Ионизационные манометры

В первом случае величина тока положительных ионов (при определенных условиях) может служить мерой общего количества молекул газа в единице объема, а следовательно, и мерой давления. Во втором случае, когда в объеме зажигается разряд, мерой давления служит величина разрядного тока.

Существующие типы ионизационных манометров различаются по способу образования ионов. Так, в группе электроразрядных манометров ионизация газа происходит под влиянием электрического поля, приложенного к системе холодных электродов, создающих разрядный промежуток.

В другой группе ионизационных манометров, которая объединяет так называемые термоэлектронные ионизационные манометры, источником ионизирующих частиц— электронов является накаливаемый катод.

В третьей группе ионизационных манометров источником ионизирующего изучения служит какое-нибудь радиоактивное вещество. Поэтому их еще называют манометрами с радиоактивными источниками.

Электроразрядпые

манометры

Разрядная трубка как индикатор состояния разрежения. Разрядная трубка (рис. 111.39) представляет собой стеклянный баллон, снабженный двумя плоскими электродами и боковым отростком для присоединения к вакуумной установке. Под влиянием постоянного напряжения в несколько сотен или тысяч вольт (в зависимости от давления газа) между электродами зажигается тлеющий разряд, распределение свечения в котором имеет специфические особенности при переходе от катодной части к аноду. Наиболее ярко эти особенности проявляют себя в интервале давлений от 0,1 до 1 мм рт. ст.

При внимательном наблюдении за распределением видимого света, испускаемого разрядом, можно обнаружить, что непосредственно у катода 1 (отрицательного электрода) имеется узкий темный катодный слой 2 (рис. II 1.39). Затем следует первое катодное свечение 3, за которым располагается вторая темная область 4, называемая катодным темным пространством. Размеры этой области, как мы увидим ниже, обнаруживают опре деленную закономерность с изменением давления и мо гут быть использованы для оценки давления газа в раз рядной трубке.

Катодное темное пространство имеет довольно резкую границу с примыкающей к нему светящейся областью 5, называемой отрицательным тлеющим свечением. Отрицательное тлеющее свечение переходит в следующую темную область 6 (фарадеево темное про-ная однородно светящаяся часть 7, называемая положительным столбом, или плазмой разряда.

Характерной особенностью тлеющего разряда является то, что при изменении расстояния между анодом и катодом продольные размеры катодных частей разряда, включая фарадссво темное пространство, остаются неизменными, в то время как длина положительного столба меняется. Поэтому минимальная длина разрядной трубки с тлеющим разрядом должна несколько превышать линейные размеры катодной области разряда при минимальном давлении 0,1 мм рт. ст. Если давление газа увеличивается выше 0,1 мм рт. ст., то можно заметить, что зоны катодной части тлеющего разряда начинают стягиваться к катоду, а ширина катодного темного пространства уменьшается. Как показали специальные исследования, ширина катодного темного пространства зависит от среднего свободного пути электрона и, следовательно, может служить мерой давления в трубке. Эта зависимость имеет приближенный характер и выражается уравнением

На рис. III.40 показаны две градуировочные кривые, полученные с помощью разрядной трубки для воздуха и водорода. Их ход с достаточной точностью подтверждает справедливость уравнения (III.41).

