Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 113
Скачиваний: 0
винтами к гелиевому экрану. Подводка питания (6 кВ) к манометру и соединение манометра с электрометрическим усилителем осу ществляется через небольшие щели площадью -—0,5 см2, которые несколько смещены друг относительно друга; в качестве изоляторов применяются пластмассовая и кварцевые трубки.
Вся откачиваемая сверхвысоковакуумная система соединена через переходный фланец А с вакуумной установкой типа ВА-05-1, имеющей азотную ловушку и маслоотражатель. Градуировка иони зационного магнитного манометра осуществляется по стандартно му ионизационному манометру на лампе ЛМ-2.
Манометр для измерения сверхвысокого вакуума работает при криогенных температурах (тепловой контакт с гелиевой ванной осуществляется через стержни из кристаллического кварца), что позволяет полностью избежать газоотделения, неизбежного при нагреве манометра.
Для обеспечения нормальной устойчивой работы ионизацион ного манометра при малых токах используется специальный иони затор — ß-активный титано-тритиевый излучатель с потоком око ло ІО7 электроновіс, который крепится непосредственно на катоде манометра. В качестве высоковольтного источника питания мано метра необходимо применять батареи.
Работа насоса осуществляется следующим образом. После при близительно трехчасовой откачки всей системы агрегатом ВА-05-1, с охлаждением обеих ловушек жидким азотом вакуум достигает значения (5-ьб) -10-5 НІм2 по манометрической лампе ЛМ-2 и 5 •ІО-6 НІм2 по ионизационному магнитному манометру. Затем, после проведения необходимой калибровки манометра, в систему заливается жидкий гелий. Если натекание не превышает ~ 1 0 -2 мм31с, то через некоторое время давление в системе пони жается до — 1,4 -10-10 НІм2, что соответствует току манометра по рядка 10-13 А.
Все уплотнения, работающие при комнатной температуре — резиновые, поскольку система не требует предварительного про грева для получения предельного вакуума.
§5. Методы измерения сверхвысокого вакуума
Внастоящее время для измерения сверхвысокого вакуума обыч но используют магнитно-ионизационные манометры различных ти пов, например, магнетронного с холодным катодом, различные мо дификации ячейки Пеннинга и др. [36—39].
Ниже будет рассмотрен один из этих типов, а именно, инверсно
магнетронный манометр с холодным катодом для измерения давле ний от 1,4-10-2 до 1,4-10-10 НІм2, поскольку он обладает очевид ными преимуществами перед такими типами манометров, как, на пример, магнетронные манометры с горячим катодом (ВИ-12). Вакууметр типа ВИ-12, измеряющий давления от 6,7 - 10—3 до
144
1,4-1 Ö—8 Я/ж4,-обладает значительным фоновым 'і'оком маномет рического преобразователя, что не позволяет измерять давления ниже 1,4 -10_ 8 Я/ж2; кроме того, ввиду наличия горячего катода, в нем имеет место значительная десорбция остаточных газов, раз личные химические реакции на горячем катоде, а также неконт ролируемая ионизация сорбированных на аноде молекул газов, что приводит к погрешностям в результатах измерений.
От всех этих недостатков в значительной мере свободен инверсномагнетронный вакууметр типа ВИМ-1 с холодным катодом (рис. 47), манометрический датчик которого состоит из ионного коллектора (катод) (рис. 48), анода и внешнего экрана. Весь преобразователь помещен в аксиальное с ним магнитное поле. При напряжении на аноде в несколько киловольт в результате спонтанных ионизацион ных эффектов свободные электроны под действием полей Е и Я, двигаясь по замкнутым гипоциклоидам, ионизируют остаточный газ, причем их попадание на анод возможно лишь при их многократном рассеянии, что значительно менее вероятно, чем ионизация моле кул газа.
