ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР ОРБИТРОННОГО ТИПА Российский патент 2018 года по МПК G01L21/30 

Область техники

Настоящее изобретение относится к технике измерения высокого и сверхвысокого вакуума и может быть использовано при создании ионизационных вакуумметров с пределами измерения от 1 Па до 10^-11 Па.

Предшествующий уровень техники

Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума широко используются ионизационные манометрические преобразователи орбитронного типа (Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Обзор Scientific Instruments, 1964. том 35, № 6, стр. 661-665; или Востров Г. А., Розанов Л. Н. Вакуумметры, Ленинград, изд. Машиностроение, 1967, 236 с.). Электродная система таких манометрических преобразователей содержит два длинных концентрических цилиндра - внутренний, являющийся анодом, и наружный, являющийся коллектором ионов, термоэлектронный катод, размещенный вблизи одного из торцов цилиндров, и стержень, расположенный между катодом и анодом и обеспечивающий локальную экранировку катода от потенциала анода. В рабочем диапазоне измеряемых давлений ток коллектора ионов пропорционален давлению газа. С помощью такого преобразователя обеспечивается измерение давления в диапазоне от 10^-3 до 10^-9 Па.

Измерение давления газа ниже 10^-9 Па ограничено мягким рентгеновским излучением электронов при их торможении на аноде и эмиссией положительных ионов из катода. Эти факторы создают составляющую тока коллектора ионов, которая не зависит от давления. Когда она по мере уменьшения давления становится сравнимой с ионным током, возникает недопустимая погрешность измерения давления, что определяет нижний предел измерения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является манометрический преобразователь орбитронного типа Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Обзор Scientific Instruments, 1964, том 35, № 6, стр. 661-665, или Meyer E. A., Herb R. G. Performance Study of the Orbitron Ionization Gauge, журнал Vacuum Science & Technology, 1967, том 4, № 2, стр.63-70). Схема известного манометрического преобразователя приведена на фиг. 1.

Манометрический преобразователь содержит прямонакальный катод 1 (фиг. 1) в виде тонкой нити, стержневой экран 2, который одновременно подводит ток накала катода, цилиндрический анод 3, цилиндрический коллектор 4 ионов, имеющий нулевой потенциал, и цилиндрический рефлектор 5, экранирующий пространство 6 вблизи катода от высокого около 500В потенциала анода 3.

Электроны с катода 1 ускоряются электрическим полем в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, поскольку их движению к аноду 3 препятствует экран 2. Одновременно они получают небольшое ускорение вдоль оси анода 3. В результате формируются спиралеобразные траектории электронов, направленные к незакрепленному концу анода 3, вблизи которого осевая составляющая электрического поля у конца анода изменяет направление спирали на противоположное. Вблизи закрепленного конца анода 3 смена направления спирали повторяется.

После множества возвратно-поступательных движений электронов вдоль оси анода 3 до сотен раз с одновременным вращением вокруг нее до тысяч оборотов электроны попадают на анод 3 за счет постепенного искривления траекторий локальным электрическим полем катода 1. При этом путь электронов до ухода на анод 3 на несколько порядков больше, чем в обычных ионизационных манометрах и составляет около 100м, и, соответственно, больше число ионизирующих ударов электронов с молекулами остаточных газов. Рефлектор 5, имеющий небольшой отрицательный потенциал, способствует удлинению траекторий электронов до попадания на анод 3.

Ионы под действием электрического поля уходят на коллектор 4, ток которого является мерой давления газов при постоянном контролируемом значении тока электронов между катодом 1 и анодом 3. Чувствительность манометрических преобразователей орбитронного типа на несколько порядков больше, чем обычных манометрических преобразователей.

Большая длина пути электронов обеспечивается при определенном значении потенциала катода, около 10% от потенциала анода, от которого зависят азимутальная и осевая составляющие скорости электронов, а, следовательно, и фаза спирали, соответствующая взаимодействию электрона с локальным полем катода. При отклонении потенциала катода 1 от оптимального значения взаимодействие становится «неудачным» и после небольшого числа витков спирали электрон уходит на анод 3 и его путь оказывается малым.

Аналогичный эффект происходит, если электроны стартуют с участков катода 1, удаленных от его центра, или под углом к нормали плоскости чертежа. Это является причиной одного из недостатков манометрического преобразователя орбитронного типа, поскольку интенсивность мягкого рентгеновского излучения, ограничивающего нижний предел измерения, пропорциональна общему количеству электронов, поступающих на анод, а полезный сигнал, т.е. ток ионов, пропорционален только части анодного тока, связанной с электронами, перемещающимися по спирали и имеющими длинный путь. Другим недостатком указанного манометрического преобразователя орбитронного типа является отсутствие защиты коллектора 4 ионов от тока положительных ионов, эмитируемых с поверхности катода 1. На первый взгляд, такая защита имеется, поскольку потенциалы прикатодной области пространства на несколько десятков вольт выше, чем катода. Однако оказывается, что ионы могут перемещаться вдоль траверза катода 1 до области с меньшим потенциалом и уходить на коллектор 4.

