Магнитный электроразрядный манометр

Магнитный электроразрядный манометр. В1937 г. Пеннинг [49] описал манометр для измерения низких давлений, действие которого было основано на тлеющем разряде в магнитном поле. По некоторым причинам в США до войны этот манометр не получил общей известности, хотя в Англии уже применялись промышленные образцы этого прибора.

Манометр Пеннинга, в том виде как он был им описан, изготовлялся фирмой Филипс. Он имеет две небольшие прямоугольные пластинки, образующие систему катода, и помещенную между ними большую прямоугольную проволочную рамку, образующую анод (фиг. 50). Эти электроды заключены в стеклянный баллон, снаружи которого укреплен постоянный магнит. Магнитное поле направлено по нормали к плоскости катодов. Анодное напряжение манометра, равное около 2000 в, берется от однополупериодного выпрямителя; отсчет тока производится по микроамперметру, включенному последовательно с балластным сопротивлением. Элементарное объяснение действия манометра следующее: обычный «гейслеровский» разряд гаснет при давлениях ниже нескольких микрон вследствие того, что средняя длина свободного пути ионизующих электронов становится большей, нежели путь электронов между электродами. Предположим теперь, что анод и двойной катод расположены в магнитном поле, как показано на фиг. 50. Всякий электрон, который находится вблизи от верхней пластинки, ускоряется по направлению сверху вниз; однако, вместо того чтобы лететь на кольцевой анод, он пролетает за плоскость кольца, двигаясь по сжатой спирали, ось которой параллельна направлению магнитного поля. Когда электрон приблизится к нижнему катоду, направление его движения изменится, он полетит к верхнему катоду и т. д. Благодаря этим колебаниям длина пути электрона становится столь большой, что возможна ионизация газовых молекул даже в том случае, когда средняя

длина свободного пути молекулы во много раз больше межэлектродного расстояния.

Модель, выполненная по чертежам Пешшнга, работала в заданном диапазоне давлений, причем стабильность и линейность шкалы вполне отвечали целям эксплоатации. Благодаря расположению электродов внутри камеры, имеющей собственное магнитное поле, надобность в постоянном магните отпала. Геометрия датчика манометра была несколько изменена; однополупериодный выпрямитель вначале был заменен на питание переменным напряжением, так как было установлено, что сам манометр может работать выпрямителем. Образец датчика манометра показан на фиг. 51 и 52, а схема применявшегося измерительного прибора — на фиг. 53.

Было найдено, что желательны лишь небольшие изменения устройства катода и анода. Самая распространенная конструкция имела расстояние между катодами, равное 12 мм, диаметр анода около 25 мм и площадь катода большую, чем площадь анода. Однако электрическая схема была изменена. Вначале предполагалось, что питание датчика манометра переменным током улучшает прибор по двум причинам: 1) оно упрощает схему прибора и 2) токи утечки, не выпрямляемые манометром, и, следовательно, переменные не будут регистрироваться измерительным прибором. Однако применение переменного напряжения встретило большие затруднения. Было установлено, что при давлении меньше чем 2-10 ³ мм Hg разряд в манометре часто прекращается. При работе в более сильных магнитных полях гашение разряда наблюдается и при более высоких давлениях. При выпрямленном напряжении не наблюдалось гашения разряда до давлений порядка 2-10~⁶ мм Hg. Работа при низких давлениях была более устойчивой, чем в случае питания переменным напряжением. Для работы в области давлений ниже 1 • 10 ⁴ мм Hg определенно рекомендуется применять источник постоянного напряжения.

а) Утечки. Во избежание электрических утечек следует предпринимать некоторые меры предосторожности. Типовая чувствительность манометра в области высокого вакуума достигает от 1 до 3 а)мм Hg. Следовательно, может оказаться необходимым измерять токи в несколько микроампер. При напряжении на электродах 2000 в, для того чтобы токи утечки не отсчитывались прибором, сопротивление изоляции должно быть порядка 1 • 10⁹ ом (фиг. 54). Если катоды не заземлены и манометр имеет два изолированных вывода, то ток утечки с анода на землю минует прибор (фиг. 55). При этом необходимо, однако, экранировать катоды от ионов, рассеянных посторонними источниками, если таковые присутствуют.

Разряд, аналогичный разряду в магнитном электроразрядном манометре, часто возникает между корпусом аппаратуры и различными проводниками, находящимися в вакууме под большим

положительным потенциалом и расположенными перпендикулярно к магнитному полю. Желая избежать этого, иногда работают с катодом, находящимся под высоким отрицательным потенциалом, и отсчитывают ток в цепи анода (фпг. 56). Такая система

имеет то достоинство, что катоды не нужно экранировать. При значительных токах утечки вследствие падения напряжения на большом балластном сопротивлении ни одна из указанных схем

не предохраняет от снижения потенциала анода. Чтобы избежать вызванных этим ошибок, иногда после балластного сопротивления включают вольтметр, контролирующий напряжение между электродами.

