтому можно написать:

Установив специальным опытом значение коэффициента пропорциональности у, мы получаем возможность определить давление газа по измеряемому току

В ионизационных манометрах ионизация газа производится электронами при их столкновении с молекулами (атомами) газа. Эта ионизация и происходит в трехэлектродной лампе, присоединенной к откачиваемому объему, в котором измеряется давление. Схема включения ионизационного манометра показана на рис. 72.

Электроны, ионизирующие газ, заполняющий лампу (давление его, конечно, равно измеряемому), испускаются нитью накала, являющейся катодом. Ток накала поддерживается батареей и регулируется реостатом

Рис. 72.

Испущенные катодом К электроны ускоряются электрическим полем между катодом и сеткой С, потенциал которой, как показано на рис. 72, поддерживается положительным по отношению к катоду с помощью источника электродвижущей силы

Электроны, прошедшие сквозь сетку, ионизируют газ в пространстве между сеткой и коллектором потенциал которого источником поддерживается отрицательным по отношению к сетке. Поэтому положительные ионы, образовавшиеся при ионизации газа, движутся к коллектору, создавая ионный ток. Электроны же возвращаются назад к сетке. Сила ионного тока измеряется гальванометром

Для того чтобы сила ионного тока была пропорциональна давлению газа, необходимо, чтобы сила электронного тока

(т. е. мощность ионизатора) сохранялась постоянной. Постоянство силы электронного тока контролируется гальванометром

Ионизационный манометр должен быть градуирован, т. е. должен быть определен коэффициент у, связывающий силу ионного тока с давлением газа. Для этого нужно измерить силу ионного тока при нескольких известных значениях давления, измеряемых другим манометром (например, манометром Мак-Леода).

Недостатком ионизационного манометра является зависимость его показаний от состава газа (коэффициент у различен для разных газов). Ионизационным манометром можно измерять давления от до

Термоэлектрический манометр. Для измерений давлений в пределах от 0,1 до обычно используется манометр, действие которого основано на зависимости теплопроводности газа от давления.

Рис. 73.

При очень низких давлениях (в высоком вакууме) коэффициент теплопроводности газа, как мы видели, пропорционален давлению. В области давлений коэффициент теплопроводности уже заметно изменяется с давлением, хотя и не строго пропорционально последнему. Это и используется в манометрах описываемого типа. Одним из наиболее употребительных манометров такого типа является термоэлектрический манометр, схема которого приведена на рис. 73. В стеклянном (иногда в металлическом) сосуде присоединяемом трубкой С к откачиваемому объему, смонтирована термопара Ее спай А нагревается электрическим током, протекающим по металлической нити Я (нагреватель) от источника Б. Нагреватель непосредственно прилегает к спаю термопары. Сила тока в нагревателе поддерживается постоянной при помощи реостата и контролируется измерительным прибором Из-за нагрева спая термопары на ее концах возникает термоэлектродвижущая сила, измеряемая гальванометром

Значение термоэлектродвижущей силы непосредственно связано с давлением газа. Действительно, при заданной силе тока в нагревателе температура спая термопары, которая определяет величину измеряемой термоэлектродвижущей силы, будет тем выше, чем меньше теплоотдача от спая наружу; температура спая становится постоянной, т. е. устанавливается равновесие, когда мощность, выделяемая подогревателем, равна мощности, отдаваемой наружу через газ. Теплоотдача же наружу тем больше, чем больше теплопроводность газа, т. е. чем выше давление. Отсюда следует, что

величина термоэлектродвижущей силы, измеряемая прибором, тем больше, чем меньше давление газа.

К термоэлектрическому манометру (точнее — к манометрической лампе) прилагается градуировочная кривая — кривая зависимости измеряемой термоэлектродвижущей силы от давления газа. Иногда на шкале самого измерительного прибора нанесена не только шкала термо-э.д.с., но и шкала давлений (эта шкала неравномерная).

На рис. 72 и 73 приведены принципиальные схемы включений ионизационного и термоэлектрического манометров. В качестве источников тока на этих схемах показаны гальванические батареи. В действительности современные манометры питаются от сети переменного тока и вместо соответствующих батарей используются выпрямители и трансформаторы, которые монтируются вместе с другими деталями в одном ящике.

Рис. 74.

Манометр Мак-Леода. Это один из первых манометров для измерения очень малых давлений, нашедших в свое время весьма широкое применение, часто применяемый и до сих пор. Принцип действия манометра Мак-Леода очень прост и заключается в следующем.

Обычным U-образным ртутным манометром нельзя измерять слишком малые давления из-за трудности отсчета малых разностей уровней жидкости в коленах манометра.. Поэтому для измерения малого давления газа отбирают вполне определенный, заранее известный объем этого газа и подвергают его такому сжатию, при котором давление газа уже легко измерить по разности уровней в ртутном манометре. Разумеется, степень сжатия выделенной порции газа должна быть известна. Эта идея и осуществлена в манометре Мак-Леода, схема которого представлена на рис. 74.

Стеклянный баллон известного объема с припаянным к нему капилляром сообщается через трубку а с откачиваемым объемом, в котором измеряется давление. Параллельно капилляру припаян капилляр такого же диаметра, как и капилляр Таким образом, капилляр всегда присоединен к откачиваемому объему, а капилляр к баллону Этот последний отростком и

гибким шлангом присоединен к открытому баллону наполненному ртутью.

До измерения сосуд расположен на такой высоте, чтобы ртуть в левом колене не поднималась выше точки С. При этом разность уровней в баллоне и в левом колене равна примерно 760 мм. Баллон в это время сообщается с откачиваемым объемом. Для измерения давления сосуд с ртутью поднимают и тем самым отключают баллон от откачиваемого объема. При дальнейшем поднятии ртути газ в баллоне сжимается и вгоняется в капилляр Поднимают ртуть до тех пор, пока ее уровень в капилляре сравняется с верхним концом капилляра затем измеряется разность уровней в капиллярах (над этим уровнем находится сжатая порция газа) и (этот капилляр сообщается с измеряемым объемом газа). В этом положении и отсчитывается разность уровней в капиллярах. Она, очевидно, равна давлению сжатого газа.

Пользуясь законом Бойля-Мариотта, нетрудно определить измеряемое давление т. е. начальное давление в баллоне до сжатия газа в нем. Действительно, если объем баллона равен V, то

где объем сжатого в капилляре газа:

здесь радиус капилляра. Отсюда

Радиус капилляра и объем баллона V определяются заранее и, следовательно, отношение является постоянной, характеризующей данный манометр. Измерение давления сводится, значит, к измерению разности уровней в капиллярах. Этим простым образом можно измерять давления от 0,1 до

Недостатки манометра Мак-Леода следующие:

1. Он не измеряет давления насыщенных паров, которые могут присутствовать в вакуумной системе; эти пары при сжатии конденсируются и не изменяют своего давления.

2. Пары ртути, которой наполняется манометр, вредны для здоровья.

3. Он не допускает непрерывного контроля давления.

4. Им нельзя измерять давления, меньшие чем