Радиоизотопные манометры

В радиоизотопных манометрах для ионизации газа используется a-излучение некоторых видов радиоактивных изотопов. Начальная энергия а-частицы, образующейся в процессе распада.

атома, очень велика и для радия, например, составляет 4,79 Мэв. а-частица представляет собой двухзарядный положительный ион гелия. Для того чтобы придать ему такую же энергию в электрическом поле, понадобилось бы ускоряющее напряжение 2,4 X X10 в. В отличие от термоэлектронных манометров в этих приборах не требуется ускоряющего электрода для ионизирующих частиц. Стабильность работы радиоизотопного манометра обеспечивается независимостью радиоактивного распада от температуры окружающей среды, а при соответствующем выборе радиоактивных материалов она не зависит от продолжительности его работы и физико-химического воздействия находящихся в преобразователе газов. Благодаря этим свойствам и практически неограниченному сроку службы радиоизотопный манометр является одним из лучших приборов для измерения вакуума.

На рис. 6. 1 показана схема радиоизотопного манометрического преобразователя с дисковым источником а-частиц. Он состоит из коллектора 1 в виде стержня радиусом г_к, цилиндрического анода 2 радиусом г_а и длиной L_a, радиоактивного источника 3 радиусом г_и и толщиной h. Теория манометра рассмотрена в литературе 83, 84. Эффективность ионизации а-частицы п₀ (число ионов, образованных одной а-частицей на пути в 1 см при давлении 1 мм рт. ст.) может быть найдена из следующего выражения: где Е — энергия а-частицы в эв; E_t — энергия ионизации соответствующего газа в эв; R — полная длина пробега а-частицы при давлении 760 мм рт. ст. в см.

Число положительных ионов dn, образованных в радиоизотопном манометрическом преобразователе (рис. 6. 1) в телесном угле d«) = 2л sin ada, пропорционально давлению Р и при длине пролета а-частицы I определяется выражением где п_а — активность источника, т. е. число а-частиц, образующихся в радиоактивном изотопе в единицу времени, при условии достаточно больших периодов полураспада Т;

Здесь А — число Авогадро, 6,02-10²³ Нмоль; М. — молекулярный вес в г; т — масса радиоактивного вещества в г; Т — период полураспада в сек.

Общее число положительных ионов п, образующихся в объеме манометрического преобразователя в единицу времени, можно определить интегрированием выражения (6. 2) по углу «, усредняя затем полученный результат по толщине радиоактивного источника Л:

На рис. 6. 2 приведены в условных единицах семейства кривых, отображающих зависимость чувствительности манометрического преобразователя от радиуса г_а и длины L_a анода для различных

значений ср. Из графиков видно, что с ростом L_a при r_a — const чувствительность преобразователя быстро стремится к пределу. Изменение радиуса анода сильнее, чем изменение его длины влияет на чувствительность (рис. 6. 2, а при L_a — const). _э

Зависимость чувствительности от размеров радиоактивного источника дана на рис. 6. 3. На рис. 6. 3, а показано изменение чувствительности в функции от площади радиоактивного источника S b условных единицах для различных значений х = при т — const.

На рис. 6. 3, б приведена зависимость чувствительности манометра А от толщины слоя h для различных значений х при S = = const. Масса радиоактивного вещества в этом случае величина переменная, пропорциональная h.

Выражение (6. 5) для чувствительности радиоактивного манометра с учетом формулы (6. 6) может быть представлено в виде

Из кривых рис. 6. 3, б видно, что увеличивать толщину радиоактивного источника целесообразно лишь до h = 0,6i, так как при дальнейшем росте h чувствительность изменяется слабо.

В работе 85 предложено наносить радиоактивное вещество на поверхность цилиндрического анода, что позволяет получить при тех же габаритах манометрического преобразователя большую поверхность радиоактивного вещества. Расчет чувствительности А для такого преобразователя приводит к следующему выражению:

где

Остальные обозначения те же, что и в формуле (6. 5).

Зависимость чувствительности такого преобразователя от длины и радиуса анода при т = const показана в условных единицах на рис. 6. 4. Увеличение длины анода повышает чувствительность (рис. 6. 4, б) при r_a — const лишь в некоторых пределах; увеличение радиуса анода при L_a = const является более эффективным способом увеличения чувствительности. Расчеты чувствительности, проведенные по полученным выражениям, совпадают с экспериментом с точностью до коэффициента 2. Результаты вычисления относительных изменений чувствительности в зависимости от размеров и количества радиоактивного вещества совпадают с результатами эксперимента с погрешностью не более 10%.

