Ходовые вакуумметры. Часть 3. Манометры ионизационные / forpes.ru

Главная
Ходовые вакуумметры. Часть 3. Манометры ионизационные

Ходовые вакуумметры. Часть 3. Манометры ионизационные +11

29.07.2026 13:01

BabayMazay 0 3400 Источник

Как мы уже знаем, для работы с (самодельными) электровакуумными и ионными приборами желательно иметь откачной пост, умеющий создавать высокий вакуум — снижать давление в обрабатываемом приборе от атмосферного (~ 760 мм рт. ст.), до остаточного, не выше 10^-5 мм рт. ст. (Торр). Как не существует сравнительно простого (удобного, доступного, недорогого) насоса, перекрывающего такой огромный диапазон, также нет и простых вакуумметров «атмосфера — высокий вакуум». Обычная практика в таких случаях — разделение откачки на предварительную (форвакуум) и высоковакуумную ступень, где действуют разные принципы течения газа, способы его удаления и измерения давления. Рассмотренные нами манометры барометрические [1] и тепловые (Пирани [2], термопарные [3]), работают в области высоких (близких к атмосферному) и средних давлений — до 10^-3…10^-4 Торр, давления же в области высокого вакуума, обычно измеряются ионизационным манометром, составляющим традиционную пару с тепловым. Рассмотрим же такой манометр ионизационного типа — принцип действия его преобразователя, варианты ходовые, исторические, заводские, интересные. Схемы включения, особенности работы, измерительные блоки. Как всегда, с прицелом на любительскую электровакуумную лабораторию‑мастерскую и вдумчивую ручную работу.

1. Устройство и работа ионизационного манометра

Работа такого преобразователя основана на ионизации оставшегося газа электронным потоком и измерении образовавшегося ионного тока — пропорционального остаточному давлению.

Электронный поток в преобразователе получают обычно — от накалённого током проволочного катода к положительно заряженному аноду, так же как и в приёмно‑усилительных лампах, и даже конструкция некоторых преобразователей здорово напоминает хрестоматийный вакуумный триод. Манометрические лампы, однако, имеют заметные и важные отличия, иначе включаются и даже назначение электродов имеют другое.

Фото 1.1. Схема устройства манометрической лампы ПМИ-2 (А), где: 1 — стеклянный баллон; 2 — коллектор ионов; 3 — сеточный анод, 4 — катод; В, Г — внешний вид лампы ПМИ-2

Рассмотрим типичное устройство ионизационного преобразователя на примере всё ещё весьма распространённой манометрической ретролампы ПМИ-2 в стеклянном баллоне (Фото 1.1.). Прибор имеет колбу из стекла молибденовой группы [4] и после вскрытия укрупнённого штенгеля, может быть припаян им к стеклянной вакуумной системе напрямую, лезвийным спаем через медь или ковар, наконец, может быть присоединён через «уплотнение грибкового типа» с резиновым колечком, так же точно как и низковакуумная термопарная лампа‑преобразователь ПМТ-2 [3]. Катод нашей ПМИ-2 — прямонакальный из чистого вольфрама. Сеточный анод преобразователя также выполнен из вольфрамовой проволоки Ø 0,2 мм в виде бифилярной спирали и имеет выводы от обоих концов для удобного его обезгаживания [5] (прокаливания) пропусканием тока (3 А), при работе же на него подаётся +200 В. Цилиндр коллектора ионов сделан из никеля, а для уменьшения токов утечки его вывод вынесен вверх. Рабочий потенциал коллектора -50 В.

Рис. 1.2. Схема включения ионизационного датчика (1); эскиз его устройства (2); траектория электрона (3). На эскизе: К — катод, АС — анод-сетка, Ки — коллектор ионов. В некоторых случаях удобнее включать преобразователь так же как и обычный усилительный триод — с положительным потенциалом (несколько сотен вольт) на коллекторе ионов и небольшим (несколько десятков вольт) потенциалом на внутренней сетке (4), хотя такой способ и менее чувствителен — Рис. 1.2. Схема включения ионизационного датчика (1); эскиз его устройства (2); траектория электрона (3). На эскизе: К — катод, АС — анод‑сетка, Ки — коллектор ионов. В некоторых случаях удобнее включать преобразователь так же как и обычный усилительный триод — с положительным потенциалом (несколько сотен вольт) на коллекторе ионов и небольшим (несколько десятков вольт) потенциалом на внутренней сетке (4), хотя такой способ и менее чувствителен

