Эти манометры были предложены Пеннингом, и их часто называют его именем. В них используется самостоятельный разряд в магнитном поле при высоком напряжении на холодных электродах. Анод в форме кольца расположен между двумя симметричными плоскими катодами. Напряжение составляет несколько киловольт; магнитное поле до 1000 гс перпендикулярно к системе электродов; при этом выполняются условия самостоятельного разряда Таунсенда, когда ионная бомбардировка катода порождает такое количество электронов, которое достаточно для воспроизводства исходного количества ионов.
Пределы магниторазрядного манометра по давлению связаны с существованием самостоятельного разряда при очень низких или высоких давлениях. Нижний предел объясняется двумя явлениями. При малых давлениях концентрация молекул недостаточна для поддержания разряда; однако симметричные электроды Пеннин-га и магнитное поле придают электронам колебательноциклоидальное движение и тем обеспечивают существование разряда до давления 10 6 тор и ниже. Кроме того, нижний вредеч ограничен фоновым током из-за автоэлектронной эмиссии у острых краев высоковольтных электродов [89, 90].
Характеристика самостоятельного разряда имеет падающий характер, поэтому для ограничения тока раз-
Здесь Ua — анодное напряжение. С увеличением давления ток разряда /р уменьшается. При высоком давлении он не зависит от давления.
Для расширения пределов измерений магниторазрядных манометров применяют двухкамерные датчики-пре-
ряда /р последовательно с анодом включают балластное сопротивление Rg, которое ограничивает верхний предел по давлению.
образователи (рис. 46). Большая камера датчика ММ-13 работает при низком давлении, она имеет большое балластное сопротивление малая камера имеет малое Ro. Переключение камер происходит автоматически: при давлении ниже 10~4 тор заметный ток течет только через большую камеру, а при большом давлении ток через большую камеру ограничен ее балластным сопротивлением. Поддержание разряда в малой камере осущест-
вляется при помощи отверстия в общей катодной пластине.
Основное достоинство магнитных манометров — простота и надежность, отсутствие накаленных деталей. Блок питания содержит в основном только выпрямитель, причем токи сравнительно велики и не требуют усиления. Однако у этих манометров хуже точность и больше разброс характеристик. Значительные токи разряда позволяют использовать датчик в качестве вакуумного реле, которое замыкает или размыкает блокировочные контакты вакуумметра для подачи аварийного сигнала или для отключения элементов, выходящих из строя при повышении давления.
Промышленность выпускает широкий ассортимент магниторазряднцк вакуумметров (рис. 47). Прибор ВМБ-ЗА с блокировочным устройством имеет диапазон от 2-10“2 тор до низких давлений 10~7 тор, благодаря использованию преобразователя ММ-13М. Прибор ВМ-5 работает в диапазоне от 10-1 до 10 5 тор; он не содержит блокировочного устройства, однако имеет три коммутируемых датчика. Разработан преобразователь ММ-18а для использования в космосе; он выдерживает вибрации 20—2000 гц и статические перегрузки до 49 g.
При низком давлении для уменьшения фонового тока из-за автоэлектронной эмиссии применяют манометры в форме обращенного (инверсного) магнетрона (рис. 48) [91—98]. Вспомогательный катод заземлен и экранирует основной катод от автоэлектронной эмиссии, а ток разряда снимается только с основного катода. Наша промышленность выпускает основанные на этом принципе сверхвысоковакуумные манометры ММ-14 с 'блокировочным вакуумметром ВИМ-2 (рис. 49) для измерения давления от 10-4 до 10~13 тор. Постоянная преобразователя ММ-14 равна 4-Ю5 мка/тор. Была выполнена сравнительная калибровка некоторых высоковакуумных манометров, результаты которой приведены па рис. 50 и в табл. 19.
Был разработан магнетронный манометр прямого типа с центральным холодным катодом. Он имеет область линейности 10-5—10 11 тор и постоянную преобразователя 107 мка/тор. Достоинства такого манометра— сравнительно малые габариты и вес магнитной системы.
Таблица 19
|
Тип манометра |
Характеристика | |
|
Пэстзяинэя манометра, лкл /тор |
фсцтвы { пре дел, тор | |
|
Инверсно-магнетронный манометр ММ-14 Магнетронный манометр с горя шм катодом Электронный СВВ манометр ИМ-12 |
4-10’ 8 10* 1,5-10‘ |
2 10 —12 2,5- 10~12 2.10-1° |
Магнитные манометры обладают значительным откачивающим действием, обусловленным ионным t меха-
низмом откачки, распылением кагода и поглощением газов на активных поверхностях. Измеренная быстрота откачки преобразователя ММ-14 составляет 0,28—
0,35 л/сек. Кроме того, манометр может обладать собственным газоотделением, которое искажает его показания и условно характеризуется отрицательной быстротой откачки. Для оценки погрешности воспользуемся соотношением
Если собственная откачка манометра преобладает над его газоотделением, то Лман>7эизм, и наоборот. У преобразователя ММ-14С длина и диаметр патрубка равны 100 и 16 мм; пропускная способность Сман~4 л/сек, погрешность измерений может достигать 10—20%.
§ 24. Радиоизотопные манометры
В радиоизотопных манометрах используется a-излучение некоторых радиоактивных изотопов. Энергия a-частиц, образующихся при распаде, очень велика: для радия-226 Wa =4,791 Мэв, поэтому движение ионизирующих a-частиц не зависит от коллекторного поля преобразователя. Из-за большого периода полураспада (Г чг =1590 лет) срок службы датчика неограничен.
Нижний предел радиоизотопных манометров определяется малостью ионного тока (до 10~6 мка при Ю-э ТОр) и фоновым током, не зависящим от давления. Происхождение фона связано с прямым попаданием заряженных частиц источника на коллектор и со вторичной эмиссией электронов с коллектора под действием этой бомбардировки. Поэтому применяется стержневой коллектор, экранированный торцовым экраном от источника. Обычно нижний предел радиоизотопных манометров порядка 10~3 тор, а со специальными измерительными схемами на фотоумножителях и уменьшенным фоном —до 10-5 тор.
Верхний предел определяется полной потерей энергии «-частицы на ионизацию при большой концентрации газа. Полное число пар ионов, которое может об-пазовать a-частица, равно
где (7И — потенциал ионизации. Для датчика с радием-226, содержащего азот, пи = 3,29-105. Полный пробег «-частицы R зависит от давления;
Если давление столь велико, что полный пробег $ меньше размеров датчика, то а-частица прекратит ионизацию раньше, чем выйдет из датчика, и ионный ток перестанет зависеть от давления. Уменьшая размеры датчика, верхний предел радиоизотопного манометра можно довести до 200—1000 тор.
стоинство.
Наметилась новая тенденция в разработке манометров — создание одношкальных непереклю-
В последние годы стал коммерчески доступным плутоний-238, обладающий очень высокой a-активностью без у-из-лучения. В преобразователе МР-8 применена пластинчато-торцовая конструкция (рис. 51) [99]. Датчик имеет две ионизационные камеры, для высокого и низкого давлений, причем коллектор расположен в тени от а-частиц. В вакуумметре ВР-4 с манометром МР-8 (рис. 52) снижение и компенсация фона позволили получить нижний предел по давлению 10~5 тор; верхний предел равен 760 тор. Такой широкий диапазон, достигнутый с помощью одного радиоизотопного манометра, — большое дочаемых приборов на несколько порядков давления. В таких вакуумметрах применяют логарифмирующие усилители. Обзорные многопорядковые шкалы удобны для быстрого и безошибочного чтения показаний. На рис. 53 показан ионизационный вакуумметр фирмы AEI, перекрывающий пять порядков по давлению.
