มาตรวัดสุญญากาศแรงดันทางอ้อมทํางานอย่างไร
เกจวัดสุญญากาศที่มีค่าความดันที่ขึ้นอยู่กับก๊าซ
เกจวัดสุญญากาศประเภทนี้ไม่ได้วัดแรงดันโดยตรงในรูปของแรงที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ แต่จะวัดโดยอ้อมโดยใช้ตัวแปรทางกายภาพอื่น ๆ ที่สัมพันธ์กับความหนาแน่นของจํานวนอนุภาคและด้วยเหตุนี้จึงเป็นแรงดัน เกจวัดสุญญากาศที่มีค่าความดันที่ขึ้นอยู่กับก๊าซ ได้แก่ เกจวัดการลดลง เกจวัดสุญญากาศการนําความร้อน และเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ที่มีการออกแบบที่แตกต่างกัน
เครื่องมือประกอบด้วยเซ็นเซอร์ที่แท้จริง (หัววัด เซ็นเซอร์) และชุดควบคุมที่จําเป็นต่อการทํางาน สเกลแรงดันหรือจอแสดงผลดิจิตอลมักจะอ้างอิงจากแรงดันไนโตรเจน หากจําเป็นต้องกําหนดแรงดันจริง pT ของก๊าซ (หรือไอระเหย) จะต้องคูณแรงดันที่ระบุ pI ด้วยปัจจัยที่เป็นลักษณะเฉพาะสําหรับก๊าซนี้ ปัจจัยเหล่านี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องมือ และจะแสดงในรูปแบบตารางเป็นปัจจัยที่ไม่ขึ้นกับแรงดัน (ดูตาราง 3.2) หรือหากขึ้นอยู่กับแรงดัน จะต้องกําหนดตามแผนภูมิ (ดูรูปที่ 3.11).
ตาราง 3.2 ปัจจัยการเชื่อมต่อ
ภาพที่ 3.11 กราฟการสอบเทียบของเกจ THERMOVAC สําหรับก๊าซต่างๆ ตามค่าที่อ่านได้เทียบเท่าก๊าซไนโตรเจน
โดยทั่วไปแล้ว:
ความดันที่แท้จริง pT = ความดันที่บ่งชี้ pI · ตัวประกอบการแก้ไข
หากอ่านค่าความดันจาก "สเกลไนโตรเจน" แต่ไม่ได้แก้ไข จะหมายถึงค่า "ไนโตรเจนเทียบเท่า"
ในเกจวัดสุญญากาศแบบไฟฟ้าทั้งหมด (รวมถึงเกจวัดสุญญากาศที่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ) การใช้คอมพิวเตอร์ที่เพิ่มขึ้นทําให้ต้องการแสดงแรงดันโดยตรงบนหน้าจอ เช่น เพื่อแทรกในตําแหน่งที่เหมาะสมในแผนผังการไหลของกระบวนการ เพื่อให้สามารถใช้อินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์ที่ได้มาตรฐานมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จะมีการสร้างเครื่องส่งสัญญาณ (ตัวแปลงสัญญาณที่มีเอาต์พุตกระแสไฟฟ้าที่ได้มาตรฐาน) แทนเซ็นเซอร์และหน่วยแสดงผล (เช่น เครื่องส่งสัญญาณ THERMOVAC, เครื่องส่งสัญญาณ Penning, เครื่องส่งสัญญาณ IONIVAC เป็นต้น) ทรานสมิตเตอร์ต้องใช้แรงดันแหล่งจ่ายไฟ (เช่น +24 โวลต์) และส่งสัญญาณกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับแรงดันที่เป็นเส้นตรงตลอดช่วงการวัดทั้งหมดตั้งแต่ 4 ถึง 20 mA หรือ 0 - 10 V การอ่านค่าแรงดันจะไม่แสดงจนกว่าจะมีการส่งสัญญาณนี้ไปยังคอมพิวเตอร์และการประมวลผลโดยซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม และจะแสดงขึ้นบนหน้าจอโดยตรง
เกจวัดสุญญากาศการนําความร้อน
ฟิสิกส์แบบคลาสสิกสอนและให้การยืนยันจากการทดลองว่าการนําความร้อนของก๊าซสแตติกไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันที่สูงกว่า (ความหนาแน่นของจํานวนอนุภาค) p > 1 mbar อย่างไรก็ตาม ที่แรงดันต่ํากว่า p < 1 mbar การนําความร้อนจะขึ้นอยู่กับแรงดัน
ซึ่งจะลดลงในช่วงสุญญากาศปานกลางตั้งแต่ประมาณ 1 มิลลิบาร์เป็นสัดส่วนกับแรงดันและถึงค่าศูนย์ในช่วงสุญญากาศสูง การพึ่งพาแรงดันนี้ใช้ในเกจวัดสุญญากาศการนําความร้อน และช่วยให้สามารถวัดค่าความดันในช่วงสุญญากาศปานกลางได้อย่างแม่นยํา (ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ)
