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
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


Число положительных ионов, образующихся в результате столкновений электронов с молекулами газа, пропорционально плотности газа р:


(4.1)

где i+ — ионный ток, i_ — электронный ток и С—коэффициент пропорциональности. В условиях равновесия между давлением и плотностью газа при температуре Т, согласно газокинетической теории, справедливо соотношение p = nkT, и выражение (4.1) приобретает вид

(4.2)

где K— чувствительность вакуумметра. Таким образом, для измерения давления методом ионизации необходимы а) источник электронов (катод), б) ускоряющий электрод для поддержания электронного тока (анод) и в) третий электрод, собирающий образованные ионы (коллектор). Поэтому первые ионизационные вакуумметры представляли собой видоизмененные вакуумные триоды, в которых сетка являлась анодом, а анод — коллектором.

Чувствительность вакуумметра К зависит не только от температуры, как было показано выше, но и от природы газа и энергии электронов, а также формы и расположения электродов в приборе. На рис. 4.1 приведены кривые вероятности ионизации различных газов, наиболее часто встречающихся в вакуумных системах, в зависимости от величины начальной энергии ионизирующих электронов. Эффективность (выход) ионизации ? определена как число ионов, образуемых электроном на 1 см пути в газе при давлении 102 Па и температуре 0°С.

Представленные зависимости будут иметь такой же вид и при других давлениях, хотя при понижении давления выход ионизации значительно уменьшается. До некоторого порогового значения энергии электронов (потенциал ионизации) выход ионизации равен нулю; при увеличении энергии ц вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает. Форма и расположение электродов в вакуумметре определяют длину пути ионизирующих электронов, характеристики электрического поля и эффективность собирания ионов.

В последние 50 лет многие исследователи пытались определять значения К для различных вакуумметров. Несмотря на то, что между измеренными и вычисленными значениями К нет разницы, более разумно находить s эту величину экспериментально, путем градуировки вакуумметра с помощью образцового прибора 

Линейная зависимость (4.2) J ионного тока от давления сохраняется от «нулевого» давления вплоть до давлений,при которых заметными по сравнению с электронным становятся ионные токи и токи пространственного заряда положительных ионов. Однако верхняя граница измерения значительно превосходит область давлений сверхвысокого вакуума. Хотя с теоретической точки зрения не существует ограничений на образование ионов при сверхнизких давлениях, однако в этих условиях возникает практическая проблема измерения очень слабых токов.

Согласно выражению (4.2), для обеспечения соответствующего выхода ионов требуются большой электронный ток и (или) высокие значения коэффициента чувствительности К.

Однако электронный ток ограничивается допустимым выделением мощности на катоде и другими факторами, которые будут рассмотрены позже. Коэффициент чувствительности ионизационного вакуумметра является одним из основных параметров, определяющих способность прибора измерять низкие давления.

В условиях сверхвысокого вакуума длины свободного пробега электронов значительно превосходят линейные размеры корпуса вакуумметра, поэтому вероятность ионизационного столкновения при прохождении электрона от катода к аноду очень мала и величины коэффициента чувствительности низки. Как и в случае ионного насоса, для повышения вероятности ионизации здесь необходимо значительно увеличить длину пути электрона.

 

 Это одно из основных требований, предъявляемых к конструкциям ионизационных вакуумметров. Известно несколько различных конфигураций электрических или комбинаций электрического и магнитного полей, под действием которых электроны либо колеблются, либо двигаются по спирали в ограниченной области пространства. Некоторые из них были предложены для использования в ионизационном вакуумметре, но только два или три варианта распределения электромагнитного поля нашли практическое применение. Хотя некоторые варианты формы и расположения электродов заимствованы у ионных насосов, оказалось, что проблема эффективного улавливания ионов коллектором при минимальном откачивающем эффекте имеет иное решение. Желательно получение значительного ионного тока для удобства его регистрации. Кроме того, при низких давлениях возникают серьезные ограничения, связанные с появлением паразитных фоновых токов, которые не зависят ни от давления, ни от коэффициента чувст вительности. Эти токи вносят в показания вакуумметра ошибку, определяемую выражением

(4.3)

где is — полный паразитный ток, р'— измеряемое и р — истинное давления.

При этом ошибка незначительна, однако с уменьшением давления (и соответственно i+) ошибка возрастает, и в пределе получим

Главной причиной возникновения паразитного тока в ионизационных манометрах с термоэлектронным катодом является эффект рентгеновского излучения. Такое излучение, возникающее в результате столкновений электронов с анодом, вызывает фотоэлектронную эмиссию коллектора, вследствие чего появляется дополнительное число положительных ионов и возникает паразитный ионный ток, выделение которого из общего измеряемого тока практически невозможно.

В стандартном триодном вакуумметре используется коллектор ионов в виде металлического цилиндра, внутри которого расположен сеточный анод, также цилиндрический. В такой конструкции рентгеновское излучение приводит к возникновению паразитных токов и соответственно повышает нижний предел измеряемого давления до ~ 10-5 Па. Кроме того, паразитные токи могут вызываться: а) токами утечки; б) десорбцией ионов с анода в результате его бомбардировки электронами; в) фотоэмиссией электронов с коллектора, вызываемой электромагнитным излучением накаленного катода, и автоэлектронной эмиссией. Все эти эффекты будут обсуждены позже, при рассмотрении различных типов вакуумметров.

Таким образом, ионизационный вакуумметр, используемый для измерения сверхвысокого вакуума, должен обеспечивать максимально возможную чувствительность при минимальных величинах паразитных токов is. Разработанные согласно- этим требованиям ионизационные вакуумметры можно подразделить на вакуумметры а) с горячим и б) с холодным катодами. На практике придерживаются более узкой спецификации в связи с тем, что вакуумметры с горячим катодом в своем большинстве сконструированы на основе вакуумметра Байярда — Альперта, а вакуумметр с холодным катодом на основе магнетронного вакуумметра.

