СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ГАЗОВ В МОЩНОМ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОМ ПРИБОРЕ Российский патент 2007 года по МПК G01N7/14 H01J9/38 

Изобретение относится к электронной технике, а конкретно к технологии изготовления мощных электровакуумных приборов (ЭВП) и контроля в них изменения парциальных давлений. Такие приборы являются дорогостоящими, и проблемы регистрации изменений парциальных давлений газов на разных этапах их изготовления и эксплуатации являются актуальными, так как позволяют оптимизировать технологический процесс их изготовления на основе проведенных измерений давлений газов. Особенно эта задача актуальна для мощных ЭВП с высокой вероятностью электрического пробоя, часто приводящего к выходу приборов из строя. Измерение изменения парциальных давлений необходимо для определения в мощных ЭВП выделившихся газов и анализа их по следующим параметрам: массовое число, изменение давления, следовательно, определение поверхностного газосодержания.

Известен способ измерения изменения парциальных давлений в отпаянном ЭВП, где в качестве масс-спектрометрического преобразователя используется омегатрон. Такой способ широко применяется для анализа явлений, происходящих во время работы ЭВП, например, экспериментального диода [1], кинескопа [2], лампы бегущей волны [3]. Этот способ включает в себя: присоединение масс-спектрометрического анализатора к объему ЭВП до его откачки и проведение измерений парциальных давлений на этапах откачки и тренировки, если их позволяют провести электрические и магнитные поля самого ЭВП или аппаратуры, в составе которой размещен ЭВП. Измерение изменений парциальных давлений проводится путем сравнения этих давлений до момента импульсного энергетического воздействия на ЭВП и после этого воздействия (например, до и после высоковольтного электрического пробоя).

Недостатками этого способа являются следующие:

- в каждый ЭВП требуется устанавливать масс-спектрометрический газоанализатор, который имеет большие габариты, часто соизмеримые с габаритами прибора. В основном наличие газоанализатора допустимо лишь в экспериментальных, но не серийно изготавливаемых ЭВП. Применение газоанализаторов, как правило, ограничивается этапом изготовления ЭВП;

- мощные ЭВП по своему принципу работы имеют собственные сильные электрические и магнитные поля, которые оказывают влияние на рабочий режим газоанализатора, что затрудняет процесс измерения изменения давлений газов или может сделать эти измерения невыполнимыми, например, из-за отклонения электронного и ионного пучков газоанализатора магнитными полями ЭВП.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ измерения изменения парциальных давлений газов времяпролетным масс-спектрометром [4]. В этом способе предложено возбуждение анализируемых газов до состояния плазмы, создаваемой вакуумной искрой. Ионы плазмы достигают масс-спектрометра в последовательности, соответствующей их массовым числам, начиная с наименьшего (водорода), а в дальнейшем регистрируются ионы с большими массовыми числами (О₂ ⁺, Ni⁺, W⁺). Масс-спектрометр показывает значения тока, соответствующего количеству ионов регистрируемой массы. По величине изменения тока определяют изменение парциальных давлений этого газа в исследуемом объеме.

Недостатками прототипа являются следующие:

- данный способ может быть использован при решении исследовательских задач только на этапах технологического процесса, позволяющего проводить подобные измерения,

- способ не может быть применен при работе ЭВП в аппаратуре вследствие ограничений по габаритным показателям ЭВП и аппаратуры,

- требование использования специально установленного преобразователя в составе прибора удорожает процесс измерения изменения парциальных давлений.

Технической задачей настоящего изобретения являются упрощение способа измерения парциальных давлений в мощном электровакуумном приборе, а также обеспечение возможности исследования процессов, происходящих в вакуумном объеме ЭВП не только на этапах производства, но и при его эксплуатации в аппаратуре. Об этих процессах можно судить по газовыделению в приборе и соответствующим изменениям давлений без использования специально установленных газоанализаторов парциальных давлений, усложняющих конструкцию аппаратуры и приборов.

