В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Ионизационные вакуумметры
Ионизационные вакуумметры - Экстракторный вакуумметр
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура
Оглавление
Ионизационные вакуумметры
Вакуумметр Байярда — Альперта
Модуляционный вакуумметр Байярда — Альперта
Экстракторный вакуумметр
Магнетронные и аналогичные им вакуумметры
Все страницы

В экстракторном вакуумметре коллектор вынесен за пределы анодного пространства, в котором происходит образование ионов, что позволяет уменьшить прямое облучение коллектора рентгеновским излучением. Повышение эффективности собирания ионов в этом приборе достигается путем их извлечения (экстрагирования) из анодного пространства и направления к коллектору. При этом уменьшается паразитный ток, что обеспечивает возможность измерения более низких давлений. В большинстве конструкций рассматриваемых вакуумметров: ионы экстрагируются через небольшое отверстие в отражателе или в экране, закрывающем торец анодного цилиндра. Экстрагированные ионы направляются к коллектору, расположенному с внешней стороны отражателя.

В некоторых случаях для повышения эффективности извлечения ионов и повышения скорости на выходе на отражатель подается потенциал смещения относительно потенциала анода; в других отражатель соединен с анодом, и вытягивание ионов осуществляется за счет электрического поля, сформированного коллектором. В люб ой; из этих конструкций благодаря экранированию, создаваемому отражателем, на коллектор может попадать только часть рентгеновских лучей.

Схема первого вакуумметра с внешним коллектором представлена на рис. 4.7. Несмотря на то что анодный отражатель эффективно вытягивал ионы и уменьшал воздействие рентгеновских лучей, испускаемых анодом, коллектор имел

 

Рис. 4.7 Схема супрессорного вакуумметра Шумана: 1 — супрессор; 2— катод; 3 — анод; 4 — экран; 5 — коллектор.

слишком большую поверхность, вследствие чего паразитный ток, вызываемый рентгеновскими лучами, был такого же порядка, как и в ВБА. Этот вакуумметр первоначально не был задуман как экст-ракторный, и улучшение его характеристик было достигнуто за счет введения в конструкцию супрессорного электрода кольцевой формы. На этот электрод подается высокое отрицательное напряжение для возвращения фотоэлектронов, покидающих коллектор под действием рентгеновского излучения. Впервые идея использования такого «препятствующего» электрода была предложена Метсоном в 1951 г. который ввел в стандартный триодный вакуумметр дополнительный электрод.

Такой прибор позволял измерять давления вплоть до 10-7 Па. Однако возможности супрессорного вакуумметра оказались ограниченными ввиду возникновения фотоэлектронной эмиссии с самого супрессора; поскольку его потенциал отрицателен по отношению к коллектору, возникла возможность попадания фотоэлектронов на коллектор. В вакуумметре Шумана для предотвращения фотоэлектр онной эмиссии с самого супрессора предусмотрен дополнительный заземленный экран, в результате чего нижний предел рабочей области давлений был снижен вплоть до 10-9 Па.

Термин «экстракторный вакуумметр» был введен Редхедом  в 1966 г., который так называл устройство, изображенное на рис. Коллектор вакуумметра Редхеда в виде короткой тонкой проволоки помещен на расстоянии ~ 12 мм напротив отверстия в торце сетчатой коробки анода и окружен полусферическим отражателем ионов, находящимся под потенциалом анода.

Потенциал экрана (экстрактора) имеет отрицательное смещение для вытягивания ионов. Прибор Редхеда был снабжен модулятором, позволяющим оценивать вклад рентгеновского излучения в измеряемый ток. Чувствительность вакуумметра, зависящая от потенциалов электродов и электронного тока, составляла всего лишь около 0,09 Па-1 (по азоту). Вызываемый рентгеновским излучением паразитный ток, вычисленный исходя из формы и расположения электродов, был в 160 раз меньше, чем для ВБА.

