Электронные ионизационные преобразователи

Ионизационные преобразователи предназначены для измерения давления в диапазоне 102-10^-8 Па. Принцип их действия основан на ионизации молекул газов электронами, эмитированными накаленным катодом, и измерении ионного тока, величина которого зависит от давления газов.

Схематично конструкция простейшего электронного ионизационного преобразователя приведена на рис. 8. В стеклянном баллоне 1 смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов 2, анодной сетки 3 и прямонакального катода 4. На анодную сетку подается положительный относительно катода потенциал, а на цилиндрический коллектор ионов — отрицательный.

Вольфрамовый катод преобразователя при нагреве испускает электроны, которые под действием электрического поля ускоряются по направлению к аноду, создавая электрический ток. Так как сетка достаточно проницаема, то значительная часть электронов пролетает между ее витками в пространство между сеткой и коллектором ионов, где, в основном, и происходит ионизация газа электронами. Между анодом и коллектором электроны попадают в тормозящее поле. В некоторой точке пространства электроны останавливаются и ускоряются опять к анодной сетке. В результате этого вокруг анода непрерывно колеблются электроны. Эти колебания повышают вероятность столкновения электронов с молекулами газа и их ионизации.

Образующиеся положительные ионы ускоряются к коллектору ионов, создавая в его цепи ионный ток.

При достаточно низких давлениях (< 0,1 Па) отношение ионного тока 1_и к электронному 1_э прямо пропорционально давлению газов Р в манометрической лампе.

Это соотношение называется уравнением электронного преобразователя.

Упрощенная схема включения электронного преобразователя показана на рис. 9.

Для получения однозначной зависимости ионного тока от давления, электронный ток преобразователя поддерживают постоянным (например, в ПМИ-2 1_э = 0,5 мА). Тогда 1_и = К • Р, где К = S • 1_э характеризует величину ионного тока на единицу давления и называется постоянной преобразователя.

Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.

При работе с разными газами чувствительность преобразователя будет отличаться, т. к. эффективность ионизации зависит от рода газа.

Таблица 2

Относительная чувствительность ионизационных преобразователей

Такой манометр позволяет измерить давление 1—10^-5 Па с погрешностью ± 30%. Нижний предел давлений ограничен наличием в цепи коллектора постоянной составляющей тока, не зависящей от давления. Эта постоянная составляющая — фоновый ток фотоэмиссии коллектора — существует вследствие облучения коллектора мягким рентгеновским излучением, которое возникает при бомбардировке анода электронами с энергией ~ 200 эВ. Фоновый ток, например, датчика ПМИ-2 имеет величину, соответствующую давлению 5 • 10^-7 Па.

Для уменьшения фонового тока уменьшают поверхность коллектора. На рис. 10 приведен датчик ПМИ-12, выпускаемый отечественной промышленностью для измерения давления до 10^-8 Па (погрешность ± 50 %).

Отличие этого преобразователя от предыдущего состоит в том, что катод и коллектор ионов в нем поменялись местами: одна или две катодные нити (одна запасная) помещены вне сетки, коллектор же ионов в виде тонкой проволоки расположены по оси лампы внутри сетки.

В этом случае поверхность коллектора ионов становится очень малой и на нее попадает лишь незначительная часть рентгеновских лучей, посылаемых сеткой. В результате фоновый ток значительно снижается.

Чувствительность манометра можно увеличить еще на 2-3 порядка, если поместить его датчик в магнитное поле. При этом, за счет движения электронов по спирали в магнитном поле, увеличивается эффективность ионизации молекул газа. На рис. 11 показано схематическое устройство такого преобразователя.

Здесь электроны от катода к аноду движутся по спирали. Магнитное поле в нем создается катушкой 2 и направлено параллельно оси анода 3. Катод 4 — термоэлектронный, коллектор 1 расположен в верхней части баллона.