Предложен способ измерения изменения парциальных давлений газов в мощном электровакуумном приборе, включающий возбуждение анализируемых газов путем импульсного энергетического воздействия на его электроды, осуществление последовательного поступления газов к манометрическому преобразователю, длительность импульсного энергетического воздействия выбирают меньше, чем время пролета любого из анализируемых газов к манометрическому преобразователю, но больше, чем минимальное время возбуждения любого из анализируемых газов, в качестве манометрического преобразователя используют встроенный в электровакуумный прибор магнитный электроразрядный насос, в процессе измерения снимают ступенчатую кривую нарастания тока насоса до его максимальной величины от момента импульсного энергетического воздействия, определяют количество ступеней k на кривой нарастания тока насоса, по кривой нарастания тока определяют возрастающую последовательность всех значений времени t_n, где n=1, ..., k от начального момента времени импульсного энергетического воздействия до середины фронта нарастания n-ой ступени, затем составляют матрицу отношений m_s/m_i, где m_s - массовые числа перечня всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора при импульсном энергетическом воздействии в их возрастающей последовательности по вертикали матрицы, где s=1, ..., j, причем j - количество всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора, a m_i - массовые числа этого перечня газов в их возрастающей последовательности по горизонтали матрицы, где i=1, ..., j, затем по измеренным значениям t_n вычисляют последовательность величин n_n=(t_n/t_i)², где n=1, ..., k и сравнивают ее поочередно с последовательностью величин в каждом из столбцов матрицы, определяют столбец матрицы, который с наименьшей погрешностью совпадает с последовательностью величин n_n, из него определяют перечень газов, выделившихся в приборе, присваивают на кривой нарастания тока принадлежность каждой ступени n одному из этих газов, затем вычисляют изменения парциальных давлений ΔP_n каждого газа по формуле:

где

К - чувствительность насоса [А/Па],

R_n - относительная чувствительность насоса к газу, присвоенному n-ой ступени кривой нарастания тока насоса,

ΔI_n - изменение тока насыщения от среднего его значения на n-ой ступени кривой нарастания тока до среднего его значения на n-1-ой ступени этой кривой [А].

Предложен способ измерения изменения парциальных давлений газов в мощном электровакуумном приборе, включающий возбуждение анализируемых газов путем импульсного энергетического воздействия на его электроды, осуществление последовательного поступления газов к манометрическому преобразователю, в котором длительность импульсного энергетического воздействия выбирают меньше, чем время пролета любого из анализируемых газов к манометрическому преобразователю, но больше, чем минимальное время возбуждения любого из анализируемых газов, в качестве манометрического преобразователя используют встроенный в электровакуумный прибор магнитный электроразрядный насос, в процессе измерения снимают ступенчатую кривую нарастания тока насоса до его максимальной величины от момента импульсного энергетического воздействия, определяют количество ступеней k на кривой нарастания тока насоса, по кривой нарастания тока определяют возрастающую последовательность всех значений времени t_n, где n=1, ..., k от начального момента времени импульсного энергетического воздействия до середины фронта нарастания n-ой ступени, затем составляют матрицу отношений m_s/m_i, где m_s - массовые числа перечня всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора при импульсном энергетическом воздействии в их возрастающей последовательности по горизонтали матрицы, где s=1, ..., j, причем j - количество всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора, a m_i - массовые числа этого перечня газов в их возрастающей последовательности по вертикали матрицы, где i=1, ..., j, затем по измеренным значениям t_n вычисляют последовательность величин n_n=(t_n/t_i)², где n=1, ..., k и сравнивают ее поочередно с последовательностью величин в каждой из строк матрицы m_s/m_i, определяют строку матрицы, которая с наименьшей погрешностью совпадает с последовательностью величин n_n, из нее определяют перечень газов, выделившихся в приборе, присваивают на кривой нарастания тока принадлежность каждой ступени n одному из этих газов, затем вычисляют изменения парциальных давлений ΔP_n каждого газа по формуле:

где

К - чувствительность насоса [А/Па],

R_n - относительная чувствительность насоса к газу, присвоенному n-ой ступени кривой нарастания тока насоса,

ΔI_n - изменение тока насыщения от среднего его значения на n-ой ступени кривой нарастания тока до среднего его значения на n-1-ой ступени этой кривой [А].

