VÁKUUMTECHNIKAI ALAPISMERETEK Bohátka Sándor és Langer Gábor 6. VÁKUUMMÉRŐK TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

6. VÁKUUMMÉRŐK (ÖSSZNYOMÁSMÉRŐK – VACUUM GAUGES) A nyomás SI egysége Nm -2 = pascal, jele: Pa, (6.1. táblázat. ) megengedett egység: bar, mbar. 1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa. A nyomás szigorúan arányos a részecskeszám-sűrűséggel: p = nkT. A vákuummérők 1 atmoszféra alatti nyomást mérnek. Megkülönböztetett nyomástartományok (a német szabvány szerint) durvavákuum (rough vacuum): p  mbar közepes (finom-) vákuum (fine v.): p  mbar nagyvákuum (high vacuum – HV): p  (10 -8 ) mbar ultranagy-vákuum (ultra-high v. – UHV): p < mbar (Amerika: p<10 -8 mbar) extrémnagy-vákuum (extreme-high v. – XHV): p < mbar - direkt nyomásmérés: a területegységre ható erőt mérik független a gáz fajtájától! (folyadékos, membrános vm.), - indirekt nyomásmérés: a részecskeszám-sűrűséget, illetve azzal arányos más fizikai mennyiséget mérnek, általában függ a gáz fajtájától! (viszkozitás, hővezetés, ionizáció). Nagyvákuumban már a direkt nyomásmérés érzéketlen. - abszolút nyomásmérés: amikor a tényleges nyomás nagyságát a 0 nyomás szintjétől mérve adjuk meg – a referencianyomás: 0; - relatív nyomásmérés: a referencianyomás ≠ 0, pl. atmoszférikus nyom.

6.1. táblázat. Nyomásegységek átszámítási szorzói. PambaratatmtorrPSI 1 Pa = 1 N/m ,0197∙ ,8692∙ ,06∙ ,4504∙ bar = 0,1 MPa ,01970, ,0614, mbar = 10 2 Pa ,0197∙ ,98692∙ , ,503∙ at = 1 kp/cm ,5980,6710, ,5614, atm = 760 torr ,251, , torr = 1 Hgmm 133,3221,3330,001361,3158∙ , PSI (font/hü- velyk 2 ) 6894,868,950,07030, ,7151

6.1. MECHANIKUS VÁKUUMMÉRŐK Lényegi alkatrésze a mérendő p 1 nyomású teret és egy p 2 referencianyomású teret elválasztó A felületű rugalmas anyag. A két térfél közötti nyomáskülönbségből eredő F = (p 1 – p 2 )  A erőt méri az eszköz közvetlenül: direkt nyomásmérő eszközök. Nem abszolút nyomásmérők, hitelesíteni kell őket. A mért értékek függetlenek a gáz fajtájától. A rugalmas elmozdulást egy mechanika alakítja át a mutató mozgására. - Korrozív gázok mérésekor előnyösebb, ha a mechanikus szerkezet nem a mérendő gázban, hanem a referenciatérben van Bourdon-csöves vákuummérő ábra. Bourdon-csöves vákuummérő rajza. 1. vákuumcsatlakozás; 2. mutató; 3. rugalmas cső; 4. mozgásátalakító [L2]. Durvavákuumban használatos robusztus, nem kényes, de nem érzékeny eszköz. Rreferencia: az atmoszférikus nyomás. Nyomástartománya: 1013 – 10 mbar, pontatlansága: a teljes skála-kitérés (TSK) 1-2 %-a.

Zárt terű (kapszula) vákuummérő Élben összehegesztett, vékony falú, hullámosított, rugalmas fémlemezekkel zárják be a vákuumra szívott referenciateret. Korrozív gázokra érzékeny. A durvavákuum tartományra készül, de e tartomány alsó határára érzékenyített változatok is vannak. Előnye a lineáris skála ( ábra). A méréstartomány alsó részében pontatlanabb. Mérési tartomány: 1 – 100, 1013 mbar, hiba: 1-2 % TSK ábra. [OL2]. A kapszulás vákuummérőhöz hasonlóan rugalmas, hullámosított fémmembránt tartalmaz. Itt azonban egyetlen diafragma áll szemben nem egy másik membránnal, hanem egy homorú szilárd fallal ( ábra). Mechanikus szerkezet, korrózióra érzéketlen. Nyomástartomány: 1 – 1013 mbar; hiba: 1 mbar, ill. a mért érték 10 %-a. A kisebb nyomások érzékenyebb mérésére precíziós diafragma vákuummérőket is gyártanak, ezek felső nyomáshatára 20 mbar ábra. Membrános vákuummérő [L2]. Egyéb elmozdulás-érzékelés: induktív, kapacitív és piezoelektromos Membrános (diafragma) vákuummérő