เครื่องมือวัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในประเภทนี้คือเกจวัดสุญญากาศ Pirani เส้นใยนํากระแสที่มีรัศมี r1 ถูกทําให้ร้อนขึ้นจนถึงประมาณ 212 ถึง 302°F (100 ถึง 150°C) (รูปที่ 3.10) จะปล่อยความร้อนที่เกิดขึ้นในก๊าซไปยังก๊าซโดยรอบผ่านการแผ่รังสีและการนําความร้อน (รวมถึงแน่นอนกับส่วนรองรับที่ปลายเส้นใย) ในช่วงสุญญากาศแบบหยาบ การนําความร้อนผ่านการพาความร้อนของก๊าซแทบจะไม่ขึ้นอยู่กับแรงดัน (ดูรูปที่ 3.10) อย่างไรก็ตาม หากที่สองสามมิลลิบาร์ เส้นทางอิสระเฉลี่ยของก๊าซมีลําดับขนาดเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใย การถ่ายเทความร้อนประเภทนี้จะลดลงมากขึ้นเรื่อยๆ ทําให้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและแรงดัน ต่ํากว่า 10 -3 mbar เส้นทางอิสระเฉลี่ยของก๊าซจะสอดคล้องกับขนาดรัศมี r2 ของท่อวัดค่าโดยประมาณ เส้นใยตรวจจับในหัวเกจจะกลายเป็นกิ่งของสะพาน Wheatstone
3.10 พึ่งพาปริมาณความร้อนที่กระจายโดยเส้นใยที่ร้อน (รัศมี r1) ในหลอด (รัศมี r2) ที่ความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่กับแรงดันก๊าซ (แผนผัง)
I การแพร่กระจายความร้อนเนื่องจากรังสีและการนําไฟฟ้าในปลายโลหะ
II การสูญเสียความร้อนจากก๊าซ ขึ้นอยู่กับแรงดัน
III การแพร่กระจายความร้อนจากการแผ่รังสีและการหมุนเวียน
ในเครื่องวัดการนําความร้อน THERMOVAC ที่มีความต้านทานคงที่ซึ่งเป็นประเภทที่โดดเด่นในปัจจุบัน เส้นใยตรวจจับยังเป็นกิ่งของสะพาน Wheatstone อีกด้วย แรงดันไฟฟ้าทําความร้อนที่ใช้กับบริดจ์นี้จะถูกควบคุมเพื่อให้ความต้านทานและอุณหภูมิของเส้นใยยังคงคงที่โดยไม่คํานึงถึงการสูญเสียความร้อน ซึ่งหมายความว่าสะพานจะมีความสมดุลเสมอ โหมดการควบคุมนี้เกี่ยวข้องกับค่าคงที่เวลาไม่กี่มิลลิวินาที ดังนั้นเครื่องมือดังกล่าวจึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันได้อย่างรวดเร็วมาก ซึ่งแตกต่างจากเครื่องมือที่มีค่าความต้านทานแปรผัน แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับบริดจ์เป็นการวัดแรงดัน แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้จะถูกแก้ไขด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อให้ได้มาซึ่งสเกลตรอการิทึมโดยประมาณตลอดช่วงการวัดทั้งหมด เกจวัดสุญญากาศการนําความร้อนที่มีค่าความต้านทานคงที่มีช่วงการวัดค่าตั้งแต่ 10-4 ถึง 1013 mbar เนื่องจากเวลาตอบสนองที่สั้นมาก จึงเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานในการควบคุมและการตรวจสอบแรงดัน ในช่วงความไวสูงสุด เช่น ระหว่าง 10 -3 ถึง 10 mbar ค่านี้เท่ากับประมาณ 15% ของค่าแรงดันที่อ่านได้ ความไม่แน่นอนของการตรวจวัดจะสูงขึ้นอย่างมีนัยสําคัญเมื่ออยู่นอกช่วงนี้
เช่นเดียวกับเกจวัดสุญญากาศทั้งหมดที่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ สเกลของเครื่องมือแสดงผลและจอแสดงผลดิจิตอลในกรณีของเกจวัดสุญญากาศการนําความร้อนยังใช้กับไนโตรเจนและอากาศด้วย ภายในขีดจํากัดข้อผิดพลาด แรงดันของก๊าซที่มีมวลโมเลกุลคล้ายกัน เช่น O2, CO และอื่นๆ สามารถอ่านได้โดยตรง กราฟการสอบเทียบสําหรับชุดก๊าซต่างๆ แสดงไว้ในรูปที่ 3.11.
