اندازه گیری خلاء

نازکی یک گاز را می توان با چگالی مولکولی گاز (تعداد مولکول های گاز در واحد حجم) n نیز توصیف کرد. برای یک مولکول گاز ایده آل در تعادل کامل، P=nkT، k ثابت بولتزمن و T دمای مطلق است. دستگاه اندازه گیری درجه خلاء را وکیوم گیج و عنصر حساس به فشار وکیوم گیج را سر گیج می نامند. برخی از گیج های خلاء می توانند به طور مستقیم فشار کل گاز را اندازه گیری کنند. اگرچه برخی از گیج‌های خلاء نیز فشار را نشان می‌دهند، اما اندازه‌گیری واقعی چگالی مولکولی گاز است و نتایج اندازه‌گیری به دمای محیط مربوط می‌شود. هنگامی که چندین جزء گاز به طور همزمان در ظرف وجود دارد، فشار کل گاز در ظرف برابر است با مجموع فشارهای جزئی هر گاز. روش های اندازه گیری فشار کل را می توان به دو نوع روش مستقیم و روش غیر مستقیم تقسیم کرد. روش مستقیم از اصول اختلاف ستون مایع و تغییر شکل مکانیکی برای اندازه‌گیری مستقیم فشار استفاده می‌کند، از جمله فشارسنج‌های سطح مایع، گیج‌های خلاء تراکمی، و خلاء سنج‌های الاستیک. با توجه به مقادیر فیزیکی اندازه گیری شده توسط دو ابزار اول، مقدار فشار را می توان محاسبه کرد که متعلق به گیج خلاء مطلق است. در روش غیرمستقیم از برخی خواص فیزیکی گاز (مانند رسانش گرما، ویسکوزیته، یونیزاسیون و اثرات پراکندگی نور و غیره) برای اندازه گیری فشار استفاده می شود که از جمله آنها می توان به گیج خلاء هدایت حرارتی، وکیوم گیج چسبناک و وکیوم گیج یونیزاسیون اشاره کرد. اکثریت قریب به اتفاق وکیوم سنج های مورد استفاده در فناوری خلاء از روش غیر مستقیم استفاده می کنند و این وکیوم سنج ها باید با خلاء سنج مطلق یا روش های دیگر کالیبره شوند. برای گیج خلاء که به روش غیرمستقیم اندازه گیری می شود، به دلیل خواص فیزیکی متفاوت انواع مختلف گازها، حتی در فشار یکسان، خوانش فشار با گاز متفاوت است، بنابراین باید با گاز مربوطه کالیبره شود. هنگامی که گاز مورد اندازه گیری یک جزء واحد نباشد، معنای این قرائت های گیج خلاء پیچیده تر می شود. از آنجایی که گازی که در کالیبراسیون گیج خلاء عمومی استفاده می‌شود، نیتروژن خالص است، قرائت‌های این گیج‌های خلاء در مجموع به عنوان فشار نیتروژن معادل نامیده می‌شوند قبل از اینکه توسط نوع گاز تصحیح شوند. هنگامی که فضای اندازه گیری شده حاوی انواع اجزای گاز باشد، تنها اندازه گیری فشار جزئی می تواند وضعیت خلاء و فشار کل در ظرف را به دقت منعکس کند.

گیج های خلاء رایج

1. رسانایی حرارتی خلاء سنج

فشار گاز با استفاده از این اصل اندازه گیری می شود که هدایت حرارتی گاز با فشارهای مختلف تغییر می کند. در این نوع وکیوم گیج جریان گرمایشی معینی از سر گیج مجهز به سیم داغ عبور داده می شود و دمای سیم داغ با تعادل بین حرارت و اتلاف حرارت تعیین می شود. ظرفیت اتلاف گرما تابعی از فشار گاز است، بنابراین دمای سیم داغ با فشار تغییر می کند. اگر از یک ترموکوپل اضافی برای اندازه گیری دمای سیم داغ استفاده شود، به این سر گیج ترموکوپل گیج می گویند. اگر از مقدار مقاومت خود سیم داغ برای انعکاس دما استفاده شود، به آن گیج مقاومت یا پیرانی می گویند. هدایت حرارتی گاز تنها با فشار در فشار پایین (P<100 Pa) تغییر می‌کند، و هدایت حرارتی گاز زمانی که کمتر از 10-1 Pa است، روش اصلی اتلاف حرارت نیست. بنابراین، گیج خلاء هدایت گرما عمدتاً در محدوده 100-10-1 Pa. اقدامات ویژه می تواند دامنه اندازه گیری را افزایش دهد. نشانگر خلاء سنج هدایت حرارتی نه تنها مربوط به نوع گاز است، بلکه به راحتی تحت تأثیر عواملی مانند آلودگی سطح سیم گرمایش، دمای محیط و غیره قرار می گیرد، بنابراین دقت آن بالا نیست و فقط برای نشان دادن خلاء خشن استفاده می شود.

