Ионизационный манометр

Принцип работы. Чтобы хорошо представить себе принцип действия ионизационного манометра, необходимо разобраться в явлениях, происходящих в манометрической лампе, откачанной до высокого вакуума. Манометрическая лампа (рис. 6-24), представляет собой стеклянный баллон, имеющий трубку для присоединения к вакуумной системе и три электрода, впаянных внутрь баллона: катод 1, обычно изготовляемый из вольфрамовой проволоки, сетку 2, имеющую по отношению к.катоду положительный потенциал, и следовательно, являющуюся анодом, и электрод 3, имеющий ПО отношению к катоду отрицательный потенциал. Эмитируемые накаленным катодом электроны под действием электрического поля устремляются по направлению к сетке, создавая электронный ток в цепи сетки. Если потенциал сетки выше потенциала ионизации остаточного газа, то при столкновениях электронов с газовыми молекулами в манометрической лампе будет происходить ионизация газа. Образующиеся в процессе ионизации положительные ионы под действием электрического поля отрицательного электрода устремляются к последнему и, отдавая ему свой положительный заряд, создают в его цепи так называемый ионный ток. В связи с этим притягивающий положительные ионы отрицательный электрод носит название коллектора ионов.

Обратимся к рис. 6-25, на котором в схематическом виде изображены основные элементы манометрической лампы и измерительной части манометра:

а) цепь катода 1, состоящая из источника постоянного тока и реостата; катод обычно располагается внутри сетки (на рис. 6-25 манометрическая лампа изображена схематически, как это принято для изображения электронных ламп);

б) цепь сетки 2, состоящая из источника постоянного тока и электроизмерительного прибора 4 сетка служит анодом и изготовляется обычно из вольфрамовой проволоки в виде спирали, окружающей катод;

в) цепь коллектора ионов 3, состоящая из источника постоянного тока и электроизмерительного прибора 5; коллектор изготавливается обычно из никеля в виде цилиндра, окружающего катод и сетку.

Обозначим электронный ток через 1_е, ионный ток—через I Как показал опыт, при достаточно низких давлениях (ниже 1 • 10³ мм рт. ст.) от-Л / ношение у- (ионного тока к электронному) прямо пропорционально давлению остаточного газа, т. е.

Эта зависимость между отношением 7]/7, и давлением р остаточного газа и лежит в основе работы ионизационного манометра.

Из соотношения (6-12) мы видим, что, не измеряя самого давления, можно оценивать последнее одним только значением отношения которое поэтому часто называют вакуумным фактором.

Так как при измерении давления ионизационным манометром электронный ток I поддерживается постоянным.

На основании (6-13) давление определяется соотношением:

Таким образом для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную манометра, значение которой определяется при градуировке манометра (см. ниже).

Ионизационные манометры практически имеют вид небольшого ящика, включающего в себя измерительную часть, и отдельной манометрической лампы-датчика, присоединяемой к измерительной части при помощи специального экранированного кабеля.

Основные элементы манометрической лампы описаны выше (рис. 6-25); дополнительно отметим, что сетка, так же как и катод, имеет два вывода, назначение которых — дать возможность пропускать через сетку ток для обезгаживания ее прокаливанием; вывод цилиндрического коллектора ионов расположен отдельно, на соединительной трубке; этим расположением вывода коллектора ионов на достаточном удалении от выводов катода и сетки гарантируется отсутствие искажений в показаниях манометра, связанных с токами утечки по стеклу или цоколю манометрической лампы

В измерительной части имеется выпрямительное устройство, поэтому включение манометра производится от сети переменного тока. Поскольку ионные токи чрезвычайно слабы и для их непосредственного измерения требуется прибор весьма высокой чувствительности, в схему измерительной части вводится усилитель ионных токов, позволяющий использовать в цепи коллектора ионов значительно менее чувствительный прибор.

Постоянная манометра С зависит от схемы включения, конструкции как лампы, так и измерительной части, от подводимых к сетке и коллектору напряжений, а также от рода остаточного газа. Чтобы манометр был более чувствительным, постоянная С должна, очевидно, быть, по возможности, больше.

