Ионизационный преобразователь Российский патент 2024 года по МПК G01L21/34 

Изобретение относится к области измерения высокого и сверхвысокого вакуума, а именно к магниторазрядным вакуумметрам, и может быть использовано при создании ионизационных вакуумметров с пределами измерения от 1 Па до 1⋅10^-7 Па.

Известны инверсные магнетронные манометры с холодным катодом, например, фирмы Televac (модель СС-10) [Nagamitsu Yoshimura., Vacuum Technology. Practice for Scientific Instruments. - Berlin: Springer, 2008.; www.televac.ru., Руководство по эксплуатации вакуумметра СС-10]. Вакуумметры электронные со встроенным дисплеем СС-10 выполнены в виде единого корпуса, в котором расположены два измерительных датчика: кристаллический кварцевый датчик, двойной инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом и внешний постоянный магнит.

Известен также ионизационный преобразователь ПММ-32, [А.с. 359561 СССР, М. Кл G01L 21/34. Инверсный магнетронный манометр / Г.А. Ничипорович, Г.М. Смирнов, И.Ф. Ханина (СССР). №1686795/18-10; заявлено 20.07.1971; опубликовано 21.11.1972, Бюл. №35. - 3 с.: ил.] обладающий рядом недостатков. Катод преобразователя ПММ-32 выполнен в виде полого цилиндрического магнита, закрытого с торцов крышками из магнитомягкого материала с центральными отверстиями, образующих вместе магнитную систему манометра, штыревой анод, размещенный по оси катода.

Катод преобразователя выполнен в виде цилиндрического магнита, расположенного в его рабочем объеме, что не позволяет производить длительный прогрев преобразователя до 350°С, с целью обезгаживания и измерения низких давлений меньших 1⋅10^-7 Па., так как длительное воздействие высокой температуры на магнит снижает его магнитные свойства, что влияет на точностные показатели преобразователя.

Измерительная система преобразователя, состоящая из анода и катода, при его монтаже на установку занимает часть ее рабочего объема, в результате чего, при наличии в камере потоков заряженных частиц (электронов или ионов), преобразователь, не имеющий собственного корпуса, будет взаимодействовать с этими частицами, что приведет к снижению его точностных показателей.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается во внешнем расположении постоянного магнита и измерительного блока вакуумметра, что дает возможность их быстрой замены или снятия для прогрева преобразователя до 350°С, без отделения преобразователя от вакуумной системы. Конструкция холодного катода преобразователя представляет собой электрически изолированную от корпуса датчика извлекаемую рабочую камеру, что позволяет проводить ее профилактическую чистку, или быструю замену при повреждении, а также приводит к снижению уровня помех, шумов в измерительной системе и способствует прецизионному измерению сверхмалых значений тока.

Сущность изобретения заключается в том, что в ионизационном преобразователе, содержащем штыревой анод, размещенный по оси полого цилиндрического холодного катода, представляющего собой узел, закрытый с двух сторон магнитными концентраторами, фиксируемый в корпусе, имеющего проходной ввод катода через изолятор, полый цилиндрический холодный катод помещен в постоянное магнитное поле поперечное электрическому полю, создаваемое внешним магнитом, намагниченным в осевом направлении, формируемое внешними полюсными накладками и магнитными концентраторами. Полый цилиндрический холодный катод представляет собой извлекаемый электрически изолированный от корпуса узел, ограниченный по краям магнитными концентраторами. В устройство введен присоединяемый измерительный блок вакуумметра, с возможностью его отделения с внешним магнитом, штыревой анод смонтирован на фланце, имеющем изолятор, а присоединение фланца к корпусу осуществлено вакуумно-плотным разъемным соединением.

Существует вариант, в котором присоединяемый измерительный блок вакуумметра закреплен на корпусе.

Существует также вариант, в котором полый цилиндрический холодный катод помещен в корпус.

Существует также вариант, в котором в нем установлена защитная сетка, сопряженная с полым цилиндрическим холодным катодом и штыревым анодом.

Существует также вариант, в котором поверхность полого цилиндрического холодного катода имеет покрытие из тонкой пленки эмиссионноактивного вещества.

Существует также вариант, в котором в составе изолятора присутствуют нитрид бора, оксид кремния и силикат лития.

Существует также вариант, в котором измерительный блок вакуумметра имеет кольцевой активный пьезоэлемент.

На прилагаемых графических материалах изображен ионизационный преобразователь в общем виде.