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.


Модуляционный ВБА был впервые предложен Редхедом в 1960 г., что позволило расширить диапазон использования ионизационных вакуумметров вплоть до сверхвысокого вакуума. Это устройство представляет собой стандартный ВБА, внутри пространства ионизации которого встроен дополнительный электрод в виде тонкого стержня, расположенного параллельно оси анода (рис. 4.6). При потенциале модулятора, равном потенциалу анода, ионный ток к коллектору не изменяется и ток коллектора определяется выражением

(4.4)

Если же сделать потенциал модулятора равным потенциалу коллектора, то некоторая часть тока коллектора будет ответвляться на модулятор, тогда как токи, вызываемые рентгеновским излучением, изменяться не будут. Следовательно,

(4.5)

где a—коэффициент модуляции. Величина коэффициента модуляции может быть определена при более высоких давлениях, когда паразитные токи is пренебрежимо малы по сравнению с ионным током I+. Для типичного модуляционного вакуумметра Байярда — Альперта а~0,6.

Идея модуляционного вакуумметра основана на предположении, что паразитный ток не зависит от потенциала модулятора. Потенциал модулятора практически не будет оказывать влияния на поле, создаваемое коллектором, и, следовательно, ток фотоэмиссии, который, как предполагается, должен зависеть только от поля коллектора, не будет модулироваться. Редхед, кроме того, предположил, что ток, возникающий при электронно-стимулированной десорбции ионов (вне зависимости от природы газа, сорбированного на аноде), также не будет модулироваться.

Причина этого заключается в том, что десорбированные ионы обладают по отношению к ионам из газовой фазы более высокой кинетической энергией — приблизительно 5—6 эВ для ионов O+, образующихся из молекул кислорода, присутствующих в молибдене в виде примесей. Поэтому влияние потенциала модулятора на их траектории будет невелико. Фактически влияние десорбированных ионов аналогично воздействию рентгеновских лучей, поэтому возмущения могут вносить только те ионы, которые будут попадать на катод. Тем не менее при исследованиях свойств модуляционного ВБА, было установлено, что в условиях сверхнизких давлений глубина модуляции самого паразитного тока такова, что нижний предел измерений повышается до 4*10-9Па.

В работе [14] было указано, что трудности могут создаваться выделением газов из модулятора. Когда потенциал модулятора равен потенциалу коллектора, на модуляторе будут собираться ионы (т. е. будет протекать ионная откачка), но когда он равен потенциалу анода, модулятор бомбардируется электронами, что вызывает освобождение молекул газа (всплеск давления), захваченных в результате ионной откачки. С целью уменьшения этого эффекта авторы работы предложили проводить модуляцию при значительно меньших напряжениях (в диапазоне от V3 до V3 — 20 В). Это дает удовлетворительные результаты в случае обычного вакуумметра, в котором отсутствуют сетки на торцах анодного цилиндра (рис. 4.6). \

Однако было обнаружено, что применение торцевых сеток позволяет улучшать воспроизводимость и стабильность работы вакуумметра, и, следовательно, такая конструкция модуляционного вакуумметра предпочтительна. Глубина модуляции в данном случае невелика.

Ван Острей, исследуя вакуумметр собственной конструкции со сверхтонким коллектором, обнаружил, что в качестве модулятора можно использовать отражающие экраны (торцевые сетки). Для этого необходимо лишь незначительное изменение распределения потенциала, что приводит к резкому повышению эффективности собирания ионов коллектором, не оказывая влияния на быстрые десорбированные ионы. При этом достигается весьма глубокая модуляция (до 0,9). В этом варианте конструкции коллектор обычного диаметра (150 мкм) непригоден, поскольку требует больших изменений в распределении поля, т. е. больших колебаний напряжения на отражающих экранах, что в свою очередь будет вызывать модуляцию электронного тока.

Причины, вызывающие модуляцию паразитных токов, до конца не поняты. Существует несколько взаимосвязанных явлений, приводящих к модуляции электронного тока. Так, электронным током к модулятору в условиях, когда потенциал последнего равен потенциалу анода, нельзя пренебречь, но он не обязательно входит в общий электронный ток, управляющий эмиссией, что и приводит к модуляции. Кроме того, указывается, что при эксплуатации вакуумметра, значительно загрязненного адсорбированным газом, в случае полей определенной конфигурации (хотя модуляции ионов, десорбированных с анода, может и не происходить) десорбированные с модулятора ионы могут быть сфокусированы на коллектор, что приводит к увеличению эффективности собирания десорбированных ионов.

Интересно отметить, что этот вывод был сделан на основании того факта, что при модуляции загрязненного ВБА вместо уменьшения ионного тока происходило его увеличение.

 


 

 

В связи с этими трудностями применять модуляционные вакуумметры следует с осторожностью. Однако метод модуляции позволяет расширить область применения ионизационных вакуумметров Байярда — Альперта на порядок при более высокой точности измерений по сравнению с 10%-ной ошибкой обычного вакуумметра, что было экспериментально установлено при давлениях, меньших 10-8 Па.

Обычно измерения вакуума модуляционным методом проводятся «вручную», но были высказаны предложения использовать переменное напряжение на модуляторе для автоматической регистрации давления. Однако в таком устройстве основную проблему представляет емкостный ток, который необходимо либо компенсировать, либо учитывать каким-либо образом.

Для расширения диапазона измеряемых давлений рассмотренный метод модуляции может быть применен и к вакуумметрам других типов, например экстракторному.


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.


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:
 118 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru