Сперва хочу ответить критикам своих текстов. Господа, эти тексты не являются научными статьями. Автор не ставит перед собой задачу за счёт их написания заработать себе какие-то бонусы или рейтинг публикаций. Автор вообще не является профессиональным учёным, т.е. не зарабатывает непосредственно деньги научной деятельностью. Поэтому, данные статьи являются лишь изложением взглядов автора на те или иные научно-технические исследования, изобретения, конструкции оборудования. Изложенные в статьях мнения автора являются плодом его личного опыта, полученного в результате личной инженерной деятельности и участия в обсуждениях тех или иных вопросов с профессиональными научными работниками, поэтому, если автор где-то ошибся и чего-то забыл указать, то в комментариях можно уточнить. Современная роль автора в научно-технической деятельности заключается в практическом применении её результатов в рамках производственно-технологического бизнеса, где автор ограничен не распоряжениями начальства, а лишь объёмом имеющихся у него ресурсов для реализации тех или иных интересных проектов (человеческим, материальным, финансовым и времени).
Как я упоминал в части 1 практически все методы измерения среднего, высокого и сверхвысокого вакуума являются косвенными, т.е. не измеряют непосредственно величину механического давления газа. Но это ещё половина проблемы. Серьёзная неприятность заключается ещё и в том, что значительное количество методов измерения вакуума сами серьёзно изменяют химический состав или состояние молекул газа, давление которого должны измерить. Это происходит в связи с тем, что там используется ионизация молекул газа. Кроме того, катоды для получения первичного потока электронов могут приводить к разрушению молекул, их ионизации, а также загрязнению газа, давление которого измеряют, веществом самого катода.
Например, в известном магнито-разрядном датчике с холодным катодом эмиссия электронов происходит под воздействием бомбардировки катода ионами с энергией порядка 2 - 3 кэВ, что, естественно, приводит не только к эмиссии электронов в вакуум, но и к распылению материала катода и всего того, что там было "замуровано". С другой стороны, сами бомбардирующие катод ионы поглощаются там, а распыляемый материал катода ещё и поглощает частично нейтральные молекулы газов.
В датчиках с горячим катодом температура катодной нити достигает величины в несколько тысяч градусов Цельсия, что может приводить как к разложению некоторых сложных молекулярных соединений, либо к ионизации газа прямо на катоде.
Описанном в части 4 цикла статей орбитронном ионизационном датчике влияние горячего катода снижено за счёт уменьшения его геометрических размеров, но ниже я хочу рассказать про концептуально иную конструкцию вакуумметрических датчиков, где в принципе не используются ни процессы ионизации газа и может не быть горячего катода, но свободные электроны используются. В таких датчиках используется явление рассеяния электронов на молекулах газа.
В своём описании я буду опираться на работы Виктора Кузьмича Базылева (совместно с рядом других авторов), моего хорошего знакомого и одного из моих учителей из Рязани, любезно предоставленные мне им несколько авторских научных статей по данной тематике и разрешение написать эту статью. Надо сказать, что интерес к подобным работам и исследованиям в мире достаточно свежий, поскольку практическая возможность реализации вакуумных датчиков на упругом рассеянии электронов появилась после того, как чувствительность массово применяемых систем измерения регистрации электрических токов достигла пико- и фемто-ампер. Тематика эта достаточно физически близка к другому интересному направлению, так называемым спектрометрам времени дрейфа, где используется явление дрейфа ионов в нейтральном газа (даже при атмосферном давлении), что бы по скорости этого дрейфа определить элементный состав ионизированного вещества.
Для того, чтобы читатели поняли суть явления, приведу простейшую схему установки (рис 6.1) для регистрации явления упругого рассеяния электронов в газе.
