Измерение вакуума и история одного изобретения (часть 2). Термоэмиссионные манометрические датчики
Спасибо всем, кто комментирует предыдущую статью (за исключением хамов). В том числе, спасибо и тем, кто вступает в дискуссию по поводу изложенного, поскольку это позволяет автору правильнее выбирать наиболее интересную публике информацию.
Перед тем, как перейти непосредственно к описанию термоэмиссионных манометрических датчиков, хочу коснуться на мой взгляд достаточно важной темы, которую надо учитывать всем, кто так или иначе касается вакуумметрических измерений в области высокого или сверхвысокого вакуума. Коротко эту тематику можно сформулировать так: ПРАКТИЧЕСКИ ВСЕ ДАТЧИКИ ВЫСОКОГО И СВЕХВЫСОКОГО ВАКУУМА ИСКАЖАЮТ (ИЗМЕНЯЮТ) ВЕЛИЧИНУ ИЗМЕРЯЕМОГО ДАВЛЕНИЯ. Причём, эти влияния на величину давления в системе у разных датчиков различны и изменяются динамически, в том числе даже до направления такого влияния. Чем меньше величина измеряемого давления, тем больше будет влияние самого манометрического датчика на результаты измерений и само измеряемое давление газа в вакуумной системе. Такое влияние, безусловно, зависит и от самой конструкции вакуумной системы (скорость откачки, проводимость вакуумопроводов, особенности вакуумного датчика, предыдущая динамика изменения давления и газового состава измеряемого вакуума). И я говорю не про изменения показаний или давления в единицы %, а про то, что в определённых случаях влияние датчика может искажать либо сами показания, либо вообще давление в вакуумной системе в разы или даже больше.
Подобные эффекты, на мой взгляд, не позволяют относится к вакуумным измерениям так, как обыватель относится к измерениям времени или длины в быту. Вакуумные измерения в области высокого и сверхвысокого вакуума обязательно должны рассматриваться, как неотъемлемая часть цепочки высоко-технологических операций, когда даже замена типа датчика (пусть и на более современный) есть повод серьёзно уточнять ранее отлаженную технологию.
Например, упомянутый в предыдущей статье магниторазрядный датчик фактически является магниторазрядным насосом, поэтому он во время своей штатной работы будет постоянно поглощать газ и уменьшать давление в системе. Поведение датчиков с горячим термоэмиссионным катодом более сложное, поскольку там присутствуют, как факторы, приводящие к повышению давления, так и факторы, приводящие к снижению давления. Отсюда возникают различные коллизии как в случае неавтоматизированного измерения вакуума человеком-оператором, так и при автоматизации подобных измерений. В случае человеческого фактора два разных вполне подготовленных специалиста могут получить достаточно сильно, бывает концептуально сильно, отличные друг от друга результаты измерений на одной и той же технологической установке. В случае автоматизации процесса вакуумметрирования, неудачный выбор момента измерения в общей циклограмме может привести к ситуации, когда «до всей вашей автоматизации с дядей Ваней всё работало намного лучше».
Но, всё же, перейдём к термоэмиссионным датчикам высокого и сверхвысокго вакуума. Все они строятся по единому фундаментальному принципу и содержат следующие элементы конструкции:
Функциональная схема ионизационного вакуумного датчика
1) Катод — источник электронов в вакуум. Применительно к термоэмиссионным датчикам катод работает на принципе излучения электронов из твёрдого тела в вакуум (электронной эмиссии) под действием тепловой энергии. Термоэмиссионные катоды (термо-катоды) в технической реализации бывают очень разными. Причём, большинство темо-катодов в электровакуумных приборах (ЭВП) как правило делаются с использованием щелочных металлов или их добавок, что бы достичь максимальной электронной эмиссии при минимальной температуре катода (700 — 800 градусов Цельсия) за счёт работы выхода 2,5–3 эВ у таких веществ. Однако, применительно к вакуумметрическим датчикам, которые должны (по своим задачам) сохранять свои параметры в среде атмосферного воздуха, использование очень химически активных щелочных металлов не возможно. Поэтому, в качестве материала для термо-катодов вакуумметрических датчиков используется вольфрам (иногда с присадками более активных металлов), позволяющий достаточно длительную эксплуатацию при температурах (за 2500 градусов Цельсия), которые вызывают у него термо-эмиссию, несмотря на высокую работу выхода этого металла в 4,5 эВ. Типичные значения электронного тока с вольфрамового катода для большинства современных термоэмиссионных датчиков составляют десятки или сотни мкА (в более давние времена для термоэмиссионных датчиков встречались режимы работы катода с током до 5 мА и более, что было вызвано, малой чувствительностью усилительных схем и высоким уровнем электрических помех). Понятно, что для большей электронной эмиссии катод надо сильнее нагревать, что не способствует его долголетию.
