Разборный инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь с дополнительным углеродным автоэлектронным эмиттером, защищенным от ионной бомбардировки Российский патент 2017 года по МПК G01L21/30 

Изобретение относится к технике измерения высокого вакуума, в частности к магнитным электроразрядным вакуумметрическим преобразователям инверсно-магнетронного типа, и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 10^-2 Па до 10^-12 Па.

Известны различные электроразрядные вакуумметрические преобразователи, однако наиболее совершенными являются преобразователи инверсно-магнетронного типа [1, 2]. Они пригодны для измерения сверхвысокого вакуума благодаря высокой эффективности магнитных ловушек, которые удерживают в межэлектродном пространстве электроны, участвующие в поддержании самостоятельного тлеющего разряда.

Тем не менее существует временная задержка между моментом приложения высокого потенциала к аноду и появлением ионного тока в цепи катода, свидетельствующего о зажигании самостоятельного разряда. В работах П.А. Рэдхэда (P.A. Readhead) показано, что при давлениях ниже 10^-9 Па она может достигать нескольких часов [3].

Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме в конструкцию преобразователя вводят дополнительные источники свободных электронов: термоэмиссионные [4], фотоэмиссионные [5] и автоэмиссионные [6, 7]. В работе [4] за основу взят преобразователь ПММ-32-1. В его разрядную область устанавливают накаливаемый катод со ступенчато регулируемым током накала. В работе [5] используют раздельную систему, состоящую из ультрафиолетовой лампы и инверсно-магнетронного преобразователя. Облучая поверхность катода ультрафиолетовым излучением, удается получить фотоэмиссионный ток, достаточный для инициализации разряда. Основным недостатком данных преобразователей является их низкая надежность. В первом случае она связана с сильным износом накального элемента и выходом его из строя (сгоранием) в условиях низкого вакуума или разгерметизации вакуумной системы. Во втором - с образованием со временем на поверхности ультрафиолетовой лампы непрозрачной пленки, осаждаемой в результате распыления материала катода, которое неизбежно происходит во время горения разряда. В работе [6] описывается введение в разрядную зону автоэлектронного эмиттера, изготовленного из тонкого листа антикоррозийного тугоплавкого сплава на основе нержавеющей стали SUS304, никеля и тугоплавких металлов, который устанавливается аксиально на небольшом расстоянии от анода. При подаче высокого напряжения на анод с поверхности эмиттера начинается эмиссия электронов, которые, попадая в разрядный промежуток, облегчают зажигание разряда.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является изобретение, описанное в патенте [7]. В нем, так же как и в работе [4], авторами сделана попытка модернизации преобразователя ПММ-32-1. Они используют систему из двух дополнительных электродов в виде концентрических изолированных друг от друга тонких колец, разнесенных на расстояние в несколько единиц микрон. Такая конфигурация позволяет при подаче на них разности потенциалов порядка 100 В добиться автоэмиссии, способной многократно увеличить плотность потока электронов, совершающих циклоидальное движение. Данные конструкции лишены описанных выше недостатков термо- и фотоэмиссионных преобразователей. Конструкция прототипа [7], в отличие от преобразователя, описанного в работе [6], позволяет изменять величину эмиссионного тока и регулировать потенциал поверхности автоэлектронного эмиттера.

Главным недостатком прототипа является узкий диапазон измеряемых давлений - нижний предел измерения составляет 10^-10 Па, что недостаточно для ряда применений преобразователя, кроме того, в приборе используется не самый эффективный на сегодняшний день автоэлектронный эмиттер [8]. Не решена проблема деградации эмиссионно-активных участков поверхности, связанная с ионной бомбардировкой. Не обеспечен легкий доступ к внутренним конструктивным элементам преобразователя для удаления загрязнений, которые неизбежно образуются во время длительной эксплуатации прибора.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение диапазона измерения преобразователя, увеличение точности измерения, облегчение зажигания разряда, снижение времени зажигания, повышение величины ионного тока. Дополнительно решается задача продления срока эксплуатации прибора.

Эта техническая задача решается введением в традиционную конструкцию инверсно-магнетронного преобразователя дополнительного автоэлектронного эмиттера, выполненного в виде наноуглеродной пленки, осажденной на подложку из кремния, с повышенной эмиссионной активностью и приложением защитного потенциала к поверхности эмиттера при давлениях выше 10^-6 Па. Увеличение срока службы прибора достигается за счет использования в преобразователе углеродного автоэлектронного эмиттера, защищенного от ионной бомбардировки, а также за счет проведения периодических профилактических работ, связанных с очисткой поверхностей электродов, возможность осуществления которых обеспечивается разборной конструкцией преобразователя.

