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 - Магнетронные и аналогичные им вакуумметры
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

Другим вакуумметром, позволяющим решить проблему паразитных токов и повышения чувствительности более чем на порядок, является так называемый магнетронный вакуумметр. Улучшение характеристик прибора достигается путем наложения на электрическое поле магнитного; при этом электроны перемещаются по циклоидам, так что путь ионизации и, соответственно, вероятность ионизации значительно возрастают. Впервые этот принцип был реализован в вакуумметре Пеннинга в 1937 г. [28], выполненном в виде двух плоских катодов, между которыми перпендикулярно пластинам помещен проволочный кольцевой анод. Магнитное поле (~0,04 T) направлено вдоль оси системы электродов. Ионная бомбардировка холодных катодов вызывает эмиссию электронов, которые ускоряются под действием электрического поля (У=2 кВ). В результате наложения магнитного поля электроны начинают двигаться по длинной циклоиде (на коротком расстоянии до анода они успевают совершить несколько сотен оборотов).

Число образующихся ионов при этом увеличивается, и между электродами зажигается тлеющий разряд. Измеряя общий ток (электронный и ионный), который является характеристикой давления, определяют величину давления в системе. Такие вакуумметры позволяют измерять давления в диапазоне 1—10-3 Па. При более низких давлениях тлеющий разряд либо гаснет, либо era вообще не удается зажечь. Позже Пеннинг и Найнхьюз, заменив кольцевой анод цилиндрическим (рис. 4.13), добились снижения предельного давления вплоть до 10-5 Па.

В вакуумметрах этого типа рентгеновское излучение не ограничивает измеряемое давление снизу, поскольку вызываемый им паразитный электронный ток зависит от давления. Однако вследствие высокого напряжения близко расположенного анода может возникать автоэлектронная эмиссия с катода (особенно по его краям), которая не зависит от давления и, следовательно, будет ухудшать характеристики прибора.

Для преодоления проблем автоэлектронной эмиссии и затухания разряда при низких давлениях Гобсон и Редхед в 1958 г. разработали инверсно-магнетронный вакуумметр (рис. 4.14). Вакуумметр представляет собой трехэлектродное устройство, состоящее из анода, катода (который по существу является коллектором ионов) и вспомогательного катода. Коллектор выполнен в форме почти полностью закрытого цилиндра с отверстиями по центру торцевых плоскостей, через который проходит анодный стержень.

Вспомогательный катод имеет две короткие экранные трубки, которые входят в полость коллектора и служат электростатической защитой от возникновения автоэлектронной эмиссии с поверхности коллектора. Анодное напряжение составляет 6 кВ, а магнитная индукция (направленная вдоль оси системы) В = 0,2 Т. В этих условиях зажигание разряда происходит при давлениях ниже 10~8 Па, а нижний предел измерений составляет 10-10 Па. Зависимость тока ic от давления р имеет вид ic=cpn, где п изменяется от 1,1 до 1,4 в зависимости от природы газа. К недостаткам этих вакуумметров следует отнести нестабильность разряда, проявляющуюся в колебаниях разрядного тока, и нелинейность градуировочной характеристики ионный ток — давление.

Рис. 4.14. Инверсно-магнетронный вакуумметр Гобсона и Редхеда

Рис. 4.15. Магнетронный вакуумметр Редхеда: 1 — анод; 2 — вспомогательный катод; 3— анод; г —катод; 3 — вспомогательный

коллектор ионов; 4 — усилитель ионного катод; 4 — усилитель ионного тока, тока.


Годом позже Редхеду  удалось преодолеть некоторые недостатки инверсно-магнетронного вакуумметра, создав магнетронный вакуумметр. По своему устройству этот вакуумметр (рис. 4.15) напоминает ячейку Пеннинга, в которой две катодные пластинки соединены коаксиальным стержнем (конструкция обычного магнетрона). Между катодами и анодным цилиндром расположены вспомогательные катоды для уменьшения эффекта автоэлектронной эмиссии.

Перфорация анода способствует улучшению течения газа в вакуумметре. По сравнению с инверсно-магнетронным вакуумметр этого типа обладает более высокой чувствительностью1', а его градуиро-вочная характеристика практически линейна во всем диапазоне измеряемых давлений.

 Электроны, выбитые из катода ионами, движутся в электромагнитном поле вокруг анода по сложной циклической Чувствительность магнетронного вакуумметра в 45 раз выше, чем ВБА. Радиус орбиты вращения электрона зависит от его энергии и уменьшается вследствие потерь энергии при. столкновении с молекулами газа. Таким образом, электроны достигают анода только-после многократных столкновений с молекулами газа. Однако вызываемый частыми столкновениями высокий ионный ток, определяющий повышенную чувствительность вакуумметра, в свою очередь вызывает откачку газа. Высокая скорость откачки, достигающая 10-3 м3*с-1 (на порядок превышающая скорость откачки в ВБА), является главным недостатком магнитных электроразрядных вакуумметров с холодным катодом. Кроме того, механизм  на холодном катоде не позволяет управлять током так же, как в случае вакуумметра Байярда — Альперта, что создает проблему обеспечения стабильной работы прибора.

