Измерение вакуума (часть 3). Термоэмиссионные манометрические датчики, какие они все разные
Предыдущую статью я закончил описанием классического ионизационного манометрического датчика (типа ПМИ-2 по советской классификации) с описанием его недостатков. Впрочем, все эти недостатки были связаны с уровнем развития радиоэлектроники в первой половине 20-го столетия, когда данная классика изобреталась. Самое главное, что низкая чувствительность измерителей электрического тока тех лет требовала для достижения нижнего предела измерения давления 10–7 Торр делать коллектор ионов как можно более большой площади, что бы собрать ионов как можно больше (хотя бы достичь электротока в 0,1 мкА). Это неизбежно привело к отклонению измерительной характеристики от линейной при давлениях выше 10–3 Торр и практической невозможности в этом диапазоне применения для вычисления давления его стандартной пропорциональной связи с ионным током. Впрочем, уже примерно с 10–2 Торр сам вольфрамовый катод не позволяет сколько-нибудь длительное время работать при температуре, достаточной для электронной эмиссии в вакуум, окисляется и сгорает.
Но вот, наступила вторая половина 20-го столетия и чувствительность электронных усилителей и измерителей тока на их основе существенно выросла, и измерение электрического тока в 0,001 мкА и меньше уже не стало составлять непреодолимую проблему. Поэтому, стали появляться всё больше конструкций вакуумметров, где уменьшением площади поверхности коллектора ионов, изменением формы анода или коллектора, изменением взаимного расположения катода, коллектора ионов и анода в колбе достигался тот или иной диапазон измерений ионизационного датчика.
Давайте, умозрительно вернёмся на 70 лет назад и попробуем изобрести какую-то другую отличную от ПМИ-2 манометрическую лампу, используя все достижения тамошней техники. Например, у нас есть измеритель тока от 0,1 нА и выше, и мы хотим сделать датчик с нижним диапазоном измеряемого давления, как у ПМИ-2 (10–7 Торр), но на 2 порядка более широким диапазоном измерений в сторону больших давлений (допустим 10–1 Торр против 10–3 Торр у ПМИ-2). Желательно, что бы датчик был ещё сделан в рамках более современного конструктива, где вместо гребешковой ножки будет плоская ножка, как у пальчиковых радиоламп. Нет ничего проще! Приходим на завод по выпуску пальчиковых радиоламп, коих в ту пору был не один и не два, и выбираем там широко применяемые стеклянные цилиндры, например, 35 мм в диаметре. Далее, выбираем ножку от какой-то широко применяемой радиолампы. Например, от мощного пентода, что массово использовались в строчной развёртке тогдашних телевизоров и производились миллионами штук. Кстати, наша фирма изготавливает такие ножки до сих пор сейчас (не удержался, похвастался). Какие сконструировать электроды? Самые простые, ведь коэффициент преобразования нам не важен (по определению задачи). Поэтому, мы просто берём две согнутых проволочных скобы «П»-образной формы. Одну скобу навариваем на плоскую ножку. Это будет у нас анод. Другую скобу привариваем к вваренному в стекло цилиндра выводу коллектора ионов. У нас почти всё готово для окончательной сборки лампы, кроме катода. Если мы просто поместим в лампу катод из вольфрамовой нити, то давление воздуха выше 10–2 Торр лампа не выдержит, так как такой катод сгорит. Но, к счастью, мы с вами не в 2022 году в России, а, допустим, в 1960-м году в СССР. Поэтому у нас нет никаких проблем применить для изготовления катода вместо вольфрамовой проволоки проволоку из иридия, который при температуре плавления более 2700 градусов Цельсия намного более стойкий, чем вольфрам, к окислению кислородом, так как является благородным металлом платиновой группы. Кстати, в сегодняшней России за изготовление такого катода положена пятёрочка лет колонии общего режима (и это при свободной, вроде бы как рыночной, торговле слитками драгоценных металлов! Господин Мишустин, алло, алло! Это с вами говорят из гаража, где собираются сделать «русский Интел»!), но в СССР вам, как инженеру-изобретателю, эту иридиевую проволоку даст государство. Поэтому, мы в нашем умозрительном прошлом смело привариваем к ножке иридиевый катод. При помощи газовых горелок соединяем ножку с колбой так, что бы скоба анода и скоба коллектора ионов оказались перпендикулярны. И, ву-а-ля, у нас получился … датчик ПМИ-51 с диапазоном измеряемых давлений 10–7 — 10–1 Торр, с чувствительностью примерно в 50 раз более низкой, чем у ПМИ-2.
ПМИ-51. Внешний вид.
Ладно, чёрт с ним, с иридием! Без иридия мы можем двинутся в область сверхвысокого вакуума и изобрести датчик, у которого коллектор ионов будет представлять из себя тонкую проволочку в центре для минимизации попадания на коллектор фотонов сверхмягкого рентгеновского излучения и снижения паразитного фотоэлектронного тока, вызываемого такими фотонами. Что бы почти не потерять чувствительности датчика относительно классики ПМИ-2, вокруг коллектора мы расположим сетку анода (так образованным ионам будет некуда деваться, кроме, как на тонкий коллектор, а катод пусть будет снаружи. Впрочем, такой датчик уже изобрели американские физики-инженеры Роберт Байярд и Д. Альперт в 1950-м году. Конструкция получилась столь удачной, что датчик до сих пор называется по фамилиям его изобретателей. Фактически, для темы измерения сверхвысокого вакуума это «автомат Калашникова», стандарт, с которым сравнивают все позднее изобретённые конструкции ионизационных преобразователей с горячим катодом.
датчик Байярда-Альперта открытой фланцевой конструкции.
Специально привёл фото датчика Байярда-Альперта на фланце, а не в колбе. Такой вид конструкции удобно использовать для измерения вакуума в вакуумных сосудах (колпаках) большого объёма. Отсутствие колбы делает такие измерения более точными.
Данная конструкция позволяет при том же верхнем пределе измеряемого давления, как у ПМИ-2, получить нижнюю границу диапазона измерений порядка 10–10 Торр или даже 10–11 Торр (в случае очень тонкого коллектора ионов).
Сейчас расскажу про свой личный опыт с датчиками, подобными описанным. ПМИ-51 мы эксплуатировали в натуральном виде, так и делали (и делаем) конструкции, близкие к подобному датчику (только с обычным вольфрамовым катодом) для замены ПМИ-2.
Что касается датчика типа Байярд-Альперт, то оригинальный датчик, который был у меня в эксплуатации — это советский ПМИ-27 открытой фланцевой конструкции. Им я измерял давления в районе 10–9 Торр при помощи собственного вакуумметра (изготовитель этого датчика обещает нижний предел измеряемых давлений на уровне 1,5×10–10 Торр). Так же, мы изготавливали подобные датчики в стеклянном баллоне и проводили измерение вакуума в отпаянном макете, где газ откачивался при помощи небольшого электро-разрядного геттерного насоса.
Вот такой датчик типа Байярд-Альперт мы освоили на своём производстве. Честно, говоря, подсмотрели у немцев конструкцию и поменяли только ножку и принцип изоляции вывода коллектора ионов. Там два прямонакальных катода. Чувствительность примерно в 5 раз ниже, чем у ПМИ-2, а нижняя граница измеряемого давления составляет 10–9 Торр.
По самым классическим конструкциям ионизационных вакуумметрических датчиков я, полагаю, всю основную информацию изложил. В следующей статье я постараюсь подготовить материал по редкому, но очень интересному ионизационному датчику сверхвысокого вакуума, называемому «Орбитрон».