2. وکیوم سنج پیرانی

اصل کار آن این است: درجه خلاء متفاوت است، تعداد مولکول های هوا در واحد حجم متفاوت است، توانایی سیم مقاومت حرارتی برای از بین بردن گرما (ظرفیت اتلاف گرما) متفاوت است، و دمای سیم مقاومت متفاوت است. ، زیرا مقاومت سیم مقاومت دما است. بنابراین، درجات مختلف خلاء باعث مقاومت متفاوت می شود، سپس مقاومت متفاوت است و افت ولتاژ جریان روی سیم مقاومت متفاوت است. با توجه به تغییر ولتاژ می توان فشار هوا را تبدیل کرد، یعنی درجه خلاء را اندازه گیری کرد. وکیوم سنج واقعی پیرانی به طور کلی به صورت یک پل چهار بازویی ساخته می شود و یک سیم مقاومتی برای جبران دما به صورت سری با آن وجود دارد.

3. وکیوم سنج فیلم خازنی

این یک گیج خلاء عنصر الاستیک است و فیلم الاستیک محفظه خلاء تنظیم کننده را به دو محفظه کوچک، یعنی محفظه فشار مرجع و محفظه اندازه گیری تقسیم می کند. هنگام اندازه گیری فشار پایین (P<100Pa)، محفظه مرجع به خلاء بالا تخلیه می شود و فشار آن تقریباً صفر است. هنگامی که فشار در محفظه اندازه گیری متفاوت است، درجه تغییر شکل غشاء نیز متفاوت است. یک الکترود ثابت در محفظه اندازه گیری وجود دارد که با غشاء یک خازن تشکیل می دهد. هنگامی که فیلم تغییر شکل می‌دهد، مقدار خازن متناسب با آن تغییر می‌کند و تغییر در ظرفیت را می‌توان از طریق پل خازن اندازه‌گیری کرد تا مقدار فشار مربوطه را تعیین کرد. برای جلوگیری از خزش فیلم، معمولاً از روش موقعیت صفر برای اندازه گیری استفاده می شود، یعنی ولتاژ DC بین الکترود ثابت و فیلم اعمال می شود و نیروی الکترواستاتیک برای جبران تنش ایجاد شده توسط فشار استفاده می شود. تفاوت فیلم برای نگه داشتن دیافراگم در موقعیت صفر. گیج خلاء فیلم ظرفیتی می تواند به طور مستقیم فشار گاز یا بخار را اندازه گیری کند. مقدار اندازه گیری شده ربطی به نوع گاز ندارد، ساختار محکم است و می تواند در برابر پخت مقاومت کند. اگر از سرهای گیج متفاوت برای محدوده های فشار مختلف استفاده شود، می توان دقت بالاتری به دست آورد. گیج‌های خلاء فیلم خازنی را می‌توان برای نظارت بر گاز با خلوص بالا، اندازه‌گیری با دقت کم خلاء و کنترل فشار استفاده کرد و همچنین می‌تواند به عنوان استاندارد ثانویه برای اندازه‌گیری خلاء کم استفاده شود.

