قياس الفراغ

يمكن أيضًا وصف رقة الغاز بالكثافة الجزيئية للغاز (عدد جزيئات الغاز لكل وحدة حجم) n. لجزيء غاز مثالي في حالة توازن تام ، P = nkT ، k هو ثابت بولتزمان ، و T هي درجة الحرارة المطلقة. يسمى جهاز قياس درجة الفراغ مقياس الفراغ ، ويسمى العنصر الحساس للضغط في مقياس الفراغ برأس مقياس. يمكن لبعض مقاييس الفراغ قياس ضغط الغاز الكلي مباشرة. على الرغم من أن بعض مقاييس الفراغ تعطي أيضًا قراءات للضغط ، فإن القياس الفعلي هو الكثافة الجزيئية للغاز ، وترتبط نتائج القياس بدرجة الحرارة المحيطة. عندما يكون هناك العديد من مكونات الغاز في الحاوية في نفس الوقت ، فإن إجمالي ضغط الغاز في الحاوية يساوي مجموع الضغوط الجزئية لكل غاز. يمكن تقسيم طرق قياس الضغط الكلي إلى نوعين: طريقة مباشرة وطريقة غير مباشرة. تستخدم الطريقة المباشرة مبادئ اختلاف عمود السائل والتشوه الميكانيكي لقياس الضغط مباشرة ، بما في ذلك مقاييس ضغط مستوى السائل ، ومقاييس ضغط الفراغ ، ومقاييس فراغ العنصر المرن. وفقًا للكميات الفيزيائية التي تم قياسها بواسطة الأداتين الأولين ، يمكن حساب قيمة الضغط ، والتي تنتمي إلى مقياس الفراغ المطلق. تستخدم الطريقة غير المباشرة بعض الخصائص الفيزيائية للغاز (مثل التوصيل الحراري ، واللزوجة ، والتأين ، وتأثيرات تشتت الضوء ، وما إلى ذلك) لقياس الضغط ، بما في ذلك مقياس الفراغ للتوصيل الحراري ، ومقياس الفراغ اللزج ومقياس فراغ التأين. الغالبية العظمى من مقاييس الفراغ المستخدمة في تقنية الفراغ تستخدم الطريقة غير المباشرة ، ويجب معايرة مقاييس الفراغ هذه بمقاييس الفراغ المطلقة أو طرق أخرى. بالنسبة لمقياس الفراغ المقاس بالطريقة غير المباشرة ، نظرًا للخصائص الفيزيائية المختلفة لأنواع مختلفة من الغازات ، حتى تحت نفس الضغط ، تختلف قراءات الضغط باختلاف الغاز ، لذلك يجب معايرته مع الغاز المقابل. عندما لا يكون الغاز الذي يتم قياسه مكونًا واحدًا ، يكون معنى قراءات مقياس الفراغ أكثر تعقيدًا. نظرًا لأن الغاز المستخدم في معايرة مقياس الفراغ العام هو نيتروجين نقي ، فإن قراءات مقاييس الفراغ هذه يشار إليها مجتمعة بضغط النيتروجين المكافئ قبل أن يتم تصحيحها بواسطة نوع الغاز. عندما تحتوي المساحة المُقاسة على مجموعة متنوعة من مكونات الغاز ، فإن قياس الضغط الجزئي فقط يمكن أن يعكس بدقة حالة الفراغ والضغط الكلي في الحاوية

