Способ измерения давления газов и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01L21/00 

Ч

г/

Ш&$ск $&&з

I I I I I I I I I I t I М I I I I I I I I

со

с

Т

Изобретение относится к вакуумной технике, может быть использовано для измерения давления газов в вакуумных объемах и позволяет производить измерение давления с точностью, близкой к точности образцовых приборов в диапазоне давлений 1 - 10³ Па. От вакуумированного объема, в котором производят измерение, отводят часть рабочего газа в оптически прозрачную стеклянную или кварцевую трубку 4 и возбуждают в ней высокочастотный газовый разряд с помощью индуктора 3, обвивающего оптически прозрачную трубку 4, по которому пропускают высокочастотный ток. Длина светящегося столба плазмы, равномерно заполняющего оптически прозрачную трубку 4, является величиной, зависящей от давления газа. 1 ил.

( о со

Јь

о со

фца1

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для измерения низких давлений газов.

Целью изобретения является повышение точности измерения в диапазоне давле- ний от 1 Па до 103 Па.

Цель достигается тем, что от вакуумиро- ванного объема, в котором производят измерения, отводят часть рабочего газа в стеклянную или кварцевую оптически про- зрачную трубку с последующим возбуждением его высокочастотным электромагнитным полем. Для этого в некотором сечении трубки создают переменное магнитное поле с помощью индуктора из металличе- ского проводника, обвивающего оптически прозрачную трубку, по которому пропускают высокочастотный ток. Высокочастотный гок создает переменное магнитное поле, индукция которого на оси равна

В

&«о

2РГ

4я (R2 + r2}3/2

где Рт ЯП I - дипольный момент;

I - величина тока;

R - радиус индуктора;

г - расстояние от индуктора до точки, в которой определяется индукция магнитного поля;

/г - относительная магнитная проницаемость среды;

fio - магнитная постоянная;

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле Е , которое связано с напряженностью магнитного поля Н соотношением

rottf-l f+llE rotH - с I + c-at

где с - скорость света в вакууме;

Ј - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Под действием вихревого электрическо- го поля Е зажигается и поддерживается высокочастотный газовый разряд, распост- раняющийся от индуктора вдоль оптически прозрачной трубки на некоторое расстояние L. Длина светящегося столба L, запол- няющего оптически прозрачную трубку, и является а предлагаемом способе величиной, зависящей от давления газа. Граница святящегося столба L обусловлена критическим значением величины электрического поля EL, способного при существующей

длине свободного пробега электрона

1 A vp сообщить ему энергию, достаточную

для ионизации газа. Поскольку АМ/Р , то

5

0 5 0

5

о

35

40

45 50 55

происходит увеличение длины светящегося столба L при уменьшении давления Р и при фиксированной электрической мощности, подводимой к индуктору. По данному способу измеряемой величиной является длина святящегося столба, которая пропорциональна изменению давления в оптически прозрачной трубке, запаянной с одного конца и соединенной другим концом с объемом, в котором производят измерения. Формирование святящегося столба осуществляется индуктором, находящимся вне объема этой трубки, и измерение давления в диапазоне от 1 Па до 103 Па осуществляется с точностью, определяемой калибровочным прибором. Указанные пределы измерения давления газов связаны с тем, что кривая напряженности электрического поля, способного создавать высокочастотный разряд, немонотонно зависит от давления газа. Минимум напряженности электрического поля приходится на диапазон давлений от 1 Па до 103 Па, что связано с характером движения электронов. В указанном диапазоне давлений осуществляется переход от диффузионного режима движения электронов ( Па) к пролетному режиму движения электронов при низких давлениях порядка 1 Па. При давлении Р 10 Па увеличивается частота столкновения электронов с атомами газа, приводящая к уменьшению ионизационной способности электронов, т.е. к уменьшению длины светящегося столба. Увеличить длину светящегося столба можно увеличением напряженности электрического поля. При давлениях Па необходимо увеличивать амплитуду поля, что приведет к увеличению вероятности столкновения электрона с атомами в условиях, когда частота столкновений электронов с атомами меньше частоты поля. Следовательно, оптимальным диапазоном применения способа измерения давления является диапазон давлений от 1 Па до 103Па.

Пример. Измерение давления воздуха в диапазоне от 10 до 10 Па, согласно данному способу осуществляют с использованием стеклянной трубки длиной около 100 см и внешним диаметром 10 мм и высокочастотного генератора, собранного на генераторной лампе ГУ-29. В катушку колебательного контура генератора или индуктор, внутренний диаметр которого 12 мм, помещают стеклянную трубку, один конец которой запаян, а второй подсоединен к вакуумированному объему (фиг. 1). Рядом с трубкой помещают линейную шкалу, по которой производят измерение длины светящейся части трубки. Перед проведением измерений приводят калибровку шкалы

предлагаемого устройства термопарным ва- кууметром ВИТ-2, погрешность измерения которого 30%, и U-образным масляным манометром, погрешность измерения которого 5%. Потребляемая мощность генератора при калибровке шкалы устройства и при проведении измерений оставалась постоянной и составляла 42 Вт. Калибровочная зависимость длины светящегося столба LOT давления Р приведена на фиг. 2 (сплошная линия). Длину светящегося столба L измеряют от середины индуктора до границы све- тящегося столба. Затем проводят измерения давления, значения которых сопоставляют с данными калибровочных при- боров (1 измерение - 0; 2 измерение - 0; 3 измерение - Л, фиг. 2). Перед каждым измерением систему откачки и устройство для измерения давления отключают и в ваку- умированный объем, в котором производят измерения, напускают воздух. Результаты измерений показали хорошее соответствие калибровочной зависимости с данными измерений (фиг. 2).

Градуировочная зависимость Р от L (фиг. 2) имеет два линейных участка с изломом в области давлений 5-10 Па, который связан с характером взаимодействия электронов с атомами. Увеличение длины светящегося столба при уменьшении давления идет за счет увеличения длины свободного пробега электрона Я, на которой ионизирующий электрон увеличивает прирост энергии. С другой стороны от излома градуировочной зависимости передача энергии электрону от ВЧ-поля становится менее эффективна, так как часть времени на пути Я электрон ускоряется, а другую часть времени - тормозится.

На фиг. 1 представлена блок-схема уст- ройства для измерения давления газа по данному способу; на фиг. 2 - градуировоч- ная. кривая устройства для измерения давления воздуха.

Устройство для измерения давления га- зов состоит из генератора 1, блока 2 питания, индуктора 3, оптически прозрачной трубки 4 и шкалы 5 (фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

С помощью генератора 1, питание которого осуществляется от блока 2. в индукторе 3 наводится высокочастотное поле, возбуждающее в оптически прозрачной трубке 4 светящийся плазменный столб, длина которого измеряется с помощью шкалы 5.

Градуировка устройства производится по образцовому вакуумметру.

Формула изобретения

U

Pui 2

I ,