Магнитные газоразрядные вакуумметры

Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитом и электрическом полях от давления:

Рис. 3.8. Электронные системы магнитных преобразователей:

а) ячейка Пеннинга; б) магнетронная; в) инверсно-магнетронная;

1 — катоды; 2 — аноды

Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Ячейка Пеннинга (рис. 3.9) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (рис. 3.9б) в отличие от ячейки Пеннингв катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 3.9в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.

Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подаётся положительное относительно катода напряжение 2–6 кВ, катод заземлён и соединяется со входом усилителя постоянного тока. Сильное магнитное поле служит для увеличения длины пути электронов и поддержания тем самым разряда и увеличения степени ионизации газа. Сила тока разряда в таких приборах является мерой давления в системе.

В последнее время инверсно-магнетронные вакуумметры приобретают всё большее распространение. В качестве примера приведём конструкцию инверсно-магнетронного преобразователя ПММ-32-1 (рис. 3.10)

Электронная система преобразователя на фланце соединения с металлическим уплотнителем с условным проходом 50 мм. Катод 1 представляет собой цилиндр с закрытыми торцами. Стержневой анод 2 проходит по оси катода через отверстия в его торцевых поверхностях. Вся электродная система в корпусе прибора помещается в осевое магнитное поле. На анод подаётся высокое напряжение. В цепь катода включается вход усилителя постоянного тока.

Рис. 3.10. Инверсно-магнетронный манометрический преобразователь ПММ-32-1:

а) конструкция преобразователя:

1 – катод; 2 – анод; 3 – присоединительный фланец;

б) траектория электронов

Под действием скрещивающихся электрического и магнитного полей свободные электроны, образовавшиеся в разрядном промежутке, движутся по замкнутым гипоциклоидам. При столкновении с молекулой газа электрон теряет часть энергии, и его траектория смещается ближе к аноду, как это показано на рис. 3.10б. Электроны попадают на анод, произведя по меньшей мере один акт ионизации газа. В таких манометрических преобразователях разряд поддерживается при давлениях до 10^–12 – 10^–11 Па (10^–14 – 10^–13 торр). Образовавшиеся в результате ионизации газа положительные ионы в силу своей большой массы практически прямолинейно движутся к катоду, являющемуся одновременно коллектором ионов. По величине ионного тока судят о концентрации молекул газа в разрядном промежутке преобразователя, т.е. о давлении газа в системе. Фоновые токи, токи автоэлектронной эмиссии в измерительной цепи катода не регистрируются, поскольку они замыкаются в цепи экран-анод.

Быстрота откачки колеблется для различных преобразователей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10^–2 до 1л/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 а работе в связи с заменой накального 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 плёнки, покрывающие поверхности электродов, могут в несколько раз уменьшать чувствительность преобразователя.

Обезгаживание магниторазрядных преобразователей, так же, как и электронных, следует производить при высоком вакууме и только в том случае, если необходимо измерить давление в области высокого и сверхвысокого вакуума. Некоторое время после обезгаживания преобразователь обладает сильным откачивающим действием. Ошибка, вызванная откачивающим действием, для открытых преобразователей может достигать несколько процентов, для преобразователей закрытого типа – 20% и более. Ошибка измерения, вызванная газовыделением имеет противоположный знак и по величине обычно намного превосходит ошибку, вызванную откачивающим действием прибора.

Показания вакуумметра также зависят от состояния преобразователя и напряжённости магнитного поля. Поэтому во избежание изменения напряженности магнитного поля к преобразователям нельзя подносить ферромагнитные тела на расстояние менее 100 мм. В процессе эксплуатации необходимо периодически контролировать сопротивление утечки изоляторов, обусловливающие дополнительный фоновый ток, а также полезно контролировать напряжённость магнитного поля.

Глава 4

Г л а в а 4

ТЕЧЕИСКАНИЕ

В вакуумной технике под течеисканием понимается совокуп­ность средств, методов и способов обнаружения течей и установле­ния степени герметичности вакуумных систем.