Kapacitás vákuummérő (capacitance gauge) Membrános vákuummérő, amelyben a kapacitásváltozást érzékelik. - Mai elektronikus eszközökkel <10 -9 m elmozdulás (~néhány atom) is érzékelhető! Ennek révén akár mbar nyomáskülönbséget is képesek mérni. - Referenciatér: vagy állandóan szívják, vagy mbar-nál alacsonyabb nyomásra szívattyúzva lezárják – a kereskedelmi mérőfejek ilyenek ( c. ábra). - Érzékenyek a hő- és hirtelen nyomásingadozásra, tartós túlnyomásra. - A fém membránok maradandó alakváltozásra, korrózióra érzékenyebbek. Az alumínium-oxid ellenállóbb, pontosabb és gyorsabb a fémeknél. - Pontosabb a hőmérsékletváltozást elektronikusan kompenzáló mérőfej. - Még pontosabbak a 45 °C-ra stabilizáltan fűtött mérőfejek ábra. A kapacitás vákuummérő valóságos típusainak elvi felépítése: a) kétoldalas relatív, b) egyoldalas relatív, c) egyoldalas abszolút. Szennyeződhet. Elektródok szembenéző felületei nem szennyeződnek. M: rugalmas membrán (fém vagy fémmel bevont kerámia), p r : referencianyomás, p m : mért nyomás, E: érzékelő ellenelektród, E k : kör alakú, E gy :gyűrű alakú elektród (a gyűrű alsó felét nem mutatja az ábra), Sz: szűrő, Cs: csapda, G: getter [L1].

táblázat. Egy 1000 torr méréshatárú, fűtetlen, kerámia-membrános, kereskedelemben kapható kapacitás vákuummérő mérési pontatlanságát meghatározó tényezők és az eredő pontatlanság 5 nyomásnál, ha a mérőfej hőmérsékletingadozását 1 %-on belül tudjuk tartani (L2). 2 dekádonként jobb a méréstartományra érzékenyített mérőfejre váltani! A stabilizált hőmérsékletre fűtött mérőfejek pontosabbak! M.V.: mért érték, F.S.: teljes skála kitérés - ha a nyomás nem túl nagy, - ha nincsenek töltéshordozók Pontossága, gázfüggetlensége miatt kiemelt jelentőségű vákuummérő! a gázok dielektromos állandói alig különböznek gázfajtától független.

ábra. Kapacitás vákuummérő [MKS1] Piezoellenállás vákuummérő (piezo-resistive gauge) A membrános vákuummérők ellenállás-érzékelős változata. A nyomásérzékelő rugalmas lemez egy szilícium lapka. Erre viszik fel mikroelektronikai gyártástechnológiával a piezoellenállásokat, amelyek ellenállása változik a meghajlással. Wheatstone-hídba kapcsolják. Állandó árammal táplálva a nyomással arányos feszültséget (max. 10 V) mérik. Mérési tartománya: 0,1 mbar – 50 bar; egy mérőfej átfogása: Pontatlanság: max. 0,5 % TSK. Pirani vákuummérővel közös házba építve kombinált mérőfej is létezik. Kapacitív vákuummérő nyomástartománya: 1  (10 -6 ) – 1300 mbar, de ugyanazzal a mérőfejjel 2 – 3 dekád; Pontatlanság: a mért érték 0,15 – 1 %-a (a mért érték 2 nagyságrendnyi átfogásakor ( táblázat). ÉRZÉKENY (~ 2  TSK), PONTOS, GÁZFAJTÁTÓL FÜGGETLEN! Van Pirani vákuummérővel közös házba tokozott kombinált változata is (l. ott) ábra. Piezoellenállás vákuummérő felépítése [P2].

6.2. VISZKOZITÁSON ALAPULÓ (FORGÓGOLYÓS) VÁKUUMMÉRŐ (spinning rotor gauge) Emlékeztető: alacsony nyomáson a súrlódási erő arányos a nyomással! Langmuir (1913) rezgő kvarcszál, Haber (1914): a megforgatott tárcsa ábra. Forgógolyós vákuummérő elrendezése. 1: inhomogén mágneses terű golyó, 2: mérőcső, 3: állandó mágnesek, 4: két tekercs a függőleges stabilizációra (a vízszintesre való nem látszik), 5: négy meghajtó tekercs (csak kettő látszik), 6: vízszintező, 7: csatlakozó perem a vákuumrendszerhez (OL1). A golyót mágneses tér tartja állandóan lebegésben és időnként megforgatja. A magára hagyott golyó lassulása arányos a nyomással. A lassulást az indukált árammal mérik. Kalibrációs transzfer standard Méréstartomány: ~ – 2  mbar. Abszolút nyomás; gázfüggetlen, ha megelégszünk ±3% pontossággal. Pontatlansága: < ±3%, ha meghatározzuk a gázok összetételét. Stabilitása ±2 %/év is lehet. Nincs melegedés, ionizáció nincs gázdisszociáció és gázfogyasztás; nagyon alacsony a kigázosodás!