Допустим, что в качестве источника электронов у нас используется некий катод, испускающий электроны практически с энергией близкой к нулю (обычно в пределах 0-2 эВ). Тогда, подав на анод при помощи источника питания анода положительное напряжение мы сможем создать поток этих электронов в направлении анода. Электроны, естественно, будут сталкиваться с молекулами газа, давление которого мы хотим регистрировать. Эти столкновения будут упругими, т.е. без потери энергии, или неупругими, когда электрон часть своей энергии отдаёт молекуле (на возбуждение или ионизацию последней). Но мы хотим сделать датчик, который бы не ионизировал молекулы газа, поэтому нужно выбрать такую напряжённость электрического поля (выбрать напряжение на аноде), чтобы от столкновения к столкновению электрон не успевал набрать от этого поля энергию, достаточную для ионизации молекулы газа (для благородных газов энергии ионизации лежат в пределах 20-50 эВ, а для сложных молекулярных соединений могут быть и единицы эВ). Итак, мы выбрали режим нашей установки, когда есть практически только упругие столкновения электронов с молекулами газа, как столкновения шаров в бильярде, только шар-электрон в тысячи раз меньше шара-молекулы. Также, как в бильярде (я пробую объяснить процесс без привлечения или почти без привлечения математических понятий на житейском уровне), столкнувшийся с молекулой газа электрон отскочит от неё в любом произвольном направлении (назад, вбок или почти не изменит направление движения). Если электрон отлетит назад, то при дальнейшем движении он начнёт сперва терять свою энергию в электрическом поле. Отлетевший перпендикулярно своему первоначальному направлению движения электрон поменяет направление вектора скорости. В реальности в хаосе столкновений электронов с молекулами присутствуют множество различных вариантов столкновений и комбинации этих вариантов, которые в совокупности приведут к двум основным эффектам:
1) Первоначальное (1) направление движения потока электронов "размажется" (2) на аноде тем больше, чем больше молекул газа встретят электроны на своём пути.
2) Среднее (вероятное) время достижения электроном, вышедшим с катода, анода будет тем больше, чем больше молекул газа встретится на его пути.
Соответственно, здесь сразу просматриваются две методики измерения давления газа: 1) Через регистрацию вероятности отклонения потока электронов от первоначально заданного направления (например, за счёт того, что сделать несколько секций у анода, одну по оси системы, а вторую на расстоянии от оси системы, и поставить измерители электрического тока в каждой секции отдельно). 2) Через измерение времени дрейфа электронов в газе (например, путём того, что применить для питания анода переменное напряжение, синусоидальное, а лучше меандр, и выбрать такую частоту этого напряжения, чтобы время смены полярности напряжения на аноде было соизмеримо с временем движения электронов от катода к аноду.
На первый взгляд, всё просто. Но простота конструкции обманчива.
Во первых, чтобы такой линейный датчик смог измерять хотя бы высокий вакуум, длина пути электронов в нем должна быть десятки метров и более (в идеале бесконечно большой).
Вторая проблема, если мы хотим реализовать все преимущества данного метода в части отсутствия изменяющего состав или состояние воздействия на измеряемый газ, заключается в необходимости создания источника электронов (катода), который был бы реально холодный, без всяких распылительных "эффектов", высоких температур и прочего.
В третьих, анодное напряжение, создающее электрическое поле в датчике, должно быть достаточно низким, чтобы электроны не разгонялись до энергий, достаточных для ионизации молекул газа.
В четвёртых, электроны в таком датчике двигаются очень медленно (необычно для электронов медленно), поэтому, даже при малом и сверхмалом значении величины электрического тока через датчик, на работу прибора может начать влиять т.н. пространственный заряд этих электронов, так как его величина растёт с уменьшением скорости движения частиц. Поэтому, электронный ток через датчик необходимо поддерживать на очень низком ( пико-Амперы ) уровне, собственно, это условие практически автоматически реализуется при выполнении предыдущего.
Одно из описаний иностранного прототипа датчика на рассеянии электронов в газе можно найти например в этой публикации: J.L.Lucas, T.Goto. A pressure gangue utilizing the electron diffusion and microcomputer control. Vacuum 1984, N 8/9, p. 785 - 789
Теперь расскажу про конструкцию датчика, которую предложила группа специалистов из Рязани во главе с Базылевым В.К. Его схематичная конструкция и траектории движения электронов представлены на рис.6.2. Фактически, его можно отнести к магнетронному типу, т.е. осесимметричной цилиндрической конструкции, работающей на перпендикулярных электрическом и магнитном полях. Если мелком взглянуть на рисунок, то почти не будет отличий от описанного в части 1 обычного магнетронного магнито-разрядного датчика, но схожесть конструкций только кажущаяся, так как принципы работы данного и традиционного датчика кардинально отличаются.
