Главным недостатком триодного вакуумметра, несмотря на высокую эффективность собирания ионов коллектором и вследствие этого высоким коэффициентом чувствительности такого прибора, являются значительные паразитные токи, и, следовательно, довольно высокое предельное давление. Эти токи образуются благодаря большой поверхности охватывающего остальные электроды цилиндрического коллектора, который поглощает почти все мягкое рентгеновское излучение, возникающее при столкновении электронов с сеточным анодом.

Вначале в вакуумметре Байярда — Альперта [1] был применен коллектор с небольшой поверхностью. Однако уменьшение поверхности коллектора приводит к падению эффективности собирания ионов. Например, в конструкции Ландера [4] с коллектором в виде диска диаметром 10 мм ионный ток был примерно в 5 раз меньше, чем в триодном вакуумметре с цилиндрическим коллектором. Удачной идеей Байярда и Альперта было размещение коллектора в виде тонкой проволоки диаметром 150 мкм вдоль оси цилиндри ческого сеточного анода.

Благодаря соответствующему выбору профиля электрического поля основная часть ионов, возникших в пространстве, ограниченном сеточным анодом, будет собираться на коллекторе. Поэтому при соответствующих размерах элементов прибора будет достигаться чувствительность, сравнимая с чувствительностью триодного вакуумметра.

Устройство вакуумметра Байярда — Альперта показано на рис. 4.2. Термоэлектронным эмиттером (катодом) прибора служит либо тонкая нить, либо спираль, установленная снаружи сетки параллельно ее оси. Все устройство защищено цилиндрическим экраном, представляющим собой слой окиси олова,нанесенного ьа внутреннюю поверхность стеклянной колбы.

Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются в направлении сеточного анода электрическим полем, существующим между катодом и анодом. В результате при правильно подобранных потенциалах электродов электроны, поступающие в пространство ионизации, будут обладать энергией, соответствующей максимальной вероятности ионизации молекул газа. Как видно из рис. 4.1, для этого требуется энергия —100—150 эВ независимо от природы ионизируемого газа.

Так как внутри сеточного пространства распределение потенциала электрического поля носит логарифмический характер, наибольшее изменение потенциал претерпевает в окрестности коллектора и, следовательно, внутри сеточного пространства поле можно считать относительно однородным.Поэтому траектории полета большинства электронов не будут испытывать значительных отклонений. При вылете электронов за сеточное пространство они будут замедляться электрическим полем, существующим между анодом и экраном, и возвращаться обратно. Некоторые типичные траектории электронов показаны на рис. 4.3. Расчеты проводились по программам, предназначенным для вычисления распределения потенциала и траекторий движения заряженных частиц в электростатических полях.

Среднее число пролетов электроном пространства ионизации (сеточного пространства) до захвата сеточным анодом зависит от прозрачности анода. Для стандартной сетки 90%-ной прозрачности среднее число пролетов равно 5. Поскольку на коллектор попадают лишь ионы, образовавшиеся внутри сеточного пространства, необходимо, чтобы часть траектории электрона, соответствующая его пролету внутри сетки, имела возможно большую длину.

Из рис. 4.3 видно, что угол подлета электронов к поверхности сетки должен быть близким к 90°, т. е. электроны должны перемещаться главным образом в радиальном направлении. В осуществлении этого важную роль играет потенциал экрана. Поле, создаваемое экраном, воздействует на поле катода и, следовательно, на траектории движения электронов, как это видно из рис. 4.4, на котором представлены траектории электронов для трех различных конфигураций электрического поля.

Результаты расчетов согласуются с наблюдаемой на практике зависимостью чувствительности вакуумметра от потенциала экрана, обусловленной изменением длины траектории полета электрона.В первых вакуумметрах экраны не использовались, в результате стеклянный корпус заряжался, что приводило к нестабильности чувствительности. Обычно в вакуумметрах Байярда — Альперта используют следующие потенциалы электродов: коллектора — 10 В, сеточного анода 180 В, катода 30 В, экрана 0 (земля).

