Откачивающее действие термоэлектронного манометра

Для каждой температуры нити отношение |3 числа молекул, удаляемых из объема, к числу молекул, ударяющихся о поверхность нити, остается постоянным.

Где А_г — поверхность нагретой нити в см², подсчитать скорость откачки кислорода (рис. 4. 24).

При нормальной рабочей температуре 2200° К вольфрамового катода площадью в 1 см² при Р = 0,095 скорость химической откачки кислорода составляет около 1 л/сек.

Исследования химической откачки водорода в присутствии разогретой вольфрамовой нити показали, что молекулярный водород разлагается на раскаленной поверхности нити на атомарный, который затем легко вступает во взаимодействие с электродами и баллоном манометрического преобразователя.

Различие в химической откачке кислорода и водорода состоит в том, что откачка кислорода продолжается до полного распыления нити катода, а откачка водорода — до насыщения им всех сорбирующих поверхностей. После этого атомарный водород рекомбинирует в молекулярный и выделяется в объем манометричеСкого преобразователя. Замечено, что скорость химической откачки водорода слабо зависит от температуры катода и составляет приблизительно 0,2 л/сек 64.

Пользуясь данными Лангмюра для |3 при различных температурах нити, можно по формуле

Химическая откачка раскаленной нитью катода сопровождается изменением состава остаточных газов в манометрическом преобразователе.

Реакции кислорода с углеродом, обычно присутствующим в накаленном вольфрамовом катоде, приводят к образованию СО и СО₂— Наличие атомарного водорода в манометрическом преобразователе приводит к образованию Н₂О, СН₄ и СО.

Физический способ откачки состоит в том, что поглощение газов из объема происходит путем адсорбции их очищенными поверхностями манометрического преобразователя. Способность поверхностей в условиях высокого и сверхвысокого вакуума в течение длительного времени поглощать газы проявляется после их предварительного обезгаживания или напыления на них материала катода.

Электрическая или ионная откачка происходит в том случае, когда к электродам манометрического преобразователя приложены ускоряющие напряжения. Механизм такого поглощения состоит во внедрении положительно заряженных ионов в глубь материала отрицательно заряженных электродов. К числу отрицательно заряженных электродов может быть отнесен и корпус манометра.

Электрической откачкой можно удалять как химически активные, так и инертные газы. Скорость электрической откачки пропорциональна значению ионного тока в манометре.

Для преобразователя ЛМ-2 при условии удаления каждого иона, ударяющегося о поверхность, можно подсчитать, что скорость ионной откачки составляет 0,01 л/сек. Общее количество газа, которое может быть удалено ионной откачкой, соответствует нескольким мономолекулярным слоям удаляемого газа. Для манометрического преобразователя, постоянная которого равна 0,1 амм рт. ст., при Р — 10“⁹ мм рт. ст. потребуется около полугода, чтобы при скорости откачки 0,01 л/сек на откачивающих поверхностях образовался один мономолекулярный слой газов. Взаимодействие накаленного катода с парами тяжелых углеводородов, имеющихся во всех вакуумных системах с паромасля-ными насосами при включенном ускоряющем напряжении, характеризуется наличием всех видов откачки. Скорость поглощения паров масла и продуктов его разложения в манометрическом преобразователе может достигать 10 л/сек; при этом наблюдается значительный перепад давления между ним и вакуумной системой.

Откачивающее действие термоэлектронного манометра исследовано Блирсом 65 по схеме, изображенной на рис. 4. 25. К вакуумному колпаку 3, откачиваемому паромасляным насосом, подключают два термоэлектронных манометрических преобразователя. Один из них 4 не имел баллона и был расположен внутри колпака, а преобразователь 1 находился в баллоне и соединялся с вакуумным колпаком при помощи трубки 2. При изменении температуры колпака от 10 до 30° С давление паров масла в колпаке возрастало в 5—10 раз, что регистрировалось преобразователем 4; показания преобразователя 1 при этом почти не изменялись. Перепад давления между манометрическими преобразователями сохранялся в течение нескольких недель непрерывной работы. Исследования Блирса показывают, что точное измерение давления паровмасла возможно лишь открытым манометрическим преобразователем, расположенным непосредственно в вакуумной системе.

