ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H01J41/04 G01L21/32 

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.

Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума широкое распространение получили манометрические преобразователи Байярда-Альперта [Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979], имеющие конструкцию электродной системы с наружным расположением накаленного катода относительно ускоряющей электроны сетки в виде спирали и коллектора ионов, расположенного внутри сетки. В рабочем диапазоне измеряемых давлений ток коллектора ионов пропорционален давлению газа. С помощью такого преобразователя обеспечивается измерение давления в диапазоне 1-10^-8 Па. Например, отечественный ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-27 измеряет давление газа в диапазоне от 2⋅10^-8 до 10 Па [Паспорт ПМИ-27]. Современные Датчики Баярда-Альперта корейской компании KVC измеряют давление в пределах 1,33-1,33⋅10^-8 Па, датчики AIGX (модель AIGX-S-NW25) компании Edwards - 6,65-6,65⋅10^-8 Па.

Измерение давлений ниже 10^-8 Па ограничено мягким тормозным излучением электронов при торможении их на сетке и десорбцией положительных ионов с сетки за счет электронной бомбардировки. Эти факторы создают ток коллектора ионов, который не зависит от давления газа. Когда этот ток по мере уменьшения давления газа становится сравнимым с ионным током, возникает недопустимая погрешность измерения давления и ограничение предела измерения по давлению газа.

Современные инверсные магнетронные манометры с холодным катодом, например, фирмы Televac (модель СС-10) имеют нижний предел измеряемого давления 1,33⋅10^-7 Па. Как утверждается в работе [Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума. М.: Издательство комитета стандартов 1967, 148 с.], "градуировочные характеристики магнитных манометрических преобразователей имеют довольно большой разброс как между несколькими преобразователями, так и одного и того же преобразователя во времени. Указанное обстоятельство позволяет рекомендовать магнитные вакуумметры только в тех случаях, когда не требуется большой точности измерения, а нужно знать только порядок величины давления".

Наиболее близким к заявляемому техническому решению можно считать манометрическую лампу Лаферти [Гуляев М.А., А.В. Ерюхин Измерение вакуума. М.: Издательство комитета стандартов 1967, 148 с.]. Схема манометрической лампы приведена на фиг. 1. Лампа имеет дисковый коллектор ионов 1, накаливаемый катод 2, постоянный магнит (или соленоид) 3, создающий аксиальное магнитное поле в области электродов, цилиндрический ускоряющий электрод (анод) 4, экран в виде диска 5, вакуумно-плотную оболочку 6. Электрическое и магнитное поле в лампе близки к ортогональным. Поэтому при индукции магнитного поля большей критической электроны с катода перестают попадать непосредственно на анод и возвращаются в область катода. Пути электронов удлиняются, что увеличивает вероятность ионизации молекул газа. Электроны попадают на анод после потери энергии на ионизацию или возбуждение молекулы газа, а также за счет некоторой неортогональности электрического и магнитного полей. Неортогональность обусловлена V-образной формой нити катода, конечной длиной магнита и погрешностью установки оси прибора относительно оси магнита. Образующиеся при ионизации молекул газа ионы поступают на коллектор ионов 1. Данный манометрический преобразователь позволяет измерять давление газа в пределах 1,33⋅10^-1-1,33⋅10^-8 Па.

Ограничение нижнего предела измеряемого давления в прототипе обусловлено током положительных ионов вещества, испаряемых с катода [Эмиссионная электроника. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. М.: Наука, 1966 г., 564 с.] на коллектор ионов, так как он находится под более низким потенциалом, чем катод. Эта компонента тока коллектора ионов не зависит от давления газа в лампе.

Другим источником фонового тока в прототипе является тормозное излучение электронов, возникающее при соударении электронов с ускоряющим электродом (анодом). Это излучение вызывает фотоэмиссию электронов с коллектора ионов, что создает компоненту тока коллектора, не связанную с давлением газа. Кроме этого, под действием электронной бомбардировки ускоряющего электрода происходит десорбция положительных ионов, которые, попадая на коллектор ионов, вызывают ток, не связанный с давлением газа.

