1.5.3. Термоелектронні іонізаційні манометри

Електронний іонізаційний манометр можна вважати історично першим іонізаційним манометром. Він складається з трьох елементів: розжареного катода К, який емітує електрони, анода А, який прискорює та відводить електрони та колектора іонів К_ол, який збирає утворені іони (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Принцип дії іонізаційного манометра.

А – анод; К – катод (джерело електронів);Кол – колектор утворених іонів (має негативний потенціал).

Анод має позитивний відносно катода потенціал (+ U_a), колектор – негативний потенціал (- U_кол). Катод створює електронний струм I_е, який іонізує газ. Величина цього струму підтримується сталою шляхом регулювання температури катода (наприклад, регулюванням потужності розжарення).

Система анод-катод служить для іонізації газу в просторі між електродами, а колектор збирає утворені іони.

Важливим параметром процесу іонізації є ефективність іонізації εі (коефіцієнт відносної іонізації), який характеризує кількість пар іон-електрон, утворених одним електроном з енергією eU електронвольт на шляху в 1 см в даному газі при тиску 1 мм рт. ст. при температурі Т = 273 К. Ефективність іонізації залежить від енергії електронів, і, таким чином, від потенціалу в даній точці простору U_x

, (1.18)

Графік залежності ефективності іонізації від енергії електронів для деяких газів при температурі 273 К наведено на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Залежність ефективності іонізації εі від енергії електронів при тиску газу 1 мм рт.ст. та температурі 0° С. 1 – ацетилен; 2 – кисень; 3 – азот; 4 – аргон; 5 – водень; 6 – неон; 7 – гелій.

Максимальні значення ефективності іонізації відповідають оптимальним значенням потенціалів U_опт, які знаходяться в інтервалі від 70 до 170 В. При подальшому зростанні напруги спостерігається зменшення коефіцієнта іонізації. Криві на рис. 1.16 в області напруг, що не перевищують 200 В, можна апроксимувати за емпіричною формулою

, (1.19)

де U_i – потенціал іонізації, U_зб – потенціал збудження.

ξ залежить від температури газу Т:

. (1.20)

Тут а, с, – величини, сталі для даного газу.

З рівняння (1.19) можна знайти оптимальне значення U (значення, для якого ε_і = ε_макс).

В просторі іонізації розподіл потенціалу між анодом та катодом може бути виражений як функція відстані

, (1.21)

причому для анода U_x = U_а.

З врахуванням залежності (1.21) коефіцієнт відносної іонізації можна представити у вигляді

. (1.22)

З визначення εі випливає, що кількість іонів, створених за 1 с N′_e електронами, що рухаються в газі при тиску р та температурі 273 К на шляху L, описується формулою

. (1.23)

Інтегральний вираз цієї формули можна представити у вигляді

. (1.24)

При даному анодному потенціалі U_a шлях іонізації визначається перш за все розмірами системи електродів датчика, а також умовами, в яких відбувається рух електронів. Багаторазовість проходження електронів через дану область простору, рух по гвинтовим або спіральним лініям в присутності магнітного поля і т.п. можуть значно збільшити довжину шляху електронів L.

З кількості N′_і іонів, що утворилися, колектора досягає лише певна частина . Таким чином, іонний струм на колектор 1≤i_j

. (1.25)

Добуток називається чутливістю (коефіцієнтом чутливості) іонізаційного манометра

. (1.26)

З формул (1.25) і (1.26) випливає

. (1.27)

Звідси

, (1.28)

де S характеризує величину іонного струму на одиницю тиску (S іноді називають чутливістю по струму або сталою електронного іонізаційного манометра).

Величина K для даного газу залежить від форми електродів датчика, напруги живлення, а також від ефективності збору іонів колектором. Рівняння (1.28) називається рівнянням електронного перетворювача.

Чутливість по струму зростає зі збільшенням електронного струму. Струм І_е має величину в інтервалі від 10^-5 до 10^-2 А (найчастіше – декілька міліампер).

Розглянутий випадок відноситься до однорідного газу. У випадку суміші газів слід визначати чутливість та електронний струм для окремих газів, а сумарний іонний струм визначається за формулою

, (1.29)

де S_i – чутливість манометра по відношенню до даного газу, а р_і – парціальний тиск цього газу.