In der Kammer voneine VakuumbeschichtungsmaschineUnter Vakuummessung versteht man die Bestimmung des Vakuumniveaus in einem bestimmten Raum mithilfe spezifischer Instrumente und Geräte. Diese Art von Instrument oder Gerät wird als Vakuummeter (Instrument, Messgerät) bezeichnet. Es gibt viele Arten von Vakuummessgeräten, die nach Messprinzipien üblicherweise in absolute Vakuummessgeräte und relative Vakuummessgeräte unterteilt werden. Jedes Vakuummessgerät, das den Gasdruck direkt durch Messung physikalischer Parameter ermittelt, ist ein absolutes Vakuummessgerät, wie z. B. U-förmige Druckmessgeräte, Kompressions-Vakuummessgeräte usw. Die von diesen Vakuummessgeräten gemessenen physikalischen Parameter sind unabhängig von der Gaszusammensetzung und der Messung ist relativ genau. Allerdings ist es äußerst schwierig, bei niedrigen Gasdrücken direkt zu messen; Ein Vakuummeter, das mit dem Druck verbundene physikalische Größen misst und diese mit einem absoluten Vakuummeter vergleicht, um den Druckwert zu ermitteln, wird als relatives Vakuummeter bezeichnet, z. B. ein Entladungs-Vakuummeter, ein Wärmeleitungs-Vakuummeter, ein Ionisations-Vakuummeter usw. Seine Besonderheit besteht darin, dass die Messgenauigkeit etwas geringer ist und von der Art des Gases abhängt. In der tatsächlichen Produktion werden mit Ausnahme der Vakuumkalibrierung meist relative Vakuummessgeräte verwendet.
Widerstandsvakuummeter
Widerstandsvakuummessgerät ist eine Art Wärmeleitungsvakuummessgerät, das den Vakuumgrad indirekt durch Messung der Temperatur eines heißen Drahtes im Vakuum ermittelt. Das Prinzip besteht darin, dass die Wärmeleitung von Gas unter niedrigem Druck mit dem Druck zusammenhängt. Daher ist es das Problem, das das Widerstandsvakuummessgerät lösen muss, wie Temperaturparameter gemessen und die Beziehung zwischen Widerstand und Druck hergestellt werden können.
Der Aufbau eines Widerstandsvakuummessgeräts besteht darin, dass der Heizfaden im Messgerät ein Wolfram- oder Platindraht mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands ist. Der Heizfaden ist mit einer Wheatstone-Brücke verbunden und dient als ein Arm der Brücke. Beim Erhitzen unter niedrigem Druck kann die vom Filament Q erzeugte Wärme wie folgt ausgedrückt werden: Q=Q1+Q2
In der Formel ist Q1 die vom Glühfaden abgestrahlte Wärme, die mit der Temperatur des Glühfadens zusammenhängt; Q2 ist die Wärme, die von Gasmolekülen abgeführt wird, die mit dem Filament kollidieren, und ihre Größe hängt vom Druck des Gases ab. Bei konstanter Temperatur des Hitzdrahtes ist Q1 eine konstante Größe, d. h. die vom Hitzdraht abgestrahlte Wärmemenge bleibt unverändert. Unter einer Bedingung mit konstantem Heizstrom, wenn der Druck desVakuumsystemabnimmt, das heißt, die Anzahl der Gasmoleküle im Raum nimmt ab, Q2 nimmt entsprechend ab. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die vom Filament erzeugte Wärme relativ zu, wodurch die Temperatur des Filaments ansteigt und der Widerstand des Filaments zunimmt. Die Beziehung zwischen dem Druck der Vakuumkammer und dem Widerstand des Filaments ist P ↓ → R ↑, sodass der Druck indirekt durch Messung des Widerstandswerts des Filaments bestimmt werden kann.
Der Bereich zur Vakuummessung mit einem Widerstandsvakuummeter beträgt 105 bis 10-2Pa. Da es sich um ein relatives Vakuummessgerät handelt, hängt der gemessene Druck stark von der Art des Gases ab und seine Kalibrierungskurve gilt für trockenen Stickstoff oder Luft. Wenn sich die Zusammensetzung des gemessenen Gases daher erheblich ändert, sollten die Messergebnisse in gewissem Umfang korrigiert werden. Darüber hinaus wird der heiße Draht des Widerstandsvakuummeters nach längerem Gebrauch aufgrund von Oxidation eine Nulldrift erfahren. Daher ist es notwendig, während des Gebrauchs eine längere Exposition gegenüber der Atmosphäre oder Arbeiten unter hohem Druck zu vermeiden und häufig den Strom anzupassen, um die Nullposition zu kalibrieren.