ตัวอย่างที่รุนแรงของความแตกต่างระหว่าง pT แรงดันจริงและ pI แรงดันที่บ่งชี้ในการวัดแรงดันคือการนําอากาศเข้าสู่ระบบสุญญากาศด้วยอาร์กอนจากถังแรงดันเพื่อหลีกเลี่ยงความชื้น (เวลาการปั๊ม) ตามภาพประกอบ 3.11 จะได้ค่า pI ที่อ่านได้เพียง 40 mbar เมื่อถึง "ความดันบรรยากาศ Ar" pT ด้วย THERMOVAC เป็นเครื่องมือวัดความดัน อาร์กอนอาจรั่วไหลออกจากภาชนะ (ฝาครอบเปิด กระดิ่งยกขึ้น) สําหรับการใช้งานดังกล่าวและการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน ต้องใช้สวิตช์แรงดันหรือเกจวัดสุญญากาศที่ไม่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ
เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์
เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์เป็นเครื่องมือที่สําคัญที่สุดสําหรับการวัดแรงดันก๊าซในช่วงสุญญากาศสูงและสูงพิเศษ โดยจะวัดความดันในแง่ของจํานวนความหนาแน่นของอนุภาคตามสัดส่วนของความดัน ก๊าซที่มีแรงดันที่จะวัดจะเข้าสู่หัววัดของเครื่องมือและถูกทําให้เป็นไอออนบางส่วนด้วยความช่วยเหลือของสนามไฟฟ้า การเกิดไอออนจะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าและได้รับพลังงานเพียงพอที่จะสร้างไอออนบวกเมื่อได้รับผลกระทบจากโมเลกุลก๊าซ ไอออนเหล่านี้จะส่งประจุไปยังอิเล็กโทรดวัดค่า (ตัวเก็บประจุ) ในระบบ กระแสไอออนที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้ (หรือที่แม่นยํากว่านั้นคือกระแสอิเล็กตรอนในสายป้อนของอิเล็กโทรดวัดค่าที่จําเป็นในการทําให้ไอออนเหล่านี้เป็นกลาง) เป็นการวัดความดันเนื่องจากผลผลิตของไอออนเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของจํานวนอนุภาคและดังนั้นจึงเป็นความดัน
การก่อตัวของไอออนเป็นผลมาจากการคายประจุที่ความแรงของสนามไฟฟ้าสูง (แคโทดเย็นเป็นคําเรียกรวมสําหรับการปล่อยแมกนีตรอนแบบปากกา/แบบผกผัน ดูการวัดแรงดันโดยตรง) หรือผลกระทบของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดร้อน (คําเรียกรวมสําหรับ Bayard-Alpert/Extractor/triode) (ดูการวัดแรงดันโดยตรง)
ภายใต้สภาวะคงที่อื่นๆ ผลผลิตไอออนและกระแสไอออนจะขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ เนื่องจากก๊าซบางชนิดจะทําให้เกิดไอออนได้ง่ายกว่าก๊าซอื่นๆ เช่นเดียวกับเกจวัดสุญญากาศทั้งหมดที่มีค่าความดันที่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์จะถูกสอบเทียบด้วยก๊าซไนโตรเจนเป็นก๊าซอ้างอิง (ความดันเทียบเท่าไนโตรเจน ดูการวัดความดันโดยตรง) เพื่อให้ได้แรงดันจริงสําหรับก๊าซอื่นนอกเหนือจากก๊าซไนโตรเจน ต้องคูณค่าแรงดันที่อ่านได้ด้วยตัวประกอบการแก้ไขที่ระบุในตาราง 3.2 สําหรับก๊าซที่เกี่ยวข้อง ปัจจัยที่ระบุในตาราง 3.2 ถือว่าเป็นอิสระจากแรงดัน แม้ว่าจะขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของระบบอิเล็กโทรด ดังนั้นจึงควรพิจารณาค่าเหล่านี้เป็นค่าเฉลี่ยสําหรับเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ประเภทต่างๆ (ดูรูปที่ 3.16).
