Омегатрон

Использование магнитных статических масс-спектрометров для измерения парциальных давлений остаточных газов в вакуумных системах затруднительно из-за их сложности и громоздкости. Поэтому в течение последних лет интенсивно проводятся работы по созданию новых, более простых и удобных устройств, позволяющих осуществлять масс-спектрометрический анализ газов в высоком вакууме. Такого рода устройства получили название динамических масс-спектрометров из-за обязательного наличия в них высокочастотного электрического поля. К такого рода приборам относятся омегатрон, радиочастотный масс-спектрометр, импульсный пролетный масс-спектрометр, фарвитрон и электрический фильтр масс.

Хотя разрешающая способность подобных приборов невысока, однако благодаря ряду преимуществ (портативность, простота и дешевизна) они имеют важное значение для промышленных целей. Динамические масс-спектрометры в последнее время входят в практику сверхвысоковакуумных работ в качестве измерителей парциальных давлений.

Принцип действия омегатрона основан на движении ионов во взаимно перпендикулярных постоянном магнитном и переменном электрическом полях. Первоначально омегатрон был предложен для точных измерений массы протона 108. В 1954 г. принцип омегатрона был использован Альпертом и Буритцем 109 для определения парциальных давлений сильно разреженных газов. Схема конструкции примененного прибора изображена на рис. 8. 3.

Омегатрон по принципу работы сходен с циклотроном, хотя и существенно от него отличается. В камере К., сообщающейся с исследуемой вакуумной системой, создаются взаимно перпендикулярные постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле с частотой f.

Снаружи камеры имеется катод, эмиттирующий электроны, ускоряемые положительным напряжением, приложенным к коллектору электронов, расположенному с другой стороны камеры. Для прохождения электронного луча через камеру в ее стенках сделаны отверстия. Ускоренный электронный пучок, сфокусированный осевым магнитным полем, проходя сквозь камеру, ионизирует газы в узкой области вдоль оси прибора. Образовавшиеся ионы взаимодействуют с электрическим и магнитным полями. При этом ионы, для которых собственная циклотронная частота совпадает с частотой колебаний f электрического поля, будут описывать траектории, близкие к раскручивающейся спирали Архимеда в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции В.

Решение уравнения движения ионов в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, при условии, что ионы в момент времени t = 0 имеют нулевую скорость и находятся в начале координат, дает следующее выражение для расстояния иона г от начала координат:

Анализ этого уравнения показывает, что если циклотронная частота ионов совпадает с частотой электрического поля (такие ионы называются резонансными), то

Следовательно, для резонансных ионов радиус траектории движения увеличивается со временем. Если же 4= й, то

где r₀ — расстояние от оси омегатрона до коллектора ионов в мм; В — индукция магнитного поля; Е_о — амплитуда напряженности высокочастотного электрического поля; М — массовое число в а. е. м.

Из полученного выражения видно, что разрешающая способность омегатрона прямо пропорциональна квадрату индукции магнитного поля и обратно пропорциональна напряженности высокочастотного электрического поля и массе ионов.

Выбор величины индукции магнитного поля определяется габаритами магнита. Как правило, В достигает значения 2000— 5000 гс. На рис. 8. 4 приведена типовая зависимость разрешающей способности и тока резонансных ионов от величины напряженности высокочастотного электрического поля.

Величина высокочастотного напряжения выбирается в зависимости от условий эксперимента. Если производится анализ очень малых количеств газа при относительно высоком давлении 10^-5н-10^-7 мм рт. ст., то можно увеличить чувствительность омегатрона по ионному току за счет увеличения высокочастотного напряжения. Длина Пробега резонансного иона до коллектора

радиус траектории движения нерезонансных ионов колеблется во времени, оставаясь ограниченной величиной, причем

Таким образом, в омегатроне резонансные ионы, двигаясь по спирали, будут ускоряться, непрерывно получая приращение энергии, а нерезонансные ионы будут двигаться по некоторой скручивающейся и раскручивающейся кривой в пределах ограниченной области. Поэтому, если на расстоянии г >r_max = разместить коллектор ионов, то его смогут достигнуть только резонансные ионы ( <о = 12 = — I с определенным отношением заряда к массе.