Электрический разряд в трубке можно возбуждать также с помощью высокочастотного трансформатора или катушки Румкорфа. Во всех этих случаях характер свечения разряда будет зависеть от природы газа и давления в трубке. В зависимости от давления оно может изменяться как по форме, так и по цвету (рис. II 1.41). Например, откачивая воздух, можно наблюдать следующие явления. При давлениях, близких к атмосферному, никакого свечения не наблюдается. В этих условиях наложение достаточно высокого напряжения между электродами . трубки сопровождается проскакиванием искры. По мере снижения давления до нескольких десятков миллиметров ртутного столба возникает видимое фиолетовое свечение в виде тонкого шнура, расположенного по оси трубки (рис. III.41, а). По мере откачки шнур расширяется, и при мм рт. ст. разряд заполняет все сечения трубки. Одновременно наблюдается уменьшение яркости свечения разряда (рис. Ш.41,б). При давлении в несколько десятых долей миллиметра ртутного столба в разряде появляются движущиеся поперечные полосы (страты) и свечение начинает стягиваться к электродам трубки (рис. III.41, в). Начиная с давлений в несколько сотых долей миллиметра ртутного столба и ниже свечение разряда становится заметным только у электродов и начинается флюоресценция стекла, вызываемая попадающими на него быстрыми ионами и электронами (рис. Ш.41, г). Наконец, при р< <10^-3 мм рт. ст. все явления в трубке исчезают. В этом случае иногда говорят, что в откачиваемой системе достигнут «черный вакуум».

При откачке объема, содержащего воздух, цвет электрического разряда в трубке меняется от преимущественно розового до светло-голубого. Это объясняется тем, что в процессе откачки изменяется относительное содержание газов, входящих в состав атмосферного воздуха. Так как двуокись углерода (СО₂) является компонентой воздуха с наибольшим молекулярным весом, то скорость ее диффузии по направлению к насосу будет наименьшей, и с понижением давления увеличится относительное содержание. Спектроскопические исследования также подтверждают, что светло-голубой цвет при пониженных давлениях обусловлен увеличением содержания двуокиси углерода.

Свечение разрядной трубки зависит и от рода газа. Это позволяет обнаруживать наличие в откачиваемой системе различных загрязнений в виде конденсирующихся паров. Так, присутствие водяного пара можно обна^; ружить по характерному бледно-голубому свечению, а паров вакуумных смазок для кранов и шлифов — по голубому свечению.

Можно использовать также в качестве источника напряжения для разрядной трубки трансформатор Тесла, схематическое устройство которого показано на рис. Ш.42. Этот простой прибор способен генерировать высоковольтные колебания повышенной частоты, что позволяет обойтись и без разрядной трубки. В этом случае достаточно приблизить высоковольтный выход трансформатора к стеклянным трубкам установки, чтобы вызвать в них свечение остаточного газа.

При питании газоразрядной трубки постоянным на^ пряжением, когда в ней горит самостоятельный тлеющий разряд, разрядный ток /_р находится в определенной зависимости от давления газа. В области давлений 10“¹— Ю“³ мм рт. ст. эта зависимость хорошо описывается уравнением

Таким образом, связь давления и разрядного тока, описываемая уравнением (Ш.42), также может быть использована для оценки давления. Электрическая схема такого простейшего газоразрядного манометра показана на рис. Ш.43. Обязательным элементом в этой схеме является ограничивающее сопротивление R (обычно несколько сот килоом), величина которого определяется условием горения разряда и может быть подобрана экспериментально в зависимости от величины напряжения источника питания. Катод разрядной трубки должен иметь небольшую поверхность и может быть изготовлен в виде экранированного штыря, впаянного в стенку трубки.

Условие зажигания тлеющего разряда при данном давлении сводится к тому, что каждый электрон, вышедший из катода, должен образовать на своем пути к аноду такое количество положительных ионов и возбужденных атомов, чтобы эффект их взаимодействия с поверхностью катода снова привел к выбиванию хотя бы одного электрона. Это требование и отражено уравнением (Ш.42). Чтобы его реализовать, необходимо иметь источник питания в несколько киловольт и давление газа в трубке не ниже 10~³ мм рт. ст.

Типичная градуировочная кривая для описанного газоразрядного манометра показана на рис. Ш.44, из которого видно, что он может применяться в области давлений от 10“’ до 10^-3 мм рт. ст. При давлениях <10“³ мм рт. ст. средняя длина свободного пробега электрона становится сравнимой с размерами межэлектродного расстояния и газоразрядная лампа превращается в вакуумный диод. В этом случае энергия, переданная электрону внешним электрическим полем, расходуется не на акты возбуждения и ионизации молекул остаточного газа, а на нагревание анода.