Нижний предел измерения радиоактивного манометра определяется наличием тока коллектора, не зависящего от давления. Он обусловлен попаданием на коллектор заряженных частиц, испускаемых радиоактивным источником, и вторичной электронной эмиссией с коллектора в результате его бомбардировки а-частицами. Величина фонового тока для манометра (рис. 6. 1) с дисковым источником излучения 83 имеет следующий вид:

Обозначения см. на рис. 6. 1.

Уменьшение фонового тока возможно лишь за счет уменьшения функции F_r, которая, как показывают исследования, уменьшается с уменьшением радиуса коллектора г_к и с увеличением размера 6. Изменение размера 6, как видно из рис. 6. 5, а, существенно влияет на величину фонового тока. Остальные размеры манометра r_u, f_a, L_a слабо влияют на величину 1_ф. Величина фонового тока в манометрическом преобразователе с точечным источником 84 соответствовала давлению 2-Ю^-3 мм рт. ст.

НИЖНИЙ И ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В манометрическом преобразователе с источником излучения, распределенным по поверхности анода, значение фонового тока определяется следующим выражением:

Зависимость функции Г₂ от отношения длины коллектора к длине анода показано на рис. 6. 5, б для различных величин отношения длины анода к его радиусу.

В преобразователе с распределенным источником излучения в отличие от преобразователя с дисковым источником излучения длина коллектора не влияет резко на величину фонового тока. Величина фонового тока в преобразователе с распределенным источником излучения составляла 5-10~¹⁴ а, что соответствовало давлению 3-10~³ мм рт. ст.

где

При конструировании радиоизотопных манометрических преобразователей для низких давлений 10^-4н-1 мм рт. ст. следует с целью увеличения чувствительности максимально увеличивать объем их рабочего пространства и применять для уменьшения фоновых токов тонкие коллекторы, а для предотвращения токов утечки — малые анодные напряжения.

Нижний предел измерения радиоизотопного манометра составляет 1О“²4-1О~³ мм рт. ст., а в случае применения в измерительной схеме электронного умножителя и специальной конструкции с уменьшенным фоновым током — 10~⁵ мм рт. ст. 83—88.

Верхний предел измерения радиоизотопного манометра ограничивается величиной начальной энергии а-частицы и объемной рекомбинацией положительных ионов с электронами в рабочем пространстве преобразователя. Начальная энергия а-частицы Е определяет полное число пар ионов щ, которое может быть образовано такой а-частицей. В газе с энергией ионизации E_t щ = = Если а-частица успевает создать на своем пути полное число пар ионов n_t, не долетев до стенок манометрического преобразователя, то показания манометра становятся не зависящими от давления. Величину давления Р_шах в этом случае можно представить так:

В связи с тем что а-частицы в манометрическом преобразователе имеют различные энергию и длину траекторий, переход от линейной зависимости ионного тока от давления к насыщению должен происходить плавно. Однако фактически верхний предел измерения радиоизотопного манометра обнаруживается при давлении более низком по сравнению с условием (6. 13), что объясняется рекомбинацией ионов в объеме преобразователя. Вольт-амперные характеристики системы анод—коллектор, полученные экспериментально при различных давлениях, показывают, что с возрастанием давления анодное напряжение, соответствующее току насыщения, увеличивается вследствие наличия объемного заряда в рабочем пространстве преобразователя. Объемная рекомбинация ионов наступает тогда, когда длина свободного пробега иона становится меньше расстояния между анодом и коллектором. Для того чтобы собрать на коллектор возможно большее число ионов, увеличивают анодное напряжение, уменьшают объем ионизации и применяют многостержневой коллектор. Все эти изменения приводят к повышению верхнего предела измерения преобразователя лишь при соответствующем повышении нижнего предела измерения, так как при этом сильно возрастает отношение фонового тока к ионному току.

Установка многостержневого коллектора, например, как было показано в работе 83, без изменения чувствительности преобразователя увеличивает фоновый ток примерно в 10 раз. Верхний предел измерения радиоизотопных манометров составляет 100-4-200 мм рт. ст. 83, 87; в специальных конструкциях он может достигать 1000 мм рт. ст. 88.