Измерение высокого вакуума

Ионизационные вакуумметры (рис. 2.7, 2.9) имеют преобразователь, принцип действия которого основан на пря­мой зависимости между давлением и током. Ионизационный преобразователь представляет собой стек­лянный баллон 5 с трубкой 1 для присоединения к вакуумной системе, в который впаяны три электрода: катод 6, сетка 4 и коллектор ионов 3. Катодом 6, эмитирующим электроны, служит вольфрамовая нить диаметром 0,1 мм, которая при нормальном токе накала, поступающем от источника 11, обес­печивает получение тока эмиссии электронов, образующихся в результате ионизации молекул остаточных газов.

Сетка 4 в виде двойной спирали служит ускоряющим элек­тродом (анодом) для электронного потока, эмитированного катодом. Спираль сетки имеет сравнительно редкий шаг (3 мм при диаметре проволоки 0,2 мм) и крепится к двум выводам, поэтому хорошо обезгаживается при нагреве током. В рабочем режиме на сетку от источника 10 подается положительный от­носительно катода потенциал 200 В.

Рис. 2.7. Ионизационный вакуумметр:

1 – трубка; 2 – вывод коллектора; 3 – коллектор ионов; 4 – сетка; 5 – стеклянный баллон; 6 – катод; 7, 9 – микро- и миллиамперметры; 8, 10, 11 – источник тока; 12 – переменный резистор

Коллектор ионов 3 в форме цилиндра закреплен на выводе 2, впаянном в верхнюю часть баллона. Такое расположение вывода обеспечивает высокую электрическую изоляцию между ним и остальными электродами, что необходимо при измерении ионных токов порядка долей микроампера. На коллектор от источника 8 подается отрицательное напряжение 25 В. При работе ионизационного вакуумметра вольфрамовый катод испускает электроны, часть которых, двигаясь к сетке и пролетая сквозь нее, попадает в пространство, заключенное между ней и коллектором. Так как потенциал коллектора от­носительно катода отрицательный, электроны не попадают на него. В точке пространства с нулевым потенциалом элек­троны останавливаются и начинают движение в противополож­ном направлении – к положительно заряженной анодной сетке. Таким образом, вокруг анодной сетки происходит непрерыв­ное колебание электронов: прежде чем попасть на анод, они совершают в среднем до пяти колебаний. При столкновении с электронами молекулы газа ионизируются. Образовавшиеся в результате этого положительные ионы собираются на находя­щемся под отрицательным потенциалом коллекторе, создавая в его цепи ионный ток, по значению которого судят о дав­лении остаточного газа в вакуумном объеме.

В измерительную часть прибора входят: цепь катода 6, состоящая из источника постоянного тока 11 и переменного резистора 12; цепь сетки 4, состоящая из источника постоян­ного тока 10 и миллиамперметра 9 (при этом сетка служит анодом); цепь коллектора ионов 3, состоящая из источника постоянного тока 8 и микроамперметра 7.

Для определения давления достаточно при заданном элек­тронном токе измерить ионный ток в цепи коллектора микроампермет­ром 7, проградуированным в едини­цах давления.

Магнитные электро­разрядные манометры

М агнитные электро­разрядные манометры (рис. 2.8) имеют преобразователь, принцип действия которого осно­ван на зависимости тока самостоя­тельного газового разряда, возни­кающего в скрещенных магнитном и электрическом полях, от давления. Электроразрядный преобразователь представляет со­бой металлический корпус – катод 2, внутри которого расположен, выполненный в виде металлическо­го кольца, анод 3. Вся система по­мещена в поле постоянного маг­нита 4. Таким образом, создаются скрещенные магнитное и электри­ческое поля. Чтобы понять, как работает такой преобразователь, рас­смотрим физичес­кие явления, происходящие при изменении давления в вакуумной системе, к которой он присоединен. Если вакуумная система и, следовательно, преобразователь откачаны до достаточно низкого давления, а к зажимам измери­тельной части вакуумметра подведено высокое напря­жение, например 2–6 кВ, то между электродами преобразова­теля возникает тлеющий разряд. При этом электроны движутся по сложной удлиненной траектории и ионизируют за счет высо­кого рабочего напряжения газ, образуя ионный ток. Для стаби­лизации тлеющего разряда служит внешний (балластный) резистор 5, на котором в зависимости от значения разрядного тока происходит большее или меньшее падение напряжения.

Рис. 2.9. Современные вакуумметры для измерения высокого вакуума

Таким образом, с ростом разрядного тока напряжение между электродами преобразователя уменьшается, и ток не может достигнуть опасного значения. При уменьшении разряд­ного тока, наоборот, напряжение между электродами возрас­тает, и разряд поддерживается длительное время.

Микроамперметр 6, включенный в цепь измерительной части вакуумметра и служащий для измерения малых токов, проградуирован в единицах давления и позволяет по разрядному току определять давление в вакуумной системе.

Диапазон измерений: от 10^–3 до 10^–7 мбар. Принцип измерения зависит от характера газовой среды.