Датчик пеннинга принцип действия
Пеннинг [63, 64] первым реализовал возможность использования тлеющего разряда с холодным катодом для измерения давления газа в области ниже 10 -3 тор, применив сильное магнитное поле для увеличения длины пути электронов от катода к аноду и повысив тем самым ионизацию до измеримого уровня.
В 1937 г. Пеннинг описал манометр, в котором разряд протекает между анодом в виде петли, и катодом, представляющим собой два циркониевых диска, соединенных электрически и расположенных по обе стороны петли. На фиг. 65 (заимствовано из оригинальной статьи Пеннинга) показано устройство этого манометра. Постоянный магнит расположен так, что его поле параллельно оси симметрии. При магнитной индукции 400 гс и постоянном напряжении между анодом и катодом разрядный ток, как оказалось, пропорционален давлению в диапазоне от 10
5 до 10 -3 тор. В условиях постоянного давления чем выше напряжение, тем больше ток. При рекомендуемом рабочем напряжении 2000 в и давлении азота 10 -3 тор ток достигал приблизительно 1 ма.
Хотя механизм такого разряда еще не совсем ясен, можно довольно полно описать основные принципы действия манометра. Магнитное поле препятствует немедленному уходу на анод электронов, испускаемых, катодом. Они движутся по спиральным траекториям взад и вперед в потенциальном ящике между катодами, пока наконец не попадут на анод (электрон с энергией 2000 эв, влетающий под прямым углом в магнитное поле с индукцией 500 гс, движется по окружности диаметром 4 мм). Из-за большой длины пути электрона существует некоторая вероятность приводящего к ионизации соударения с молекулой газа даже при давлении 10 -5 тор. Поскольку магнитное поле практически не влияет на поведение положительных ионов ввиду их большой массы, они движутся прямо к катодам.
Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по винтообразным траекториям, и в конце концов, по всей вероятности после совершения актов ионизации, попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда.
Таким образом, благодаря наличию магнитного поля тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом. Дюма [65] и Редхед [66] обнаружили в разряде электромагнитное излучение с определенной частотой, зависящей только от магнитного поля. Это излучение обусловлено в основном вращением электронов по круговым траекториям, расположенным перпендикулярно магнитному полю; так как время обращения зависит только от величины магнитной индукции если использовать обычные обозначения), излучение имеет дискретный ряд частот. Результаты измерений частоты, выполненные Дюма, находятся в соответствии со значениями, вычисленными на основе этой простой теории.
К сожалению, разряд не вполне стабилен, поскольку возникают случайные и внезапные изменения тока в пределах 2—5%. Эта нестабильность, по-видимому, свойственна в той или иной степени всем манометрам и представляет собой серьезный недостаток, ограничивающий точность измерений. Более того, при давлениях ниже 10 -5 тор разряд становится неустойчивым и часто совсем гаснет при давлении 10 -6 тор.
Конструкция манометра, усовершенствованная с целью увеличения объема разряда и, следовательно, чувствительности, была разработана в 1949 г. [67]. Пеннинг заменил кольцевой анод цилиндром, простирающимся почти до катодов, так что электроды образовали закрытую коробку. Чувствительность была повышена в 10 раз (при давлении 10 -4 тор и напряжении 2 кв ток достигал приблизительно 1,0 ма). Линейный участок простирался до давления ниже 10 -6 тор, так что погрешности были значительно уменьшены. Нестабильность работы (скачки разрядного тока), свойственные манометру с кольцевым анодом, наблюдались лишь при давлениях выше 10 -4 тор.
