Получение и измерение сверхвысокого вакуума

При изучении физических явлений, происходящих на поверхности твердых тел, возникает необходимость в получении давлений 10"¹⁰— 10"¹¹ мм рт ст., т. к. только при таких низких давлениях оказывается возможным сохранить изучаемую поверхность практически свободной от молекул газа в течение длительного времени Область давлений ниже 10"⁷ мм рт. ст. условно называют областью сверхвысокого вакуума.

Если с помощью ловушек, охлаждаемых жидким водородом (/= —253°), и поглотителей газа такой вакуум может быть получен в отпаянных сосудах, то для того, чтобы его измерить, необходимы специальные приборы, т. к. даже ионизационные манометры (обычной конструкции) для измерения столь низких давлений совершенно непригодны. Причиной этого является возникновение в цепи коллектора манометра фонового тока, величина которого не зависит от давления. Появление этого фонового тока происходит вследствие бомбардировки положительно заряженной сетки летящими с катода электронами, в результате которой сетка становится источником «мягкого» рентгеновского излучения, вызывающего заметный выход электронов с облучаемого коллектора Так как уход электронов с коллектора равнозначен появлению в цепи коллектора тока положительных ионов, то при достаточно низких давлениях (около 10~⁸ мм рт. ст), когда ионный ток очень мал, ионизационный манометр практически показывает лишь фотоэлектронный ток, чем собственно и обуславливается нижний предел измеряемых манометром давлений.

Фоновый ток пропорционален площади поверхности коллектора; поэтому для уменьшения величины фонового тока при измерении очень малых давлений необходимо уменьшить поверхность коллектора, что достигается изготовлением коллектора из тонкой проволоки

Манометр, предназначенный для измерения очень малых давлений (до 10"¹⁰ мм рт. ст), представляет из себя стеклянную колбу, на ножке которой укреплена цилиндрическая сетка. Внутри сетки, вдоль ее оси, натянута тонкая проволока, служащая коллектором ионов, а’ снаружи сетки укреплены два симметрии-ных катода. Благодаря такому устройству на коллектор попадает лишь малая доля рентгеновского излучения сетки, в результате чего резко снижается фоновый ток.

Такого рода манометр пригоден не только для измерения давлений до 10′¹⁰ мм рт. ст., но его можно использовать также в качестве своеобразного ионного насоса для получения сверхвысокого вакуума.

Процесс поглощения остаточных газов внутри манометрической лампы происходит, во-первых, за счет того, что получающиеся в результате ионизации остаточных газов положительные ионы устремляются к коллектору ионов и к стенкам, где они нейтрализуются и адсорбируются; во-вторых, одновременно имеет место химическое по: лощение ряда газов (кислорода, хлора и др.) в результате их взаимодействия с накаленным катодом.

Манометрическая лампа может поглотить лишь ограниченное количество остаточных газов и сохраняет свои откачивающие свойства в течение длительного промежутка времени лишь в том случае, если предварительно давление в вакуумной установке снижено до 10“⁶— 10”⁷ мм рт. ст. в результате совместной работы пароструйного и механического насосов.

Установка, предназначенная для получения сверхвысокого вакуума, обычно изготовляется из тугоплавкого стекла, за исключением кранов, в качестве которых используются цельнометаллические вентили, подобно изображенному на рис. 23. Переход от стального корпуса вентиля к стеклу осуществляется за счет использования спаев ковара со стеклом.

Применение в установке каких-либо вакуумных смазок, из-за значительной упругости их паров, исключено.

После предварительной откачки установки насосами производится обезгаживание стеклянных деталей путем их длительного прогрева в течение нескольких часов в условиях непрерывной откачки. После этого производится обезгаживание внутренних частей ионизационных манометров путем интенсивной электронной бомбардировки при положительном потенциале коллектора ионов. Затем перекрывают металлический вентиль, отсоединяя тем самым откачиваемый объем от паромасляного насоса, после чего откачка объема производится за счет работы ионизационного манометра. Помимо ионизационного манометра с горячим катодом для получения сверхвысокого вакуума иногда используют также откачивающее действие магнитного электроразрядного манометра специальной конструкции.