Технический результат достигается регистрацией особенностей нарастания фронта тока МЭН после импульсного энергетического воздействия на исследуемую поверхность отпаянного прибора, осуществляемую, в частности, путем развития в ЭВП электрического пробоя. Технический результат становится возможным благодаря фактору разделения ионов газов по массовым числам в пространстве дрейфа и зависимости скоростей газов от величины массового числа.

Предлагаемый способ включает возбуждение анализируемых газов на поверхностях электродов путем импульсного энергетического воздействия, например, при возникновении электрического пробоя между электродами, а также осуществление последовательного поступления газов в магнитный электроразрядный насос. Последовательное поступление газов в насос обеспечивает возможность в моменты их поступления проводить измерения изменений их парциальных давлений.

Существенным моментом в предлагаемом способе являются условия импульсного энергетического воздействия. Это воздействие обеспечивает выход всех газов с поверхности электродов одновременно.

Длительность энергетического воздействия должна быть больше, чем время возбуждения анализируемых газов на поверхностях электродов ЭВП, так как в противном случае энергия воздействия передается только частично, что может быть недостаточно для выделения газов в вакуумный объем прибора. Известно, что это время составляет 10^-9-10^-10 сек [5].

Длительность воздействия должна быть меньше, чем время пролета анализируемых газов к насосу с целью обеспечения оптимальных условий поступления газов в насос и снижения ошибки. Расчеты, проведенные в соответствии с кинетической теорией газов, показывают, что время пролета газов составляет 10^-4-10^-5 сек. Поэтому время импульсного энергетического воздействия должно составлять от 10^-8 до 10^-6 секунды с учетом коэффициента запаса по верхней и нижней границе времени пролета газов.

Разделение по массам производится после развития электрического пробоя в процессе распространения плазмы к насосу. Во время развития пробоя ионы разных масс приобретают одинаковую энергию Е, но разную скорость в соответствии с уравнением:

m - масса иона,

v - скорость иона.

При соблюдении перечисленных условий осуществляется последовательное поступление газов в насос после деионизации в виде атомов и молекул с учетом того факта, что все они в результате импульсного энергетического воздействия приобретают одну и ту же величину энергии.

Так как обеспечено последовательное поступление газов в насос, то измеряемые изменения давлений могут быть проведены насосом, предназначенным для измерения общего давления. В качестве такового выбран магнитный электроразрядный насос, являющийся неотъемлемой частью мощного высоковольтного ЭВП, что позволяет проводить измерения тока насоса, а следовательно, и давления газов в ЭВП, практически на любом этапе технологического процесса или при эксплуатации ЭВП.

Так как газы приобретают после импульсного энергетического воздействия разные скорости в соответствии с их массовыми числами, то после их движения в сторону насоса они придут в него не одновременно. Следовательно, изменение тока насоса по мере поступления газов будет носить не линейный, а ступенчатый характер. Первыми будут в насос более легкие газы, а последними достигнут насоса самые тяжелые газы. Поэтому снимается ступенчатая кривая нарастания тока насоса.

Количество появившихся ступенек k нарастания тока насоса по мере поступления газов будет соответствовать количеству газов, имеющих различные массовые числа, а ступеньки будут расположены по возрастанию массовых чисел соответствующих газов. Чем позже появится ступенька, тем больше массовое число и молекулярный вес пришедшего к насосу газа.

Чтобы определить время пролета каждого конкретного газа t_n, где n=1, ..., k от момента импульсного энергетического воздействия до его прихода в насос необходимо измерить время, соответствующее средине фронта нарастания ступени на кривой нарастания тока. Выбор средины фронта обусловлен переходными процессами в начале и конце фронта.

Если сопоставить условия пролета различных газов до насоса, то согласно формуле (1) получается соотношение, связывающее величины массовых чисел газов, соответствующих разным ступеням кривой нарастания тока насоса и их времен пролета до насоса:

где m_n - массовое число n-го газа,

m_i - массовое число i-го газа,

n=1, ..., k, i=1, ..., k, t_n и t_i - соответствующие времена поступления этих газов в насос.