เกจวัดสุญญากาศไอออนไนซ์แคโทดเย็น
เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ที่ทํางานด้วยการคายประจุแบบเย็นเรียกว่าเกจวัดสุญญากาศแบบแคโทดเย็นหรือเกจวัดสุญญากาศแบบเพนนิ่ง/แม่เหล็กรอน โดยหลักการแล้ว กระบวนการคายประจุในหลอดวัดจะเหมือนกับในระบบอิเล็กโทรดของปั๊มไอออนสปัตเตอร์ คุณสมบัติทั่วไปของเกจวัดสุญญากาศไอออนไนเซชันแคโทดเย็นทุกประเภทคือมีเพียงสองอิเล็กโทรดที่ไม่ได้รับความร้อน แคโทดและแอโนด ซึ่งระหว่างนั้นจะเริ่มต้นและรักษาการคายประจุที่เรียกว่าการคายประจุเย็นโดยใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (ประมาณ 2 kV) เพื่อให้การคายประจุยังคงดําเนินต่อไปที่แรงดันต่ํามาก ซึ่งทําได้โดยการใช้สนามแม่เหล็กเพื่อให้เส้นทางของอิเล็กตรอนยาวพอ เพื่อให้อัตราการชนของอิเล็กตรอนกับโมเลกุลก๊าซมีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างจํานวนตัวนําประจุที่จําเป็นในการรักษาการคายประจุ สนามแม่เหล็ก (ดูรูปที่ 3.12) ถูกจัดเรียงในลักษณะที่เส้นสนามแม่เหล็กของแรงข้ามเส้นสนามไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้ อิเล็กตรอนจะถูกจํากัดไว้ในเส้นทางแบบเกลียว ตัวนําประจุบวกและลบที่เกิดจากการชนกันจะเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กโทรดที่เกี่ยวข้องและสร้างกระแสไฟฟ้าปล่อยที่ขึ้นอยู่กับแรงดัน ซึ่งจะแสดงบนมิเตอร์วัด ค่าที่อ่านได้ในหน่วย mbar ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ ขีดจํากัดบนของช่วงการวัดเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่า เหนือระดับ 10 -2 mbar การคายประจุแคโทดเย็นจะเปลี่ยนเป็นการคายประจุแบบเรืองแสงที่มีเอาต์พุตแสงเข้มข้น ซึ่งกระแสไฟฟ้า (ที่แรงดันคงที่) จะขึ้นอยู่กับแรงดันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และดังนั้นจึงไม่เหมาะสําหรับการวัดค่า ในเกจวัดแคโทดเย็นทั้งหมดจะมีการดูดซับก๊าซสูงกว่าเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ที่ทํางานด้วยแคโทดร้อน หลอดวัดค่าแคโทดเย็นจะปั๊มก๊าซคล้ายกับปั๊มสปัตเตอร์ไอออน (S ≈ 10 -2 l/s) ในกรณีนี้ไอออนที่เกิดขึ้นในการปล่อยจะเร่งความเร็วไปทางแคโทดซึ่งจะกักเก็บไว้บางส่วนและก่อให้เกิดการสปัตเตอร์ของวัสดุแคโทดบางส่วน วัสดุแคโทดที่สปัตเตอร์จะก่อตัวเป็นฟิล์มพื้นผิวที่กระเด็นอยู่บนผนังของหลอดวัด แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ ซึ่งส่งผลให้ความไม่แม่นยําในการอ่านค่าความดันค่อนข้างสูง (สูงถึงประมาณ 50%) มาตรวัดไอออนแคโทดเย็นก็มีข้อดีที่โดดเด่นสามประการ ประการแรก เครื่องมือนี้มีราคาถูกที่สุดในกลุ่มเครื่องมือวัดสุญญากาศสูงทั้งหมด ประการที่สอง ระบบตรวจวัดไม่ไวต่อการไหลเข้าของอากาศและการสั่นสะเทือนฉับพลัน และประการที่สาม เครื่องมือนี้ใช้งานง่าย
ภาพที่ 3.12 ภาพตัดขวางของเกจ PENNINGVAC PR25
- หน้าแปลนขนาดเล็ก DN 25 KF; DN 40 KF
- ตัวเรือน
- แหวนแอโนดพร้อมขาจุดระเบิด
- แหวนรองเซรามิก
- กระแสไฟฟ้า
- การสื่อสาร
- ขาแอโนด
- แผ่นแคโธด
เกจวัดสุญญากาศไอออนไนซ์แคโทดร้อน
