В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Магнитный электроразрядный манометр с холодным катодом. Манометр Пеннинга
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура

Пеннинг [63, 64] первым реализовал возможность использо­вания тлеющего разряда с холодным катодом для измерения давления газа в области ниже 10-3 тор, применив сильное маг­нитное поле для увеличения длины пути электронов от катода к аноду и повысив тем самым ионизацию до измеримого уровня.

 

 

В 1937 г. Пеннинг описал манометр, в котором разряд про­текает между анодом в виде петли, и катодом, представляющим собой два циркониевых диска, соединенных электрически и рас­положенных по обе стороны петли. На фиг. 65 (заимствовано из оригинальной статьи Пеннинга) показано устройство этого манометра. Постоянный магнит расположен так, что его поле параллельно оси симметрии. При магнитной индукции 400 гс и постоянном напряжении между анодом и катодом разрядный ток, как оказалось, пропорционален давлению в диапазоне от 10~5 до 10-3 тор. В условиях постоянного давления чем выше на­пряжение, тем больше ток. При рекомендуемом рабочем напря­жении 2000 в и давлении азота 10-3 тор ток достигал прибли­зительно 1 ма.

Хотя механизм такого разряда еще не совсем ясен, можно довольно полно описать основные принципы действия мано­метра. Магнитное поле препятствует немедленному уходу на анод электронов, испускаемых, катодом. Они движутся по спи­ральным траекториям взад и вперед в потенциальном ящике между катодами, пока наконец не попадут на анод (электрон с энергией 2000 эв, влетающий под прямым углом в магнитное поле с индукцией 500 гс, движется по окружности диаметром 4 мм). Из-за большой длины пути электрона существует некото­рая   вероятность   приводящего   к   ионизации   соударения   с молекулой газа даже при давлении 10-5 тор. Поскольку магнит­ное поле практически не влияет на поведение положительных ио­нов ввиду их большой массы, они движутся прямо к катодам.

Образующиеся в результате ионизации молекул электроны дви­жутся, как и первичные электроны, тоже по винтообразным траекториям, и в конце концов, по всей вероятности после со­вершения актов ионизации, попадают на анод. Вторичные элек­троны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда.

Таким образом, благодаря наличию магнитного поля тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и ка­тодом. Дюма [65] и Редхед [66] обнаружили в разряде электро­магнитное излучение с определенной частотой, зависящей только от магнитного поля. Это излучение обусловлено в основном вращением электронов по круговым траекториям, расположен­ным перпендикулярно магнитному полю; так как время обра­щения зависит только от величины магнитной индукции если использовать обычные обозначения), излучение имеет дискретный ряд частот. Результаты измерений частоты, выполненные Дюма, находятся в соответствии со значениями, вычисленными на основе этой простой теории.

К сожалению, разряд не вполне стабилен, поскольку возни­кают случайные и внезапные изменения тока в пределах 2—5%. Эта нестабильность, по-видимому, свойственна в той или иной степени всем манометрам и представляет собой серьезный недо­статок, ограничивающий точность измерений. Более того, при давлениях ниже 10-5 тор разряд становится неустойчивым и ча­сто совсем гаснет при давлении 10-6 тор.

Конструкция мано­метра, усовершенствованная с целью увеличения объема раз­ряда и, следовательно, чувствительности, была разработана в 1949 г. [67]. Пеннинг заменил кольцевой анод цилиндром, про­стирающимся почти до катодов, так что электроды образовали закрытую коробку. Чувствительность была повышена в 10 раз (при давлении 10-4 тор и напряжении 2 кв ток достигал при­близительно 1,0 ма). Линейный участок простирался до давле­ния ниже 10-6 тор, так что погрешности были значительно уменьшены. Нестабильность работы (скачки разрядного тока), свойственные манометру с кольцевым анодом, наблюдались лишь при давлениях выше 10-4 тор.

Почти идентичные результаты были получены Лекком с сотр. [68, 69] на аналогичном манометре, отличавшемся только тем, что катоды были сделаны не из циркония, а из никеля. Оказа-лось, что чувствительность пропорциональна напряжению между анодом и катодом (градуировочные графики на фиг. 66) и не зависит от напряженности магнитного поля. В области 10~8 тор ток скачкообразно снижается, что, по-видимому, обусловлено из­менением характера разряда из-за недостатка электронов для поддержания разряда. Обращает на себя внимание и то, что ток убывает не до нуля, а до малого постоянного значения. Кроме того, так же, как и в работе Пеннинга, не наблюдалось скачков или разрывов в непрерывности отсчета, превышавших 2%, во всем рабочем диапазоне давлений, т. е. от 10-4 тор до давления ниже 10-7 тор.

