В палатемашина для вакуумного нанесения покрытияПод измерением вакуума понимается определение уровня вакуума в конкретном пространстве с использованием конкретных инструментов и устройств. Этот тип прибора или устройства называется вакуумметром (прибором, манометром). Существует много типов вакуумметров, которые обычно делятся на абсолютные вакуумметры и относительные вакуумметры в соответствии с принципами измерения. Любой вакуумметр, который непосредственно определяет давление газа путем измерения физических параметров, является абсолютным вакуумметром, например, манометры U-образной формы, вакуумметры компрессионного типа и т. д. Физические параметры, измеряемые этими вакуумметрами, не зависят от состава газа и метода измерения. является относительно точным. Однако провести прямые измерения при низком давлении газа чрезвычайно сложно; Вакуумметр, измеряющий физические величины, связанные с давлением, и сравнивающий их с абсолютным вакуумметром для получения значения давления, называется относительным вакуумметром, например, разрядный вакуумметр, теплопроводный вакуумметр, ионизационный вакуумметр и т. д. Его особенность в том, что точность измерения несколько ниже и зависит от типа газа. В реальном производстве, кроме вакуумной калибровки, чаще всего используются относительные вакуумметры.
Вакуумметр сопротивления
Вакуумметр сопротивления — это тип вакуумметра с теплопроводностью, который косвенно определяет степень вакуума путем измерения температуры горячей проволоки в вакууме. Принцип заключается в том, что теплопроводность газа под низким давлением связана с давлением, поэтому измерение температурных параметров и установление связи между сопротивлением и давлением — это проблема, которую должен решить резистивный вакуумметр.
Конструкция вакуумметра сопротивления такова, что нагревательная нить в нем представляет собой вольфрамовую или платиновую проволоку с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Нагревательная нить соединена с мостом Уитстона и служит одним плечом моста. При нагреве под низким давлением тепло, выделяемое нитью Q, можно выразить как: Q=Q1+Q2.
В формуле Q1 — тепло, излучаемое нитью, связанное с температурой нити; Q2 — тепло, уносимое молекулами газа, сталкивающимися с нитью, и его величина связана с давлением газа. Когда температура горячей проволоки постоянна, Q1 является постоянной величиной, то есть количество тепла, излучаемого горячей проволокой, остается неизменным. В условиях постоянного тока нагрева, когда давлениевакуумная системауменьшается, то есть количество молекул газа в пространстве уменьшается, соответственно уменьшится Q2. В это время тепло, выделяемое нитью, будет относительно увеличиваться, вызывая повышение температуры нити и увеличение ее сопротивления. Связь между давлением вакуумной камеры и сопротивлением нити P ↓ → R ↑, поэтому давление можно определить косвенно, измеряя величину сопротивления нити.
Диапазон измерения вакуума резистивным вакуумметром составляет от 105 до 10-2Па. Поскольку это относительный вакуумметр, измеряемое давление сильно зависит от типа газа, а его калибровочная кривая предназначена для сухого азота или воздуха. Поэтому, если состав измеряемого газа существенно изменится, результаты измерений следует в некоторой степени скорректировать. Кроме того, после длительного использования нагретая проволока резистивного вакуумметра будет испытывать дрейф нуля из-за окисления. Поэтому необходимо избегать длительного воздействия атмосферы или работы под высоким давлением во время использования и часто регулировать ток для калибровки нулевого положения.
Термопарный вакуумметр
Манометр термопарного вакуумметра в основном состоит из нагревательных нитей C и D (платиновые проволоки) и термопар A и B (платина-родий или константан-никель-хром), используемых для измерения температуры нагревательных нитей. Термопара подключается к нагретому проводу на горячем конце и к милливольтметру прибора на холодном конце. Электродвижущую силу термопары можно измерить милливольтметром. При измерении манометрическая трубка термопары подсоединяется к испытуемой вакуумной системе, и через нее пропускают раскаленную проволоку с постоянным током. В отличие от вакуумметра сопротивления, в это время часть тепла Q, генерируемого нитью накала, будет передаваться и рассеиваться между нитью накала и проводом термопары. Когда давление газа уменьшится, температура в месте спая термопары будет увеличиваться с увеличением температуры горячей проволоки. Аналогично, электродвижущая сила разницы температур на холодном конце термопары также увеличится, и существует зависимость между давлением газа и электродвижущей силой термопары: P ↓→ε↑.
Результаты измерений термопарным вакуумметром для разных газов различны из-за разной теплопроводности различных молекул газа. Поэтому при измерении различных газов необходимо вносить определенные поправки. В таблице 1-3 представлены поправочные коэффициенты для некоторых газов и паров. Диапазон измерения вакуумметра с термопарой составляет примерно 102-10-1Па, а давление измерения не должно быть слишком низким. Это связано с тем, что при более низком давлении количество тепла, рассеиваемого молекулами газа за счет теплопроводности, очень мало, и основным фактором являются потери тепла, вызванные теплопроводностью и излучением горячей проволоки и проволоки термопары. Следовательно, изменение электродвижущей силы термопары не будет вызвано изменениями давления.
