Измерение вакуума ( часть 7 ). Когда не хватает электродов, поможет пространственный или иной заряд
Как уже упоминалось, лаборатория, где я в студенческие годы работал, занималась измерением вакуума в отпаянных электровакуумных приборах. Принцип измерения там, вроде бы, всегда одинаков. Включаем электродную систему прибора, как ионизационный манометр, пропускаем с катода на анод электронный ток и регистрируем на третьем электроде ионный ток. Всё просто, но только когда, когда в контролируемом приборе, где мы ходим оценить давление остаточного газа, есть третий электрод. А если электродов всего два? Если прибор, в колбе которого надо померить вакуум, является диодом?
Например, если вы хотите измерить давление в рентгеновской трубке.
Самое простое, если конструкция рентгеновской трубки у нас из первой половины 20-го века, когда промежуток между катодом и анодом открыт и находится рядом со стеклянным баллоном.
Рис. 7.1 Рентгеновская трубка с «открытым» промежутком между катодом и анодом.
В этом случае делу может помочь накладной внешний электрод, на который будет подаваться импульс положительного напряжения, с целью зарядить внутреннюю поверхность стекла колбы прибора отрицательным потенциалом при помощи направившихся к стеклу колбы электронов, что повлияет на распределение потенциалов между катодом и анодом трубки, снизив электронный ток, вытягиваемый с области катода.
Подавая подобные импульсы периодически, можно получить синхронные с ними пилообразные изменения анодного тока лампы, амплитуда которых (скорость роста тока в «пиле») будет зависеть от давления остаточного газа (рис. 7.2)
Рис. 7.2 Схема способа измерения давления остаточного газа в диодной системе при помощи заряда диэлектрической колбы контролируемой лампы.
Следующий способ измерения вакуума в диоде подходит только для приборов с прямонакальным и протяжённым катодом. Кстати, помнится, после армии на 2-м курсе Рязанского радио-института я как раз смастерил для этого способа импульсный блок питания.
Способ этот заключается в том, что вместо непрерывного и небольшого напряжения питания нити прямонакального катода (обычно это величины порядка 3 В, 6,3В , 12В) на нить подаётся импульсное напряжение, величиной, которая достаточна для придания электронам энергии ионизации остаточного газа (50–70 Вольт). Скважность и длительность таких импульсов выбирается, исходя из условия нагрева катода до рабочей температуры.
На анод контролируемой лампы при этом подаётся отрицательное, относительно катода напряжение для сбора образованных ионов (измерения ионного тока).
В результате применения подобного режима электроны с части нити катода, находящейся под более отрицательным потенциалом, полетят на более положительную часть катода. Энергии части электронов будет достаточно для ионизации газа, а пропорциональный давлению этого газа ионный ток будет регистрироваться в аноде лампы, использующимся, как коллектор ионов (Рис. 7.3)
Рис. 7.3. Способ измерения вакуума в диодной системе при помощи импульсного питания прямонакального катода.
На десерт расскажу про самый интересный, на мой взгляд, способ измерения вакуума в диодных конструкциях, основанный на регистрации явления компенсации пространственного заряда электронов пространственным зарядом ионов. Кстати, это явление, по моему мнению, как раз ответственно за то, почему всяческие тетроды и пентоды не используются в ламповых звуковых усилителях.
Итак, рассмотрим самый классический диод, состоящий из катода и анода (Рис. 7.4), причём условимся, что мы имеем дело с бесконечной плоской системой (для простоты рассуждений).
Рис. 7.4 Распределение потенциалов между катодом и анодом в диоде при положительном напряжении на аноде (красная линия), при отрицательном напряжении на аноде (синяя линия), среднее арифметическое значение (зелёная линия).
Сразу договоримся, что рассматриваем диод, в котором катод так или иначе излучает электроны в вакуум (допустим, это — термокатод или фотокатод). В таком случае при отрицательном напряжении на аноде никакого тока через диод не будет, а распределение потенциала между катодом и анодом будет линейно (синяя кривая). Теперь поменяем полярность напряжения на диоде, подав положительное напряжение на анод. Распределение потенциалов между электродами поменяется, но не зеркально к предыдущему варианту (красная кривая). Дело в том, что »+» на аноде начинает тянуть к себе электроны с катода, которые, имеют отрицательный заряд и снижают потенциал пространства между катодом и анодом. Наиболее сильно электроны это делают около катода, поскольку там их скорость низка, а т.н. пространственный заряд наиболее высок.