Если кому-то интересно узнать более подробно про термо-эмиссию, то рекомендую следующие первоисточники знаний: Н.А. Капцов «Электрические явления в газах и вакууме», 1950 г. , Г. Герман и С. Вагенер «Оксидный катод», 1949 г. (первая книжка есть у меня, а вторую вот в своё время приобрёл на развале ещё будучи студентом, но утратил, дав кому-то в 90-е почитать.
2) Анод — приёмник электронов, а так же формирователь ускоряющего электроны до энергии, при которой возможна ионизация газа, электрического поля. У различных типов термоэмиссионных вакуумметрических датчиков конструкция анода бывает различной. Едино лишь то, что в цепи анода протекает электрический ток, равный величине электронного тока из катода в вакуум + добавка тока от электронов, образованных в результате ионизации газа. Так же, всегда присутствует явление генерации на поверхности анода фотонов жесткого УФ-излучения (или сверхмягкого рентгена), в диапазоне длин волн обычно от 5 нм и более. Для интересующихся темой современных полупроводниковых литографов, замечу, что это как раз диапазон излучений того же порядка, что и используется для производства кристаллов микро-процессоров. Применительно к высоковакуумным и, особенно, сверхвысоковакуумным ионизационным датчикам подобное излучение является вредным, поскольку создаёт фотоэлектронный ток с коллектора ионов, искажающий результаты измерения ионного тока и ограничивает нижний предел измерения давления датчиком.
3) Коллектор ионов — электрод, принимающий (улавливающий) ионы, созданные потоком эмитированных катодом и ускоренных электрическим полем анода электронов. В конструкции коллектора ионов есть противоречие. С одной стороны, для обеспечения лучшего улавливания ионов надо сделать площадь коллектора ионов как можно более большой. С другой стороны, для уменьшения улавливания коллектором ионов паразитных фотонов сверхмягкого рентгена, излучаемых анодом, площадь коллектора надо уменьшать, что приведёт к неизбежному снижению % улавливаемых коллектором ионов и, следовательно, к снижению чувствительности датчика с таким коллектором ионов, относительно датчика с коллектором ионов большой площади.
Так же, очень важно сказать об уровнях электрических потенциалов в межэлектродных промежутках ионизационного датчика, и напряжении на электродах, необходимых для наилучшей работы устройства. Потенциалы электродов выбираются исходя из их функционального назначения. Так электродом с наиболее отрицательным потенциалом в датчике должен быть коллектор ионов. Это обеспечит, что ни один электрон не сможет достичь его и исказить величину электрического тока, создаваемую собираемыми ионами. Обычно, потенциал коллектора ионов выбирают на несколько десятков вольт ниже, чем потенциал катода. Поскольку величина тока в цепи коллектора ионов очень мала, то мощность, требуемая от источника смещения коллектора ионов оказывается так же малой. Тут может даже сгодиться батарея химических элементов, которая прослужит не один год. Главное, что бы такой источник имел очень хорошую изоляцию для минимизации утечек. Самым положительным потенциалом в системе должен обладать анод. Уровень этого потенциала выбирается исходя из того, что бы энергия электронов на как можно более длинном участке их траектории была близкой к оптимальной для ионизации газа величине.