6.3. FOLYADÉKOSZLOPOS NYOMÁSMÉRŐK Egy folyadékoszlop hidrosztatikai nyomása tart egyensúlyt az általa elválasztott mérendő és a referencia gáztér nyomása között. A folyadék szolgál a leolvasás eszközeként is. Direkt nyomásmérő! A mért érték nem érzékeny a gázok fajtáira. Abszolút nyomásmérő eszköz, ha a referencianyomás 0. - Folyadék: - Hg: gőznyomása T = 20 ºC-on p Hg = 1,6 ∙10 -3 mbar, mérgező! - Ga: T = 907ºC-on p Ga = 1,33∙10 -4 mbar, olvadáspontja 30ºC. - Víz, olaj: nagyobb nyomáson, csak a relatív változás kijelzésére. -Szennyezésekre érzékeny. A szennyezők gázokat köthetnek meg, illetve a Hg tapadását okozhatják a kapilláris falán: leolvasási pontatlanság. A higanyt többszörös desztillációval, az üvegedényt króm-kénsavas vagy hidrogén-fluoridos mosással kell megtisztítani. - Pontosságát meghatározó tényezők: - a referencianyomás (legjobb, ha p 2 = 0), - meniszkusz beállása (szennyezésre érzékeny, 14 mm átmérő alatt kapilláris hatás), - a meniszkusz leolvasási pontossága. - szabad szemmel kb.  0,1 mm, - optikai eszközzel vagy mikrométeres mozgatású elektromos érintkezőkkel ~ 0,01 mm. - interferometriás módszerekkel  1  mm elérhető. - Gyakorlatilag sztatikus nyomás mérésére használjuk, időigényes.

Méréshatár: átlagos körülmények között: (0,1) mbar különlegesen gondos eljárással akár néhányszor mbar-ig. Pontosság: 0,1 – Hgmm – 1,33x(0,1–10 -5 ) mbar – (a leolvasás módszerétől, referenciától, a hőmérséklet állandóságától függ) Zárt végű folyadékoszlopos nyomásmérő ábra. Zárt végű higanyos vákuummérő. A nyitott típussal összehasonlítva: - további pontatlanságot okoz a szennyező gőznyomása, - kezelése viszont könnyebb, mint a nyitott végűé. Méréshatár: (0,1) mbar. Pontosság: 0,1 – mm. Hasonló a nyitott végű manométeréhez. Egyszerű körülmények között is jól használható mindkét higanyos vákuummérő. Abszolút nyomásmérők! Nyitott végű folyadékoszlopos nyomásmérő (U-csöves manométer) : a Hg sűrűsége, : gravitációs állandó, : higanyszintek különbsége A 1 = A 2 : a cső keresztmetszete (6.3.1.) ábra. Nyitott végű folyadékos nyomásmérő elve.

Kompressziós (McLeod típusú) vákuummérő Elve: a p nyomású, V térfogatú gázt ismert V/V’ mértékben összenyomjuk úgy, hogy az új p’ nyomás jól mérhető tartományba essen. Például V/V’= 5000 kompressziót alkalmazva, p =10 -3 mbar eredeti nyomás helyett p’ = 5 mbar = 3,75 Hgmm jól mérhető. - Néhány ezerszeres kompresszió gond nélkül megvalósítható. - A térfogatmérés pontossága az egész mérés pontosságát meghatározza. - Nem méri a kondenzálódó gőzök nyomását – körültekintést igényel. -A Hg gőztől hideg csapdázással védik a mérendő teret. Következménye: Gaede-Ishi effektus: a mért nyomás (p m ) < a valódinál (p v ) (1 < p v /p m < 2). A mért értéket korrigálni kell egy M r /p-vel arányos faktorral; ABSZOLÚT NYOMÁSMÉRŐ ÉS A GÁZFAJTÁKTÓL FÜGGETLEN! p = Ha hA K << V, akkor ábra. Négyzetes skálás (a) és lineáris skálás (b) McLeod vákuummérő elrendezése. A McLeod vm. mérési tartománya mindkét skálával: 10 – mbar. Ha V’ << V, akkor ( ) ( )