Образовавшиеся в результате ионизации ионы движутся на ка тод, создавая ионный ток, который измеряется затем электромет рическим усилителем и служит для измерения вакуума, а вторич ные электроны вновь ионизируют газ, тем самым поддерживая га зовый разряд даже при очень низких давлениях вплоть до ІО“11 и даже ІО-12 Я/ж2. Заземленный экран служит для подавления фо нового тока за счет процесса автоэлектронной эмиссии на катоде, а также способствует поддержанию разряда при самых низких
Рис, 47. Схема инверсно-магнетронного вакууметра
1 — ионный коллектор; 2 — внешний эк ран; 3 — анод
Рис. 48. Манометрический датчик вакуу метра ВИМ-1
1 — катод, 2 — экран; |
3 — анод; 4 — маг |
нит; 5 — стеклянный |
корпус |
145
давлениях и одновременно является электростатическим экраном от наводок.
Перед началом работы манометра его необходимо прогреть в достаточно высоком вакууме, для чего через анод (вольфрамовая проволока диаметром 0,25 мм) пропускают ток порядка 4—7 А. Для прогрева остальных элементов манометра используют элект
ронную |
бомбардировку |
за |
счет добавочного |
напряжения порядка |
|||||
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 |
|
|
|
|
|
|
Тип преобразователя |
V |
Н , |
кз |
Т |
по |
К , |
Гі |
|
|
догре |
А |
|||||||
|
|
|
Кв |
|
|
ва, |
°С |
Н/м* |
|
|
ММ-14 |
|
4—7 |
|
1,5 |
_ |
. |
_ |
|
|
ММ-14С** |
|
6 |
2000* |
400 |
0,4 |
1 |
||
|
ММ-14М |
|
6 |
1800* |
550 |
0,4 |
1 |
||
* Эскиз манометра |
см. на рис. 47 |
[38]. |
|
|
|
|
|||
** |
Собственный постоянный |
магнит. |
|
|
|
|
|
|
1,5 кВ (минус источника высокого напряжения соединен с анодом, а плюс — с катодом и экраном).
Конструктивно инверсно-магнетронный преобразователь выпол нен следующим образом: катод и экран — таиталовые (толщина листового тантала 0,1 мм), диаметр гі высота катода равны соот
ветственно 30 и |
13 мм, диаметр отверстия |
10 мм, диаметр |
втулки |
||||
6 мм. |
Манометр |
работает |
при |
напряжении на аноде |
0 а = |
||
= +(4ч |
-7) кВ, |
и |
Я>1500 э. |
В |
диапазоне |
давлений от 10-2 до |
10-10 Я/ж2 ионизационный ток 1 манометра пропорционален дав
лению |
р: І=грп, где г — некоторый |
постоянный |
коэффициент, |
||
п — константа для данных Ua и Я. |
|
|
|
||
Величина разрядного тока / зависит также от Ua, увеличиваясь |
|||||
с ростом Ua вплоть до значения |
t/a~ 7 |
кв; далее происходит насы |
|||
щение. |
При изменении Я ток і |
также изменяется, причем для Я > |
|||
|
|
> 1,6 кэ ток растет |
медленнее, чем |
||
|
|
Я, |
и |
в области Я~(2,2-ьЗ,5) кэ |
|
|
|
происходит «насыщение». |
|||
|
|
В табл. 2 приведены данные |
|||
|
|
трех магнитометрических преобра |
|||
|
|
зователей инверсно-магнетронного |
|||
|
|
типа ММ-14, ММ-14С и ММ-14М. |
|||
|
|
Рис. |
49. |
Зависимость |
разрядного тока |
|
|
инверсно-магнетронного манометра типа |
|||
1 0 Ю'" Ю'ш ІО'3 Ю~а Ю~ |
ММ-14С |
(1), ионизационного магнетрон |
|||
ного |
(2) |
и манометра ИМ-12 (3) от вели |
|||
|
Давление р, мн pm. cm. |
чины измеряемого давления |
|||
|
|
146 |
|
|
|
N
Для измерения разрядного тока манометра необходим электро |
|
метрический усилитель, позволяющий регистрировать |
токи от |
2- ІО-13 до 1 ■ІО-4 А (диапазон давления от 1 • ІО-10 до ІО- |
2НІл,2). |
Отметим, что при наличии более чувствительного усилителя (/т ш— ~ 1 • ІО-13 А) можно измерять давление вплоть до ІО-11—ІО-12 НІм2. На рис. 49 приведены зависимости /= /(р ) (для манометров типа ММ-14 и ММ-14С).
