Теоретические и экспериментальные исследования ионизационных преобразователей давления с целью расширения диапазона измерения и создания нового поколения высоковакуумных и сверхвысоковакуумных ионизационных преобразователей давления общего и специального

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

В ходе проведения работы получены новые теоретические и прикладные результаты.

1. Разработана теория верхнего предела измерения ионизационного преобразователя, основанная на теории ионизационного усиления Таун-сенда, в которой указывается связь м&жду характером зависимости ионного тока от давления, распределением электрического поля в межэлектродном пространстве и способом стабилизации тока эмиссии.

Теория позволяет:

— объяснить преимущество использования для расширения верхнего предела измерения стабилизации тока эмиссии в катодной цепи питания по сравнению со стабилизацией в анодной цепи;

— обосновать возможность управления ходом зависимости ионного тока от давления путем изменения величины тока эмиссии, при этом, исходя из распределения электрического поля в области ионизации, можно прогнозировать характер влияния тока эмиссии на эту зависимость;

— дополнить концепцию построения электродной системы преобразователя для измерения более высоких давлений — с целью снижения влияния фактора ионизационного усиления распределение потенциала в области ионизации должно представлять выпуклую вверх зависимость.

2. Предложено развитие теории методов модуляции ионного тока, включающее:

— классификацию, позволяющую большое разнообразие методов свести в соответствии с характером воздействия на формирование модулированного сигнала ионного тока к двум основным группам: разностный (дискретный) метод и метод амплитудной (амплитудноимпульсной) модуляции;

— общие соотношения разностного метода модуляции для оценки статической погрешности и нижнего предела измерения, а также переходного тока, вызванного переключением режима питания;

— формулировку условий и корректное доказательство возможности реализации метода амплитудной модуляции, при котором устраняется не только рентгеновский фон преобразователя, но и фон, вызванный электронно-стимулированной десорбцией ионов.

3. Проведенные экспериментальные исследования различных конструкций преобразователей Байарда-Альперта и с цилиндрическим внешним коллектором выявили:

— для обоих типов преобразователей существует оптимальное значение тока эмиссии, при котором характеристика преобразования линейна до более высокого давления;

— оптимальное значение тока эмиссии индивидуально для каждой конструкции к определяется ее геометрией и режимом напряжений питания;

— характер влияния величины тока эмиссии на линейность характеристики связан с формой распределения электрического поля в области ионизации и находится в соответствии с предложенной теорией верхнего предела измерения.

Научно-технические результаты работы. а. Впервые создан отечественный безмагнитный ионизационный пре.

— образователь, имеющий нижний предел измерения 2 ДО Па. б. На основании экспериментальных исследований преобразователей Байарда-Альперта и с цилиндрическим внешним коллектором:

— выработан подход к определению режима работы, позволяющий расширить верхний предел измерения;

— определены режимы работы ранее разработанных преобразователей, при которых их верхние пределы измерения превышают номинальные значения;

— найден путь оптимизации конструкции Байарда-Альперта, позволяющий без использования дополнительного электрода расширить диапазон измерения.

Во Обоснована целесообразность определения низких предельных давлений с учетом нормированного значения фонового тока или фонового давления. Из полученной зависимости между нижним пределом измерения, нормированным значением и возможным разбросом фонового тока (фонового давления) следует, что введение одной из указанных нормированных величин позволяет более чем на полпорядка расширить нижний предел измерения. г. Показана возможность использования в ионизационном преобразователе ненакаливаемого катода на основе тонкопленочной системы металл-диэлектрик-металл с диэлектриком из оксинитрида кремния. Предложен оригинальный принцип построения электродной системы, учитывающШ особенности этого катода. д. Получены формулы и универсальные графики для расчета электростатических ловушек типа цилиндрического конденсатора, используемых для защиты электродных систем преобразователей от попадания заряженных частиц тепловых энергий при работе в космическом пространстве. е. Разработаны и изготовлены:

ЮВДЙ-57 (2о 10 — 1.10 Па) — сверхвысоковакуумный преобразователь экстракторной конструкции с использованием подавления тока фотоэлектронной эмиссии с коллектора ионов, ОКР принята Госкомиссией, преобразователь рекомендован к производству;

— 9.