Ионизационный преобразователь содержит штыревой анод 1, размещенный по оси полого цилиндрического холодного катода 2, представляющего собой узел, закрытый с двух сторон магнитными концентраторами 4. В качестве материала штыревого анода 1 можно использовать сплавы молибдена или вольфрама. В качестве материала цилиндрического холодного катода 2 можно использовать нержавеющую сталь марки 12Х18Н10Т. В качестве материала магнитных концентраторов 4 можно использовать «сплав Армко». Штыревой анод 1 зафиксирован в корпусе 6, имеющем проходной ввод катода 7 через изолятор 8. В качестве материала изолятора 8 можно использовать алюмооксидную керамику марки ВК94-1, непрозрачное стекло С85-2 или полимерно-неорганическое вакуум-плотное малогазящее соединение. Полый цилиндрический холодный катод 2 помещен в постоянное магнитное поле, поперечное электрическому полю, создаваемое внешним магнитом 11, намагниченным в осевом направлении, формируемое внешними полюсными накладками 12 и магнитными концентраторами 4. Напряженность магнитного поля в центре магнитной системы 1100±50Э, напряжение на аноде +2500 В±1,5%. Полый цилиндрический холодный катод 2 представляет собой извлекаемый электрически изолированный от корпуса 6 узел, ограниченный по краям магнитными концентраторами 4. В устройство введен присоединяемый измерительный блок вакуумметра 13, с возможностью его отделения с внешним магнитом 11. В качестве измерительного блока вакуумметра 13 можно использовать электронный блок, являющийся программируемым микропроцессорным устройством, обеспечивающим измерение тока разряда и преобразование в цифровой сигнал величины давления. В составе измерительного блока вакуумметра 13 имеется кольцевой активный пьезоэлемент 19. Штыревой анод 1 смонтирован на фланце 14, имеющем изолятор 15. В качестве изолятора 15 можно использовать алюмооксидную керамику марки ВК94-1, непрозрачное стекло С85-2 или полимерно-неорганическое вакуум-плотное малогазящее соединение. Присоединение фланца 14 к корпусу 6 осуществлено вакуумно-плотным разъемным соединением, в качестве которого можно использовать металлической прокладки, изготовленные из меди или индия.

Существует вариант, в котором измерительный блок вакуумметра 13 закреплен на корпусе 6.

Существует также вариант, в котором полый цилиндрический холодный катод 2 помещен в корпус 6.

Существует также вариант, в котором в устройстве установлена защитная сетка 18, сопряженная с полым цилиндрическим холодным катодом 2 и штыревым анодом 1. В качестве защитной сетки 18 можно использовать сетку из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

Существует также вариант, в котором поверхность полого цилиндрического холодного катода 2 имеет покрытие слоем тонкого палладий-бариевого сплава ПдБ-2 (Pd ~ 98%, Ва ~ 2%), при этом работа выхода электронов снижается с 4,5 эВ до 2,3 эВ, что позволяет расширить рабочий диапазон измеряемых давлений и повысить точность измерения ионизационного преобразователя.

Существует также вариант, в котором в состав изолятора 8 и изолятора 15, введен представляющего собой смесь оксида кремния (SiO₂) 90-99% и силиката лития (Li₂Si₂O₅) 1-10%, введен нитрид бора, оксид кремния и силикат лития, что позволяет получить герметичные спаи с металлами, обладающих прочностью на разрыв выше, чем у спаев с керамикой производственного состава.

Существует также вариант, в котором измерительный блок вакуумметра 13 имеет кольцевой активный пьезоэлемент 19, активируемый при запуске преобразователя на давлениях меньших 1⋅10^-7 Па., при этом механические колебания, генерируемые кольцевым активным пьезоэлементом 19, передаются на внутреннюю поверхность корпуса 6, что способствует интенсификации диффузии и десорбции газовых компонентов с поверхности корпуса 6, для обеспечения легкого зажигания электрического разряда, что позволяет повысить точность измерения ионизационного преобразователя.

Устройство работает следующим образом. На штыревой анод 1 подают напряжение +2500 В. Окружающий его коаксиально полый цилиндрический холодный катод 2 с закрытыми торцами находится под нулевым потенциалом. Полый цилиндрический холодный катод 2 одновременно является магнитной системой, в объеме которого, под действием магнитного поля внешнего магнита 11, создается осевое магнитное поле, необходимое для работы преобразователя. Под действием пересекающихся магнитного и электрического полей в преобразователе возникает газовый разряд. По величине разрядного тока судят о давлении газа. Измерительный блок вакуумметра 13, являющийся программируемым микропроцессорным устройством, обеспечивает измерение разрядного тока и преобразование в цифровой сигнал величины давления.

То, что полый цилиндрический холодный катод 2 представляет собой извлекаемый электрически изолированный от корпуса 6 узел, ограниченный по краям магнитными концентраторами 4, в устройство введен присоединяемый измерительный блок вакуумметра 13, с возможностью его отделения с внешним магнитом 11, штыревой анод 1 смонтирован на фланце 14, имеющем изолятор 15, присоединение фланца 14 к корпусу 6 осуществлено вакуумно-плотным разъемным соединением позволяет проводить механическую чистку электродов от продуктов крекинга вакуумного масла, образующегося во время работы преобразователя и от других загрязнений. Конструкция полого цилиндрического холодного катода 2 преобразователя представляет собой электрически изолированную от корпуса датчика извлекаемую рабочую камеру, что позволяет проводить ее профилактическую чистку, или быструю замену при повреждении, а также приводит к снижению уровня помех, шумов в измерительной системе и способствует прецизионному измерению сверхмалых значений тока.

