Динамічні і радіометричні вакуумметри.

Розглянемо спочатку динамічні вакуумметри, які побудовані на двох різних варіантах перенесення імпульсу. До цих вакуумметрів відносяться так звані в'язкісні і кінетомолекулярні вакуумметри. Дія перших засноване на вимірі часу загасання коливального руху поверхні в результаті ефекту демпфування після прикладання імпульсу. В кінетомолекулярних вакуумметрах використовується ефект переносу імпульсу від безперервно обертаючого диска до близько розташованого нерухомого, тиск визначається по обертальному моменту нерухомого диска. Перші вакуумметри цього типу описані в роботі Дешмана.

Такі динамічні вакуумметри дозволяли вимірювати тиску порядку 10^-4 Па. До конструкції підвіски елементів вакуумметра, що вимірює такий тиск, пред'являються підвищені вимоги: виникненні в ній сили тертя і її жорсткість не повинні маскувати вимірювальний обертальний момент. Можливість розробки більш простих, надійних до точних вакуумметрів, що забезпечують вимір більш низьких тисків, з'явилася у зв'язку з ідеєю, використовувати кулю або диск, вільно підвішених в магнітному полі, як ротор. Вперше ця ідея була висунута в 1946 р., але лише після 1962 р. вона була реалізована в вакуумметрах.

У теорії в’язкісного вакуумметра зазвичай передбачається, що обмін тангенціальними імпульсами молекул з поверхнею ротора протікає по ідеальному механізму. Однак це припущення виконується тільки для гладкої і точної металевої кулі, що обертається при помірних швидкостях. Зокрема, при негладкій поверхні ротора свідчення вакуумметра істотно залежать від роду газу.

В'язкісні вакууметри дозволяють вимірювати тиску аж до 10^-7 Па, проте оптимальний діапазон вимірюваних ними тисків становить 10^-2 – 10^-5 Па. Навіть перші недосконалі в'язкісні вакуумметри представляли собою прецизійні пристрої, що вимагають дорогої електронної системи управління і вимірювання, а також встановлення їх на віброзахисних столах. Вакуумметри з обертовим ротором стали більш практичними пристроями завдяки застосуванню магнітної підвіски. Такі вакуумметри випускаються промисловістю, але в невеликих кількостях.

Радіометричні вакуумметри в порівнянні з в'язкісними володіють тією перевагою, що їх свідчення не залежать від природи газу. Одним з перших радіометрів був прилад, запропонований Круксом в 1873 р. Основним елементом цього пристрою була легка чотирилопатева вертушка. Якщо до балона, в якому перебувала ця вертушка, піднести джерело світла або тепла, то вона починала обертатися.

Довгий час принцип дії цього приладу був не цілком зрозумілий, і спроби використовувати його як вакуумметр не приводили до успіху. Лише в 1914 р. в результаті досліджень процесів теплопередачі в тазах при низькому тиску Кнудсен зумів пояснити дію радіометра і побудував заснований на цьому принципі вакуумметр для вимірювання наднизьких тисків. Вакуумметр Кнудсена складається з системи рухомих і нерухомих пластинок, які можуть нагріватися.

Пізніше був розроблений ряд аналогічних вакуумметрів, заснованих на радіометричному ефекті, їх конструкції описані в роботі Дешмана. Основним недоліком в'язкісних вакуумметрів є необхідність використання в умовах низького тиску прецизійної системи підвіски, проте був розроблений радіометричний вакуумметр з магнітною підвіскою, що дозволяє вимірювати тиску аж до 10^-8 Па. У цьому вакуумметрі основним елементом є вирізаний з шолікристалічного магнітно-ізотропного графіту диск діаметром 3 мм і товщиною 0,05 мм, який обертається навколо свого діаметра, розташованого по вертикальній осі статора.

Диск поміщений всередині циліндричного корпусу (статора), виконаного з молібденових смужок, розташованих під певним кутом. Корпус статора за допомогою теплопроводу (металевого стержня), зануреного в рідкий азот, може охолоджуватися до ~ 78 К, тоді як скляна оболонка вакуумметра знаходиться при кімнатній температурі.

Якщо диск обертається проти годинникової стрілки, то півкола диска (щодо осі обертання) будуть увесь час відступати, а протилежні їм півкола – наступати.

В результаті обертовий диск буде або прискорюватися, або уповільнюватися в залежності від напрямку початкового обертання. Швидкість обертання визначається за допомогою фотопомножувача, який фіксує відбитий від обертового диска промінь світла. При одному повному обороті диска на фотопомножувач потрапляє два імпульси світла.

Зазвичай тиск вимірюється за ефектом гальмування обертового диска, а швидкість обертання визначається за кількістю імпульсів за певний відрізок часу. При тиску 10^-7 Па для вимірювання потрібно близько 60 с, таким чином, вакуумметр цього типу не годиться для динамічного вимірювання тиску. Вакуумметр, температура ротора якого, збігається з температурою навколишнього середовища, може бути використаний як в'язкісний вакуумметр.

Проте при в будь-яких вимірах слід враховувати вплив в'язкості газу. Розглянутий вакуумметр являє собою досить складний і дорогий пристрій, проте, будучи абсолютним вакуумметром, він може бути використаний як зразок для градуювання іонізаційних вакуумметрів.

5. Вакуумметри.