— ДМЙ-55 (7.10 — I Па) — широкодиапазонный преобразователь Бай-арда-Альперта с модулятором (модификация ПШ-39−2), преобразователь включен в Госреестр средств измерения, документация передана на серийный завод-изготовитель;

— 9.

— ЦЦЙ-59 (5оЮ — I Па) — широко диапазонный преобразователь Бай-арда-Альперта без использования модулятора, испытаны опытные образцы;

— 5.

— ПШ-45 (5.10 — I Па) -.преобразователь стержневой конструкции для измерения давления в верхних слоях атмосферы и космосе, выпускается мелкими партиями, используется в геофизических исследованиях, установлен на орбитальной космической станции «Мир» ;

— 8 -г.

— ПМЙ-47 (5.10 — 1.10 Па) — преобразователь Байарда-Альперта для измерения давления в космосе, ОКР принята заказчиком, образцы переданы для проведения экспериментов;

— ц.

— преобразователь с ненакаливаемым ЩМкатодом (1.10 — I Па) оригинальной конструкции, опытная партия прошла технические испытания в ИСЭ СО РАН, используется для контроля давления в камерах ускорителей.

Проведенный анализ физических принципов работы, существующих конструкций и методов измерения, разработанные новые теоретические положения и экспериментальные исследования, включающие использование новых ненакаливаемых тонкопленочных катодов, позволили не только разработать современные высоковакуумные и еверхвысоковакуум-ные преобразователи общего и специального назначения, но и создают основу для дальнейшего развития этого направления вакуумметрии.

1. Кузьмин В. В., Творогов И. В., Левина Л. Е. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 240с.

2. Redhead Р.А. The Sensitivity of Bayard-Alpert Gauges. J. Vac. Sci. Techn., 1969, v.6, № 5, p.56−62.

3. Redhead P.A. New Hot-Filament Ionization Gauge with Low Residual Current. J. Vac. Sci. Techn., 1966, v.3. № 4, p.173−180.

4. Pittaway L.G. Methode de conception des jauges a extraction a I’aide de I’ordinateur. Le Vide, 1970, № 147, p.146−154.

5. Грошковский Я. Техника высокого вакуума: Пер. с польск. М.: Мир, 1975.-622с.

6. Close K.J., Yarwood J. A precision electron emission regulator. Vacuum, 1972, v.22, № 2, p.45,46.

7. Моргулис Н. Д. Теория ионизационного манометра. ЖТФ, 1931, т.1, № 1,с.51−63.

8. Моргулис Н. Д. К теории ионизационного манометра. ЖТФ, 1933, т. З, № 8, с. 1276−1281.

9. Хавкин Л. П. К теории ионизационного манометра. ЖТФ, 1956, т.26, № 10, с.2356−2360.

10. Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизационных газах: Пер. с англ. М.: Мир, 1967. — 832с.

11. Хастед Дж. Физика атомных столкновений: Пер. с англ. М.: Мир, 1965.-710с.

12. Pittaway L.G. Electron trajectories in ionization gauges. J. of Physics D: Appl. Phys, 1970, v.3, № 7, p.1113−1121.

13. Blechschmidt D. A miniature extractor gauge for the UHV. J. Vac. Sci. Techn., 1974, v.11, № 16, p.1160−1165.

14. Watanabe F. Point collector ionization gauge with spherical grid for measuring pressures below 10″ 11 Pa. J. Vac. Sci. Techn. A, 1987, v.5, № 2, p.242−248.

15. Wood S.D., Tilford C.R. Long-term stability of two types of hot cathode ionization gauges. J. Vac. Sci. Techn. A, 1985, v.3, № 3, p.542−545.

16. Poulter K.F., Sutton C.M. Long term behaviour of ionization gauges. Vacuum, 1981, v.31, № 3, p.147−150.

17. Jousten К., Rohe P. Instability of the spatial electron current distribution in hot cathode ionization gauges as a source of sensitivity changes. J. Vac. Sei. Techn. A, 1995, v.13, № 4, p.2266−2270.

18. Лекк Дж. Измерение давления в вакуумных системах: Пер. с англ. М.: Мир, 1966, 208с.

19. Edelmann Chr. Gluhkathoden-Ionisationsmanometer fur hohe Drucke im Vakuumbereich. Vakuum in der Praxis, 1991, № 4, s.290−296.

20. Гапонов В. И. Электроника. Часть I. M.: Физматгиз, 1960,516с.

21. Grosse G., Harten U" Jitschin W., Gentsch H. Secondary electrons in ion gauges. J. Vac. Sei. Techn. A, 1987, v.5, № 5, p.3242−3243.

22. Harten U., Grosse G., Jitschin W., Gentsch H. Surface effects on the stability of hot cathode ionization gauges. Vacuum, 1988, v.38, № 3, p.167−169.

23. Tilford C.R. Sensitivity of hot cathode ionization gages. J. Vac. Sei. Techn. A, 1985, v.3, № 3, p.546−550.

24. Рентгеновские лучи: Пер. с нем. М.: Инострлитература, 1960.-468с,.

25. Мишетт А. Оптика мягкого рентгеновского излучения: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. — 352с.

26. Redhead P.A., Hobson J.P. Total pressure measurements below 10″ 10 torr with non-magnetic ionization gauges. Brit. J. Appl. phys., 1965, v. 16, p. 1555−1566.

27. Pittaway L.G. The design and operation of a new extractor gauge for UHV pressure mesurements. Vacuum, 1974, v.24, № 7, p.301−305.

28. Schutze H.J., Ehlbeck H.W. The X-ray Limit in Ionization Gauges. Trans, of the EIGHTH Nat. Vac. Symp., 1961, Pergamon press, v. 1, p.451−459.

29. Naler L. Proc. 7-th Intern. Vac. Congr. and 3rd Intern. Conference of Solid Surfaces, Vienna, 1977, p.199.

30. Соммер А. Фотоэмиссионные материалы: Пер. с англ. М.: Энергия, 1973. — 176с.

31. Gentsch Н. Inertes lonisationsvakuummeter mit extrahierendem Kollector (EXKOLL). Vakuum-Techn., 1987, Bd36, H.3, s.67−74.

32. Redhead P.A. Ultrahigh vacuum pressure measurements: Limiting processes. J. Vac. Sei. Techn. A, 1987, v.5, № 5, p.3215−3223.

33. Edelmann Chr. Uber den Einflu? von Elementarprozessen an Festkorperoberflachen auf die Druckanzeige von Gluhkatoden-lonisationsmanometem. Wiss. Z. Techn. Univers. Dresden, 1978, Bd27, H.2, s.309−314.

34. Han S.W., Jitschin W., Rohl P., Grosse G. Performance of the bent beam ionization gauge in ultrahigh vacuum measurements. Vacuum, 1988, v.38, № 12, p.1079−1082.

35. Hseuh H.C., Lanni C. Summary Abstract: A thin-collector Bayard-Alpert gauge for 10″ 12 Torr vacuum. J. Vac. Sei. Techn. A, 1987, v.5, № 5, p.3244−3246.

36. Schylz G.J. Characteristics of the Bayard-Alpert Ionization Gauge at Pressures abobe 10^ mm Hg. J. Appl. Phys., 1957, v.28, № 10, p.1149−1152.

37. Schylz G.J., Phelps A.V. Ionization Gauges Measuring Pressures up to the Millimeter Range. Rev. Sei. Instr., 1957, v.28, № 12, p.1051−1055.