Почти идентичные результаты были получены Лекком с сотр. [68, 69] на аналогичном манометре, отличавшемся только тем, что катоды были сделаны не из циркония, а из никеля. Оказа-лось, что чувствительность пропорциональна напряжению между анодом и катодом (градуировочные графики на фиг. 66) и не зависит от напряженности магнитного поля. В области 10
8 тор ток скачкообразно снижается, что, по-видимому, обусловлено изменением характера разряда из-за недостатка электронов для поддержания разряда. Обращает на себя внимание и то, что ток убывает не до нуля, а до малого постоянного значения. Кроме того, так же, как и в работе Пеннинга, не наблюдалось скачков или разрывов в непрерывности отсчета, превышавших 2%, во всем рабочем диапазоне давлений, т. е. от 10 -4 тор до давления ниже 10 -7 тор.
Вопрос о влиянии материала катода на характеристики манометра еще не вполне выяснен. На первый взгляд представляется, что лучше выбирать материал с малой работой выхода
(именно поэтому Пеннинг и выбрал цирконий). Но, как показывают некоторые эксперименты, характеристики манометра не очень сильно зависят от свойств катода [70, 71] 1 ). Так, например, по данным Гаррода и Гросса [70], относительные чувствительности манометров с катодами из константана, никеля, алюминия, окиси магния и магния были равны соответственно 0,7, 0,75, 1,0, 1,0—1,25 и 1,0—1,3. Катоды из магния и окиси магния часто обеспечивают большую чувствительность, но зато не всегда дают воспроизводимые результаты, а колебания чувствительности иногда достигают 25%. Поэтому эти материалы не имеют практического значения. Колебания чувствительности обусловлены, вероятно, изменением работы выхода вследствие адсорбционных эффектов. С практической точки зрения, никель, вероятно, надо считать лучшим материалом для изготовления как катодов, так и анодов (он весьма доступен, легко режется и надежно сваривается с вольфрамовыми вводами).
Возбуждение разряда при низком давлении газа сопряжено с известными трудностями.
При давлении выше 10 -5 тор разряд начинается и стабилизируется сразу же при включении источника высокого напряжения. При давлениях же ниже 10 -5 тор возможна задержка зажигания разряда на несколько секунд. По-видимому, нельзя заранее предсказать поведение манометра в этом отношении. Можно, однако, утверждать, что при напряжении 2 кв для зажигания разряда при давлениях газа ниже 10 -5 тор требуется какой-то внешний толчок. Мак-Илрейт [72] поместил в манометр вольфрамовую проволочку, которая при накаливании до высокой температуры мгновенно выделяла некоторое количество газа, что вызывало повышение давления и зажигание разряда в манометре. Ивэнс и Бёрмейстер [73] рекомендовали применять острие, находящеееся под высоким напряжением: автоэлектронная эмиссия с острия поставляет первичные электроны, необходимые для начала разряда. Чем выше напряжение, тем меньше вероятность отказов в работе. Так, в нашей лаборатории широко применяются манометры с никелевыми электродами (диаметром 25 и длиной 25 мм), и при напряжении 3 кв никаких трудностей с зажиганием разряда вплоть до давления 10 -6 тор не наблюдается.
При конструировании манометра нужно считаться с возможностью сильного катодного распыления под действием положительных ионов большой энергии. Осаждаясь на стеклянной оболочке, металл образует проводящую пленку, которая может замкнуть накоротко электроды. Это явление предотвращается стеклянными экранами, препятствующими напылению металла на изоляторы электрических вводов.
В качестве источника высокого напряжения лучше всего брать однополупериодный выпрямитель на 2—3 кв с током нагрузки до 2 ма. В целях стабилизации выходного напряжения можно во входной цепи установить феррорезонансный трансформатор, обеспечивающий постоянство напряжения. Почти во всех случаях постоянный ток можно измерять магнитоэлектрическим микроамперметром на 100 мка. Для повышения чувствительности пользуются усилителем на двойном триоде, подобным рассматривавшемуся в п. 9. Для ограничения тока в случае короткого замыкания принято последовательно с источником высокого напряжения включать балластное .сопротивление на 1—2 Мом [75].
