Нижний предел измерения, фоновые токи и способы повышения чувствительности термоэлектронных манометров

Ионизирующее излучение в манометрическом преобразователе сопровождается рядом вторичных явлений, часть которых оказывается вредной для его работы, так как создает дополнительный ток в цепи коллектора, имитирующий увеличение давления. В большинстве термоэлектронных манометров предел чувствительности ограничивается уровнем фоновых токов. Эти токи являются результатом явлений, происходящих в преобразователе: возникновение фотоэлектронного тока в цепи коллектора под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения; автоэлектронная эмиссия с поверхности коллектора; термоионная эмиссия разогретого катода. Источником ультрафиолетового излучения являются возбужденные газовые молекулы и поверхность катода, разогретого до высокой температуры. Мягкое рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в материале анода и имеет непрерывный спектр с верхней граничной частотой, определяемой соотношением где U_а — потенциал анода; h — постоянная Планка.

Наибольшую составляющую в фоновый ток в цепи коллектора вносит фотоэлектронный ток, возникающий под действием рентгеновского излучения. Экспериментальное определение зависимости фотоэлектронного тока с коллектора от анодного напряжения в обычном пентоде, работающем в качестве термоэлектронного манометра, показало, что отношение фототока к электронному току пропорционально анодному напряжению 53.

Распределение энергии фотоэлектронов (рис. 4. 17) показывает, что их максимальная энергия не превышала 30 эв. Фотоэлектронный ток 1ф коллектора в термоэлектронном манометре зависит от величины электронного тока и телесного угла, в котором коллектор перехватывает рентгеновское излучение. Все эти величины при нормальной работе манометра неизменны, и, следовательно, фотоэлектронный ток коллектора, вызываемый рентгеновским излучением с анода, не зависит от давления. Кроме непосредственного рентгеновского излучёния с анода, на коллектор может попасть часть отраженного рентгеновского излучения от других электродов. Экспериментальная зависимость фонового тока, обусловленного рентгеновским излучением от тока эмиссии 1_е и анодного напряжения U_a, выражается следующим уравнением:

где 1,5<и<2 — для манометров в стеклянном баллоне и п = 1 — для открытых манометров.

Теоретическое соотношение между электронным током и фототоком в термоэлектронном преобразователе выведено на основании

Значение фонового тока рентгеновского излучения для манометрического преобразователя ЛМ-2 приблизительно равно 2«10^-8 а, а для манометрического преобразователя ИМ-12— 2-10~¹² а.

Однако указанные величины фоновых токов могут оказаться в 100 раз меньше истинных значений, если поверхность анодной сетки манометра будет покрыта слоем легко химисорбирующихся газов, например кислорода. Такое увеличение фонового тока объясняется десорбцией с сетки под действием электронной бомбардировки быстрых положительных ионов, часть которых может попадать на коллектор, создавая фоновый ток, не зависящий от давления. При небольшой плотности электронного тока значения скоростей адсорбции при давлении в манометре и десорбции за счет электронной бомбардировки могут быть близкими, а эффект увеличения фонового тока в этом случае будет существовать в течение очень продолжительного времени.

Было проведено экспериментальное исследование влияния предварительной адсорбции кислорода на поверхности сетки при давлении 10^-10 мм рт. ст. на показания двух одинаковых термоэлектронных манометрических преобразователей, размещенных в стеклянном баллоне и соединенных с одной и той же вакуумной системой 55. Показания преобразователя, на сетке которого был предварительно адсорбирован монослой кислорода, оказались на порядок больше, чем преобразователя с очищенной от кислорода сеткой, измерявшего истинное давление. Эта разность показаний сохранялась в течение более 160 ч.

Где т — соотношение между максимальной и минимальной энергиями электронов, бомбардирующих анод; у — число электронов, выбитых из коллектора одним фотоном (принимается постоянным для всех частот); <р — доля фотонов, перехватываемых коллектором; Z — атомное число материала анода; U_a — потенциал анода.

Где т — соотношение между максимальной и минимальной энергиями электронов, бомбардирующих анод; у — число электронов, выбитых из коллектора одним фотоном (принимается постоянным для всех частот); <р — доля фотонов, перехватываемых коллектором; Z — атомное число материала анода; U_a — потенциал анода.

В реальной конструкции термоэлектронного манометра не весь электронный ток используется для получения ионов и не все ионы, образованные в пространстве ионизации, поглощаются коллектором. Поэтому в работе манометра будет участвовать лишь часть а электронного и часть 0 ионного тока.

Исходя из описанных представлений о наличии остаточного фототока 1ф в цепи коллектора, учитывая уравнение (4. 35) и принимая во внимание а и 0, можно уравнение термоэлектронного манометра поедставить в следующем виде:

Обезгаживание сетки манометрического преобразователя электронной бомбардировкой с-удельной мощностью 12 вт/см² в течение нескольких минут полностью устраняло разность показаний манометров. Удаление адсорбированного слоя кислорода путем пропускания электрического тока неэффективно, так как требует прогрева сетки до температуры около 1700° К.

Для уменьшения значения фонового тока и соответствующего расширения нижнего предела измерения термоэлектронного манометра известны следующие способы:

1) уменьшение анодного напряжения;

2) уменьшение телесного угла перехвата непосредственного и отраженного рентгеновского излучения анода путем установки экранов или уменьшения поверхности коллектора;

3) компенсация фонового тока в цепи коллектора;

4) подавление фототока электродом, имеющим отрицательный потенциал по отношению к коллектору.

В литературе приводится несколько конструкций манометрических преобразователей, в которых использованы перечисленные способы снижения фототока. Например, в работе 56 дано описание манометрического преобразователя с двумя коллекторами, имеющими одинаковые размеры и расположенными внутри сетки симметрично относительно оси манометра. На один из коллекторов подается потенциал —60 в относительно другого коллектора. Ионный ток первого коллектора будет приблизительно в 2 раза меньше, чем второго. Для измерения давления используется разность токов коллекторов, измеряемая дифференциальным электрометром; фоновые токи коллекторов при этом взаимно уничтожаются. Таким образом удается понизить нижний предел измерения на 1—2 порядка.

Недостатком этого метода является уменьшение чувствительности приблизительно в 3 раза по сравнению с чувствительностью обычной одноколлекторной конструкции.

В работе 57 описан манометрический преобразователь с дополнительным электродом, расположенным в объеме ионизации. На этот электрод, имеющий форму стержня и называемый модуляторным, может подаваться напряжение коллектора U_K или напряжение анодной сетки U_a.

В первом случае часть ионного тока течет в цепи модуляторного электрода; при этом ток коллектора

где tn — 0,34—0,4 — коэффициент модуляции, не зависящий от давления.

Во втором случае модуляторный электрод находится под напряжением анода, и ионный ток в его цепи равен нулю.

Недостатками описанной методики измерения являются некоторое уменьшение чувствительности благодаря применению модулятора, необходимость переключения электродов и дополнительных вычислений в процессе измерения. Нижний предел измерения давления манометрическим преобразователем с модулятором расширяется примерно на один-два порядка.

В работе 53 описан манометрический преобразователь с подавлением фототока коллектора при помощи специальных экранирующих электродов. Между коллектором манометра и анодом расположен экран, находящийся под потенциалом —40 в относительно коллектора, что достаточно для подавления всех фотоэлектронов, вылетающих из коллектора под действием рентгеновского излучения анода. Таким образом удается сильно уменьшить фототок в манометре и расширить пределы измерения. Однако чувствительность такого преобразователя очень мала из-за частичного поглощения ионов отрицательно заряженным электродом. Фоновый ток в таком преобразователе определяется непосредственным и отраженным от других электродов рентгеновским излучением анода, выбивающим с экрана фотоэлектроны, которые движутся к коллектору, ускоряемые положительным по отношению к экрану потенциалом коллектора.

Дальнейшим улучшением конструкции манометрического преобразователя явилась дополнительная экранировка вспомогательного отрицательно заряженного электрода от непосредственного рентгеновского излучения анода. На рис. 4. 18 изображен термоэлектронный манометр 58, имеющий обычный вольфрамовый катод 1 и сетку 2 в виде стакана. Положительные ионы, образующиеся в пространстве ионизации, направляются к коллектору 5, находящемуся под нулевым потенциалом. Кольцевой электрод 4 служит для подавления фототока с поверхности коллектора и находится под потенциалом—300 в относительно коллектора. Экранный электрод 3 выполняет несколько функций:

1) защищает кольцевой электрод 4 от непосредственного рентгеновского излучения сетки, предотвращая появление фототока от кольцевого электрода к коллектору;

Комбинируя уравнения (4. 38) и (4. 39), можно исключить 1_ф и определить величину ионного тока

2) образует вместе с сеткой 2 электростатическую линзу, которая фокусирует ионы и ускоряет их на коллектор;

3) защищает область коллектора и область дрейфа ионов от влияния потенциала колбы, который может существенно изменять чувствительность манометрического преобразователя.

Преобразователь 58 имел чувствительность 20 Ммм рт. ст. и работал при токе эмиссии 10 ма. При отсутствии отрицательного смещения на кольцевом электроде фототок коллектора соответствовал давлению 2,5- 10^-10лл рт. ст. На рис. 4. 19 показано влияние потенциала кольцевого электрода на показания манометра при четырех различных давлениях. Уменьшение тока коллектора прекращается при потенциале на кольцевом электроде менее —200 в. Манометром измерялось давление вплоть до 2-10^-12 мм рт. ст., и его показания были в хорошем соответствии с показаниями манометров, имеющих модулятор и двойной коллектор.

