Mesure du vide

La finesse d'un gaz peut également être décrite par la densité moléculaire du gaz (le nombre de molécules de gaz par unité de volume) n. Pour une molécule de gaz idéal en parfait équilibre, P = nkT, k est la constante de Boltzmann et T est la température absolue. Le dispositif de mesure du degré de vide est appelé vacuomètre et l'élément sensible à la pression du vacuomètre est appelé tête de jauge. Certains vacuomètres peuvent mesurer directement la pression totale du gaz. Bien que certaines jauges à vide donnent également des lectures de pression, la mesure réelle est la densité moléculaire du gaz et les résultats de mesure sont liés à la température ambiante. Lorsqu'il y a plusieurs composants gazeux dans le récipient en même temps, la pression totale du gaz dans le récipient est égale à la somme des pressions partielles de chaque gaz. Les méthodes de mesure de la pression totale peuvent être divisées en deux types : méthode directe et méthode indirecte. La méthode directe utilise les principes de la différence de colonne de liquide et de la déformation mécanique pour mesurer directement la pression, y compris les manomètres de niveau de liquide, les jauges à vide de compression et les jauges à vide à élément élastique. Selon les grandeurs physiques mesurées par les deux premiers instruments, on peut calculer la valeur de la pression, qui appartient au vacuomètre absolu. La méthode indirecte utilise certaines propriétés physiques du gaz (telles que la conduction thermique, la viscosité, l'ionisation et les effets de diffusion de la lumière, etc.) pour mesurer la pression, y compris la jauge à vide à conduction thermique, la jauge à vide visqueuse et la jauge à vide à ionisation. La grande majorité des vacuomètres utilisés dans la technologie du vide utilisent la méthode indirecte, et ces vacuomètres doivent être calibrés avec des vacuomètres absolus ou d'autres méthodes. Pour le vacuomètre mesuré par la méthode indirecte, en raison des différentes propriétés physiques des différents types de gaz, même sous la même pression, les lectures de pression varient avec le gaz, il doit donc être calibré avec le gaz correspondant. Lorsque le gaz mesuré n'est pas un composant unique, la signification de ces lectures de jauge à vide est plus compliquée. Étant donné que le gaz utilisé dans l'étalonnage général des jauges à vide est de l'azote pur, les lectures de ces jauges à vide sont collectivement appelées pression d'azote équivalente avant d'être corrigées par le type de gaz. Lorsque l'espace mesuré contient une variété de composants gazeux, seule la mesure de la pression partielle peut refléter avec précision l'état de vide et la pression totale dans le récipient

Vacuomètres courants

1. Jauge à vide à conductivité thermique

La pression du gaz est mesurée en utilisant le principe selon lequel la conductivité thermique du gaz change avec différentes pressions. Dans ce type de vacuomètre, un certain courant de chauffage traverse la tête de jauge équipée d'un fil chaud, et la température du fil chaud est déterminée par l'équilibre entre le chauffage et la dissipation thermique. La capacité de dissipation thermique est fonction de la pression du gaz, de sorte que la température du fil chaud varie avec la pression. Si un thermocouple supplémentaire est utilisé pour mesurer la température du fil chaud, cette tête de jauge est appelée jauge à thermocouple ; si la valeur de résistance du fil chaud lui-même est utilisée pour refléter la température, on l'appelle une jauge de résistance ou une jauge de Pirani. La conduction thermique du gaz ne change qu'avec la pression à basse pression (P <100 Pa), et la conduction thermique du gaz n'est pas la principale méthode de dissipation thermique lorsqu'elle est aussi basse que 10-1 Pa. Par conséquent, la jauge à vide à conduction thermique est principalement utilisée dans la plage de 100-10-1 Pa. Des mesures spéciales peuvent étendre la plage de mesure. L'indication de la jauge de vide à conduction thermique n'est pas seulement liée au type de gaz, mais également facilement affectée par des facteurs tels que la contamination de surface du fil chauffant, la température ambiante, etc., de sorte que la précision n'est pas élevée, et c'est seulement utilisé pour l'indication de vide approximatif.

2. Vacuomètre Pirani

Son principe de fonctionnement est le suivant : le degré de vide est différent, le nombre de molécules d'air par unité de volume est différent, la capacité du fil de résistance chauffante à évacuer la chaleur (capacité de dissipation thermique) est différente et la température du fil de résistance est différente. , car la résistivité du fil résistif est la température. Par conséquent, différents degrés de vide entraînent une résistivité différente, puis la résistance est différente et la chute de tension du courant sur le fil de résistance est différente. Selon le changement de tension, la pression atmosphérique peut être convertie, c'est-à-dire que le degré de vide est mesuré. La jauge à vide Pirani réelle est généralement constituée d'un pont à quatre bras, et il y a un fil de résistance pour la compensation de température en série avec lui.