Оно заметно снижает напряжение между анодом и катодом при высоких давлениях, уменьшая чувствительность и нарушая линейность характеристики. По этой причине сопротивление не должно быть больше, чем это требуется для безопасности оператора и защиты оборудования. Подобный блок можно использовать как с кольцевым, так и с цилиндрическим анодом в манометре. Обычно диаметр анода и расстояние между катодами делают равными 25 мм. При таких размерах электродов требуется магнитное поле порядка 400—500 гс, а чувствительность составляет приблизительно 1,0 ма/мтор по воздуху для кольцевого и 10 ма/мтор для цилиндрического анода. В литературе описаны многие манометры и измерительные блоки к ним [63—76], причем в большинстве случаев они снабжены кольцевым анодом и предназначаются для работы в диапазоне от 10 -3 до 10 -5 тор. Все манометры имеют весьма сходные характеристики, несмотря на некоторое отличие в деталях (например, некоторые манометры имеют металлический корпус, который служит катодом).
При сравнительно высоких давлениях, выходящих за пределы давлений, измеряемых обычными пеннинговскими манометрами (10 -3 —10 -2 тор), манометр можно использовать для работы в качестве вакуумного реле. Например, Олвуд [77] использовал быстрое возрастание тока от 2 до 20 ма, наступающее при повышении давления до 10 -3 тор (точная величина давления, при котором наблюдается скачок, зависит от напряжения и величины магнитного поля). Хаяси с сотр. [78] наблюдали такой скачок у манометра с анодом, диаметр которого составлял всего лишь 4,5 мм.
Интересно отметить, что разрабатывались манометры и других видов с холодным катодом и разрядом в магнитном поле [59, 60]. Так, Бек и Брисбейн [79] использовали устойчивый разряд между тонкой длинной проволокой, служившей анодом, и цилиндрическим катодом сложной формы. Ток этого разряда был пропорционален давлению.
Хобсон и Редхед [81, 82] подробно исследовали магнитные электроразрядные манометры с холодным катодом, обратив особое внимание на их работу при очень низких давлениях. Эти исследователи работали с видоизмененными манометрами Пеннинга, а также Бека и Брисбейна [79]. На фиг. 67 изображены два манометра, разработанные Хобсоном и Редхедом [81, 82]. Ими были сконструированы инверсно-магнетронный манометр (ИММ) и магнетронный манометр (ММ).
Одним из важных усовершенствований конструкции было введение охранного электрода (вспомогательного катода), что особенно важно при измерении очень низких давлений. Эти охранные электроды, находящиеся под потенциалом катода, предотвращают автоэлектронную эмиссию с катода. Без такой предосторожности ток этой эмиссии был бы сравним с током основного разряда при очень низких давлениях и ограничивал бы нижний предел измерений, подобно фототоку из-за рентгеновского излучения в манометрах с накаленным катодом.
В ИММ катодом служит короткий цилиндр диаметром 30 мм, ось которого параллельна магнитному полю, а анод имеет форму стержня диаметром 1 мм, проходящего вдоль оси через отверстия в катодном цилиндре. Как видно из фиг. 67, а, вспомогательный катод сделан в виде коробки с приваренными короткими трубками, входящими внутрь катода. Этот манометр работает в магнитном поле 2000 гс и при анодном напряжении 6000 в. В MM анод имеет вид цилиндра длиной 20 и диаметром 30 мм, в котором высверлены отверстия для увеличения его газовой проводимости. К катоду в виде катушки, состоящей из осевого цилиндра длиной 20 и диаметром 3 мм, по концам приварены круглые диски. Этот манометр обычно работает в магнитном поле 1000 гс и при напряжении между анодом и катодом 6000 в.
Фиг. 67. Инверсно-магнетронный манометр (а) Хобсона и Редхеда [81] и магнетронный манометр <б) Редхеда [81].
