Это был заслуженный выходной и я решил продолжить твой цикл научно-популярные статьи по теме измерения вакуума.
Кому-то может показаться, что измерение, как и создание вакуума, — тема далекая от ИТ-индустрии.
Те, кто так думает, абсолютно неправы! Дело в том, что вакуумная технология является краеугольным камнем полупроводниковой промышленности.
При этом, чем меньшего масштаба техпроцесса вы хотите добиться, тем меньшее давление должны обеспечивать вакуумные установки, используемые на производстве.
Естественно, точность измерения вакуума в этом случае играет очень важную роль.
Традиционные ионизационные датчики имеют довольно неприятный и важный фактор, который необходимо учитывать, ограничивающий точность их измерений в области сверхвысокого вакуума.
Он заключается в процессах, происходящих преимущественно на аноде датчика под воздействием электронной бомбардировки во время измерения.
Дело в том, что анод ионизационного датчика, как и любой металлический элемент вакуумной конструкции, имеет свойство накапливать различные газы из атмосферы (в любую техническую вакуумную систему периодически вводится воздух) посредством процессов адсорбции на поверхности + диффузии молекулы газа в глубь материала (поглощение).
При этом чем больше размер газа (масса и площадь поверхности), тем большее количество газа накапливается в металле анода.
По мере снижения давления в вакуумной системе газ из анода датчика начинает выделяться обратно в объем вакуумной установки, но процесс естественной дегазации идет очень медленно.
Как только ионизационный датчик вводится в работу, скорость выхода газа из его анода резко возрастает под воздействием бомбардировки потоком электронов, что искажает результаты измерений.
.
Рис.
4.1 Типичная динамика изменения показаний ионизационного вакуумметра после включения.
На рис.
4.1 схематически изображен типичный график изменения показаний ионизационного вакуумметра после его включения.
Сначала резко возрастает давление (иногда в несколько раз), а затем скорость выделения газа становится ниже скорости откачки насосов и самого датчика, поэтому регистрируемое давление начинает падать.
Зная об описанном процессе, разработчики датчиков пытаются с ним бороться путем: 1) Уменьшение геометрических размеров анода (уменьшение количества металла).
Для каждой конструкции датчика существует оптимальный геометрический размер анода для получения максимального коэффициента преобразования тока первичных электронов в ток ионов.
Например, в случае сеточного анода увеличение толщины проволоки сверх оптимальной приводит к увеличению перехвата электронов сеткой и уменьшению вероятности ионизации газа из-за уменьшения длины траекторий электронов.
Уменьшение толщины проволоки приводит к уменьшению средней энергии электронов, что также снижает вероятность ионизации и чувствительность датчика.
2) Выбор материала анода, имеющего минимальную поглотительную способность (как правило, для этого металл должен быть максимально чистым, без активных добавок).
3) Введение в конструкцию датчика (или вакуумметра) режима анодного нагрева («режим дегазации»).
(Обычно анод нагревают либо пропуская через него электрический ток, либо увеличивая в несколько раз величину тока электронов с катода).
В обоих случаях надо понимать, что абсолютной дегазации анода быть не может, так как в конечном итоге скорость удаления газа с анода всегда будет равна скорости подачи газа из вакуума на анод. Поэтому дегазировать при давлении газа, скажем, 10 -5 Анод Торра датчика будет «отличным» источником газа в вакуум при давлении 10 -7 Торр.
Казалось бы, уменьшив величину электронного тока в датчике, можно пропорционально уменьшить газовыделение с его анода.
Однако такое снижение автоматически приведет к уменьшению ионного тока и потребует использования все более чувствительных измерителей для регистрации сверхнизких давлений.
Исходя из вышеизложенного, эффект газовыделения с анода ионизационного датчика требует для получения максимальной реальной точности измерений разработки, по сути, собственной технологии таких измерений для каждого конкретного вида вакуумных технологических процессов и используемое вакуумметрическое оборудование.
Но, кроме организационных путей, существует и путь поиска более оптимальной конструкции датчика, в которой процессы газовыделения от электродов существенно сокращаются, относительно традиционного сверхвысокого вакуума Баярда-Альперта.
Для этого, очевидно, необходимо существенно увеличить полезную длину траектории электрона, и (чтобы не уменьшался верхний предел измеряемого давления) участок траектории электрона, где ионизация газа не создает ионный ток в коллекторе ионов соответственно для снижения.