Это соотношение берется за основу определения принадлежности каждой ступени к определенному массовому числу анализируемого газа. Поэтому вычисляется последовательность возрастающих величин n_n=(tn/t_i)².

Так как неизвестны массовые числа газов, поступивших в насос, но известны их соотношения по времени пролета до насоса из формулы (2), то составляется перечень всех возможных газов, которые могли бы появиться в насосе после импульсного энергетического воздействия.

Согласно формуле (2) возрастающая последовательность отношений времен пролета газов до насоса может быть сопоставлена с возрастающей последовательностью отношений массовых чисел этих газов. Поэтому составляется матрица отношений m_s/m_i массовых чисел m_s составленного перечня всех газов, которые могут появиться в приборе в их возрастающей последовательности к массовым числам m_i этого перечня газов также в их возрастающей последовательности.

Последовательность n_n сравнивается поочередно с последовательностью величин в каждом из столбцов матрицы. В матрице всегда найдется столбец, в котором совпадения последовательностей будут наиболее вероятны. Поэтому по совпадению последовательностей величин в столбце и в матрице с наименьшей погрешностью определяют столбец матрицы, в котором соблюдается соотношение m_s/m_i=(t_n/t_i)², где массовые числа газов в теоретическом столбце матрицы соответствуют массовым числам газов, реально выделившимся в приборе. Найденным массовым числам газов присваивают на кривой нарастания тока насоса принадлежность каждой ступени этой кривой определенному газу в соответствии с их значениями в матрице. В случае, если поменять в матрице столбцы со строками и соответственно вести сравнение данных матрицы с отношениями измеренных времен по строкам, а не по столбцам, то суть вычислений и измерений не претерпит изменений, влияющих на конечный результат.

Так как ток насоса прямо пропорционален давлению, то для вычисления парциального давления любого газа находим изменение величины тока на каждой ступени кривой нарастания тока насоса, следовательно, и изменение величины давления этого газа. При этом вычисляется изменение парциального давления n-го газа по формуле:

К - чувствительность насоса [А/Па], являющаяся его индивидуальной характеристикой, которая приводится в технических условиях на насос;

R_n - относительная чувствительность насоса к n-му газу, которая определяется из источника информации [6],

ΔI_n - изменение тока насыщения от среднего его значения на n-й ступени кривой нарастания тока до среднего его значения на n-1-й ступени этой кривой [А].

Измерение изменения тока между срединами ступеней выбирается исходя из условия минимальности ошибки этого измерения, а коэффициент R_n является индивидуальной величиной для каждого определенного газа по отношению к воздуху или другому газу, по которому была проведена градуировка насоса, он учитывает коэффициент К и индивидуальные особенности насоса как манометрического преобразователя для измерения давления.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображена зависимость нарастания тока насоса I (мкА) от времени t (взятого в относительных единицах ко времени первой ступени), при этом момент времени t=0 соответствует моменту времени импульсного энергетического воздействия. На Фиг.2 изображена матрица отношения m_s/m_i в виде таблицы, в клетках которой представлены отношения m_s/m_i, а массы представлены в относительных единицах.

Достижение технического результата основывается на замеченном и исследованном ступенчатом характере изменения переднего фронта импульса тока МЭН сразу после развития пробоя в ЭВП. Анализ переднего фронта тока привел к заключению, что характер импульса тока насоса коррелирует с массовыми числами газов, выделяющихся в объем ЭВП.

Примером осуществления способа является измерение изменений парциальных давлений в мощном отпаянном ЭВП. Данным способом проводилось измерение изменений парциальных давлений в отпаянном мощном клистроне на этапе высоковольтной тренировки прибора. Обычно мощные приборы такого типа имеют в своем составе встроенный магнитный электроразрядный насос. Измерения проводились в процессе высоковольтной тренировки с использованием насоса типа НЭМ-2-1 с номинальной скоростью откачки 1 л/с. Давление остаточных газов в приборе перед началом измерений составляло 5·10^-6 Па.

