2. Магнитные преобразователи для измерения вакуума.
Принцип действияя магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов [2].
Ячейка Пеннинга состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2 (рис. 2.1, а). Электроны движутся по спиральным траекториям между катодными пластинами (рис. 2.1, б).
а б
Рисунок 2.1. Ячейка Пеннинга.
В магнетронном преобразователе (рис. 2.2, а) в отличие от ячейки Пеннинга катоды соединены между собой центральным стержнем.
а б
Рисунок 2.2. Магнетронный преобразователь.
В инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 2.3, а) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.
а б
Рисунок 2.3. Инверсно-магнетронный преобразователь.
Все электроды находятся в постоянном магнитном поле, на анод подается положительное относительно катода напряжение 2-6 кВ, катод заземлен. Электроны, вылетающие из катода в результате автоэлектронной эмиссии, в магнетронном преобразователе движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях по циклоиде (рис. 2.2, б), а в инверсно-магнетронном преобразователе – по гипоциклоиде (рис. 2.3, б). При соударении с молекулой остаточного газа электрон теряет часть своей энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном направлении к аноду. Положительные ионы, образовавшиеся в результате столкновения с электродами, движутся к катоду. Так как их масса значительно больше массы электона, 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. Инверсно-магнетронный преобразователь является более чувствительным, т.к. траектория движения электрона самая протяженная.
Таким образом, разрядный ток магнитного преобразователя равен:
|
(2.1) |
где
– фотонный ток, обусловленный
автоэлектронной эмиссией;
– ионный
ток;
– ток
вторичной электронной эмиссии.
Ток автоэлектронной эмиссии не зависит от давления и им можно пренебречь. Тогда:
|
(2.2) |
где a = 10–2 – 10–1 А/Па, n = 1 – 1,4.
Ток разряда магнитного преобразователя также можно выразить как:
|
(2.3) |
где Kи – чувствительность преобразователя(паспортная характеристика);
p – давление.
Верхний предел измерений 10 – 1000 Па ограничивается значением балластного сопротивления преобразователя, предотвращающего дуговой разряд. Нижняя граница измерений доходит до 10–11 Па [3].
Представителем инверсно-магнетронных типов преобразователей является преобразователь ПММ-32-1, схема и конструкция которого представлены на рис. 2.4.
Рисунок 2.4. Преобразователь ПММ-32-1.
Широкодиапазонные вакуумные датчики Smartline фирмы Thyracont (датчик на основе преобразователя сопротивления и инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом) измеряют абсолютное давление от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума (рис. 2.5). Они имеют интеллектуальное управление, переключение датчиков осуществляется с помощью встроенного высокопроизводительного микроконтроллера. Датчик имеет дискретный интерфейс RS485 и вспомогательный аналоговый выход 0 – 10 В. Цифровой выходной сигнал может передаваться на компьютер через порт USB. Величина вакуума отображается с помощью большого жидкокристаллического дисплея с фоновой подсветкой.
Преимуществом магнитных преобразователей перед электронными является более высокая надежность, т. к. нет накаливаемого катода. Недостатком являются нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода при загрязнении катодов. Это особенно актуально в системах с масляной откачкой, когда пары масла при разрядке разлагаются на углеводороды и загрязняют твердыми продуктами распада электроды преобразователя. Во избежание этого явления необходимо применять самоочищающиеся магнитные преобразователи, работающие на переменном токе. В таких преобразователях анод с катодом преиодически меняются местами и поверхности электродов очищаются ионной бомбардировкой.
Рисунок 2.5. Широкодиапазонный вакуумный датчик фирмы Thyracont.