Вакуумметр Советский патент 1993 года по МПК G01L21/32 

00

М О ч

ел

Изобретение относится к технике измерения высокого вакуума и может быть использовано для измерения давлений в диапазоне 10 - мм рт.ст.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых давлений за счет повышения предела чувствительности по нижнему пределу измеряемых давлений.

На чертеже изображена схема предлагаемого вакуумметра.

Камера 1 датчика 2 присоединена к объему 3, в котором измеряется давление. На камеру 1 надеты идентичные соленоиды 4 и 5, образующие в объеме камеры конфигура- цию двух соосных зеркально-симметричных магнитных зеркал.

Между соленоидами зеркально-симметрично расположены идентичные инжекторы 6 и 7, представляющие собой электронные пушки с фотркатодами.

С противоположных сторон соленоидов 4 и 5 расположены зеркально-симметрично два идентичных коллектора 8 и 9..

По оси симметрии датчика может располагаться проводящий стержень 1.6.

Вакуумметр содержит блок 11 электропитания. Блок 11 включает схему 12 электропитания соленоидов .4 и 5, схему 13 питания инжекторов 6 и 7. схему электропитания 14 проводящего стержня 10, включенную между камерой 1 датчика 2 и проводящим стержнем 10.

Вакуумметр включает также блок измерения 15 электронного тока коллекторов 8 и 9.

Устройство вакуумметра работает следующим образом.

Электроны инжектируются из инжекторов 6 и 7 в области слабых магнитных полей и двигаются по спиральной траектории в направлении к магнитным зеркалам, поля которых образованы соленоидами 4 и 5, создающими аксиально-симметричные магнитные поля. При этом, как показывает дрейфовая теория движения заряженных частиц в неоднородных электромагнитных полях, с высокой точностью сохраняется постоянной величина

sin2a

sin2 сц Во

где а- угол наклона траектории электрона к магнитной силовой линии;

«-угол наклона траектории электрона .к магнитной силовой линии в месте расположения инжектора;

B(Z) - величина индукции магнитного поля в функции от Z;

Во - величина индукции магнитного поля в центре датчика.

При aX-rj- B(Z) Be, Z Zc.

. ; ; . : .. .

В область, где B(Z) Bc, электроны проникнуть не могут. Если Вс Вт (Вт - максимальная напряженность магнитного поля), то электроны отражаются от магнитного

зеркала в области, где B(Z) Вс.

Как показывает теория движения электронов в неоднородных полях, наряду с продольным движением вдоль оси симметрии электроны двигаются с значительно меньшей скоростью в азимутальном направлении вокруг оси симметрии датчика. Благодаря этому при соответствующем выборе величины ДФ1/4 .электроны не попа- дают на инжекторы 6 и 7, а проходят мимо

указанных инжектороё, минуют плоскость симметрии датчика и двигаются к противоположному магнитному зеркалу, отражаются от него и т.д. При этом продолжается дрейф электронных траекторий в азимутальком направлении. После отражений от

магнитных зеркал, обойдя в азимутальном

дрейфовом движении угол, близкий к 360°,

электроны попадают на инжекторы 6 и 7.

Повышение предела чувствительности в

предлагаемом вакуумметре по сравнению с прототипом происходит за счет

1) возрастания длины пути электрона внутри датчика в 4.N раз. где N-число полных периодов продольного движения электрона до попадания на инжекторы 6 или 7;

2) возрастания тока на коллекторы в 2 раза за счет рассеяния в два конуса потерь в сфере пространства скоростей в предположении изотропности рассеяния по углам, что приблизительно выполняется при малых энергиях электрона;

3) возрастания тока на коллектор в 2 раза за счет наличия двух инжекторов.

Таким образом чувствительность ваку- умметра возрастает в 16.N раз.

Для дальнейшего расширения диапазона

измеряемых давлений датчик вакуумметра

может быть снабжен электропроводящим

стержнем 10, размещенным вдоль продольной оси симметрии датчика и закрепленным

на введенных в камеру датчика изоляторах,

и дополнительным источником напряжения

14, одна клемма которого подсоединена к

проводящему стержню, а другая - к камере

датчика 1.

Электрическое поле между электропроводящим стержнем и камерой датчика приблизительно перпендикулярно направлению магнитного поля.

Электропроводящий стержень действует следующим образом.

Согласно теории движения электронов в неоднородных электрических и магнитных полях в скрещенных электрическом и магнитном поле вектор скорости дрейфа центра кривизны электронной траектории .направлен перпендикулярно вектору индукции магнитного поля и перпендикулярно упомянутому вектору индукции магнитного поля составляющей вектора напряженности электрического поля, а величина скорости дрейфа равна.