Причём, подобное влияние пространственного заряда электронов приводит к тому, что до анода доходят не все электроны, испущенные катодом, а лишь часть, определяемая соотношением потенциала анода к пространственному заряду электронов (кому интересно более подробно, то можете погуглить «закон Чайльда — Ленгмюра», именуемый в просторечье «законом степени 3/2», поскольку в идеальном вакуумном диоде ток анода пропорционален напряжению на аноде в степени 3/2).
Но все соображения из учебников для школяров-студентов справедливы для идеального «сферического диода в вакууме», а в реальности, как я ранее упоминал в своих статьях, в вакуумных приборах внутри всё же находится пусть разряжённый, но газ, который электроны, при прохождении промежутка «катод-анод», ионизируют. Если на анод диода просто подано постоянное положительное напряжение, то влияние образованных ионов (при уровнях давления остаточных газов менее 10–4 Торр) минимально и им всегда пренебрегают. Но, если на анод диода подать меандр или просто синусоидальное напряжение переменной полярности, чтобы одинаковые промежутки времени на аноде был и »+» и »-», то в среднем распределение потенциала окажется примерно таким, как иллюстрировано зелёной кривой.
Теперь представьте, что частота поданного на анод диода напряжения настолько велика, что образованные в промежутке «катод-анод» ионы не успевают сколько-нибудь заметно сдвинуться с места за один полупериод (при этом электроны, масса которых в тысячи раз меньше массы ионов успевают преодолеть промежуток от катода к аноду). Получится, что половину периода переменного напряжения ион будет тащить к аноду, а вторую половину к катоду. В среднем на ион будет действовать потенциальное поле как раз описанное зелёной кривой. Т.е. в таком случае ион окажется в своеобразной потенциальной яме динамического типа, т.е. возникнут условия для накопления ионов между катодом и анодом диода (На рис. 7.5 я попробовал изобразить различие в поведении ионов при постоянном напряжении на аноде диода и в случае питания анода диода переменным напряжением достаточной для проявления инерционности движения иона частоты).
Рис. 7.5 Поведение ионов в случае питания диода постоянным и переменным напряжением.
Что будет происходить в случае накопления ионов между катодом и анодом? Ионы начнут компенсировать своим пространственным зарядом пространственный заряд движущихся от катода к аноду электронов, причём эта компенсация будет очень значительной, поскольку масса ионов в тысячи раз больше массы электронов, соответственно, скорости ионов существенно меньше скорости электронов. Фактически, каждый дополнительный задержанный в динамической потенциальной яме ион будет вызывать приращение электрического тока между катодом и анодом на тысячи электронов в секунду (нарушение упомянутого «закона 3/2»). Т.е. мы будем иметь ещё и эффект усиления полезного сигнала, в отличие от просто измерения электрического тока ионов в обычном манометрическом датчике.
Поставив в аноде диода схему измерения постоянной составляющей анодного тока, мы увидим, что после очищения динамической ямы от ионов (что можно сделать при помощи подачи кратковременного импульса на анод) эта «постоянная» составляющая будет пилообразно расти, причём скорость роста окажется пропорциональной давлению в диоде, т.е. будет зарегистрирован такой же сигнал, как показан на рис. 7.2 для другого способа.
Частота анодного напряжения, при которой начнёт наблюдаться описанный выше процесс, зависит прежде всего от геометрических размеров реального вакуумного диода. Для десятков миллиметров расстояния между катодом и анодом она окажется равной единицам МГц, для долей миллиметра необходимая для образования потенциальной ямы частота будет уже порядка сотни МГц.
Следует отметить, что эффекты накопления ионов в яме пространственного электронного заряда могут проявляться и без высокочастотного напряжения в вакуумных приборах с несколькими сетками при определённых потенциалах на электродах. На подобных эффектах можно построить не только измерители вакуума, но и другие любопытные приборы. И наоборот, в ряде вакуумных приборах, использующих электронный пространственный заряд, необходимо учитывать накопление ионов в таком заряде, как вредное для работы.
В завершении хочу выразить благодарность Коротченко Владимиру Александровичу и Базылеву Виктору Кузьмичу, стоящих у истоков упоминаемых в тексте методов и изобретений. Кроме этого спасибо тем, кто дочитал до конца текст и не поленится написать актуальные комментарии.
