Магнитные манометры

На основании уравнений (4. 48) и (4. 50) можно определить истинное давление в системе:

Выбрав значения анодного напряжения и магнитной индукции, можно направить электроны по траекториям, радиус которых значительно меньше радиуса анода. Электрон, вылетевший из катода, двигается по циклоиде к другому катоду. Если электрон совершит хотя бы одно даже неионизирующее столкновение с молекулой газа, он потеряет часть своей энергии и, не достигнув катода, начнет колебаться во внутрианодном пространстве манометра. Соударения электрона с молекулами газа вызывают его переход на траектории с большими радиусами, в результате чего он попадает на анод. Электроны, образующиеся при ионизации молекул газа, вместе с электронами, вырванными электрическим полем из катода, также дрейфуют по направлению к аноду. По мере приближения к аноду плотность дрейфующих электронов возрастает. Положительные ионы, образующиеся при ионизации из-за значительно большей, чем у электронов, массы, слабо отклоняются в магнитном поле и практически прямолинейно движутся к катоду. Вторичные электроны, образующиеся при ионной бомбардировке катода, служат для поддержания разряда. Таким образом, магнитному полю в такой системе электродов удается значительно удлинить траекторию электрона при его движении от катода к аноду по сравнению с расстояниями между этими электродами. Как было показано ранее, удлинение траектории электронов увеличивает среднее количество ионов, образованных электроном до попадания на анод, т. е. увеличивает чувствительность манометра.

Явления, происходящие в разряде такого типа, еще недостаточно хорошо изучены, что затрудняет теоретическое вычисление чувствительности манометра.

Распределение потенциалов в манометрическом преобразователе типа Пеннинга для двух анодных напряжений 70 показано на рис. 5. 2. Нулевой точке соответствует точка пересечения осей симметрии манометрического преобразователя. Влево от нулевой точки показано распределение потенциалов по направлению к катоду, т. е. по оси анода, а вправо— по радиусу анода. На рисунке отчетливо видны «потенциальные ямы», образующиеся в пространстве ионизации манометра вследствие появления объемного заряда электронов.

Разрядный ток, измеряемый в цепи катода, состоит из ионного тока, вторичных электронов и тока автоэлектронной эмиссии. Первые два тока пропорциональны давлению, а последний не зависит от давления и ограничивает нижний предел измерения манометра.

Здесь L_e — эффективная длина ионизации; L = I — длина пробега электрона до попадания на анод; е — эффективность ионизации.

При давлении 10^-5 мм рт. ст. разряд в манометре Пеннинга становился неустойчивым, а при давлении 10"⁶ мм рт. ст. совсем исчезал; разрядный ток в манометре был нестабилен, и наблюдалось случайное изменение его значения в пределах ±5%.

Дальнейшим улучшением конструкции магнитного манометра явилось применение цилиндрического анода 71, 72, 731.

Электроды манометрического преобразователя (рис. 5. 3) представляли собой цилиндр-анод, закрытый с обеих сторон крышками-катодами. Постоянная манометрического преобразователя такой конструкции оказалась выше, чем предыдущей, приблизительно в 10 раз. Область линейной зависимости разрядного тока от давления сохранялась до 10"⁶ мм рт. ст., исчезновение разряда наступало при давлении, меньшем 10~⁸ мм рт. ст. Постоянная манометра К_а определялась из уравнения 1_Р = К_аР- Значение К_а увеличивалось с ростом анодного напряжения (рис. 5. 4). Нестабильность разрядного тока не превышала 2%.

Уменьшить нестабильность разрядного тока манометра и еще более увеличить постоянную манометра удалось при рамочной конструкции электродов, исследованной в работе 74. Корпус преобразователя 1 (рис. 5. 5), изготовленный из стали 1Х18Н10Т, является катодом. Анод 2 имеет форму рамки с квадратными ячейками, образованными натянутой вольфрамовой проволокой. Вывод анода сделан через стеклянный изолятор 3, защищенный от повреждения цоколем 6. Магнитное поле создается съемным магнитом 7. С вакуумной системой преобразователь соединяется при помощи патрубка 4 с накидной гайкой 5 и типового канавочно-клинового уплотнения. Для обезгаживания преобразователя его следует нагреть до температуры 450° С.

Кроме анодного напряжения и напряженности магнитного поля разрядный ток в таком преобразователе при постоянном давлении зависит от числа и размеров ячеек и расстояния между катодами. Зависимость разрядного тока от напряженности магнитного поля в случае различных размеров ячеек и расстояний между катодами приведена на рис. 5. 6. Кривая 1 на рис. 5. 6, а получена при размере ячеек ЮхЮям, а кривая 2 — при размере 5×5 мм(и_а=4 кв, расстояние между катодами 10 мм). Для размера ячеек 5×5 мм при расстоянии между катодами 10 мм постоянная манометра была в 3,5 раза меньше, чем в случае размера ячеек 10 X 10 мм. При расстоянии между катодами 5 мм различие между постоянными манометрами для обоих размеров ячеек незначительно. Наибольшие значения постоянной преобразователя были достигнуты тогда, когда сторона квадрата ячейки приблизительно равнялась расстоянию между катодами. Прямоугольные ячейки оказались менее эффективными, чем квадратные. Увеличение анодного напряжения сопровождалось ростом разрядного тока (рис. 5. 6, б). Преобразователь с ячейками 10×10 мм, расстоянием между катодами 10 мм, Н — 1500 :1800 э и U_a = 3 кв имел постоянную 8 амм рт. ст. с разбросом для отдельных экземпляров преобразователей до ±20%.

Градуировочная характеристика была линейной в диапазоне давлений 10~⁴-н10“⁹ мм рт. ст. Преобразователь данной конструкции стабильно работал во всем диапазоне указанных давлений, что можно объяснить выравнивающим действием большого числа одновременно работающих разрядных промежутков. Преобразователь с рамочным анодом не имеет устройств для подавления фоновых токов и не может быть использован для измерения давлений ниже 10^-9 мм рт. ст.

На рис. 5. 7 показан магнетронный манометрический преобразователь 75 со вспомогательными катодами 3, предназначенными для экранировки основного катода 2 от большей части тока автоэлектронной эмиссии, возникающего в области наибольших значений напряженности электрического поля между анодом 1 и катодом 2. Большая часть тока автоэлектронной эмиссии в этом случае не проходит через измерительный прибор. При размерах электродов г_к — 1,45 мм, 1_К = 20 мм, г_а = 15 мм, 1_а = 14 мм, напряжении на аноде 6 кв и магнитной индукции 1000 гс постоянная такого манометрического преобразователя была в 45 раз выше, чем постоянная преобразователя Баярда —Альперта и составляла 9 амм рт. ст. Такой магнетронный манометр в диапазоне давлений 10~*-ч-5 -10^-10 мм рт. ст. имеет линейную градуировочную характеристику. При давлении ниже 5-10^-10 мм рт. ст.

Градуировочная кривая становится нелинейной и зависимость между разрядным током и давлением выражается эмпирическим соотношением