Работает ионизационный преобразователь так: вольфрамовая нить катода, нагреваемая электрическим током, испускает в окружающую среду с разрежённым газом электроны. Электроны, имея отрицательный заряд, устремляются к электроду с положительным потенциалом — аноду‑сетке. Некоторые электроны проходят сквозь витки этой сетки и в пространстве между анодом и цилиндром коллектора ионизируют молекулы оставшегося газа. Образовавшиеся ионы, имея заряд положительный, собираются на отрицательном коллекторе ионов (Рис. 1.2.) — появляется ионный ток, тем больший, чем больше газа в системе.

Интересна судьба пролетевших сквозь сетку электронов: имея отрицательный заряд, они не могут попасть на отрицательный коллектор. Достигнув точки пространства с нулевым потенциалом, они останавливаются и начинают движение обратно — к положительной анодной сетке. В результате, у сетки непрерывно колеблются электроны, и прежде чем попасть на анод, каждый из них совершает в среднем около пяти колебаний (Рис. 1.2. (3)), что повышает вероятность столкновения с молекулой газа — такая схема включения (Рис. 1.2. (1)) оказывается более чувствительной (чем схема Рис. 1.2. (4)).

Измеренное давление вычисляется по формуле P = C * I; где: I — измеренный ионный ток (А), С — постоянная преобразователя (Торр/А — паспортная величина).

ПМИ-2 позволяет измерить остаточные давления в диапазоне 10^-3…10^-7 Торр.

2. Расширение диапазона измерений вверх

Рис. 2.1. Интересная рукодельная стеклянная лампа — ионизационный преобразователь, отличающаяся запасным табельным катодом и конструкцией, позволяющей сравнительно легко их заменять [6]. Компоновка и включение электродов обычные, на эскизе: 1 — коллектор ионов с верхним выводом; 2 — анод из никелевой сетки, свёрнутой и закреплённой тонкой проволокой на трубчатой стеклянной ножке 3, один из выводов этой проволоки образует вывод вбок; 4 — жёсткая стойка-траверса и две половины нити накала на ней — обычно используется одна из половин, при её перегорании — вторая. Полностью перегоревшие нити нетрудно заменить, отколов удлинённую ножку с внешним впаем (отмечено синеньким) и припаяв аналогичный узел или восстановив старый. На схеме включения: 5 — «шунт Айртона» для гальванометра 6; 7 — предохранители. Прибор позволял измерять давления в диапазоне 10-3…10-9 Торр — Рис. 2.1. Интересная рукодельная стеклянная лампа — ионизационный преобразователь, отличающаяся запасным табельным катодом и конструкцией, позволяющей сравнительно легко их заменять [6]. Компоновка и включение электродов обычные, на эскизе: 1 — коллектор ионов с верхним выводом; 2 — анод из никелевой сетки, свёрнутой и закреплённой тонкой проволокой на трубчатой стеклянной ножке 3, один из выводов этой проволоки образует вывод вбок; 4 — жёсткая стойка‑траверса и две половины нити накала на ней — обычно используется одна из половин, при её перегорании — вторая. Полностью перегоревшие нити нетрудно заменить, отколов удлинённую ножку с внешним впаем (отмечено синеньким) и припаяв аналогичный узел или восстановив старый. На схеме включения: 5 — «шунт Айртона» для гальванометра 6; 7 — предохранители. Прибор позволял измерять давления в диапазоне 10^-3…10^-9 Торр

Высшая граница измеряемых давлений, для ионизационных преобразователей — 10^-3 Торр обусловлена традиционным материалом горячего катода — вольфрамом, дающим самую стабильную эмиссию, однако, такие нити перегорают при атмосферном давлении и очень недолго работают при высоких (10^-4…10^-3 Торр) давлениях. Например, ресурс ПМИ-2 при давлении в системе 10^-5 Торр — 750 часов; 10^-4 Торр — 75 часов; 10^-3 Торр — 7.5 часов. Отсюда — следует всемерно беречь работающую лампу от «прорыва атмосферы» (контакта с атмосферой «на ходу»), что и для остальной высоковакуумной части оборудования сродни аварии. Не следует также длительно использовать такую лампу при высоком (выше 10^-4 Торр) давлении.

