9. 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. 6.10, а) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (рис. 6.10, б) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 6.10, 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.

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=2m|E|/(qB₂), катящейся по окружности радиуса г с угловой частотой вращения ω =qBI_m и тангенциальной скоростью v_r=Е/В (Е — напряженность электрического поля; В — магнитная индукция; т и q— 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.

9. Радиоизотопные преобразователи.

В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа используется а- или р-излучение радиоактивных изотопов: ²²⁶Ra, ³⁹Pu, ²³⁸Pu, ³Н и т. д. Особенно эффективно использование а-излучения. Энергия а-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 a-частицы вызывают их ионизацию, причем количество образованных положительных ионов пропорционально давлению. Измерительное уравнение радиоизотопного преобразователя имеет вид К=К_тр, где К_r — чувствительность преобразователя. Преобразователи обычно градуируются по воздуху или азоту (для воздуха R_в=10^-10... 10^-11 А/Па). Для определения чувствительности к другим газам можно пользоваться представленными в табл. 6.1 значениями R_T = K_T/K_B.

Радиоизотопный преобразователь (рис. 6.12) состоит из выполненного в виде стержня коллектора /, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3. Вылетающие из радиоизотопного источника а-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.

Нижний предел рабочих давлений определяется фоновым током, возникающим при бомбардировке коллектора а-частицами. Этот ток имеет две составляющие, первая связана с положительным зарядом самих а-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 а-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 р ионного тока на коллектор после того, как длина пути, проходимая в газе а-частицей с энергией Е_а до полной потери энергии, будет меньше размеров преобразователя:

здесь Еш — энергия ионизации молекулы газа; L — средняя длина свободного пути а-частицы при единичном давлении. При Е_а = = 4,79-10⁶ эВ (для радия), Е=15 эВ, L1 = 5-10^-1 см/Па и р =10⁵ Па получим из (6.13) L_a=l,6 см.

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

Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей составляет 10⁵... 10^-2 Па, но обычно его не удается реализовать в одном приборе. Широкодиапазонные конструкции преобразователей выполняются с двумя камерами: большого и малого размеров. Характеристики отечественного радиоизотопного вакуумметра приведены в табл. П.10.