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.
![](/foto/1-315.jpg)
![](/foto/1-316.jpg)
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.
![](/foto/1-317.jpg)
![](/foto/1-318.jpg)
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 1е равен 5 ма, а давление в датчике — 10-4 мм рт. ст. Тогда полное число электронов пе> покидающих катод в единицу времени и попадающих на коллектор, равно
![](/foto/1-319.jpg)
Если для простоты вычислений принять расстояние d катод — коллектор равным 1 см, то полный путь L, проходимый всеми пс 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. Хс~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 ns, появившихся в объеме датчика за единицу времени,
Таким образом, ток вторичных электронов Is 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.
![](/foto/1-320.jpg)
![](/foto/1-321.jpg)
![](/foto/1-322.jpg)
![](/foto/1-323.jpg)
![](/foto/1-324.jpg)
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.
![](/foto/1-325.jpg)
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 1е измерить ионный ток на коллектор Л и разделить его на постоянную манометра С, т. е.
![](/foto/1-326.jpg)
![](/foto/1-327.jpg)
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 1е=5ма чувствительность манометра оказывается равной
![](/foto/1-328.jpg)
![](/foto/1-329.jpg)
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
![](/foto/1-330.jpg)
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-
![](/foto/1-331.jpg)
![](/foto/1-332.jpg)
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>Нкр (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.
![](/foto/1-333.jpg)
![](/foto/1-334.jpg)
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 Зе, 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.