Электрические схемы измерительных установок ионизационных вакуумметров

Электрические установки ионизационных вакуумметров предназначены для подачи на электроды манометрических преобразователей потенциалов, а также для измерения электронного и ионного токов. Выходной прибор установки в связи с линейной зависимостью ионного тока от давления может быть проградуирован в единицах давления.

Наиболее простые схемы установок, в которых в качестве источника питания использованы сухие батареи или аккумуляторы, приведены ранее со схемами устройства манометрических

где К — чувствительность манометрического преобразователя

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

преобразователей. Измерение электронного тока в них осуществляется стрелочным миллиамперметром, а ионного тока — микроамперметром или гальванометром. Такие установки имеют ряд недостатков.

1. Требуют частой замены источников питания.

2. Работа электрических батарей зависит от температуры.

3. Чувствительность микроамперметра и гальванометра часто оказывается недостаточной для измерений в области высокого вакуума. Максимальная чувствительность гальванометра редко может быть более 10⁹ мма, что при постоянной манометрического преобразователя 0,1 амм рт. ст. соответствует отклонению стрелки гальванометра на 1 мм при давлении 10^-8 мм рт. ст. Измерение более низких давлений практически невозможно. Кроме того, гальванометры могут быть легко испорчены небрежным или неумелым обращением, что делает их непригодными для промышленного применения.

4. У термоэлектронных манометров требуется вручную поддерживать постоянный ток эмиссии преобразователя путем изменения сопротивления в цепи накала катода. Это затрудняет непрерывное измерение давления, так как работа выхода любого катода сильно зависит от состава и давления окружающих его газов.

В промышленности наиболее широкое применение получили более сложные электронные установки, источником питания которых обычно служит напряжение сети переменного тока. Их преимущества: имеют большой срок службы; позволяют упростить процесс измерения давления; имеют значительно более высокую чувствительность; дают возможность автоматически поддерживать постоянство электронного тока в преобразователе и в ряде случаев непрерывно вести запись показаний манометра на ленте самописца. Электронные установки также могут осуществлять автоматическое включение или выключение (блокировку) различных механизмов и устройств при изменении давления в вакуумной системе.

По роду задач, выполняемых отдельными частями электронных установок, они могут быть разбиты на ряд функциональных блоков: выпрямителей, стабилизаторов напряжений, стабилизаторов тока эмиссии, усилителей малых ионных токов, блоков автоматики, блоков обезгаживания электродов манометрических преобразователей и др.

Для первичной стабилизации напряжения сети обычно устанавливаются феррорезонансные стабилизаторы. Феррорезонанс-ный стабилизатор напряжения представляет собой трансформатор, с первичной обмоткой которого последовательно соединена группа конденсаторов. Значения емкостей конденсаторов подбираются таким образом, чтобы обеспечить резонанс тока в первичной обмотке трансформатора на частоте 50 гц. Это позволяет при том же питающем напряжении получить большие токи первичной обмотки трансформатора за счет компенсации ее реактивного сопротивления и увеличить магнитный поток в сердечнике трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора работает в режиме насыщения по магнитному потоку. Изменение напряженности магнитного поля первичной катушки в этом случае не будет оказывать значительного влияния на намагничивание сердечника вторичной обмотки трансформатора, что приведет к стабилизации выходного напряжения. Колебания выходного напряжения при изменении напряжения сети 220 в в пределах ±10% не превышают 1—2%.

Дальнейшее улучшение стабилизации напряжения может быть получено применением газовых и электронных стабилизаторов. На рис. 7. 1 показана схема электронного стабилизатора напряжения, используемого в вакуумметре ВИ-12 для стабилизации напряжения на электродах радиоламп усилителя ионного тока. На выходном сопротивлении стабилизатора поддерживается постоянное напряжение 220 в. Отклонение выходного напряжения от номинального значения вследствие изменения напряжения сети или сопротивления нагрузки вызывает изменение напряжения на управляющей сетке лампы 6Ж1П. Напряжение на катоде лампы 6Ж1П остается неизменным и равным опорному напряжению, снимаемому со стабиловольта СГ2П. При увеличении выходного напряжения анодный ток лампы 6Ж1П увеличивается. Отрицательное смещение сетки лампы 6С19П относительно анода, снимаемое с сопротивления 1 Мом, являющегося одновременно анодной нагрузкой лампы 6Ж1П, также возрастает. В результате сопротивление лампы 6С19П увеличивается, что, в свою очередь, приводит к уменьшению выходного напряжения в сторону его номинального значения. Степень стабилизации выходного напряжения зависит от опорного напряжения и может быть сделана меньше 1 %.