§ 6. Уплотнения для сверхвысоковакуумных систем
Уплотнения для систем, содержащих сверхвысокий вакуум, можно условно разделить на две группы — на группу прогревае мых и группу непрогреваемых соединительных уплотнений. Рас смотрим сначала первую из этих групп.
Рис. 50. Конусный вакуумный уплотнитель с канавкой для ме таллического кольца-прокладки
_ 7
Одним из основных требований, которые предъявляются к та ким соединениям (помимо, естественно, надежной герметичности), является требование постоянства контакта между фланцем и уплот нителем. Учитывая, что материалы фланца (обычно нержавеющая сталь, жесткая латунь и др.) и уплотнительной прокладки (отожженая красная медь, алюминий, золото и др.) имеют различный коэффициент расширения, то конструкция таких соединений долж на обеспечивать полное отсутствие каких-либо течей по микроне ровностям поверхности вследствие снижения локальных усилий сжатия уплотнителя фланца при изменении температуры. Извест но, например, что даже для штриха на поверхности фланца, глуби ной всего V,j мк, не заполненного материалом уплотнителя, нате кание воздуха составляет М О -7 л-мкміс. Поэтому даже зазора в несколько микрон на отдельных участках уплотнительного коль ца и фланца достаточно для того, чтобы полностью исключить возможность достижения в такой системе сверхвысокого ва куума.
При прогреве уплотнительных соединений до 300° С сравни тельно нетрудно герметизировать соединения диаметром до 200 мм с. использованием в качестве уплотнителя алюминия, либо медных ленточных прокладок или проволоки, причем их диаметр берется несколько меньше, чем диаметр уплотнительной канавки (рис. 50). Угол между осью соединения и образующей конуса, для случая применения проволочных уплотнителей, не должен превышать
147
Рис. 51. Прогреваемое металлическое уплотнительное соединение
Рис. 52. Вакуумный прогреваемый уплотнитель типа «conflat» с плоскими (а) и фасонными (б) уплотняющими поверхностями
17°, а для ленточных уплотнителей — 12°. Обычно толщина про волоки для уплотнителя из меди берется в пределах 1,5-^-2 мм, причем стягивающие болты устанавливаются один от другого на расстоянии не более 60 мм, а их диаметр должен быть не меньше 12 м м . Возможно также применение болтов меньшего диаметра, но расположенных более часто. Так, при диаметре болтов 6—8 м м расстояния между ними должны составлять 22—25 м м .
На рис. 51, 52, [39, 40] приведены некоторые типы прогревае мых соединений с медными уплотнителями, толщина которых обыч но берется около 1 мм, а глубина вдавливания фланца в материал уплотнителя составляет 0,25 мм. В случае уплотнителя с ножевыми выступами ширина «ножей» — трапеций — берется равной 0,25 м м (в узкой части) и высотой ~ 0,7 мм. При толщине медного уплот нителя 1,7 мм глубина вдавливания должна быть —-0,4 мм. Наибо лее надежным уплотнением является уплотнитель типа, изображен ного на рис. 52. Параметры этого уплотнителя следующие: медное плоское кольцо толщиной 2 мм, угол скоса выступа (относительно плоскости соединения) 20°, глубина вдавливания 0,35 мм, стяжные болты имеют диаметр 8 м м и расположены на расстоянии 25 м м один от другого. Основным преимуществом этой системы является то, что материал уплотнителя оказывается «запертым» в канавке, образуя своеобразный замкнутый валик, устойчивый к воздействию тепловых напряжений.
Из непрогреваемых уплотнителей, пожалуй, наиболее надеж ным и простым является индиевый уплотнитель [41]. Металличе ский индий, как известно, обладает весьма малой упругостью паров, весьма пластичен (он более пластичен, чем свинец) и обладает свой ством смачивать металлы, керамику, стекло и т. д.