38. Peacock R.N., Peacock N.T. Sensitivity variation of Bayard-Alpert gauges with and without closed grids from 10'+ to 1 Pa. J. Vac. Sei. Techn. A, 1990, v.8, № 4, p.3341−3344.

39. Peacock R.N., Peacock N.T. The effects of closed grid ends and emission current on the sensitivity of B-A gauges in the range 1CTV to 1 Pa. -Vacuum, 1990, v.41, № 7−9, p.2139.

40. Reich G, Schulz W. Probleme bei Verwendung von lonisationsvakuummetern im Druckbereich oberhalb 10″ * Torr. Proc. 4 -Intern. Vac. Congr., Manchester, 1968, p.661−665.

41. Энгель А. Ионизованные газы: Пер. с англ. ~М.: Физматгиз, 1959.-332с.

42. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.535с.

43. Kuo Y.H. An approach to the non-linearity of an ionization vacuum gauge at the upper limit of the measured pressure. Vacuum, 1981, v.31, № 7, p.303−308.

44. Edelmann Chr., Kiessling J. Zur oberen Druckme? grenze von Glukatoden-Ionisationsmanometern. Exp. Technik der Phys., 1978, Bd26, № 5, s.569−577.

45. Kudzia J., Slowko W. Numerical method of calculating ion current in a high pressure ionization gauge. Vacuum, 1981, v.31, № 8/9, p.359−363.

46. Ohsako N. A new wide-range B-A gauge from UHVto 10″ 1 Torr. J. Vac. Sei. Techn., 1982, v.20, № 4, p.1153−1155.

47. Wang Yu-zhi. A fundamental theory of high pressure hot cathode ionization gauges. Vacuum, 1984, v.34, № 8/9, p.775−778.

48. Sutton C.M., Poulter K.F. A new reference ionization gauge for vacuum pressure measurement in the range 10″ * to 1 Pa. Vacuum, 1982, v.32, № 5, p.247−251.

49. Hirata M., Ono M. Pressure dependence of the sensitivity of a triode gauge. Vacuum, 1990, v.41, № 7−9, p.2093;2095.

50. Hirata M" Ono M. Reduction of space charge effect on the sensitivity of a triode gauge. J. Vac. Sci. Techn. A., 1991, v.9, № 3, p. 1986;1990.

51. Творогов И. В. Ионизационный манометрический преобразователь со стабильной чувствительностью. IV Всесоюзная научно-техническая конференция «Физика и техника высокого вакуума», Тезисы докладов, Ленинград, 1974, с. 126,127.

52. Redhead Р.А. Modulation of Bayard-Alpert gauges. J. Vac. Sci. Techn., 1967, v.4, № 2, p.57−62.

53. Edwards D., Lanni C. Self-modulating ion gauge. J. Vac. Sci. Techn., 1980, v.17, № 1, p.355−356.

54. Кузьмин В. В. Модуляция коллекторного тока в ионизационных вакуумметрах. Научные приборы, 1982, № 2(25), с.36−45.

55. Chen J.Z., Suen C.D. An axial-emission ultrahigh vacuum gauge. J. Vac. Sci. Techn., 1982, v.20, № 1, p.88−91.

56. Hua Z.Y., Yang X.L., Qiu S.Y. and al. A group of terminal-flow UHV gauges. J. Vac. Sci. Techn., 1982, v.20, № 4, p.1144−1147.

57. Chen J.Z., Suen C.D., Kuo Y.H. An axial emission self-modulating ion gauge. Vacuum, 1984, v.34, № 6, p.641, 642.

58. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума: Пер. с англ. -М.: Мир, 1988, — 366с.

59. Pittaway L.G. The design and operation of a new extractor gauge for UHV pressure measurements. Vacuum, 1974, v.24, № 7, p.301−305.

60. Fujii Y., Inoue H., Mima H., Kanematsu F. Nude Type Modified Extractor Gauge. J. Vac. Soc, Jap., 1982, v.25, № 4, p.179−181.