Сущность изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание манометрического преобразователя орбитронного типа, в котором обеспечивается расширение пределов измерения в сторону малых давлений, а также снижение погрешности измерения давления.

Поставленная задача решена путем создания ионизационного манометра орбитронного типа, который содержит размещенные в цилиндрическом корпусе на одном его торце

цилиндрический анод, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт,

цилиндрический коллектор ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод, и имеющий длину, в несколько раз превышающую его диаметр,

термоэлектронный катод, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода и составляет около нескольких десятков вольт, выполненный в виде отрезка проволоки и размещенный параллельно оси анода на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода,

цилиндрический рефлектор, концентрический с анодом и размещенный напротив катода,

при этом конец катода размещен на расстоянии от торца рефлектора в осевом направлении, равном длине катода,

электрический экран, имеющий потенциал катода, расположенный между анодом и катодом и препятствующий движению электронов к аноду по прямолинейной траектории,

при этом термоэлектронный катод и электрический экран образуют катодный узел, и

корпус содержит патрубок для соединения с вакуумной системой,

отличающийся тем, что

электрический экран катодного узла выполнен в виде металлического стакана, окружающего термоэлектронный катод и распложенного соосно с ним, так что дно стакана обращено к патрубку корпуса, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода направлении, причем один конец катода электрически соединен с дном металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском с отверстием, через которое проходит траверза, электрически связанная с другим концом катода.

Предпочтительно, отрезок проволоки, из которой выполнен термоэлектронный катод, имеет длину около 5 мм и диаметр около 50 мкм.

Предложенная конструкция катодного узла обеспечивает уменьшение количества электронов, попадающих на анод «по короткому пути», т.е. без большого числа оборотов вокруг анода, и защищает коллектор ионов от попадания на него положительных ионов, эмитируемых катодом, что в свою очередь, обеспечивает.

Манометрический преобразователь орбитронного типа, согласно изобретению, содержит расширение пределов измерения в сторону малых давлений, а также снижение погрешности измерения давления.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает известный манометрический преобразователь орбитронного типа;

Фиг. 2 изображает схематично катодный узел ионизационного манометрического преобразователя, согласно изобретению;

Фиг. 3 изображает схематично манометрический преобразователь орбитронного типа, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Ионизационный манометр 7 орбитронного типа (фиг. 2), согласно изобретению, содержит размещенные в цилиндрическом корпусе 8 на одном его торце 9 цилиндрический анод 10, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт, цилиндрический коллектор 11 ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод 10. Коллектор 11 имеет длину, которая в несколько раз превышает его диаметр

В корпусе 8 размещен также термоэлектронный катод 12, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода 10 и составляет около нескольких десятков вольт. Катод 12 выполнен в виде отрезка проволоки и размещен параллельно оси анода 10 на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода 12.

В описываемом варианте выполнения отрезок вольфрамовой проволоки, из которой выполнен термоэлектронный катод, имеет длину около 3-5 мм и диаметр около 50-100 мкм.

В корпусе 8 размещен также цилиндрический рефлектор 13, концентрический с анодом 10 напротив катода 12, при этом конец 14 катода размещен на расстоянии от торца 15 цилиндрического рефлектора 13 в осевом направлении, равном длине катода 12.

В корпусе 8 размещен электрический экран 16, имеющий потенциал катода 12, расположенный между анодом 10 и катодом 12 и препятствующий движению электронов к аноду по прямолинейной траектории.

Корпус 8 выполнен стеклянным и содержит патрубок 17 для соединения с вакуумной системой (не показана).

Термоэлектронный катод 12 и электрический экран 16 образуют катодный узел 18.

Коллектор 11 закреплен в корпусе 8 на двух вводах 19 и 20, которые приварены к траверзам 21, 22. Рефлектор 13 закреплен на вводе, приваренном к траверзе 24. Анод 10 соединен с вводом 25, на который подается напряжение 300-500 В. Катод 12 закреплен на вводе 26, закрепленном на траверзе 27, на который подается напряжение накала 30В, при этом на электрический экран 16, закрепленный на траверзе 28, подается напряжение накала 32 В. Таверза 27 имеет форму проволоки или полоски.

