Как откачивать без насоса?

Поддерживать высокий вакуум в электронных приборах настолько важно, что приборы часто снабжают «встроенными» насосами. Ко всем перечисленным выше неприятностям добавляется еще и то, что магнитное поле насоса (а дежурный насос — это чаще всего магниторазрядный) влияет на работу прибора. И, как это бывает обычно в таких случаях,— не положительно, а отрицательно. С другой стороны, известны электронные приборы — малогабаритные металлокерамические лампы, которые успешно работают многие тысячи часов без насосов. История этих ламп, называемых «нувисторами», весьма интересна потому, что они были «новым словом» в технике электронных ламп, о чем свидетельствует и название — слово «нувистор» можно перевести с итальянского как «новая перспектива» или «новый вид».

В том, что нувисторы работают без насосов, нет ничего удивительного: чистые поверхности сорбируют газ. Вот стенки лампы и откачивают газы, но надолго ли хватит их сорбционной емкости? Если попадание в лампу газов из атмосферы мало, а лампа хорошо обезгажена, то она и качает сама себя тысячи часов. Нувисторы хорошо обезгажены потому, что при откачке они прогревались не до 300 °C, как стеклянные лампы, а до 700 °C. Керамика не стекло, такого нагрева не боится.

Заметим, что в каждой электронной лампе уже есть свои катод, анод и электрическое поле. Одновременно она является маленьким ионным насосом. Но собственная ионная откачка может быть для прибора вредна. Ведь ионы распыляют катод и внедряются в него, состав катода изменяется и он может выйти из строя. А прибор с неработающим катодом никому не нужен, даже если вакуум там и очень хороший. Иногда из этого положения выходят следующим образом: ставят рядом с катодом специальный электрод — коллектор ионов для их поглощения.

Эффективность самооткачки можно увеличить, если поднять сорбционную емкость стенок вакуумного объема. Для этого надо, чтобы вакуум граничил с чем-то, что хорошо сорбирует газы и быстро их в себе растворяет, чтобы поверхность поглотителя оставалась чистой. Конечно, инертные газы будут откачиваться плохо, но с этим приходится мириться.

Многодесятилетние поиски таких материалов и методов их использования привели к применению двух основных типов внутриламповых насосов, которые работают «сами по себе», так называемых «геттеров».

Например, можно поместить в лампу кусочек бария. Этот металл хорошо сорбирует газы и диффундируют в нем они быстро, но только как его поместить в лампу? На воздухе он быстро окислится, а если не окислится, то при прогреве лампы во время обезгаживания испарится. Делают так: используют сплав бария, устойчивый и на воздухе, и при обезгаживании, а когда лампа уже готова, нагревают контейнер с этим сплавом. Более летучая компонента сплава — барий — испаряется, и барий напыляется на стенки лампы и начинает откачивать остаточные газы. Применяют и смеси, содержащие, например, кроме бария, титан и окись железа. При слабом нагреве происходит экзотермическая реакция (восстановление железа титаном), при которой контейнер разогревается достаточно сильно для испарения бария. Используются и соединения бария, разлагающиеся при нагреве до бария.

Емкость такого геттера ограниченна, и увеличивать толщину напыленного слоя сверх некоторой величины бесполезно — сорбированный газ не будет успевать диффундировать внутрь пленки бария. Увеличить площадь пленки сильно тоже нельзя — в конце концов, больше внутренней поверхности лампы она быть не может. Можно ли увеличить поверхность пленки, не увеличивая занимаемого ею места? Конечно, — увеличивая ее шероховатость. А еще лучше, если пленка не монолитная, а состоит из отдельных частичек («кластеров») бария, как куча булыжников — из отдельных камней. Для этого надо распылять барий не в вакууме, а в среде инертного газа с давлением К)^-1 — 10 Па. Тогда на стенку лампы попадают не отдельные атомы, а микрокапельки, и пленка получается губчатая. При быстром испарении твердого тела в газе испарившиеся атомы не улетают сразу от поверхности, как при испарении в вакууме. Они блуждают между молекулами газа и за это время могут столкнуться и слипнуться друг с другом, образовав микрокапельки.