Утечки в магнитном электроразрядном манометре, работающем в чистой вакуумной установке, были бы легко устранимы, если бы при разряде, в особенности при высоких давлениях, не происходило заметное распыление металлических электродов манометра, в результате которого на изоляторах могут появляться проводящие налеты.

б) Факторы, влияющие на работу манометра [48, 50]. Какого-либо систематического исследования факторов, влияющих на диапазон давлений и чувствительность этого манометра, проведено не было, так как в этом не было необходимости. Однако можно привести несколько наблюдений качественного характера.

• 1. Влияние напряженности магнитного поля [51]. Применялись магнитные поля напряженностью от 300 до 8000 эрстед. При всех прочих равных условиях с увеличением напряженности магнитного поля чувствительность манометра быстро возрастает до максимума, а затем медленно спадает. При неизменных условиях имеется минимальная напряженность магнитного поля, ниже которой разряд не зажигается, и (по крайней мере при работе с переменным напряжением) существует максимальная напряженность, выше которой зажигания также не происходит. Когда применяются катоды, имеющие большую поверхность, то нет надобности тщательно устанавливать их нормально относительно поля. Отклонение в 10°, невидимому, уменьшает чувствительность менее чем на 3%.

• 2. П о т енциал электродов. Ионный ток пропорционален разности V — Е_о, ^гД^е V -— разность потенциалов между электродами и V_o — минимальный потенциал зажигания.

• 3. Геометрия. Конструкции и размеры электродов, при которых возможно возникновение разряда, чрезвычайно многообразны, что затрудняет их экспериментальное исследование. Есть основания утверждать, что для применявшегося типа манометра чувствительность возрастает с увеличением расстояния между пластинами и что размеры анодного кольца влияют на чувствительность в меньшей степени.

Дол [52] опубликовал некоторые данные по изучению влияния размеров анодного кольца на характеристики магнитного электро-разрядного манометра. Исследование проводилось в области давлений до 10“² мм Hg при напряженности магнитного поля 1800 эрстед и расстоянии между катодами 12,4 мм. Опыты проводились как при переменном, так и при постоянном анодном напряжении. Были испытаны кольца с диаметрами 25, 12,4 и 6,2 мм. Опыты показали, что манометр с кольцом, имеющим диаметр 25 мм, обладал наивысшей чувствительностью при низких давлениях (ниже 2 pHg), а при более высоких давлениях лучшим оказался манометр с кольцом, имеющим диаметр 6,2 мм. Кольца с меньшим диаметром дают неустойчивые токи при низких давлениях, чего не наблюдалось в случае кольца с диаметром 25 мм; поэтому рекомендовалось применять анодные кольца диаметром 25 мм.

Необходимо подчеркнуть, что эти результаты были получены только для воздуха и не представляют собой систематического изучения зависимости характеристик манометра от геометрической формы его электродов.

• 4. Материал катодов. Никаких изменений чувствительности при работе с катодами, сделанными из различных материалов, не наблюдалось. Были испытаны манометры с катодами из графита, молибдена, меди, латуни п никеля; работа их была в достаточной мере одинаковой, что указывает на отсутствие больших изменений, вызванных применением различных материалов. Опыты показывают, что разряд не зависит от вторичной электронной эмиссии с катодов.

• 5. Постоянное или переменное напряжение [53—54]. Манометр, питаемый постоянным напряжением от однополупериодного выпрямителя с фильтром, имеет чувствительность, приблизительно в 2,5 раза большую, чем тот же манометр, питаемый переменным напряжением. При постоянном напряжении разряд в манометре длится все время; при переменном напряжении он зажигается при достаточно высоком положительном потенциале анода, например около +800 в, и гаснет, когда потенциал анода достигает потенциала гашения, т. е. около +400 в. Разряд, следовательно, горит лишь в течение некоторой части положительного полупериода.

• 6. Различные газы. Данные по сравнению чувствительности магнитного электроразрядного манометра к различным газам не очень достоверны. Если расположить наиболее распространенные газы в порядке возрастания чувствительности к ним магнитного электроразрядного манометра, то этот порядок оказывается тем же, что и для электронного ионизационного манометра. Это хорошо доказано опытами Фута [48]. Были испытаны воздух, азот, кислород, гелий и пары воды. В качестве эталонного использовался масляный компрессионный манометр, проградуированный по ртутному манометру Мак Леода. Опыты проводились на двух магнитных электроразрядных манометрах, имеющих различную геометрическую форму. Абсолютные показания этих манометров существенно отличались, но зависимость показаний от рода газа была одинаковой. Для примера укажем данные для одного из этих манометров. Этот манометр имел расстояние между катодами, равное 12,5 мм; анод был выполнен в виде проволочного кольца с диаметром 25 мм. Напряжение, получаемое от однопо-

