1.7. Радиоизотопные преобразователи

В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа ис­пользуется α- или β-излучение радиоактивных изотопов. Особенно эффективно использование α-излучения. Энергия α-частиц (двухзарядных поло­жительных ионов гелия), возникающих при ра­диоактивном распаде, составляет (4,5...5,5)×10⁶ эВ. В связи с этим в радиоизотопных пре­образователях не требуется накаленного катода и высокого напряжения, как в электронных и магнитных преобраз­ователях.

Стабильность работы прибора обеспечивает­ся независимостью радиоактивного распада от температуры окружающей среды и физико-хими­ческого воздействия находящихся в преобразо­вателе газов. Благодаря этим свойствам и неог­раниченному сроку службы радиоизотопный преобразователь с точки зрения метрологии яв­ляется одним из лучших приборов для измере­ния вакуума.

При взаимодействии с молекулами газов α-частицы вызывают их ионизацию, причем количество образован­ных положительных ионов пропорционально давлению. Измери­тельное уравнение радиоизотопного преобразователя имеет вид

I_И = K_rp,

где К_r – чувствительность преобразователя.

Преобразо­ватели обычно градуируются по воздуху или азоту (для воздуха K_В = 10^–10...10^–11 А/Па). Для определения чувствительности к другим газам можно пользоваться представленными в табл. 1.1 значениями R_r = К_r/К_В·

Радиоизотопный преобразователь (рис. 1.12) состоит из выпол­ненного в виде стержня коллектора 1, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3. Вылетающие из радиоизотопного источника β-частицы, соударяясь с молекулами остаточных газов, образуют положительные ионы, которые под действием разности потенциалов между анодом и коллектором (~50 В) направляют­ся к коллектору, вызывая в его цепи ионный ток, пропорциональ­ный давлению.

Рис. 1.12. Радио­изотопный преоб­разователь

Нижний предел рабочих давлений определяется фоновым то­ком, возникающим при бомбардировке коллектора α-частицами. Этот ток имеет две составляющие, первая связана с положитель­ным зарядом самих α-частиц, а вторая – с возникновением тока вторичной электронной эмиссии с коллектора. Нижний предел измерения давления радиоизотопного манометра составляет 10^–1...10^–2 Па. Для расширения диапазона рабочих давлений в некото­рых преобразователях коллектор защищен экранами или располо­жен вне зоны видимости источника α-частиц. При этом нижний предел измеряемых давлений может быть снижен еще на два по­рядка. Этого же можно достигнуть, увеличивая габариты преобра­зователя, что сопровождается повышением чувствительности без измерения значения фонового тока.

Верхний предел измеряемых давлений обусловлен независимостью от давления газа с ионного тока на коллектор после того, как длина пути, проходимая в газе α-частицей с энергией Е_а до полной потери энергии, будет меньше размеров преобразователя:

L_a = E_cL₁/(E_Иp); (1.13)

где Е_И – энергия ионизации молекулы газа; L₁ – средняя длина свободного пути α-частицы при единичном давлении. При Е_а = 4,79 ·10⁶ эВ (для радия), Е_И = 15 эВ, L₁ = 5·10^–1 см/Па и р = 10⁵ Па получим из (1.13) L_a = 1,6 см.

Таким образом, максимальная длина пробега α-частицы в пре­образо­ва­теле с верхним пределом, равным атмосферному давле­нию, не должна превышать 1,6 см.

Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей составляет 10⁵...10^–2Па, но обычно его не удается реализовать в одном приборе. Широкодиапазонные конструкции преобразова­телей выполняются с двумя камерами: большого и малого разме­ров.