Термопарные вакуумметры обладают тепловой инерцией, и при изменении давления температура раскаленной проволоки часто на некоторое время отстает, поэтому считывание данных также должно отставать на некоторое время; Кроме того, как и в вакуумметре сопротивления, нагревательная нить термопарного манометра также изготовлена из вольфрамовой или платиновой проволоки. При длительном использовании нагревательная нить будет испытывать дрейф нуля из-за окисления. Поэтому при его использовании необходимо регулярно регулировать ток нагрева и повторно калибровать значение тока нагрева.
Ионизационный вакуумметр
Ионизационный вакуумметр — это широко используемый прибор для измерения вакуума, который использует принцип ионизации молекул газа для измерения степени вакуума. В зависимости от различных источников ионизации газа он делится на вакуумметр с ионизацией с горячим катодом и вакуумметр с ионизацией с холодным катодом. Первый подразделяется на обычный ионизационный датчик с горячим катодом, датчик ионизации с горячим катодом сверхвысокого вакуума и датчик ионизации с горячим катодом низкого вакуума. В основном он состоит из трех электродов: нити накала, которая испускает электроны в качестве эмиттера A, спирального ускоряющего и затвора сбора электронов (также известного как ускорительный электрод) B и цилиндрического электрода для сбора ионов C. Эмиттер подключен к нулевому потенциалу, ускоряющий электрод подключен к положительному потенциалу (несколько сотен вольт), а собирающий электрод - к отрицательному потенциалу (несколько десятков вольт). Между B и C существует поле отталкивания. Принцип работы ионизационного измерителя заключается в том, что горячий катод A испускает электроны, которые ускоряются ускоряющим электродом, и большая часть электронов летит в сторону собирающего электрода. Под действием отталкивающего поля между БК скорость электрона уменьшается. Когда скорость уменьшится до нуля, электроны улетят обратно к электроду B. Когда электрон летит в пространство БК, он также подвергается воздействию отталкивающего поля. Когда скорость уменьшается до нуля, электрон вращается обратно к C-электроду. Повторяющееся движение электрона в пространстве БК будет сталкиваться с молекулами газа, заставляя их набирать энергию и производить ионизацию. Электроны в конечном итоге собираются ускоряющим электродом, а положительные ионы, образующиеся в результате ионизации, принимаются собирающим электродом и образуют поток ионов I+. Для определенной трубки, когда потенциал каждого электрода постоянен, I+и Линейная зависимость между потоком эмиссионных электронов Ie и давлением газа следующая: I+=kIeP
В формуле k представляет собой константу пропорциональности, означающую значение тока иона, полученное при единичном токе электрона и единичном давлении, с единицей 1/Па, и может быть определено экспериментальным путем. Для разных газов размер k различен, а диапазон его существования находится в пределах 4-40. Когда ток эмиссии постоянен, ионный ток пропорционален только давлению газа, поэтому значение давления газа в вакуумной камере можно определить на основе величины ионного тока.
Диапазон измерений обычного вакуумметра с горячим катодом составляет от 1,33 × 10-1 до 1,33 × 10-5Па. Независимо от того, находится ли он выше или ниже этого предела измерения, это приведет к потере линейной зависимости между потоком ионов I+ и давлением газа. Когда давление велико, вероятность многократных столкновений между электронами и молекулами значительно возрастает. Поскольку потенциал ускорения намного превышает потенциал ионизации газа (несколько десятков вольт), электронов, генерируемых при ионизации, достаточно, чтобы вызвать ионизацию газа. Это вызовет резкое увеличение потока электронов в ионизационном датчике. В то же время из-за высокой плотности газа свободный пробег электронов короток, и большинство столкновений являются низкоэнергетическими и не могут вызвать ионизацию. Многие факторы приводят к тому, что линейная зависимость между потоком ионов и давлением больше не сохраняется при более высоких давлениях; Когда давление низкое (менее 1,33 × 10-1Па), высокоскоростные электроны, достигающие ускорительного электрода, будут генерировать мягкие рентгеновские лучи, которые затем будут направлены в сторону электрода для сбора ионов C. Это вызовет сбор электрод для создания фотоэлектрической эмиссии, испускающей электронный ток, в результате чего исходная схема измерения потока ионов накладывает этот независимый от давления ток, что приводит к потере линейной зависимости между потоком ионов I+ и давлением газа. В это время ионизационный вакуумметр не может измерить давление в вакуумной камере.
В машине для вакуумного нанесения покрытия используется ионизационный вакуумметр для быстрого и непрерывного измерения общего давления испытуемого газа, а манометрическая трубка имеет небольшой объем и легко подсоединяется. Однако эмиттер в манометрической трубке изготовлен из вольфрамовой проволоки. Когда давление превышает 10-1Па, срок службы манометрической трубки значительно сокращается и даже перегорает. Следует избегать работы под высоким давлением; Когда вакуумная система подвергается воздействию атмосферы, внутренняя поверхность стеклянной колбы и различные электроды ионизационного датчика адсорбируют газы, что влияет на точность измерения вакуума. Поэтому, когда вакуумная система подвергается воздействию атмосферы в течение длительного времени или используется в течение определенного периода времени, необходимо проводить регулярную дегазацию манометра.
