Верхний предел измерения давления термоэлектронных манометров

Таким образом, давление, при котором в преобразователе ЛМ-2 длина пробега электрона равна эффективной длине ионизации, будет 3,4-10“² мм рт. ст.; эту величину давления можно считать верхним теоретическим пределом измерения давления преобразователем ЛМ-2.

Если включить манометрический преобразователь по схеме с внутренним коллектором, то пробег электрона до анода уменьшится, а верхний предел измерения соответственно возрастет в 9,46 раз.

При конструировании ионизационного манометра для измерения высоких давлений необходимо, чтобы эффективная длина ионизации L_e была больше свободной длины пробега электронов I в манометре. Этого можно достичь уменьшением эффективности ионизации е (U, Т) за счет снижения анодного напряжения манометра до величин, близких к потенциалу ионизации, или уменьшением расстояния между электродами манометрического преобразователя.

Для измерения давления азота, равного 760 мм рт. ст., при нормальной температуре и анодном напряжении, близком к потенциалу ионизации, необходимо, чтобы расстояние пробега электрона в пространстве ионизации было менее 3 мк.

Трудность конструирования термоэлектронных манометров для высоких давлений заключается еще и в том, что необходимо сохранить достаточную эффективность ионного коллектора, так как при высоких давлениях из-за соударений с нейтральными молекулами газа часть ионов будет рассеиваться, не достигая коллектора. Количество рассеивающихся при этом ионов пропорционально давлению. Для того чтобы эффективность коллектора не зависела от давления, коллектор ионов должен окружать все пространство ионизации.

На рис. 4. 21, а показан плоский триодный манометрический преобразователь, а на рис. 4. 21, б — цилиндрический триодный преобразователь 60. Расстояние между катодом 3 и коллектором электронов / в этих манометрах соответственно равно 2,5 и 5 мм. Ускоряющее напряжение на аноде 60 в. Коллектором ионов является электрод 2. Манометры имеют линейную зависимость ионного тока от давления при <0,14-0,6.

Чувствительность их к азоту около 0,6 1/мм рт. ст., а верхний предел измеряемых давлений 0,6 мм рт. ст. Фоновый ток коллектора при U_a = 60 в равен 4-10^-7 1_е и соответствует давлению порядка 10^-5 мм рт. ст.

В работе 61 применялась электродная система (рис. 4. 21, в) со взаимно пересекающимися полями: анод—катод и анод—коллектор. Электрический режим работы манометра: на аноде 284 в, на коллекторе —68 в относительно катода, эмиссионный ток 100 мка. В манометре использован стойкий к отравлению оксидно-иттриевый катод на иридиевом керне. Зависимость ионного тока в цепи коллектора от измеряемого давления определялась следующим соотношением: 1_и = О,867_еР^1,04.

Величина фонового тока коллектора достигает в описанном манометрическом преобразователе 3-10^-30 а, что соответствует давлению 5-10“ мм рт. ст. Новое расположение электродов, по мнению авторов, повышает эффективность коллектора, так как в конструкции, изображенной на рис. 4. 21, а, часть ионов, движущихся к коллектору, могла перехватываться катодом.

Для экспериментальной оценки правильности выбора напряжений на электродах термоэлектронного манометра и определения величины фонового тока дополнительно к градуировочной характеристике манометра I_u = f (Р) используются три зависимости ионного тока: от напряжения на коллекторе I_u = f (U_c), от тока эмиссии I_u = f (1_е) и от напряжения на аноде I_u = f (U_a). На рис. 4. 22 и 4. 23 показаны типичные характеристики манометрического преобразователя типа Баярда—Альперта.

Некоторое увеличение ионного тока при изменении напряжения U_c на коллекторе ионов от —20 до —100 в (рис. 4. 22, а) показывает, что коллектор поглощает лишь часть положительных ионов, образующихся в объеме манометрического преобразователя.

Характеристики термоэлектронных манометров

Приведенная на рис. 4. 22, б зависимость I_u = f (Д) имеет линейный характер.

На рис. 4. 23 показаны зависимости I_u = f (U_a) для манометрических преобразователей с цилиндрическим 1 и осевым 2 коллекторами. При давлении 2,1X. X 10“⁷лглрт. ст. характер обеих кривых повторяет фор му кривой эффективности ионизации газа. При давлении 1,5-10^-9 мм рт. ст. характер кривой для манометра с осевым коллектором не изменяется, а наблюдающаяся линейная зависимость в случае манометра с цилиндрическим коллектором показывает, что фоновый ток при этом давлении становится больше ионного тока. Это значит, что давление 1,5-10“⁹ мм рт. ст. лежит ниже предела измерения ионизационного манометра с цилиндрическим коллектором. Используя такие зависимости при разных давлениях, можно оценить нижний предел измерения преобразователя и значение фонового тока.

Для того чтобы правильно интерпретировать показания термоэлектронных манометров, применяемых для измерения давления в различных вакуумных системах, необходимо иметь представление об их откачивающем действии. Это имеет важное значение, так как дает возможность использовать термоэлектронный манометр как насос для получения сверхвысокого вакуума и, кроме того, оценить ошибки измерения давления в зависимости от расположения манометрического преобразователя в вакуумной системе.

Термоэлектронным манометром в рабочем режиме можно откачивать газы несколькими способами — химическим, физическим и электрическим.

Химический способ откачки обусловлен реакциями, протекающими на поверхности катода, разогретого до высоких температур. Этим способом можно откачивать только активные газы: кислород, хлор, водород и пары некоторых углеводородов. Поглощение кислорода на вольфрамовом катоде изучено Ланг-мюром 62. Наблюдая при помощи компрессионного манометра падение давления при нагревании вольфрамовой нити в колбе, наполненной кислородом, и одновременно измеряя уменьшение веса нити, он пришел к выводу, что при температурах свыше 900° К на поверхности вольфрама образуется пленка окисла WO₃, которая при температуре свыше 1250° К легко распыляется и оседает на стенках колбы.