Магнитные преобразователи

Принцип действия магнитных преобразователей основан на за­висимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных маг­нитном и электрическом полях от давления. Применяют несколько ви­дов электродных систем, обеспечивающих поддержание самостоятельно­го газового разряда при высоком вакууме.

Ячейка Пеннинга, рис.2.40, состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2. Электроны, вылетающие из анода в результате автоэлектронной эмиссии, движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами. Магнитная индукция В выбирается больше критического

Рис. 2.40.

значения, соответствующего ра­венству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой дви­жется электрон. При соударении с молекулой остаточного газа элект­рон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиаль­ном направлении к аноду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду, образуя ионный ток I_и. Соударение положительных ионов с катодом приводит к образованию вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному.

Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя I_р=I_ф+I_и+I_в, где I_ф - фоновый ток автоэлектронной эмиссии; I_в - ток вторичной электронной эмиссии. Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления, ионный ток и ток вторичной эмиссии от давле­ния зависят, I_и+I_в=аРⁿ, где а=0,1...0,01 А/Па и n=1...1,4 - посто­янные.

Кроме ячейки Пеннинга применяют магнетронные преобразователи, рис. 2.41, в которых катоды соединены стержнем, и инверсно-магнетронные, в которых центральный стержень - анод, а наружный цилиндр – катод.

Рис .2.41.

Преимущество магнитного преобразователя перед электронным - более высокая надежность, т.к. применен холодный катод. Недостаток - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.

Радиоизотопные преобразователи

В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа используется α-, или β-излучение радиоактивных изотопов. Преобразователь состоит из стержневого коллектора 1, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3, рис. 2.42.

Рис. 2.42.

Вылетающие из радиоизотопно­го источника α- частицы, соударяясь с молекулами остаточных газов, образуют по­ложительные ионы, которые под действием разности потенциалов между анодом и коллектором направляются к коллектору, вызывая в цепи ионный ток, пропорциональный давлению.

Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью ра­диоактивного распада от температуры и воздействия газов. Поэтому данный прибор считается одним из лучших для измерения вакуума.

Газоанализаторы

Измерители парциальных давлений, как и измерители общих дав­лений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых пар­циальных давлений, чувствительностью, а также свойственным только им параметром - разрешающей способностью.

Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоя­щее время осуществляют двумя методами: ионизационным и сорбцион­ным.

Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положи­тельных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду. Сорбционный метод использует анализ адсорбированных газов.

Принцип действия магнитного газоанализатора (масс-спектромет­ра) основан на прстранственном разделении моноэнергетического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле, рис. 2.43. Ионообразование осуществляется

Рис. 2.43.

электронной бомбардировкой нейтральных газовых молекул в ионном источнике 1 за счет тока эмиссии, i_э. Ионный источник находится под отрицательным потенциалом относительно земли, выталкивающим ионный пучок i₊ в пространство дрейфа со скоростями v~(q/m)0,5. В пространстве дрейфа действует поперечное магнитное поле с индукцией В, под воз­действием силы Лоренца F₁=qvB положительные ионы движутся в направлении, определяемом правилом левой руки, по окружностям посто­янных радиусов R. При этом центростремительная сила Лоренца урав­новешивается центробежной силой F₂=mv²/R. Из условия равенства сил F₁=F₂ найдем радиус траектории ионов:

R=mv/(qB). (2.16)

В результате на коллектор 3 попадают только те ионы, радиус которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллекто­ром. Изменяя радиус траектории иона R за счет изменения ускоряюще­го напряжения или индукции В, можно обеспечить попадание на кол­лектор ионов с различными массовыми числами. Ионный ток регистри­руется прибором 2.

Чувствительность масс спектрометра возрастает при увеличении ширины щелей. Верхний предел рабочих давлений 0,01 Па определяется постоянством коэффициента чувствительности, нижний 10^-8Па - фоно­выми токами.

Для проведения анализа с помощью метода сорбции в камеру с исследуемым газом, имеющую обычный манометрический преобразова­тель, помещают прогреваемую прямым пропусканием электрического то­ка вольфрамовую нить. Перед началом работы ее обезгаживают прогре­вом до 2500 К. После охлаждения на ее поверхности адсорбируются молекулы остаточных газов. При нагревании нити происходит десорб­ция газов и давление в камере повышается, причем десорбция различ­ных газов происходит при разной температуре нити. Для повышения чувствительности прибора необходимо увеличивать адсорбирующую по­верхность. Если адсорбирующую поверхность охладить, то можно про­вести анализ газов с малой теплотой адсорбции.

Измерение газовых потоков

Газовый поток - это масса газа, проходящая в единицу времени через заданное сечение элемента вакуумной системы. Потоки индиви­дуальных веществ можно измерять также количеством молекул газа, проходящих через заданное сечение элемента вакуумной системы в единицу времени. Единица газового потока кг/с, или при постоянной температуре газа м³Па/с.

Стационарный поток газа можно записать в виде

Q = U(Р₁-Р₂), (2.17)

где U - проводимость вакуумной системы.

Данное уравнение можно использовать для измерения стационар­ных газовых потоков методом двух манометров по перепаду давления на вакуумном элементе известной проводимости.

Другое выражение для определения как стационарных, так и нестационарных газовых потоков можно записать в дифференциальной форме:

(2.18)

В соответствии с этим уравнением для измерения газовых пото­ков используют два метода: постоянного давления и постоянного объ­ема. При р=const поток газа Q=pdV/dt, а его измерение осуществляется по скорости изменения объема газа при постоянном давлении.

Описанные методы считаются абсолютными. Косвенные методы - тепловые, радиоизотопные, ионизационные - нуждаются в градуировке по абсолютным методам.

Метод двух манометров

Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений на элементе с известной проводимостью. Может применяться для изме­рения производительности и быстроты действия вакуумных насосов.

Поток газа, откачиваемый насосом 5, измеряется по перепаду давлений на диафрагме 3 известной проводимости U, рис.2.44. Диафрагма установлена в измерительном колпаке 6. Давления Р₁ и Р₂ измеряются соответственно манометрами 2 и 4. Регулировка потока газа осуществляется с помощью натекателя 1, подключенного к вспомогательной вакуумной системе. Рабочее давление вспомогательной вакуумной системы больше, чем основной. Производительность насоса, или газовый поток, рассчитываются по уравнению (2.17), а быстрота откачки

S = Q/Р₂ = U(Р₁ - Р₂)/Р₂. (2.19)

Для расширения пределов измерения проводимость диафрагмы ме­няют, например, применяя ирисовую диафрагму, или поворотные диски с отверстиями различных диаметров.

Рис. 2.44.

Метод постоянного давления

1. С использованием жидкостной бюретки

Давление в измерительном обьеме 5 жидкостной бюретки 6 P_изм=P_в-pgh, где

P_в - давление внешней среды; ρ - плотность жидкости; h - разность уровней,

рис .2.45.

Рис. 2.45.

Если Р_в>>рgh, то можно считать, что Р_изм=const, тогда Q=P_измDV/Dt= К_бР_измDh/Dt; К_б=pR²_изм - постоянная бюретки. Кран 4 нужен, чтобы опустить обьем жидкости в бюретке, и повторить измерения. Натекатель 3 - для регулирования по­тока газа. Бюретку обычно заполняют вакуумным маслом.