В прототипе нет возможности стабилизировать ток эмиссии катода во время измерения ионного тока, так как величина тока катода зависит от давления газа. Для установки величины тока эмиссии катода необходимо снимать магнит (или выключать соленоид) и измерять ток на анод в отсутствии магнитного поля. Поскольку ток эмиссии экспоненциально зависит от температуры катода, то во время измерения ионного тока величина электронного тока может измениться, что вызовет погрешность измерения давления.

Таким образом, перечисленные факторы ограничивают нижний предел измерения давления и увеличивают погрешность измерения давления в прототипе.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение предела измерения в сторону малых давлений и снижение погрешности измерения давления. Эта задача решается путем исключения влияния факторов тормозного излучения электронов и десорбции положительных ионов с ускоряющего электрода на ток коллектора ионов.

Предлагаемый ионизационный манометрический преобразователь фиг. 2 содержит аксиально расположенные цилиндрический коллектор положительных ионов 1, термокатод 2, источник аксиального магнитного поля (постоянный цилиндрический магнит или соленоид) 3, первый ускоряющий цилиндрический электрод 4, дисковый экран 5, вакуумно-плотную оболочку 6, второй ускоряющий электрод 7, дисковый коллектор электронов 8. Термокатод расположен у края первого ускоряющего электрода.

Между ускоряющими электродами и катодом прикладывается напряжение, достаточное для эффективной ионизации молекул газа электронным ударом, например 120 В. Источником магнитного поля создается индукция большая критической. Этим предотвращается попадание электронов, вышедших из термокатода, на ускоряющие электроды без столкновения с молекулами газа и генерация ими тормозного излучения. Коллектор ионов имеет диаметр больше диаметра ускоряющих электродов, что обеспечивает его частичное затенение от ультрафиолетового излучения катода. Кроме этого, расположение коллектора ионов аксиально с источником магнитного поля обеспечивает возвращение значительной части фотоэлектронов с коллектора за счет начальных скоростей обратно на коллектор, что снижает величину тока коллектора, не связанную с давлением газа. На коллектор электронов подается положительное напряжение относительно катода, достаточное для собирания электронов, вышедших с катода, но намного меньшее ускоряющего (например, 5 В), которое недостаточно для генерации тормозного излучения с длиной волны, обеспечивающей фотоэмиссию электронов с коллектора ионов. На фиг. 3. представлено распределение потенциала вдоль оси манометрического преобразователя. Благодаря расположению катода у края ускоряющего электрода вдоль оси преобразователя формируется распределение потенциала, позволяющее ускорить вдоль оси электроны, эмитируемые катодом, до энергии, достаточной для эффективной ионизации молекул газа. Минимум в распределении потенциала, необходимый для удержания положительных ионов от движения вдоль оси (иначе бы они ушли на катод и коллектор электронов, а не на коллектор ионов), возникает за счет наличия зазора между ускоряющими электродами и нулевого потенциала коллектора ионов, охватывающего этот зазор. Распределение потенциала в сечении перпендикулярном оси преобразователя в области минимума осевого потенциала приведено на фиг. 4. Оно показывает, что положительные ионы, образующиеся в пространстве между максимумами распределения потенциала вдоль оси, будут поступать на коллектор ионов. Образующиеся при ионизации электронным ударом в пространстве между максимумами распределения потенциала вдоль оси положительные ионы уходят через зазор на коллектор ионов, находящийся под нулевым потенциалом. Ток коллектора ионов пропорционален давлению газа и является мерой давления газа.

Осевое распределение потенциала вблизи коллектора электронов указывает на то, что поле для положительных ионов, если бы они выходили из коллектора электронов, является тормозящим. Это исключает термоэлектронную десорбцию положительных ионов, являющуюся причиной фонового тока коллектора ионов в прототипе.

