Магнитные электроразрядные манометры

Вакуумное оборудованиеМанометрыТечеискатели

By Leak Detector On Ноя 27, 2020

Магнитные электроразрядные манометры. Если разрядный промежуток, состоящий из анода и катода, поместить в продольное магнитное поле, то ионизация газа при пониженных давлениях будет происходить намного интенсивнее. Это связано с тем, что траектории электронов под влиянием магнитного поля искривляются в спирали, и полная длина их пути может во много раз превышать расстояние между катодом и анодом, а с увеличением пути электрона увеличивается и количество актов ионизации. Таким образом, ионизация, создаваемая одним электроном при наложении магнитного поля, будет значительно больше при-данном давлении, чем в отсутствие последнего. Другими словами, наложение магнит-кого поля на разрядный промежуток эквивалентно увеличению давления газа, что при прочих равных условиях приводит к значительному снижению нижнего предела измеряемых давлений.

Как и прежде, мерой давления может служить величина полного разрядного тока, который является суммой тока положительных ионов, идущих к катоду, и электронного тока, попадающего на анод.

На рис. III.45 показано устройство магнитного элек-троразрядного манометра, в котором для усиления иони- . зации (при сравнительно небольших междуэлектродных расстояниях) используются колебания электронов в разрядном промежутке, состоящем из кольцевого анода 2 и катодов-отражателей /. Вся система электродов помещается в продольное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 3.

Электроны, вышедшие из катодов-отражателей или появившиеся в объеме в результате ударной ионизации, ускоряются напряжением, приложенным к аноду, и под действием магнитного поля изменяют свою траекторию так, что вынуждены двигаться по винтовым линиям и попадают на анод только после многочисленных колебаний около него. Таким образом, действительная длина пути электронов значительно увеличивается, следовательно, увеличиваются число актов ионизации и полный разрядный ток. Это в свою очередь позволяет расширить нижний предел измеряемых давлений и измерять разрядный ток непосредственно токовым прибором без предварительного усиления.

На рис. III.46 показана типичная градуировочная кривая магнитного электроразрядного манометра, выражающая зависимость разрядного тока от давления газа. Из этой кривой видно, что описанный вариант манометра имеет сравнительно узкий диапазон измеряемых давлений (10^-3—10^-5лш рт. ст.)

Для расширения нижнего предела измеряемых давлений применяют цилиндрический анод (см. рис. III.47). В таком варианте манометра устойчивое горение разряда можно реализовать до давлений ~10“⁷ мм рт. ст.

К преимуществам магнитных электроразрядных манометров следует отнести простоту их изготовления и удобство измерений разрядных токов непосредственно токовыми приборами без предварительного усиления. Однако эти манометры имеют и существенные недостатки. В первую очередь — это небольшая точность и надежность, являющиеся следствием изменения состояния поверхности катодов-отражателей.

ионизационные манометры

В термоэлектронных ионизационных манометрах ионизация в объеме датчика происходит вследствие соударения электронов, эмиттируемых накаленным катодом, с атомами и молекулами остаточного газа. Простейшим датчиком такого манометра может служить обычная трехэлектродная система (радиолампа), баллон которой соединен с откачиваемым объемом. На рис. Ш.48, а показана одна из схем включения датчика (манометрической лампы) термоэлектронного ионизационного манометра. Электроны, вышедшие из катода 7, под действием ускоряющего электрического поля устремляются к положительно заряженной сетке 2. Ввиду близости расположения сетки и большой ее прозрачности значительная часть электронов пролетает в пространство сетка — коллектор 3, где и происходит ионизация газа.

Термоэлектронные

При дальнейшем движении электроны тормозятся и, не дойдя до коллектора <?, который имеет небольшой отрицательный потенциал по отношению к катоду, отражаются от него и начинают движение в обратном направлении. Некоторая часть электронов улавливается сеткой, а остальные проходят между ее ячейками и попадают в тормозящее поле пространства сетка — катод. Если электрон на этом пути потерял часть своей энергии на возбуждение или ионизацию молекул газа, он уже не достигнет катода, а отразится от него и снова будет двигаться к сетке. Следовательно, часть электронов сможет совершить несколько колебательных движений в пространстве катод — коллектор, прежде чем попадет на сетку. Благодаря таким пролетным колебаниям увеличиваются путь и время жизни электронов, вышедших из катода, и повышается вероятность ионизации в объеме датчика.

В равновесном состоянии электронный ток /_е в цепи катод — сетка определяется эмиссионной способностью катода и вторичными электронами, образовавшимися при ионизации молекул остаточного газа.