Время развития электрического пробоя между электродами прибора составляет 10^-7 сек. Время движения фронта первого из газов, выделившихся при пробое, составляет 10^-4 сек. Среднее время транспортировки любого из выделившихся при пробое газов должно составлять, как показывают расчеты, 10^-3-10^-5 секунды в приборе длиной около 0,5 метра. Это подтверждается специальными измерениями скорости газов, выделяющихся в результате пробоя [7]. Поэтому для надежной фиксации факта изменения тока насоса необходим более короткий промежуток времени, по крайней мере меньший, чем 10^-5 секунды, что обеспечивает удовлетворительное разделение газов по их массам.

В процессе снятия ступенчатой кривой нарастания тока насоса установлено наличие пяти ступенек (см.фиг.1), к=5. На графике (фиг.1) t₁÷t₅ - моменты времени, соответствующие срединам фронтов ступенек, считая с первой по пятую, слева направо оси абсцисс. Для наглядности величины времен показаны в относительных единицах.

По кривой нарастания тока насоса определены все значения времени t_n, из которых составлена возрастающая последовательность [1; 2,85; 2,99; 2,73; 4,68] и затем составлена последовательность n_n=(t_n/t_i)², равная [1; 8,1; 8,95; 13,9; 21,9].

На Фиг.2 представлена матрица в виде отношений m_s/m_i и даны соответствующие массовые числа m_s и m_i. Последовательность n_n сравнивали с каждым столбцом матрицы в виде таблицы Фиг.2 и выбрали первый столбец. В результате сопоставления у этого столбца отклонения от значений матрицы оказались минимальны.

В выбранном столбце в порядке возрастания массовых чисел содержатся следующие газы: водород, метан, вода, азот/окись углерода, двуокись углерода [Н₂; СН₄; Н₂О; N₂/СО; СО₂].

По кривой нарастания тока определяем величины изменения токов на каждой ступени и изменения парциальных давлений по формуле . Значения R_n из [7]. Величина К выбрана из технических условий на этот насос и составляет 190000 мкА/Па.

Полученные и вычисленные данные для удобства сводим в таблицу

Формула газаН₂СН₄Н₂ON₂/COCO₂ΔI_k, мкА13241612,595,5R_n, отн.ед.0,431,51,151,01,3K·R_n, мкА/Па8,125·10⁴28,2·10^-421,62·10⁴18,67·10^-424,7·10⁴ΔP_k, Па1,6·10^-40,85·10^-40,74·10^-40,67·10^-43,87·10^-4

Как видно из таблицы, максимальное газовыделение в прибор при пробое дают углекислый газ и водород и на базе этих данных возможно принятие решения об уточнении технологического процесса изготовления этого ЭВП.

Таким образом, техническим результатом настоящего изобретения является получение дополнительной информации о процессах газовыделения и измерения изменения парциальных давлениях газов, выделяющихся в режимах работы мощных ЭВП без использования каких-либо специальных устройств, усложняющих конструкцию приборов.

Источники информации

1. Уолк, Уотсон, Уоллес. "Исследование состава остаточных газов в лабораторных диодах с оксидными катодами с помощью омегатрона", сб. "Техника электронных ламп", пер. с англ. /Под ред. Б.П.Никонова. - М.: ИЛ., 1963, с.303-312.

2. Дж. Ван-дер-Вааль. "Остаточные газы в кинескопах", сб. "Остаточные газы в электронных лампах", пер. с англ. /Под ред. Г.Д.Глебова, М.: Энергия, 1967, с.237-243.

3. Хейк Р.А. и Нидл Дж. С. "Остаточные газы в лампах бегущей волны", сб. "Остаточные газы в электронных лампах", пер. с англ. /Под ред. Г.Д.Глебова, М.: Энергия, 1967, с.255-259.

4. Сливков И.Н., Михайлов В.И., Сидоров Н.И., Настюха А.И. "Электрический пробой и разряд в вакууме", М., Атомиздат, 1966, с.207 [прототип].