Был предложен метод, позволяющий снизить эффект откачки в магнетронном вакуумметре. Для этого использован импульсный режим работы вакуумметра (после достижения током насыщения питание отключалось). При этом падает потребляемая вакуумметром мощность и соответственно уменьшаются ионный ток и откачивающий эффект. Давление определяется измерением тока насыщения и (или) . времени, затрачиваемого для достижения насыщения. Диапазон измеряемых таким прибором давлений 10-6—10-1 Па при точности измерения 10% для всего диапазона и 0,6% для 10-4 Па.

Было предложено также  для обеспечения надежного зажигания разряда при низких давлениях включить в электродную систему магнитных электроразрядных вакуумметров вспомогательные накаливаемые элементы, что позволило расширить диапазон измеряемых давлений. Такие вакуумметры называются триггерными разрядными вакуумметрами.

 

 

Лафферти разработал магнетронный вакуумметр с горячим катодом. Конструкция первого вакуумметра этого типа представлена на рис. 4.16; впоследствии были предложены различные усовершенствования. Вакуумметр состоит из катода, расположенного на оси цилиндрического анода, и двух торцевых пластин, находящихся под отрицательным потенциалом для предотвращения вылета электронов из зоны ионизации (одна из них используется в качестве коллектора ионов). Аксиальное магнитное поле создается цилиндрическим магнитом, расположенным с внешней стороны прибора.

Улавливание ионов происходит только на одной из пластин, что, естественно, уменьшает чувствительность вакуумметра, однако за счет снижения требований к качеству изоляции второй пластины изготовление прибора намного упрощается. Вакуумметр Лафферти обладает очень высокой чувствительностью, которая может быть еще более повышена путем использования электронного умножителя.

Эмиссионный ток катода можно варьирова ть в некоторых пределах, но для обеспечения стабильной работы вакуумметра на практике используется ток <10~7 А. Использование такого низкого тока имеет свои преимущества, поскольку, во-первых, снижается температура катода (тем самым уменьшается интенсивность химического взаимодействия газа с катодом), во-вторых, уменьшается (до 2*10-5 м3-1) эффект ионной откачки и, в-третьих, снижается рентгеновский эффект. По расчетам фоновый ток, вызываемый рентгеновским излучением, эквивалентен давлению -~10-12Па. Напряжение на аноде (относительно катода) составляет около 300 В, а магнитное поле 0,03—0,05 Т, так что эффект автоэлектронной эмиссии можно не учитывать. При давлениях ниже 10-6 Па ионный ток линейно связан с давлением. Таким образом, вакуумметр Лафферти удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к вакуумметрам сверхвысокого вакуума. К сожалению, при давлениях ниже 10-7 Па нарушается пропорциональность между давлением и ионным током, поскольку при таких давлениях электронный ток зависит от давления и не может регулироваться как в ВБА.

Среди вакуумметров, не относящихся к магнетронный, следует выделить так называемый орбитронный вакуумметр, который обладает многими достоинствами магнетронных вакуумметров. В этом приборе (рис. 4.17) электрическое поле, создаваемое цилиндрическим коллектором ионов (0 В) и расположенным вдоль его оси тонким анодом (500 В), позволяет существенно удлинить тгуть ионизации электронов.

Давление определяется ионным током коллектора. Чувствительность орбитронного вакуумметра составляет 7•1O2 Па-1, что позволяет снизить ток эмиссии электронов до 10-6 А. Фоновый рентгеновский ток соответствует давлению 1O-11 Па. Энергия электронов определяете» потенциалом смещения нити накала и ее положением относительно остальных электродов. Указанные параметры существенно влияют на длину пути ионизации электронов и, соответственно, на чувствительность вакуумметра. Орбитронный принцип был использован для создания эффективных насосов, но не нашел дальнейшего развития в-вакуумметрах.

В заключение отметим, что вакуумметры магнетронного типа способны, в отличие от ВБА, измерять давление ниже 1O-8 Па. Вакуумметры с холодным катодом наиболее просты по конструкции, но их недостатками являются высокая скорость откачки и трудность стабилизации тока. Магнетронный вакуумметр с горячим катодом характеризуется значительно более низкой скоростью откачки, и благодаря очень низкому току эмиссии удается значительно уменьшить (по сравнению с ВБА) интенсивность химических реакций с активными газами, уровень газовыделения и влияние рентгеновского излучения.

Таким образом, может показаться, что вакуумметры этого типа удовлетворяют всем основным требованиям, предъявляемым к вакуумметрам сверхвысокого вакуума. Однако, к сожалению, при измерении давлений, превышающих 10-6 Па, возникают трудности. Кроме того, необходимость использования магнитов ограничивает возможности их применения в качестве вакуумметров открытого типа. В этом отношении орбитронный вакуумметр имеет преимущество, однако его конструкция до сих пор несовершенна, поскольку, как отмечалось выше, усилия исследователей были направлены главным образом на разработку вакуумного насоса, работающего по орбитронному принципу, а не вакуумметра. Отметим также, что поскольку на практике довольно редко приходится сталкиваться с измерением давлений, выходящих за границы рабочего диапазона ионизационного вакуумметра Байярда — Альперта, эти вакуумметры не нашли широкого распространения.

 

Рис. 4.17. Орбитронный вакуумметр Майера и Херба: 1 — коллектор ионов; 2—анод из электропроводящего кварца (0 0,23 мм); 3— пирексовая трубка; 4 — проводящее покрытие; 5 — катод из торий-вольфрамовой проволоки (0 0,025 мм); 6 — заземленный коллектор; 7 — изолирующий слой.


 


 



 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

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