Для работы при сравнительно высоком давлении горячий катод преобразователя может быть выполнен из платины или некоторых других жаростойких на воздухе металлов.

В целом, для работы ионизационного преобразователя в диапазоне высоких давлений, прибор должен иметь:

химически стойкий к действию газов катод;
малую чувствительность — небольшие расстояния между катодом и анодом;
прямой, без колебаний, характер движения электронов с катода на анод (схема включения с внешним анодом Рис. 1.2. (4));
высокую эффективность улавливания коллектором образовавшихся ионов;
малую плотность электронного тока;

Исходя из этих требований, сконструированы специальные ионизационные преобразователи для работы в диапазоне высоких давлений, например, отечественный ПМИ-10-2 (0,75…7.5 * 10^-5 Торр)).

Рис. 2.2. Устройство (А) и внешний вид (Б) ионизационного преобразователя ПМИ-10-2, где: 1 — металлический корпус; 2 — никелевые пластины — коллектор ионов; 3 — воздухостойкий П-катод — на иридиевом керне нанесено покрытие из окиси иттрия, обеспечивающее сравнительно низкую температуру; 4 — анод — сравнительно толстая пластина с овальным вырезом в центре. Электроды смонтированы на жёстких коваровых выводах, иридиевый керн катода обеспечивает его стойкость к высоким давлениям активных газов. В — ещё один ионизационный преобразователь с иридиевым оксидным катодом и расширенным вверх диапазоном измерений — Рис. 2.2. Устройство (А) и внешний вид (Б) ионизационного преобразователя ПМИ-10-2, где: 1 — металлический корпус; 2 — никелевые пластины — коллектор ионов; 3 — воздухостойкий П‑катод — на иридиевом керне нанесено покрытие из окиси иттрия, обеспечивающее сравнительно низкую температуру; 4 — анод — сравнительно толстая пластина с овальным вырезом в центре. Электроды смонтированы на жёстких коваровых выводах, иридиевый керн катода обеспечивает его стойкость к высоким давлениям активных газов. В — ещё один ионизационный преобразователь с иридиевым оксидным катодом и расширенным вверх диапазоном измерений

3. Расширение диапазона измерений вниз

Способность проводить измерения в области высокого и сверхвысокого вакуума (выше 10^-8 Торр) для традиционной конструкции преобразователя ограничивается возникновением мягкого рентгеновского излучения при столкновении электронов с деталями лампы — возникающая фотоэлектронная эмиссия даёт постоянный ионный ток, уже не зависящий от давления газа.

Рис. 3.1. Ионизационный преобразователь Байярда-Альперта. Схема устройства и фото варианта в стеклянном баллоне с разными способами присоединения. На эскизе: 1 — горячий катод; 2 — сетка-анод; 3 — коллектор ионов — Рис. 3.1. Ионизационный преобразователь Байярда‑Альперта. Схема устройства и фото варианта в стеклянном баллоне с разными способами присоединения. На эскизе: 1 — горячий катод; 2 — сетка‑анод; 3 — коллектор ионов

Значительно расширить область измеряемых давлений вниз позволила конструкция преобразователя, предложенная Байярдом и Альпертом. Для уменьшения рентгеновского фотоэффекта они радикально уменьшили коллектор ионов — выполнив его в виде тонкой металлической нити, а саму электродную систему, натурально, вывернули наизнанку (Рис. 3.1.). Конструкция получилась удачной — простой, лаконичной, со значительно сниженным нижним пределом.