Изменяя частоту переменного электрического поля или величину напряженности магнитного поля, можно последовательно создавать условия резонанса для ионов с различными отношениями, т. е. произвести измерение ионных токов, соответствующих различным газам, присутствующим в вакуумной системе.

Из уравнений (8. 7) и (8. 8) может быть определена разрешающая способность омегатрона

при этом уменьшается, а следовательно, уменьшается рассеивание резонансных ионов. Однако разрешающая способность при этом падает. Если же требуется измерить давление отдельных газов в области предельного разрешения омегатрона, то уменьшают высокочастотное напряжение, что увеличивает разрешающую способность омегатрона при одновременном уменьшении чувствительности по ионному току.

Омегатрон устойчиво работает в области давлений, меньших 1 • 10~⁵ мм рт. ст. При более высоких давлениях резко увеличивается фоновый ток. На рис. 8. 5 приведена зависимость фонового тока от давления. С увеличением давления происходит рост тока резонансных ионов, однако отноше-сигнал ние — — при давлениях свыше 10 ⁰ мм рт. ст. становится малым, что ограничивает возможность измерения парциальных давлений.

В литературе описано много конструкций камер омегатрона, принципиально не отличающихся от рассмотренного выше устройства. Усовершенствования их сводятся к введению дополнительных электродов, улучшающих характеристики омегатрона. Для более тщательной фокусировки электронного луча между стенкой камеры и катодом устанавливают диафрагмы. Внутри камеры между высокочастотными пластинами на равном расстоянии друг от друга размещают некоторое количество пластин с вырубленной центральной частью, что обеспечивает равномерное распределение высокочастотного поля внутри камеры и способствует удалению из ее объема нерезонансных ионов. К пластинам через делитель подводятся высокочастотное напряжение и небольшое постоянное напряжение для улавливания нерезонансных ионов. Указанные усовершенствования приводят к уменьшению фона, росту тока резонансных ионов и к увеличению разрешающей способности омегатрона.

Количественные измерения парциальных давлений газов с помощью омегатрона можно производить только в режиме, когда на коллектор ионов собираются все резонансные ионы. Ионный ток, характеризующий количество газа, прямо, пропорционален парциальному давлению газа, току электронного луча и вероятности ионизации газа. Кроме того, ионный ток зависит от правильности ориентации омегатрона в магнитном поле, чистоты поверхности электродов, величин высокочастотного напряжения и улавливающего напряжения коллектора ионов. Поэтому при настройке омегатрона для измерения парциальных давлений всем указанным факторам должно быть уделено максимальное внимание. Воспроизводимость показаний прибора и количественный анализ парциальных давлений газов возможны только при наиболее полном улавливании образующихся ионов ПО.

Имеются приборы, в которых увеличение разрешающей способности достигается созданием равномерного высокочастотного поля путем установки спирали между заземленной и высокочастотной пластинами 111, а также применением неравномерного магнитного поля 112, ИЗ.

Нижний предел измеряемых омегатронами парциальных давлений отдельных газов при работе в условиях хорошего вакуума достигает 10~¹⁰ч-10~¹⁴ мм рт. ст. Разрешающая способность йрй сильных магнитных полях доходит до 100. Количественные измерения парциальных давлений могут проводиться с погрешностью ±10%.

Результаты измерений с помощью омегатрона показаны на рис. 8. 6, где приведены масс-спектрограммы остаточных газов, полученные при откачке вакуумной системы паромасляным насосом до давления 2-10^-7 мм рт. ст.

Конструкции омегатронов и различные области их применения описаны в литературе. В СССР выпускается омегатронный преобразователь РМО-4С 114, аналогичный описанному простейшему омегатрону Альперта и Буритца 109. Омегатронный преобразователь РМО-4С предназначен для измерения парциальных давлений 10~⁵н-10^-1° мм рт. ст. и имеет разрешающую способность не менее 20, что позволяет с его помощью анализировать состав газов в вакуумных системах в диапазоне массовых чисел от 2 до 100. В приборе применен вольфрамовый катод; электроды изготовлены из немагнитных материалов. Диаметр колбы 35 мм, объем 50 см³.