6.4. HŐVEZETÉSEN ALAPULÓ VÁKUUMMÉRŐK A gázok hővezetése alacsony nyomáson arányos a nyomással Pirani vákuummérő A gázok hővezetésén alapuló mérőfejet eredetileg Pirani vezette be. A elektromos teljesítménnyel fűtött fémszál hővesztesége egyensúlyban:, ahol ( ) ábra. Modern Pirani vákuummérő felépítése [KL1]. A fűtött szál mérete: r 1 = μ, ℓ ≈ mm, anyaga: W vagy Ni (korrozív közegben ajánlatosan Pt), hőmérséklete: 100 – 150  C (olajgőzök ráégnek – változik a hőátadás: pontatlan lesz). A Pirani vákuummérő fűtött szálát Wheatstone-hídba kötik be. A környezeti hőmérséklet változását kompenzálják – így pontosabb! : hővezetés a gázon át nagy nyomáson = állandó kis nyomáson ~ k∙p vég : hővezetés a szál rögzítésén át, sug : hősugárzás a fűtött szálról, áraml : hőáramlás a nagy sűrűségű gáz hőindukált áramlása révén. p → 0 nyomáson: ( ) p 0 a nyomásmérés alsó korlátja.

ábra. A fűtött szál hővesz- tesége a nyomás függvényében [OL1]. Nagy nyomáson az állandó gáz és áraml dominál (1); kisebb nyomáson a hőáramlás megszűnik, gáz dominál: mérésre alkalmas szakasz (2); még kisebb nyomáson (3): gáz < sug + vég, az utóbbi veszteségek szabják meg a mérhető legkisebb nyomást. Mérési módszerek: 1. állandó szálhőmérséklet (ellenállás) módszere A szál hőmérséklete (ellenállása) csökkenne a nyomás növekedésével, de ezt kompenzálja a betáplált nagyobb elektromos teljesítmény. Az ellenállás állandó marad, fűtőfeszültsége változik, és ez lesz a nyomás változásának mértéke. Méréstartománya szélesebb (10 -3 – 100 mbar), ezen belül és 10 mbar között szélesebbre nyújtható. Minden Pirani vákuummérő skálája nemlineáris. 2. Állandó fűtőteljesítmény módszere A szálat fűtő elektromos teljesítmény állandó, a szál hőmérséklete (ellenállása) változik. A szálon eső feszültséget mérik, ez Pirani eredeti megoldása is. Az átfogott méréstartomány kisebb, de a tartomány közepe (10 -1 – 10 mbar) széles.

3. Szilárdtest Pirani mérőfej - A Pirani vákuummérő fűtött mérőszálát, a mérőhíd további ellenállásait és a kompenzáló ellenállást integrált formában egyetlen szilícium lapocskára viszik fel vékonyréteg formájában (mikro- elektromechanikai rendszer – MEMS). - Ma már nagyon kis méretben gyártják, így a Knudsen-szám nagy, nincs hőáramlás és méréstartománya szélesebb a hagyományosénál. Van olyan gyártmány, amely 1∙10 -5 – 1000 mbar között mér, mégpedig 1,3∙10 -3 – 100 mbar között 5% pontossággal [MicroPirani, MKS1] ábra. MicroPirani felépítése [MKS1]. A Pirani vákuummérők - érzékenysége gázfüggő: lyukkeresés lehet - hitelesítése: N 2 -re, esetleg levegőre; - méréshatára kiterjeszthető: felső határ: - a méretek csökkentésével, - konvekcióval; alsó határ: - értékét elektronikusan kompenzálva, - a szál átmérőjét csökkentve ábra. Egy Pirani vákuummérőn leolvasott (p leolv. ) és a valódi nyomás (p val. ) [P1]. Bejelöltük a mért eltérést He és Ar esetében is.

A Pirani vákuummérők Szennyezésre érzékenyek. Pl. kondenzált olajgőzök sülnek rá. A lerakódások a szál hőátadását megváltoztatják, megváltozik a cső érzékenysége. Tisztítása a W-szál vékonysága miatt kockázatos. A szilárdtest Pirani a nagyobb érzékenysége révén alacsonyabb hőmérsékleten használható: nem ég rá a szennyezés. Folyamatosan mérnek. Az időbeni változások is regisztrálhatók velük. A Pirani vákuummérők válaszideje akár néhány ms nagyságú is lehet, ezért beavatkozó eszközök (szelepek, kapcsolók) jeladójaként is használhatók. Jeladó (transducer) kivitel. Elektronikáját közvetlenül a mérőfejre is rászerelhetik. Ilyenkor csak törpefeszültségű táplálást igényelnek, kimeneti jelük logaritmikus egyenfeszültségű, az erősítés után néhány V nagyságú – jeladó (transducer) kivitel. Ezért zajosabb környezetben, illetve hosszú összekötő vezetékkel (akár néhány 100 m) is használhatók. Tokozás Régebben csak üvegbúrával, ma leginkább fémházas kivitelben gyártják. A Pirani vákuummérők méréshatára: (10 -4 ) – 1000 mbar. A pontosság: tiszta mérőfejeknél ±5-10%-ra csökkenthető. A szilárdtest-mérőfejek pontosabbak és stabilabbak, méréshatáruk tágabb (10 -5 – 1000 mbar) lehet.

