ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2022 года по МПК G01L21/30 

Изобретение относится к технике измерения давления газов в областях от высокого вакуума до атмосферного давления и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 10^-7 мм рт. ст. до 760 мм рт. ст.

Для измерения давления газа в диапазоне от 10^-7 мм рт. ст. до 760 мм рт. ст. может быть использован компрессионный манометр [1]. Однако, он не позволяет производить непрерывное измерение давления, громоздок, и поэтому не нашел применения в промышленности.

Для измерения давления в данном диапазоне может использоваться широкодиапазонный вязкостный вакуумметр (10^-12 - 10³ мм рт. ст.) [2]. Принцип его действия основан на измерении времени, в течение которого вращающийся ротор сферической формы из феррита, подвешенный в магнитном поле, после выключения статора уменьшит число оборотов в секунду до заданного значения, а давление вычисляется по формуле

где N - число оборотов ротора в секунду в момент времени t, a N₀ - число оборотов ротора в момент времени t₀, К - коэффициент, зависящий от инерциальных свойств ротора, температуры и молекулярного веса газа.

Если предположить, что при давлении газа 10 мм рт. ст. t-t₀=10^-6 с, то в соответствии с приведенной формулой при давлении 10^-7 мм рт. ст. t-t₀=10⁴ с или 2,778 часа. В подавляющем большинстве технологических процессов, где используются вакуумметры, изменение давления происходит намного быстрее. Поэтому данный вакуумметр не подходит для промышленного использования в диапазоне давлений газа 10^-7 - 10³ мм рт. ст.

В настоящее время для измерения давления газа в диапазоне от 10^-7 мм рт. ст. до 760 мм рт. ст. используются манометрические преобразователи, которые содержат в одном корпусе два манометрических преобразователя. Один для измерения в области среднего, высокого и сверхвысокого вакуума. Другой - для измерения давления от атмосферного до давления соответствующего низкому вакууму. Например, пара ионизационный манометрический преобразователь Байярда-Альперта и манометр сопротивления (Пирани) (Leybold IONIVAC ITR 200S), или инверсно-магнетронный манометр и датчик на основе кварцевого резонатора (СС-10 фирмы Televac), или инверсно-магнетронный манометр и манометр сопротивления (Пирани) (Широкодиапазонный вакуумный датчик WRG). Недостатками такого решения обеспечения широкого диапазона измерения давления являются наличие измерительного блока для каждого преобразователя, ограниченный срок службы для манометрических преобразователей с накаленным катодом (порядка 1000-2000 часов), загрязнение поверхностей электродов для инверсно-магнетронных манометрических преобразователей, приводящее к дополнительной погрешности измерения давления.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению можно считать манометрический преобразователь (фиг. 1), работа которого основана на измерении давления газа с использованием рассеяния электронов молекулами газа в скрещенных электрическом и магнитном полях при индукции магнитного поля намного большей критической [3]. Он содержит фотокатод 1, устойчивый к действию воздуха, центральный цилиндрический электрод 2, на котором расположен фотокатод, первый торцевой электрод 3, второй торцевой электрод 4, анод с отверстием для пропуска ультрафиолетового излучения к катоду 5, кварцевое окно 6, прозрачное для ультрафиолетового излучения с длиной волны 254 нм 9, вакуумноплотную оболочку 7, постоянный магнит или соленоид для создания аксиального магнитного поля 8, источник ультрафиолетового излучения 10 (например, УФ светодиод UVTOP255T039BL). Торцевые электроды и центральный цилиндрический электрод выполнены в виде одной металлической детали.

Принцип измерения давления основан на зависимости тока преобразователя от давления при приложении между анодом и центральным электродом постоянного напряжения, при индукции магнитного поля намного больше критической. При этом электроны могут достичь анода только за счет рассеяния на молекулах газа. Поэтому ток преобразователя становится зависимым от давления газа. При отсутствии магнитного поля производится установка тока эмиссии катода. При включении магнитного поля по величине тока катода определяется давление газа. На фиг. 2 представлена зависимость тока преобразователя от давления воздуха.

Другим способом измерения давления в этом диапазоне служит зависимость постоянной составляющей тока анода от давления при питании манометрического преобразователя знакопеременным напряжением в виде меандра [4]. Мерой давления служит величина частоты меандра, при которой постоянная составляющая тока анода уменьшается вдвое по сравнению с постоянной составляющей тока анода на более низкой частоте (например, 2 Гц). Здесь используется зависимость времени дрейфа электронов от катода к аноду от давления газа.

Манометрический преобразователь изготавливается в виде цилиндрического магнетрона с диаметром катода 10 мм, диаметром анода 14 мм, расстоянием между торцевыми электродами катода 30 мм. Эмиссия обеспечивалась облучением эмитирующей части катода (пленка галлия) площадью 49 мм² УФ излучением с длиной волны 254 нм через сетчатый анод. Анодное напряжение составляет 7,5 В при индукции магнитного поля 63 мТл, которая превышает критическую в 14 раз.

