Конструкции термоэлектронных манометрических преобразователей

В 1919 г. Меллер 39 получил эмпирическую формулу, в которой была установлена связь между давлением в манометрическом преобразователе и отношением ионного тока к электронному:

Уравнение (4. 1) является основным уравнением термоэлектронного манометра. Оно показывает, что отношение ионного тока к электронному пропорционально давлению с коэффициентом пропорциональности К, зависящим лишь от конструкции и потенциалов на электродах манометра. Произведение 1_еК = К._а иногда называют постоянной термоэлектронного манометра. С ее помощью для определенного электрического режима работы можно построить градуировочную кривую манометра.

Специальная конструкция манометрического преобразователя с внешним коллектором ионов разработана Дэшманом и Фаундом.

Катод и сетка в этом манометре изготовлены в Виде бифилярных вольфрамовых спиралей, а коллектором ионов служит молибденовый цилиндр диаметром 12 мм. С целью уменьшения токов утечки в цепи коллектора ионов, а следовательно, расширения нижнего предела измеряемых давлений, коллектор ионов имел хорошо изолированный вывод, отдельно расположенный в верхней части баллона.

В последующие годы эксплуатационные характеристики преобразователя улучшались благодаря более тщательному обезгаживанию электродов, уменьшению токов утечки в цепи коллектора ионов, упрощению конструкции и т. п.

Типичным представителем манометрических преобразователей такого типа является лампа ЛМ-2 (рис. 4. 4), получившая широкое распространение. Коллектор ионов 1 имеет форму цилиндра диаметром 27 мм, длиной 26 мм с электрическим вводом в верхней части баллона; потенциал коллектора — 25 в относительно катода. Сетка 2 имеет форму двойной спирали с двумя выводами для прогрева при обезга-живании путем пропускания электрического тока и имеет наружный диаметр 8 мм, диаметр проволоки 0,2 мм, шаг 3 мм, потенциал сетки 200 в относительно катода. Катод 3 — вольфрамовый диаметром 0,1 мм, длиной 65 мм; ток эмиссии в нормальном режиме равен 5 ма. Перед началом работы манометрический преобразователь прогревают в течение 15 мин излучением нагретой сетки. Постоянная манометрической лампы ЛМ-2 при токе эмиссии 5 Ata равна 0,1 аммрт. ст.,т. е. измеряемый ионный ток, выраженный в амперах, в 10 раз меньше, чем соответствующее ему давление в мм рт. ст.

Пределы давлений, которые могут быть измерены таким манометрическим преобразователем, составляют 10“³:10^-7 мм рт. ст. Измерение более высоких давлений ограничивается отклонением градуировочной кривой от линейного закона и быстрым перегоранием катода.

Если бы минимальное давление, измеряемое термоэлектронным манометром, ограничивалось только возможностью измерения малых ионных токов, то, используя современную измерительную технику, можно было бы измерять давления порядка 10^-15 мм рт. ст. Однако на практике с помощью термоэлектронного манометра долго не удавалось измерять давления ниже 10“⁸ мм рт. ст. Поэтому до 40-х гг. существовало мнение, что давление ниже 10~’-н10"⁸ мм рт. ст. получить очень трудно или практически невозможно.

Вместе с тем на основе других методов измерения некоторым ученым уже давно удалось показать возможность получения значительно более низких давлений. В 1935 г. Андерсон 41, используя измерения работы выхода чистой вольфрамовой нити в качестве индикатора давления, получал в откачанном объеме давление, которое было ниже чем 10"⁹ мм рт. ст., так как в его экспериментах изменения работы выхода за счет адсорбции остаточного газа на очищенной поверхности вольфрама не имели места в течение, по крайней мере, 1 ч.

В 1937 г. Ноттингем 42 использовал в качестве остаточного давления газа продолжительность дезактивации торированной вольфрамовой нити. Он нашел, что время дезактивации нити служило лучшей характеристикой вакуума, чем результаты измерений, полученные при помощи термоэлектронного манометра. Было замечено, что, хотя показания манометра достигли своего нижнего предела 10“⁸ мм рт. ст., изменение термоэлектронной эмиссии торированной вольфрамовой нити указывало на дальнейшее значительное улучшение вакуума. Эти работы были поводом к пересмотру представлений о значениях предельно достижимых малых давлений.