5. Каганов И.Л. "Ионные приборы", М.: Энергия, 1972, с.19.

6. Розанов Л.Н. "Вакуумная техника", М.: Высшая школа, 1990, с.145-151.

7. Латам Р. "Вакуумная изоляция установок высокого напряжения", пер. с англ., М.: Энергоатомиздат, 1985, с.81, 101.

Изобретение относится к электронной технике, а конкретно к способам изготовления мощных электровакуумных приборов (ЭВП). Техническим результатом является упрощение способа измерения парциальных давлений газов в мощном электровакуумном приборе, а также обеспечение возможности исследования процессов, происходящих в его вакуумном объеме. Способ включает возбуждение анализируемых газов путем импульсного энергетического воздействия на электроды. Длительность импульсного энергетического воздействия выбирают меньше, чем время пролета любого из анализируемых газов к манометрическому преобразователю, но больше, чем минимальное время возбуждения любого из анализируемых газов. В качестве манометрического преобразователя используют встроенный в ЭВП магнитный электроразрядный насос. В процессе измерения снимают ступенчатую кривую нарастания тока насоса, определяют количество ступеней k на этой кривой. Используя особенности нарастания тока определяют возрастающую последовательность всех значений t_n - времени, прошедшего от момента импульсного энергетического воздействия до середины фронта нарастания n-ой ступени, где n=1, ..., k,. На основе этих данных определяют массовые числа газов, выделяющихся в объем электровакуумного прибора, и изменение их парциальных давлений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ измерения изменения парциальных давлений газов в мощном электровакуумном приборе, включающий возбуждение анализируемых газов путем импульсного энергетического воздействия на его электроды, осуществление последовательного поступления газов к манометрическому преобразователю, отличающийся тем, что длительность импульсного энергетического воздействия выбирают меньше, чем время пролета любого из анализируемых газов к манометрическому преобразователю, но больше, чем минимальное время возбуждения любого из анализируемых газов, в качестве манометрического преобразователя используют встроенный в электровакуумный прибор магнитный электроразрядный насос, в процессе измерения снимают ступенчатую кривую нарастания тока насоса до его максимальной величины от момента импульсного энергетического воздействия, определяют количество ступеней k на кривой нарастания тока насоса и возрастающую последовательность всех значений t_n - времени, прошедшего от момента импульсного энергетического воздействия до середины фронта нарастания n-й ступени, где n=1, ..., k, затем составляют матрицу отношений m_s/m_i, где m_s - массовые числа перечня всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора при импульсном энергетическом воздействии в их возрастающей последовательности по вертикали матрицы, где s=1, ..., j, причем j - количество всех газов, выделение которых возможно в вакуумном объеме прибора, a m_i - массовые числа этого перечня газов в их возрастающей последовательности по горизонтали матрицы, где i=1, ..., j, затем вычисляют последовательность величин n_n=(t_n/t_i)², где n=1, ..., k и сравнивают ее с последовательностью величин в каждом из столбцов матрицы, определяют столбец матрицы, который с наименьшей погрешностью совпадает с последовательностью величин n_n, из него определяют перечень газов, выделившихся в приборе, присваивают на кривой нарастания тока принадлежность каждой ступени n одному из этих газов, затем вычисляют изменения парциальных давлений ΔР_n каждого газа по формуле

ΔР_n=ΔI_n/(K·R_n),

где К - чувствительность насоса, А/Па;

R_n - относительная чувствительность насоса к газу, присвоенному n-й ступени кривой нарастания тока насоса;

ΔI_n - изменение тока насыщения от среднего его значения на n-й ступени кривой нарастания тока до среднего его значения на n-1-й ступени этой кривой, А.

ΔР_n=ΔI_n/(K·R_n),

где К - чувствительность насоса, А/Па;

R_n - относительная чувствительность насоса к газу, присвоенному n-й ступени кривой нарастания тока насоса;

ΔI_n - изменение тока насыщения от среднего его значения на n-й ступени кривой нарастания тока до среднего его значения на n-1-й ступени этой кривой, А.