Этот ток настолько мал, что определить его по изменению коэффициента модуляции при давлениях вплоть да 10-10 Па практически не удается. Ток, возникающий в результате десорбции с поверхности анода ионов, образующихся в результате электронной бомбардировки сорбированных на нем молекул газа, также оказался очень малым, что, согласно предположению Редхеда, объясняется низкой эффективностью собирания вы-сокоэнергетичных ионов, де-сорбируемых анодом. Это предположение было подтверждено расчетами траекторий движения ионов, получаемых в газовой фазе, и десорбированных ионов для вакуумметра Редхеда 

Практически в то же самое время Грошковский  изучал влияние на характеристики ВБА осевого расстояния между коллектором и анодом. Он установил, что воздействие рентгеновского облучения может быть снижено на два порядка величины при расположении коллектора таким образом, чтобы на него могли бы попадать только лучи, испускаемые удаленным торцом анода. Конструкция такого вакуумметра показана на рис. 4.9, а. В этой конструкции применен тонкий, короткий коллектор, который помещен внутри стеклянного цилиндрического экрана, расположенного напротив отверстия одного из торцов замкнутой цилиндрической сетки (анода).

Экстрагирование ионов в этом случае зависит от влияния электрического поля коллектора на поле внутри замкнутого анода (формы эквипотенциальных поверхностей). На рис. 4.9, б представлены траектории ионов, полученные Питтауэем для вакуумметра Грошковского, в котором верхний торец: анода закрыт металлической крышкой.

 

Рис. 4.8 Экстракторный вакуумметр Редхеда : 1— модулятор; 2 — экран; 3 — отражатель ионов; 4 — анод; 5 — кольцевой катод; 6 — коллектор.

 Результаты, полученные для этого вакуумметра, кажутся весьма противоречивыми. Так, чувствительность сильно зависит от потенциала электродов-и величины электронного тока. Это явление автор объяснил с позиции распределения потенциала внутри сеточного пространства. Для обычной спиральной сетки (анода) по мере увеличения радиуса потенциал постепенно снижается (на несколько, вольт) за счет проникновения поля между проволок сетки.

Это изменение поля определяется, в частности, разностью потенциалов между сеткой и стенками стеклянного корпуса, который может заряжаться в процессе работы вакуумметра. Если потенциал внутри сеточного пространства ниже потенциала собственно сетки более чем на 20 В (что возможно в случае, когда потенциал катода и, следовательно, потенциал заряженного стеклянного корпуса на 200 В ниже потенциала сетки), то ионы, которые должны удерживаться внутри сеточного пространства, могут покидать его чер ез витки сетки. Причем  разность потенциалов между катодом и экраном 5 В, между коллектором и катодом 200 В.

 


 Существенное улучшение характеристик было достигнуто при изтотовлении анода из мелкоячеистой сетки, сплетенной. из тонкой вольфрамовой проволоки. Такое усовершенствование позволило уменьшить нежелательное влияние полей катода и стенок корпуса при сохранении достаточно высокой степени прозрачности стенок анода по «отношению к электронам. Достигнутый эффект повышения чувствительности вакуумметра представлен на рис. 4.10.

Полученные результаты позволили Питтауэю сконструировать экстракторный вакуумметр, в котором положительные конструктивные особенности различных экстракторных вакуумметров объединены в довольно простом устройстве, которым можно управлять с помощью стандартного контрольно-измерительного блока ВБА. Это вакуумметр схематично представлен на рис. 4.11, где показаны также диаграмма распределения электрического поля и траектории отдельных ионов для нормальных рабочих условий. Экранирующая торцевая сетка электрически соединена с анодом.

Для извлечения ионов служит заземленный экстрактор V-образного сечения, который также выполняет функции потенциального барьера для высокоэнергетичных электронов.

 


Рис. 4.10. Зависимость чувствительности Ks от разности потенциалов между анодом и экраном  и электронного тока ie в случае экстракторного вакуумметра с мелкоячеистым анодом

 

 Коллектор окружен рефлектором, состоящим из наружного цилиндра и внутреннего конуса. Такое устройство рефлектора позволяет фокусировать ионы на коллектор и поглощать отраженные рентгеновские лучи. Стеклянный изолятор в виде шарика в основании коллектора позволяет экранировать от рентгеновского излучения стержень большого диаметра, на котором укреплен тонкий коллектор. Потенциалы электродов и их взаимное расположение обеспечивают максимально эффективную фокусировку пучка ионов на коллектор, тем самым предотвращая попадание ионов на экстрактор.