В 1947 г. Ноттингем впервые выдвинул гипотезу для объяснения нижнего предела измерения термоэлектронного манометра. Он предположил, что в цепи коллектора ионов существует фоновый ток, не зависящий от давления в системе. Этот ток обусловлен воздействием на коллектор ионов мягкого рентгеновского излучения с непрерывным спектром, возникающего на сетке под воздействием электронов, бомбардирующих ее поверхность с энергией 150эв. Рентгеновское излучение, попадая на коллектор ионов, сопровождается эмиссией фотоэлектронов, которые ускоряются положительно заряженной сеткой и дают в цепи коллектора ионов электронный ток, совпадающий по направлению с ионным током. Электронный ток в цепи коллектора ионов зависит от формы и взаимного расположения электродов манометрического преобразователя и электрического режима его работы.

В термоэлектронном манометре ЛМ-2 при давлении порядка 10"⁷4-10“⁸ мм рт. ст. ток фотоэлектронов с коллектора ионов, возникающий под действием рентгеновского излучения, становится соизмеримым с ионным током. Поэтому давления порядка 10“’ч-10"⁸ мм рт. ст. являются нижним пределом измерения такого манометра.

Это предположение было подтверждено в 1950 г., когда Баярд и Альперт 43 и 44 сконструировали термоэлектронный манометрический преобразователь с осевым коллектором, в котором удалось существенно уменьшить значение фонового тока. Преобразователь аналогичной конструкции выпускается в стеклянном баллоне под названием ИМ-12 (рис. 4.5) и на металлическом фланце под названием МИ-12. Постоянные обоих преобразователей имеют значения порядка 1ч-3-10^-2 а/мм рт. ст. при токе эмиссии 5 ма.

От рассмотренных ранее конструкций эти преобразователи отличаются иным расположением электродов и сильно уменьшенной поверхностью коллектора ионов. Коллектор ионов 1 расположен на месте катода, положение сетки 3 сохраняется неизменным, а катод 2 вынесен за пределы сетки. Ввод коллектора закрыт стеклянным экраном, защищающим его от рентгеновского излучения и препятствующим возникновению токов утечки по баллону преобразователя. Коллектор ионов изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 150 мкм. Для уменьшения его поверхности и соответствующего снижения вероятности попадания на коллектор рентгеновского излучения коллектору путем электрохимического травления придана- фор-ма конуса. Сетка представляет собой молибденовую спираль диаметром 20 мм, приваренную к молибденовым вводам. В качестве катода взята вольфрамовая нить диаметром 150 мкм.

Манометрический преобразователь имеет минимальное количество металлических деталей и обезгаживается пропусканием электрического тока через проволоку сетки, а также электронной бомбардировкой сетки и коллектора ионов. В этом преобразователе телесный угол, под которым коллектор ионов подвергается действию рентгеновского излучения, по крайней мере, в тысячу раз меньше, чем в термоэлектронном преобразователе ЛМ-2. Фоновый ток в преобразователе ИМ-12 оказывается равным 3-10“¹²а. Это значение совпадает с ионным током только при давлениях порядка 10“¹⁰ч-10“¹¹ мм рт. ст.

В манометрическом преобразователе с осевым коллектором нижний предел измерения удалось понизить за счет уменьшения величины S — коэффициента пропорциональности между фоновым током и током эмиссии. S = . В манометрах ЛМ-2 величина S = 10~⁶, т. е. на миллион электронов, ударяющихся о поверхность сетки и являющихся причиной рентгеновского излучения, появляется один фотоэлектрон с коллектора. В манометре Ваярда — Аль-перта 8 = 10“⁸, т. е. в 1000 раз меньше.

Изменение тока эмиссии практически не влияет на нижний предел измерения манометра, так как ионный и фоновый токи изменяются пропорционально току эмиссии, и, следовательно, их отношение остается неизменным:

Отсюда видно, что расширение нижнего предела измерения может быть достигнуто не только уменьшением коэффициента 8, но и увеличением чувствительности А преобразователя. Койн и Даглиш в 1954 г. 45 показали, что манометры магнетронного типа, работающие при напряженностях магнитного поля, превышающих критические, могут иметь чувствительность в 1000 раз большую, чем чувствительность термоэлектронного манометра без магнитного поля.

В 1961 г. Лафферти 46 и 47 разработал конструкцию магнетронного манометра с горячим катодом, работающего при очень малых токах эмиссии. На рис. 4. 6 показана конструкция преобразователя такого манометра. Вольфрамовый катод диаметром 0,2 мм и длиной 19 мм расположен в центре цилиндрического анода диаметром 24 мм и длиной 29 мм. Коллектор ионов расположен в верхней части манометра. Вся система электродов находится в осевом магнитном поле напряженностью около 300 э. Экран служит отражателем электронов. Напряженность магнитного поля Н превышает критическую величину, равную в данном случае 100 э.

Зависимость токов в цепях электродов манометрического преобразователя от напряженности магнитного поля показана на рис. 4. 7. По оси абсцисс отложены значения напряженности магнитного поля, а по оси ординат — значения ионного и электронного токов в манометре. При значении напряженности магнитного поля выше критической 100 э резко возрастает ионный ток и уменьшается электронный ток. Это приводит к тому, что электроны, покинувшие катод, движутся к аноду по траекториям, длина которых во много раз больше расстояния между этими электродами. В результате чувствительность манометрического преобразователя резко увеличивается и становится равной 4-10⁷ ммрт. ст.^-1 по сравнению с 20 мм рт. ст.^-1 для лампы ЛМ-2. Постоянная манометрического преобразователя при 1_е = 2-10"⁹а и Н = 250 э равна 0,08 амм рт. ст., т. е. близка к постоянной преобразователя ЛМ-2 при 1_е = 5 ма, равной 0,1 амм рт. ст. Увеличение постоянной манометра путем увеличения электронного тока оказалось невозможным из-за нестабильности показаний и сильного откачивающего действия манометрического преобразователя.

Отношение тока фотоэлектронов к электронному Току у обоих преобразователей одинаково: — 10^-8. В-результате отношение ионного тока к току фотоэлектронов увеличилось в 2-10® раз. Во столько же раз понизился возможный нижний предел измерения магнетронного ионизационного манометра; теоретически он оказался равным 2,4 х

лось добиться повышения чувствительности манометрического преобразователя за счет увеличения длины пробега электронов в пространстве ионизации без применения магнитного поля. В описанном ими приборе, названном орбитроном (рис. 4. 8), электроны, эмитти-руемые небольшим вольфрамовым катодом 1, под действием большого положительного потенциала анода направляются в пространство ионизации между концентрично расположенными анодом 2 и коллектором ионов 3. Одновременно благодаря наличию присоединенного к катоду специального электрода 5 электронам сообщаются касательные скорости, обеспечивающие относительно большую длину пробега электронов до их попадания на анод.

Снизу расположен изолированный от коллектора отражатель 4, который предотвращает уход электронов из пространства ионизации.

На рис. 4. 9 показаны орбиты электронов, имеющих разные значения касательной составляющей скорости. Размеры анода, катода и коллектора соответственно: 0,25, 0,025 и 30 мм; диаметр колбы 50 мм, а длина 150 мм. Чувствительность орби-трона в 2-10⁴ раз превышает чувствительность манометра Баярда—Альперта. Несмотря на то, что ток эмиссии (4-10~⁷ а) в этом манометре в 10⁴ раз меньше, чем в манометре Баярда—Альперта, ионные токи обоих манометров имеют одинаковые значения. Нижний предел измерения оценивают как 10"¹³-:-10“¹⁴ мм рт. ст., верхний — 1 X X 10~⁵льирт. ст.

Задачей теории термоэлектронного манометра является определение чувствительности манометра К по геометрическим размерам и электрическому режиму работы манометра, теоретическое построение градуировочной характеристики и определение причин, ограничивающих верхний и нижний пределы измерения манометра.

Вычислению величины К посвящены работы советских ученых Н. Д. Моргулиса 49, 50, Л. П. Хавкина 51 и др.

Рассмотрим порядок расчета чувствительности термоэлектронного манометрического преобразователя с плоскими электродами, включенного по схеме триода с внутренним коллектором. Распределение потенциалов в таком манометре по траектории движения электронов приведено на рис. 4. 10 (кривая 1). Кривая 2 соответствует распределению потенциалов в сечениях, проходящих через Витки сетки коллектора.