Измерение вакуума и история одного изобретения (часть 1) +36


В качестве вступления хочу отвергнуть замечания некоторых посетителей этого блога, будто автор слишком хвастается и восхваляет собственное "я". Но из песни слов не выкинешь, и если какие-то достижения мои, то я так и пишу. Если какие-то достижения я сделал совместно с другими людьми, то я тоже это указываю. Более того, стиль изложения автором намеренно основан на рассказах о собственном опыте и включает личные оценочные суждения. Данный блог, не является учебником или сборником научных статей.

Итак, радиолюбительством я занимался с 5-го класса школы, причём, это начиналось не как занятия в государственном техническом кружке, а как личные занятия дома при кураторстве одного из сослуживцев моей мамы, преподавателя Пермского политехнического института, и, по совместительству, очень опытного зарегистрированного радиолюбителя, имеющего собственную радиостанцию с позывным и очень говорящую фамилию для данного занятия - Попов.

Дальше был Рязанский радиотехнический институт с 1984 года, кафедра ЭВП и лаборатория в этой кафедре, куда я повадился ходить. Институт тот был старый советский с традициями, заключающимися в том, что преподаватели занимались ещё и прикладными НИОКР, для чего в составе института были лаборатории, до верху напичканные оборудованием, как принадлежащим институту, так и полученным в рамках проведения таких НИОКР от заказчиков.

Маленькое отступление и оценочное суждение: Я считаю, что технические ВУЗы можно разделить по принципу имеющих подобные лаборатории, работники ВУЗов в которых ведут НИОКР, и не имеющие таких лабораторий и таких занятий своих преподавателей. Второй тип ВУЗов в полной мере квалификацию "инженер" дать студенту в принципе не способен, а занимается профанацией обучения. Это без учёта того, что внеаудиторными занятиями даже в хороших ВУЗах занимаются от силы 10-20% учащихся. Остальные, в принципе, = образовательный шлак.

Лаборатория, в которую я попал, занималась исследованиями в области неразрушающих измерений вакуума и состава остаточного газа в приборах вакуумной электроники.

Руководил лабораторией доктор наук Коротченко Владимир Александрович. Он и сейчас ещё в добром здравии, хотя и не молод. Понятно, что, будучи студентом 1-го курса, я выполнял в лаборатории роль вспомогательную, связанную с изготовлением уже кем-то разработанных приборов или наблюдением за работой вакуумной установки вместе с проведением и записью в тетрадку отсчётов измерительных приборов.

Потом были 2 года службы в войсках ОСНАЗ в учебке и в радиомастерской при учебке, где практические радиолюбительские навыки только развились и были востребованы в лаборатории кафедры ЭВП . 1987 год, это были времена, когда народ ещё и не помышлял о том, что через 4 года большая страна развалится, и все разделятся на жирующее на остатках этой страны меньшинство, часто с риском для жизни сражающееся за право паразитировать, и на глазах беднеющее большинство. Ещё работали все советские заводы, а у института было множество хозрасчётных НИОКР, в том числе и с задачами измерения вакуума в отпаянных электровакуумных приборах ( ЭВП ).

Что бы дальше рассказывать про то, как неразрушающим образом измеряется вакуум в ЭВП, я сделаю небольшой экскурс в тему измерения вакуума вообще, изложив определённые научно-технические основы, без которых понимания у не подготовленного читателя дальнейшего изложения не возникнет.

Вакуумом называют газ, находящийся под давлением, которое ниже, чем величина давления атмосферы на поверхности Земли. Применительно к технике можно ещё добавить, что газ под давлением ниже атмосферного должен находится в некотором ограниченном от внешней среды твёрдыми стенками сосуда объёме. Давление такого разреженного газа по определению является величиной механической и измеряется в единицах измерения из раздела физики - "механика". 1000 Па = 1000 Ньютон / 1 м2 = 100 кг / м2 = 7,5 мм. рт. ст. = 7,5 Торр. Есть и ещё единицы измерения, но мне больше травится Торр, он же миллиметр ртутного столба, поэтому далее я буду в изложении использовать именно такую шкалу. Из всех этих единиц измерения достаточно прозрачно следуют выводы о способах прямых измерений давления разряжённого газа ( измерений вакуума ).

Т.е. это либо измерение силы давления на поверхность заданного размера, либо измерение разности высот столбов жидкости ( наиболее используемая жидкость ртуть ) в сообщающихся сосудов, когда с одной стороны на жидкость давит стандартное атмосферное давление, а с другой стороны давление газа в измеряемом объёме.

Понятно, что прямыми механическими измерениями возможно измерять только достаточно высокие давления газа. При более низких давлениях все методы измерения (оценки) давления газа являются косвенными. Но существуют, хотя и не так часто применяются, косвенные методы измерения давления газа и при высоких давлениях.