В предлагаемом датчике учёные постарались учесть все необходимые описанные чуть выше требования к реализации принципа измерения вакуума на основе упругого рассеяния электронов на молекулах газа, что позволило достичь диапазона измерения давления 10-5 - 760 Торр.
Начну с холодного источника электронов. В качестве такового был выбран фотокатод на базе плёнки галлия, нанесённой на медную основу. Такой катод может излучать электроны при облучении УФ-излучением, например, от кварцевой лампы тлеющего разряда. Не знаю, насколько такая конструкция оптимальна для создания промышленного датчика? Возможно, тут лучше подошли проверенные конструкции УФ-фотокатодов (например, на основе йодида цезия - CsI), имеющие высокую устойчивость к воздуху на атмосферном давлении. УФ-излучение поступало на катод магнетронной конструкции датчика через специальное кварцевое окно, закрытое внутри металлической сеткой (для обеспечения сохранения распределения потенциалов внутри датчика).
Магнитное поле в десятки мТл величиной в экспериментальной конструкции создавалось мощным соленоидом. Причём, в диапазоне давлений 10 - 760 Торр, магнитного поля не требовалось, так как расстояния между цилиндрическими катодов и анодом было достаточно, чтобы получить требуемую для измерений длину пути электронов.
При более низких давлениях включенное магнитное поле имело величину в 14 раз выше критической, когда вышедший их катода электрон в магнетроне не может достичь анода и движется по бесконечной (в простейшей теории) эпициклоиде, которая может прерываться только в результате упругого столкновения электрона с молекулой газа (отсутствие неупругих ионизирующих газ столкновений гарантируется выбором анодного напряжения и величины магнитного поля). В результате, среднее время движения электрона от катода к аноду оказывается связанным с концентрацией молекул измеряемого газа в объёме датчика. Это время движения можно измерить, применив питание анода датчика переменным напряжением и регистрируя изменение частоты напряжения, требуемое для уменьшения тока через датчик на заданный процент (например, в два раза), рис.6.3.
Величина тока через датчик также зависит от давления газа, и может использоваться, как регистрирующий параметр, если есть возможность оперативно включать и выключать магнитное поле, чтобы иметь возможность сравнивать ток при разной длине пути электронов (рис.6.4).
В умозрительном случае идеальный датчик подобной конструкции представляет из себя два бесконечно длинных цилиндра, осесимметрично вложенных один в другой и магнитное поле, направление которого абсолютно совпадает с осью системы. Такой датчик теоретически способен к измерению любой бесконечно низкой величины давления (впрочем, для этого может потребоваться бесконечно большое время ожидания появления электронного тока в цепи анода датчика).
Реальный же датчик имеет ограниченные размеры и не может иметь идеального совпадения геометрической оси и оси магнитного поля. Эти факторы создают процессы перемещения электронов вдоль оси магнетрона от центра системы, где их движение близкое к теоретически идеальному, к краям цилиндров, где начинают действовать краевые эффекты, забрасывающие электрон на "орбиту", которая ближе к аноду (рис. 6.5).
Таким образом, реальный датчик имеет фоновый сигнал, не зависящий от давления, ограничивающий диапазон измеряемых давлений величиной порядка 10-5 Торр (в реализованном макете устройства).
Можно ли подобный датчик довести до промышленного образца? Я считаю, такой потенциал в данном изобретении имеется. Более того, наша компания будет заниматься подобной работой либо в текущем неторопливом режиме, либо, в случае наличия заказчика-инвестора, в режиме практического бизнес-проекта. Тем более, что технологии и конструктивные решения, используемые в данном типе датчиков, близки к тому, что мы применяем или осваиваем в рамках других своих проектов. Например, УФ-фотокатоды, измерителя сверхмалых токов и т.п.
Используемые в статье источники:
1) Базылев В.К. // Изв. РАН. Сер. Физ. - 2000 - Т. 64 - № 7 - С. 1382 – 1383
3) В. К. Базылев, Д. М. Суворов, А. М. Жидков, Д. Ю. Тарабрин // ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОТЕКАНИЯ ТОКА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ МАГНЕТРОНЕ ПРИ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ БОЛЬШЕ КРИТИЧЕСКОЙ И МАЛОМ УРОВНЕ ЭМИССИИ - УДК620.179.1:621.385.64