Вопрос о влиянии материала катода на характеристики ма­нометра еще не вполне выяснен. На первый взгляд представ­ляется, что лучше выбирать материал с малой работой выхода

 

 

(именно поэтому Пеннинг и выбрал цирконий). Но, как пока­зывают некоторые эксперименты, характеристики манометра не очень сильно зависят от свойств катода [70, 71]1). Так, напри­мер, по данным Гаррода и Гросса [70], относительные чувстви­тельности манометров с катодами из константана, никеля, алю­миния, окиси магния и магния были равны соответственно 0,7, 0,75, 1,0, 1,0—1,25 и 1,0—1,3. Катоды из магния и окиси магния часто обеспечивают большую чувствительность, но зато не все­гда дают воспроизводимые результаты, а колебания чувстви­тельности иногда достигают 25%. Поэтому эти материалы не имеют практического значения. Колебания чувствительности обусловлены, вероятно, изменением работы выхода вследствие адсорбционных эффектов. С практической точки зрения, никель, вероятно, надо считать лучшим материалом для изготовления как катодов, так и анодов (он весьма доступен, легко режется и надежно сваривается с вольфрамовыми вводами).

Возбуждение разряда при низком давлении газа сопряжено с известными трудностями.

При давлении выше 10-5 тор разряд начинается и стабилизируется сразу же при включении источ­ника высокого напряжения. При давлениях же ниже 10-5 тор возможна задержка зажигания разряда на несколько секунд. По-видимому, нельзя заранее предсказать поведение манометра в этом отношении. Можно, однако, утверждать, что при напря­жении 2 кв для зажигания разряда при давлениях газа ниже 10-5 тор требуется какой-то внешний толчок. Мак-Илрейт [72] поместил в манометр вольфрамовую проволочку, которая при накаливании до высокой температуры мгновенно выделяла не­которое количество газа, что вызывало повышение давления и зажигание разряда в манометре. Ивэнс и Бёрмейстер [73] реко­мендовали применять острие, находящеееся под высоким на­пряжением: автоэлектронная эмиссия с острия поставляет пер­вичные электроны, необходимые для начала разряда. Чем выше напряжение, тем меньше вероятность отказов в работе. Так, в нашей лаборатории широко применяются манометры с никеле­выми электродами (диаметром 25 и длиной 25 мм), и при на­пряжении 3 кв никаких трудностей с зажиганием разряда вплоть до давления 10-6 тор не наблюдается.

При конструировании манометра нужно считаться с возмож­ностью сильного катодного распыления под действием положи­тельных ионов большой энергии. Осаждаясь на стеклянной обо­лочке, металл образует проводящую пленку, которая может замкнуть накоротко электроды. Это явление предотвращается стеклянными экранами, препятствующими напылению металла на изоляторы электрических вводов.

В качестве источника высокого напряжения лучше всего брать однополупериодный выпрямитель на 2—3 кв с током на­грузки до 2 ма. В целях стабилизации выходного напряжения можно во входной цепи установить феррорезонансный транс­форматор, обеспечивающий постоянство напряжения. Почти во всех случаях постоянный ток можно измерять магнитоэлек­трическим микроамперметром на 100 мка. Для повышения чув­ствительности пользуются усилителем на двойном триоде, по­добным рассматривавшемуся в п. 9. Для ограничения тока в случае короткого замыкания принято последовательно с источ­ником высокого напряжения включать балластное .сопротивле­ние на 1—2 Мом [75].

Оно заметно снижает напряжение между анодом и катодом при высоких давлениях, уменьшая чувстви­тельность и нарушая линейность характеристики. По этой при­чине сопротивление не должно быть больше, чем это требуется для безопасности оператора и защиты оборудования. Подобный блок можно использовать как с кольцевым, так и с цилиндри­ческим анодом в манометре. Обычно диаметр анода и расстоя­ние между катодами делают равными 25 мм. При таких размерах электродов требуется магнитное поле порядка 400—500 гс, а чувствительность составляет приблизительно 1,0 ма/мтор по воздуху для кольцевого и 10 ма/мтор для цилиндрического ано­да. В литературе описаны многие манометры и измерительные блоки к ним [63—76], причем в большинстве случаев они снаб­жены кольцевым анодом и предназначаются для работы в диа­пазоне от 10-3 до 10-5 тор. Все манометры имеют весьма сходные характеристики, несмотря на некоторое отличие в деталях (на­пример, некоторые манометры имеют металлический корпус, который служит катодом).