61. Fujii Y., Inoue H., Mima H., Kanematsu F. Modified extractor gauge. J. Vac. Sci. Techn. A, 1983, v.1, № 1, p.90−94.

62. Schuemann W.C. A Photo-Current supressor gauge for the Measurement of verylow pressures. Trans, of the NINTH Nat. Vac. Symp. of the American Vac. society, 1962, p.428−430.

63. Schuemann W.C. Ionization Vacuum Gauge with Photocurrent supression. Rev. sci. instr., 1963, v.34, № 8, p.700−702.

64. Chen N.Z., Suen C.D., Kuo Y.H. An Axial-Emission Supressor Gauge. J. Vac. Soc. Jap., 1982, v.25, № 4, p.185−188.

65. Helmer J.C., Hayward W.H. Ion Gauge for Vacuum Pressure Measurements below 1 • 10−10 torr. Rev. sci. instr., 1966, v.37, № 12, p. 1652−1654.

66. Benvenuti С., Hauer M. Improved Helmer gauge for measuring pressures down to 10″ 12 Pascal. Proc. 8th Int. Vac. Congr., Paris, 1980, v.2, p.199−202.

67. Suen C.D., Chen J.Z., Kuo Y.H. An axial-emission bent beam gauge. Vacuum, 1990, v.41, № 7−9, p.1805, 1806.

68. Акцепторная заявка № 20 110−86 (Япония). Kn. H01J41/04. Ионизационный экстракторный манометр с электродом, модулирующим ионный ток: Авт. Ватанабэ Ф.

69. Watanabe F. Ion spektroscopy gauge: total pressure measurements down to 10″ й Pa with discrimination against electron-stimulateg-desorption ions. J. Vac. Sei. Tech. A, 1992, v.10, № 5, p.3333−3339.

70. Watanabe F. New type ionization gauge for UHV. J. Vac. Soc. Jap., 1981, v.24, № 6, p.353−359.

71. Watanabe F., Hiramatsu S., Ishimaru H. Modulating Ion Current Pressure Gauge. J. Vac. Soc. Jap., 1982, v.25, № 7, p.506−518.

72. Watanabe F., Hiramatsu S., Ishimaru H. Modulating ion current pressure gauge. Vacuum, 1983, v.33, № 5, p.271−278.

73. Hara Y., Komaki S. Modulating Ion Vacuum Gauge SVC 8300 Series. — IONICS (Jap.), 1985, v.9, № 119, p.43−50.

74. Watanabe F., Hiramatsu S., Ishimaru H. Using the modulating ion current gauge for total pressure measurements below 10'yo Torr without errors caused by electron-stimulated ion desorption. J. Vac. Sei. Techn. A, 1984, v.2, № 1, p.54−56.

75. Watanabe F., Ishimaru H. Separation of gas phase and electron-stimulated-desorption ions in the modulated-ion-current pressure gauge. J. Vac. Sei. Techn. A, 1987, v.5, № 5, p.2924−2926.

76. Meyer E.A., Herb P.G. Performance Study of the Orbitron Ionization Gauge. J. Vac. Sei. Techn., 1967, v.4, № 2, p.57−62.

77. Edelmann Chr. Stand und Entwicklungstendenzen der Totaldruckmessung in der Vakuumtechnik. Vakuum-Techn., 1985, Bd34, H.6, s.162−180.

78. Айнбунд MP., Поленов Б. В. Вторичные электронные умножители открытого типа и их применение. М.: Энергоиздат, 1981. 139с.

79. Li Wang-kui, Qin Ju-mei, Zhang Qi-znan, Ding Li-hua. Research on the measurement of ultra high vacuum. Proc. 8th Int. Vac. Congr., Paris, 1980, v.2, p.195−198.

80. Volter J., Berndt H., Kramp K.-D. Bayard-Alpert-Manometer mit La B5- Kathode und Kleiner-Emission. Vakuum-Techn., 1966, Bd15, №½, s.17−19.