По мере перехода от более высоких давлений газа к более низким физические свойства газа ( свойства вакуума ), как среды, изменяются, поэтому в разных диапазонах давления газа ( при различном вакууме ) используются различные методы измерения давления ( оценки степени вакуума ). Как раз, опираясь на изменения свойств газа при уменьшении давления умные люди сформулировали деление вакуума на несколько его видов, между которыми, впрочем, нет чёткой границы. Вообще, если, говоря о величине давления газа, мы всегда подразумеваем строгую физическую величину, то, говоря о степени ( величине ) вакуума мы оперируем сравнительным понятием, не строго связанным с давлением газа и зависящим от многих технических факторов. Далее, я приведу собственный вариант шкалы разделения вакуума по видам, с объяснением такого разделения через проявление тех или иных физических свойств.

Низкий вакуум ( 1 - 760 Торр ) - это газ, имеющий механический свойства, и ведущий себя в баллоне, как единое целое. В таком газе возможны конвекционные потоки, его давление достаточно просто замерить через механическое воздействие. Так же, есть косвенные методы оценки давления - оптический, тепло-конвекционный. Применение такой вакуум обычно находит в техно-химических производствах ( как инертная среда, а так же для сушки, возгонки, перекачки и т.п. ). В электронике газ при таких уровнях давления может использоваться в газоразрядных приборах.

Средний вакуум ( 1 - 10-3 Торр ) - у газа пропадают механические свойства, но появляются новые тепловые и электрические свойства. В частности, теплопроводность такого газа очень сильно зависит от величины давления, что сразу технически даёт возможность создавать различные методы тепловых косвенных измерений давления. Используется в ряде газоразрядных приборах тлеющего разряда, а так же в технологических установках магнетронного напыления тонких плёнок, когда при помощи открытого магнетрона создаётся управляемый поток ионов, бомбардирующих мишень и вызывающих распыление её вещества на поверхность, где создаётся нужное покрытие. Эта область давления газа характерна возможностью эффективной объёмной ионизации и одновременным управлением движением ионов. Т.е. в низком вакууме ионизировать газ тоже можно, но там такие процессы лавинообразны, менее управляемы и норовят скатываться в дуговой газовый разряд.

Высокий вакуум ( 10-3 - 10-6 Торр ) - типичный вакуум для большинства электровакуумных приборов, работающих на принципах управления потоком электронов и термоэлектронной эмиссии в вакуум, так как примерно с давления 10-3 Торр начинают стабильно работать большинство конструкций термоэмиссионных катодов, а взаимодействие электронов с газом становится пренебрежимо слабым.

Сверхвысокий вакуум ( 10-6 - 10-9 и ниже, вплоть до 10-12 Торр ) - достигается в установках и приборах, не имеющих нагревающихся элементов. Например, в фотоэлектронных ЭВП или установках ускорения ионов. При этом давлении молекул газа мало настолько, что вероятность их столкновения между собой становится меньшей, чем вероятность столкновения этих молекул со стенками колбы, ограничивающий объём газа, или электродами ЭВП.

Границы диапазонов среднего, высокого и сверхвысокого вакуума размыты и связаны со многими условиями. Например, с размером используемой области вакуума ( эффективным линейным размером межэлектродного пространства, размером колбы прибора или установки ). Так, нижняя граница давления низкого вакуума в диапазоне размеров 10-100 мм, проявляющего свойство не зависимости теплопроводности от давления, на пару порядков может сдвинуться вверх в диапазоне размеров 0,01 - 0,1 мм, где газ проявляет зависимость теплопроводности от давления при более высоких давлениях. Например, для ускорителя ионов длиной в несколько метров сверхвысокий вакуум начнётся с диапазона порядка 10-8 Торр, а при многокилометровом размере какого-нибудь адронного коллайдера вакуум понадобиться уже не хуже, чем 10-11 - 10-12 Торр. И всё потому, что необходимо добиться ситуации, когда адроны за время своего движения в установке не должны встречать молекул газа. Кстати, ещё один термин: газ, который остаётся в вакуумном приборе или в вакуумной установке после процессов откачки и начала использования прибора, называется "остаточным". И, как стало понятным ( надеюсь ) из предыдущих объяснений, давление остаточного газа может не превышать достаточную для исправной и долгой работы прибора величину или превышать таковую.

Возвращаясь к своей лаборатории ВУЗа из конца 80-х, хочу сказать, что приборы неразрушающего контроля уровня вакуума и даже состава остаточного газа в ЭВП, разрабатываемые здешними учёными, были критически важны для совершенствования и поддержания технологии производства ЭВП, поскольку такое измерение позволяет дать информацию о текущей пригодности вакуумного прибора к работе, серия таких подобных измерений позволяет оценить герметичность изделия, а собранная статистика таких измерений интересна для косвенной оценки целого ряда технологических процессов.

Что бы описывать способы, на базе которых разрабатывались приборы для неразрушающего контроля вакуума в ЭВП, я коротко перечислю основные электро-физические методы для косвенного измерения давления газа в области среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Итак:

1) Тепловой метод в области среднего вакуума является, наверное, самым распространённым. Его суть заключается в регистрации потерь тепла ( скорости переноса тепла ) через газовую среду, где измеряется давление. Максимум чувствительности метод имеет при давлении порядка 10-1 Торр. Наибольший вклад в исследование этого метода внёс немецкий физик Марселло Стефано фон Пирани, работающий на фабрике фирмы Siemens по производству ламп накаливания директором по научно-исследовательской работе.

В общем случае классический вакуумметр Пирани фактически и представляет собой лампочку накаливания, через нить которой пропускают электрический ток, а о давлении судят по вольт-амперной характеристике ( ВАХ ) . Чем более крутая ВАХ, тем больше давление газа в колбе. Чем тоньше нить накала, тем более низкие давления способен чувствовать вакуумметр. Чем ближе стенки колбы к нити накала, тем более высокие давления вакуумметр Пирани сможет измерять.

примерно, как изменяется ВАХ датчика Пирани в зависимости от величины давления газа в нём.
примерно, как изменяется ВАХ датчика Пирани в зависимости от величины давления газа в нём.
вставил в качестве шутки текст в виде картинки
вставил в качестве шутки текст в виде картинки

2) Кроме теплового метода в области среднего вакуума могут применяться методы оценки давления через различные параметры газового разряда, например его динамические параметры.

3) Методы ( почти все за исключением очень специфических и крайне редко встречающихся ), применяемые для измерения давления в области высокого и сверхвысокого вакуума, в общем смысле можно назвать ионизационными.

Их суть состоит в том, что тем или иным способом через газ, давление которого надо измерить, создаётся поток электронов. Электроны во время своего движения сталкиваются с молекулами газа и, с некоторой вероятностью события, ионизируют их. Далее, каким-то способом надо измерить количество порождённых электронами ионов, а затем вычислить давление по общей формуле:

P = ( коэффициент ) * ( количество ионов, образованных за единицу времени ) / ( количество электронов, прошедших через ионизационный промежуток в единицу времени ),

где P - давление газа.

Вроде бы, всё просто. Но не просто. Дело в том, что поток электронов в вакууме надо как-то тем или иным техническим способом сформировать. И, желательно, что бы ионизационный промежуток для каждого электрона в потоке был как можно больше при как можно меньшем размере самого датчика вакуума. Образованные в ионизационном промежутке ионы надо каким то способом подсчитать (учесть), желательно не влияя на поток электронов, хотя существуют методы, где ионы регистрируются как раз по изменению потока электронов.

Строго говоря, ионизационные методы измеряют не давление газа, а количество молекул газа в единице объёма, поэтому, в результаты таких измерений ещё надо вносить поправку на температуру установки. Ведь, в умозрительном варианте очень холодного газа ( например, гелия, находящегося при температуре близком к переходу в жидкое состояние ) результаты ионизационных измерений и реальная величина давления могут отличаться в разы. Так же, коэффициент в выше приведённой формуле зависит от того, давление какого типа газа измеряется, поскольку зависимости вероятности ионизации от энергии ионизирующего электрона для различных веществ в газообразном состоянии различны и могут отличаться существенно. В общем случае, тут действует закономерность, что чем массивнее молекула вещества ( больше номер вещества в Периодической таблице элементов Менделеева ), тем меньше энергии надо на отрыв электрона от атома и больше размер самого атома ( или молекулы ), а, значит, выше вероятность ионизации.

Различные датчики высокого и сверхвысокого вакуума и различаются по техническим принципам реализации вышеописанных задач, которые стараются сделать такими, что бы снизить неопределённость измерений и достичь более высокой точности.

Например, в магнито-разрядном датчике вакуума поток электронов создаётся в скрещенных электрическом и магнитном полях осесимметричной электродной системы ( типа магнетрона или инверсного магнетрона ) при подборе величины этих полей ( электрического напряжения между катодом и анодом и уровня магнитной индукции ) таким образом, что вышедший из катода электрон не может достичь анода, так как его траектория закругляется на "половине" пути, и электрон описывает вокруг катода сложный круговой "танец". Столкновение такого электрона с молекулой газа забрасывает его на траекторию, находящуюся ближе к аноду, а ещё и, с некоторой вероятностью, порождает положительный ион, на который, в связи с его многократно большей массой, магнитное поле действует слабо, поэтому, ионы, образованные в магнито-разрядном датчике, быстро достигают катода, создавая электрический ток в межэлектродном промежутке. Постепенно, от столкновения к столкновению приближающиеся к аноду электроны тоже добавляют свою долю электрического тока.

