Электронный ионизационный вакуумметр

Эти вакуумметры были впервые описаны О. Бакли в 1916 г. В настоящее время они широко используются в вакуумной технике. Такие вакуумметры по принципу работы также относятся к вакуумметрам косвенного действия. В основу работы электронных ионизационных вакуумметров положена зависимость ионного тока I_и от давления газа Р. Ток возникает в результате ударной ионизации молекул разреженного газа электронами, которые испускаются термокатодом и ускоряются электрическим полем.

I_и = S_в I_е Р, (5)

где: - S_в- постоянный коэффициент, называемый чувствительностью вакуумметра;

I_е- электронный ток.

Как видно из (5), при постоянстве I_е зависимость между I_и и Р линейна.

Как и в случае других вакуумметров косвенного действия, результаты измерения давления электронными ионизационными вакуумметрами зависят от рода газа. Это обусловлено тем, что различные газы по-разному ионизируются. Данный факт не изменяет характер зависимости (5), но при работе с разными газами нужно учитывать значения относительной чувствительности b, определяемой выражением:

S_в = b S, (6)

где: S – абсолютная чувствительность. Если принять, что для азота b = 1, то для других газов b будет иметь значения, приведенные в таблице 2.

Таблица 2. Относительная чувствительность b электронного

ионизационного вакуумметра для некоторых газов

Преобразователь давления электронного ионизационного вакуумметра (рис.3) представляет собой стеклянный баллон, в котором смонтирована трехэлектродная система: вольфрамовый термокатод 4, анод 5 и коллектор ионов 6, выполненный в форме цилиндра, находящегося под отрицательным потенциалом относительно катода.

Электроны, эмитируемые термокатодом, попадают на анод, создавая в его цепи электронный ток. Однако, поскольку анод выполнен в виде спиральной сетки, значительная часть электронов пролетает сквозь ее витки и движется к коллектору ионов, попадая в его тормозящее поле. В результате этого электроны не долетают до коллектора, поворачивают и вновь направляются к аноду. Совершив таким образом несколько колебательных движений, электроны, в конце концов, попадают на анод, но при этом, проделав большой путь, значительная часть электронов успевает столкнуться с молекулами газов и ионизировать их. Образующиеся положительные ионы притягиваются коллектором, что приводит к появлению в его цепи ионного тока, величина которого, как видно из (5), прямо пропорциональна давлению газа Р.

Промышленность выпускает ионизационную манометрическую лампу ПМИ-2, которая используется с измерительным блоком ВИТ-1 (или ВИТ-1-A, ВИТ-2, ВИТ-2А, ВИТ-3). Упрощенная принципиальная схема измерительного блока изображена на рис.4. Катод 1 манометрической лампы ПМП-2 питается от накального трансформатора Тр1. Электронный стабилизатор тока эмиссии СТЭ, подключенный через трансформатор Тр2 к катоду, автоматически поддерживает постоянный электронный ток I_е. В цепь коллектора ионов 3 включен усилитель ионного тока УИТ. Усиленный ионный ток, пропорциональный давлению газов, измеряют миллиамперметром mА, для чего переключатель П2 устанавливают в положение ИЗМЕРЕНИЕ. Шкала миллиамперметра обычно градуируется в единицах давления. Этот же прибор используют для измерения тока эмиссии, часть которого проходит по калибровочному резистору R₂. Переключатель П2 при измерении тока эмиссии устанавливается в положение ЭМИССИЯ. Лампу ПМИ-2 следует включать при давлении в системе не выше 10^-1Па (10^-3 Торр). При более высоких давлениях термокатод может выйти из строя из-за взаимодействия вольфрама с активными газами. Этим определяется верхний предел работы электронных ионизационных вакуумметров. Перед началом измерений проводят прогрев анода 2 манометрической лампы в течение 15 минут с целью ее обезгаживания, для чего переключатель П1 устанавливают в положение ПРОГРЕВ и на анод лампы подается напряжение от половины обмотки трансформатора Тр1. Нижний предел давлений, измеряемых лампой ПМИ-2, ограничен фоновым электронным током, не зависящим от давления. Возникновение такого тока обусловлено мягким рентгеновским излучением, испускаемым анодом под действием бомбардировки его электронами, эмитируемыми термокатодом. Энергия этих электронов после ускорения электрическим полем составляет 200 эВ.

Рентгеновское излучение, в свою очередь, выбивает из коллектора электроны, которые и создают фоновый электронный ток в цепи коллектора, имеющий обратное по отношению к ионному току направление. При давлениях 10^-5 - 5×10^-6 Па (10^-7 - 5×10^-8 Торр) фоновый ток становится сравнимым по величине с ионным током, поэтому уровень 10^-5 Па (10^-7 Торр) является нижним пределом давлений,измеряемых электронной ионизационной манометрической лампой ПМИ-2.

Расширение пределов измерения электронным ионизационным манометром в сторону более низких давлений достигается путем использования манометрической лампы обращенного типа, в которой, в отличие от лампы ПМИ- 2 катод и коллектор ионов меняются местами. На рис. 5 схематически изображена лампа обращенного типа ПМИ-12, используемая с измерительным блоком ВИ-14. Коллектор этой лампы выполнен в виде стержня, расположенного на оси баллона. Поскольку поверхность коллектора уменьшена по сравнению с лампой ПМИ-2, на него попадает лишь незначительная часть рентгеновских лучей, испускаемых анодом, и фоновый ток становится сравнимым с ионным током при существенно более низких давлениях, чем в лампе ПМИ-2. Благодаря этому при помощи преобразователя ПМИ-12 можно измерить более низкие давления: до 10^-8 Па (10^-10 Торр).

2. ПРИБОРЫ, ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, УСТАНОВКИ

1. Манометрические лампы ПМТ-2 и ПМИ-2 — по 1 шт.

2. Измерительный блок ВИТ-1, ВИТ-2, ВИТ-2А и т.п.

3. Вакуумная установка.

4. Часы с секундомером.

5. Учебный плакат.

6. Технические описания измерительных блоков.