Характерная кривая изменения относительной ионизации газа от энергии ионизирующих электронов
Приведённая характерная кривая изменения относительной ионизации газа от энергии электронов показывает, что оптимальный потенциал анода следует выбирать в пределах 100–250 Вольт (учитывая конструкцию анода), но при этом помнить, что увеличение напряжения на аноде ведёт так же и к резкому росту уровня сверхмягкого рентгеновского излучения, о вредном действии которого выше уже упоминалось.
Необходимо дать представление читателям, про какие уровни электрического тока, регистрируемые в цепи коллектора ионов, идёт речь. Для этого возьмём классический ионизационный манометрический датчик ПМИ-2, являющийся советским стандартом классики в ряду таких датчиков. Его нижний предел измеряемого давления как раз ограничивается рентгеном с анода и составляет величину 10–7 Торр (фактически, начало диапазона сверхвысокого вакуума). При таком давлении и даже при токе катода в 5 мА ток коллектора ионов будет иметь величину порядка 100 нА. Большинство других ионизационных датчиков являются менее чувствительными, но могут иметь более низкий предел измеряемых давлений. Но даже с чувствительностью ПМИ-2 для умозрительного измерения ионного тока при давлении, допустим, 10–12 Торр потребуется усилитель, работающий в диапазоне 1 пА (пикоампер!) , т.е. имеющий собственные утечки, дрейф и помехо-восприимчивость не более 0,1 пА. И это, по ряду причин, далеко не нижний предел токов, которые требуется измерять при вакуумметрировании в области сверхвысокого вакуума.
Очевидно, что по мере того, как исторически повышались схемотехнические параметры чувствительности усилителей, возникали новые конструкции ионизационных датчиков. Пора уже рассмотреть некоторые из них.
Начнём с уже упомянутого классического ионизационного датчика с термокатодом, который в отечественной технике известен, как ПМИ-2.
Классический манометрический ионизационный датчик типа ПМИ-2
Конструктивно такой датчик состоит из вольфрамовой нити катода прямого накала, нагреваемой пропусканием электрического тока, расположенной вокруг нити катода сетки-анода, в виде редкой пружинно-подобной конструкции и заключающего все электроды в себя цилиндрического коллектора ионов. Электроны двигаются от катода в сторону анода, но, как правило, промахиваются и попадают в промежутки между сеткой, попадая в зону между анодом и коллектором ионов, которая является рабочей. Каждый образованный в такой зоне ион устремляется электрическим полем в сторону коллектора и создаёт в его цепи электрический (ионный) ток, пропорциональный давлению газа в датчике. Электроны долетают до точки, где их энергия и скорость становятся равными нулю, разворачиваются и устремляются снова к сетке-аноду, но снова пролетают её плоскость и летят к катоду, где снова разворачиваются… Таким образом, каждый эмитированный катодом электрон успевает сделать несколько колебаний, пока не попадёт на сетку-анод, что удлиняет средний путь электрона в лампе, повышает вероятность ионизации газа и чувствительность датчика.
Характер радиального распределения потенциала в классической манометрической лампе.
Представленный график схематично показывает осевое распределение потенциалов в классической манометрической лампе. Для электронов прозрачная сетка-анод реализует потенциальную яму, где они болтаются между нулевыми потенциальными уровнями туда-сюда до попадания на сетку. Ионы образуются и в промежутке (1) и в промежутке (2), но только ионы из промежутка (2) могут достичь коллектора ионов и создать полезный измерительный сигнал.