Электрическое поле у катода является тормозящим для положительных ионов вещества катода, поэтому эти ионы, испаряясь с катода, будут возвращаться на катод, не создавая фонового тока коллектора ионов.

Кроме этого, в отличие от прототипа в предлагаемом устройстве для стабилизации электронного тока нет необходимости выключения магнитного поля.

Таким образом, в предлагаемом манометрическом преобразователе устраняются причины, которые вызывали фоновый ток коллектора ионов в прототипе (ток, не зависящий от давления газа), который повышал погрешность измерения давления газа и ограничивал нижний предел измеряемых давлений газа.

Таким образом, введение дополнительного ускоряющего электрода на некотором расстоянии от первого ускоряющего электрода, расположение термокатода у края ускоряющего электрода, не примыкающего к зазору между ускоряющими электродами, расположение коллектора ионов в виде цилиндра, охватывающего зазор между ускоряющими электродами и применение коллектора электронов позволяют расширить нижний предел измерения преобразователя до 10^-11 Па и снизить погрешность измерения давления.

Источники информации

1. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979.

2. Гуляев М.А., А.В. Ерюхин. Измерение вакуума. М.: Издательство комитета стандартов 1967, 148 с.

3. Эмиссионная электроника. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. М.: Наука, 1966 г., 564 с.

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. Ионизационный манометрический преобразователь содержит аксиально и последовательно расположенные дисковый экран, термокатод, цилиндрический ускоряющий электрод, дополнительный аксиально расположенный с зазором от ускоряющего электрода ускоряющий электрод и дисковый коллектор электронов, расположенный за дополнительным ускоряющим электродом, а также цилиндрический коллектор ионов, охватывающий зазор между ускоряющими электродами, и охватывающий электроды цилиндрический магнит, создающий аксиальное магнитное поле с индукцией, большей критической. Электроны, вышедшие из термокатода, ускоряются двумя цилиндрическими электродами, расположенными с зазором, до энергии, достаточной для ионизации молекул газа. Но при этом за счет наличия аксиального магнитного поля они не попадают на эти электроды и собираются коллектором электронов, находящимся под потенциалом, намного меньшим, чем потенциалы ускоряющих электродов. Этим обеспечивается подавление фонового тока за счет тормозного излучения электронов и десорбции положительных ионов. Образующиеся в области зазора между ускоряющими электродами положительные ионы собираются цилиндрическим коллектором ионов, охватывающим зазор между ускоряющими электродами, создавая ток коллектора пропорциональный давлению газа. Технический результат - расширение диапазона измеряемого давления газа в области сверхвысокого вакуума и снижение погрешности измерения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ионизационный манометрический преобразователь, содержащий, аксиально и последовательно расположенные дисковый экран, термокатод, основной цилиндрический ускоряющий электрод, дисковый коллектор и охватывающий электроды цилиндрический магнит, создающий аксиальное магнитное поле, отличающийся тем, что содержит аксиально расположенный дополнительный цилиндрический ускоряющий электрод между упомянутым основным ускоряющим цилиндрическим электродом и дисковым коллектором с зазором от упомянутого основного цилиндрического ускоряющего электрода и цилиндрический коллектор ионов, охватывающий зазор между основным и дополнительным цилиндрическими ускоряющими электродами, при этом термокатод расположен у не примыкающего к зазору между ускоряющими электродами торца основного ускоряющего электрода, а дисковый коллектор выполняет функцию анода.

2. Ионизационный манометрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что размеры основного и дополнительного ускоряющих цилиндрических электродов, цилиндрического коллектора ионов и величина зазора между основным и дополнительным цилиндрическими ускоряющими электродами обеспечивают минимум в распределении потенциала вдоль оси манометрического преобразователя в области зазора и максимум в распределении потенциала по радиусу в центре зазора на оси манометрического преобразователя при подаче на основной и дополнительный цилиндрические ускоряющие электроды напряжения, достаточного для эффективной ионизации молекул газа в зазоре при нулевом или отрицательном потенциале цилиндрического коллектора ионов.