На фиг. 1-3 изображена конструкция предлагаемого преобразователя. Он состоит из концентрически расположенных штыревого анода 1 и полого цилиндрического коллектора ионов 2, в разрядную область ионизационного преобразователя дополнительно введен углеродный автоэлектронный эмиттер 3, представляющий из себя тонкую пластинку площадью 30 мм². Он закреплен в специальном держателе 14, расположенном на одной оси с анодом и имеющем отдельный электрический ввод. Электрические вводы от всех электродов проходят через керамические изоляторы 4, впаянные в соответствующие отверстия корпуса преобразователя. К вакуумной системе преобразователь подключается с помощью крепежного фланца 8. Преобразователь является разборным и состоит из трех фланцев CF-40: двух торцевых и одного центрального. Торцевые фланцы 5 заглушены и каждый из них снабжен высоковольтным электрическим вводом (вводом анода 11 и вводом автоэлектронного эмиттера 13). Центральный фланец 6 сквозной и имеет два боковых отверстия. К ним приварено два патрубка 10 с фланцами CF-16: крепежный фланец 8 и фланец коллектора ионов 9 с электрическим вводом коллектора ионов 12.

В отличие от прототипа в данном преобразователе используется углеродный автоэлектронный эмиттер с высокой эмиссионной способностью, позволяющий получить плотность тока эмиссии до 1,5 мА/см² при напряженности электрического поля 5 кВ/мм [9]. Наличие источника электронов такой большой плотности тока не только обеспечит зажигание разряда (для которого достаточно величины порядка 100 нА/мм), но и существенно увеличит плотность электронов тлеющего разряда и, как следствие, величину измеряемого ионного тока разряда.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. На пределах измерения от 1 Па до 10^-5 Па включительно на автоэлектронный эмиттер 3 подается тот же потенциал, что и на анод 1. Этот потенциал необходим для защиты рабочей поверхности автоэлектронного эмиттера 3 от ионной бомбардировки, существенной при данных давлениях. В результате чего преобразователь работает как обычный инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь. Между коллектором ионов 2 и анодом 1 прикладывается постоянное напряжение величиной порядка 5500 В. Оно создает в межэлектродном пространстве радиально направленное электрическое поле, под действием которого свободные электроны, имеющиеся в межэлектродном пространстве, разгоняются в направлении анода. Однако перпендикулярно электрическому полю действует магнитное поле постоянного магнита, расположенного снаружи преобразователя на его торцах. Под действием магнитного поля заряженные частицы (электроны и ионы) отклоняются в тангенциальном направлении. Напряженности электрического и магнитного полей подобраны таким образом, чтобы электроны совершали циклоидальное вращение с радиусом, много меньшим поперечных размеров активной зоны преобразователя. Двигаясь по гипоциклоидам, электроны могут покинуть область разряда только в результате столкновений с нейтральными частицами газа, которые могут изменять направление их скорости в любую сторону. Поэтому до того как попасть на анод 1, электроны успевают совершить несколько столкновений с нейтральными частицами, в том числе и ионизирующими. Образующиеся при столкновениях положительные ионы под действием электрического поля собираются коллектором ионов 2. Вследствие большой массы ионов (по сравнению с электронами) радиус их циклотронного вращения в поперечном магнитном поле оказывается существенно больше поперечных размеров активной зоны преобразователя, а потому магнитное поле не может существенно искривить траекторию их дрейфа в электрическом поле. Благодаря своей большой массе и отсутствию циклоидального вращения ионы, разгоняясь в электрическом поле, набирают значительную энергию и, бомбардируя поверхность коллектора ионов, выбивают из него вторичные электроны, которые, попадая в область разряда и сталкиваясь с нейтральными частицами газа, ионизируют их и, тем самым, поддерживают электрический разряд. Ионный ток катода будет зависеть от концентрации молекул газа в активной зоне преобразователя, то есть от его давления. Измеряя ионный ток, можно судить о давлении газа.