Примерные траектории движения электронов (синим) и ионов (красным) в магнито-разрядном инверсно-магнетронном датчике.( катод и анод нарисованы толстыми чёрными линиями ).
Примерные траектории движения электронов (синим) и ионов (красным) в магнито-разрядном инверсно-магнетронном датчике.( катод и анод нарисованы толстыми чёрными линиями ).

Принято считать, что величина электрического тока через магнито-разрядный датчик однозначно связана с давлением газа внутри такого датчика в области 10-2 - 10-9 Торр ( некоторые производители подобных датчиков заявляют в качестве нижнего предела измеряемого давления даже 10-11 Торр ). Но , как видно из описания, в подобном датчике хоть и существуют потоки электронов и ионов, но строго разделить их и измерить каждый в отдельности не возможно, а, значит, не возможно и однозначно с высокой ( а, строго говоря, вообще с какой-либо ) степенью уверенности утверждать, насколько регистрируемый сигнал от датчика отражает величину давления газа в таком датчике. Хотя, магнито-разрядные датчики давления давно зачислены в разряд измерительных устройств ( с точностью "измерения", зависящей от наглости их производителя, которая обычно в СССР не давала указать погрешность ниже, чем +\- 60% , а на "просвещённом Западе" погрешность подобных датчиков могут указывать сколь угодно низкой, например и +\- 20% ), проходят поверку и все связанное с этим почётным и достаточно сложно достижимым статусом. Впрочем, я тут немного ухожу в сторону в необъятную и бездонную ( в смысле отсутствия дна ) темы измерительных приборов, средств измерения и бюрократического списка, называемого: "Реестр средств измерения". Вообще-то, материала в такой теме может быть на множество статей, но пока я лишь выражу своё мнение в том, что в тематике средств измерений больше бюрократической казуистики, чем технического смысла, и иногда пальцем можно померить что-то точнее, чем "прибором", даже включённым в реестр средств измерений.

Возможные изменения градуировочной характеристики магнито-разрядного вакуумного датчика при действии различных факторов
Возможные изменения градуировочной характеристики магнито-разрядного вакуумного датчика при действии различных факторов

Мне кажется, что для формата данного ресурса я изложил достаточно много технической и около технической информации, часть из которой вполне может быть предметом диспута и уточнения. В следующей части-главе я напишу про датчики вакуума с горячим катодом и расскажу про ряд их интересных разновидностей. Хотелось бы так же узнать мнение читателей, насколько в подобной статье нужны какие-то рисунки или фотографии? Т.е., если нужно, то я могу что-то по теме сюда натаскать (даже лично сфотографировать и выложить).

Кстати, следующая статья цикла уже написана и лежит тут.




Комментарии (43):

  1. peacemakerv
    /#24364450 / +11

    Концентрированная информация от специалиста в своей области - и без картинок за нее большое спасибо, ну а если добавите картинок, показывающих какую-то техническую опять же суть - будет еще лучше.
    Еще раз спасибо за ваши статьи.

  2. VT100
    /#24364454 / +3

    Некоторое количество иллюстраций — не повредит ни одной научно-популярной статье.

    • videoelektronic
      /#24364600 / +1

      Попробовал нарисовать иллюстрацию. Прошу не судить строго "художника".

  3. perfect_genius
    /#24364566

    Может тут есть знающие? Не знаю как гуглить такое: энергетически выгоднее сжимать газ для хранения в баллоне, или же таки выкачивать оттуда всё, чтобы создать вакуум?
    Почему интересует: есть пневмотехника, раньше даже была пневмопочта. Так вот, вдруг дошло, что можно ведь и не "дуть", а втягивать. Что выгоднее?

    • videoelektronic
      /#24364608 / +11

      при использовании в качестве аккумулятора энергии или толкателя сжатого воздуха вы можете неограниченно ( теоретически ) увеличивать силу воздействия. При использовании вакуума максимальная сила воздействия определяется атмосферным давлением ( 760 мм. рт. ст. или 100000 Н/м2 )

      • singeorange
        /#24365738 / +2

        Да, именно поэтому вакуумные усилители тормозов применяют только в легковых автомобилях. В грузовых, где усилия гораздо больше, этого уже недостаточно, вот откуда пневмосистема с избыточным давлением, а не разрежением.

        • SergeyMax
          /#24366634

          В тормозной системе автомобиля движущей средой тормозных механизмов является не вакуум, а гидравлическая жидкость, и давление в ней гораздо больше, чем в пневмосистеме грузовика.