  

лупериодного выпрямителя, поддерживалось равным 2,0 кв, при последовательно включенном балластном сопротивлении в 1 мгом. Азот, гелий, водород и кислород подавались в установку из баллонов, воздух — из атмосферы. Все применявшиеся манометры присоединялись к вакуумной камере через ловушки с жидким азотом. При измерениях с парами воды азот из ловушек удалялся. Некоторые из полученных данных показаны на фиг. 57. Сравнение этих данных с градуировочными кривыми для стандартного ионизационного манометра (фпг. 49), снятыми на той же экспериментальной установке, показывает, что кривые чувствительности, снятые для испытанных газов, расположены на обоих графиках в одном и том же порядке.

При получении согласующихся результатов по каждому газу для магнитного электроразрядного манометра встретилось много трудностей. Данные для приведенных кривых были, по возможности, тщательно проверены. Можно, повидимому, считать, что по крайней мере порядок расположения их па графике правилен.

в) Факторы, влияющие на диапазон. Манометры, работающие при постоянном напряжении, имеют рабочую область давлений от менее чем 2-10'® до 5-1Сг⁴ мм Hg. Верхний предел этого диапазона можно увеличить, не изменяя конструкции манометра, если уменьшить балластное сопротивление, но большого расширения диапазона достичь таким путем нельзя. При больших давлениях манометр имеет практически нулевое сопротивление.

Для весьма низких давлений лучшие результаты получаются при высоком напряжении и больших размерах электродов манометра. Для более высоких давлений, в области от 1 до 20pHg, следует применять низкие (ниже 1000 в) напряжения, небольшие размеры электродов и небольшие расстояния между ними.

Низший предел диапазона давлений определяется срывом разряда. Для данного манометра, при данных анодном напряжении и напряженности магнитного поля, имеется предельно низкое давление, при котором в магнитном электроразрядном манометре возникает разряд. Некоторые опыты, проведенные при постоянном давлении, показывают, что потенциал зажигания на несколько сот вольт выше, чем потенциал гашения. Когда потенциал анода почти равен потенциалу зажигания, то часто наблюдается отставание зажигания от момента включения анодного напряжения на минуту и более. Ясно, что применять переменное напряжение такой же величины было бы бесполезно.

Увеличение напряженности магнитного поля выше определенного предела приводит к тому, что гашение разряда происходит при более высоких давлениях. При слабых магнитных полях, обычных для постоянных магнитов, этот эффект исследован не был.

а) Постоянство работы. Были изготовлены два образца манометров, у которых размеры электродов были одинаковы с точностью 2—3%. Когда эти манометры присоединили к одной камере, при одной и той же напряженности магнитного поля, то было установлено, что зависимости их показаний от изменения давления совпадают с тою же точностью в 2—3%. Изоляционная пленка, образующаяся на катодах, вряд ли влияет на градуировку манометра.

Теория разряда в магнитном электроразрядном манометре разработана еще недостаточно для того, чтобы выяснить условия, определяющие его стабильность в работе и воспроизводимость при изготовлении. Такая уверенность сейчас может основываться только на опыте. Экспериментальные данные для манометров одинаковой конструкции или для одного и того же манометра— нового и после длительной работы — гарантируют совпадение результатов с точностью не выше 10%. Однако и такой точности более чем достаточно для большинства вакуумных работ.

Было установлено, что разряд является колебательным и что частота этих колебаний пропорциональна давлению [56]. Такой разряд можно использовать не только для измерения давлений; при некотором изменении анода можно получить удобный источник ионов. Такие источники применяются в вакуумных анализаторах и в масс-спектрометрических течеискателях, описанных н гл. V.

Используя манометры с постоянными магнитами, желательно работать с такой напряженностью магнитного поля, при которой чувствительность манометра практически не зависит от изменений напряженности поля в некоторых пределах.

д) Градуировка магнитного электроразрядного манометра. Некоторые опубликованные данные по градуировке этих манометров [55] могут представить определенный интерес.

Градуировались манометры с анодными кольцами диаметром в 25 мм и двумя медными катодами, удаленными друг от друга на 12,5 мм. Площадь каждого катода была равна 16 см². Применявшийся в качестве эталонного ионизационный манометр фирмы Дистилейшп продакте был тщательно проградуирован по нескольким ионизационным манометрам Дистилейшн продакте и Вестерн электрик.

Полученные данные представлены в виде графика на фиг. 58. Из графика видно, что в области давлений от 0,2-10“⁴ до 5 -10 ⁴ мм Hg ток тлеющего разряда магнитного электроразрядного манометра представляет собой почти линейную функцию давления. При более высоких давлениях, в области от 5-10⁴ до 20-Ю"⁴ мм Hg, график имеет вполне заметную кривизну. Наблюдалось хорошее совпадение с данными, полученными в последующие дни.