При сравнительно высоких давлениях, выходящих за пре­делы давлений, измеряемых обычными пеннинговскими мано­метрами (10-3—10-2 тор), манометр можно использовать для работы в качестве вакуумного реле. Например, Олвуд [77] ис­пользовал быстрое возрастание тока от 2 до 20 ма, наступаю­щее при повышении давления до 10-3 тор (точная величина давления, при котором наблюдается скачок, зависит от напря­жения и величины магнитного поля). Хаяси с сотр. [78] наблю­дали такой скачок у манометра с анодом, диаметр которого составлял всего лишь 4,5 мм.

Интересно отметить, что разрабатывались манометры и дру­гих видов с холодным катодом и разрядом в магнитном поле [59, 60]. Так, Бек и Брисбейн [79] использовали устойчивый раз­ряд между тонкой длинной проволокой, служившей анодом, и цилиндрическим катодом сложной формы. Ток этого разряда был пропорционален давлению.

Хобсон и Редхед [81, 82] подробно исследовали магнитные электроразрядные манометры с холодным катодом, обратив осо­бое внимание на их работу при очень низких давлениях. Эти исследователи работали с видоизмененными манометрами Пен­нинга, а также Бека и Брисбейна [79]. На фиг. 67 изображены два манометра, разработанные Хобсоном и Редхедом [81, 82]. Ими были сконструированы инверсно-магнетронный манометр (ИММ) и магнетронный манометр (ММ).

Одним из важных усовершенствований конструкции было введение охранного элек­трода (вспомогательного катода), что особенно важно при из­мерении очень низких давлений. Эти охранные электроды, нахо­дящиеся под потенциалом катода, предотвращают автоэлектрон­ную эмиссию с катода. Без такой предосторожности ток этой эмиссии был бы сравним с током основного разряда при очень низких давлениях и ограничивал бы нижний предел измерений, подобно фототоку из-за рентгеновского излучения в маномет­рах с накаленным катодом.

В ИММ катодом служит короткий цилиндр диаметром 30 мм, ось которого параллельна магнит­ному полю, а анод имеет форму стержня диаметром 1 мм, про­ходящего вдоль оси через отверстия в катодном цилиндре. Как видно из фиг. 67, а, вспомогательный катод сделан в виде коробки с приваренными короткими трубками, входящими внутрь катода. Этот манометр работает в магнитном поле 2000 гс и при анодном напряжении 6000 в. В MM анод имеет вид цилинд­ра длиной 20 и диаметром 30 мм, в котором высверлены отвер­стия для увеличения его газовой проводимости. К катоду в виде катушки, состоящей из осевого цилиндра длиной 20 и диаметром 3 мм, по концам приварены круглые диски. Этот манометр обычно работает в магнитном поле 1000 гс и при напряжении между анодом и катодом 6000 в.

 

Фиг. 67. Инверсно-магнетронный манометр (а) Хобсона и Редхеда [81] и магнетронный манометр {б) Редхеда [81].


В том и другом манометрах электроны в скрещенных элек­трическом и магнитном полях проходят большие пути, двигаясь от катода к аноду и создавая в ионизационной камере отрица­тельный пространственный заряд. Чувствительность у этих ма­нометров по порядку величины такая же, как у манометра Пен­нинга (катодный ток при 10-6 тор равен приблизительно 10 мка), а по другим параметрам они мало от него отличаются. Однако существуют два важных преимущества. Во-первых, как отме­чают Бек и Брисбейн, у них намного улучшены пусковые харак­теристики. Действительно, как сообщает Редхед [82], у этих ма­нометров ни разу не наблюдались отказы в зажигании разряда даже при давлениях ниже 1б-8 тор. Кроме того, соотношение между давлением, величиной магнитного поля и напряжением зажигания весьма близки к теоретическим. Во-вторых, разряд остается устойчивым при гораздо более низких давлениях.

По экспериментальным данным, устойчивость сохраняется при дав­лениях гораздо ниже 10-10 тор. Градуировка ниже этого давле­ния, конечно, затруднена из-за отсутствия эталона для сравне­ния. Хобсон и Редхед [81], выполнявшие косвенную градуировку на сверхвысоковакуумной установке с ловушками, которые охлаждались жидким гелием, выразили уверенность в том, что градуировочную характеристику MM можно экстраполировать до давления 10-13 тор. В этом случае такой манометр применим для измерений во всем диапазоне давлений от 10-4 до 10-13 тор.

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

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