Как измеряют вакуум

При сильном разрежении газа обычно измеряют не вакуум, а величину давления газа, которое существует в вакуумированном пространстве. Измерить это давление не легко. Точно измерить давление в несколько тысячных и даже миллионных долей миллиметра ртутного столба при помощи простой барометрической трубки невозможно.

Как же измерить степень разрежения при высоком вакууме? Это делают прямым или косвенным путем. При косвенном измерении вакуума измеряют не величину давления газа, а какое-либо свойство газа, которое легко поддается измерению и в большой степени зависит от величины вакуума. Такой прием часто используется в науке и технике. Например, для измерения средней энергии движения частиц данного тела, характеризуемой температурой, мы измеряем расширение ртути или другой жидкости в трубке термометра.

Самые различные физические явления используются для измерения вакуума. На схеме (рис. 21) представлены приборы, при помощи которых измеряется вакуум различной величины.

Обычные давления в пределах от 1 до 760 мм ртутного, столба измеряются при помощи пружинного вакуумметра, барометрической трубки или U-образного манометра, заполненного ртутью или другой жидкостью. Их устройство просто и общеизвестно. При понижении давления газа до десятых и сотых долей миллиметра ртутного столба точность манометров с прямым отсчетом давления газа по высоте столба жидкости становится недостаточной. Тогда его начинают измерять косвенно.

В лабораторных условиях для измерения вакуума от 1 до 1 -10“⁵ мм ртутного столба используются так называемые компрессионные манометры.

Их действие основано на законе Бойля—Мариотта. Ученые решили, что если трудно измерить малое давление газа, то можно взять большой объем газа, сжать его в несколько десятков или сот раз, азатем измерить давление. Наиболее известен компрессионный манометр английского физика Мак-Леода. В этом манометре (рис. 22) разреженный газ заполняет определенный, известный объем 5, в который при помощи подвижного сосуда 4 вводится ртуть. Газ сжимается и заполняет часть калиброванного капилляра 2 известного объема. Зная объем и давление газа после сжатия и зная исходный объем, нетрудно рассчитать по закону Бойля—Мариотта и исходное давление газа.

Для определения давления газа при вакууме до 10 ⁴ мм ртутного столба используются также тепловые и электрические свойства газов, которые сильно изменяются при разрежении.

Способность какого-либо газа проводить тепло зависит от его плотности. Чем больше давление, под которым находится газ, тем выше его плотность, тем большее количество молекул участвует в переносе тепла.

На изменении теплопроводности газов с изменением их плотности основано действие термоэлектрического манометра (рис. 23). В манометре в разреженном пространстве помещена проволока, которая нагревается током определенного напряжения. С увеличением разрежения газа количество тепла, отдаваемого проволокой, падает, что приводит к повышению ее температуры.

Температура в этом случае измеряется при помощи термопары (спай двух металлов). В зависимости от температуры спая термопары в ней возникает ток большей или меньшей силы, который и измеряется чувствительным прибором.

Удобен и электроразрядный магнитный манометр (рис. 24). В нем используется способность разреженных газов проводить электрический ток высокого напряжения.

В манометре между полюсами постоянного магнита 1 помещена рамка 4, к которой подведен ток напряжением 3000 вольт. Сила тока при электрическом разряде зависит от разрежения в камере 2 манометра. Измеряя силу тока в момент разряда в камере манометра, можно судить и о степени разрежения.

Для измерения наиболее высокого вакуума применяется ионизационный манометр (рис. 25). Устройство его также основано на свойствах электрического разряда в вакууме. В стеклянной запаянной трубке 1 впаяны два металлических электрода 2 и 5, между которыми установлена металлическая сетка 4. При подключении электродов к двум противоположным полюсам источника тока втрубкевозникает ток. Электроны, двигаясь в разреженном газе от одного электрода к другому, ионизируют попадающиеся на их пути молекулы газа. Степень ионизации газа, т. е. количество молекул газа, получивших электрический заряд, или, как их называют, ионизированных молекул, зависит от степени разрежения. Чем больше давление газа, тем больше молекул ионизируется и тем больше сила тока между электродами манометра. Сила тока измеряется прибором.

Мы видим, что измерить величину вакуума, в особенности высокого вакуума, не так уже просто. Приходится прибегать к обходным путям. Но и с этой сложной задачей современная техника успешно справляется.

Вакуумные приборы должны быть абсолютно герметичными; если в них поступает посторонний газ, высокий вакуум создать нельзя. Например, чтобы уравновесить натекание газа в вакуумированный сосуд через отверстие диаметром в одну десятимиллионную миллиметра, необходима непрерывная работа высокопроизводительного насоса. Как же обнаружить течь газа в вакуум-приборе?

Когда на корабле появляется течь воды, ее нетрудно обнаружить, а вот найти место течи газа в вакуумном аппарате трудно. Обычно это настолько малые и незаметные отверстия, что не приходится и говорить о возможности их обнаружения осмотром.

Для обнаружения течей в вакуумной технике применяются различные специальные методы и приборы.