Чувствительность вакуумметра составляет 0,09 Па-1 по азоту и практически не зависит от потока электронов и их энергии. Диаметр отверстия в торцевой? сетке, через который выводится пучок ионов, составляет всего» 4 мм, что существенно ограничивает поток рентгеновского излучения, достигающий коллектора. Величина фототока с коллектора, возникающего под действием рентгеновского излучения,, согласно оценкам, соответствует предельному давлению 10-10 Па.
Введением модулятора (в виде тонкой короткой проволоки, помещенной вдоль оси анода у его верхнего торца) достигается высокий коэффициент модуляции (0,95). Утверждается, что-нижний предел давлений, измеряемых таким вакуумметром, достигает ~ 10-12 Па.

Ватанабе и сотр. обнаружили, что при модулировании; ионного тока в пространстве между коллектором и анодным пространством возбуждаемый рентгеновским излучением фото-ток не модулируется и, таким образом, не вносит ограничения на предельное давление, измеряемое экстракторным вакуумметром.

 

 

Рис. 4.11. Экстракторный вакуумметр Питтауэя (а) распределение в нем электрического поля и траектории движения ионов в отсутствие конического рефлектора (б): 1 — модулятор; 2 — катод; 3 — коллектор; 4 -  цилиндрический рефлектор; 5—экран; 6 —- конический рефлектор; 7 —изолятор; 5 — экстрактор; 9 — торцевой экран; 10 — сеточный анод; 11 — кварцевая трубка.

Вакуумметр, разработанный этими авторами, оказалось возможным использовать в условиях сильных помех, создаваемых ускорителями элементарных частиц. По конструкции он существенно отличается от обычных экстракторных вакуумметров— анод представляет собой сетчатую полусферу, перед которой расположен воронкообразный экстрактор. Цилиндрический электрод, расположенный между пространством ионизации и коллектором, служит для модуляции ионного тока.

Использование синусоидальной модуляции с частотой 12,4 Гц позволяет получать на выходе вакуумметра переменный ток, который можно через усилитель подавать на фазочувствительный детектор. Вакуумметр этого типа измеряет давления вплоть до 10-8 Па.

В 1966 г. был предложен экстракторный вакуумметр нового типа. В этом вакуумметре пучок ионов после пролета через выходную щель заземленного экрана отклоняется электростатическим полем цилиндрического дефлектора на 90°. Принципиальная схема этого вакуумметра представлена на рис. 4.12. Благодаря такой конструкции на плоский коллектор может попадать только отразившаяся часть рентгеновского излучения. В качестве дополнительной меры по уменьшению влияния рентгеновского излучения перед коллектором устанавливается супресеорная сетка.

 

Рис. 4.12. Вакуумметр Гельмера и Гайварда с криволинейным пучком ионов

 Хотя применение супрессора не является необходимым ввиду низкого фототока, вызываемого рентгеновским излучением, его можно использовать для изучения распределения ионов по энергиям с целью определения части общего ионного тока, обусловленной вторичными ионами, образующимися в результате бомбардировки дефлектора первичными ионами. Однако ввиду того, что поток вторичных ионов также зависит от давления, он не влияет на измерения.

Чувствительность этого вакуумметра, называемого дефлекторным, составляет приблизительно 0,12 Па-1 по азоту, однако прибор позволяет использовать электронный умножитель на входе измерительного тракта, что может значительно повысить чувствительность. Как сообщалось, паразитные токи соответствуют предельному давлению 2*10-12 Па при рентгеновском фототоке приблизительно такой же величины. К недостаткам этого вакуумметра следует отнести сложность его конструкции, большую массу металла, которую требуется обезгаживать, а также необходимость использования нескол ьких напряжений питания.

Суммируя сказанное выше, следует отметить, что вакуумметры экс тракторного типа обладают лучшими по сравнению с ВБА эксплуатационными характеристиками и позволяют измерять более низкие давления. Однако конструкция их сложнее, а эксплуатация некоторых из них вызывает трудности. Указанные недостатки в сочетании с ограниченными возможностями применения препятствуют их массовому производству и являются причиной их высокой стоимости.



 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 73 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru