2.3.2. Будова та принцип роботи іонІзацІйного манометра

В основі роботи іонізаційних манометрів лежить явище іонізації. Вільні заряди, які виникли в об'ємі, обумовлюють провідність газового проміжку або виникнення газового розряду. В першому випадку мірою ступені розрідження служить величина струму позитивних іонів, в другому - величина розрядного струму.

Іонізаційні манометри розрізняються за способом отримання іонізуючих частинок. В магнітних електророзрядних манометрах часткова іонізація залишкового газу проводиться вторинними електронами, які вибиваються з холодних катодів-відбивачів, в термоелектронних - електронами з розжарених катодів, а в радіоізотопних - джерелом радіоактивного випромінювання.

Розглянемо роботу термоелектронного іонізаційного манометра, який використовується в лабораторній роботі. В термоелектронних іонізаційних манометрах іонізація в об'ємі датчика відбувається внаслідок співударів електронів, емітованих розжареним катодом, з атомами та молекулами залишкового газу. Простим датчиком такого манометра може служити звичайна триелектродна система, балон якої з'єднано з відкачуваним об'ємом.

На мал. 16. показані можливі схеми вмикання датчика (манометричного перетворювача) термоелектронного іонізаційного манометра.

Електрони, емітовані катодом 1, під дією прискорюючого електричного поля спрямовуються до позитивно зарядженої сітки 2 (мал. 16, а). В зв'язку з тим, що сітка розміщена близько біля катода та має велику проникливість, значна частина електронів пролітає в простір сітка-колектор 3, де і відбувається іонізація газу.

При подальшому русі електрони гальмуються і, не доходячи до колектора, який має невеликий від'ємний потенціал по відношенню до катода, відбиваються від нього, а потім починають рухатись в зворотному напрямку. Деяка частина електронів уловлюється сіткою, а всі інші проходять крізь сітку та попадають в гальмівне поле простору сітка - катод. Якщо електрон на цьому шляху втратив частину своєї енергії на збудження або іонізацію молекул газу, то він вже не досягне катода, а відіб'ється від нього і знову буде рухатись до сітки. Таким чином, частина електронів здійснить декілька коливань в просторі катод - колектор перш ніж попаде на сітку. Завдяки таким пролітним коливанням збільшуються шлях та час життя електронів, які вийшли з катода, і підвищується ймовірність іонізації в об'ємі датчика.

Мал. 16. Схеми ввімкнення датчиків термоелектронного іонізаційного манометра

з позитивною (а) та негативною (б) сітками

В рівноважному стані електронний струм в колі катод - сітка визначається емісійною здатністю катода та вторинними електронами, які утворилися при іонізації молекул залишкового газу. Оцінка струму вторинних електронів, які уловлюються сіткою при тисках < 10^-3 мм рт.ст., показує, що він дуже малий порівняно з емісією катода і ним можна нехтувати.

На мал. 16, б показано другий варіант ввімкнення тріодної системи як датчика іонізаційного манометра. В цьому випадку сітка 2 має невеликий від'ємний потенціал (~10 В) по відношенню до катода і є колектором іонів, а на електрод 3 подається позитивний потенціал (200-250 В). Таку схему ввімкнення називають схемою з внутрішнім колектором іонів, в той час як схема, показана на мал. 16, а, називається схемою з зовнішнім колектором. Зрозуміло, в схемі з внутрішнім колектором нема умов для реалізації проміжних коливань електронів, тому вона менш чутлива.

Як показав дослід та відповідні розрахунки, при ввімкненні датчика за схемою з внутрішнім колектором та тиску газу нижче 10^-2 мм рт.ст. відношення іонного струму І_і в колі колектора до електронного струму І_е в колі анода є величиною, пропорційною тиску газу p в манометричній лампі,

, (31)

де S - коефіцієнт пропорційності, яким визначається чутливість датчика манометра. Співвідношення (31) і покладено в основу роботи термоелектронних іонізаційних манометрів.

При використанні схеми з зовнішнім колектором пропорційність між струмами І_і та І_е дещо порушується. Тому в останньому випадку величину електронного струму необхідно підтримувати сталою. Тоді рівняння (31) можна переписати у вигляді

. (32)

Величина С називається сталою іонізаційного манометра. Вона залежить від роду газу, конструктивних розмірів датчика, схеми його ввімкнення та режиму роботи.

Таким чином, для вимірювання тиску термоелектронним іонізаційним манометром необхідно при заданому електронному струмі І_е виміряти іонний струм на колектор І_і та розділити на сталу манометра С. Однак константу С важко отримати розрахунковим шляхом, тому датчики іонізаційних манометрів необхідно градуювати, порівнюючи їх покази з показами абсолютного (наприклад компресійного) манометра.

Робоча область тисків, вимірюваних звичайними іонізаційними манометрами, знаходиться в межах від 10^-3 до 5×10^-8 мм рт.ст. Верхня границя обумовлена тим, що при тисках вище 10^-3 мм рт.ст. помітно зменшується строк служби катода через його окислення. Крім того, градуювальна крива при більш високих тисках відхиляється від прямолінійної. Це пояснюється тим, що середня відстань, на якій один електрон створює пару іон - електрон (ефективна довжина іонізації), стає співрозмірна з довжиною пробігу електрона в просторі іонізації. Також вже не можна нехтувати вторинними струмами, створюваними іонізацією газу, порівняно з електронним струмом.

Нижня границя термоелектронних манометричних перетворювачів існує навіть в тому випадку, якщо малі струми в колі колектора вимірюються досить точно, та обмежується паразитними (фоновими) струмами, які виникають в колі колектора. Походження даних струмів пов'язано, в основному, з струмом фотоелектронної емісії з колектора іонів. Ця емісія викликається м'яким рентгенівським випромінюванням, що виникає при бомбардуванні позитивно зарядженої сітки електронами, емітованими розжареним катодом. Крім того, виникає фоновий струм внаслідок ультрафіолетового випромінювання розжареного катода, яке супроводжується емісією фотоелектронів з колектора. Оскільки в схемі з зовнішнім колектором напрям фонового струму, обумовленого рухом фотоелектронів від колектора до сітки, співпадає з напрямом колекторного струму іонів, його можна розглядати як складову іонного струму в колі колектора. При тиску 5×10^-8 мм рт.ст. істинний іонний струм колектора вже стає співрозмірним з фоновим паразитним струмом, і тому рівень 10^-7 мм рт.ст. є нижньою границею тисків, вимірюваних іонізаційними манометрами з манометричними датчиками типу ПМІ-2 (ЛМ-2), що використовуються в даній роботі.