Уплотнение на основе индиевых прокладок весьма надежно гер метизирует сверхвысоковакуумные системы даже при диаметрах 500 мм и допускает прогрев до 150° С, причем в силу весьма боль шой пластичности индий не требует столь больших усилий на ежа-
148
/
Рис. 53. Индиевые вакуумные уплотнители с треугольной (а) и цилиндрической
(б) уплотнительными канавками
fi,. Ь, — глубина уплотнительных канавок; h, Ь — глубина фланцевых пазов
тие фланцев, как это необходимо для других металлов, и поэтому он хорошо уплотняет соединения из стекла, фарфора, керамики и др. Так, например, для создания надежного уплотнения достаточно
создать давление ~(5н-6) кг на |
1 пог. см индиевой проволоки тол |
||||||||
щиной |
1 мм. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Ниже приведены некоторые характеристики индия: |
|
|||||||
т |
|
°с |
Г К И П ’ |
°С |
Твердость, |
°Р а зР ' |
ң /мм* |
dL/Ldt |
^паР' Н/м' |
т г |
|
|
. Ң/ммз |
|
(при 7 = 20 °С |
||||
|
156,4 |
2097 |
7,35 |
12,2 |
|
3,3-10—в |
Ю-м |
На рис. 53 приведены различные варианты индиевых уплотни тельных соединений для металлов и неметаллов (стекло, фарфор). Чистота обработки уплотняемых поверхностей должна быть не хуже Ѵ б , что соответствует величине микронеровностей поверхно сти — (6-7-10) мкм. При «раздавливании» индиевого уплотнителя между фланцами образуется слой индия толщиной ~20 мкм.
В случае, если зазор между уплотняемыми фланцами не будет превышать 0,1 мм, можно нагреть это соединение до температуры 7’> 7 Лпл=160° С, что приведет к расплавлению индиевой прокладки. Это способствует созданию более плотного герметичного соедине ния, поскольку при этом будут заполнены все микронеровности по верхности. Образовавшийся «гидравлический затвор» не будет вы текать из канавки при зазоре <0,1 мм, поскольку этому будет препятствовать поверхностное натяжение мениска. Точность обра ботки посадок на рис. 53 должна быть не хуже 3-го класса. Сборка таких уплотнительных соединений осуществляется простым вкла дыванием индиевой проволоки в канавку при ее легком вдавлива нии; при этом концы проволочного кольца просто накладываются один на другой и слегка поджимаются. Такие соединения допускают повторную сборку, если индий ничем не загрязңен- и не повре жден.
149
|
|
Т а б л и ц а |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
Размеры |
М М |
|
|
|
Диаметр |
|
|
|
|
|
|
|
фланца, м м |
А. |
ft. |
1, |
1, |
ь, |
С |
d |
(нерж, сталь) |
|||||||
<100 |
2 |
3 |
5 |
1 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
100—500 |
2 |
4 |
6 |
2 |
0,3 |
0,5 |
0,8 |
>500 |
3 |
5 |
8 |
2 |
0,4 |
0,6 |
1,0 |
Т а б л и ц а 4
|
|
|
Размеры, мм |
|
Диаметр |
фланца, мм |
|
|
|
(хрупкие |
материалы) |
ь, |
С |
d |
|
|
|||
<100 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
|
100—500 |
0,3 |
0,5 |
0,8 |
|
> 500 |
0,4 |
0,7 |
1,0 |
Индиевая проволока, необходимая для прокладок, может быть легко получена на небольшом прессе путем ее выдавливания из ку ска индия через фильеру. При этом «давление истечения» для про волоки равно всего 29,4 HIмм1.
В процессе загрузки пресса индием последний не обязательно плавить — достаточно, загрузив в пресс проволоку, плотно утрам бовать ее металлическим пестиком, постукивая по нему молотком.
Рис. 54. Фторопластовое уплот нительное соединение
], 2 — фланцы; 3 — прокладка из фторопласта-4; 4 — стяжной болт
Ста граммов индия достаточно для изготовления проволоки дли ной 25 м, сечением 0= 0 ,8 мм.
В табл. 3 и 4 приведены основные параметры элементов уплот нительных соединений, показанных на рис. 53.
150