Лекция №21 Ионизационные манометры.

Принцип действия ионизационных манометров основан на зависимости скорости ионизации газа от давления. В датчике любого ионизационного манометра есть две системы: для ионизации остаточного газа и для отбора ионов. В установившемся режиме работы манометра скорость ионизации равна скорости отбора ионов, о которой судят по ионному току. Из молекулярно-кинетической теории газов следует, что скорость образования ионов в манометре пропорциональна давлению и эффективности ионизации. Так число образованных ионов:

(1)

Ионный ток

(2)

где - давление, Па;

- количество электронов;

- электронный ток, А;

- длина траектории электрона, м;

- эффективность ионизации, м^-1Па^-1

Таким образом, измеряя ионный ток, можно судить о значении давления.

Для существования прямой зависимости между давлением газа и ионным током интенсивность источника ионизирующего излучения должна быть постоянной. Поэтому стабилизированный ток электронной эмиссии в датчике ПМИ – 2 (ЛМ-2) равен 5 мА, длина свободного пробега ионов и ионизирующих электоронов – больше расстояния между электродами, чтобы избежать рекомбинации ионов или двух-, трёхкратной ионизации, нарушающей линейность уравнений (1),(2).

Различают типы манометров в зависимости от вида источника ионизации:

1. термоэлектронные, где для ионизации газа используются термоэлектроны (наиболее ходовой тип);

2. магнитно – разрядные, где для ионизации используется автоэлектронная эмиссия;

3. радиоизотопный, где ионизация происходит за счёт радиоактивного - или - излучения изотопов.

Как видно из формул (1), (2), важным фактором является увеличение эффективности ионизации газов . Эффективность ионизации характеризует число ионов, образующихся на метре пути частицы при давлении Па. Минимальная энергия электрона, необходимая для ионизации большинства газов, составляет 12 …25 эВ, но максимальную эффективность получают примерно при 125 эВ. Дальнейшее увеличение энергии (и скорости) электрона уменьшает вероятность его эффективного столкновения с молекулой. Другой фактор, увеличивающий ионизацию - удлинение пути электронов.

Казалось бы, что для измерения давления можно использовать любой приемно – усилительный триод, измеряя сеточный ионный ток при постоянном электронном токе на аноде. Однако при этом мала эффективность ионизации из-за короткого пути электронов от катода к аноду и, кроме того, оксидные катоды не допускают соприкосновения с атмосферой даже в холодном состоянии. Поэтому разработана специальная конструкция манометрического преобразователя с внешним коллектором.

Типичный манометрический датчик такого типа – датчик ЛМ-2, служащий для измерения давлений в диапазоне 10^-1…10^-5 Па, схема которого приведена на рис. 45а

Рис.45а

1- катод;

2- сетка – анод;

3- коллектор ионов.

Катод прямого накала 1 в форме шпильки из вольфрама служит источником электронов. Сетка 2 в форме спирали имеет напряжение +200 В и является анодом. Цилиндрический коллектор ионов 3 с потенциалом –25 В имеет отдельный вывод на горловине для уменьшения утечки электронов по цоколю и стеклу. Стабилизированный ток эмиссии лампы ЛМ-2 составляет 5 мА. Эмитированные катодом электроны в большинстве пролетают мимо редкой сетки-анода, отталкиваются полем коллектора обратно и колеблются у сетки, прежде чем попасть на неё, ионизируя газ. Чтобы характеризовать чувствительность термоэлектронного манометра, используют соотношения

или (3)

где - чувствительность термоэлектронного манометра, Па^-1;

- постоянная термоэлектронного манометра, А Па^-1;

Ионизационные манометры обладают откачивающим действием за счёт хемосорбции О₂ на горячем катоде из вольфрама и ионной откачки (осаждение ионов на коллекторе). Для ЛМ-2 быстрота ионной откачки около 10^-5 м³с^-1.

Верхний предел измерений датчик ЛМ-2, составляющий 10^-1Па, ограничен распылением (перегоранием) катода. Для датчика ЛМ-3 с иридиевым катодом, покрытым окисью иттрия, этот предел составляет 1 Па.

Нижний предел измерения датчика ЛМ-2, составляющий 10^-5 Па, ограничен наличием фонового тока коллектора. Электроны при торможении на сетке-аноде дают мягкое рентгеновское излучение, которое, попадая на коллектор, вызывает с него фотоэмиссию. Фототок, идущий с коллектора на анод, имеет тот же знак, что и ионный ток, однако от давления не зависит, поэтому вначале ХХ века существовало ошибочное мнение, что давление ниже 10^-5 Па получить невозможно.

В 1950 г. Баярдом и Альпертом сконструирован термоэлектронный манометр с осевым коллектором, в котором за счёт уменьшения площади коллектора примерно в 1000 раз, удалось также в 1000 раз снизить значение фонового тока.

На Рис.45б показана схема датчика ИМ-12, выполненного по указанному принципу. Вольфрамовый катод 1 вынесен за пределы сетки 2, выполненной в виде спирали из молебдена. Коллектор ионов 3 расположен в центре и выполнен в виде слегка конической иглы из вольфрамовой проволоки толщиной 150 мкм. Постоянная датчиков ИМ-12 (стеклянного) и МИ-12 (металлического) к_а=(1…4) 10^-4 А Па^-1 при токе эмиссии 5 мА. Фоновый ток в датчиках ИМ-12 (МИ-12) составляет 3 10^-12 А (вместо 5 10^-9 А для ЛМ-2), диапазон измеряемых давлений от 10^-3 до 10^-8 Па.

Датчик ЛМ-2 измеряют давление с помощью комбинированных ионизационно-термопарных выкууметров ВИТ-1, ВИТ-2, которые содержат термопарную часть для работы в диапазоне давлений 10¹ … 10^-1 Па и ионизационную часть для давлений 10^-1…10^-5 Па. Датчики ЛТ-2, ЛМ-3 хорошо сочетаются по рабочим параметрам, а единый блок охватывает диапазон 10¹…10^-5 Па среднего и высокого вакуума.

Для измерения давлений в диапазоне 10^-3…10^-8 Па выпускают вакууметр ВИ-12, работающий с датчиками ИМ-12 и МИ-12 и датчиком МИ-12-8 открытой конструкции (встраиваемой на фланце в прогреваемые вакуумные системы).

Рис. 45в

1 – катод;

2 – сетка-анод;

3 – коллектор ионов