Объём, заключённый внутри сетки‑анода усовершенствованного прибора, остаётся примерно таким же, как и в старой конструкции — количество ионизированного газа не изменилось. Коллектор же ионов теперь обладает очень малой площадью, рентгеновских лучей, излучаемых сеткой‑анодом, на него попадает немного — по сравнению с обычной конструкцией, оно меньше на несколько порядков. Кроме того, новая конфигурация электродов привела к лучшему распределению электрического поля, что повысило эффективность ионизации, а расположение коллектора в середине позволило улавливать больше образующихся ионов. Всё это отодвинуло нижнюю границу измеряемых давлений с 10^-7 Торр, до 10^-10…10^-11 (!) Торр, то есть, примерно на четыре порядка, захватив область сверхвысокого вакуума.

4. Бескорпусные ионизационные преобразователи

Как мы уже знаем, горячий вольфрам довольно эффективно связывает остаточные газы несколькими механизмами [7], ионизированный газ тоже частично поглощается металлами электродов — работающий ионизационный преобразователь представляет собой миниатюрный высоковакуумный насос. В смысле измерений это представляет проблему.

Фото 4.1. Старая добрая ПМИ-2 с современным измерительным блоком. Лампа новая, не вскрытая, не обезгаженная прогревом. Тем не менее хорошо видно её откачивающее действие — график давления (отмечено) монотонно ползёт вниз — за несколько часов заводские остаточные 10-4 Торр упали до 10-6 Торр — Фото 4.1. Старая добрая ПМИ-2 с современным измерительным блоком. Лампа новая, не вскрытая, не обезгаженная прогревом. Тем не менее хорошо видно её откачивающее действие — график давления (отмечено) монотонно ползёт вниз — за несколько часов заводские остаточные 10^-4 Торр упали до 10^-6 Торр

Забираясь в область высокого и сверхвысокого вакуума, кроме прочего, следует помнить и о меняющемся режиме течения газов — теперь из‑за большой длины свободного пробега, молекулы редко сталкиваются между собой, двигаясь подобно лучу света. При этом сужения и повороты вакуумного трубопровода становятся для них существенной преградой или сопротивлением — высоковакуумный ионизационный преобразователь традиционного устройства — как отдельный прибор с нетолстой соединительной трубкой, может (и будет) показывать местное пониженное остаточное давление, заметно не соответствующее давлению в других частях системы.

Фото 4.2. Бескорпусный ионизационный преобразователь классического типа (с внешним коллектором — цилиндром) ПМИ-3-2, собранный на высоковакуумном фланце (на фото — с защитной транспортировочной крышкой и расчехлённый). Имеет заменяемый (пользователем!) воздухостойкий катод из иридия, покрытого двуокисью иттрия. Конструкция прибора и металлическое (отожжённая медь) уплотнение позволяют прогревать прибор (обезгаживание) до 400 ̊ С

Современные высоко‑ и сверхвысоковакуумные установки обычно имеют рабочую камеру с набором стандартных фланцев для установки необходимого оборудования, в которые среди прочего устанавливаются и специальные бескорпусные ионизационные преобразователи — для более точных измерений по месту.

Фото 4.3. Высоковакуумные (сверхвысоковакуумные) камеры нескольких размеров и форм (без соблюдения масштаба). Как правило, изначально снабжаются больши́м набором фланцев для установки оборудования и несложной модернизации установки. Ненужные на текущий момент патрубки заглушаются

*Фото 4.4. Высоковакуумные (сверхвысоковакуумные) установки в сборе*

Рис. 4.5. Отечественный бескорпусный ионизационный преобразователь с внутренним коллектором (Байярда-Альперта) ПМИ-12-8. На фото — такой же «Байярд-Альперт» — ПМИ-27. В пробирках — сменные иридиевые оксидные катоды (!) — Рис. 4.5. Отечественный бескорпусный ионизационный преобразователь с внутренним коллектором (Байярда‑Альперта) ПМИ-12-8. На фото — такой же «Байярд‑Альперт» — ПМИ-27. В пробирках — сменные иридиевые оксидные катоды (!)

5. Измерительные блоки ионизационных манометров

При сравнительно несложной принципиальной схеме включения ионизационного преобразователя внешние блоки для работы с этими датчиками претерпели те же самые эволюции, что и измерители тепловые [3] — от больших и тяжёлых железных ящиков с аналоговой схемой, ручным управлением, стрелочными приборами и в целом простейшим устройством, до современных измерительных компьютеров — компактных цифровых автоматических блоков с богатыми возможностями.