โดยทั่วไปแล้ว เกจดังกล่าวหมายถึงระบบวัดค่าที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสามตัว (แคโทด แอโนด และตัวเก็บประจุ) โดยที่แคโทดเป็นแคโทดร้อน แคโทดเคยทําจากทังสเตน แต่ปัจจุบันมักทําจากอิริเดียมเคลือบออกไซด์ (Th2 O3, Y2O3 ) เพื่อลดเอาต์พุตอิเล็กตรอนและทําให้ทนต่อออกซิเจนมากขึ้น เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ประเภทนี้ทํางานด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ําและไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก แคโธดร้อนเป็นแหล่งกําเนิดอิเล็กตรอนที่มีผลผลิตสูงมาก อิเล็กตรอนจะเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าและได้รับพลังงานเพียงพอจากสนามไฟฟ้าเพื่อทําให้ก๊าซที่มีระบบอิเล็กโทรดเกิดไอออน ไอออนก๊าซบวกที่เกิดขึ้นจะถูกส่งไปยังตัวเก็บไอออน ซึ่งเป็นลบกับแคโธด และสูญเสียประจุที่นั่น กระแสไอออนที่เกิดขึ้นเป็นการวัดความหนาแน่นของก๊าซและแรงดันก๊าซด้วย หาก i- คือกระแสอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดร้อน กระแส i+ ตามสัดส่วนความดันที่เกิดขึ้นในระบบการวัดจะถูกกําหนดโดย:
(3.3)
(3.3a)
ตัวแปร C คือค่าคงที่ของเกจวัดสุญญากาศของระบบการวัด สําหรับก๊าซไนโตรเจน ตัวแปรนี้โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 10 mbar -1 ด้วยกระแสอิเล็กตรอนคงที่ ความไว S ของหัววัดจะถูกกําหนดเป็นค่าคูณของกระแสไอออนและแรงดัน สําหรับกระแสอิเล็กตรอนที่ 1 mA และ C = 10 mbar-1 ดังนั้น ความไว S ของหัววัดคือ:
นอกจากนี้ เกจวัดสุญญากาศไอออนไนซ์แคโทดร้อนยังแสดงการดูดซับก๊าซ (การปั๊ม) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าระบบแคโทดเย็นมาก กล่าวคือ ประมาณ 10 -3 ลิตร/วินาที โดยพื้นฐานแล้ว การดูดซับก๊าซนี้เกิดขึ้นบนผนังกระจกของหัววัด และในขอบเขตที่น้อยกว่าที่ตัวดักจับไอออน ในที่นี้จะใช้เกจเปลือยที่ใช้งานง่ายเนื่องจากไม่จําเป็นต้องใช้แม่เหล็กภายนอก ขีดจํากัดบนของช่วงการวัดค่าของเกจวัดไอออนไนซ์แคโทดร้อนอยู่ที่ประมาณ 10 -2 mbar (ยกเว้นการออกแบบพิเศษ) โดยพื้นฐานแล้วจะกําหนดโดยกระบวนการกระจายของไอออนที่โมเลกุลก๊าซเนื่องจากเส้นทางอิสระที่สั้นกว่าที่ความดันสูงกว่า (ไอออนไม่ถึงตัวเก็บไอออนอีกต่อไป = ผลผลิตไอออนต่ํากว่า) นอกจากนี้ การปล่อยประกายไฟหรือประกายไฟอาร์คที่ไม่สามารถควบคุมได้อาจเกิดขึ้นที่แรงดันสูงขึ้น และอาจเกิดประจุไฟฟ้าสถิตในหลอดแก้ว ในกรณีเหล่านี้ แรงดัน pI ที่บ่งชี้อาจเบี่ยงเบนอย่างมากจากแรงดัน pT ที่แท้จริง
ที่แรงดันต่ํา ช่วงการวัดค่าถูกจํากัดด้วยผลกระทบสองประการ ได้แก่ ผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์และผลกระทบจากการดูดซับไอออน ผลกระทบเหล่านี้ส่งผลให้สูญเสียสัดส่วนที่เข้มงวดระหว่างแรงดันและกระแสไอออน และสร้างเกณฑ์แรงดันต่ําที่ดูเหมือนจะไม่สามารถข้ามได้ (ดูรูปที่ 3.14).
ภาพที่ 3.14 ขีดจํากัดแรงดันต่ําที่เห็นได้ชัดเนื่องจากผลกระทบของรังสีเอ็กซ์ในเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ปกติ
I - การอ่านค่าความดันโดยไม่มีผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์
II - ขีดจํากัดแรงดันต่ําที่เห็นได้ชัดเนื่องจากผลกระทบของรังสีเอ็กซ์
III - ผลรวมของ I และ II
ผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์ (ดูรูปที่ 3.15)
ภาพที่ 3.15 คําอธิบายเกี่ยวกับผลกระทบของรังสีเอ็กซ์ในเกจวัดไอออนแบบดั้งเดิม อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโธด C ชนกับแอโนด A และกระตุ้นรังสีเอ็กซ์อ่อน (โฟโต้ตอน) ที่นั่น รังสีนี้กระทบกับตัวเก็บประจุบางส่วนและสร้างโฟโตอิเล็กตรอน e-s ที่นั่น
C - แคโทด
A - แอโนด
I - ตัวดักจับไอออน
อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโธดกระแทกกับแอโนด ปล่อยโฟตอน (รังสีเอ็กซ์อ่อน) โฟตอนเหล่านี้จะทริกเกอร์โฟโตอิเล็กตรอนจากพื้นผิวที่โฟต้อิเล็กตรอนกระแทก โฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากตัวดักจับไอออนจะไหลไปยังแอโนด กล่าวคือ ตัวดักจับไอออนจะปล่อยกระแสอิเล็กตรอน ซึ่งแสดงในลักษณะเดียวกับกระแสไอออนบวกที่ไหลไปยังตัวดักจับไอออน กระแสแสงนี้จะจําลองแรงดัน ผลกระทบนี้เรียกว่าผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์เชิงบวก และขึ้นอยู่กับแรงดันแอโนด รวมถึงขนาดของพื้นผิวของตัวดักจับไอออน
อย่างไรก็ตาม ในบางสถานการณ์ ยังมีผลกระทบเชิงลบจากรังสีเอ็กซ์อีกด้วย โฟตอนที่กระแทกกับผนังรอบๆ หัววัดจะปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนที่นั่น ซึ่งจะไหลเข้าสู่แอโนดอีกครั้ง และเนื่องจากแอโนดเป็นโครงสร้างกริด จึงไหลเข้าสู่พื้นที่ภายในแอโนดด้วย หากผนังโดยรอบมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับตัวดักจับไอออน เช่น ศักย์ไฟฟ้ากราวด์ อิเล็กตรอนบางส่วนที่ปล่อยออกมาที่ผนังสามารถไปถึงตัวดักจับไอออนได้ ซึ่งส่งผลให้กระแสอิเล็กตรอนไหลไปยังตัวดักจับไอออน กล่าวคือ กระแสลบไหล ซึ่งสามารถชดเชยกระแสไอออนบวกได้ ผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์ที่เป็นลบนี้ขึ้นอยู่กับศักยภาพของผนังด้านนอกของหัววัด
ผลกระทบจากการดูดซับไอออน
ก๊าซที่ดูดซับสามารถถูกดูดซับออกจากพื้นผิวได้โดยการกระแทกอิเล็กตรอน สําหรับเกจวัดไอออนไนซ์ หมายความว่าหากมีชั้นก๊าซที่ดูดซับอยู่บนแอโนด ก๊าซเหล่านี้จะถูกดูดซับบางส่วนเป็นไอออนโดยอิเล็กตรอนที่กระแทก ไอออนจะไปถึงตัวดักจับไอออนและนําไปสู่การบ่งชี้ความดันที่เริ่มต้นแล้วไม่ขึ้นอยู่กับความดัน แต่จะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น หากใช้กระแสอิเล็กตรอนขนาดเล็กดังกล่าว ดังนั้นจํานวนอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวจึงน้อยเมื่อเทียบกับจํานวนอนุภาคก๊าซที่ดูดซับ อิเล็กตรอนทุกตัวจะสามารถดูดซับไอออนบวกได้ หากกระแสอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น การลดการดูดซับจะเพิ่มขึ้นในตอนแรกเนื่องจากอิเล็กตรอนมากขึ้นกระทบกับพื้นผิว ผลลัพธ์สุดท้ายคือการลดอนุภาคก๊าซที่ดูดซับที่พื้นผิว ค่าที่อ่านได้จะลดลงอีกครั้งและโดยทั่วไปจะถึงค่าที่อาจต่ํากว่าค่าความดันที่อ่านได้ที่สังเกตเห็นด้วยกระแสอิเล็กตรอนขนาดเล็ก ผลที่ตามมาจากผลกระทบนี้ในทางปฏิบัติ จําเป็นต้องตรวจสอบว่าค่าความดันที่อ่านได้ได้รับอิทธิพลจากกระแสการดูดซับหรือไม่ ซึ่งสามารถทําได้ง่ายที่สุดโดยการเปลี่ยนกระแสอิเล็กตรอนชั่วคราวด้วยตัวคูณ 10 หรือ 100 ค่าที่อ่านได้สําหรับกระแสอิเล็กตรอนที่มากกว่าคือค่าแรงดันที่แม่นยํามากกว่า
นอกเหนือจากเกจวัดไอออนแบบดั้งเดิมซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กโทรดคล้ายกับของไตรโอดทั่วไปแล้ว ยังมีระบบเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนที่หลากหลาย (ระบบ Bayard-Alpert, ระบบสกัด) ซึ่งจะยับยั้งผลกระทบทั้งสองอย่างมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ดังนั้นจึงใช้สําหรับการวัดค่าในช่วงสุญญากาศสูงและสูงพิเศษ ปัจจุบัน ระบบ Bayard-Alpert มักเป็นระบบมาตรฐาน
ภาพที่ 3.16 แผนผังการจัดเรียงอิเล็กโทรดของระบบการวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ต่างๆ
ก) ระบบเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ Bayard-Alpert
b) ระบบเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ทั่วไป
c) ระบบเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์สําหรับแรงดันที่สูงขึ้น (สูงสุด 1 mbar)
d) ระบบเกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ของเครื่องดูด