4. وکیوم گیج یونیزاسیون

به اختصار آینومتر، از اصل یونیزاسیون گاز برای اندازه گیری فشار استفاده می کند. گیج های خلاء یونیزاسیون به دو دسته کاتد گرم و کاتد سرد تقسیم می شوند. معمولاً در سر گیج وکیوم گیج یونیزاسیون کاتد داغ سه الکترود به نام‌های کاتد، آند و کلکتور وجود دارد که به ترتیب نقش الکترون‌های ساطع، الکترون‌های شتاب‌دهنده و جمع‌آوری یون‌ها را دارند. الکترون ها در فرآیند حرکت از کاتد به آند، گاز را یونیزه می کنند. اگر اثر یونیزاسیون ثانویه نادیده گرفته شود (به این معنی که الکترون های جدید تولید شده در فرآیند یونیزاسیون توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و توانایی یونیزاسیون به دست می آورند و باعث یونیزاسیون جدید می شوند)، هر الکترون ساطع شده از کاتد یونیزه می شود. تعداد یون های مثبت تولید شده متناسب با چگالی گاز موجود در فضا است و بنابراین متناسب با فشار در دمای معین است. بنابراین جریان یونی Ii=SIeP دریافتی توسط کلکتور یعنی جریان انتشار الکترون کاتدی و S ثابت تناسب است که به آن ضریب یونومتر می گویند. پس از بررسی ضریب یونیزاسیون با یک گیج خلاء استاندارد در دمای معین، می توان فشار را با توجه به اندازه جریان یونی تعیین کرد. نوع اصلی سر گیج یونیزاسیون کاتد داغ کاتد به طور کلی از سیم تنگستن ساخته شده است و آند را می توان به صورت شبکه ای درآورد، به طوری که الکترون ها می توانند از هر دو طرف به جلو و عقب حرکت کنند تا حرکت الکترون ها افزایش یابد، بنابراین همینطور است. شبکه نامیده می شود. کلکتور یونومتر تریود استوانه ای است و در خارج از شبکه قرار می گیرد و محدوده اندازه گیری فشار آن 10-1 تا 10-5 Pa است. هنگامی که فشار کاری بالاتر از 10-1 Pa باشد، عمر سیم تنگستن کوتاه می شود. و رابطه بین جریان یون و فشار به دلیل اثر یونیزاسیون ثانویه شروع به انحراف از خطی شدن می کند. کاتدهای فیلامنت ایریدیوم که با اکسید توریم یا اکسید ایتریوم پوشانده شده اند می توانند تا فشار 100 Pa کار کنند و عمر نسبتاً طولانی دارند و فیلامنت حتی با گرم شدن در جو آسیب نمی بیند. اگر سر گیج یونیزاسیون این رشته را بپذیرد و آند و کلکتور به شکل های خاصی درآیند، فاصله بین الکترودها کوتاه می شود، ولتاژ آند کاهش می یابد و احتمال یونیزاسیون گاز کاهش می یابد (یعنی ضریب یونیزاسیون گیج). کاهش می یابد)، سپس این یونیزاسیون گیج را می توان اندازه گیری فشار 10-3 تا 100 Pa را فشار سنج یونیزاسیون نامید. حد پایین تر شدت ولتاژ پایین اندازه گیری شده توسط یونیزاسیون ترایود توسط جریان نوری کلکتور تعیین می شود، یعنی به دلیل انتشار نور ناشی از اشعه ایکس نرم تولید شده توسط الکترون که به آند تابیده به کلکتور برخورد می کند، جریان نوری پس زمینه جریان کلکتور را تشکیل می دهد. هنگامی که جریان نوری 10٪ از جریان یونی را تشکیل می دهد، به حد پایین اندازه گیری یونومتر رسیده است. کلکتور سر گیج یونیزاسیون به صورت رشته ای ساخته شده و روی محور شبکه قرار می گیرد. فیلامنت خارج از شبکه قرار دارد. در این زمان حساسیت سنج یونیزاسیون تغییر چندانی نمی کند و به دلیل مساحت کوچک کلکتور، اشعه ایکس رهگیری شده توسط آن کوچکتر از سه مرتبه قدر کمتر از نوع تریود است، این یونومتر می تواند فشارها را اندازه گیری کند. به 10-8 Pa. در سال 1950 توسط Bayard و Albert پیشنهاد شد، بنابراین BA نامیده می شود. برای اندازه گیری فشار 10-9 Pa یا کمتر، می توان از یک BA متر مدوله شده، یک متر یونیزاسیون قطب، یک یونیزاسیون سنج ستون منحنی یا یک متر یونیزاسیون مگنترون کاتد داغ استفاده کرد. این یون‌سنج‌ها همچنین تا حدی تأثیر یون‌های واجذب القا شده توسط الکترون گیت را بر اندازه‌گیری‌های فشار حذف می‌کنند.