Thermoelement-Vakuummeter
Das Messgerät eines Thermoelement-Vakuummeters besteht hauptsächlich aus Heizfäden C und D (Platindrähte) und Thermoelementen A und B (Platin-Rhodium oder Konstantan-Nickel-Chrom), die zur Messung der Temperatur der Heizfäden verwendet werden. Das Thermoelement ist am heißen Ende mit dem heißen Draht und am kalten Ende mit dem Millivoltmeter im Instrument verbunden. Die elektromotorische Kraft des Thermoelements kann mit dem Millivoltmeter gemessen werden. Bei der Messung wird das Thermoelement-Messrohr an das zu prüfende Vakuumsystem angeschlossen und der Heißdraht mit konstantem Strom durchflossen. Im Gegensatz zu einem Widerstandsvakuummessgerät wird zu diesem Zeitpunkt ein Teil der vom Glühfaden erzeugten Wärme Q zwischen dem Glühfaden und dem Thermoelementdraht geleitet und abgeleitet. Wenn der Druck des Gases abnimmt, steigt die Temperatur an der Verbindungsstelle des Thermoelements mit der Erhöhung der Hitzdrahttemperatur. In ähnlicher Weise nimmt auch die elektromotorische Kraft der Temperaturdifferenz am kalten Ende des Thermoelements zu, und es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Gasdruck und der elektromotorischen Kraft des Thermoelements: P ↓→ε ↑.
Die Messergebnisse von Thermoelement-Vakuummetern für verschiedene Gase sind aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gasmoleküle unterschiedlich. Daher müssen bei der Messung unterschiedlicher Gase gewisse Korrekturen vorgenommen werden. Tabelle 1-3 enthält Korrekturfaktoren für einige Gase oder Dämpfe. Der Messbereich eines Thermoelement-Vakuummeters beträgt etwa 102-10-1Pa, und der Messdruck sollte nicht zu niedrig sein. Dies liegt daran, dass bei niedrigerem Druck die von Gasmolekülen durch Wärmeleitung abgegebene Wärmemenge sehr gering ist und der Wärmeverlust durch Wärmeleitung und Strahlung des Hitzdrahts und des Thermoelementdrahts der Hauptfaktor ist. Daher wird die Änderung der elektromotorischen Kraft des Thermoelements nicht durch Druckänderungen verursacht.
Thermoelement-Vakuummeter haben thermische Trägheit, und wenn sich der Druck ändert, hinkt die Temperatur des heißen Drahtes oft eine Zeit lang hinterher, sodass auch das Ablesen der Daten einige Zeit hinterherhinken sollte; Darüber hinaus besteht der Heizfaden eines Thermoelement-Messgeräts wie bei einem Widerstandsvakuummessgerät ebenfalls aus Wolfram- oder Platindraht. Bei längerem Gebrauch kommt es zu einer Nulldrift des Heizfadens durch Oxidation. Daher sollte bei der Verwendung der Heizstrom regelmäßig angepasst und der Heizstromwert neu kalibriert werden.
Ionisationsvakuummeter
Das Ionisationsvakuummessgerät ist ein weit verbreitetes Vakuummessgerät, das das Prinzip der Gasmolekülionisation zur Messung des Vakuumgrads nutzt. Je nach Gasionisationsquelle wird es in Heißkathoden-Ionisations-Vakuummeter und Kaltkathoden-Ionisations-Vakuummeter unterteilt. Ersteres ist weiter unterteilt in gewöhnliche Heißkathoden-Ionisationsmessgeräte, Ultrahochvakuum-Heißkathoden-Ionisationsmessgeräte und Niedervakuum-Heißkathoden-Ionisationsmessgeräte. Es besteht im Wesentlichen aus drei Elektroden: dem Glühfaden, der Elektronen als Emitter A emittiert, dem Spiralbeschleunigungs- und Elektronensammeltor (auch Beschleunigungselektrode genannt) B und der zylindrischen Ionensammelelektrode C. Der Emitter ist mit Nullpotential verbunden. Die Beschleunigungselektrode ist an positives Potenzial (mehrere hundert Volt) angeschlossen und die Sammelelektrode ist an negatives Potenzial (mehrere zehn Volt) angeschlossen. Zwischen B und C herrscht ein abstoßendes Feld. Das Funktionsprinzip eines Ionisationsmessgeräts besteht darin, dass die Glühkathode A Elektronen aussendet, die von der Beschleunigungselektrode beschleunigt werden und die meisten Elektronen in Richtung der Sammelelektrode fliegen. Unter dem abstoßenden Feld zwischen BC