При экспериментальном исследовании метода было установлено, что при давлении ниже 10^-5 мм рт. ст. в манометрическом преобразователе преобладает ток, не связанный с рассеянием электронов на молекулах газа, что ограничивает нижнюю границу диапазона измеряемых давлений газа.

Не эффективно используется электроны, выходящие из фотокатода. При индукции магнитного поля намного большей критической длина дуги эпициклоиды составляет доли миллиметра и фотоэлектроны в основном возвращаются на фотокатод, поскольку имеют составляющую начальной скорости по радиусу. Поэтому электроны взаимодействуют с молекулами газа на длине дуги эпициклоиды размером в доли миллиметра, что обуславливает при типичных сечениях рассеяния электронов на молекулах (10^-15 см²) малую вероятность рассеяния при давлениях ниже 10^-4 мм рт. ст.

На погрешность измерения давления должна влиять неортогональность векторов электрического и магнитного полей, которую необходимо контролировать с точностью до долей градуса. При наличии неортогональности часть электронов с малыми начальными скоростями не будет возвращаться на фотокатод. Чем больше угол неортогональности, тем электроны с большей начальной скоростью будут уходить в межэлектродный промежуток. Т.е. от угла неортогональности будет зависеть число электронов, участвующих в создании полезного сигнала. Разброс этого угла от образца к образцу манометрического преобразователя будет источником погрешности измерения давления газа.

Кроме этого, необходимость снимать постоянные магниты для установления тока эмиссии при промышленной эксплуатации затруднительно, а использование соленоида резко увеличивает габариты манометрического преобразователя и требует постоянного пропускания тока по обмотке соленоида.

Перечисленные факторы ограничивают нижний предел измерения давления и увеличивают погрешность измерения давления в прототипе. Так при изменении давления на 7 порядков величина тока изменяется всего примерно в 50 раз, что обуславливает высокую погрешность измерения давления.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение предела измерения в сторону малых давлений (до 10^-7 мм рт. ст. и ниже) и снижение погрешности измерения давления.

Эта задача решается путем размещения фотокатода и не менее 3-х коллекторов электронов в плоскости первого торцевого электрода и электрической изоляцией от второго торца центрального цилиндрического электрода, электрически соединенного с первым торцевым электродом (фиг. 3). Для облучения фотокатода ультрафиолетовым излучением во втором торцевом электроде напротив фотокатода создается отверстие, покрытое металлической сеткой, через которое излучение попадает на фотокатод.

Предлагаемый манометрический преобразователь (фиг. 3) содержит аксиально расположенные первый торцевой электрод 2, центральный цилиндрический электрод 3, электрически соединенный с первым торцевым электродом, фотокатод 1 (например, в виде пленки галлия или индия), первый коллектор электронов 11, второй коллектор электронов 13, третий коллектор электронов 12, второй торцевой электрод 4, электрически изолированный от центрального цилиндрического электрода, анод 8, постоянный магнит или соленоид для создания аксиального магнитного поля с индукцией много большей критической 9, источник ультрафиолетового излучения 5 с длиной волны порядка 254 нм, изолятор 10, вакуумноплотная оболочка 7, кварцевое окно 6, центрирующая ось 14.

Процесс измерения давления происходит следующим образом. Вначале устанавливается величина фототока. Для этого на анод и второй торцевой электрод подается положительное напряжение (порядка 4 В) относительно фотокатода. На первый торцевой электрод, центральный цилиндрический электрод, и все коллекторы электронов подается отрицательное напряжение (порядка минус 1 В) относительно фотокатода и включается источник ультрафиолетового излучения с фиксированной мощностью излучения. Электроны, выходящие из фотокатода, движутся вдоль линий индукции магнитного поля намного большей критической и попадают на второй торцевой электрод. По величине тока второго торцевого электрода определяется диапазон давления или само значение давления. Если давление находится в диапазоне 10^-2 - 760 мм рт. ст., то величина тока второго торцевого электрода оказывается меньше ранее определенного фототока в условиях вакуума при заданной мощности ультрафиолетового излучения, и давление определяется по величине этого тока. С ростом давления величина тока на второй торцевой электрод уменьшается. Если давление оказывается ниже 10^-2 мм рт. ст., то величина тока соответствует фиксированному значению при высоком вакууме. При этом для определения величины давления в диапазоне давлений меньших 10^-2 мм рт. ст. на второй торцевой электрод, второй и третий коллекторы электронов подается отрицательное напряжение, такое же, как и на первый торцевой электрод и центральный цилиндрический электрод. На первый коллектор электронов подается положительное напряжение (порядка 1 В) относительно фотокатода. Электроны, вышедшие из фотокатода, под действием электрического поля, создаваемого анодом, будут двигаться ко второму торцевому электроду, одновременно перемещаясь по эпициклоиде под действием радиального электрического поля между анодом и центральным цилиндрическим электродом. Не доходя до второго торцевого электрода, электроны поворачивают назад к первому торцевому электроду и улавливаются первым коллектором электронов. Электроны проходят путь, равный примерно удвоенному расстоянию между торцевыми электродами. Часть электронов из электронного пучка, выходящего из фотокатода, рассеивается на молекулах газа и дрейфует к аноду, создавая ток анода, который является мерой давления газа. С ростом давления увеличивается вероятность рассеяния и ток анода. Манометрическую чувствительность можно увеличить, если увеличить путь, проходимый электронным пучком до попадания на коллектор электронов. С этой целью на первый коллектор электронов необходимо подать отрицательное напряжение, такое же, как на первый торцевой электрод, а на второй коллектор электронов положительное напряжение (порядка 1 В). При этом длина пути электронного пучка увеличится, что при том же давлении обеспечит больший ток анода. Для дальнейшего повышения чувствительности необходимо на второй коллектор электронов подать отрицательное напряжение, такое же, как на первый торцевой электрод, а на третий коллектор электронов подать положительное напряжение (порядка 1 В). Путь электронного пучка при этом станет еще больше, и при том же давлении ток анода увеличится. На фиг. 4 показана траектория движения электрона при использовании третьего коллектора электронов. Целесообразно, чтобы при переключении коллекторов электронов длина пути электронного пучка, а следовательно, и ток анода увеличивались в 10 раз.