Экспериментально измеренные значения суммарной скорости химической, физической и электрической откачек термоэлектронного манометра 63 с постоянной 0,2 амм рт. ст. для азота, кислорода и водорода составляют соответственно 0,5; 1,8; 5 л/сек. Наиболее эффективным способом снижения откачивающего действия термоэлектронного манометра является уменьшение тока эмиссии катода. Исследование зависимости давления в замкнутой вакуумной системе объемом 0,6 л от времени работы термоэлектронного манометрического преобразователя, имеющего чувствительность 20 Ммм рт. ст. для различных токов эмиссии, показало, что при токе эмиссии 10 ма в течение нескольких минут давление уменьшалось на четыре порядка с 10“⁴ до 10~⁸ мм рт. ст., а уменьшение тока эмиссии до 1 мка снижало скорость откачки в 10⁴ раз. Использование малых токов эмиссии сопровождается уменьшением ионных токов. Если считать, что ионные токи 10^-14 а легко измеряются, то давление 10^-9лл рт. ст. еще можно измерять при токе эмиссии 1 мка.

Дальнейшее уменьшение откачивающего действия манометра без изменения тока эмиссии может быть достигнуто за счет использования более эффективных катодов, обеспечивающих получение тех же токов эмиссии при пониженных температурах. Манометрический преобразователь с оксидно-ториевым катодом и рабочей температурой 1270° С имеет при токе эмиссии 10 ла такую же скорость откачки, как преобразователь с вольфрамовым катодом при токе эмиссии 10 мка. Следовательно, не изменяя ток эмиссии, можно снижением температуры катода в 10³ раз уменьшить откачивающее действие термоэлектронного манометра.

Термоэлектронный манометр достаточно надежный прибор, широко применяемый для измерения давлений в диапазоне 10"³-н 10”¹¹ мм рт. ст. Тем не менее в литературе описаны случаи отклонения от линейности градуировочной характеристики термоэлектронного манометра, особенно при измерении сверхвысокого вакуума, что является результатом неуправляемых явлений в работе манометра. Отношение ионного тока к электронному есть функция по крайней мере шести переменных, изменяющихся в процессе работы термоэлектронного манометра: плотности газа, состава газа, длины пробега электронов, энергии электронов, эффективности коллектора ионов и эффективности коллектора электронов.

Плотность газов в объеме манометрического преобразователя может не соответствовать плотности газа в вакуумной камере, так как преобразователь может выделять или поглощать газы. Это особенно заметно при малой проводимости соединительной трубки. Состав газов в преобразователе определяется зависимостью скоростей откачки манометра от рода газа, химическими процессами, происходящими при откачке, газоотделением стенок и электродов преобразователя, диффузией газов через баллон. Длина пробега электронов при постоянных плотности и состава газа зависит от изменений потенциала на стенках баллона и появления изолирующей пленки на электродах манометра. На энергию электронов оказывают воздействие ионный и электронный пространственный заряды, высокочастотные колебания и изменения плотности и состава газа. Эффективность коллекторов ионов и электронов зависит от потенциала на стенках баллона, плотности газа и пространственного заряда.

Точность измерения давления в большой мере зависит от откачки или выделения газов в самом манометре. Скорость выделения газов в манометрическом преобразователе определяется скоростью газовыделения при химической и электрической откачках и десорбции с поверхностей материалов электродов преобразователя. Каждая из названных величин является функцией времени и давления.

Схема подключения манометрического преобразователя к вакуумной системе показана на рис. 4. 26. В наиболее общей форме зависимость давления в преобразователе от времени имеет данный вид.

Особенности эксплуатации термоэлектронного манометра

Особенности эксплуатации термоэлектронного манометра, где S_M — скорость откачки газов преобразователем; S₄ — скорость выделения газов в преобразователе; Sq — скорость поступления газов из вакуумной системы в манометрический преобразователь,

Тогда, согласно формулам (4. 44) и (4. 45), 8 = S_Q. Для вычисления 8q на основании уравнения непрерывности потока газа

можно записать следующую формулу:

где Р — давление газов в вакуумной камере; Р_м — давление газов в манометрическом преобразователе; U — проводимость соединительной трубки преобразователя.

Отношение давления Р в откачиваемом объеме к давлению Р_м в манометрическом преобразователе на основании формул (4. 44— 4. 46) равно

Однако давление может сильно измениться, если эффективная скорость откачки насоса S_H в откачиваемом объеме окажется соизмеримой с эффективной скоростью откачки S манометрического преобразователя. Если Р_о — давление до включения манометра, а Р_х — давление после

Значения отношения для различных S_H в функции от S показаны на рис. 4. 27, б. При равенстве скоростей откачки S_H = S величины давления до и после включения манометра будут отличаться в 2 раза.

Если в вакуумной системе в непосредственной близости друг от друга или от других электронных устройств расположено несколько ионизационных манометров, то между ними наблюдается взаимодействие 66 вследствие миграции электронов из одного манометра в другой. Такая миграция электронов приводит к взаимному увеличению их чувствительности и возможным ошибкам при определении давления.

Способ расширения нижнего предела измерения термоэлектронного и других ионизационных манометров, известный под названием метода «вспышки» или «вспыхивающей нити», был предложен Апкером в 1948 г.