Данной классической лампой обычно (стандартно) пользуются следующим образом: вакуумметр имеет автоматически регулируемый источник питания накала катода лампы (6 — 12 Вольт), который получает обратную связь от измерителя-стабилизатора анодного тока. Если анодный ток меньше заданного, то обратная связь командует повысить напряжение накала, и наоборот. Катодная нить очень тонкая и малоинерционная, поэтому такой режим легко удаётся организовать. При стабилизации анодного тока ток коллектора ионов оказывается пропорционально связанным с давлением газа в лампе в диапазоне 10–3 — 10–7 Торр. Нуууу… , не совсем пропорционально…
Про проблему фотоэлектронной эмиссии с коллектора ионов, ограничивающей нижний предел диапазона измерений классического ионизационного датчика (в данном случае на уровне 10–7 Торр), я уже упоминал. Но есть ведь ещё фактор, который ограничивает верхний предел этого диапазона! Кстати, прошу в комментарии написать, кто когда-либо задумывался о причинах того, что верхний предел диапазона измерения ПМИ-2 составляет 10–3 Торр?
С одной стороны, классическая лампа, как и классический автомобиль типа ВАЗ-2101, как лампочка накаливания Эдисона, является определённым стандартом технической гармонии. С другой стороны, у такой конструкции есть куча недостатков и ограничений.
Итак, для того, что бы разобраться в причинах ограничения верхнего предела измеряемого давления датчиком типа ПМИ-2 надо учесть все текущие в электродах данной конструкции токи (т.е. совсем все, а не только те, которые полезны). Выше я уже давал оценку полезного ионного тока, попадающего на коллектор ионов ПМИ-2 при давлении 10–7 Торр и электронном токе катода 5000 мкА. Его величина составляет порядка 0,1 мка. С полезным ионным током всё более или менее пропорционально, поэтому при давлении 10–3 Торр величина этого тока будет на 4 порядка выше, т.е. 1000 мкА. Вау, да это уже 20% от величины тока, стабилизируемого стабилизатором в цепи анода лампы! А на каждый полученный положительный ион в промежутке (2) образуется ещё один неучтённый электрон, который обязательно достигнет сетки-анода. Но это ещё часть «беды», ведь неучтённые электроны образуются в паре с ионами так же и в бесполезном для ионизации промежутке (1), который несколько короче, промежутка (2), но процесс идёт и там. Допустим, что там образуется на каждые два полезных иона из промежутка (2) ещё один бесполезный (не порождающий тока в цепи коллектора ионов) ион, попадающий на катод, и один дополнительный электрон, попадающий на анод-сетку. В этом случае, приращение тока анода будет уже не 20%, а все 30%. Что сделает система стабилизации тока анода? Правильно, автоматика прибора отработает и снизит температуру катода так, что бы суммарный ток был установленные 5000 мкА. Это приведёт к падению полезного ионного тока (сигнала от датчика) на 25–30% т.е. наш классический датчик покажет вместо 10–3 Торр давление 7×10–4 Торр. Т.е. реальная градуировочная кривая датчика отклониться от пропорциональной линейной зависимости и процесс этот будет всё более нарастать при дальнейшем увеличении давления газа, которое вы будете пытаться при помощи такого датчика измерять. Кстати, «на пальцах» рассчитанная погрешность ПМИ-2 в 30% примерно совпадает с порядком погрешности этого датчика, официально указанной в его технических характеристиках. Совпадение? Не думаю.
А мы сейчас припаяем к стандартному вакуумметру «святой микроконтроллер» и всё, только что изложенное и даже больше, учтём! — могут сказать мне некоторые читатели.
Учесть, конечно, можно, но в таком режиме датчик не долго сможет проработать, так как его нагретый до яркого свечения катод в диапазоне давлений выше 10–3 Торр интенсивно подвергается окислению и износу, поэтому в рамках обычной непрерывной эксплуатации мало кому нужно измерять при помощи ПМИ-2 давление выше, чем 10–3 Торр. А для тех, кому это надо, разработаны специальные ионизационные манометрические датчики с пониженной чувствительностью, имеющие описанный процесс добавления паразитного ионизационного тока к электронному при более высоких на порядок давлениях, например, ПМИ-51, о котором я упомяну в следующей статье-продолжении.