          • videoelektronic
            /#24366786

            И тем не менее, в легковых автомобилях давление на движущую среду тормозных механизмов создаётся при помощи вакуумного усилителя, который использует энергию вакуума, создаваемого двигателем, а в грузовиках источником энергии является тот или иной вид компрессора. Разве не так?

            • SergeyMax
              /#24367100

              Да, вы правы, давление создаётся при помощи вакуумного усилителя, но, как я выше уже заметил, оно в десятки раз больше, чем создаваемое воздушным компрессором.

            • singeorange
              /#24368018

              "Разве не так?"

              Именно так, говорю как профессионал в области автомобилестроения с 1978. Только Вы, коллега, и разбираетесь в устройстве автомобиля и физических процессах, протекающих при работе его систем, в отличие от минусующих и оспаривающих.

    • Moskus
      /#24365024 / +1

      Без конкретной задачи дать общий ответ - нельзя. Потому что хотя уже приведенное соображение о влиянии разности давлений внутри и снаружи сосуда - совершенно справедливо, это не единственный фактор, который требуется рассмотреть. Например, есть аргумент в пользу хранения сжатого газа - механика устройства баллона. Прочную и легкую конструкцию из волоконного композита создать легко, потому что волокно в наполненном баллоне работает на растяжение. А если из баллона начать откачивать - на изгиб. Однако, сжатый газ может превращаться в жидкость, что может быть, в определенных условиях, нежелательно для конструкции.

    • Radisto
      /#24365524 / +1

      Разрушительный потенциал сжатого воздуха может быть выше, чем у вакуумированной трубы. С точки зрения безопасности надувать может быть опаснее (если конечно избыточное) давление большое

    • tlv
      /#24366040

      Пневмопочта работала и с вакуумом тоже =)

      Центральная идея в том, что у вас есть станция которая ближе к центру системы, и она создает избыток или разрежение в трубе, а есть абоненты к которым тянутся только трубы (ну и заслонки на пересечниях)

      Чтобы капсула двигалась от станции к абоненту - в трубе создается избыточное давление, а чтобы от абонента к станции - разрежение.

  4. gmk1
    /#24364570 / +2

    Спасибо за шикарную статью, надеюсь что продолжение будет.

    Да конечно можно немного добавить фото и картинок датчиков.

  5. agalakhov
    /#24364780 / +3

    В "Практике современной физической лаборатории" Стронга (1948-й год) предлагается практическая схема вакуумметра из двух лампочек накаливания. Лампочки используются вакуумные (сейчас такие бывают еще?), одна вскрывается и подсоединяется к вакуумной системе, вторая остается запаянной как образцовая. Обе лампочки включаются в измерительный мост.

    • begin_end
      /#24364974 / +1

      Маломощные лампы накаливания (≤25Вт) еще можно встретить вакуумные. Также, предположительно с вакуумными баллонами обязаны быть лампы для внутренней подсветки микроволновок.

      Наличие вакуума можно примерно оценить посредством помещения лампы в напряженное ВЧ поле (есть свечение — вакуум плохой, нет свечения — вакуум хороший… или давление близко к атмосферному).

      • Radisto
        /#24365528 / +1

        У меня светились все, которые попались в руки, даже маленькие, на 12 В. Но правда лампочек от микроволновки не было, интересно было бы узнать)))

    • videoelektronic
      /#24365230

      Да, есть такие мостовые схемы тепловых вакуумметров.

  6. addewyd
    /#24365124 / -2

    Такой специалист как бы должен знать, что газ разреженный (разрежённый).
    Это клоуны разряженные.

    • videoelektronic
      /#24365238 / +9

      замечание принимается, а способ, которым вы его сделали, является хамским.

  7. sregsstepz
    /#24365242 / +2

    Статья замечательная. Спасибо. Конкретно в картинках хотелось бы некоторого количества графиков. Думаю, так нагляднее.

    • videoelektronic
      /#24365350

      Добавлена картинка с изменением градуировочной кривой магнито-разрядного датчика от действия различных факторов.

  8. Radisto
    /#24365530 / +4

    И картинки и фото однозначно сделают текст и лучше и понятнее, мне так кажется. Тем более что область техники редкая если не сказать экзотическая

  9. borovichok13
    /#24365658 / +4

    Статья хорошая и полезная, автору спасибо за дело образования читающей и думающей публики. Ошибки и неточности сопровождают весь текст статьи.

    Датчики для измерения вакуума бывают абсолютные (им пофиг на состав газа) и остальные (они то как-раз зависят от состава газа. Делать абсолютные датчики для измерения малых давлений - ещё та проблема и чем лучше вакуум, тем труднее.

    Автору надо было бы начать с изложения принципа работы самого простого датчика - термопарного. А так как у него есть шкала от 0 до 100, то в технических статьях можно встретить понятие 100% вакуума.

    Советский манометр с датчиком Пирани измерял давления от атмосферного до 10^(-3?) Торр (дома я, а не на работе). Шкала от давления - нелинейная.

    Есть такое понятие длина свободного пробега, т.е. время между столкновениями частицами газа. Отсюда сразу становиться ясно, какой нужен вакуум для данных линейных размеров прибора.

    Сверхвысокий вакуум можно получить и в установках имеющих нагревательные элементы. Я использовал электронную пушку для нагрева образа с мощностью 500 Вт. И вакуум был лучше, чем 10^(-7) Торр. Терпение и длительный прогрев. А уж использование внешнего прогрева установок при температуре 150-300 С - это классика и давление там будет очень приличное , т.е. лучше 10^(-6) Торр.

    Энергия ионизации атома уменьшается ли с ростом номера в таблице Менделеева? От лития к цезию... и ... от гелия к ксенону. Смотри картинку. С молекулами все хитрее.

    • videoelektronic
      /#24365890

      Хорошее дополнение, спасибо. Хочу только сказать, что статья не ставила целью объять необъятное.

      Так по поводу тепловых измерений в области низкого вакуума мельком было упомянуто, что существует тепло-конвекционный метод измерения давления. Тепловые датчики в области низкого вакуума как раз в таком режиме работают.

      По поводу приведённой вами зависимости энергии ионизации от номера элемента, то даже в ней видно, что тенденция снижения этой энергии от номера существует, хотя, безусловно, на фоне этой тенденции действуют и другие более локальные закономерности, связанные с упаковкой электронных оболочек вокруг ядра атома. С другой стороны, как правило вакуумные системы и вакуумные датчики обычно работают с газами, а не с парами металлов или металлоидов, поэтому в части газообразных веществ обсуждаемая зависимость ещё более характерна.

      По поводу нагревающихся элементов. Действительно, многие вакуумные установки имеют нагревающиеся элементы для обезгаживания своих элементов. И действительно, чем дольше греешь, тем более низкое давление можно получить. Однако, это не отменяет общий принцип, что чем холоднее элементы вакуумной установки, тем проще получить низкое и свехнизкое давление. И тут предварительный прогрев элементов вакуумной системы с последующим остыванием позволяет добиться лучших результатов.

      По поводу термопарного датчика. Во первых, он не самый простой, а технически сложнее датчика Пирани, который состоит только из закреплённой на держателях нити и внешнего корпуса. Термопарный же датчик состоит из нити и термопары, измеряющей температуру нити. Безусловно, термопарный датчик удобнее для изучения школярами, так как представляет из себя более удобную техническую систему для лабораторных работ по изучению теплового способа измерения вакуума. По крайней мере, принцип работы термопарного датчика может усвоить ученик, ранее пропустивший лекцию про зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

      По поводу "шкалы датчика". Вообще-то, по моему скромному мнению, ни у одного датчика не может быть никакой шкалы. Понятие "шкала" применимо только к измерительному прибору. У датчиков же имеется измерительная характеристика, да и то, строго говоря, не у всех датчиков, а только у тех, которые фактически являются преобразователями одной физической величины (в данном случае давления) в другую физическую величину ( применительно в датчикам давления это может быть угол поворота стрелки, высота столба жидкости или некая электрическая величина, как сопротивление, разность потенциалов и т.п. ).

      • borovichok13
        /#24366660 / +1

        Зависимость для газов: чем больше молекула - тем меньше энергия ионизации? Не все так просто. В принципе тенденция есть, но возьмём просто почти одинаковые молекулы: анилин и метилбензол (толуол), у них энергии ионизации отличаются значительно: 7.7 и 8.7 эВ, а диметилбензола (ксилол) порядка 8.5 эВ. А молекула диметилбензола будет больше, чему анилина. Молекула нафталина (Ei=8.2 эВ) явно будет больше, чем молекула анилина.

        Я когда-то встречал работу, где была линейная зависимость чувствительности ионизационного датчика от размера молекулы. Но молекул там было приведено немного.

        • videoelektronic
          /#24366764

          Я бы не стал при помощи ионизационного вакуумметра измерять давление сложных молекулярных газов, поскольку кроме ионизации будут вовсю происходить процессы разложения этих газов на более простые молекулы.

          Мне кажется, что для измерения малых давлений сложных молекулярных газов необходимо использовать не ионизационные методы. Например, существуют датчики давления, работающие по принципу рассеяния электронов низких ( единицы эВ ) энергий на нейтральных молекулах. Я собираюсь упомянуть пример такого датчика в следующих публикациях.