То, что присоединяемый измерительный блок вакуумметра 13 закреплен на корпусе 6 дает возможности их быстрой замены или снятия для прогрева преобразователя до 350°С, без отделения преобразователя от вакуумной системы, производимого с целью измерения низких давлений меньших 1⋅10^-7 мм.

То, что полый цилиндрический холодный катод 2 помещен в корпус 6 позволяет снизить взаимное влияние, оказываемое в процессе работы ионизационного преобразователя и устройств, помещаемых в рабочий объем исследуемой высоковакуумной камеры.

То, что в устройстве установлена защитная сетка 18, сопряженная с полым цилиндрическим холодным катодом 2 и штыревым анодом 1 позволяет предотвратить попадание в ионизационный вакуумметр крупных коллоидных частиц, которые могут повредить полый цилиндрический холодный катод 2 и штыревой анод 1.

То, что поверхность полого цилиндрического холодного катода 2 имеет покрытие слоем палладий-бариевого сплава ПдБ-2 (Pd -98%, Ва ~ 2%) толщиной 2-10 мкм, позволяет снизить работу выхода электронов с его поверхности, с величины 4,5 эВ до 2,3 эВ, снизить рабочее напряжение на аноде, расширить рабочий диапазон измеряемых давлений и повысить точность измерения ионизационного преобразователя.

То, что в состав изолятора 8 и изолятора 15, представляющего собой смесь оксида кремния (SiO₂) 90-99% и силиката лития (Li₂Si₂O₅), введен нитрид бора, оксид кремния и силикат лития, позволяет получить герметичные спаи с металлами, обладающих прочностью на разрыв выше, чем у спаев с керамикой производственного состава.

То, что измерительный блок вакуумметра 13 имеет кольцевой активный пьезоэлемент 19, представляющий собой смесь на основе цирконат титанат свинца ЦТС-19 состава Pb_0,95Sr_0.05(Ti_0,47Zr_0,53) О₃, пьезокристалл ниобат лития (LiNbO₃), или лантан-галлиевый силикат (La₃Ga₅SiO₁₄), способствует интенсификации диффузии и десорбции газовых компонентов с поверхности корпуса 6, для обеспечения легкого зажигания электрического разряда, что позволяет повысить точность измерения ионизационного преобразователя.

Изобретение относится к области измерения высокого и сверхвысокого вакуума, а именно к магниторазрядным вакуумметрам, и может быть использовано при создании ионизационных вакуумметров с пределами измерения от 1 до 1⋅10^-7 Па. Сущность изобретения заключается в том, что полый цилиндрический холодный катод 2 представляет собой извлекаемый электрически изолированный от корпуса 6 узел, ограниченный по краям магнитными концентраторами 4, при этом в устройство введен присоединяемый измерительный блок вакуумметра 13, с возможностью его отделения с внешним магнитом 11, а штыревой анод 1 смонтирован на фланце 14, имеющем изолятор 15. Технический результат изобретения заключается в том, что конструкция полого цилиндрического холодного катода 2 позволяет проводить ее профилактическую чистку, или быструю замену при повреждении, а также снижает уровень помех, шумов в измерительной системе и способствует прецизионному измерению сверхмалых значений тока. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионизационный преобразователь, содержащий штыревой анод, размещенный по оси полого цилиндрического холодного катода, представляющего собой узел, закрытый с двух сторон магнитными концентраторами, фиксируемый в корпусе, имеющего проходной ввод катода через изолятор, полый цилиндрический холодный катод помещен в постоянное магнитное поле, поперечное электрическому полю, создаваемое внешним магнитом, намагниченным в осевом направлении, формируемое внешними полюсными накладками и магнитными концентраторами, отличающийся тем, что полый цилиндрический холодный катод представляет собой извлекаемый электрически изолированный от корпуса узел, ограниченный по краям магнитными концентраторами, в устройство введен присоединяемый измерительный блок вакуумметра, с возможностью его отделения с внешним магнитом, штыревой анод смонтирован на фланце, имеющем изолятор, присоединение фланца к корпусу осуществлено вакуумно-плотным разъемным соединением.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что присоединяемый измерительный блок вакуумметра закреплен на корпусе.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полый цилиндрический холодный катод помещен в корпус.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем установлена защитная сетка, сопряженная с полым цилиндрическим холодным катодом и штыревым анодом.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, поверхность полого цилиндрического холодного катода имеет покрытие из пленки эмиссионноактивного вещества.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в составе изолятора присутствуют нитрид бора, оксид кремния и силикат лития.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительный блок вакуумметра имеет кольцевой активный пьезоэлемент.