Комплект, состоящий из омегатронного преобразователя РМО-4С и измерительной установки с магнитно-юстировочным устройством, выпускается отечественной промышленностью под названием ИПДО-1.

Измерительная установка обеспечивает измерение ионного тока омегатронной лампы, ее питание, а также автоматическую и ручную развертку спектра масс с записью на электронном потенциометре ЭПП-09.

Прибор ИПДО-1 может быть применен в исследованиях по ядерной физике, в электровакуумной технике и т. п.

Диапазон массовых чисел газов, регистрируемый прибором, Л4

от 2 до 100. Разрешающая способность прибора не менее 20. Диапазон рабочих давлений прибора 1 • 10^-5—1 • 10^-10 мм рт. ст. Чувствительность прибора такова, что при парциальном давлении аргона 2-Ю^-10 мм рт. ст. пик ионного тока аргона не менее 1 • 10^-14 а.

Частота генератора прибора ИПДО-1 в диапазоне 30 кгц— 2,5 Мгц может устанавливаться по одной непрерывной шкале с линейным распределением частот. Выходное напряжение генератора от 0 до 2 в в диапазоне частот 30—1000 кгц и от 0 до 5 в в диапазоне частот 1000 кгц — 2,5 Мгц. Напряжение контролируется стрелочным прибором. В приборе ИПДО-1 имеется автоматическая развертка частоты генератора. Время прохождения всего диапазона 20 мин.

Техническая характеристика ИПДО-1

Усилитель постоянного тока прибора ИПДО-1 позволяет измерять ионные токи от 10¹⁴ до 5- 10^п а. Входное сопротивление усилителя 10¹² ом. Ионные токи записываются на электронном самопишущем потенциометре типа ЭПП-09.

Потребляемая прибором ИПДО-1 мощность (вместе с ЭПП-09) не превышает 300 вт.

Вес измерительного блока 38 кг, выносного каскада — 1,3 кг, ЭПП-09 со стойкой — 65 кг, магнитно-юстировочного устройства — 45 кг. Размеры измерительного блока 385 X 360 X 635 мм, выносного каскада (с переходным экраном) 215 X 65 мм, ЭПП-09

со стойкой 600 X 600 X X 1230 мм, магнитно-юстировочного устройства 750 х 500 х 300 мм.

Измерительная установка состоит из следующих функциональных блоков (см. блок-схему ИПДО-1, рис. 8. 7):

1) блока питания омега-тронного преобразователя РМО-4С и стабилизации тока коллектора электронов (тока луча), обеспечивающего следующие по

стоянные напряжения на электродах омегатрона (относительно корпуса прибора): напряжение катода — 100 ± 5 в, диафрагмы + 10 + 0,5 в, коллектора электронов +100 + 10 в, улавливающих пластин омегатронной камеры +1,5 в;

2) генератора высокой частоты (30 кгц—2,5 Мгц) для создания переменного электрического поля, имеющего устройство для автоматической развертки спектра анализируемой смеси газов по частоте;

3) электрометрического усилителя постоянного тока для усиления и измерения ионного тока;

4) постоянного магнита, создающего магнитное поле В — = 3000 гс и установленного на магнитно-юстировочном устройстве;

5) блока питания измерительной установки;

6) электронного самопишущего потенциометра ЭПП-09 для регистрации спектра масс анализируемых газов.

Ионный ток в омегатроне измеряется при помощи электрометрического усилителя с 100-процентной отрицательной обратной связью, имеющего входное сопротивление R_ex = 10¹² ом.

Измерение тока производится по напряжению, создаваемому током при прохождении через входное сопротивление усилителя.