В том и другом манометрах электроны в скрещенных электрическом и магнитном полях проходят большие пути, двигаясь от катода к аноду и создавая в ионизационной камере отрицательный пространственный заряд. Чувствительность у этих манометров по порядку величины такая же, как у манометра Пеннинга (катодный ток при 10 -6 тор равен приблизительно 10 мка), а по другим параметрам они мало от него отличаются. Однако существуют два важных преимущества. Во-первых, как отмечают Бек и Брисбейн, у них намного улучшены пусковые характеристики. Действительно, как сообщает Редхед [82], у этих манометров ни разу не наблюдались отказы в зажигании разряда даже при давлениях ниже 1б -8 тор. Кроме того, соотношение между давлением, величиной магнитного поля и напряжением зажигания весьма близки к теоретическим. Во-вторых, разряд остается устойчивым при гораздо более низких давлениях.
По экспериментальным данным, устойчивость сохраняется при давлениях гораздо ниже 10 -10 тор. Градуировка ниже этого давления, конечно, затруднена из-за отсутствия эталона для сравнения. Хобсон и Редхед [81], выполнявшие косвенную градуировку на сверхвысоковакуумной установке с ловушками, которые охлаждались жидким гелием, выразили уверенность в том, что градуировочную характеристику MM можно экстраполировать до давления 10 -13 тор. В этом случае такой манометр применим для измерений во всем диапазоне давлений от 10 -4 до 10 -13 тор.
Источник
Датчик Пеннинга
Манометр Пеннинга является холодным катодом ионизации манометр . Измерение давления выводится из ионного тока, создаваемого разрядом в электрическом поле и в присутствии магнитного поля .
Датчик состоит из газоразрядной трубки, помещенной между полюсами постоянного магнита. Катоды C представляют собой пластины из нержавеющей стали, расположенные симметрично относительно анода A, имеющего форму кольца. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом силой около 500 гаусс, перпендикулярно катодам. Соответствующая электрическая цепь состоит из устройства измерения постоянного напряжения, которое может обеспечить несколько миллиампер при 2 киловольтах, и миллиамперметра, который измеряет ток разряда. Миллиамперметр градуируется производителем для воздуха непосредственно в миллибарах (мбар).
Механизм разряда следующий: ионы и электроны, подверженные, с одной стороны, действию электрического поля, знак которого меняется в плоскости анода, а с другой стороны, на знак магнитного поля, описывают спирали с ось параллельна магнитному полю. Таким образом, ионы и электроны проходят относительно длинный путь до захвата электродами и могут ионизировать большое количество молекул. Количество ионизированных молекул (следовательно, ток) пропорционально количеству молекул, следовательно, давлению.
Характеристики, условия использования и примечания
1. Манометр Пеннинга косвенно измеряет давление.
2. Показания прибора приведены для воздуха и должны быть скорректированы для других газов. Применяемые поправочные коэффициенты указываются производителями (реальное давление = показание давления / поправочный коэффициент).
3. Диапазон использования составляет от 10 ^ -6 мбар до 10 ^ -2 мбар. Более низкие давления могут быть измерены, если в счетчике есть усилитель.
4. Это не очень точно. Неопределенность при отсутствии загрязнения может составлять 25% и намного больше, если есть загрязнение .
5. При наличии паров масла электроды легко загрязняются, и манометр показывает слишком низкое давление.
6. Датчик Пеннинга демонстрирует эффект накачки, аналогичный эффекту насосов для ионно-атомного распыления, что искажает результаты измерения.
7. Загрязненные электроды можно очистить мелкой наждачной бумагой (степень чистоты 1000). Затем различные элементы промывают 3 или 4 раза в растворителе для жира и масла, ополаскивают дистиллированной водой и сушат в духовке при 100 градусах Цельсия .
8. Датчик Пеннинга широко используется, потому что его легко запустить; он прочен: воздухозаборник на манометре под напряжением не будет иметь драматических последствий. Однако желательно не оставлять его под напряжением до тех пор, пока он не окажется в вакууме и на время измерения.
Источник
«Вакуумная техника: производство и измерения низкого давления» от INSA Toulouse
Источник