Оптимальные значения этих параметров зависят от формы и расположения электродов, поэтому изготовители вакуумметров указывают величины рабочих напряжений. Первые измерения, проведенные Байярдом и Альпертом, показали, что паразитный ток в их вакуумметре был в 100 раз меньше, чем в триодном, и, следовательно, нижний предел измеряемого давления соответствовал 1O^-7 Па. Поэтому паразитные токи в ВБА стали предметом тщательного изучения . Было обнаружено, что форма и расположение электродов, а также их потенциалы существенно влияют на величину паразитных токов. В серии экспериментов с вакуумметром Байярда — Альперта, снабженном модулятором (см. разд. 2), были обнаружены эффекты рентгеновского излучения и электронно-стимулированной десорбции ионов, получаемых из молекул газа, адсорбированных на аноде.

Обнаружено, что часть паразитного тока, создаваемого за счет последнего эффекта, может быть достаточно большой (более значительной, чем от первого эффекта), если анод покрыт значительным слоем адсорбированного газа, особенно кислородом.

В результате бомбардировки анода электронами высвобождаются ионы O+ с энергиями вплоть до 6 эВ. При такой энергии угловая скорость (количество движения) ионов относительно коллектора достаточна для того, чтобы они не были захвачены коллектором под действием радиального поля. Те же из них, которые не имеют достаточной угловой скорости или потеряли ее вследствие столкновений с молекулами газа, захватываются коллектором и, таким образом, создают значительный паразитный ток.

Одним из способов уменьшения этого эффекта является очистка поверхности анода от адсорбированных газов путем его нагрева постоянным током или бомбардировки электронами. Известно, что при уменьшении эффекта электронной десорбции паразитный ток в ВБА может снижаться до значений, соответствующих давлению 4•10^-9 Па.

Отсюда следует, что нижний предел давления, измеримого с точностью 10%, составляет около 4*10^-8 Па. Как уже отмечалось, уменьшение паразитного тока может быть также достигнуто путем использования более тонкого коллектора, однако при этом может снизиться чувствительность вакуумметра. Ван Острей, применив коллектор диаметром 4 мкм, смог получить нижний предел измеряемого давления, ограниченного эффектом рентгеновского излучения, порядка 1O^-10 Па без снижения чувствительности. Это было достигнуто за счет перекрытия выходов анодного цилиндра сетками, препятствующими утечке ионов. Однако такой вакуумметр не нашел широкого применения. Поскольку ионизационный вакуумметр измеряет плотность (давление) газа, находящегося внутри анодного цилиндра, для того, чтобы эта величина соответствовала истинному давлению в вакуумной системе, необходимо, чтобы в системе отсутствовали значительные перепады температур, а также любые потоки газа.

 Катод представляет собой источник тепла, однако при слабых токах накала создаваемое им распределение температуры не вносит существенной ошибки при измерении давления, чего нельзя сказать о потоке газа. Поток газа в вакуумметре возникает либо вследствие выделения газа с поверхности деталей прибора, либо в результате откачивающего действия вакуумметра. Если вакуумметр соединен с системой вакуум-проводом низкой проводимости, то поток газа может создать в такой линии значительный перепад давлений.

Для уменьшения выделения газа вакуумметр необходимо предварительно обезгаживать при температурах порядка 250°С, а электроды должны иметь минимальные поверхность и массу и допускать нагрев до красного каления. Как уже отмечалось, последнее особенно важно для обеспечения тщательного обезгаживания и очистки сеточного анода с целью умен ьшения токов, вызываемых электронно-стимулированной десорбцией.

Откачивание газа ионизационным вакуумметром определяется ионным и химическим эффектами. Ионная откачка происходит за счет внедрения и захвата быстрых положительных ионов, ударяющихся о коллектор, экран или стенки вакуумметра. Химическая откачка возникает в результате реакции химически активных газов с элементами вакуумметра, особенно с горячим катодом. Как было показано откачка газа вакуумметрическим преобразователем может протекать с довольно высокой скоростью порядка 10^-4 м³*с . Альперт, экспериментируя со сверхвысоким вакуумом, указывал на возможность откачивания небольших систем посредством вакуумметров. Поскольку откачивающий эффект является неотъемлемой частью механизма работы вакуумметра, исключить его полностью невозможно.