مقاييس الفراغ الشائعة

1. مقياس فراغ التوصيل الحراري

يتم قياس ضغط الغاز باستخدام مبدأ أن الموصلية الحرارية للغاز تتغير مع ضغوط مختلفة. في هذا النوع من مقاييس الفراغ ، يتم تمرير تيار تسخين معين عبر رأس المقياس المجهز بسلك ساخن ، ويتم تحديد درجة حرارة السلك الساخن من خلال التوازن بين التسخين وتبديد الحرارة. قدرة تبديد الحرارة هي دالة لضغط الغاز ، وبالتالي فإن درجة حرارة السلك الساخن تختلف باختلاف الضغط. إذا تم استخدام مزدوج حراري إضافي لقياس درجة حرارة السلك الساخن ، فإن رأس المقياس هذا يسمى مقياس حراري ؛ إذا تم استخدام قيمة مقاومة السلك الساخن نفسه لعكس درجة الحرارة ، يطلق عليه مقياس المقاومة أو مقياس بيراني. يتغير التوصيل الحراري للغاز فقط مع الضغط عند الضغط المنخفض (P <100 Pa) ، والتوصيل الحراري للغاز ليس هو الطريقة الرئيسية لتبديد الحرارة عندما يكون منخفضًا مثل 10-1 Pa. لذلك ، يتم استخدام مقياس الفراغ للتوصيل الحراري بشكل أساسي في نطاق 100-10-1 باسكال يمكن للقياسات الخاصة توسيع نطاق القياس. لا يرتبط مؤشر مقياس الفراغ للتوصيل الحراري بنوع الغاز فحسب ، بل يتأثر أيضًا بسهولة بعوامل مثل تلوث سطح سلك التسخين ودرجة الحرارة المحيطة وما إلى ذلك ، وبالتالي فإن الدقة ليست عالية ، وهي فقط تستخدم لمؤشر الفراغ الخام.

2. مقياس فراغ بيراني

مبدأ عملها هو: درجة الفراغ مختلفة ، يختلف عدد جزيئات الهواء لكل وحدة حجم ، وقدرة سلك مقاومة التسخين لسحب الحرارة (سعة تبديد الحرارة) مختلفة ، ودرجة حرارة سلك المقاومة مختلفة ، لأن مقاومة سلك المقاومة هي درجة الحرارة. لذلك ، تتسبب درجات الفراغ المختلفة في مقاومة مختلفة ، ثم تختلف المقاومة ، ويختلف انخفاض الجهد في التيار على سلك المقاومة. وفقًا لتغير الجهد ، يمكن تحويل ضغط الهواء ، أي يتم قياس درجة الفراغ. يتم تصنيع مقياس الفراغ الفعلي Pirani بشكل عام في جسر بأربعة أذرع ، وهناك سلك مقاومة لتعويض درجة الحرارة بالتسلسل معه.

3. مقياس فراغ فيلم السعوية

إنه مقياس فراغ عنصر مرن ، والفيلم المرن يقسم غرفة التفريغ المنظمة إلى غرفتين صغيرتين ، وهما غرفة الضغط المرجعية وغرفة القياس. عند قياس الضغط المنخفض (P <100Pa) ، يتم تفريغ الغرفة المرجعية إلى فراغ عالي ، ويكون ضغطها تقريبًا صفر. عندما يكون الضغط في حجرة القياس مختلفًا ، تختلف أيضًا درجة تشوه الغشاء. يوجد قطب كهربائي ثابت في حجرة القياس ، والذي يشكل مكثفًا مع الغشاء. عندما يتشوه الفيلم ، تتغير قيمة السعة وفقًا لذلك ، ويمكن قياس التغير في السعة من خلال جسر السعة لتحديد قيمة الضغط المقابلة. من أجل منع الفيلم من الزحف ، عادة ما يتم استخدام طريقة الموضع الصفري للقياس ، أي يتم تطبيق جهد تيار مستمر بين القطب الثابت والفيلم ، ويتم استخدام القوة الكهروستاتيكية لتعويض الضغط الناتج عن الضغط اختلاف الفيلم للحفاظ على الحجاب الحاجز في موضع الصفر. يمكن لمقياس فراغ فيلم السعة قياس ضغط الغاز أو البخار مباشرة. القيمة المقاسة لا علاقة لها بنوع الغاز ، والهيكل ثابت ، ويمكنه تحمل الخبز. إذا تم استخدام رؤوس قياس مختلفة لنطاقات ضغط مختلفة ، فيمكن الحصول على دقة أعلى. يمكن استخدام مقاييس فراغ فيلم السعة لمراقبة الغاز عالي النقاء ، وقياس دقة الفراغ المنخفض والتحكم في الضغط ، ويمكن أيضًا استخدامها كمعيار ثانوي لقياس الفراغ المنخفض.

4. مقياس فراغ التأين

يتم اختصاره كمقياس أيون ، ويستخدم مبدأ تأين الغاز لقياس الضغط. تنقسم مقاييس فراغ التأين إلى فئتين: الكاثود الساخن والكاثود البارد. عادة ما توجد ثلاثة أقطاب في رأس المقياس لمقياس فراغ التأين بالكاثود الساخن ، وهي الكاثود والأنود والمجمع ، والتي تلعب دور إصدار الإلكترونات وتسريع الإلكترونات وتجميع الأيونات على التوالي. تؤين الإلكترونات الغاز في عملية الانتقال من القطب السالب إلى القطب الموجب. إذا تم تجاهل تأثير التأين الثانوي (بمعنى أن الإلكترونات الجديدة المتولدة في عملية التأين يتم تسريعها بواسطة المجال الكهربائي وتكتسب قدرة التأين وتسبب تأينًا جديدًا) ، فإن كل إلكترون ينبعث من الكاثود يتأين. يتناسب عدد الأيونات الموجبة المنتجة مع كثافة الغاز في الفضاء ، وبالتالي يتناسب مع الضغط عند درجة حرارة معينة. لذلك ، فإن التيار الأيوني I = SIeP الذي يستقبله المجمع ، أي هو تيار انبعاث الإلكترون الكاثود ، و S هو ثابت التناسب ، والذي يسمى معامل الأيونوميتر. بعد التحقق من معامل مقياس التأين بمقياس فراغ قياسي عند درجة حرارة معينة ، يمكن تحديد الضغط وفقًا لحجم تيار الأيونات. النوع الرئيسي لرأس مقياس التأين بالكاثود الساخن يتكون الكاثود عمومًا من سلك التنجستن ، ويمكن تحويل القطب الموجب إلى شبكة ، بحيث يمكن للإلكترونات أن تنتقل ذهابًا وإيابًا على كلا الجانبين لزيادة حركة الإلكترونات ، لذلك فهي أيضًا تسمى الشبكة. مجمع الأيونات ذو الصمام الثلاثي هو أسطواني ويوضع خارج الشبكة ، ويتراوح نطاق قياس ضغطه من 10-1 إلى 10-5 باسكال.عندما يكون ضغط العمل أعلى من 10-1 باسكال ، يتم تقصير عمر سلك التنغستن ، وتبدأ العلاقة بين تيار الأيونات والضغط في الانحراف عن الخطية بسبب تأثير التأين الثانوي. يمكن أن تعمل كاثودات خيوط الإيريديوم المطلية بأكسيد الثوريوم أو أكسيد الإيتريوم عند ضغوط تصل إلى 100 باسكال ولها عمر طويل إلى حد ما ، ولن تتلف الشعيرة حتى عند تسخينها في الغلاف الجوي. إذا كان رأس مقياس التأين يتبنى هذا الفتيل ، وتم تصنيع الأنود والمجمع في أشكال خاصة ، يتم تقصير المسافة بين الأقطاب الكهربائية ، وتقليل جهد الأنود ، وتقليل احتمالية تأين الغاز (أي معامل قياس التأين يتم تقليل) ، ثم مقياس التأين هذا يمكن قياس ضغط 10-3 إلى 100 باسكال يسمى مقياس التأين عالي الضغط. يتم تحديد الحد الأدنى لشدة الجهد المنخفض المقاسة بواسطة مقياس التأين الثلاثي بواسطة التيار الضوئي للمجمع ، أي بسبب الانبعاث الضوئي الناجم عن الأشعة السينية الناعمة الناتجة عن إصابة الإلكترون بالقطب الموجب المشع للمجمع ، يشكل التيار الضوئي خلفية تيار المجمع. عندما يمثل التيار الضوئي 10٪ من تيار الأيونات ، يتم الوصول إلى الحد الأدنى للقياس لمقياس التأين. مجمع رأس مقياس التأين مصنوع في خيوط ويوضع على محور الشبكة. يقع الخيط خارج الشبكة. في هذا الوقت ، لا تتغير حساسية مقياس التأين كثيرًا ، وبسبب المساحة الصغيرة للمجمع ، فإن الأشعة السينية التي يتم اعتراضها من خلاله أصغر من ثلاث مرات من حيث الحجم أقل من نوع الصمام الثلاثي ، ويمكن لمقياس التأين هذا قياس الضغط حتى 10-8 باسكال ، اقترحه بايارد وألبرت في عام 1950 ، لذلك أطلق عليه اسم BA. لقياس ضغط 10-9 باسكال أو أقل ، يمكن استخدام مقياس BA معدل أو مقياس تأين القطب أو مقياس تأين عمود منحني أو مقياس تأين مغنطروني كاثود ساخن. تستبعد هذه الأيونات أيضًا إلى حد ما تأثير أيونات الامتصاص التي يسببها الإلكترون للبوابة على قياسات الضغط.