ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HIGH-SENSITIVITY IONISATION VACUUM-GAUGE CONVERTER

-10
Изобретение относится к технике измерения высокого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 1 Па до 10 Па.
Для измерения высокого вакуума используются ионизационные преобразователи трех основных видов: с накаливаемым катодом, с холодным катодом и преобразователи с радиоактивной ионизацией.
-8
Из преобразователей с накаливаемым катодом наиболее широкое распространение получили преобразователи Байярда-Альперта [Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979], имеющие инверсную конструкцию электродной системы (с наружным расположением катода). Достоинствами преобразователей с накаливаемым катодом являются невысокое анодное напряжение (300-500 В), легкое зажигание электрического разряда (поскольку в данном случае он не является самостоятельным) и сравнительно широкий диапазон измеряемых давлений (1…10 Па). Основными недостатками являются опасность выхода из строя при прорыве вакуумной системы (перегорание катода), ограниченный срок службы (из-за потери эмиссии катода) и необходимость стабилизации тока эмиссии катода.
-7
Из преобразователей с холодным катодом наиболее совершенными являются магнитные электроразрядные вакуумметрические преобразователи [Гейнце В. Введение в вакуумную технику. - М.: Госэнергоиздат, 1960]. Они основаны на использовании ионизации остаточного газа в межэлектродном пространстве преобразователя в сильном электрическом поле при одновременном воздействии на образующиеся при ионизации газа заряженные частицы (электроны и ионы) поперечного магнитного поля, в результате которого траектории движения электронов в межэлектродном промежутке существенно (во много раз) удлиняются, что повышает вероятность их столкновений с нейтральными атомами и молекулами газа, а следовательно, и степень его ионизации. Это позволяет получать приемлемую чувствительность преобразователя при сравнительно малых токах электронной эмиссии (в данных преобразователях электронная эмиссия возникает с поверхности холодного катода при его бомбардировке ионами). В настоящее время известно несколько конструкций магнитных электроразрядных преобразователей. Наиболее широко применяется инверсно-магнетронная конструкция таких преобразователей. В частности, в нашей стране наиболее широкое применение получили инверсно-магнетронные преобразователи отечественной разработки типов ПММ-32-1, ПММ-14М и ПММ-46. Среди них наиболее простую и технологичную конструкцию имеет преобразователь ПММ-32-1 [Преобразователь манометрический магниторазрядный ПММ-32-1. Паспорт] (прототип). Он обеспечивает пределы измерения от 1 Па до 10 Па. Главная конструктивная особенность этого преобразователя, обеспечивающая его конструктивную простоту, состоит в том, что создающий постоянное магнитное поле постоянный магнит, выполненный в виде продольно намагниченного полого цилиндра, одновременно является катодом электродной системы. Конические полюсные накладки из магнитомягкого материала обеспечивают создание в активной зоне преобразователя близкого к однородному магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю.
-6
-7
-7
Основными недостатками этого преобразователя являются трудность зажигания и нестабильность самостоятельного электрического разряда на нижних пределах измерения (10-10 Па) и ограничение нижнего предела измерения величиной 10 Па из-за малого значения ионного тока и влияния тока автоэлектронной эмиссии, которая возникает в местах наиболее сильного электрического поля между боковыми внутренними поверхностями полюсных накладок и анодом, а также токов утечки выводов. Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления, т.к. в зонах его возникновения магнитное поле практически отсутствует, а расстояние до анода очень мало (в преобразователе ПММ-32-1 оно составляет всего 3,5 мм), что на несколько порядков меньше длины свободного пробега электронов на нижних пределах измерения. Поэтому электроны, эмитированные из полюсных накладок, беспрепятственно попадают на анод, не произведя ни одного столкновения с нейтральными частицами газа. А поскольку полюсные накладки электрически соединены с катодом (постоянным магнитом, выполняющим функцию коллектора ионов), то электронный ток автоэлектронной эмиссии невозможно отделить от полезного ионного тока, измеряемого в цепи катода. Следовательно, ток автоэлектронной эмиссии в данном случае играет вредную роль, уменьшая чувствительность преобразователя на нижних пределах измерения. В то же время известен вакуумметр [Электронный ионизационный преобразователь давления. А.с. СССР №SU 1462130 / И.А.Донской, И.Л.Коган, Е.А.Пенчко, Т.Л.Шарапова, Ю.Б.Янкелевич. Опубл. 28.02.89, Бюл. №8], в котором явление автоэлектронной эмиссии играет полезную роль, являясь основным источником свободных электронов в межэлектродное пространство. По принципу действия он близок к преобразователю Пеннинга [Ворончев Т.А., Соболев В.Д. Физические основы электровакуумной техники. - М.: Высшая школа, 1967], но вместо накаливаемого катода в нем используется тонкопленочный холодный катод, работающий на принципе автоэлектронной эмиссии с системой фокусировки электронного пучка.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение предела измерения в сторону малых давлений, облегчение зажигания разряда, повышение величины ионного тока и повышение точности измерений на этих пределах измерения.