Общий коэффициент усиления по напряжению равен 1, по току — 2,5-10. Постоянная времени усилителя составляет 0,6 сек (без учета постоянной времени индикатора). Напряжение сигнала после входного (выносного) электрометрического каскада усиливается двухкаскадным усилителем и поступает на катодный повторитель, предназначенный для согласования с низкоомным измерительным прибором и потенциометром ЭПП-09. 100-процентная отрицательная обратная связь осуществляется подачей напряжения с выхода катодного повторителя на вход электрометрического каскада, имеющего полярность, обратную полярности входного напряжения.

Входной каскад работает на лампе 3 типа ЭМ-6 (сдвоенный электрометрический тетрод; см. рис. 8.8, вклейка). Каскад собран по схеме параллельного баланса и имеет коэффициент усиления примерно 0,8. Анодными нагрузками лампы ЭМ-6 служат сопротивления 280, 283, 284. С помощью потенциометра 283 производят балансировку каскада при замене лампы ЭМ-6; режим лампы устанавливают с помощью сопротивлений 279, 282, 285.

Дальнейшее усиление сигнала осуществляется двумя каскадами усилителя (рис. 8. 8) с непосредственной связью на лампах типа 6Н2П (271) и 6НЗП (248) с общим коэффициентом усиления примерно 180—200. Первый каскад собран по балансной схеме: переменные сопротивления 268, 274 служат для балансировки каскада и установки нулевого уровня на выходе усилителя при работе с прибором. Сопротивления и конденсаторы 266, 277, 278, 264 предназначены для предотвращения паразитной генерации. Второй каскад катодно-связанный. Левая половина лампы 6НЗП 248 является компенсационной и работает с большим анодным током; правая половина лампы служит усилителем сигнала.

Связь между первым и вторым каскадами усилителя осуществляется через высокоомные делители 262, 259, 261, 244, 245.

Усиленный сигнал подается с анода лампы 248 на управляющую сетку конечного каскада, работающего на лампе 241 типа 6НЗП, включенной по схеме с катодной нагрузкой. С катода лампы 241 сигнал поступает на переключатель шкал индикатора выхода 235. Измерение напряжения на выходе усилителя и установка нулевого уровня производятся по стрелочному прибору и электронному самопишущему потенциометру типа ЭПП-09, подключаемому к разъему 288. Схема индикатора выхода обеспечивает измерение и запись напряжений 3—50 в (пределы: 0,3; 1; 3; 10; 30; 100 в). Предел измерения электронного потенциометра всегда соответствует пределу измерения стрелочного прибора.

Диоды типа Д102А 220 и 223 предохраняют стрелочный прибор от перегрузок.

Питание всех цепей электрометрического входного каскада и анодных цепей усилителя производятся стабилизированным напряжением Д-200 в (электронная стабилизация). В катодные цепи всех ламп усилителя подается стабилизированное напряжение 215 в для компенсации положительных напряжений на сетках ламп (феррорезонансная и газовая стабилизация). Накальные цепи ламп усилителя питаются от феррорезонансного стабилизатора напряжения.

Для получения сигнала в диапазоне частот 30 кгц—2,5 Мгц в генераторе использован принцип преобразования частот двух высокочастотных гетеродинов: одного, работающего на фиксированной частоте 10 Мгц, и другого — на переменной частоте.

Напряжения гетеродинов подаются на буферные каскады, а затем на преобразователь частоты. На выходе преобразователя включен фильтр нижних частот, задерживающий все высокочастотные составляющие, полученные после преобразования, и пропускающий спектр частот рабочего диапазона. Высокочастотное напряжение после фильтра усиливается широкополосным усилителем и поступает на выход к высокочастотным пластинам омегатрона (через кабель РК-50). Напряжение на выходе усилителя контролируется стрелочным индикатором.

Принципиальная электрическая схема генератора приведена на рис. 8. 9 (см. вклейку).

Гетеродин фиксированной частоты (10 Мгц) содержит лампу 23 типа 6Ж1П и работает по схеме емкостной трехточки с заземленным по высокой частоте анодом. Параллельно контуру кроме основной емкости 3 включен термокомпенсирующий конденсатор 5, а также переменный конденсатор небольшой емкости 9 для установки нулевой частоты (нулевых биений).