I - ตัวดักจับไอออน
Sc - หน้าจอ
M - โมดูเลเตอร์
A - แอโนด
C - แคโธด
R - แผ่นสะท้อนแสง
ก) เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ Bayard-Alpert (ระบบการวัดมาตรฐานที่ใช้ในปัจจุบัน)
เพื่อให้แน่ใจถึงความเป็นเชิงเส้นระหว่างแรงดันก๊าซและกระแสไอออนในช่วงแรงดันที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ต้องยับยั้งผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์ให้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ในการจัดเรียงอิเล็กโทรดที่พัฒนาขึ้นโดย Bayard และ Alpert สิ่งนี้ทําได้โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าแคโทดร้อนอยู่นอกอาโนดและตัวเก็บประจุเป็นลวดบาง ๆ ที่สร้างแกนของระบบอิเล็กโทรด (ดูรูปที่ 3.16 a) ผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์จะลดลงสองถึงสามลําดับขนาดเนื่องจากพื้นที่ผิวของตัวดักจับไอออนลดลงอย่างมาก เมื่อวัดแรงดันในช่วงสุญญากาศสูงพิเศษ พื้นผิวด้านในของหัวเกจและการเชื่อมต่อกับภาชนะจะส่งผลต่อการอ่านค่าแรงดัน ผลกระทบที่หลากหลายของปรากฏการณ์การดูดซับ การลดการดูดซับ การแตกตัว และการไหลไม่สามารถกล่าวถึงได้ในบริบทนี้ ด้วยการใช้ระบบ Bayard-Alpert เป็นระบบเกจเปลือยที่วางไว้ในภาชนะโดยตรง จึงสามารถหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการตรวจวัดได้อย่างมากเนื่องจากผลกระทบที่กล่าวถึงข้างต้น
b) เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์ทั่วไป
ไตรโอดของการออกแบบแบบดั้งเดิม (ดูรูปที่ 3.16 b) ใช้เป็นหัววัด แต่มีการดัดแปลงเล็กน้อยเพื่อให้อิเล็กโทรดด้านนอกทําหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุและกริดภายในทําหน้าที่เป็นแอโนด ด้วยการจัดเรียงนี้ อิเล็กตรอนจะถูกบังคับให้ใช้เส้นทางที่ยาวมาก (สั่นรอบๆ สายกริดของแอโนด) ดังนั้นความน่าจะเป็นของการชนกันของไอออนและด้วยเหตุนี้ ความไวของเกจจึงค่อนข้างสูง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วระบบไตรโอดสามารถใช้ได้ในสุญญากาศสูงเท่านั้น เนื่องจากผลกระทบของรังสีเอ็กซ์ที่รุนแรง ผลกระทบจากการดูดซับก๊าซ (การปั๊ม) และปริมาณก๊าซของระบบอิเล็กโทรดมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อการวัดแรงดัน
c) เกจวัดสุญญากาศแบบไอออนไนซ์แรงดันสูง (สูงสุด 1 mbar)
ไตรโอดถูกใช้เป็นระบบอิเล็กโทรดอีกครั้ง (ดูรูปที่ 3.16 c) แต่ในครั้งนี้ด้วยดีไซน์แบบดั้งเดิมที่ไม่มีการดัดแปลง เนื่องจากเกจวัดได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถวัดค่าแรงดันได้สูงสุด 1 mbar แคโทดจึงต้องทนต่อแรงดันออกซิเจนที่ค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงออกแบบมาเป็นแคโทดที่เรียกว่าแคโทดที่ไม่ไหม้ ซึ่งประกอบด้วยริบบิ้นอิริเดียมเคลือบด้วยไอทิเรีย เพื่อให้ได้ลักษณะเชิงเส้น (กระแสไอออนเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของแรงดัน) จนถึงแรงดัน 1 mbar จะมีการติดตั้งตัวต้านทานความต้านทานสูงในวงจรแอโนด
d) เกจวัดสุญญากาศการกําจัดไอออนของเครื่องดูด
