Простейшие самодельные вакуумметры

Изготовление электровакуумных приборов (ЭВП), в том числе и в первую очередь в любительской лаборатории, имеет большой камень преткновения — вакуумную обработку собранных приборов. Это агрегаты из двух специальных насосов для получения высокого вакуума, это высокая чистота материалов и элементов «системы» и самого ЭВП, специальные методы их подготовки и обработки. Это сложно, хлопотно, громоздко, наконец, это дорого. Даже такой, казалось бы, пустяк — измерить полученное разрежение, стоит изрядной возни, ухищрений и средств. Держа в уме лейтмотив — наше будущее кустарное изготовление вакуумных и газонаполненных ламп, где всё по возможности просто, недорого и лучше своими руками — автоматически переносимся к началам электровакуумной эпохи. Совершим же небольшой экскурс по старинным, морально устаревшим средствам измерения вакуума. Тем из них, что несложно сделать и которые могут пригодиться в работе.

1. Несколько общих слов

Говоря об откачке электронной лампы, имеем в виду или по крайней мере, стремимся к сверхвысокому вакууму — 10^-9 мм рт. ст. (Торр). Как правило, получают его в три стадии: форвакуум (до 10^-2…10^-3 Торр, роторно-пластинчатые масляные насосы); высокий вакуум (до 10^-5…10^-7 Торр, диффузионные или молекулярные насосы); местные геттерные микронасосы — встроенные в лампу геттеры (до 10^-10 и выше Торр). При этом часто форвакуумные давления достаточно измерять только качественно — определить момент, когда можно запускать высоковакуумный насос, кроме случаев обработки ламп газонаполненных — рабочий газ в них обычно должен быть под небольшим разрежением (несколько сотен Торр), и определять его придётся более или менее точно.

Увы, нет единого манометра-вакуумметра, способного полностью перекрыть такой огромный диапазон — существует целый ряд приборов и методов измерений, работающих на различных физических принципах и на сравнительно небольших участках давлений. Из них выбирают наиболее подходящий к обстоятельствам, комплект.

2. Барометрический манометр (с запаянным коленом)

Самым простым и известным вакуумметром является барометрический манометр (Рис. 2.1. А). Разность высот столбов ртути в нём, определяет разницу давлений: атмосферного Ра, действующего на ртуть в резервуаре, и измеряемого давления Р, действующего на ртуть в трубке. При Ра=Р разность высот ртути h=0. При уменьшении Р, разность высот увеличивается, и при Р=0 становится равной высоте барометрического столба ртути (~760 мм). Атмосферное давление — величина непостоянная, отчего измерение таким способом низких давлений связано с большими погрешностями.

При измерениях низких давлений удобней и точней барометрический манометр с закрытым коленом (Рис. 2.1 Б, В), не сообщающийся с атмосферой. Запаянная часть прибора предварительно полностью заполняется ртутью, при понижении её уровня создаётся торричеллиева пустота.

Разность давлений в барометрических манометрах:

ΔР = Р_ср – Р = ρ * g * h, (1)

где: Р_ср — сравнительное давление (для барометра с открытым коленом Р_ср = Р_атм ≈ 760 мм рт. ст., для барометра с закрытым коленом Р_ср = 0); Р — измеряемое давление; g — ускорение свободного падения (9.81 м/с²); ρ — плотность рабочей жидкости в манометре; h — разность уровней жидкости, мм.

Давление в ртутном манометре с открытым коленом:

Р = Р_атм – h, мм рт. ст.,

где: h — разность уровней жидкости, мм.

Давление в ртутном манометре с закрытым коленом:

Р = h, мм рт. ст.

Несмотря на предельную простоту конструкции, трудность изготовления «закрытого колена» состоит в наполнении его ртутью. Облегчить задачу позволяет вариант манометра с ёмкостью — шаром на входе (Рис. 2.1. В). В нижнюю его половину наливают отмеренную порцию ртути, прибор откачивают вакуумным насосом до 10^-1…10^-2 Торр, и наклонив, переливают ртуть в колено и запаянный конец. Случай h ≠ 0 при Р = 0 означает плохо обезгаженную, загрязнённую ртуть и стекло трубки манометра, дающие некоторое давление газа в закрытом колене.

При измерении форвакуумных давлений нет необходимости в использовании полноразмерного барометра, в таких случаях применяют укороченные варианты (Рис. 2.2. А, Б; Рис. 2.1. В) с высотой запаянного колена в 150…250 мм. За ним прикрепляется шкала, каждый миллиметр которой соответствует давлению 2 Торр. Нулевая точка шкалы определяется по одинаковому уровню ртути в коленах, при откачке манометра до низкого давления.

Для повышения чувствительности барометрического манометра с закрытым коленом в 10…20 раз, в качестве рабочей жидкости в нём применяют масло (с низким давлением паров), пересчитывая показания с учётом меньшей плотности (1).

Для удобства отсчёта, трубки в масляном манометре лучше взять крупнее, чем в случае со ртутью (5…8 мм, вместо 2…3 мм), а масло подкрасить. Чувствительность такого рода манометров можно ещё больше увеличить, расположив их наклонно, причём изменению высоты на h будет соответствовать изменение положения жидкости в наклонной трубке S = h / cos θ, где θ — угол, образованный коленом манометра с вертикалью.

Масло, однако, смачивает стекло — медленно стекает со стенок трубки и образует выраженный мениск, затрудняя отсчёт. Другой недостаток масла — значительное растворение в нём газов и паров. Приходится регулярно откачивать пространство в закрытом колене (желательно с прогревом), что требует дополнительных кранов и частых манипуляций с ними (Рис. 2.2. В, Г). Масло для такого манометра следует выбирать так же тщательно, как и для диффузионного насоса. Большинство масел абсорбируют значительное количество атмосферных газов и при первоначальной откачке энергично кипят — откачку во время обезгаживания следует вести осторожно, с небольшой скоростью.