Kombinált Pirani – piezoellenállás vákuummérő ( ábra). Kombinált Pirani – kapacitív mérőfej. Kombinált Pirani – ionizációs mérőfej: lásd az ionizációs vm-nél. Egy mérőházban helyezik el a piezo- (vagy a kapacitív) membránt és a Pirani mérőszálat. Méréshatáruk átfedi egymást. A piezo (vagy a kapacitív) érzékelő a nagyobb nyomáson, a Pirani pedig a méréshatár alsó felében pontosabb. Méréshatár: – 1000 (2000) mbar, szilárdtest Piranival: – 1000 mbar. Pontosság: 5 mbar felett: 0,5 % TSK, 1 mbar alatt a mért érték 5 %-a. Csak a Pirani-rész érzékeny a gázfajtákra ábra. Egy kombinált Pirani - piezoellenállás vákuummérő mért jele a valódi nyomás függvényében – gyári adat (P2).

ábra. Egy Pirani vákuummérő fej és meghajtó/kijelző elektronikája [KL1] Termokeresztes (termopár) vákuummérő (thermocouple) ábra. A termopár felépítése [KL4]. Ebben az állandó teljesítménnyel fűtött szál nyomással változó hőmérsékletét a szálhoz erősített termopárral mérik. Kimeneti jele mV nagyságrendű. Zajokra érzékenyebb, lassabb, pontatlanabb a Piraninál. Olcsóbb és egyszerűbb mérőeszköz ábra. MKS 925 jeladó [MKS1].

6.5. IONIZÁCIÓS VÁKUUMMÉRŐK - Az eddigi vákuummérők alsó méréshatára 10 -3, legfeljebb mbar. - Alacsonyabb nyomások mérése ionizációs vákuummérőkkel lehetséges. Mérési elv: állandó elektronárammal ionizáljuk a gázrészecskéket, a keletkezett ionok áramát mérjük, ez szigorúan arányos a gáznyomással. - Az ionáram és nyomás közötti megfeleltetést kalibrációval végezhetjük el (gyári műszernél ez adott). - Mérésartománya: – mbar, de van , ill. 10 mbar-ig mérő is. - Folyamatosan működtethetők, gyors változásokat is tudnak követni ábra. Izzókatódos ionizációs vákuummérő elvi felépítése és a potenciál hozzávetőleges alakulása a térben. A: anód, K: katód, C: ionkollektor. Potenciálok: katódé: U K, anódé: U A, I  : elektronáram, I + : ionáram. - Az izzókatódból az anódra jutó elektronok áramát negatív visszacsatolással stabilizálják (ha csökken az elektronáram, növelik a katód fűtését: nő az emisszió). - Elektronáram (I  ) többnyire: nagyvákuumban 1 mA, ultravákuumban 10 mA, nagyobb nyomáson 0,1 mA. - A rácsos anód terében keletkezett pozitív ionok az általában földpotenciálú vékony ionkollektorra jutnak Izzókatódos ionizációs vákuummérők

Az ionkollektoron mérhető pozitív ionáram: I + = I -  p ( ) ahol  = A gyártók vagy K, vagy  értékét adják meg a vákuummérő jellemzésére. - Nitrogénre  értéke általában 10 mbar -1 érték körül van. - Legtöbbször I - = 1 mA, ekkor a mérőcső érzékenysége: K = A/mbar. (UHV-ban 10 mA, nagynyomású változatokban 0,1 mA használatos) ahol S 0 a differenciális ionizációs együttható : az n részecskesűrűségű gázban egységnyi úthosszon egy elektron által létrehozott ionok száma p 0 = 1,33 mbar nyomáson, T 0 = 273,15 K hőmérsékleten. a vákuummérő cső állandója, [  ] = mbar -1 ( a) K = I -   : a vákuummérő cső érzékenysége (  K  = A  mbar -1 ).  a nyomás függvényében állandó (a pontos nyomásmérés feltétele), de mbar felett a nyomás fv.-ében egyre erősebben csökkenti az ionok rekombinációja A vákuummérő cső állandója (  ) függ még: - a geometriától, - a hőmérséklettől (  30 K-en belül elhanyagolható), - a nyomástól (de csak mbar felett!), - az elektronok energiájától (100 eV körüli tartományban van a maximum), - a gázfajtától (lyukkeresés lehetősége) - másodlagos hatásoktól – az ionkollektoron és a mérőcső falán keletkezett másodlagos elektronoktól (l. ESD-ionok, röntgenhatás) Vizsgáljuk meg, mi befolyásolja az ionizációs vákuummérő pontosságát!

I.) A mért nyomás nagyobb a valódinál, p mért > p valódi (energetikai okok) - gázfejlődés a meleg felületeken - hő által keltett gázdeszorpció az alkatrészek felületéről, - kigázosodás: gázdiffúzió a meleg alkatrészek belsejéből, - kémiai reakciók a forró felületeken (pl. 2C + O 2 = 2CO); - Biztosítsunk gyors eltávozást a mérőfejből a keletkezett gázoknak: bemerülő mérőfej vagy kis ellenállású csatlakozás a vákuummérőnek. - A mérőfej kifűtésével gyorsíthatjuk meg annak kigázosodását: az anódrács direkt fűtésével, ill. elektronbombázással. Csak a mérőfej kigázosodása után lehet pontosan mérni! - gázmolekulák disszociációja az izzókatód felületén, illetve elektronok, ionok és hő hatására máshol is létre jön, így növeli a gázrészecskék számát (így p-t is); - gáz- és iondeszorpció elektronütközés hatására Elektronok által keltett deszorpció (electron-stimulated desorption, ESD): ultranagy-vákuumban a vákuummérő alsó méréshatárát megemelő maradékáram egyik fő komponense. Az ESD-ionok energiája kb. 6 eV-tal nagyobb, mint az anódrács terében a gázmolekulák elektronbombázásával keltett ionoké. Precíziós mérésekben ez elegendő a megkülönböztetésükre. - maradékáram a kollektoron (röntgenhatás) – az alsó méréshatárt emeli Az anódra érkező elektron lágy röntgensugárzást vált ki. Ez az ionkollektorból elektronokat kelt. Az onnan távozó elektronok árama olyan, mint egy beérkező I + r ionáram, amelynek egy p r nyomás felel meg. I + r → p r ; p mért = p valódi + p r

II.) A mért nyomás kisebb a valódinál, p mért < p valódi - fordított röntgenhatás Az anódról kiinduló röntgen fotonok a mérőfej földelt falából is váltanak ki elektronokat, amelyek egy része eljut az ugyancsak földelt ionkollektorra. Ez az elektronáram csökkenti a pozitív kollektoráramot. - ionok lekötése, azaz ionos szivattyúzás Az ionkollektorra becsapódó ion α valószínűséggel (0 < α < 1) megkötődik az ionkollektor felületén, ami által csökken a nyomás, azaz szívóhatás érvényesül. Ha K a mérőcső érzékenysége, ez az ionos szívósebesség: S = 0,25  K[S] = ℓ s -1 ; [K] = A  mbar -1 ( ) Felhasználását látjuk még a getter-ion szivattyúknál Az izzókatódos ionizációs vákuummérők felépítése, fajtái - Az elektromos zajokat csökkenti, ha az ionkollektor földpotenciálon van. - Az izzókatódból tartalékot is építenek be. - Katódvédelem: a fűtőáramát egy biztonságos értékre korlátozzák, illetve ha a nyomás meghaladja a felső korlátot (az ionkollektor áramával érzékelhető), akkor egy védőáramkör a katódfűtés áramát megszakítja. - A katód anyaga W, illetve rosszabb vákuumon vagy korrozív közegben használva Pt-Ir vagy oxidkatód (ittrium-oxid vagy tórium-oxid bevonatú irídium). - A W katódot csak mbar alatt használhatjuk, de tartósan csak mbar alatt!! - Az izzókatódos ionizációs vákuummérőket üvegbúrával is, de leginkább (különösen UHV, XHV célra) fémházzal, fémperemes szereléssel gyártják.

A.) Bayard-Alpert típusú (B-A) ionizációs vákuummérő Bayard és Alpert a korai típusokhoz képest a katódot (K) kiemelték az anódrács (A) teréből, és vékony, kis felületű ionkollektort (C) tettek az anódrács tengelyébe. Ezáltal a röntgeneffektus és így az alsó méréshatár 3–4 nagyságrenddel csökkent! A B-A-mérőfej a leginkább használatos izzókatódos ionizációs vákuummérő, ez tekinthető alapeszköznek. A B-A mérőfejekkel néhány % pontosság elérhető. Jól viselik a hosszú üzemidő utáni elszennyeződést is (bár ekkor alaposabb kigázosítást igényelnek). Méréshatár: – mbar (a mérőcső típusától függően). Jeladó kivitel: a mérőfejre rászerelik az elektronikát. Csak törpe egyenfeszültségű tápfeszültséget igényel, kimenet: 0-10 V. A jel akár egy-két 100 m-re is vezethető ábra. Bayard- Alpert mérőfej vázlata és fémtömítéses peremre szerelt példányának fényképe (Tungsram). K1K1 K2K2 AC