Для нагрева геттера при его распылении используют два метода. Один — когда снаружи лампы располагают индуктор, т. е. катушку (рис. 24, а), по которой пропускают ток высокой частоты. В контейнере наводятся токи Фуко, он разогревается (это одна из причин, по которой разогревается железо в трансформаторах) и барий испаряется. Другой — когда через контейнер или расположенный около него нагреватель (рис. 24,6) пропускают ток. В результате в контейнере или нагревателе, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется тепло, геттер нагревается и испаряется.

Но существуют и нераспыляемые геттеры. Предложены они были позже распыляемых и заметно их потеснили, хотя по сей день применяются и те и другие. Нераспыляемый геттер — это губчатый титан или какой-либо другой, хорошо поглощающий газы металл (например, цирконий) или сплав (например, цирконий-алюминий). Главная сложность в этом случае в том, что эти металлы и сплавы хорошо откачивают большинство газов при температуре 600 °C и выше, но водород при такой температуре не откачивается, а если он был поглощен металлом или сплавом раньше, то начинает выделяться. Водород хорошо откачивается при 200 °C. Поэтому иногда в лампах применяют два нераспыляемых геттера, располагая один рядом с термокатодом, а второй подальше. Первый откачивает все газы, кроме водорода, второй — водород. Между прочим, в сплаве цирконий-алюминий зависимость скорости поглощения водорода от концентрации циркония немонотонна и в максимуме превосходит скорость откачки чистым цирконием. И это при том, что алюминий сам по себе не поглощает водород.

Нераспыляемые геттеры долгое время применялись только в электровакуумных приборах. Но судьба играет не только человеком, но и геттером. Сейчас предполагают применение гет-терных пластин в крупных физических установках, например в токамаках. Так что нераспыляемые геттеры ждет интересное будущее.

Однако получить высокий вакуум мало. Его надо еще измерить — ведь без этого мы даже не узнаем, что он получен. лектора стараются располагать подальше от остальных выводов, а лампу перед эксплуатацией протирают растворителями. Часто область корпуса лампы, через которую проходят вводы, делают из керамики — у керамики сопротивление больше, чем у стекла. Разумеется, стекло в области ввода коллектора должно быть тщательно защищено от напылений на него, прежде всего — с накаленного катода, ибо пленки толщиной в несколько нанометров может быть достаточно для возникновения проводимости.

Мощным методом борьбы с утечками является применение охранного кольца (рис. 25,6). В этом случае ток утечки перехватывается охранным кольцом и течет через источник напряжения (условно показанный в виде батарейки), минуя прибор, измеряющий ток коллектора, как это показано стрелкой. Охранные кольца (охранные электроды) используются во многих других приборах для измерения малых токов.

К сожалению, утечки — не единственный источник фонового тока. Электроны, тормозясь в материале анода, испускают рентгеновское* излучение. Его мощность растет с увеличением энергии электронов, но даже при энергии 15 — 20 кэВ она настолько мала, что перед экраном телевизора можно сидеть безбоязненно, ибо в экране тормозятся электроны именно этой энергии ♦). При энергии порядка 100 эВ — это энергия электронов в датчике ионизационного вакуумметра — мощность рентгеновского излучения совсем ничтожна, но ее хватает, чтобы вызвать заметную эмиссию электронов с коллектора. Прибор же, измеряющий ток коллектора, не различает, приходят ли на коллектор ионы или уходят электроны, он лишь измеряет суммарный ток.

Как борются с этим видом фонового тока? Чаще всего уменьшают площадь коллектора, делают его в виде тонкой проволочки, но слишком маленьким сделать коллектор нельзя: ухудшится сбор ионов на коллектор. Располагают коллектор так, чтобы он был вне прямой видимости с анода: рентгеновское излучение распространяется прямолинейно, а движение ионов управляется электрическим полем, и из области ионизации вокруг анода их можно «вытянуть» в сторонку, за экран, прикрывающий коллектор от рентгеновского излучения. Наконец, можно перед коллектором установить дополнительный электрод под небольшим отрицательным (относительно коллектора) потенциалом. Поле этого электрода будет возвращать на коллектор электроны, выбитые рентгеновским излучением, поскольку энергия этих электронов мала и преодолеть тормозящее поле они не смогут.