-6
-10
-10
Эта задача решается путем введения в традиционную конструкцию инверсно-магнетронного преобразователя двух электродов в виде тонких колец, работающих на принципе автоэлектронной эмиссии. На электроды подается регулируемое напряжение на нижних пределах измерения (от 10 до 10 Па). Напряжение, вызывающее автоэлектронную эмиссию, регулируется ступенчато вместе с переключением пределов измерения. Кроме того, для отделения тока автоэлектронной эмиссии от полезного ионного тока катода полюсные накладки электрически изолируются от холодного катода (постоянного магнита) и заземляются. Это дает возможность расширить пределы измерения в сторону измерения низких давлений вплоть до 10 Па, обеспечить на этих пределах легкое зажигание электрического разряда и удобные для измерения значения ионного тока, что позволяет повысить точность измерений на этих пределах.
Высокочувствительный ионизационный вакуумметрический преобразователь (далее преобразователь), конструкция которого представлена на фиг.1, содержащий концентрически расположенные штыревой анод 1, полый цилиндрический холодный катод 3, одновременно являющийся постоянным магнитом, намагниченным в осевом направлении, и конические полюсные накладки 4 и 5, формирующие в активной зоне преобразователя поперечное электрическому магнитное поле, центрирующую шайбу 13, к которой крепится электродная система преобразователя. Цилиндрический холодный катод 3 выполнен в виде двух намагниченных вдоль оси постоянных цилиндрических магнита с кольцевыми электродами 2. Верхняя и нижняя конические полюсные накладки 4 и 5, служащие для создания необходимой конфигурации магнитного поля в межэлектродном пространстве и электрически соединены с корпусом и изолированы диэлектрическими прокладками 6 и 7 от постоянных магнитов. Дополнительные электроды 9 и 11, в виде концентрических тонких колец, изолированных друг от друга и постоянных магнитов диэлектрическими прокладками 8, 10 и 12, и соединены электрическими выводами, проходящими через стеклянные или керамические изоляторы корпуса. Центрирующая шайба 13 является частью корпуса, в котором располагается и крепится вся конструкция преобразователя.
-5
Преобразователь работает следующим образом. На пределах измерения от 1 Па до 10 Па включительно на дополнительные электроды 9 и 11 напряжение не подается, и преобразователь работает как обычный инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь. Между холодным катодом 3 и анодом 1 приложено постоянное напряжение величиной порядка 2500 В. Оно создает в межэлектродном пространстве радиально направленное электрическое поле, под действием которого свободные электроны, имеющиеся в межэлектродном пространстве, разгоняются в направлении анода. Однако перпендикулярно электрическому полю действует магнитное поле постоянного магнита (который одновременно является холодным катодом 3), формируемое с помощью полюсных накладок 4 и 5. Активной зоной преобразователя, в которой происходит ионизация нейтральных частиц газа, является пространство между полюсными накладками 4 и 5, простирающееся до внутренней поверхности холодного катода 3. Под действием магнитного поля заряженные частицы (электроны и ионы) отклоняются в тангенциальном направлении. Напряженности электрического и магнитного полей подобраны таким образом, чтобы электроны совершали циклоидальное вращение с радиусом много меньшим поперечных размеров активной зоны преобразователя. Двигаясь по гипоциклоидам, электроны могут покинуть активную зону преобразователя только из-за столкновений с нейтральными частицами газа, в результате которых направления их скорости могут изменяться в любую сторону. Поэтому до того, как попасть на анод, электроны успевают совершить несколько столкновений с нейтральными частицами, в том числе и ионизирующих. Образующиеся при столкновениях положительные ионы под действием электрического поля собираются холодным катодом 3, являющимся коллектором ионов. Вследствие большой массы ионов (по сравнению с электронами) радиус их циклотронного вращения в поперечном магнитном поле оказывается существенно больше поперечных размеров активной зоны преобразователя, а потому магнитное поле не может существенно искривить траекторию их дрейфа в электрическом поле. Благодаря своей большой массе и отсутствию циклоидального вращения ионы, разгоняясь в электрическом поле, набирают значительную энергию и, бомбардируя поверхность катода, выбивают из него вторичные электроны, которые, попадая в активную зону преобразователя и сталкиваясь с нейтральными частицами газа, ионизируют их и тем самым поддерживают электрический разряд. Ионный ток катода будет зависеть от концентрации молекул газа в активной зоне преобразователя, т.е. от его давления. Измеряя ионный ток, судят о давлении газа.
-6
-6
-10
При давлениях от 10 Па и ниже ионный ток становится очень малым (менее 1 нА) и становится сравнимым с токами утечки выводов и возможными токами автоэлектронной эмиссии с тех поверхностей полюсных накладок, которые расположены ближе всего к аноду, а значит, электрическое поле в этих областях будет максимальным. Это и ограничивает нижний предел измерения, а также затрудняет зажигание разряда при отсутствии вспомогательного источника свободных электронов. Поэтому на пределах измерения 10 Па и ниже на дополнительные электроды 9 и 11 подается ступенчато регулируемое (при переключениях пределов измерения) напряжение, создающее между кольцевыми поверхностями электродов 9 и 11 сильное электрическое поле, достаточное для возникновения автоэлектронной эмиссии из металла электродов. Благодаря тому что расстояние между дополнительными электродами 9 и 11 (определяемое толщиной диэлектрической прокладки) очень мало (не превышает 10 мкм), то для создания напряженности электрического поля, достаточной для возникновения автоэлектронной эмиссии, требуется подать на дополнительные электроды 9 и 11 сравнительно небольшое напряжение (порядка 100 В). Оно много меньше анодного напряжения, поэтому электроны будут увлекаться анодным напряжением в активную зону преобразователя, многократно увеличивая плотность потока электронов, совершающих циклоидальное движение. Поэтому многократно возрастет и ионный ток в цепи холодного катода. Причем по сравнению с классическими ионизационными преобразователями с накаливаемым катодом для получения тех же значений ионного тока понадобится во много раз меньший электронный ток, поскольку свободные электроны, прежде чем попасть на анод, совершают множество оборотов циклоидального вращения и могут покинуть активную зону преобразователя и попасть на анод только в результате многократных столкновений (в том числе и ионизирующих) с нейтральными частицами газа. Поэтому можно не опасаться интенсивной электронной бомбардировки анода и возникающего из-за нее мягкого рентгеновского излучения с анода. Ступенчато регулируя напряжение на дополнительных электродах 9 и 11 (при переключении пределов измерения), можно достичь предела измерения вплоть до 10 Па при удобных для измерения значениях ионного тока. Ток в цепи дополнительных электродов активизирует процесс ионизации в активной зоне преобразователя и не влияет на измерение ионного тока.
-10
Таким образом, введение дополнительных пленочных электродов 9 и 11 при измерении малых давлений с подаваемым на них регулируемым напряжением, а также электрическая изоляция полюсных накладок 6 и 7 от холодного катода 2 позволяет устранить основные недостатки магнитных электроразрядных вакуумметрических преобразователей, связанные с трудностями зажигания самостоятельного электрического разряда и малыми величинами измеряемого ионного тока при измерении малых давлений, что и позволяет расширить нижний предел измерения преобразователя до 10 Па и повысить точность измерения давления на этих пределах измерения.