Буферный каскад работает на лампе 39 типа 6НЗП. Левый триод лампы представляет собой катодный повторитель; катодной нагрузкой его являются сопротивления 41, 42. Правый триод лампы служит резонансным усилителем с настроенным контуром в аноде 46, 49, 56. С контуром слабо связана обмотка, с которой снимается напряжение на преобразователь. Этот сигнал небольшого уровня является преобразуемым колебанием.

Схема гетеродина переменной частоты в основном аналогична схеме гетеродина фиксированной частоты. Кроме основных емкостей, термокомпенсирующей и подстроечной, параллельно контуру включен конденсатор переменной емкости 7, изменяющий частоту гетеродина в пределах 10—7,5 Мгц. Шкала этого конденсатора градуирована в соответствии с частотой, получаемой после преобразования.

Напряжение высокой частоты снимается непосредственно с контура генератора и через конденсатор 32 подается на сетку буферного каскада, который работает на лампе 43 типа 6Ж9П по схеме катодного повторителя. С катода буферного каскада напряжение подается на преобразователь. Этот сигнал, имеющий относительно большой уровень (3 в), выполняет функцию несущего колебания.

Напряжение рабочей частоты, полученное после преобразования, практически не зависит от уровня несущего колебания и определяется лишь уровнем преобразуемого сигнала.

Преобразование частот обоих гетеродинов в рабочую (разностную) частоту осуществляется при помощи кольцевого преобразова- теля. В качестве нелинейных элементов используются германиевые диоды 61, 62, 65, 66 типа Д2Е. Нагрузкой преобразователя является однозвенный Т-образный фильтр низких частот. Его назначение — отфильтровать преобразованный сигнал от высокочастотных составляющих и пропустить полосу рабочих частот 0 — 2,5 Мгц.

К элементам фильтра относятся индуктивности 68, 72 и емкость 71. Для того чтобы иметь различные напряжения на частотах 30 кгц—1 Мгц и 1—2,5Л1ац, нагрузочное сопротивление фильтра состоит из двух сопротивлений 73, 74, выбранных в соотношении 3 : 2. Коммутация напряжений происходит при помощи реле 75, управляемого от мгновенного переключателя 34, связанного механически с верньерно-шкальным устройством.

Широкополосный усилитель обеспечивает усиление сигнала рабочей частоты, полученного после фильтра, и содержит два каскада усиления и катодный повторитель на выходе. Первый и второй каскады работают на лампах 85, 96 типа 6Ж9П и 6Э5П и являются реостатными усилителями с высокочастотной коррекцией. Анодными нагрузками ламп служат сопротивления 83 и 94 и индуктивности 84, 95. В первом каскаде имеется отрицательная обратная свзяь, обусловленная катодным сопротивлением 87. Усиленный сигнал поступает на потенциометр 103, предназначенный для регулировки выходного уровня, а затем на сетку катодного повторителя на лампе 108 типа 6Э5П. С выхода катодного повторителя напряжение высокой частоты поступает через разъемы 126, 289, 290 (рис. 8. 8) и двухметровый кабель РК-50 к омегатронному преобразователю РМО-4С.

Контроль и установка напряжения на выходе усилителя производятся по стрелочному прибору 123.

Индикатор выхода представляет собой мостовую схему удвоения напряжения, два плеча которой содержат германиевые диоды типа Д2Е 117, 118, а два других — емкости 119, 121. Прибор имеет две шкалы — одну на 3 в и другую на 10 в. Переключение шкал вольтметров производится переключателем 124, коммутирующим добавочные сопротивления 122, 125 в цепи индикатора.

Контроль установки нулевых биений генератора осуществляется по стрелочному прибору индикатора выхода; при наличии нулевых биений показания прибора равны нулю.

Устройство для автоматической развертки частоты генератора (рис. 8. 9) состоит из синхронного двигателя 28 типа СД-2, приводящего во вращение ротор конденсатора переменной емкости 7 через электромагнитную муфту 27 и верньерно-шкальное устройство. Развертка рабочего диапазона частот 0—2,5 Мгц происходит за 20 мин.

Включение автоматической развертки производится при помощи кно