Электрический экран 16 (фиг. 3) катодного узла 18 согласно изобретению выполнен в виде металлического стакана из фольги, окружающего термоэлектронный катод 12 и распложенного соосно с ним, так что дно 29 стакана обращено к патрубку 17 корпуса 8, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие 30 для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода 10 направлении, т.е. перпендикулярно плоскости X-Y чертежа. При этом один конец катода 12 электрически соединен с дном 29 металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском 31 с отверстием 32, через которое проходит траверза 27, электрически связанная с концом 33 катода 12.

Другой конец катода 12 проходит через отверстие 34 в дне стакана и электрически соединяется с второй траверзой 28, которая электрически соединена с экраном 16

Работа манометрического преобразователя орбитронного типа осуществляется следующим образом.

Напряжение накала катода 12 прилагается между траверзами 27 и 28 (фиг. 3). Одновременно на траверзу 28 и экран 16 подается положительный потенциал порядка 10% от потенциала анода 10. Коллектор 11 ионов имеет нулевой потенциал. Заданные потенциалы формируют электрическое поле, которое проникает через щель 30 экрана 16, ускоряет эмитированные с центральной части катода 12 электроны и формирует из них пучок определенной конфигурации, распространяющийся в заданном направлении. Траектории электронов в соответствии с принципом работы манометрического преобразователя орбитронного типа имеют спиралеобразный вид, как это описано выше.

Наличие экрана с выходной щелью 30 по сравнению с известной конструкцией значительно уменьшает количество электронов, проходящих недостаточно длинный путь до ухода на анод, и обеспечивает более высокое значение отношения полезного сигнала (тока ионов) к фоновому току, обусловленному рентгеновским излучением.

Одновременно устраняется влияние фонового тока, связанного с эмиссией положительных ионов из катода 12, они не выходят через щель 30, поскольку точки пространства в ней имеют положительные потенциалы, а движению ионов вдоль траверзы 27 препятствует изолятор 31.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции катодного узла 18 с электрическим экраном 16 в форме стакана, имеющим небольшое отверстие 30 для выхода электронов, и изолятор 31, препятствующий выходу из экрана 16 положительных ионов, эмитированных катодом 12, позволяет расширить нижний предел измерения манометрического преобразователя орбитронного типа до 10^-11 Па и одновременно снизить погрешность измерения давления.

Использование: для измерения высокого и сверхвысокого вакуума. Сущность изобретения заключается в том, что Ионизационный манометр орбитронного типа содержит размещенные в цилиндрическом корпусе на одном его торце цилиндрический анод, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт, цилиндрический коллектор ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод, и имеющий длину, в несколько раз превышающую его диаметр, термоэлектронный катод, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода и составляет около нескольких десятков вольт, выполненный в виде отрезка проволоки и размещенный параллельно оси анода на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода, и электрический экран, имеющий потенциал катода, расположенный между анодом и катодом, электрический экран выполнен в виде металлического стакана, окружающего термоэлектронный катод и распложенного соосно с ним, так что дно стакана обращено к патрубку корпуса, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода направлении, причем один конец катода электрически соединен с дном металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском с отверстием, через которое проходит траверза, электрически связанная с другим концом катода. Технический результат: обеспечение возможности расширения пределов измерения в сторону малых давлений, а также снижения погрешности измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ионизационный манометр орбитронного типа, содержащий размещенные в цилиндрическом корпусе на одном его торце

цилиндрический анод, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт,

цилиндрический коллектор ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод, и имеющий длину, в несколько раз превышающую его диаметр,

термоэлектронный катод, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода и составляет около нескольких десятков вольт, выполненный в виде отрезка проволоки и размещенный параллельно оси анода на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода,

цилиндрический рефлектор, концентрический с анодом и размещенный напротив катода,

при этом конец катода размещен на расстоянии от торца рефлектора в осевом направлении, равном длине катода,

электрический экран, имеющий потенциал катода, расположенный между анодом и катодом и препятствующий движению электронов к аноду по прямолинейной траектории,

при этом термоэлектронный катод и электрический экран образуют катодный узел, и

корпус содержит патрубок для соединения с вакуумной системой,

отличающийся тем, что

электрический экран катодного узла выполнен в виде металлического стакана, окружающего термоэлектронный катод и распложенного соосно с ним, так что дно стакана обращено к патрубку корпуса, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода направлении, причем один конец катода электрически соединен с дном металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском с отверстием, через которое проходит траверза, электрически связанная с другим концом катода.

2. Ионизационный манометр по п. 1, отличающийся тем, что отрезок проволок, из которой выполнен термоэлектронный катод, имеет длину около 5 мм и диаметр около 50 мкм.