3. Jauge à vide à film capacitif

Il s'agit d'un vacuomètre à élément élastique, et le film élastique divise la chambre à vide de régulation en deux petites chambres, à savoir la chambre de pression de référence et la chambre de mesure. Lors de la mesure de basse pression (P<100 Pa), la chambre de référence est mise sous vide poussé et sa pression est approximativement nulle. Lorsque la pression dans la chambre de mesure est différente, le degré de déformation de la membrane est également différent. Il y a une électrode fixe dans la chambre de mesure, qui forme un condensateur avec la membrane. Lorsque le film est déformé, la valeur de capacité change en conséquence, et la variation de capacité peut être mesurée à travers le pont de capacité pour déterminer la valeur de pression correspondante. Afin d'empêcher le film de fluer, la méthode de la position zéro est généralement utilisée pour la mesure, c'est-à-dire qu'une tension continue est appliquée entre l'électrode fixe et le film, et la force électrostatique est utilisée pour compenser la contrainte générée par la pression différence de film pour maintenir le diaphragme en position zéro. La jauge à vide à film capacitif peut mesurer directement la pression du gaz ou de la vapeur. La valeur mesurée n'a rien à voir avec le type de gaz, la structure est ferme et elle peut résister à la cuisson. Si différentes têtes de manomètre sont utilisées pour différentes plages de pression, une plus grande précision peut être obtenue. Les vacuomètres à film capacitif peuvent être utilisés pour la surveillance de gaz de haute pureté, la mesure de précision à vide faible et le contrôle de la pression, et peuvent également être utilisés comme étalon secondaire pour la mesure à vide faible.

4. Vacuomètre à ionisation

Abrégé en ionomètre, il utilise le principe de l'ionisation des gaz pour mesurer la pression. Les vacuomètres à ionisation sont divisés en deux catégories : cathode chaude et cathode froide. Il y a généralement trois électrodes dans la tête de jauge de la jauge à vide à ionisation à cathode chaude, à savoir la cathode, l'anode et le collecteur, qui jouent respectivement le rôle d'émettre des électrons, d'accélérer les électrons et de collecter les ions. Les électrons ionisent le gaz lors du passage de la cathode à l'anode. Si l'effet d'ionisation secondaire est ignoré (ce qui signifie que les nouveaux électrons générés dans le processus d'ionisation sont accélérés par le champ électrique et gagnent en capacité d'ionisation et provoquent une nouvelle ionisation), chaque électron émis par la cathode est ionisé. Le nombre d'ions positifs produits est proportionnel à la densité de gaz dans l'espace, et donc proportionnel à la pression à une certaine température. Ainsi, le courant ionique Ii = SIeP reçu par le collecteur, Ie est le courant d'émission électronique cathodique, et S est la constante de proportionnalité, appelée coefficient ionométrique. Après avoir vérifié le coefficient du compteur d'ionisation avec une jauge à vide standard à une certaine température, la pression peut être déterminée en fonction de la taille du courant ionique. Le principal type de tête de jauge d'ionisation à cathode chaude La cathode est généralement constituée de fil de tungstène et l'anode peut être transformée en une grille, de sorte que les électrons puissent faire des allers-retours des deux côtés pour augmenter le déplacement des électrons, il est donc également appelée grille. Le collecteur de l'ionomètre à triode est cylindrique et placé à l'extérieur de la grille, et sa plage de mesure de pression est de 10-1 à 10-5 Pa. Lorsque la pression de travail est supérieure à 10-1 Pa, la durée de vie du fil de tungstène est raccourcie, et la relation entre le courant ionique et la pression commence à s'écarter de la linéarité en raison de l'effet d'ionisation secondaire. Les cathodes à filament d'iridium recouvertes d'oxyde de thorium ou d'oxyde d'yttrium peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 100 Pa et avoir une durée de vie assez longue, et le filament ne sera pas endommagé même lorsqu'il est chauffé dans l'atmosphère. Si la tête de la jauge d'ionisation adopte ce filament et que l'anode et le collecteur sont transformés en formes spéciales, la distance entre les électrodes est raccourcie, la tension de l'anode est réduite et la probabilité d'ionisation du gaz est réduite (c'est-à-dire que le coefficient de la jauge d'ionisation est réduite), alors cette jauge d'ionisation peut être La mesure de la pression de 10-3 à 100 Pa est appelée un compteur d'ionisation haute pression. La limite inférieure de l'intensité basse tension mesurée par le compteur d'ionisation à triode est déterminée par le photocourant du collecteur, c'est-à-dire en raison de la photoémission causée par les rayons X mous générés par l'électron frappant l'anode irradiant le collecteur, le le photocourant constitue le fond du courant de collecteur. Lorsque le photocourant représente 10 % du courant ionique, la limite inférieure de mesure de l'ionomètre est atteinte. Le collecteur de la tête de la jauge d'ionisation est réalisé en filament et placé sur l'axe de la grille. Le filament est situé à l'extérieur de la grille. A ce moment, la sensibilité de la jauge d'ionisation ne change pas beaucoup, et en raison de la petite surface du collecteur, le rayon X intercepté par celui-ci est inférieur à Trois ordres de grandeur moins de type triode, cet ionomètre peut mesurer des pressions jusqu'à 10-8 Pa. Il a été proposé par Bayard et Albert en 1950, il s'appelle donc BA. Pour mesurer la pression de 10-9 Pa ou moins, un compteur BA modulé, un compteur d'ionisation de pôle, un compteur d'ionisation à colonne courbe ou un compteur d'ionisation à magnétron à cathode chaude peut être utilisé. Ces ionomètres excluent également dans une certaine mesure l'influence des ions désorbés induits par les électrons de grille sur les mesures de pression