Вакуумметрия (от вакуум и ...метрия), совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) — ньютон на квадратный метр (н/м²). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. = 133,322 н/м². Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений (рис. 1). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.

Рис. 1. Диапазоны рабочих давлений различных вакуумметров (пунктирными линиями показаны предельные давления).

  При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 10³—10^-10н/м² (10— 10^-12 мм рт. ст.).

В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре (рис. 2) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении р_в, а в другом — при известном (опорном) давлении р_к. Если плотность жидкости r, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h:

Рис. 2. Жидкостный U-oбразный вакуумметр с открытым (а) и закрытым (б) коленом.

  р_в — p_k= grh,

  где g — ускорение свободного падения; обычно p_{k «}р_в. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10^-1н/м² (10^-3 мм рт. ст.).

  В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре (рис. 3) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100—1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 10² н/м²(1 мм рт. ст.).

Рис. 3. Мембранный вакуумметр: 1 — мембрана; 2 — корпус; 3 — передняя прозрачная поверхность вакуумметра; 4 — присоединительный фланец; 5 — система рычагов; 6 — стрелка.

Компрессионным вакуумметром (рис. 4) можно измерять более низкие давления 10^-3н/м² (10^-5 мм рт. ст.). Действие такого вакуумметра основано на Бойля — Мариотта законе. Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p₁ ³ р в малом объёме запаянного капилляра

Рис. 4. Схема компрессионного вакуумметра Мак-Леода.

 

  где h — высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p₁ определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта p = p₁ V₁/V, таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V.

  Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.

  Для измерения вакуума до 10^-2н/м² (10^-4 мм рт. ст.) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.

  В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода (рис. 5): катод К, анод А, создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол, собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта (рис. 6), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10^-8н/м² (10^-10мм рт. ст.). Ионизационный вакуумметр Лафферги (рис. 7) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра — 10^-11н/м² (10^-13мм рт. ст.). Для измерения давлений до 10^-5н/м² (10^-7мм рт. ст.) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (альфатрон), в котором ионизация газа осуществляется a-частицами.

Рис. 5. Схема ионизационного вакуумметра: А — анод; К — катод; Кол — коллектор.

Рис. 6. Лампа Байярда-Альперта: 1 — анод; 2 — катод; 3 — коллектор; А — анод.

Рис. 7. Вакуумметр Лафферти: 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — экран; 5 — магнит; Н — напряжённость магнитного поля.

  В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10^-12н/м² (10^-14мм рт. cm.). Вакуумметр (рис. 8) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А, плоскость которого параллельна пластинам. Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н = 32 ка/м (400 э); направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U = 2—3 кв через сопротивление R = 1 Мом. Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10^-2 н/м² (10^-4 мм pт. ст.), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) — до 10^-12н/м² (10^-14 мм рт. ст.).

Рис. 8. Схема магнитного электроразрядного вакуумметра: р — давление, N и S — сев. и юж. полюсы магнита; А — анод; К — катод; Н — нарпряженность магнитного поля; Г — гальванометр.

  Вязкостный вакуумметр применяют в лабораторной практике для измерения давлений до 10^-4 н/м² (10^-6 мм рт. ст.). Принцип его действия основан на зависимости вязкости разреженного газа от его давления. Существуют демпферный вязкостный вакуумметр и вязкостный вакуумметр с диском. В первом мерой давления служит время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. Во втором — вращающийся с большой скоростью диск передаёт через газ вращающий момент др. диску, подвешенному на тонкой нити; угол поворота этого диска служит мерой давления.

  В радиометрическом вакуумметре используется радиометрический эффект. Между двумя неодинаково нагретыми пластинами, помещенными в разреженный газ, возникают силы, отклоняющие пластины на величину, пропорциональную давлению газа. Показания такого вакуумметра почти не зависят от природы газа. Предел измерения 10^-5 н/м² (10^-7 мм рт. ст.).

 

  Лит.: Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964; Эшбах Г. Л., Практические сведения по вакуумной технике, М.—Л., 1966; Лекк Д. Х., Измерение давления в вакуумных системах, пер. с англ., М., 1966; Востров Г. А. и Розанов Л. Н., Вакуумметры, Л., 1967.

  А. П. Аверина, А. М. Григорьев, Л. П. Хавкин.