На фиг. 5 представлена экспериментальная зависимость тока анода от давления азота в диапазоне 10^-7 - 10^-3 мм рт. ст. при установленном токе эмиссии катода на второй торцевой электрод 1 нА, при напряжении на аноде 4 В, напряжении на первом и втором торцевых электродах -1 В, Напряжении на центральном цилиндрическом электроде -1 В, напряжении на первом и втором коллекторах электронов -1 В, напряжении на третьем коллекторе электронов 1 В и индукции магнитного поля 63 мТл. Как видно из хода зависимости при изменении давления на три порядка ток манометрического преобразователя изменяется на три порядка в отличие от прототипа.

В отличие от прототипа, электроны, выходящие из фотокатода, движутся вдоль линий индукции магнитного поля. Поэтому нет возврата электронов на катод. Это позволяет более эффективно использовать источник ультрафиолетового излучения и расширить диапазон измерения давления в область низких давлений.

В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве для определения диапазона давления нет необходимости снятия магнита или выключения соленоида, поскольку установка тока происходит при движении электронов вдоль линий индукции магнитного поля. Существенно, за счет увеличения длины траектории электронов пучка, повышается чувствительность манометрического преобразователя, а, следовательно, уменьшается погрешность измерения давления и расширяется диапазон измеряемых давлений в область высокого вакуума.

Таким образом, в предлагаемом манометрическом преобразователе устраняются причины, которые ограничивали диапазон измеряемых давлений в области высокого вакуума, неудобство эксплуатации в прототипе и реализуется измерение давления в диапазоне 10^-7 - 760 мм рт. ст. с помощью одного манометрического преобразователя.

Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 10^-7 до 760 мм рт.ст. при использовании одного манометрического преобразователя. Предлагается манометрический преобразователь в виде цилиндрического магнетрона, содержащий аксиально и последовательно расположенные первый торцевой электрод в виде диска, центральный электрод в виде цилиндра меньшего диаметра, чем торцевой электрод, второй торцевой электрод в виде диска, фотокатод, устойчивый к действию воздуха, расположенный на центральном электроде, цилиндрический анод с отверстием для пропускания ультрафиолетового излучения, охватывающий торцевые электроды и цилиндрический электрод, и охватывающий электроды цилиндрический магнит, создающий аксиальное магнитное поле с индукцией, намного большей критической. В плоскости диска первого торцевого электрода расположены электрически изолированные от него и между собой фотокатод, устойчивый к действию воздуха, и не менее трех коллекторов электронов, а второй торцевой электрод электрически изолирован от первого торцевого электрода и имеет отверстие напротив фотокатода, закрытое металлической сеткой, для пропускания ультрафиолетового излучения к фотокатоду. Технический результат заключается в расширении диапазона измеряемых давлений в область высокого вакуума и снижении погрешности измерения давления газа. 5 ил.

Манометрический преобразователь в виде цилиндрического магнетрона, содержащий аксиально и последовательно расположенные первый торцевой электрод в виде диска, центральный электрод в виде цилиндра меньшего диаметра, чем торцевой электрод, второй торцевой электрод в виде диска, фотокатод, устойчивый к действию воздуха, цилиндрический анод, охватывающий торцевые электроды, и охватывающий электроды цилиндрический магнит, создающий аксиальное магнитное поле, с индукцией, много большей критической, отличающийся тем, что в плоскости диска первого торцевого электрода расположены фотокатод, устойчивый к действию воздуха, и не менее трех коллекторов электронов, а второй торцевой электрод электрически изолирован от первого торцевого электрода и центрального электрода и имеет отверстие напротив фотокатода, закрытое металлической сеткой, для пропускания ультрафиолетового излучения к фотокатоду.