Электронные преобразователи

Принцип действия электронных преобразователей основан на пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов.

Существует две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором.

Схема с внутренним коллектором (рис. 6.8, а) аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт, а на анод — положительное напряжение 100— 200 В. Электроны на пути от катода к аноду (ток /_е) соударяются с молекулами остаточных газов, и образовавшиеся положительные ионы попадают на сетку, создавая ионный ток /_и, измеряемый гальванометром.

В схеме с внешним коллектором (рис. 6.8, б) потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления.

Рассмотрим уравнение электронного преобразователя

dW =npzdr, (6.10) где d.V — число положительных ионов; п — число электронов; dr — элементарная длина траектории электронов;е— эффективность ионизации, равная количеству положительных ионов, образуемых одним электроном на единице пути при единичном давлении (см. рис. 3.4).

Из выражения (6.12), называемого уравнением электронного преобразователя, очевидно, что, для того чтобы измеряемый ионный ток был пропорционален давлению, необходимо во время измерения поддерживать постоянное значение электронного тока. Тогда а—1_еКи — постоянная электронного манометра — равна тангенсу угла наклона градуировочной кривой /и(р) к оси давления.

Схематично конструкция электронного преобразователя с внешним коллектором представлена на рис. 6.9, а. Коллектор ионов 1 имеет форму цилиндра с электрическим вводом в верхней части баллона, сетка 2—форму двойной спирали с двумя выводами для обезгаживания путем пропускания электрического тока. Катод 3

вольфрамовый. Постоянная а при токе эмиссии 5 мА для типового преобразователя составляет ~ 10~³ A/Па. Пределы давлений, которые могут быть измерены таким манометрическим преобразователем, составляют 1… 10“⁵ Па.

Верхний предел измерения типового электронного преобразователя равен ~1 Па и соответствует нарушению линейности градуировочной характеристики, когда средняя длина свободного пути (электрона в объеме прибора становится меньше пути электрона между электродами. Для расширения верхнего предела можно уменьшить расстояние между электродами. Существуют приборы, верхний предел которых таким путем удалось довести до 10² Па. Чтобы катод не сгорел при таких высоких давлениях, его изготовляют из оксидов редкоземельных металлов.

Нижний предел измерения определяется фоновыми токами в цепи коллектора, возникающими из-за эмиссии фотоэлектронов в результате мягкого рентгеновского излучения анодной сетки и ультрафиолетового излучения накаленного катода. Рентгеновское излучение анодной сетки является результатом ее бомбардировки электронами. Автоэлектронная эмиссия коллектора появляется под действием разности потенциалов 200—300 В между коллектором и анодной сеткой и вносит дополнительную составляющую в фоновый ток.

Фоновые электронные токи имеют одинаковое направление с ионным током и поэтому оказывают одинаковое воздействие на измерительные приборы. Максимальным фоновым током является ток рентгеновского излучения, пропорциональный эмиссионному току: I^—Ksle, где K_s — коэффициент пропорциональности.

С учетом фоновых токов рентгеновского излучения уравнение электронного преобразователя можно записать в следующем виде: I=In+I<t> — Ie(Ks + Кир), а нижний предел измерения — определить соотношением ионного и фонового токов: 1ц/1ф — Ки/(КзР)-

Таким образом, для расширения нижнего предела измерения нужно при постоянном давлении р увеличить Ли или уменьшить Ks-

Для уменьшения фоновых токов и, следовательно, постоянной Ks был предложен преобразователь с осевым коллектором (рис. 6.9, б), в котором катод и коллектор поменялись местами. Это значительно уменьшило телесный угол, в котором рентгеновское излучение сетки попадает на коллектор. Это привело к уменьшению K_s приблизительно в 10³ раз по сравнению с конструкцией рис. 6.9, а и расширило нижний предел измерения давления до 10~⁸ Па.

Чувствительность Ли можно увеличить, если поместить преобразователь в магнитное поле (рис. 6.9, в). Электроны от катода к аноду в этом случае движутся по спирали. В электронном преобразователе с магнитным полем, создаваемым катушкой 2 и направленным параллельно оси анода 3, катод 4 — термоэлектронный, а коллектор 1 расположен в верхней части баллона. Такой преобразователь за счет увеличения чувствительности имеет нижний предел на 2…3 порядка ниже, чем конструкция преобразователя, показанная на рис. 6.9, а.

Электронный преобразователь имеет неодинаковую чувствительность к различным газам, так как эффективность ионизации зависит от рода газа.

Если преобразователь проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, то необходимо учитывать относительную чувствительность R. Из условия равенства ионных токов запишем Kpi = Kip2= … =К_гр1==К_ър_в, откуда р₍= =p₃/Ri, где Ri — KdKs — относительная чувствительность к данному газу. Относительные чувствительности электронного преобразователя представлены в табл. 6.1.