Существует еще один метод борьбы с фоновым током, и в отличие от перечисленных выше методов, специфических для вакуумной метрики, этот метод применяется во многих видах измерений. Пусть прибор — как это и бывает всегда — наблюдает сумму исследуемого сигнала и помехи. Пусть у нас есть способ изменить чувствительность прибора к исследуемому сигналу, не влияя на чувствительность к помехе. Тогда при чувствительности к сигналу, равной А, и чувствительности к помехе, тоже равной А, мы видим показание, равное А • С 4- А • П, где С и П — сигнал и помеха, а если мы изменим чувствительность к сигналу с А на В, то увидим показание, равное В • С 4- А • П. Зная эти два показания и зная, разумеется, величины А и В, мы можем определить и сигнал С, и помеху П. Двух уравнений как раз хватает для определения двух неизвестных. Как реализуется этот метод в вакуумметрах? В вакуумметр вводится еще один электрод, изменяя напряжение на котором, изменяют распределение поля в вакуумметре и тем самым — длину пробега электронов. А при изменении длины пробега изменяется сигнал, ибо на большей длине у электрона больше вероятность произвести ионизацию.

Ионизационному вакуумметру, как и теплоэлектрическому, свойственна селективность: газы различаются не только теплопроводностью, но и эффективностью ионизации (количество ионов, созданных электроном на 1 м пути при давлении 1 Па). Отношение показаний вакуумметра при равных концентрациях Не, Н₂, N₂, Аг, Кг и Hg составляет соответственно 0,2 : 0,4:1: 1,4:1,8 :2,5. Эти отношения зависят, конечно, от напряжения на аноде, поскольку эффективность ионизации зависит от энергии электронов, но зависимость эта при энергии электронов более 30 эВ слабая, а напряжение на аноде у всех вакуумметров примерно одинаково (около 100 В) — оно выбрано так, игобы эффективность ионизации была максимальной. Обычным ионизационным вакуумметром можно измерять давления примерно до 10“ ⁷ —10“ ⁸ Па. Применяя различные меры борьбы с фоновыми токами, этот предел удается довести примерно до 10“^{9 * 5 6 7} Па.

Для увеличения длины пробега электронов применяют, как и в насосах, магнитное поле. Чувствительность таких вакуумметров, называемых магниторазрядными, выше, чем у ионизационных, и поэтому они могут измерять более высокий вакуум, но конструкция их сложнее. Серьезным преимуществом магниторазрядных вакуумметров является отсутствие накаленного катода и, как следствие, их долговечность.

Источником электронов в магниторазрядном вакуумметре является катод, из которого электроны выбиваются ионами. Выбитые из катода электроны летят к аноду, при этом магнитное поле закручивает и удлиняет их траектории. По пути электроны производят ионизацию атомов, порождают новые ионы, эти ионы летят к катоду и т. д.

Диапазон давлений, измеряемых магниторазрядным вакуумметром, простирается от 1 до 10“ ⁸ Па, а при усложнении конструкции его удается расширить до 10² Па в сторону больших и до 10“⁸ Па в сторону меньших давлений.

ния спектра газов. Электронный пучок проходит сквозь газ и ионизирует его, ионы ускоряются определенной разностью потенциалов и приобретают при этом одинаковую энергию, но — поскольку массы их различны — скорости их разные. Ускоряющее напряжение действует в течение короткого времени.