По аналогичному пути в 1964 году родилась конструкция датчика типа «Орбитрон», которая фактически является единственной на данный момент конструкцией, где очень большая длина полезных траекторий электронов реализуется без дополнительных магнитных полей.
Рис.
4.2 Конструкция датчика орбитронного типа Конструктивно такой датчик представляет собой аксиально-симметричную конструкцию, состоящую из анода в виде тонкой проволоки, расположенной вдоль оси прибора, и цилиндрического коллектора ионов.
Катод орбитронного датчика имеет небольшие размеры и ограничен экранами, так что вылетающие из него электроны попадают в электростатическое поле между двумя концентрическими цилиндрами, имеющими определенные значения энергии и момента импульса движения, обеспечивающие очень длительное (до 10 000 см) средний путь электронов до анода.
Благодаря этому прибор позволяет измерять давление в сверхвысоком диапазоне (давление до 10 –11 Торр и ниже) вакуума, что позволяет значительно снизить неоднозначность результатов измерения давления, присущую традиционным ионизационным датчикам.
Скажу сразу, промышленных образцов таких датчиков я не знаю.
Однако описания экспериментальных схем, основанных на принципе орбитрона, периодически появляются в научных публикациях.
Несколько лет назад группа ученых Рязанского государственного радиотехнического университета при поддержке нашей компании спроектировала и испытала практическую конструкцию такого типа, по существу подтвердив возможность создания серийного измерителя сверхвысокого вакуума (статья может можно найти в Вестнике РСРТУ 2019. № 70 / Вестник РСРТУ 2019. № 70).
Я не буду здесь описывать многие технические и математические подробности; Приведу лишь несколько, на мой взгляд, наиболее интересных иллюстраций из упомянутой статьи.
Рисунок 4.3. Структурная схема перевода датчика орбитрона в режим измерения давления.
Из расположения электродов в датчике и потенциалов на них видно, что здесь полезен весь объем конструкции и количество ионов, которые попадут не на коллектор ионов, а на катод, минимально.
В таком датчике электроны, эмитированные с катода, не могут сразу достичь тонкого анода, а совершают вокруг него множество оборотов.
Подбирая потенциал боковых экранов и анода датчика, можно добиться очень длинной траектории электронов, что дает большое значение коэффициента преобразования электронного тока в ионный ток (на порядки больше, чем в традиционном Баярда-Альперта), что позволяет эксплуатировать орбитрон при значениях катодного тока на порядки меньших, чем в широко используемых датчиках (несколько микроампер и ниже), существенно уменьшая газовыделение с анода и катода прибора, что искажает результаты вакуумных испытаний.
Ниже представлен рисунок, показывающий 3 варианта траектории одного электрона, вылетевшего из катода орбитрона, полученные в результате математического моделирования для разных потенциалов на электродах датчика.
Ниже представлена фотография прототипа такого датчика, собранного в лабораторных условиях.
Рис.
4.5. Модель малогабаритного орбитронного датчика Дополнительной отличительной особенностью нашего орбитрона от ранее описанных аналогичных датчиков являются его малые размеры (меньшие, чем у традиционных ПМИ-2 и Баярда-Альперта) и более простая конструкция катодного узла.
На мой взгляд, такой датчик (при промышленной реализации конструкции) мог бы стать основой принципиально иного вакуумметра, имеющего и другой принцип взаимодействия с ионизационным датчиком, чем традиционные приборы, о чем я постараюсь написать.
в следующей статье.
За материал для данной статьи хотелось бы особо поблагодарить моих учителей и товарищей Коротченко В.
А.
, Базылева В.
К.
, Прадеда В.
В.
которые внесли основной научный и технический вклад в изучение этой темы.
Теги: #Научно-популярные #Производство и разработка электроники #вакуум #вакуумметр #вакуумная лампа
-
Обзор Asus N N73Jf-Xt1
19 Oct, 24 -
Веб-Хостинг И Веб-Разработка Для Начинающих
19 Oct, 24 -
Сетевые Профессии Сегодня Стали Популярны
19 Oct, 24 -
Налоги И Налогоплательщики
19 Oct, 24 -
Google Показывает Тенденции
19 Oct, 24