но-симметричном поле с высокой точностью сохраняется величина

B(Z). г2 const Ј

JL п

где Фс поток-индукции через траекторию ведущего центра,

.Во.Г|2,

где п - расстояние инжектора от оси симметрии датчика. Таким образом

Использование: вакуумметр относится к вакуумной технике и может быть применен для измерения давлений в вакуумных системах в диапазоне ..- 10 мм рт.ст. Для расширения диапазона измеряемых давлений в датчике вакуумметра введены дополнительный источник 4 магнитного поля, инжектор 6 и коллектор 8. При этом инжекторы б и 7 расположены на расстоянии от оси симметрии датчика, равном или большем ASi/2 ДФ1/Н. где ASi - размер инжектора в направлении, перпендикулярном оси симметрии датчика и рудиус-вектору, соединяющему ось симметрии датчика с геометрическим центром выходной агентуры анода инжектора: ДФ1/4-угол дрейфа электронного луча по полярному углу на расстоянии от инжектора до точки возврата. Датчик может быть также снабжен проводящим стержнем 10, расположенным по оси симметрии. 1 ил. : Ы: Ё

Чдр. Е с

§

В

где с 3-1010м-с 1-скорость света; EI - величина перпендикулярной вектору магнитной индукции составляющей электрического поля;

В - величина индукции магнитного поля.. . - . . - -. - .- Л

В предлагаемом датчике дрейфовая скорость Удр.Е направлена в азимутальном направлении..

Применение электрического управления позволяет Осуществлять точную настройку прибора.

Составляющая угловой скорости, возникающая при действии электрического поля электропроводящего стержня, равна

d(pE Удр.Е .

dtr

где г - расстояние центра кривизны электронной траектории от оси симметрии.

Так как напряженность поля, создаваемая электропроводящим стержнем в -камере датчика на расстоянии гот его оси, равна

Е(г) Uo

r-K-i

где Uo - потенциал электропроводящего стержня относительно камеры;

Гк - радиус камеры;

гс - радиус электропроводящего стержня,

УурЕ

г

с

Uo

BCzO - -.lii-ir С

Согласно теории движения электронов в неоднородных электрических и магнитных полях при дрейфовом движении в аксиаль

JL2L-C.. dt

Uc

Во г In

Гк гс

const

азимутальное смещение центра кривизны траектории электрона по азимуту при движении от инжектора до точки отражения от магнитного зеркала за счет действия поля электропроводящего стержня равно

ДФЕ1/4 Ј

Uo 4 Тп

Вс

Гс

где Тп - период продольных колебаний электрона между магнитными зеркалами

35 (1/4).

V

v 1 В (z ) sln

Во

При соответствующем выборе 1/° можно

уменьшить азимутальное смещение центра кривизны электронной траектории за один период и тем самым увеличить число колебаний электрона между магнитными зеркалами за один полный оборот по азимуту на

360°.

Таким образом, применение второго магнитного зеркала, второго инжектора и второго коллектора, а также электропроводящего суержня позволяет повысить предел

чувствительности регистрации тока коллектора в 100-200 раз.

Формулаизобре тения 1. Вакуумметр, содержащий датчик, в камере которого размещены первый инжектор электронов и первый коллектор, расположенные внутри первого источника Магнитного поля, выполненного в виде соленоидной катушки, размещенной между инжектором и коллектором, образующей в камере датчика магнитное зеркало, источник электропитания и регистрирующий прибор, подключенный к коллектору, отличающий с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону низких давлений за счет повышения чувствительности, в датчик дополнительно введены второй инжектор электронов, второй коллектор и второй источ ни к маги итного поля, идентичные по конструкции первым инжектору, коллектору и источнику магнитного поля и расположенные зеркально симметрично им вдоль направления продольной оси симметрии датчика, причем оба инжектора размещены над осью симметрии датчика на расстоянии, большем или равном Д5|/2ЛФ /4 , где ASi - размер инжектора в направлении, перпендикулярном оси симметрии датчика и радиусу-вектору, соединяющему ось симг метрий датчика с центром выходного отверстия анода инжектора: АФ1/4- величина, определяемая по выражению

sinVi-e(Z)

;,, B(z

ivje

вв

0

0

5

где U - анодное напряжение инжектора;

Z - продольная координата электронов а датчике, 2. 0вдентре датчика;

B(Z) - функция распределения магнитного поля в датчике, определяемая по известны м па раметрам конструкции соленоидных катушек и источника электропитания;: .;:.(/ /.;;. :..:

Во В(Ь) - величина индукции магнитного поля в центре датчика; :

cq-угол между направлениями перпендикуляра к плоскости катода инжектора и осью-Симметрии Датчика;:::;-:;v; .. ;/ v;-:-o

Z« - величина, определяемая из соотношения B(ZC) Bo/sln«

е 4,81.

rn -9vf1

с-3

2; Вакуумметр по п 1 у|;м:Ч:в |Щ|1й : с я тем, что датчик снабжен электропроводящим стержнем,-размещенным вдоль про- Дольной оси симметрии датчика и закрепленным на введенных в камеру датчика изоляторах, и дополнительным источником напряжения, одна клемма которого подсоединена к проводящему стержню, а другая г к камере датчика. ; : ; ;. :; -Л -;;..::

КГ™ CGSE - заряд электрона; . 1СГ28 г-масса эяектр й а 101°см;свк лквр(свет ц