Пусть все ионы пролетают по трубе, в конце которой стоит коллектор, подключенный к прибору, регистрирующему ток. Поскольку скорости ионов различны, то трубу они преодолеют за разное время. Если прибор, регистрирующий ток, способен измерять быстрые изменения малого тока, то можно будет различить, какие газы есть в системе. Пусть в системе есть Н₂, Не, N₂, СО₂. Если их однозарядные ионы Н₂, Не ⁺ , N₂, СО₂ ускоряются разностью потенциалов 100 В, они приобретают энергию 100 эВ и скорости 10⁵, 6 • 10⁴, 2,4 • 10⁴, 1,7 • 10⁴ м/с соответственно. Пусть труба имеет длину 4 м, тогда время пролета ионов составит соответственно 40, 70, 160, 220 мкс.

Способность различить отдельные группы ионов, прибывающие на коллектор, определяется прибором, измеряющим ток. Если прибор способен различать сигналы, следующие один за другим через 40 мкс и более, то Н₂ от Не отличить не удастся, а Не от N₂ — удастся. Разрешающая способность (способность отличить один импульс от другого) у прибора, измеряющего ток, тем хуже, чем чувствительнее прибор, и поэтому определять спектр газа тем труднее, чем выше вакуум.

Важное преимущество таких спектроанализаторов, называемых «времяпролетными»,— малое время измерения: как только самые тяжелые ионы достигли коллектора, прибор готов к измерению. Поэтому времяпролетные спектроанализаторы можно применять для исследования быстрых изменений состава газа.

Что касается влияния газа на работоспособность спектроанализатора, его газовыделения и откачивающего действия, то они зависят от того, какой катод используется в источнике электронов, и примерно таковы же, как в ионизационном вакуумметре. Откачивающее действие спектроанализатора мало, но спектр газа в нем все же отличается от спектра в остальной вакуумной системе из-за реакций на накаленном катоде и из-за воздействия электронного пучка. Электронный пучок разлагает молекулы. Из N₂ получается N, из О₂ — О, из СН₄ — Н, С, СН, СН₂, СН₃, из Н₂О — Н, О, ОН и т. д. Возможны и помехи от многократной ионизации, так как одинаковые атомы могут ионизоваться не только однократно. Например, из Аг образуются ионы Аг⁺ и Аг²⁺, а это тоже будет искажать спектр. Ион Аг²⁺ будет приобретать в ускоряющем поле энергию в 2 раза большую, чем ион Аг⁺, и выйдет из него со скоростью в |/2 раз большей. Не зная, что у Аг^{2 +} двойной заряд, мы можем принять его за ион с одинарным зарядом, но с двукратно меньшей массой, т. е. ион Ne⁺.

Принцип действия другого типа спектроанализатора основан на зависимости движения ионов в магнитном поле от их массы. Пусть ион с зарядом е, ускоренный разностью потенциалов U и имеющий, следовательно энергию eU и скорость j/leV/m, влетает в магнитное поле с индукцией В (рис. 26).

Он будет двигаться по окружности радиуса R = |/2т U/Bj/ё. Ионы с разной массой движутся по окружностям разных радиусов. В реальных конструкциях ставят один коллектор и, плавно

меняя U₉ «приводят» на коллектор ионы с разными отношениями т/е.

И, наконец, еще один тип спектроанализаторов — омегатрон.

Устройство омегатрона показано на рис. 27. К пластинам приложено переменное напряжение. Ионы, образующиеся на оси прибора в области электронного пучка, движутся по спирали. Частота вращения иона равна Ве/т. Если эта частота совпадает с частотой переменного напряжения 2rcv, то радиус траектории растет со временем *), и ион движется по раскручивающейся спирали, пока не попадет на коллектор. Происходит так потому, что каждый раз, когда ион движется, например, вверх, он движется по полю, ускоряясь, и далее, когда он движется по другой половине окружности вниз, поле также меняет направление и опять оказывается ускоряющим. Так ион все время получает энергию от поля и увеличивает радиус своей орбиты. Если же частота вращения иона не совпадает с частотой переменного напряжения, то до коллектора ему не добраться. Изменяя частоту переменного напряжения, на коллектор направляют ионы с разными отношениями т/е и определяют состав остаточных газов в вакуумной системе.