Получение и измерение сверхвысокого вакуума при помощи ионизационного манометра
На рис. 5-1 и 6-1 указывается область давлений, с которыми имеет дело современная вакуумная техника, причем в качестве нижнего предела указывается давление 1011 ммрт.ст.
В то же время при описании вакуумных насосов всевозможных конструкций в качестве достигаемого ими самого низкого предельного давления указывается давление порядка 106-н107 мм рт.ст. Точно также самый чувствительный из всех манометров—ионизационный манометр в практическом выполнении имеет, как уже отмечалось, в качестве нижнего предела измерения давления 0,5 -и-1 • 107 мм рт. ст.
В связи с этим область давлений ниже 107 ммрт.ст. условно считается областью сверхвысокого вакуума.
Правда, при помощи поглотителей и ловушек в отпаянных сосудах удается получать и поддерживать сверхвысокий вакуум, но при измерении достигаемых при этом давлений возникают большие трудности, так как даже ионизационный манометр (обычной конструкции) в области сверхвысокого вакуума оказался неприменимым.
Основная трудность оказывается при этом не в необходимости усиления весьма слабых ионных токов, а в происходящих в манометрической лампе побочных физических явлениях, не связанных с давлением газа. Явления эти сказываются уже при измерении давлений порядка 10-7 мм рт. ст. в виде не зависящей от давления слагающей тока в цепи коллектора. Эта слагающая имеет следующее происхождение: вследствие бомбардировки положительно заряженной сетки электронами, эмитируемыми катодом, сетка становится источником рентгеновских лучей, правда мягких, но все же вызывающих фотоэлектронную эмиссию с облучаемого ими коллектора ионов.
Фотоэлектронный ток с коллектора ионов и является не зависящей от давления слагающей суммарного тока в цепи коллектора, создающей тем большую помеху при измерении давления, чем меньше ионный ток, т. е. чем ниже измеряемое давление; при достаточно низких давлениях (малых ионных токах) ионизационный манометр практически показывает лишь фотоэлектронный ток, чем и обусловливается практический нижний (по давлению) предел применения ионизационного манометра.
Большая потребность в исследовании ряда явлений в условиях сверхвысокого вакуума (изучение свойств поверхностей, совершенно чистых от адсорбированной пленки газа, исследование изотопов и т. п.) заставила обратиться к разработке такой манометрической лампы для ионизационного манометра, в которой помеха в виде фотоэлектронного тока с коллектора была бы минимальной.
Весьма большой эффект дала манометрическая лампа новой конструкции (рис. 6-27), в которой катод и коллектор поменялись местами: две катодные нити помещены вне сетки (с двух сторон), а коллектор ионов в виде достаточно тонкой проволоки расположен по оси лампы внутри сетки. Благодаря такому расположению поверхность коллектора ионов получается столь малой, что на коллектор попадает лишь незначительная часть рентгеновских лучей, посылаемых сеткой, фотоэлектронная составляющая тока в цепи коллектора снижается таким путем на несколько1 порядков.
Помимо этого, новое расположение электродов манометрической лампы привело к более благоприятному распределению электрического поля, благодаря чему возросла эффективность электронного тока с точки зрения ионизации газа.
Наконец, расположение коллектора ионов внутри, а не вне сетки привело к уменьшению количества ионов, теряемых вследствие их ухода к стенкам колбы; иначе говоря, образующиеся в результате ионизации газа ионы при новом расположении в большем количестве направляются именно к коллектору ионов, т. е. по своему прямому назначению.
Описанные усовершенствования позволили продвинуть предел практического применения ионизационных манометров с 0,5 -н-1,0 107 мм рт. ст. до 1010-4-10и мм рт. ст., т. е. примерно на четыре порядка, и охватить область сверхвысокого вакуума.
При исследованиях, связанных с усовершенствованием ионизационного манометра, выяснилось также, что его можно использовать для получения сверхвысокого вакуума.
Выше уже указывалось, что при достаточно хорошем обезгаживании всех деталей манометрической лампы. последняя становится способной поглощать газы, поступающие в манометр. Это свойство, являющееся с точки зрения измерения давления отрицательным, оказалось весьма полезным с точки зрения получения сверхвысокого вакуума.
В связи с этим об явлении поглощения газов ионизационным манометром необходимо поговорить более подробно. Поглощение газов внутри манометрической лампы при работе ионизационного манометра происходит в основном двумя путями. Во-первых, положительные ионы, получающиеся в результате ионизации остаточного газа, устремляются к коллектору ионов и к стенкам, где они нейтрализуются и адсорбируются; во-вторых, ряд газов (О2, О и др.) поглощаются химическим путем, взаимодействуя с накаленным катодом.
Манометрическая лампа может, конечно, поглотить лишь ограниченное количество газов. Если хорошо обезга-женная лампа включена при относительно высоких (для ионизационного манометра) давлениях (порядка 10-4 -г-105 мм рт. ст.), то, поглощая газы, манометрическая лампа относительно быстро «насыщается», после чего снижение давления прекращается; если же манометрическую лампу включить при достаточно низком давлении, то момент «насыщения», естественно, отдаляется, и откачивающее действие манометра может продолжаться весьма длительное время; при этих условиях при помощи ионизационного манометра можно добиться в вакуумной системе сверхвысокого вакуума.
Отметим далее, что получение сверхвысокого вакуума за счет одного только откачивающего действия ионизационного манометра (без применения ловушек или поглотителей) возможно лишь в вакуумных системах, изолированных от источников каких-либо паров, в том числе и от диффузионных насосов. В связи с этим для разобщения вакуумной системы от насоса необходимо пользоваться вентилем, не требующим смазки и в то же время достаточно герметичным ( 8-2). Наконец, для получения сверхвысокого вакуума при помощи ионизационного манометра необходимо предварительно устранить малейшие течи в вакуумной системе, а вакуумную систему и манометрическую лампу тщательно обезгазить. Откачанная насосами до возможно более низкого давления и обезгаженная вакуумная система изолируется от насосов (вентилем); если течи нет, то откачка продолжается при помощи только, ионизационного манометра.
Таким образом, для получения сверхвысокого вакуума при помощи ионизационного манометра основное время теряется на «профилактические» операции (обезгаживание, устранение течей), после чего откачка вакуумной системы небольших размеров до давления 109 н-1010 мм рт. ст. занимает уже время порядка всего лишь нескольких десятков минут.
В заключение описания применения ионизационных манометров для измерения и получения сверхвысокого вакуума необходимо указать, что с устранением неблагоприятного эффекта от рентгеновского облучения коллектора ионов, с одной стороны, стало возможным нижний предел применения ионизационного манометра продвинуть на несколько порядков в область сверхвысокого вакуума; с другой стороны, выявился важный фактор, ограничивающий возможности понижения давления в вакуумных системах, в которых требуется достигнуть сверхвысокий вакуум. Таким фактором оказалась диффузия (через стенки стекла) гелия, находящегося в земной атмосфере (в количестве 0,0005%). Предельное давление, достигаемое в изолированной сверхвысоковакуумной системе, после устранения всех самых ничтожных течей обусловливается равновесием между быстротой откачивающего действия ионизационного манометра и скоростью диффузии гелия через стекло.