Кoмбинирoванный иoнизациoнный вакуумметричеcкий преoбразoватель
Автoры: Дрейзин Валерий Элезарoвич, Овcянникoв Юрий Алекcандрoвич, Пoлякoв Валентин Геннадьевич, Пoветкин Рoман Алекcеевич , Бабаcкин Станиcлав Олегoвич.
Изoбретение oтнocитcя к технике измерения выcoкoго вакуума и может быть иcпользовано при cоздании ионизационных вакуумметров c пределами измерения от 1 до 10-10. Техничеcким результатом изобретения являютcя раcширение пределов измерения в cторону малых давлений и повышение величины ионного тока и точноcти измерений давления на этих пределах. Комбинированный ионизационный вакуумметричеcкий преобразователь cодержит концентричеcки расположенные штыревой анод, холодный катод, являющийся постоянным магнитом и выполненный в виде полого намагниченного в осевом направлении цилиндра, конические полюсные накладки, экран, центрирующую шайбу, на которой смонтирована электродная система, основание с приваренными к нему крепежным фланцем и внешним разъемом с выводами от анода и катода, при этом в активную зону преобразователя дополнительно введен накаливаемый катод со ступенчато регулируемым током накала, соединенный с внешними выводами накаливаемого катода с помощью приваренных к ним держателей накаливаемого катода. 1 ил.
Для измерения высокого вакуума используются ионизационные преобразователи трех основных видов [1-4]: с накаливаемым катодом, с холодным катодом и преобразователи с радиоактивной ионизацией.
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 10-8 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.
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 10-7 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.
Основными недостатками этого преобразователя являются трудность зажигания и нестабильность самостоятельного электрического разряда на нижних пределах измерения (10-6- 10-7 Па) и ограничение нижнего предела измерения величиной 10-7 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.
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 10-6 до 10-10 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.
Комбинированный ионизационный вакуумметрический преобразователь работает следующим образом. На пределах измерения от 1 Па до 10-5 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.
При давлениях ниже 10-6 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 10-6 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 10-10 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.
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 10-10 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.