Фото 5.1. Всё ещё широко известные в отечественной практике, недорогие, универсальные аналоговые вакуумметры ВИТ-2, ВИТ-3 (вакуумметр ионизационно-термопарный), охватывающие наиболее применимый диапазон давления — с «почти атмосферы», до высокого вакуума — 10-7 Торр. Входные цепи выполнены на электрометрических лампах, ручное управление, имеется выход для самописца — Фото 5.1. Всё ещё широко известные в отечественной практике, недорогие, универсальные аналоговые вакуумметры ВИТ-2, ВИТ-3 (вакуумметр ионизационно‑термопарный), охватывающие наиболее применимый диапазон давления — с «почти атмосферы», до высокого вакуума — 10^-7 Торр. Входные цепи выполнены на электрометрических лампах, ручное управление, имеется выход для самописца

Существовали и отдельные блоки для ионизационных датчиков, измерители с набором релейных выходов для управления установкой по остаточному давлению. В целом же, измерительные блоки вакуумметров развивались сообразно с эволюцией элементной базы — приборы аналоговые усложнялись, сменились цифровыми «с низкой степенью интеграции», наконец, превратились, натурально, в специализированный измерительный компьютер.

Фото 5.2. Современный вариант универсального вакуумметра для ходовых преобразователей. Работа прибора в низковакуумном (с лампой ПМТ-2) и высоковакуумном (ПМИ-2) диапазоне. Удобное представление данных, бортовой самописец, набор релейных выходов, связь с ПК, дистанционная и автоматическая работа

6. Итого

Составив общее представление о популярных высоковакуумных вакуумметрах, будем иметь в виду — рассмотренные варианты лишь наиболее часто встречающиеся — первоначальная идея работы ионизационного преобразователя оказалась плодотворной базой для совершенствования. Также формально к ионизационным можно отнести и простейшие разрядные трубки, и сверхвысоковакуумные варианты «с холодным катодом» — с радиоактивным источником, с магнитным полем и тому подобное

Рис. 6.1. Принципиальные схемы вариантов электродных систем ионизационных преобразователей: а — прямопролётный (высокого давления, например, ПМИ-10); б — с внешним цилиндрическим коллектором (ПМИ-2); в — Бйярда-Альперта (с внутренним коллектором); г — с внутренним коллектором и торцевыми стенками; д — с осевым коллектором и модулятором; е — экстракторный; ж — орбитронный; з — супрессорный; 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — модулятор; 5 — отражатель ионов; 6 — экран; 7 — супрессор — Рис. 6.1. Принципиальные схемы вариантов электродных систем ионизационных преобразователей: а — прямопролётный (высокого давления, например, ПМИ-10); б — с внешним цилиндрическим коллектором (ПМИ-2); в — Бйярда‑Альперта (с внутренним коллектором); г — с внутренним коллектором и торцевыми стенками; д — с осевым коллектором и модулятором; е — экстракторный; ж — орбитронный; з — супрессорный; 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — модулятор; 5 — отражатель ионов; 6 — экран; 7 — супрессор

Практические соображения к применению ПМИ-2: установка лампы вертикально, можно цоколем вниз, близко к откачиваемому объёму, а высоковакуумные трубопроводы должны быть по возможности короткими и большого сечения, повороты свести к минимуму. Лампу перед измерениями следует прокалить — сетку‑анод пропусканием тока, цилиндр коллектора — ТВЧ. Такой прогрев (обезгаживание) придётся выполнять после каждого контакта лампы с атмосферой. Включение лампы при атмосферном давлении равно её смерти, а работа при давлениях ниже 10^-4 Торр прискорбно снижает ресурс.

Число электронно‑ионных пар (вероятность ионизации), образующихся при столкновении электрона с молекулой газа, зависит от энергии электрона и рода газа — чувствительность ионизационного преобразователя к разным газам неодинакова — если измерения проводятся в «системе» с газом, отличающимся от сухого азота (воздуха), приходится пользоваться поправочными коэффициентами.

Откачивающее действие ионизационного преобразователя можно использовать как весьма простой чистый (безмасляный) высоковакуумный насос для опустошения небольших лабораторных объёмов.