Простая оценка тока вторичных электронов, которые улавливаются сеткой при давлениях р<10"³ мм рт. ст., показывает, что он пренебрежимо мал по сравнению с эмиссией катода, и с ним можно не считаться. В самом деле, пусть электронный ток из катода 1_е равен 5 ма, а давление в датчике — 10^-4 мм рт. ст. Тогда полное число электронов п_е> покидающих катод в единицу времени и попадающих на коллектор, равно

Если для простоты вычислений принять расстояние d катод — коллектор равным 1 см, то полный путь L, проходимый всеми п_с электронами, достигшими коллектора (без учета пролетных колебаний), составит

Но так как длина свободного пути электронов _е в газе в 4}^z2 раза больше, чем для атомов, то, воспользовавшись выражениями (11.40) и (11.41), получим, что при давлении р=10“⁴ мм рт. ст. Х_с~300 см. Следовательно, полное число столкновений электронов за единицу времени будет равно

Приняв вероятность ионизации Wi при столкновениях электронов с молекулами остаточного газа равной — 10%, получим число вторичных электронов n_s, появившихся в объеме датчика за единицу времени,

Таким образом, ток вторичных электронов I_s на сетку оценивается величиной которая почти на три порядка меньше электронного тока /_е.

Очевидно, что ток положительных ионов Л в цепи отрицательно заряженного коллектора будет такой же величины, как и ток вторичных электронов /$. Поэтому для его измерения при низких давлениях нужно пользоваться чувствительным гальванометром или усилителем постоянного тока.

На рис. Ш.48, б показан другой вариант включения триодной системы как датчика ионизационного манометра. В этом случае сетка 2 имеет небольшой отрицательный потенциал (обычно ~10 в) по отношению к катоду и является коллектором образующихся в объеме ионов, а на электрод 3 подается большой положительный потенциал (200—250 в). Такую схему включения называют схемой с внутренним коллектором ионов, в то время как схема, показанная на рис. III.48, а, может быть названа схемой с внешним коллектором. Разумеется, в схеме с внутренним коллектором (рис. III.48, б) нет условий для реализации пролетных колебаний электронов, поэтому она менее чувствительна.

Как показал опыт и соответствующие расчеты, при включении датчика по схеме с внутренним коллектором и давлении газа ниже 10~³ мм рт. ст. отношение ионного тока в цепи коллектора к электронному току в цепи анода является величиной, пропорциональной давлению газа в манометрической лампе.

где k — коэффициент пропорциональности, которым определяется чувствительность датчика манометра. Соотношение (Ш.43) и лежит в основе работы термоэлектронных ионизационных манометров.

При работе по схеме с внешним коллектором (рис. 111.48, а) пропорциональность между токами А и А несколько нарушается. Поэтому в последнем случае необходимо величину электронного тока поддерживать постоянной. Тогда уравнение (Ш.43) можно переписать

Теперь величина С является константой, зависящей от рода газа, конструктивных размеров датчика, схемы его включения и режима работы. Ее принято называть постоянной ионизационного манометра.

Таким образом, для измерения давления термоэлектронным ионизационным манометром необходимо при заданном электронном токе 1_е измерить ионный ток на коллектор Л и разделить его на постоянную манометра С, т. е.

Однако константу С нельзя получить расчетным путем, поэтому датчики ионизационных манометров необходимо градуировать, сравнивая, их показания с показаниями абсолютного (например, компрессионного) манометра.

На рис. III.49 показан градуировочный график датчика ионизационного манометра, подтверждающий линейную зависимость (III.44) в большом интервале изме

нения давления. Поэтому при градуировании манометров достаточно получить несколько точек в интервале давлений 10^-4—10~⁵ мм рт. ст. и затем экстраполировать прямую

в область более низких давлений. Так как на основании (III.44) постоянная ионизационного манометра С=Щр, то ее можно определить из полученной градуировочной прямой. Для манометрических датчиков типа ЛМ-2 и ПМИ-2 (рис. IIL50, а), используемых в отечественных ионизационных манометрах, С=10⁵ мка/мм рт. ст. Соответственно при электронном токе 1_е=5ма чувствительность манометра оказывается равной

Рабочая область давлений, измеряемых обычными ионизационными манометрами, простирается от Ю^-3 до I0^-8 мм рт. ст. Верхний предел (10^-3 мм рт. ст.) ограничивается разрушением катода датчика из-за его окисления. В этих условиях возникает опасность потери эмиссии катодом и появляется возможность зажигания разряда в объеме датчика, сопровождающаяся, как правило, выведением из строя катода. Нижний предел давления, измеряемого ионизационными манометрами с датчиком типа ЛМ-2 (ПМИ-2), при хорошем обезгаживании деталей последнего (сетка, коллектор, стекло колбы), ограничивается паразитными (фоновыми) токами, возникающими в цепи коллектора. Происхождение этих токов связано в основном с током фотоэмиссии электронов из

коллектора ионов, вызываемой мягким рентгеновским излучением, которое возникает при бомбардировке положительно заряженной сетки электронами, эмиттируе-мыми раскаленным катодом. Поскольку в схеме с внешним коллектором (рис. III.49, а) направление фонового тока, обусловленного движением фотоэлектронов от коллектора к сетке, совпадает с направлением коллекторного тока ионов, его можно рассматривать как слагающую ионного тока в цепи коллектора. При давлении ~10“⁸ мм рт. ст. истинный ионный ток коллектора уже сравним с фоновым паразитным током, и эта величина является нижним пределом давлений, измеряемых ионизационными манометрами с манометрическими датчиками типа ЛМ-2 (ПМИ-2).

