Магнитные преобразователи

Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Ячейка Пеннинга (рис. 6.10, а) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (рис. 6.10, б) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 6.10, в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.

Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подается положительное относительно катода напряжение 2 …6 кВ, катод заземлен и соединяется с входом усилителя постоянного тока.

Электроны, вылетающие из катода в результате автоэлектронной эмиссии, в магнетронном или инверсно-магнетронном преобразователе движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях по циклоиде, образованной окружностью диаметром D= = 2mE/(qB²), катящейся по окружности радиуса г с угловой частотой вращения (j> = qB/m и тангенциальной скоростью v_T— —Е/В (Е — напряженность электрического поля; В — магнитная индукция; т и q — масса и заряд электрона). В ячейке Пеннинга электроны движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами.

Магнитная индукция В выбирается больше критического значения, соответствующего равенству диаметра электрода и диаметра окружности, по которой движется электрон, и составляющего в современных приборах -0,1 Тл.

При соударении с молекулой остаточного газа электрон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном направлении к аноду. В связи с тем что радиальная скорость электронов значительно меньше, чем тангенциальная, при низких давлениях в разрядном промежутке образуется отрицательный объемный заряд.

Положительные ионы, образовавшиеся в результате столкновения с электронами, движутся к катоду. Так как их масса значительно больше, чем у электрона, то магнитное поле практически не влияет на траекторию движения ионов. Соударение положительных ионов с катодом приводит к появлению вторичных электронов, ток которых пропорционален ионному току.

Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя /р=/ф+/и+/_в, где /ф — фоновый ток автоэлектронной эмиссии; /и — ионный ток; /_в — ток вторичной электронной эмиссии.

Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления и потому может считаться фоновым током; ионный и ток вторичной электронной эмиссии зависят от давления: 1к+1_ъ=ар^п, где а—10“²… Ю"¹ A/Па и и=1… 1,4 — постоянные.

Учитывая эту зависимость и пренебрегая фоновым током, получим измерительное уравнение магнитного преобразователя 1_Р— = Кир’, здесь К_И=ар^п~’¹ — чувствительность прибора. Разрядный ток магнитного преобразователя нелинейно зависит от давления.

Верхний предел измерения связан с ограничением максимального разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим измерительный прибор от возникновения дугового разряда. Для расширения верхнего предела измерения следует уменьшить анодное напряжение и размеры разрядного промежутка. Обычно верхний предел измерения находится в области давлений 10… 100 Па.

Нижний предел измерения определяется временем зажигания разряда и значением фонового тока. В современных приборах он составляет 10^-11 Па. Для уменьшения фонового тока применяются специальные экраны 3 (рис. 6.11), расположенные в промежутке между катодом 2 и анодом 1, где напряженность электрического поля максимальна. Большая часть фонового тока в этом случае переходит на корпус минуя микроамперметр, которым измеряется разрядный ток.

Для обеспечения зажигания разряда при низких давлениях необходимо повышать анодное напряжение и увеличивать размеры разрядного промежутка.

Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме на экранных пластинах устанавливают острые иголки, увеличивающие автоэлектронную эмиссию. Наиболее надежным- способом обеспечения быстрого зажигания разряда является использование нагреваемых элементов, включение которых приводит к резкому повышению давления или термоэмиссии электронов.

При применении сильных магнитных полей (В>0,1 Тл) значение постоянной п в формуле, описывающей чувствительность прибора, стремится к единице. При этом расширяется диапазон работы прибора в области как низких, так и высоких давлений.

Магнитные преобразователи, так же как и электронные, имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Коэффициенты относительной чувствительности магнитных преобразователей Rt=Kt/Kh для ряда газов представлены в табл. 6.1.

Быстрота откачки колеблется для различных преобразователей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10^-2 до 1 л/с, что значительно больше, чем для электронных. Это приводит к увеличению погрешности измерений при наличии вакуумного сопротивления между преобразователем и вакуумной камерой.

Преимуществом магнитного преобразователя перед электронным является более высокая надежность в работе в связи с заменой накаленного катода холодным, а недостатком — нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.

Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразователя в вакуумных системах с парами масла, продукты разложения которого при ионной бомбардировке и масляные диэлектрические пленки, покрывающие поверхности электродов, могут в несколько раз изменить постоянную преобразователя. Во избежание этого необходимо применять самоочищающиеся магнитные преобразователи, работающие на переменном токе. В таких преобразователях катод и анод меняются местами в соответствии с полупериодами питающего напряжения, а очистка их поверхностей осуществляется ионной бомбардировкой.

Отечественной промышленностью выпускается большое количество магнитных вакуумметров, технические характеристики которых даны в табл. П.10.