A röntgenhatás további csökkentése is lehetséges a B-A fejekben. C.) Modulátoros Bayard-Alpert ionizációs vákuummérő A Bayard-Alpert mérőcső A anódrácsán belül, az anódhoz közel helyezik el az U M potenciálú M modulátor elektródot ( ábra). Ha U M = U A, akkor a modulátorra ionáram nem folyik, az ionkollektor árama változatlan, a mért nyomás: p mért,B-A = p valódi + p röntgen. Ha U M = U C, akkor az ionkollektor áramának egy (1-  ) részét a modulátor fogja fel, a röntgenhatás pedig ugyanakkora marad. A mért nyomás: p mért, Mod =  p valódi + p röntgen, ahol  < ábra. Modulátoros B-A mérőcső vázlata. p valódi = (p mért,B-A - p mért, Mod ) / (1-  ). Az  szorzót olyan nagyobb nyomáson kísérletileg meghatározhatjuk, ahol a röntgenhatás már elhanyagolható. Méréstartománya: – mbar ábra. Közepes vákuum tartományban mérő B-A ionizációs vm. (Tungsram). Méréshatár: – mbar. B.) Közepes vákuum tartományban mérő izzókatódos ionizációs vákuummérő Eredetileg a B-A fejtől eltérő geometria. Ma már ez is B-A felépítésű, de a kis méret és a Pt-Ir vagy oxid-katód teszi lehetővé az 1 (10) mbar-ig mérést (10 -6 mbar-tól). K A C

D.) Extraktoros ionizációs vákuummérő ábra. Az extraktoros ionizációs vm. egy lehetséges felépítése [L2]. - Az ionkollektor nagyon kicsi, az ionokat kivonó negatív potenciálú nyílás (extraktor) mögé tették. - A katódnak nincs rálátása az ionkollektorra. - Az extraktor erősen korlátozza a kollektorra jutó ESD ionok és röntgen fotonok térszögét, következésképpen intenzitását. - Az ionok fókuszálását a reflektor elektród is segíti. - Az etrémnagy-vákuum (XHV) tartományban talán a legelterjedtebb vákuummérő. Méréshatára: – mbar E.) Kombinált izzókatódos ionizációs és Pirani vákuummérő - Egyetlen közös házban helyezik el a két mérőfejet. - Automatikus átváltás a két érzékelő között. Méréstartomány: (1-5)∙ – 1000 mbar ábra. Egy kombinált ionizációs és Pirani vákuummérő [P2].

Hidegkatódos ionizációs vákuummérők - A hidegkatódos (hidegkisüléses) ionizációs vákuummérőben önfenntartó gázkisülés részeként keletkező állandó elektronáram ionizálja a gázokat. - A hidegkisüléshez a kozmikus sugárzás és a téremisszió következtében vannak a térben elsődleges töltéshordozók (elektronok, ionok), majd ezek a nagyfeszültség hatására a gázrészecskékkel ütközve hoznak létre másodlagos ionokat/elektronokat, amelyeknek árama a nyomással arányos. - Az elektronok úthosszát (így az ionizációt is) nagyon megnöveli a mágneses tér Penning-típusú vákuummérő ábra. Penning-típusú vákuummérő elvi rajza. A katód elektromos tere betüremkedik a tengely mentén: így a látszat ellenére az elektromos tér merőleges a mágnesesre. A: hengeres anód, K: katódlemezek, H: a vákuummérő házának fala, É, D: a mágnes pólusai, HV: nagyfesz. tápegység,  3000 V, B:  0,1 … 0,2 T A Lorentz-erő hatására az elektronok gyűrűszerű körpályákra kényszerülnek, amelyek még egy kis átmérőjű körmozgással is kiegészülnek (cikloid pálya). A gyűrűáram 1 A (!) körüli értéket vesz fel, és széles nyomástartományban állandó. A gyűrű közepén plazmakisülés van, amelynek területe nagyobb nyomáson megnő.

ábra. A Penning-típusú vákuummérők áramának nyomásfüggése. - erős ingadozások a nyomásmérésben; - p ~ mbar felett: -megkezdődik a töltésrekombináció, amely a meredekség csökkenését eredményezi; -a meredekség p~10 -2 mbar felett negatívra vált; – mbar tartományban kialszik a kisülés. A Penning-típusú vákuummérő méréshatára: – mbar. A méréshatárt és pontosságot az instabilitások korlátozzák Korszerű hidegkatódos vákuummérők - Az ingadozások ellen és a kisebb áramok mérhetősége érdekében: ábra. Penning vákuummérő kisegítő katóddal. Penning elrendezéséhez képest az anód és katód közötti közvetlen, áramingadozást okozó kisülést megakadályozzák egy árnyékoló, földelt kisegítő katód közbeiktatá- sával, a gázkisülés áramát (nyomást) pedig az igazi katódon mérik. - Változatos geometriai alakzatokkal és elrendezéssel is működik: Kiderült, hogy az anód egy gyűrű vagy kiterjedt henger helyett akár egy fémszál is lehet, illetve az anód és katód pozícióját fel is lehet cserélni (invertált geometria).