81. Брандер Р. У., Тодхилл А. Холодные катоды из карбида кремния. Карбид кремния. (Сборник статей): Пер. с англ — М ' Мир1972. с.271−278.

82. Dobrott J R., Oman R.M. An ionisation gauge using a Sic p-n junction electron emitter. J.Vac. Sci. Teehn., 1970, v.7, № 1, p.214,215.

83. Windsor E.E. A sensitive high vacuum gauge using an electron multiplier. Vacuum, 1970, v.20, № 1, p.7−9.

84. Воробьев Г А. и др. Авт. свид. СССР № 510 982 от 18.12.1975.вб.Янкелевич Ю. Б. Тонкопленочная система металлдиэлектрик-металл в режиме ненакаливаемого источника электронов. Изв. АН СССР, серия физическая, 1979, т.43, № 3, с.547−552.

85. Хатников В. И., Янкелевич Ю. Б. Исследование потока электронов из МДМ-катода. Электронная техника, 1978, вып. 7, № 4, с.21−24.

86. Смирнов В. И. Курс высшей математики, т. IV, ч.1. М.: Наука, 1974. -336с.

87. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1961. — 323с.

88. Watanabe F., Hiramatsu S., Ishimaru H. A modulated-emission pressure gauge system. Vacuum, 1984, v.34, № 6, p.673,674.

89. Бочевский B.B. и др. Автоматический цифровой вакуумметр с безнакальным ионизационным преобразователем. ПТЭ, 1988, № 4, с.126−128.

90. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. /Под ред. Г. Л. Саксаганского. М.: Атомиздат, 1976. — 288с.

91. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973. — 736с.

92. Нейман Л. Р., Демирчян Н. С. Теоретические основы электротехники, т.2. Л.: Энергия, 1967. — 408с.

93. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т.1. М.: Наука, 1973. -215с.

94. Крылов В. И. Приближенное вычисление интегралов. М.: Наука, 1967.-500с.

95. Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко ЕА. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1979. — 504с.

96. Пенчко Б. А. Воздухостойкий ионизационный манометр.-ПТЭ, 1961, № 1, с. 170−173.

97. Коган И. Л. Вопросы расширения верхнего предела измерения ионизационных преобразователей давления.-Сб. тезисов докладов «Вакуумная наука и техника». Гурзуф, 1994, с. 114.

98. Коган И. Л. Теоретический анализ верхнего предела измерения ионизационного преобразователя давления .- ВТТ, 1966, № 1, с.3−8.

99. Коган И. Л. Ионизационный преобразователь давления с диапазоном измерения 5.10 -1Па. ВТТ, 1997, № 3.с. 12−17.

100. Коган И. Л. Теоретические аспекты методов модуляции ионного тока в ионизационных преобразователях давления.-ВТТ, 1998, № 3, с.25−30.

101. Коган И. Л., Ничипорович Г. А. Ионизационный преобразователь с нижним пределом измерения 10 Па.-ВТТ, 1992,№ 2,с. 5−9.

102. Коган И. Л. и др. Исследование верхнего предела измерения давления ионизационных преобразователей Байарда-АльпертаТезисы докладов конференции «Физика и техника высокого вакуума», Л. Л 985 (часть2), с. 173.

103. Коган И. Л. Работа высоковакуумных ионизационных преобразователей в области верхнего предела измерения, — ВТТ, 1996,№ 3,с. 16−22.

104. Коган И. Л. Ионизационный преобразователь давления на диапазон измерения 10 -1Па. Сб. тезисов докладов «Вакуумная наука и техника», Гурзуф, 1994, с. 107.

105. Алексеев М. К. и др., Коган И. Л. Аппаратура для измерения термобарических параметров верхней атмосферы земли, — Труды 5 Всесоюзного совещания по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере, Москва, 1985, с.258−261.

106. Донской И. А., Коган И. Л. и др. Электронный ионизационный преобразователь давления.- А.с.№ 1 462 130,1988 г.