Относительная чувствительность преобразователей

Газ Тип преобразователя	Электронный	Магнитный	Радиоизотопный
N2	1	1	1
H2	0,43	0,43	0,23
Не	0,16	0,15	0,21
Аr	1,3	1,4	1,2
CO2	1,6	1,3	1,5
O2	0,85	0,86	–
CH4	1,5	–	–
Хе	2,8	3,5	–
Ne	0,27	0,26	–
CO	1,04	–	–
H2O	–	–	0,88
Ацетон	–	–	2,7

При измерении давления смеси газов из условия равенства ионных токов имеем

К_смр_см = К₁р₁ + К₂р₂ + ... + К_np_n.

Поделив полученное уравнение на К_В, получим

откуда

Быстрота откачки электронных преобразователей составляет 10^–3...10^–1 л/с, что в закрытых конструкциях преобразователей, присоединяемых через трубку с малой проводимостью, может привести к заметным ошибкам измерения. Дополнительные источ­ники погрешности измерения связаны с химическим взаимодействием газов с накаленным катодом и ионной десорбцией под воз­действием электронной бомбардировки газов, химически погло­щенных анодом.

1.6. Магнитные преобразователи

Принцип действия магнитных преобразователей основан на за­висимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные си­стемы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают несколь­ких видов.

Ячейка Пеннинга (рис. 1.10, а) состоит из двух дисковых като­дов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразовате­ле (рис. 10, б), в отличие от ячейки Пеннинга, катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 1.10, в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.

Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подается положительное относительно катода напряжение 2... 6 кВ, катод заземлен и соединяется с входом усилителя по­стоянного тока.

а) б) в)

Рис. 1.10. Электродные системы магнитных преобразовате­лей:

а – ячейка Пеннинга; б – магнетронная; в – инверсно-магнетронная

Электроны, вылетающие из катода в результате автоэлектрон­ной эмиссии, в магнетронном или инверсно-магнетронном преобра­зователе движутся в скрещенных электрическом и магнитном по­лях по циклоиде, образованной окружностью диаметром D = 2mЕI/(qВ²), катящейся по окружности радиусом r с угловой частотой вращения ω = qВ/m и тангенциальной скоростью υ = Е/В (Е – напряженность электрического поля; В – магнитная индукция; m – масса и заряд электрона). В ячейке Пеннинга электроны движутся по спиральным траекториям между катодны­ми пластинами.

Магнитная индукция В выбирает­ся больше критического значения, со­ответствующего равенству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой движется электрон, и состав­ляющего в современных приборах ~ 0,1 Тл.

При соударении с молекулой оста­точного газа электрон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемеща­ется в радиальном направлении к аноду. В связи с тем, что радиальная скорость электронов значительно меньше, чем тангенциальная, при низ­ких давлениях в разрядном промежутке образуется отрицатель­ный объемный заряд.

Положительные ионы, образовавшиеся в результате столкнове­ния с электронами, движутся к катоду. Так как их масса значи­тельно больше, чем у электрона, то магнитное поле практически не влияет на траекторию движения ионов. Соударение положи­тельных ионов с катодом приводит к появлению вторичных элек­тронов, ток которых пропорционален ионному току.

Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя

I_Р = I_Ф + I_И + I_В,

где I_Ф – фоновый ток автоэлектронной эмиссии; I_И – ионный ток; I_В – ток вторичной электронной эмиссии.

Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления и потому может считаться фоновым током; ионный и ток вторичной элек­тронной эмиссии зависят от давления:

I_И + I_В = арⁿ,

где а = 10^–2...10^–1А/Па и n = 1...1,4 – постоянные.

Учитывая эту зависимость и пренебрегая фоновым током, по­лучим измерительное уравнение магнитного преобразователя I_Р = K_ИР; здесь K_И = ар^n–1 – чувствительность прибора. Разрядный ток магнитного преобразователя нелинейно зависит от давления.

Верхний предел измерения связан с ограничением максималь­ного разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим измерительный прибор от возникновения дугового разряда. Для расширения верхнего предела измерения следует уменьшить анод­ное напряжение и размеры разрядного промежутка. Обычно верх­ний предел измерения находится в области давлений 10... 100 Па.

Нижний предел измерения определяется временем зажигания разряда и значением фонового тока. В современных приборах он составляет 10^–11 Па. Для уменьшения фонового тока применяются специальные экраны 3 (рис. 1.11), расположенные в промежутке между катодом 2 и анодом 1, где напряженность электрического поля максимальна. Большая часть фонового тока в этом случае переходит на корпус, минуя микроамперметр, которым измеряется разряд- ный ток.

Рис. 1.11. Схема магнетронного преобразователя с умень­шенными фоновыми токами

Для обеспечения зажигания разряда при низких давлениях необходимо повышать анодное напряжение и увеличивать размеры разрядного промежутка.

Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме на экранных пластинах устанавливают острые иголки, увеличи­вающие автоэлектронную эмиссию. Наиболее надежным способом обеспечения быстрого зажигания разряда является использование нагреваемых элементов, включение которых приводит к резкому повышению давления или термоэмиссии электронов.

При применении сильных магнитных полей (В > 0,1 Тл) значе­ние постоянной n в формуле, описывающей чувствительность при­бора, стремится к единице. При этом расширяется диапазон рабо­ты прибора в области как низких, так и высоких давлений.

Магнитные преобразователи, так же как и электронные, имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Коэффициен­ты относительной чувствительности магнитных преобразователей R_Г = К_Г/К_В для ряда газов представлены в табл. 1.1.

Быстрота откачки колеблется для различных преобразовате­лей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10^–2до 1 л/с, что значительно больше, чем для электронных. Это приводит к увеличению погрешности измерений при наличии ва­куумного сопротивления между преобразователем и вакуумной камерой.

Преимуществом магнитного преобразователя перед электрон­ным является более высокая надежность в работе в связи с заме­ной накаленного катода холодным, а недостатком – нестабильно­сти, связанные с колебаниями работы выхода электронов при за­грязнении катодов.

Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразова­теля в вакуумных системах с парами масла, продукты разложе­ния которого при ионной бомбардировке и масляные диэлектриче­ские пленки, покрывающие поверхности электродов, могут в не­сколько раз изменить постоянную преобразователя. Во избежание этого необходимо применять самоочищающиеся магнитные преоб­разователи, работающие на переменном токе. В таких преобразо­вателях катод и анод меняются местами в соответствии с полу­периодами питающего напряжения, а очистка их поверхностей осуществляется ионной бомбардировкой.