          • borovichok13
            /#24367106 / +1

            1. Какие есть манометры в установке, такие и есть. Так сложилось исторически с советских времён. Только ионизационные датчики и давление органических молекул от 10^(-8) до 10^(-6) Торр. Недостаток финансирования, а точнее отсутствие оного.

            2. Датчик на рассеянии электронов с низкими энергиями - это интересно.

  10. LevPos
    /#24365706 / +1

    Извините за личный вопрос: почему Рязанский радиотехнический институт, а не Пермский политех или московские вузы?

    • videoelektronic
      /#24365798 / +2

      Это отдельная и личная история молодого человека. Дело в том, что моя мама (а она меня одна воспитывала) работала в приёмной комиссии Пермского политехнического института, поэтому у неё сомнений в том, куда будет поступать сын, не возникало. Но сын 8 и 9-й класс проучился в ЗФТШ МФТИ, потом, правда в 10-м классе забросил эту учёбу, но амбиции остались. Поэтому, проявив норов, поехал поступать в МФТИ на третий поток вслед за своим приятелем-золотым медалистом, который до этого уехал туда поступать. Приятель завалил экзамены, но поскольку в МФТИ вступительные экзамены были раньше других ВУЗов, то подался в МВТУ и, как медалист по льготе, поступил. Я же экзамены сдал, набрав 15 баллов, и поступил бы, если бы в анкете указал, что "не нуждаюсь в общежитии". Но так для нуждающихся в общежитии проходной бал был 16 и "фанера над Парижем пролетела". Сдавать больше мне экзамены в другие ВУЗы не хотелось, а тут купцы бегали из разных около-московских ВУЗов ( Из Иваново, из Рязани, из Тулы ), наперебой предлагая податься с набранными баллами к ним, что я и сделал к ужасу своей мамы, выбрав РРТИ. Вообще-то, мама была права, если с высоты моего возраста смотреть на всё. Голодать, знаете ли, хреново после 18 лет, когда алименты от папы перестали поступать. Но там была дальше армия, а после армии была уже работа на полставки на кафедре в должности сперва лаборанта, а на 5-м курсе уже на инженерной. Да и стипендия тогда была повышенная, как отличнику. А в МФТИ я после уже вернулся, уже в рамках сотрудничества с кафедрой вакуумной электроники и профессором Шешиным Евгением Павловичем.

  11. karambaso
    /#24365762 / +4

    Автор указывает, что в западных магниторазрядных датчиках занижают погрешность измерения, но каких-то технических деталей, обосновывающих данное утверждение, автор не приводит. Из общих соображений, конечно, можно что-то попробовать гадать на тему "доедет то колесо до Москвы, али не доедет", но в инженерной практике часто встречаются ситуации, когда вроде бы на первый взгляд "не так" работающаяя система оказывается вполне правильно работающей. А вся проблема здесь в качестве расчёта и дальнейшей реализации прибора. Поэтому голословно обвинять западные изделия в некошерности нельзя. Это не только может не соответствовать действительности, но и тренирует неподготовленного читателя верить броским фразам, неподкреплённым практически ничем, кроме авторитета автора.

    Было бы неплохо подтвердить авторитет автора и привести какие-то более вменяемые доказательства, нежели "общие соображения".

    А вообще, отсутствие у человека дотошности в области специализации говорит о потенциальных проблемах в случаях, когда ему снова не захочется погружаться в детали. Соответственно - авторитет автора, на мой взгляд, несколько проседает.

    • videoelektronic
      /#24365964

      Общие соображения - это достаточно важная в технике вещь. Автор же привёл в качестве общий соображений аргумент о том, что электронный и ионный ток в магниторазрядном датчике текут в одной и той же электрической цепи (порождают один и тот же никаким образом не разделимый электрический ток). Это безусловно порождает неопределённость сигнала датчика и показаний прибора, который преобразует сигнал такого датчика в величину измеряемого давления. Понятно, что существуют различные ухищрения для того, что бы косвенно оценить пригодность датчика к измерениям. Например, в ряде магниторазрядных вакуумметрах сравниваются между собой сигналы магниторазрядного датчика в инверсно-магнетронном и магнетронном режимах. Существуют магниторазрядные датчики со специальным инициирующим газовый разряд радиоизотопным источником внутри. Но вообще, на мой личный взгляд, данный вид датчиков очень удобен для продажи под серьёзным брендом, так как доказательств неточной работы датчика ( вакуумметра ) пользователь никаких представить не может, а сертификат Реестра средств измерений ... вот он! Поэтому, пользователь сам дурак.

      Но ещё раз скажу, что приведённое мнение является личным мнением автора, абсолютно такого же типа, как бессмысленность (например) игры в казино или в карты с джентльменами.