Стабилизатор тока эмиссии катода в термоэлектронных вакуумметрах должен поддерживать постоянным ток эмиссии катода с той же степенью точности, с какой производится измерение ионного тока, так как, согласно уравнению ионизационного манометра, при постоянном давлении ионный ток в достаточно широких пределах пропорционален электронному току. Ток эмиссии манометрического преобразователя независимо от потенциалов на его электродах может регулироваться путем изменения температуры катода, которая определяется током накала. В различных условиях работы ионизационных манометров происходит отравление или восстановление эмиссионных свойств катода, что требует изменения тока накала в достаточно широких_йпределах, напримерулампы ЛМ-2 0,8—1,4 а.

В первых схемах автоматической регулировки тока эмиссии было использовано подключение или отключение сопротивления в цепи накала катода при помощи реле 91, 92 или тиратрона 93. Схема регулировки тока эмиссии при помощи реле показана на рис. 7. 2. Контакты Кх (нормально замкнутые) размыкаются при токе эмиссии, большем, чем ток срабатывания реле, и включают сопротивление R в цепь накала катода манометрического преобразователя М. Ток эмиссии при этом уменьшается, а контакты возвращаются в исходное положение.

Аналогично работает схема с тиратроном (рис. 7. 3). Тиратрон Т управляется напряжением на сопротивлении R_a, по которому проходит ток эмиссии 1_е. При превышении номинального значения эмиссионного тока, регулируемого потенциометром R_x, тиратрон запирается, а ток первичной обмотки трансформатора Тр уменьшается из-за большого внутреннего сопротивления кенотрона К. Ток эмиссии катода преобразователя М. при этом также уменьшается. Потенциометр R₂ служит для подачи отрицательного смещения на сетку тиратрона. Коммутацию сопротивления в цепи

катода можно наблюдать по частоте мигания электрической лампочки Л. Максимальная частота срабатывания тиратрона значительно выше, чем у реле, поэтому пределы регулировки тока эмиссии у схемы, изображенной на рис. 7. 3, больше, чем

у схемы на рис. 7. 2. Однако обе схемы допускают колебания тока эмиссии в пределах, определяемых «петлей срабатывания» переключающих устройств.

На рис. 7. 4 показана схема регулирования тока эмиссии при помощи дополнительной сетки в манометрическом преобразователе. В таком тетродном преобразователе 94, 95 катод работает в режиме пространственного заряда, т. е. с запасом эмиссии, а стаби

лизация тока эмиссии осуществляется при помощи дополнительной управляющей сетки, напряжение на которой создается сопротивлением обратной связи £₀ и может регулироваться сопротивлением R_c в анодной цепи манометра. Коэффициент стабилизации

анодного тока определяется крутизной сеточной характеристики триодной части манометра и величиной напряжения обратной связи. Таким путем удалось добиться 95 10-кратного уменьшения колебаний тока эмиссии.

Наиболее распространенным методом автоматической регулировки тока эмиссии является метод разделительного трансфор

матора, впервые предложенный в 1937 г. Риде-науэром и Лэмпсоном 96, с его последующими модификациями 97, 98. Схема регулировки тока эмиссии с разде

лительным трансформатором, применяемая в отечественных вакуумметрах ВИ-3 и ВИ-12, показана на рис. 7. 5. Накал катода осуществляется обязательно переменным током от специального трансформатора Тр_ъ во вторичную обмотку которого последовательно включены нить накала и первичная обмотка повышающего разделительного трансформатора Тр₂. Вторичная обмотка трансформатора Тр₂ включена на мощную лампу Л, работающую как выпрямитель.