Ртутные U — манометры следует оберегать от гидроударов или по крайней мере, от их последствий известными способами, а сам манометр хорошо поместить в прозрачную коробку из органического стекла, для упрощения сбора разлитой ртути после потенциальной аварии.

3. Разрядная трубка

Трубка Гейслера, она же разрядная трубка — простейший ЭВП с двумя электродами, между которыми горит тлеющий разряд в разрежённом газе. Цвет и форма разряда характерно изменяется при понижении давления, исчезая к ~ 10^-2 Торр, что позволяет использовать разрядную трубку для грубой оценки остаточного давления в подключённой к ней вакуумной системе. Способ до чрезвычайности прост и недорог, для изготовления трубки и высоковольтного слаботочного источника её питания (около 4 кВ переменного или постоянного тока) достаточно невеликих навыков. В бытность, разрядная трубка в таком измерительном качестве применялась настолько широко, что появился связанный с ней термин «тёмный вакуум» (откачка до тёмного вакуума) — остаточное давление, при котором разряд в трубке гаснет.

Трубку рекомендуется изготовить из тугоплавкого стекла, электроды могут быть в виде дисков или отрезков стержней (иногда заострённых) из алюминия, никеля или нержавеющей стали. Не стоит делать трубку слишком тонкой, тлеющий разряд загорается в ней труднее. Разрядная трубка к стеклянной вакуумной системе припаивается или соединяется шлифом, в металлической — лезвийным спаем с нержавейкой, коваром или медью (заглавное фото), либо через специальное уплотнение-переход. 

При давлении 1…20 Торр между электродами возникает светящийся разряд в виде широкой полосы. При давлениях выше 20 Торр эта полоса сужается в узкий шнур. При давлениях, близких к 1 Торр, область свечения расширяется и доходит до стенок трубки. Дальнейшее понижение давления даёт изменение формы разряда, некоторые из которых показаны на Рис. 3.3.

Некоторый шаг к количественной оценке остаточного давления можно сделать, основываясь на том, что ширина Круксова тёмного пространства (обратно пропорционально) зависит от среднего свободного пути электронов и, следовательно, от давления.

Эта зависимость, однако, не вполне строгая, как и форма, характер разряда и может несколько отличаться при разных родах и плотностях тока, приложенных напряжениях, составах газовой смеси, длительностях работы трубки (стекла).

Последнее следует пояснить: при наличии в трубке воздуха цвет электрического разряда по мере откачки изменяется от преимущественно розового до светло-голубого из-за изменения относительного содержания газов, входящих в состав воздуха. Голубой цвет при пониженных давлениях даёт увеличившаяся концентрация углекислоты, имеющая больший молекулярный вес, чем другие газы из состава воздуха, и медленнее диффундирующая по направлению к насосу. Кроме того, механические насосы не умеют откачивать конденсирующиеся при малых давлениях пары.

Имея в составе вакуумной системы разрядную трубку (или зажигая тлеющий разряд катушкой Тесла), свойство газов светиться в разряде разными цветами можно использовать для поиска крупных течей — в откачанной до 10…5*10^-2 Торр системе с работающей разрядной трубкой, подозрительные места обдувают Н₂, СО₂ или обмахивают ваткой, смоченной спиртом, эфиром или ацетоном. Если в месте обдува имеется течь, разряд в трубке изменит цвет.

При давлениях ниже 10^-2 Торр, флуоресценция стекла в обычных трубках едва заметна, для таких давлений удобнее трубки с внутренним слоем флуоресцирующего вещества около электродов. Такая конструкция позволяет уверенно различать давления порядка 10^-4 Торр (!).

4. Итого

Два рассмотренных способа измерения остаточного давления не вполне совершенны, но легко изготовляются своими руками из подножных материалов. Барометрический манометр с маслом позволит работать с газонаполненными приборами, разрядная трубка даст знать о давлении в системе с форвакуумным насосом. Высоковольтный источник сегодня собрать намного проще, чем во времена оны, по крайней мере, пока ещё нетрудно отыскать старые автомобильные катушки зажигания и строчные трансформаторы с умножителями от кинескопных телевизоров и мониторов [2, 3].

Кроме прочего, форвакуумное давление в высоковакуумной системе, обычно нет нужды измерять точно, достаточно видеть момент достижения 10^-2…10^-3 Торр — тот самый «тёмный вакуум», когда уже можно запускать высоковакуумную ступень, включать ионизационные преобразователи и т. п. Грубые неполадки в низковакуумной части трубка тоже сможет обнаружить. В отличие от некоторых термопарных ламп-преобразователей (например, ПМТ-2 — только вверх цоколем), разрядная трубка способна работать в любом положении, что облегчает компоновку вакуумной системы.

5. Дополнительные материалы

1. Трубка Гейслера — вакуумный насос. Распыление геттера разрядом. Конспект автора.

2. Простой высоковольтный блок для питания разрядных трубок. Конспект автора.

3. Простой лабораторный высоковольтный БП 1…10 кВ своими руками. Конспект автора.

4. Простая трубка Гейслера своими руками. Конспект автора.

5. Иванов А. А. Электровакуумная технология. ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, Москва, Ленинград, 1944 г.

6. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Изд. МИР, Москва, 1975 г.

7. Ярвуд Дж. Техника высокого вакуума. ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, Москва, Ленинград, 1960 г.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, июнь 2026 г.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»