Не менее эффективным способом расширения пределов измерения термоэлектронного манометра в сторону более низких давлений является повышение его чувствительности за счет увеличения ионизирующей способности а электронов и повышения эффективности 0 коллектора ионов.

Для повышения ионизирующей способности электронов необходимо предотвратить уход электронов из пространства ионизации на колбу преобразователя. В манометрическом преобразователе Баярда — Альперта этого можно достигнуть установкой отражателя электронов в виде сетки, находящейся под отрицательным потенциалом и окружающей все остальные электроды. При помощи такой дополнительной сетки можно получить в зависимости от проницаемости анодной сетки 5—10-кратное увеличение чувствительности. Более эффективным способом удлинения траекторий электронов является применение в термоэлектронном манометрическом преобразователе осевого магнитного поля. В описанном выше термоэлектронном магнетронном манометре (рис. 4. 6) таким образом удалось увеличить чувствительность в 10 раз.

Для увеличения эффективности коллектора ионов анодную сетку можно делать закрытой, что предотвращает утечку с торцов положительных ионов на катод, корпус или отражатель электронов через открытые участки сетки обычного преобразователя. В такой модифицированной конструкции заметно влияние объемного заряда ионов на распределение потенциалов внутри объема ионизации. Для сохранения в преобразователе линейной зависимости ионного тока от давления необходимо работать при малых токах эмиссии. Максимально допустимая величина тока эмиссии оказалась в этом случае обратно пропорциональной корню квадратному из ионного тока.

На рис. 4. 20 показана схема термоэлектронного манометрического преобразователя со скрещенными электрическим и магнитным полями 59, в котором осуществлены одновременно экранировка от рентгеновского излучения и удлинение траекторий электронов под воздействием магнитного поля. Коллектор ионов 1 экранирован от анода 2 электродом 4. Совместное действие аксиального магнитного поля, направление которого показано на рис. 4. 20, и радиального электрического поля между цилиндрическими электродами заставляет электроны двигаться по удлиненным траекториям.

В пространстве дрейфа от катода 3 до анода 2 электроны, закручиваемые магнитным полем, проходят путь, значительно превышающий размеры прибора. В связи с тем, что пучок электронов не возвращается в пространство дрейфа, нет опасности возникновения в этом преобразователе магнетронных колебаний и можно работать при больших токах эмиссии, чем в обычных магнетронных манометрах. Чувствительность такого прибора при U_a = 600 в, U_K = —180 в, Н = 280 э, 1_е = 5 ма и Р = = 10"^э мм рт. ст. составляла 4000 Иммрт. ст., т. е, ионный ток в этом случае равен 0,02 мка.

Обычные термоэлектронные манометры имеют верхний предел измерения около 10“³ мм рт. ст. Вольфрамовый катод, применяемый в таких преобразователях, например в лампе ЛМ-2, имеет при давлении 10“³ мм рт. ст. срок службы 100 ч, а при давлении 10“² мм рт. ст. — несколько минут. Очевидно, что длительная работа манометра в таких условиях невозможна. Однако опасность перегорания катода не является основной причиной, ограничивающей верхний предел измерения термоэлектронных манометров. Имеются катоды, которые могут работать достаточно длительное время при значительно более высоких давлениях. Катод с иридиевым керном, покрытый окисью тория или иттрия, имеет срок службы около 200 ч при давлении 1 мм рт. ст.

Основная причина, ограничивающая верхний предел измерения термоэлектронного манометра, — нарушение линейности градуировочной характеристики при высоких давлениях. Это происходит при эффективной длине ионизации электрона (т. е. при среднем расстоянии, на котором один электрон образует один ион газа), соизмеримой со средней длиной пролета электрона в пространстве ионизации манометрического преобразователя. В этом случае число вторичных электронов, образовавшихся при ионизации, приблизительно равно числу первичных электронов, вылетевших из катода. Вторичные электроны, приобретая энергию, достаточную для ионизации молекул газа, нарушают линейную зависимость между электронным и ионным токами. В газе возникает разряд, при котором ионный ток коллектора не будет пропорционален электронному току и давлению. Если в процессе измерения высоких давлений поддерживать электронный ток постоянным, то наблюдается кажущееся уменьшение постоянной манометра.

В термоэлектронном манометрическом преобразователе ЛМ-2 средняя длина пробега электрона в пространстве ионизации до попадания на анод равна А (г_к — г_с) = 9,46 (1,2—0,4) = = 7,56 см. Эффективная длина ионизации электрона L_e обратно пропорциональна давлению и при ионизации азота для Р = = 1 мм рт. cm., U_a = 150 в при температуре в объеме ионизации 380° С равна 0,258 см.