Мониторинг и методы измерения параметров окружающей среды

ИОНИЗАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Для измерения давления в диапазоне 10^-1— 10^-8 Па (10^-3— 10^-10 мм ртутного столба), используются ионизационные манометры.

Они основаны на явлении ионизации молекул или атомов, составляющих газ, в результате соударения с электронами или ионами. Число образующихся при этом ионов зависит от природы газа и его давления: ионный ток, собираемый соответствующим электродом, пропорционален давлению. Различают ионизационные манометры трех типов:

а) манометр с холодным катодом, или манометр Пеннинга, в котором ионизация самопроизвольно возникает, поддерживается и прекращается (газовый разряд);

При давлениях, превышающих 5· 10^-1 Па, в газе устанавливается самоподдерживающийся разряд, сопровождающийся характерной люминесценцией. Этот разряд возбуждается несколькими свободными электронами, либо фотоионизацией молекул газа, вызванной проникающим в трубку излучением, либо эмиссией электронов с шероховатой поверхности катода. Электроны, высвобождаемые в результате ионизации при соударениях, а также испускаемые в результате соударений ионов с катодом, поддерживают режим разряда.

При давлении ниже примерно 5· 10^-1 Па самоподдерживающийся разряд прекращается и ионный ток становится очень слабым, поскольку средняя длина свободного пробега электронов в газе становится сравнимой с расстоянием между электродами, которые не создают более достаточного числа пар ион — электрон. Чтобы увеличить длину пробега электронов в газе и, следовательно, коэффициент ионизации S_i, Пеннинг поместил вокруг разрядной трубки постоянный магнит, создающий в направлении, перпендикулярном электродам, магнитную индукцию В порядка 0,1 Тл. При этом электроны приобретают спиральные траектории относительно вектора В, и их пробег значительно увеличивается, вследствие чего разряд поддерживается вплоть до давлений порядка 10^-5Па. Величина предельного давления зависит от многих параметров конструкции датчика.

а — разрядная трубка; б — датчик Пеннинга.

• б) датчик с горячим катодом, в котором ионизация, индуцированная электронами, испускаемыми нитью накала, поддерживается на определенном уровне (различают датчик на основе простого триода и манометр Байярда — Альперта); В зависимости от взаимного расположения электродов различают два типа конструкций:
  • —нормальный триод с анодной металлической цилиндрической сеткой, которая окружает катод, расположенный вдоль ее оси, и коллектор в виде внешней по отношению к катоду и аноду металлической трубки

Рис. 2. Ионизационный вакуумметр с холодным катодом и двумя плазменными источниками. А — анодВ-магнитнаяиндукция: К—катод: D—постоянный магнит; Е — первая плазма; F— вторая плазма; N, S — полюса магнита.

—триод Байярда—Альперта с обратным расположением катода и коллектора по отношению к сетке-аноду; в этой конструкции коллектор представляет собой тонкую металлическую нить, размещенную вдоль оси сетки (рис. 4.12), что позволяет уменьшить некоторые недостатки предыдущего варианта.

Нормальный триод пригоден для измерения давления выше примерно 10Па; прибор Байярда—Альперта позволяет расширить рабочий диапазон измерений в сторону очень низких давлений вплоть до 10^-9 ?10^-8 Па, а для некоторых моделей— даже больше. Оба типа датчиков основаны на одном и том же принципе. На сетку анода подается положительный потенциал +150—+200 В по отношению к коллектору, соединенному с корпусом измерительного прибора, а на катод—также положительный потенциал +30—+50 В по отношению к коллектору. Электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между сеткой и катодом. Часть из них создает ионы в пространстве между сеткой и катодом, что также сопровождается энергетическими потерями, и захватывается сеткой. Другая часть электронов с более высокой энергией проникает в область между сеткой и коллектором через отверстия в сетке и также ионизирует газ, теряя при этом свою энергию.

а — принципиальная схема; б — пример исполнения.

1— коллектор ионов; 2 — анод; 3—нить (катод).

Рис. 4. Вакуумметр Байярда — Альперта .

а — принципиальная схема; б — пример исполнения.

• 1 — полый цилиндр; 2 — сетка (анод); 3 — коллектор ионов; 4 — нить (катод).
• в) датчик с источником радиоактивности, обеспечивающим регулируемую ионизацию.

Радиоактивный источник, испускающий ионизирующие частицы, содержит соли радия или полония с активностью порядка 100 микрокюри. Вещество наносится тонким слоем на металлическую пластинку и покрывается сверху также тонкой металлической пленкой, которая предотвращает потери радиоактивного вещества в результате коррозии и исключает нежелательную диффузию радона, возникающего при радиоактивном распаде, в вакуумированноепространство. Пластинка укрепляется на дне металлической цилиндрической колбы, которая играет роль ионизационной камеры (рис. 4.13).

Коллектор ионов (нитевидный или с ребристой поверхностью) заряжается отрицательно по отношению к камере (порядка 50?100 В) и должен быть очень хорошо изолирован от нее электрически ввиду малости получаемых ионных токов. Интервал измеряемых давлений при линейной характеристике расположен примерно от 10^-2 до 10³ Па. Верхний предел устанавливается повышением рекомбинации ион — электрон, а нижний — остаточньгм током вторичных электронов, высвобождающихся в результате бомбардировки коллектора частицами.

Рис. 5. Принципиальная схема ионизационного датчика с радиоактивным источником. 1 — керамические изоляторы; 2 — анод; 3 — коллектор ионов; 4 — ионизационная камера; 5 — радиоактивный источник.