СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА Российский патент 2001 года по МПК G01L21/32 

Изобретение относится к технике измерения глубокого вакуума в диапазоне давлений 10^-4 - 10^-12 Торр и может быть использовано при создании соответствующих вакуумметров.

Известен способ измерения вакуума (см. стр. 80 [1]), заключающийся в том, что в полость, в которой необходимо провести измерение, инжектируют электронный пучок. Электронный пучок ионизует остаточный газ, вызывая появление ионного тока. Регистрируя ионы, можно судить о величине давления в вакууме.

Известен также способ измерения вакуума, заключающийся в том, что в полость, в которой необходимо провести измерение, инжектируют электронный пучок, формируя в нем виртуальный катод (ВК), и измеряют с помощью электростатического зонда длительность времени релаксации ВК, происходящего за счет ионизации остаточного газа, а по длительности времени релаксации вычисляют давление [2]. Этот способ выбран нами за прототип.

Недостатком способов [1, 2] является необходимость введения дополнительных датчиков в область электронного пучка (ионного коллектора в случае [1] или электростатического зонда в случае [2]), что исключает дистанционность измерения.

Задачей изобретения является обеспечение дистанционности измерения вакуума, что может оказаться необходимым, например, в условиях космоса.

Техническим результатом предлагаемого решения является обеспечение дистанционности измерения вакуума.

Этот результат достигается за счет того, что в способе измерения вакуума, заключающемся в том, что в полость, в которой необходимо провести измерение, инжектируют электронный пучок, формируя в нем ВК, измеряют длительность времени релаксации ВК, происходящего за счет ионизации остаточного газа, а по длительности времени релаксации вычисляют давление, новым является то, что длительность времени релаксации ВК измеряют путем измерения длительности импульса СВЧ-излучения из области ВК.

Реализуемость такого способа основана на том, что электроны пучка осциллируют в потенциальной яме между реальным катодом и ВК, за счет чего генерируется СВЧ-излучение в диапазоне частот 0,1- 10 ГГц в зависимости от энергии электронов, а также на том, что СВЧ-излучение прекращается после пропадания ВК.

Достижимость технического результата основана на большой дальности распространения СВЧ-излучения в вакууме.

На чертеже представлено устройство, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ. На чертеже обзначено: 1 - катод, 2 - источник питания, 3 - анодная сетка, 4 - коллектор, 5 - приемник СВЧ-излучения, ВК - виртуальный катод, e - электроны. Прямыми стрелками показаны траектории электронов, волнистыми стрелками - СВЧ-излучение.

Катод 1 может быть изготовлен, например, в виде танталового термоэмиттера, источник питания 2 обеспечивает напряжение на катод-анодном промежутке, например, величиной 1 кВ, анодная сетка 3 выполнена с геометрической прозрачностью 95% из вольфрамовой проволоки диаметром 0,1 мм. Анодная сетка 3 и коллектор 4 могут быть заземлены, если измерения проводят в лабораторных условиях, в космических условиях в заземлении нет необходимости.

Расстояние между катодом 1 и анодной сеткой 3 может быть установлено, например, величиной 5 мм, а расстояние между анодной сеткой 3 и коллектором 4 - величиной 20 мм.

Осуществляют предлагаемый способ, например, следующим образом. Устройство размещают в измеряемом вакууме. После прогрева катода 1 включают источник питания 2, подавая на катод-анодный промежуток ускоряющее для электронов напряжение. Этим обеспечивается инжекция электронов сквозь анодную сетку 3 в эквипотенциальный промежуток, образованный анодной сеткой 3 и коллектором 4. В этом промежутке образуется ВК благодаря полю собственного пространственного заряда пучка. После образования ВК приемник 5 фиксирует СВЧ-излучения (с частотой ~0,3 ГГц для рассмотренного примера).

В области ВК происходит ионизации остаточного газа электронным ударом и наработка ионов, причем скорость ионизации пропорциональна давлению остаточного газа. После наработки такого количества ионов, когда их пространственный электрический заряд скомпенсирует заряд электронов, ВК исчезает, что приводит к исчезновению СВЧ-излучения на приемнике 5.

Измеряя длительность импульса СВЧ-излучения из области ВК с помощью приемника 5, можно определить давление P по формуле P = A/τ, где A - постоянная, зависящая от сорта газа, τ - длительность импульса СВЧ-излучения. Например, для воздуха A ≅ 2•10^-10 Тор•с. Для других газов возможна предварительная калибровка.

Дистанционность измерения вакуума основана на отсутствии необходимости измерения мощности СВЧ-излучения, при этом приемник СВЧ-излучения 5 можно располагать на любом, достаточно удаленном расстоянии от места измерения вакуума.

Источники информации
1. Лекк Дж., "Измерение давления в вакуумных системах", М.: Мир, 1966, 208 с.

2. Lloyd O., "High vacuum measurement by means of virtual cathode relaxation time", British Journal of Applied Physics, 1966, vol. 17, N 3, p. 357 - 370.

Изобретение относится к технике измерения глубокого вакуума в диапазоне давлений 10^-4 - 10^-12 Торри и может быть использовано при создании соответствующих вакуумметров. Данный способ заключается в том, что в полость, в которой проводят измерение вакуума, инжектируют электронный пучок, формируя в нем виртуальный катод, измеряют длительность времени его релаксации, происходящих за счет ионизации остаточного газа, а по длительности времени релаксации вычисляют давление, при этом длительность времени релаксации виртуального катода определяют путем измерения длительности импульса СВЧ-излучения из области виртуального катода. Данное изобретение позволяет обеспечить дистанционность измерения вакуума. 1 ил.

Способ измерения вакуума, заключающийся в том, что в полость, в которой необходимо провести измерение, инжектируют электронный пучок, формируя в нем виртуальный катод (ВК), измеряют длительность времени релаксации ВК, происходящей за счет ионизации остаточного газа, а по длительности времени релаксации вычисляют давление, отличающийся тем, что длительность времени релаксации ВК измеряют путем измерения длительности импульса СВЧ-излучения из области ВК.