Описанная выше схема включения, при которой анодом служит сетка, а коллектором является цилиндр, занимающий внешнее положение по отношению к двум остальным электродам, является более чувствительной, чем другая возможная схема включения. Последняя отличается от предыдущей тем, что в качестве коллектора ионов используется сетка, на которую подается отрицательный потенциал по отношению к катоду, а анодом служит внешний, цилиндрический, электрод.

Большая чувствительность первой схемы объясняется тем, что электроны, эмитируемые катодом и направляющиеся на положительно заряженную сетку, частично пролетают между ее витками далее по направлению к коллектору; попав в тормозящее электрическое поле отрицательно заряженного коллектора, электроны, пролетевшие сквозь сетку, поворачивают обратно к сетке, опять частично пролетают между ее витками и снова попадают в пространство между катодом и сеткой и т. д.; благодаря таким колебаниям электронов около сетки они проходят значительно больший путь, чем это возможно в случае второй схемы включения; больший же путь, проходимый электронами, делает более вероятным их столкновение с молекулами остаточного газа; благодаря увеличению числа столкновений количество образующихся положительныхионов, а следовательно, и ионный ток получаются в несколько раз большими.

С той же целью — увеличить путь электронов, пролетевших по направлению к коллектору без опасности их попадания на коллектор, расстояние между сеткой и коллектором делается достаточно большим.

В отношении напряжений, подводимых к сетке и коллектору, учитываются следующие соображения: чтобы повысить вероятность ионизации, следует устанавливать потенциал сетки, значительно превышающий потенциал ионизации остаточных газов, но это повышение ограничивается тем, что вероятность ионизации и, следовательно, ионный ток с повышением потенциала сетки сначала возрастают, а затем по мере дальнейшего возрастания скорости электронов ионный ток, пройдя через максимум, уменьшается. При практической-работе на анод подается напряжение, не превышающее 200 250 в. Что касается отрицательного потенциала коллектора, то он не превышает нескольких десятков вольт (20 -г- 30 в) в первой схеме и нескольких вольт (1н-2 в) —во второй, что вполне достаточно для улавливания всех образующихся положительных ионов.

Наконец, зависимость значения С от рода остаточных газов обусловлена тем, что потенциал ионизации является константой, имеющей различные значения для различных газов. В практической работе с этой зависимостью трудно считаться, так как часто остаточные газы представляют собой смесь многих газов, точный состав которой неизвестен; поэтому в обычной производственной работе пользуются значением постоянной С, полученной при градуировке манометра по воздуху. Если требуются более точные измерения, необходимо знать значение С для каждого газа отдельно.

Особенности ионизационного манометра. Из рассмотренной работы манометра вытекают следующие особенности btofq прибора:

• 1) применимость как для газов, так и для паров;

• 2) возможность получения непрерывных показаний давления;

• 3) зависимость показаний от рода газов;

• 4) большая чувствительность при измерении весьма низких давлений; верхний предел давлений 1 • 10^-3 мм рт. ст., нижний: теоретически — нуль, практически же — легко осуществимый (0,5—1) • 10⁷ мм рт. ст.

Очевидно, ионизационный манометр может служить дополнением к тепловым манометрам, так как он начинает работать при таких давлениях, когда кончается чувствительность тепловых манометров.

Кроме того, в связи с применимостью ионизационного манометра к весьма низким давлениям необходимо знать следующую его особенность, не учитывая которой, можно при работе с манометром впасть в грубые ошибки.

Дело в том, что баллон и все три электрода манометрической лампы, если их не подвергнуть предварительному обезгаживанию, будут в высоком вакууме выделять поглощенные в них газы и тем искажать показания манометра в большую сторону. Поскольку катод имеет сравнительно небольшую массу, он легко обезгаживается путем кратковременного прокаливания при температуре немного выше рабочей. Сетка прокаливается также пропусканием тока, достаточного для придания ей светло-красного каления; хотя при работе сетка имеет значительно меньшую температуру, но она обладает относительно большой массой и при светло-красном калении её приходится прокаливать не менее чем 15 мин. Коллектор ионов прокаливается токами высокой частоты в течение 2—5 мин при темно-красном калении. Наконец, баллон прогревается или пламенем газовой горелки, или, если манометрическая лампа не имеет цоколя, она может быть прогрета в печи.