นอกจากนี้ยังสามารถขจัดผลกระทบรบกวนที่มีอิทธิพลต่อการวัดค่าแรงดันได้อย่างครอบคลุมด้วยระบบออพติคัลไอออนที่ Redhead แนะนําเป็นครั้งแรก ด้วยระบบดูดควันนี้ (ดูรูปที่ 3.16 d) ไอออนจากกระบอกแอโนดจะมุ่งเน้นไปที่ตัวเก็บไอออนที่บางและสั้นมาก ตัวดักจับไอออนถูกติดตั้งไว้ในพื้นที่ซึ่งผนังด้านหลังถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กโทรดทรงถ้วยที่คงอยู่ที่ศักย์ไฟฟ้าแอโนดเพื่อให้ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยไอออนที่ปล่อยออกมาจากพื้นที่ก๊าซ เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของระบบและศักยภาพของอิเล็กโทรดแต่ละตัว จึงแทบจะไม่มีอิทธิพลรบกวนจากผลกระทบของรังสีเอ็กซ์และการดูดซับไอออนโดยไม่จําเป็นต้องใช้โมดูเลเตอร์ ระบบดูดควันจะวัดแรงดันระหว่าง 10 -4 และ 10 -12 mbar ข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่งคือระบบการวัดได้รับการออกแบบมาให้เป็นเกจเปลือยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 35 มม. เพื่อให้สามารถติดตั้งในอุปกรณ์ขนาดเล็กได้
เกจวัดโรเตอร์หมุน (SRG)
-01.tif/_jcr_content/renditions/cq5dam.web.1600.1600.jpeg)
ภาพ 3.9 ส่วนตัดขวางของหัวเกจของเกจโรเตอร์ที่หมุน (SRG)
- ลูกบอล
- ท่อวัด ปิดที่ปลายด้านหนึ่ง เชื่อมเข้ากับหน้าแปลนเชื่อมต่อ 7
- แม่เหล็กถาวร
- คอยล์ปรับเสถียร
- 4 คอยล์ขับเคลื่อน
- ระดับเสียง
- หน้าแปลนเชื่อมต่อ
(3.2)
p = แรงดันก๊าซ
r = รัศมีของลูกบอล ρ = ความหนาแน่นของวัสดุลูกบอล
c- = ความเร็วเฉลี่ยของอนุภาคก๊าซ ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ
σ = ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของลูกบอล โดยไม่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ ใกล้เคียงกับ 1
ตราบใดที่ความไม่แน่นอนในการวัดเพียงพอที่ 3 % ซึ่งเป็นกรณีปกติ ก็สามารถใช้ σ = 1 เพื่อให้ความไวของเกจโรเตอร์แบบหมุน (SRG) ที่มีลูกบอลเหล็กหมุนได้รับจากขนาดทางกายภาพของลูกบอลที่คํานวณได้ เช่น รัศมีผลิตภัณฑ์ x ความหนาแน่น r · ρ (ดูสมการ 3.2) เมื่อลูกบอลได้รับการ "สอบเทียบ" แล้ว ก็เหมาะสําหรับใช้เป็น "มาตรฐานการถ่ายโอน" เช่น เป็นอุปกรณ์อ้างอิงสําหรับการสอบเทียบเกจสุญญากาศอีกตัวหนึ่งผ่านการเปรียบเทียบ และมีลักษณะเฉพาะที่มีความเสถียรในระยะยาวสูง
ในกรณีของทฤษฎีจลนศาสตร์ของก๊าซด้วย SRG การนับจํานวนอนุภาคจะแสดงถึงหลักการวัดค่าโดยตรง (การถ่ายโอนพัลส์อนุภาคไปยังลูกบอลที่หมุน ซึ่งจะชะลอความเร็วลง)
ด้วยวิธีการวัดค่าทางไฟฟ้าอื่นๆ ที่ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ ความหนาแน่นของจํานวนอนุภาคจะถูกวัดโดยอ้อมโดยใช้ปริมาณความร้อนที่สูญเสียไปจากอนุภาค (เกจวัดสุญญากาศการนําความร้อน) หรือโดยใช้จํานวนไอออนที่เกิดขึ้น (เกจวัดสุญญากาศไอออนไนซ์)
มาตรวัดสุญญากาศแบบผสมผสาน
ด้วยเกจทุกประเภทข้างต้น คุณมีข้อจํากัดในช่วงที่สามารถวัดค่าได้ ด้วยการเปลี่ยนไปใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงและเล็กลง พื้นที่ที่มีพอร์ตหลายพอร์ตเพื่อรองรับเกจวัดประเภทต่างๆ เพื่อให้ครอบคลุมช่วงการวัดเต็มรูปแบบจึงกลายเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทําได้ ดังนั้น ตอนนี้คุณจะเห็นมาตรวัดที่มีการผสมผสานเพื่อให้ครอบคลุมช่วงค่าทั้งหมด โดยทั่วไปจะเป็น Pirani / แคโทดเย็น, Pirani / แคโทดร้อนเพื่อครอบคลุมบรรยากาศไปจนถึงสุญญากาศสูง/สูงพิเศษ หรือคุณจะเห็นเกจวัด Pirani/Piezo ซึ่งด้วย Piezo จะเพิ่มความแม่นยําที่ปลายบรรยากาศของการวัดค่า
พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
ดาวน์โหลด eBook "พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ" เพื่อค้นพบข้อมูลสําคัญและกระบวนการของปั๊มสุญญากาศ
การอ้างอิง
- สัญลักษณ์สุญญากาศ
- คําจํากัดความ
- ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
สัญลักษณ์สุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