Место нарушения целостности оболочки называют течью. Это обычно микропоры в самом материале оболочки и в сварных швах, риски на рабочей поверхности фланцев и металлических уплотнителей, образующие сквозной канал с выходом на обе стороны оболочки. Величина течи, так же, как и степень герметичности, характеризуется потоком воздуха, перетекающего через течь в единицу времени при нормальных условиях.

В вакуумной технике количество газа, натекающего в систему, часто характеризуют произведением объема проникшего газа V на его давление Р. Количество газа, проникшего в систему, деленное на время натекания, определяет поток газа.

В системе СИ основными единицами объема, давления и времени являются метр кубический (м³), паскаль, равный ньютону, деленному на метр квадратный (Па = Н/м²) и секунда (с). Отсюда поток будет выражаться:

.

До настоящего времени в вакуумной технике, в частности, в течеискании, еще широко применяется в качестве единицы измерения потока газа литр на микрон ртутного столба в секунду (л×мкм рт. ст/с), равный 1,33×10⁴ Вт.

Требования к степени герметичности вакуумной системы определяются величиной максимально допустимого натекания в систему При контроле герметичности изделия следует различать две основные технологические операции:

1) контроль герметичности — технологическая операция, служащая для установления степени герметичности изделия;

2) поиск течи — операция, заключающаяся в обнаружении и установлении мест расположения единичных течей.

Для установления степени герметичности системы с одной стороны оболочки подают пробное вещество — газ или жидкость, легко выделяемые (идентифицируемые) в окружающей среде или в составе остаточного газа. С другой стороны, оболочки фиксируют появление и количественное изменение содержания пробного вещества.

По способу создания потока и идентификации пробного вещества различают следующие методы контроля герметичности: метод опрессовки, люминесцентный метод, метод искрового разряда, манометрический метод, галогенный метод, масс-спектрометрический метод и некоторые другие. В вакуумной технике наибольшее распространение получили масс-спектрометрический и манометрический методы в различных модификациях.

Манометрический метод

Для поиска течей могут быть использованы любые манометрические преобразователи, показания которых зависят от рода газа, например, электронные ионизационные и теплоэлектрические. Поиск течей сводится к следующему. После установления давления в вакуумной системе подозреваемое в натекании место обдувают пробным газом или смачивают жидким пробным веществом. Изменение показаний вакуумметра свидетельствует о наличии течи. Наибольший эффект дает работа с жидкими пробными веществами: ацетоном, спиртом и эфирами. Небольшие количества жидкости, проникшие в вакуумную систему через течь, испаряясь в вакууме, резко увеличивают общее давление в системе.

Поиск течей с помощью жидких пробных веществ наряду с большой эффективностью имеет свои неудобства. Подъем жидкости по капилляру малых течей, меньших 10^–7 Вт (10^–3 л×мкм рт. ст/с), происходит за время от нескольких минут до нескольких часов. Поэтому вакуумметр может среагировать па пробное вещество в тот момент, когда будет обследоваться уже другой участок поверхности. Тем самым возникнет ложное представление о месте расположения течи. Чтобы убедиться в правильности обнаружения места расположения течи, удаляют пробное вещество (если имеется возможность, прогревают контролируемую поверхность, например, легким пламенем горелки) и после установления давления в системе повторяют испытания.

Минимальная величина течей, выявляемых манометрическим методом, зависит от общего давления в системе, которое в данном случае является фоном. По мере обнаружения и устранения течей установившееся давление в системе понижается и соответственно повышается вероятность обнаружения все более малых течей.

Поиск течей целесообразно вести, когда стрелка вакуумметра находится в конце шкалы прибора. Если стрелка вакуумметра находится в начале шкалы, целесообразно несколько снизить быстроту откачки, прикрыв высоковакумный затвор, и переключить вакуумметр на более грубый диапазон. При этом относительная минимальная регистрируемая величина изменения показаний вакуумметра будет увеличена.