При давлениях ниже 10ˉ⁶ Па время зажигания разряда существенно возрастает. Для его уменьшения к автоэлектронному эмиттеру 3 прикладывается нулевой потенциал относительно коллектора ионов 2. В результате чего с поверхности эмиттера в зону разряда преобразователя эмитируют дополнительные электроны, участвующие в ионизационных процессах. Это приводит к существенному снижению времени зажигания разряда (до нескольких секунд) и увеличению ионного тока в цепи коллектора ионов 15. Ток автоэлектронной эмиссии протекает по отдельной цепи и не влияет на измерение ионного тока.

Таким образом, введение автоэлектронного эмиттера 3 при измерении давлений ниже 10^-6 Па позволяет решить проблему зажигания самостоятельного тлеющего разряда и увеличить значения ионного тока, что позволяет расширить нижний предел до 10^-12 Па и увеличить точность измерения таких преобразователей. Наличие защитного потенциала при более высоких давлениях (от 10^-6 Па) продлевает срок службы элементов, чувствительных к ионной бомбардировке, а разборная конструкция позволяет производить регламентные работы.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона измерения преобразователя в область сверхнизких давлений, облегчение зажигания разряда, увеличение скорости зажигания, повышение величины ионного тока, увеличение точности измерения, а также продление срока службы прибора.

Литература

1. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 512 с.

2. J.P. Hobson and P.A. Redhead, Can. J. Phys. 36, 271 (1958).

3. P.A. Redhead, Can. J. Phys. 36, 255 (1958).

4. Комбинированный ионизационный вакуумметрический преобразователь: пат. на изобретение 2389990 C2, Рос. Федерация, В.Э. Дрэйзин, Ю.А. Овсянников, В.Г. Поляков, Р.А. Поветкин, С.О. Бабаскин; №2008114988/28; заявл. 16.04.2008; опубл. 27.10.2009.

5. Cold cathode ionization vacuum gage: пат. JP H06-26967, Япония, Peacock Roy N и Peacock Neil T, №91668053; заявл. 12.03.1991; опубл. 04.02.1994.

6. Cold cathode ionization vacuum gauge, vacuum processing apparatus having the same, discharge starting auxiliary electrode used for the same, and method of measuring pressure using the same: пат US 8384391 B2, США, Yohsuke Kawasaki, № US 20110279127: заявл. 2011-05-12; опубл. 2013-02-26.

7. Высокочувствительный ионизационный вакуумметрический преобразователь: пат. на изобретение 2515212 C2, Рос. Федерация, Р.Ю. Богомазов, В.Э. Дрэйзин, А.В. Кочура, В.А. Пиккиев; №2012135911/28; заявл. 21.08.2012; опубл. 27.07.2014 Бюл. №13.

8. Лейченко А.С., Шешин Е.П., Щука А.А. Наноструктурные углеродные материалы в катодолюминесцентных источниках света // Электроника: наука, технология, бизнес. 2007. №6. - С. 94-101.

9. V.S. Protopopova, М.V. Mishin, А.V. Arkhipov, S.I. Krel, P.G. Gabdullin, Nanosystems: physics, chemistry, mathematics, 2014, 5 (1), P. 178-185.

Использование: для создания ионизационных вакуумметров. Сущность изобретения заключается в том, что инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь содержит концентрически расположенные штыревой анод и полый цилиндрический коллектор ионов и автоэлектронный эмиттер, конструкция выполнена разборной, автоэлектронный эмиттер выполнен в виде наноуглеродной пленки, осажденной на подложку из кремния, и закреплен в специальном держателе, расположенном на одной оси с анодом, а на поверхность автоэлектронного эмиттера при давлениях выше 10^-6 Па подается защитный потенциал. Технический результат: обеспечение возможности расширения диапазона измерения преобразователя в область сверхнизких давлений, увеличения точности измерения, облегчения зажигания разряда, повышения величины ионного тока. 3 ил.

Инверсно-магнетронный вакуумметрический преобразователь, содержащий концентрически расположенные штыревой анод, полый цилиндрический коллектор ионов и автоэлектронный эмиттер, отличающийся тем, что конструкция выполнена разборной, автоэлектронный эмиттер выполнен в виде наноуглеродной пленки, осажденной на подложку из кремния, и закреплен в специальном держателе, расположенном на одной оси с анодом, а на поверхность автоэлектронного эмиттера подается защитный потенциал при измерении давлений выше 10^-6 Па.