Для расширения диапазона измеряемых давлений в нижнюю сторону необходимо так изменить конструкцию датчика, чтобы фототок из коллектора ионов был сведен к минимуму. Это требование удовлетворяется в датчике с осевым коллектором, показанном на рис. III.50, б. Он отличается тем, что роль коллектора ионов выполняет тонкая вольфрамовая нить 3, поверхность которой примерно на два-три порядка меньше поверхности коллектора манометрического датчика ЛМ-2, показанного на рис. III.50, а. Естественно, что на такой коллектор будет попадать гораздо меньше мягкого рентгеновского излучения из сетки 2, выполняющей роль анода, и фототок также уменьшается на два-три порядка по сравнению с током в обычном датчике. Как и прежде, источником электронов здесь служит петлеобразный вольфрамовый катод /, помещенный вне сетки.

Если катод расположен на небольшом расстоянии от сетки, ионизация газа происходит в сравнительно большом объеме, заключенном внутри спиральной сетки, и практически все образовавшиеся ионы попадают на коллектор. Это до некоторой степени компенсирует отсутствие прежних условий для колебательного движения электронов, поэтому чувствительность манометрического датчика с осевым коллектором может быть сравнима с чувствительностью обычных датчиков типа ЛА4-2. Однако нижний предел измеряемых давлений в датчике с осевым коллектором удается расширить до 5-10~^н мм рт. ст.

Дальнейшим усовершенствованием термоэлектронного ионизационного манометра является магнетронный ионизационный манометр. Это название связано со спецификой движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях, созданных системой цилиндрических электродов. На рис. 111.51 показаны устройство

датчика и схема включения магнетронного манометра. Он имеет накаливаемый вольфрамовый катод 3, цилиндрический

анод 2 и два торцевых диска /, имеющих отрицательный потенциал по отношению к катоду и служащих коллекторами ионов. Вся система помещается в продольное магнитное поле, напряженность которого превышает критическую величину, т. е. ту величину, при которой электрон, вышедший из катода, двигаясь в скрещенных электрическом и магнитном полях, так искривляет свою траекторию, что не попадает на анод и снова уходит к катоду, чтобы начать свое движение сначала. В этих условиях время жизни и путь электрона в пространстве катод — анод значительно увеличиваются, следовательно, увеличивается и число ионизаций, приходящихся на один электрон. В конце концов электрон попадает па анод только после того, как совершит большое число оборотов вокруг катода и потеряет свою энергию на ионизацию при столкновениях с молекулами газа. Таким образом, при наложении магнитного поля, напряженность которого больше критической величины, в объеме сильно увеличивается плотность электронов и соответ-

стрировано кривыми рис. II 1.52, где показаны зависимости электронного тока на анод (кривая 2) и ионного тока на один из торцевых коллекторов (кривая 3) от напряженности магнитного поля при давлении в приборе ~1(к⁹ мм рт. ст. Из приведенного рисунка видно, что при Н>Н_кр (в нашем случае Я = 300 э) ионный ток увеличился от 3 • 10^-15 до 8 • 10~^и а, т. е. почти в 26 000 раз, а анодный ток соответственно уменьшился в 60 раз. Следовательно, при наложении магнитного поля отношение ионного тока к фоновому возрастает примерно в 1,5Х Х10⁶ раз (2,6-10⁴-60= 1,5-10°) и чувствительность манометра k повышается до значения против 20 для датчика ЛМ-2.

ственно возрастает вероятность ионизации газа. Это проиллю-

В этих условиях фоновый ток, обусловленный рентгеновским облучением коллекторов ионов, будет достигать уровня ~10^-15 а, так как он линейно связан с анодным током. Но поскольку при низких давлениях анодный ток не зависит от давления, то ионный ток на коллектор станет равен фоновому, только если

Эта величина и является теоретическим пределом давления, измеряемого магнетронным ионизационным манометром.

В связи с тем, что описываемый манометр обладает высокой чувствительностью по сравнению с обычным ионизационным, то путем понижения эмиссии катода (анодного тока /_с) можно расширить область измеряемых давлений. При этом линейность зависимости не нарушается. Подтверждением этому могут служить градуировочные кривые рис. 111.53, полученные с помощью компрессионного манометра и эталонного ионизационного манометра с внутренним коллектором.

Опыт показал, что чувствительность ионизационных манометров зависит от рода газа. Это является следствием различия в значениях потенциалов ионизации Vi атомов и молекул газов при соударениях с электронами. Для сравнительной характеристики процесса ионизации электронным ударом (ионизирующей способности) удобно пользоваться таким параметром, как эффективность ионизации З_е, обычно определяемым как число пар ионов, образованных одним первичным электроном на пути в 1 см при температуре газа 0° С и давлении 1 мм рт. ст. При этом под парой ионов подразумевается однократно заряженный ион и электрон.