Переменные напряжения на первичной и вторичной обмотках соответственно 19 и 270 в. Катод лампы Л находится под положительным потенциалом относительно земли (около 90 в). Сопротивление в анодной цепи манометрического преобразователя осуществляет обратную связь по току эмиссии катода манометра. Потенциал, снимаемый с сопротивления R_c, управляет током через лампу Л. При увеличении тока эмиссии ток лампы Л уменьшается, при этом увеличивается сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр₂, и ток эмиссии получает первоначальную величину. Эта схема дает вполне удовлетворительную регулировку тока эмиссии вольфрамового катода. Сопротивление R в этой схеме осуществляет отрицательное смещение заземленного коллектора по отношению к катоду манометрического преобразователя, находящемуся под положительным потенциалом.

Другая схема с применением разделительного трансформатора 98 не имеет в цепи катода дополнительных сопротивлений и поэтому позволяет регулировать ток накала в более широком диапазоне. Она была специально разработана для оксидных катодов, более чувствительных, чем вольфрамовые, к составу остаточных газов в вакуумной системе, и допускает изменение тока накала катода манометрического преобразователя в пределах 0,5—2,5 а. С сопротивления R (рис. 7. 6) напряжение, пропорциональное току эмиссии, поступает в усилитель, который управляет напряжением смещения на сетках ламп Л_г и Л₂, включенных по схеме двухполупериодного выпрямителя. Напряжение на сетках ламп Л_г и Л₂ изменяется таким образом, чтобы увеличение тока эмиссии вызывало уменьшение тока накала до первоначальной величины. Постоянство тока эмиссии поддерживается при помощи такой схемы в пределах 1—0,5% и определяется в основном тепловой инерцией оксидных катодов.

Возможен и такой режим работы ионизационного манометра, когда ионный ток в преобразователе поддерживается постоянным, а измеряемое давление характеризуется необходимым для этого значением электронного тока. В этом случае отпадает необходимость применения автоматических установок стабилизации тока эмиссии, но появляется потребность в установках для его автоматической регулировки, обеспечивающей постоянство ионного тока. Такие установки имеют то преимущество, что ток эмиссии уменьшается с ростом давления, а следовательно, увеличиваются срок службы катода и верхний предел измеряемых давлений.

Для измерения ионных токов в промышленных моделях ионизационных вакуумметров используются ламповые усилители постоянного тока. С целью уменьшения зависимости анодного тока от состояния источников питания применяются сбалансированные схемы. Обычно для таких схем применяются сдвоенные лампы, размещенные в одном баллоне. На рис. 7. 7 показана схема сбалансированного усилителя постоянного тока. Измерительный прибор измеряет ток разбаланса между двумя анодами, вызванный появлением напряжения на сетке правой половины лампы при прохождении ионного тока. Потенциометром R_a схема балансируется при отсутствии входного сигнала. Если лампа имеет два катода, то аналогичная балансная схема может быть осуществлена в цепи катода.

Напряжение на сетке появляется при прохождении ионного тока по одному из сопротивлений, включенных между сеткой и катодом правой половины лампы. Изменяя величину сопротивлений в цепи сетки R_s, можно изменять пределы измерения ионного тока. Анализ такой мостовой схемы показывает, что отношение выходного тока, протекающего через измерительный прибор, / к ионному току /„ определяется следующим соотношением:

Коэффициент усиления по току, как видно из формульС(7. 1), пропорционален сопротивлению в цепи сетки R_g.

Такой однокаскадный усилитель постоянного тока используется для измерения ионного тока в вакуумметре ВИ-3. Измерение малых ионных токов в этом случае ограничено величиной шунтирующего сопротивления R_g участка сетка — катод, которое для обычных радиоламп не превышает 10⁹ ом. Это не позволяет получить при R_a = 100 ком, согласно выражению (7. 1), коэффициента усиления по току больше 10^е. Причина такого малого сопротивления участка сетка — катод состоит в наличии сеточных токов лампы.