      Касаемо практического опыта автора, то, применительно к магниторазрядным датчикам он достаточно большой. Всё же, участие в обслуживании 2-х откачных кинескопных машин с датчиком типа ПММ на каждой из 180 откачных позиций в машине в течении нескольких лет.

      Характеристика любого магниторазрядного датчика выглядит вообще так, как приведено выше. Давление перехода и роста тока с повышением давления к спаду тока с повышением давления, приведено в качестве примера и от конструкции к конструкции может изменяться.

      • karambaso
        /#24366580 / +1

        Спасибо за развёрнутый ответ. Но в нём вы всё же подтвердили, что ваша оценка западных датчиков базируется на вашем опыте, а не на объективной проверке, которую трудно провести большинству пользователей датчиков.

        И хорошо, что в ответе вы добавили "на мой личный взгляд", это снимает вопросы о подтверждении. Но если бы так же было бы и в статье, то и всего этого диалога бы не возникло. Надеюсь, вы поступите правильно при публикации статей в будущем.

        • videoelektronic
          /#24366772

          "Более того, стиль изложения автором намеренно основан на рассказах о собственном опыте и включает личные оценочные суждения. Данный блог, не является учебником или сборником научных статей. " - это и написано буквально в первом абзаце.

  12. FIZIK-TECHNIK
    /#24366484 / +2

    Являясь фанатом вакуумной техники с удовольствием прочел статью. Среди предметов, которые я преподаю на физики-техническом факультете Северо-Осетинского государственного университета есть предмет "Основы вакуумной техники". Хорошая статья. Жду продолжения.

    • videoelektronic
      /#24366800

      Сегодня на запале, и видя интерес к тематике тут, написал вторую часть. И понял, что будут и следующие части, так как информации много, что бы поделиться.

      • borovichok13
        /#24367178

        Это хорошо.

        Есть абсолютные манометры, работающие до 10^-6 Торр. Баротроны MKS 690A.

    • borovichok13
      /#24367172

      Знаете или нет: иногда датчики давления ставят вне пределов установки, т.е. они присоединены через трубку к установке. Давление там будет хуже, чем в установке. Также там давление будет хуже за счёт локального нагрева ионизационного датчика при работе катода и ускоренного пучка электронов. Когда надо было получить давление лучше, чем 10^(-10) Торр , я датчики выключал.

      Кстати, можно использовать насос НОРД в качестве датчика давления: качает и по току давление в нем измеряется.

  13. diakin
    /#24367104 / +1

    А зачем вообще измерять давление применительно к вакууму? Давление это же термодинамическая величина, а при наличии "одной частицы на куб.см" (с)Wiki (пусть даже миллиарда) о какой термодинамике может идти речь? Да и смысл достижения высокого вакуума в том, чтобы .. эмм.. "вредные" частицы не мешали летать "полезным", а с этой точки зрения зачем знать давление, которое к тому же зависит от температуры. Лучше же знать сколько "вредных" частиц в ед. объема, нет?

    • videoelektronic
      /#24367132 / +1

      В принципе, вы отчасти правы. Но традиции сильнее. Я не знаю ни одного прибора, который был бы сертифицирован, как средство измерения, и измерял бы концентрацию молекул газа в единице объёма. Впрочем, физико-химическое воздействие "вредных" молекул на, допустим, некие поверхности с "полезными" молекулами зависит не только от концентрации, но, часто, и от скорости движения "вредных". В связи с этим, полагаю, в технологических процессах выработались какие-то критерии, связанные именно с давлением газа, хотя, безусловно, в области высокого и сверхвысокго вакуума говорить о термодинамике сложно.

      С другой стороны, как я писал, всё определяется так же линейными размерами пространства, где мы ведём физический эксперимент ( наблюдение ). Так, полагаю, что в пространстве многокилометровых размеров и без земной гравитации газ при давлениях, соответствующих нашим земным понятиям высокого вакуума вполне способен вести себя, как термодинамическая система. Разве не так?

      • diakin
        /#24367212 / +1

        Ну термодинамика предполагает, что речь идет о непрерывных величинах, а не об отдельных ударах молекул по стенкам. Поэтому для сверхнизкого давления уже будут заметны флуктуации... но если долго усреднять по времени , то в принципе совпадет с классикой.
        Но с этой точки зрения величина объема на степень приближения к термодинамике не влияет - хотя для получения заданного давления в большой объем надо запустить больше частиц, но частота ударов молекул по стенкам на единицу площади от этого не изменится.

        в технологических процессах выработались какие-то критерии, связанные именно с давлением газа

        Если бы концентрация давала какие-то преимущества.. а так шило на мыло менять конечно смысла нет.