Тем не менее его можно свести к минимуму, используя минимальный электронный ток, при котором ионный ток еще поддается измерению. Для большинства вакуумметров этот минимальный электронный ток составляет около 10 4 А, но при самых низких давлениях его приходится увелич ивать.

Минимальный ионный ток составляет около 10^-13 А, и для того, чтобы можно было измерять такие слабые токи, необходимо стабилизировать электронный ток. Катод работает в режиме ограничения эмиссии, поэтому электронный ток регулируется путем изменения температуры катода. Для этого используется цепь обратной связи по электронному току, которая управляет током накала катода и, следовательно, его температурой. Одновременно с разработкой более эффективных преобразователей давления проводились работы по усовершенствованию измерительных блоков вакуумметров.

Рис. 4. 5. Блок-схема цепи управления эмиссией катода на основе микросхемы операционного усилителя: Vo — потенциал смещения коллектора; V — плавающее напряжение питания накала; U — напряжение питания.

 Если вначале электронные схемы были построены на лампах, то в настоящее время используется полупроводниковая элементная база.

На рис. 4.5 представлена измерительная схема вакуумметра на основе микросхемы дифференциального усилителя. Ускоряющее напряжение между анодом и катодом подается через токоизмерительный резистор R1. Усилитель А сравнивает падение напряжения на Ri, пропорциональное катодному току, с опорным напряжением. Разность этих напряжений усиливается и алгебраически суммируется с напряжением питания накала. Опорное напряжение устанавливается равным необходимому потенциалу смещения для эффективного собирания ионов на коллекторе.

Таким образом, усилитель выполняет две функции: он задает, во-первых, необходимый катодный ток и, во-вторых, указанный потенциал смещения коллектора.

В работе был предложен иной способ измерения, который основан на стабилизации собираемого электронного тока, а не тока эмиссии. Этот подход имеет преимущества в случае более сложных ионизационных вакуумметров и масс-спектрометров, в которых используется более чем одна сетка или анод, но общий ток эмиссии не является истинным ионизационным током. Такие схемы позволяют стабилизировать электронный ток с точностью до 1% при изменении тока в диапазоне шириной по крайней мере два порядка. В измерительном блоке предусмотрены, как правило, защитные цепи и устройства для обезгаживания вакуумметра.

Защита катода, осуществляемая посредством отключения тока накала при повышении давления сверх допустимого предела, необходима, поскольку в противном случае вольфрамовый катод в средах с большим содержанием кислорода быстро окислится и испарится. Даже при давлениях ниже 10^-4 Па утонение катода вследствие окисления и (или) испарения является основной причиной выхода из строя вакуумметра, хотя при тщательном соблюдении всех эксплуатационных режимов можно рассчитывать на бесперебойную работу ионизационного вакуумметра в течение 5000—10 000 ч.

В некоторых вакуумметрах предусмотрен второй катод, используемый после выхода из строя первого. В вакуумметрах открытого типа предусмотрено использование специальных устройств, позволяющих заменять перегоревшие катоды. При необходимости измерять давление кислорода можно применять более грубые катоды из материала с меньшей работой выхода, которые могут функционировать при более низких температурах. Так, катод с рениевой нитью накала, покрытый гексаборидом лантана, вполне пригоден для подобных измерений.

Тем не менее катоды с покрытием следует применять с осторожностью, поскольку испарение материалов с малой работой выхода и осаждение их на аноде может приводить к существенному увеличению паразитного тока.

В результате подробных исследований была установлена универсальность вакуумметра Байярда — Альперта — способность измерять не только сверхнизкие давления вплоть до 10^-8 Па, но также и давления в области 10^-5 Па. Вакуумметры этого типа вместе с необходимыми приспособлениями серийно выпускаются различными фирмами.