Для уменьшения сеточных токов в качестве электрометрических ламп вместо триодов применяются тетроды. Первая сетка в электрометрическом тетроде имеет положительный потенциал по отношению к катоду, что препятствует эмиссии положительных ионов из катода и таким образом значительно уменьшает сеточный ток в лампе. На сеточный ток в электрометрической лампе может оказывать существенное влияние ионизация газа в объеме лампы. Положительные ионы остаточных газов будут направляться к управляющей сетке, имеющей отрицательный потенциал по отношению к остальным электродам. Чтобы этого не происходило, ускоряющие напряжения в электрометрической лампе не должны превышать потенциалов ионизации остаточных газов, т. е. 8—10 в. Мощность накала также выбирают по возможности меньше, так как уменьшение температуры катода снижает его термоионную эмиссию. Электрометрическую лампу обычно заключают в специальный кожух, в котором поддерживается постоянная температура; воздух из пространства внутри кожуха иногда откачивается для предохранения внешних поверхностей изоляторов от попадания влаги и загрязнений. Кожух лампы одновременно является экраном, предохраняющим ее от электрических и магнитных полей. Электрометрический тетрод типа 2Э2П имеет сопротивление участка сетка — катод около 10¹⁵ ом.

Для увеличения коэффициента усиления по току применяют еще более сложные многокаскадные усилители постоянного тока. Связь между каскадами усилителя осуществляется при одновременной компенсации высокого постоянного потенциала, попадающего на сетку из анодной цепи предыдущей лампы. Такая компенсация достигается применением специальных батарей или сбалансированных каскадов. На рис. 7. 8 показана схема многокаскадного электрометрического усилителя, примененного в вакуумметре ВИ-12 для измерения ионных токов 10^-в-н10~¹³ а. Первый каскад усилителя выполнен на электрометрической лампе 2Э2П по балансной схеме. Следующие два каскада усилителя, собранные на двойных триодах 6Н1П, дают усиление сигнала, обеспечивающее измерение ионного тока. Один каскад работает по балансной схеме, второй — по схеме катодно связанного каскада. Выходной каскад усилителя на лампе 6П1П работает в схеме катодного повторителя и обеспечивает линейность амплитудной характеристики усилителя до 20 в. Усилитель имеет 100-процентную обратную связь, что позволяет уменьшить дрейф начального тока и постоянную времени усилителя, а также пренебречь влиянием изменения коэффициента усиления на результаты измерения ионного тока.

Сложность тщательной балансировки рассмотренных усилителей и необходимость применения стабилизированных источников питания заставляет в ряде случаев применять для усиления постоянных токов значительно более устойчиво работающие усилители переменного тока с разделительными конденсаторами. В таких схемах постоянное или медленно изменяющееся входное напряжение модулируется по амплитуде, а затем усиливается обычным усилителем переменного тока. Усилитель с вибропреобразователем в качестве модулятора использован в работе 84 для измерения ионного тока в радиоизотопном манометре. Нижний предел измерения тока усилителя из-за контактных явлений в вибропреобразователе и различных наводок трудно сделать ниже 10“¹² а.

Для повышения чувствительности при измерении ионного тока в некоторых схемах вакуумметров применяется электронный умножитель 99, 100, который устанавливают вместе с манометрическим преобразователем внутри вакуумной системы. Положительные ионы из преобразователя фокусируются при помощи электростатических линз на первый динод умножителя, находящегося под отрицательным потенциалом 3—6 кв и выполняющего роль коллектора ионов. Анод умножителя находится под потенциалом земли. Ионный ток, попадающий на первый динод умножителя при давлении Р, токе эмиссии 1_е можно определить по формуле

Общий выходной ток умножителя можно определить из следующего выражения:

Если разделить полученное выражение для выходного тока на заряд электрона е, то получим число импульсов в секунду N на выходе электронного умножителя в зависимости от электронного тока и давления

Для предотвращения появления в умножителе значительных фотоэлектронных токов первый динод должен тщательно экранироваться от воздействия ультрафиолетового излучения катода, рентгеновского излучения анода манометрического преобразователя и a-излучения радиоактивного источника радиоизотопного манометра. Для ионизационного манометра с электронным умножителем в работе 100 были получены следующие значения постоянных, входящих в формулу (7. 2):

Подставляя приведенные значения постоянных в формулу (7. 2):