Вакуумметры Байярда-Альперта

В 1940-х гг. вакуумметром, способным измерять самое низкое давление, был электронный ионизационный (триодный) вакуумметр. Вскоре стало очевидным, что так называемый барьер давления в 10^-8 мм рт. ст. был вызван пределом измерения, а не откачкой. Ноттингем правильно заключил, что этот искусственный барьер обусловлен ударами электронов о сетку, которые вызывали рентгеновское излучение низкой энергии, попадавшее в свою очередь на ионный коллектор (пластину), излучающую фотоэлектроны. Эмиссия электронов является неотличимой от собирания положительных ионов, и, как показали расчеты, она составила порядка 10^-8 мм рт. ст. для триодных вакуумметров, которые в то время находились в употреблении. В 1950 г. Байярдом и Альпертом было предложено простое решение этой проблемы.

В настоящее время это наиболее широко используемый вакуумметр для измерения сверхвысокого вакуума.

Вакуумметр Байярда-Альперта в сущности является триодным вакуумметром, переделанным таким образом, что только небольшое количество генерируемых внутри рентгеновских лучей попадает на коллектор. На рис. 16 показаны существенные особенности вакуумметра, а также простая цепь. Можно видеть, что катод заменен тонким коллектором, расположенным в центре сетки. Нить катода теперь находится за пределами сетки и на расстоянии нескольких миллиметров от нее. Одним преимуществом конструкции Байярда-Альперта является ее способность использовать тот же самый контроллер, что и для триодного вакуумметра, учитывая любые различия в чувствительности.

Схема вакуумметра Байярда-Альперта приведена на рис. 17.

Рис. 17. Схема ионизационного вакуумметра.

Приблизительно в то же самое время, когда вакуумметр Байярда-Альперта приобретал популярность, Вайнрих предложил решение проблемы выгорания вольфрамовых нитей, которое в тот период было преобладающей проблемой. Применение платиновых металлов, покрытых огнеупорными оксидами, позволило вакуумметру противостоять воздействию атмосферы, когда нить находится в горячем состоянии. Распространенными комбинациями являются либо торий, либо иттрий на иридии. Вскоре было отмечено, что вакуумметры Байярда-Альперта и даже триодные вакуумметры идентичной конструкции, но с другими нитями, например вольфрама, по сравнению с торием-иридием, имели другие значения чувствительности, при этом варианты вольфрамовых нитей были на 20-40% более чувствительными по сравнению с иридием той же самой конструкции.

Как говорилось выше, рентгеновское излучение низкой энергии, попадающее на ионный коллектор и излучающее электроны, устанавливает предел самому низкому давлению, которое может быть замерено. Были предложены разнообразные схемы уменьшения этого предела рентгеновского излучения и изготовлены специальные конструкции с крайне тонкими коллекторами, расширяющие предел считываемости показаний высокого вакуума до 10^-12 мм рт. ст., но за счет противоположной стороны диапазона, т. е. предела высокого давления.

Редхед сконструировал модулируемый вакуумметр с дополнительным электродом, расположенным рядом с коллектором. Измерение тока ионов при двух потенциалах модулятора позволяет вычитать ток рентгеновского излучения, увеличивая диапазон до 5x10^-12 мм рт. ст. В других вакуумметрах используются электроды-гасители перед коллектором ионов. Однако в настоящее время для измерений давления сверхвысокого вакуума порядка 10^-12 мм рт. ст. наиболее широко используется экстракторный вакуумметр. Этот вакуумметр показан схематично на рис. 18.

Рис. 18. Экстракторные вакуумметры.

В этом вакуумметре ионы вылетают из ионизирующего объема и отклоняются или фокусируются на маленьком коллекторе. Были разработаны более новые конструкции, а также вариант с использованием множителя электронов канала позволил уменьшить предел низкого давления до 10^-15 мм рт. ст.

Хотя вакуумметр Байярда-Альперта является наиболее широко используемым в своем диапазоне давления, он все же страдает некоторыми недостатками. Исследование уравнения, которое является справедливым для вакуумметров Байярда-Альперта, показывает, что ток ионов зависит не только от давления, но и от геометрии трубки и ее изменений во время срока службы, что отражается на чувствительности вакуумметра. Редхед писал об этих изменениях, так же как Охсако. Другие исследователи писали о неточности и нестабильности вакуумметров Байярда-Альперта, а так-же о результатах, разнящихся в широких пределах. Были предложены конструкции, уменьшающие или исключающие эти проблемы. Как упоминалось выше, чувствительность вакуумметра Байярда-Альперта зависит от характера измеряемого газа. Флейм и Оунбай представили данные об относительной чувствительности различных газов, описанных О'Ханлоном. Эти данные с учетом дополнений из коммерческих источников представлены в виде таблицы 2.

Таблица 2. Средняя относительная чувствительность r ионизационных вакуумметров для различных газов¹.

¹Отношение чувствительности вакуумметра для данного газа к его чувствительности для азота.

Каталог вакуумметров с горячим катодом