Измерение вакуума и история одного изобретения (часть 1)
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 разряженного 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.
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 магнит-разрядном датчике, быстро достигают катода, создавая электрический ток в межэлектродном промежутке. Постепенно, от столкновения в к столкновению приближающиеся к аноду электроны тоже добавляют свою долю электрического тока. 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) тему 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, строго говоря, часто пальцем можно померить что-то точнее, чем «прибором», даже включённым в реестр средств измерений.
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).