Необходимость предварительного прогрева деталей является существенным недостатком ионизационного манометра. Этот недостаток углубляется тем, что хорошо обез-гаженные электроды манометра поглощают остаточные газы, особенно в ионизованном состоянии, и тем искажают показания манометра в сторону меньших давлений. Эта ошибка становится особенно заметной, если объем вакуумной системы невелик.

Другим существенным недостатком манометра является наличие в нем накаленного катода, высокая температура которого может также служить источником искажений: при соприкосновении с накаленным катодом такие газы, как водород, диссоциируют на атомы; пары многих веществ, в частности углеводородов, также под воздействием высокой температуры разлагаются на более легкие молекулы. Наконец, третьим недостатком ионизационного манометра является порча включенной манометрической лампы при внезапном повышении давления в установке. Повышение давления выше 1 • ГО^-3 мм рт. ст. может привести к возникновению разряда между катодом и анодом лампы, ведущего к расплавлению катода; если в работающую манометрическую лампу попадает воздух, то вследствие взаимодействия с кислородом катод или перегорает окончательно, или, если произошло лишь небольшое окисление, выбывает из строя на некоторое время, необходимое для восстановления его поверхности (путем прокаливания при повышенной температуре до восстановления первоначальной эмиссионной способности).

Несмотря на указанные существенные недостатки ионизационного манометра, он остается до последнего времени единственным, практически легко осуществимым манометром, обладающим достаточной чувствительностью в области весьма низких давлений.

Разработка манометров, использующих ионизацию газа, в которых накаленный катод заменен холодными катодами (магнитный электроразрядный манометр) или кусочком радия, излучающего альфа-частицы, не привела к манометрам равноценной чувствительности.

Градуировка ионизационного манометра. Градуировка ионизационного манометра состоит в сравнении его показаний с показаниями компрессионного манометра, причем необходимо пользоваться ловушками для вымораживания паров, искажающих показания компрессионного манометра. При градуировке необходимо соблюдать все условия, предохраняющие от ошибок, связанных с режимом прогрева электродов и колбы манометра. Ввиду прямой пропорциональности между давлением и ионным током (при неизменном электронном токе) градуировочный график имеет вид прямой линии (рис. 6-26). Благодаря этому градуировку манометра при очень низких давлениях можно не проводить. Достаточно снять необходимое количество точек в области давлений порядка 10 ⁴ и 10 ⁵ мм рт. ст. и по ним построить прямую, идущую к началу координат.

Так как постоянная ионизационного манометра на основании (6-13) равна С= то, очевидно, ее можно определить из градуировочной кривой, вернее прямой, как котангенсе угла наклона этой прямой к оси Ц.

Для манометров, выпускаемых нашей промышленностью (с манометрической лампой ЛМ-2, имеющей конструкцию, подобную пока -занной на рис. 6-25), постоянная С= 10⁵ мка/мм рт. ст.

Таким образом, если при измерении давления получается ионный ток /, = 1 мка, то на основании (6-14) р= = 1 • 10^—5мм рт. ст., при I i = = 0,005 мка р = 0,5«10^-7 мм рт. ст. Как уже указывалось выше, это— нижний предел давления, измеряемого обычными ионизационными манометрами (с манометрическими лампами конструкции ЛМ-2).

Необходимо отметить, что для удобства при практической работе электроизмерительный прибор в цепи сетки проградуирован непосредственно на единицы давления (мм рт. ст.).

На рис. 6-30,6 изображен комбинированный манометр, включающий в себя измерительные части как для ионизационного, так и для термопарного манометров (выпускается нашей промышленностью под маркой ВИТ-1).