A: anód, K: katód, KK: kisegítő katód, H: mágneses térerő. Magnetron: a, b, b1. Invertált magnetron: c, d, c1. K A hidegkatódos vákuummérőknek a valóságban sokféle megvalósítása ismert ( ábra), de két alaptípusra vezethetők vissza: - magnetron típusú vákuummérő: a tengelye negatív potenciálú, akár a katód betüremkedő terétől, akár beépített fém elektródtól); - invertált magnetron típusú vákuummérő: tengelye pozitív potenciálú. A hidegkisüléses ionizációs vákuummérők méréshatára a konstrukció technikai megoldásától függ, de tipikusan: – mbar ábra. Példák a hidegkatódos vákuummérő változataira.

Megjegyzések a hidegkatódos vákuummérők használatához - Elektronok futási ideje: Az elektronok hosszú utat tesznek meg a katódtól az anódig. Az út befutásának ideje 10 -3, illetve mbar nyomáson 1,2  s, illetve 20 perc is lehet! Az ionizációval járó két ütközés közötti időtartam ezeknek kb. a fele. - Begyújtási idő: A nagyfeszültség bekapcsolása után a kisülés a nyomástól függő késéssel gyúl be. Ez mbar felett néhány sec, mbar alatt néhány óra vagy nap is lehet! - Szennyezés: A kisülésben a szerves gőzök, gázok polimerizálódnak, és a felületeken színesnek látszó bevonatot képeznek, amelyek gátolják a katódfelület elektronemisszióját, a kisülés beindítását, ill. áramingadozást okoznak. - Karbantartás: tisztítással, beépített lehúzható fóliával. - A kisülés begyújtása segédeszközzel (alacsony nyomáson szükséges): Elvileg lehetne izzókatód, radioaktív forrás vagy ultraibolya fény, de a gyakorlatban leginkább kis hegyes tüskét vagy más alakú segédelektródot szoktak elhelyezni (téremissziós forrás). - Pontosság, érzékenység fellevegőzésre: - Szennyezetten ingadozó és pontatlan. - Alacsony nyomáson előny a hidegkatódos kisebb kigázosodása. - Röntgenhatása kicsi (az anódáram a nyomással arányosan csökken). - A hirtelen levegőbetörésekre kevésbé érzékeny – ipari alkalmazás. - Biztonságtechnika: az alkalmazott feszültség ~ 3 kV – érintésvédelem.

ábra. Egy kereskedelmi hidegkatódos mérőfej szokványos és 250 °C-ig kifűthető változatának összeállítása, gázfüggése és paraméterei [P2]. Pontosság Reprodukálhatóság Méréshatár A begyújtási idő a nyomás függvényében. Méréshatár, pontosság, reprodukálhatóság. Tartomány:

Kombinált hidegkatódos-Pirani vákuummérő Az hidegkatódos vákuummérő is közös házba építhető a Pirani és más vákuummérővel. Méréshatár Pontosság Reprodukálhatóság mbar mbar ábra. Egy hidegkatódos ionizációs és Pirani kombinált vákuummérő adatai és hitelesítő görbéi [P2]. Ar He levegő Tartomány: ábra. Hidegkatódos ionizációs, szilárdtest Pirani és piezoellenállásos vákuummérőt egyesítő vm. jeladó fényképe és mérési tartománya [MKS1].

IZZÓKATÓDOSHIDEGKATÓDOS Elektronárama 0,1 A; 1 A; 10Akb. 1A (!) Érzékenység ~10 -2 A/mbar2 – 5 A/mbar (!) Röntgenhatása nyomástól független (alacsony nyomáson egyre számottevőbb) nyomással arányosan csökken (elhanyagolható) Teljesítményfelvétel, melegedés, gázleadás 10 – 30 W nagy a gázleadása, ajánlatos kigázosítani kb. 0,1 W kis melegedés, gázleadás, ritkán kell kigázosítani Bekapcsolása gond nélkül alacsony nyomáson hosszú várakozás után Érzékenység szennyezésre nem érzékeny érzékeny (instabil jel, nehéz bekapcsolni) Nem tiszta vákuumban ajánlott nem ajánlott (szennyezettségi gondok) Levegőbetörésre érzékeny (kiég a katód)nem érzékeny táblázat. Az izzókatódos és hidegkatódos ionizációs vákuummérők összehasonlítása. Informatikai fejlődés: mobil eszközökkel távleolvasás, vezérlés.