nimmt die Elektronengeschwindigkeit ab. Wenn die Geschwindigkeit auf Null sinkt, fliegen die Elektronen zurück zur B-Elektrode. Wenn das Elektron in Richtung BC-Raum fliegt, ist es ebenfalls dem abstoßenden Feld ausgesetzt. Wenn die Geschwindigkeit auf Null sinkt, rotiert das Elektron zurück zur C-Elektrode. Durch die wiederholte Bewegung des Elektrons im BC-Raum kollidiert es mit Gasmolekülen, wodurch diese Energie gewinnen und Ionisierung erzeugen. Die Elektronen werden schließlich von der Beschleunigungselektrode gesammelt und die durch die Ionisierung erzeugten positiven Ionen werden von der Sammelelektrode aufgenommen und bilden einen Ionenfluss I+. Wenn für eine bestimmte Röhre das Potential jeder Elektrode konstant ist, I+und Die lineare Beziehung zwischen dem Emissionselektronenfluss Ie und dem Gasdruck ist wie folgt: I+=kIeP
In der Formel ist k eine Proportionalitätskonstante, die den Stromwert des Ions bezeichnet, der bei Einheitselektronenstrom und Einheitsdruck mit der Einheit 1/Pa erhalten wird und durch Experimente bestimmt werden kann. Für verschiedene Gase variiert die Größe von k und sein Existenzbereich liegt zwischen 4-40. Bei konstantem Emissionsstrom ist der Ionenstrom nur proportional zum Gasdruck, sodass der Gasdruckwert in der Vakuumkammer anhand der Größe des Ionenstroms bestimmt werden kann.
Der Messbereich eines normalen Heißkathoden-Vakuummeters beträgt 1,33 × 10-1 bis 1,33 × 10-5Pa. Unabhängig davon, ob er über oder unter dieser Messgrenze liegt, führt dies zu einem Verlust der linearen Beziehung zwischen dem Ionenfluss I+ und dem Gasdruck. Bei hohem Druck steigt die Wahrscheinlichkeit mehrfacher Kollisionen zwischen Elektronen und Molekülen stark an. Da das Beschleunigungspotential viel höher ist als das Ionisierungspotential des Gases (mehrere zehn Volt), reichen die durch die Ionisierung erzeugten Elektronen aus, um eine Gasionisierung auszulösen. Dies führt zu einem starken Anstieg des Elektronenflusses im Ionisationsmessgerät. Gleichzeitig ist aufgrund der hohen Gasdichte die freie Weglänge der Elektronen kurz und die meisten Kollisionen sind Kollisionen mit niedriger Energie, die keine Ionisierung verursachen können. Viele Faktoren führen dazu, dass bei höheren Drücken kein linearer Zusammenhang zwischen Ionenfluss und Druck mehr aufrechterhalten werden kann; Wenn der Druck niedrig ist (weniger als 1,33 × 10-1Pa), erzeugen Hochgeschwindigkeitselektronen, die die Beschleunigungselektrode erreichen, weiche Röntgenstrahlen, die dann auf die Ionensammelelektrode C gerichtet werden. Dies führt zur Sammlung Die Elektrode erzeugt eine photoelektrische Emission, die einen Elektronenstrom emittiert, was dazu führt, dass die ursprüngliche Ionenfluss-Messschaltung diesen druckunabhängigen Strom überlagert, was zu einem Verlust der linearen Beziehung zwischen dem Ionenfluss I+ und dem Gasdruck führt. Zu diesem Zeitpunkt kann das Ionisationsvakuummessgerät den Druck in der Vakuumkammer nicht messen.
Die Vakuumbeschichtungsmaschine verwendet ein Ionisationsvakuummessgerät, um den Gesamtdruck des zu prüfenden Gases schnell und kontinuierlich zu messen. Das Messrohr hat ein kleines Volumen und lässt sich leicht anschließen. Der Emitter im Messrohr besteht jedoch aus Wolframdraht. Wenn der Druck höher als 10-1Pa ist, verkürzt sich die Lebensdauer des Manometerrohrs erheblich und es kommt sogar zum Durchbrennen. Es sollte vermieden werden, unter hohem Druck zu arbeiten; Wenn das Vakuumsystem der Atmosphäre ausgesetzt wird, adsorbieren die Innenfläche des Glaskolbens und verschiedene Elektroden des Ionisationsmessgeräts Gase, was die Genauigkeit der Vakuummessung beeinträchtigt. Wenn das Vakuumsystem längere Zeit der Atmosphäre ausgesetzt ist oder über einen längeren Zeitraum verwendet wird, sollte daher eine regelmäßige Entgasungsbehandlung des Messgeräts durchgeführt werden.
