КОМБИНИРОВАННЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
COMBINED IONISATION VACUUM-GAUGE TRANSDUCER

-10
Изобретение относится к технике измерения высокого вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 1 до 10 Па.
Для измерения высокого вакуума используются ионизационные преобразователи трех основных видов [1-4]: с накаливаемым катодом, с холодным катодом и преобразователи с радиоактивной ионизацией.
-8
Из преобразователей с накаливаемым катодом наиболее широкое распространение получили преобразователи Байярда-Альперта, 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 (до 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.
Магнитные электроразрядные вакуумметрические преобразователи основаны на использовании ионизации остаточного газа в межэлектродном пространстве преобразователя в сильном электрическом поле при одновременном воздействии на образующиеся при ионизации газа свободные заряды (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.
-7
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 [1, 5] (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. Этот ток не зависит от давления, а поскольку полюсные накладки электрически соединены с катодом (постоянным магнитом, выполняющим функцию коллектора ионов), то его невозможно отделить от полезного ионного тока, измеряемого в цепи катода.
Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются расширение предела измерения в сторону малых давлений, повышение величины ионного тока и точности измерений давления на этих пределах измерения.
-6
-10
Эти задачи решаются путем введения в традиционную инверсно-магнетронную конструкцию преобразователя накаливаемого катода с регулируемым током накала, который включается только на нижних пределах измерения (от 10 до 10 Па).
Комбинированный ионизационный вакуумметрический преобразователь (далее преобразователь), конструкция которого представлена на чертеже, состоит из анода 1, выполненного в виде цилиндрического стержня, расположенного вдоль оси системы, холодного катода 2, которым служит намагниченный вдоль оси постоянный магнит, выполненный в виде полого цилиндра, конических полюсных накладок 3, служащих для создания необходимой конфигурации магнитного поля в межэлектродном пространстве, экрана 4, центрирующей шайбы 5, на которой смонтирована электродная система, основания 6, выполненного из ковара и вваренного в крепежный фланец 7 (профиль основания 6, обеспечивающий вместе с медной прокладкой вакуумно-плотное соединение с вакуумной системой, на чертеже не показан), накаливаемого катода 8 с держателями накаливаемого катода 9, приваренными к соответствующим внешним выводам накаливаемого катода 10. Фланец 7 имеет восемь отверстий для крепежных болтов по периферии для соединения с вакуумной системой. Снизу к нему приварен корпус электрического разъема 11. Выводы от всех электродов проходят через стеклянные или керамические изоляторы 12, впаянные в соответствующие отверстия в основании 6. Крепление экрана 4 снизу на чертеже не показано.
-5
Комбинированный ионизационный вакуумметрический преобразователь работает следующим образом. На пределах измерения от 1 Па до 10 Па включительно на накаливаемый катод 8 не подается ток накала, и преобразователь работает как обычный инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь. Между холодным катодом 2 и анодом 1 прикладывается 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 2), формируемое с помощью полюсных накладок 3. Активной зоной преобразователя, в которой происходит ионизация нейтральных частиц газа, является пространство между полюсными накладками 3, простирающееся до внутренней поверхности холодного катода 2. 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 только в результате столкновений с нейтральными частицами газа, которые могут изменять направление их скорости 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 2, 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, можно судить о давлении газа.
-6
-6
-10
При давлениях ниже 10 Па ионный ток становится очень малым (менее 1 нА) и становится сравнимым с токами автоэлектронной эмиссии из полюсных накладок и токами утечки выводов. Это и ограничивает нижний предел измерения и затрудняет зажигание разряда при отсутствии вспомогательного накаливаемого катода. Поэтому на пределах измерения 10 Па и ниже включается ступенчато регулируемый (при переключениях пределов измерения) ток накала накаливаемого катода 8. Благодаря термоэмиссии электронов из накаливаемого катода 8 в активную зону преобразователя плотность потока электронов, совершающих циклоидальное движение, многократно возрастает, но в отличие от классических преобразователей с накаливаемым катодом эти электроны, прежде чем попасть на анод, совершают множество оборотов в активной зоне преобразователя и могут попасть на анод именно в результате ряда столкновений с нейтральными частицами газа, в том числе и ионизирующих. Соответственно возрастет и ионный ток в цепи холодного катода 2. Причем по сравнению с классическими ионизационными преобразователями с накаливаемым катодом для получения тех же значений ионного тока понадобится во много раз меньший ток термоэлектронной эмиссии, т.к. длина траекторий электронов в этом преобразователе будет на несколько порядков больше, чем в классических преобразователях Байярда-Альперта. Поэтому можно не опасаться интенсивной электронной бомбардировки анода и возникающего из-за этого мягкого рентгеновского излучения с анода. Ступенчато регулируя ток накала при переключении пределов измерения, можно достичь пределов измерения вплоть до 10 Па при удобных для измерения значениях ионного тока. Ток термоэлектронной эмиссии увеличивает ток анода, замыкаясь по цепи между накаливаемым катодом и анодом, и не мешает измерению ионного тока, что позволит повысить точность измерений давления на этих пределах измерения.
-10
Таким образом, введение накаливаемого катода с регулируемым током накала при измерении малых давлений позволяет устранить основные недостатки магнитных электроразрядных вакуумметрических преобразователей, связанные с трудностями зажигания самостоятельного электрического разряда и малыми величинами измеряемого ионного тока, что и позволяет расширить нижний предел измерения преобразователя до 10 Па, при повышении точности измерений на этих пределах измерения.
Литература
1. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - 504 с.
2. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 512 с.
3. Ворончев Т.А., Соболев В.Д. Физические основы электровакуумной техники. - М.: Высшая школа, 1967. - 352 с.
4. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 366 с.
5. Преобразователь манометрический магниторазрядный ПММ-32-1. Паспорт.