Сначала хочу ответить критикам моих текстов.
Господа, данные тексты не являются научными статьями.
Автор не ставит перед собой задачи заработать какие-либо бонусы или рейтинги публикаций, написав их.
Автор вообще не является профессиональным учёным, т.е.
непосредственно не зарабатывает деньги от научной деятельности.
Поэтому данные статьи являются лишь изложением взглядов автора на отдельные научно-технические исследования, изобретения и конструкции оборудования.
Мнения автора, высказанные в статьях, являются плодом его личного опыта, полученного в результате личной инженерной деятельности и участия в обсуждении тех или иных вопросов с профессиональными учеными, поэтому, если автор где-то допустил ошибку и забыл что-то указать, тогда можно уточнить в комментариях.
Современная роль автора в научно-технической деятельности заключается в практическом применении ее результатов в рамках производственно-технологического бизнеса, где автор ограничен не приказами начальства, а лишь объемом ресурсов, имеющихся у него.
ему за реализацию определенных интересных проектов (человеческих, материальных, финансовых и временных).
Как я упоминал в части 1, почти все методы измерения среднего, высокого и сверхвысокого вакуума являются косвенными, т.е.
не измеряют непосредственно механическое давление газа.
Но это еще полбеды.
Другая серьезная проблема заключается в том, что значительное количество методов измерения вакуума сами по себе серьезно изменяют химический состав или состояние молекул газа, давление которого необходимо измерить.
Это происходит из-за того, что здесь используется ионизация молекул газа.
Кроме того, катоды для получения первичного потока электронов могут привести к разрушению молекул, их ионизации, а также загрязнению газа, давление которого измеряется веществом самого катода.
Например, в известном магниторазрядном датчике с холодным катодом эмиссия электронов происходит под действием бомбардировки катода ионами с энергией порядка 2 - 3 кэВ, что, естественно, не приводит к не только к эмиссии электронов в вакуум, но и к распылению материала катода и всего того, что там было «замуровано».
С другой стороны, там поглощаются сами ионы, бомбардирующие катод, а распыленный материал катода также поглощает частично нейтральные молекулы газа.
В датчиках с горячим катодом температура катодной нити достигает нескольких тысяч градусов Цельсия, что может привести либо к распаду некоторых сложных молекулярных соединений, либо к ионизации газа непосредственно на катоде.
Датчик ионизации орбитрона, описанный в части 4 цикла статей, снижает влияние горячего катода за счет уменьшения его геометрических размеров, но ниже я хочу поговорить о принципиально иной конструкции вакуумных датчиков, где в принципе не происходит никаких процессов ионизации газа.
используется и может не быть горячего катода, но используются свободные электроны.
Такие датчики используют явление рассеяния электронов на молекулах газа.
В своем описании я буду опираться на работы Виктора Кузьмича Базылева (вместе с рядом других авторов), моего хорошего друга и одного из моих учителей из Рязани, любезно предоставившего мне несколько оригинальных научных статей на эту тему и разрешение на напишите эту статью.
Надо сказать, что интерес к подобным работам и исследованиям в мире появился совсем недавно, поскольку практическая возможность реализации вакуумных датчиков на основе упругого рассеяния электронов появилась после того, как чувствительность широко используемых измерительных систем регистрации электрических токов достигла пико- и фемто- -ампер.
Эта тема вполне физически близка к другой интересной области, так называемым дрейфовым временным спектрометрам, где явление дрейфа ионов в нейтральном газе (даже при атмосферном давлении) используется для определения элементного состава ионизированного вещества по скорости движения ионов.
этот дрейф.
Чтобы читатели поняли суть явления, приведу простейшую схему установки (рис.
6.1) для регистрации явления упругого рассеяния электронов в газе.
Рис.
6.1 Схема простого датчика для измерения давления газа методом упругого рассеяния электронов.
Предположим, что в качестве источника электронов мы используем некий катод, испускающий электроны с энергией, близкой к нулю (обычно в пределах 0-2 эВ).
Затем, подав положительное напряжение на анод с помощью анодного источника питания, мы можем создать поток этих электронов в направлении анода.
Электроны естественным образом будут сталкиваться с молекулами газа, давление которого мы хотим зарегистрировать.
Эти столкновения будут упругими, т. е.
без потери энергии, или неупругими, когда электрон отдает часть своей энергии молекуле (для возбуждения или ионизации последней).
Но мы хотим сделать датчик, который бы не ионизировал молекулы газа, поэтому нам нужно выбрать такую напряженность электрического поля (подобрать напряжение на аноде), чтобы от столкновения к столкновению электрон не успевал набрать от этого достаточно энергии.
поле для ионизации молекулы газа (для благородных газов энергии ионизации лежат в пределах 20-50 эВ, а для сложных молекулярных соединений могут составлять единицы эВ).
Итак, мы выбрали режим нашей установки, когда практически происходят только упругие столкновения электронов с молекулами газа, как при столкновениях шаров в бильярде, только шар-электрон в тысячи раз меньше шара-молекулы.
Так же, как и в бильярде (я пытаюсь объяснить процесс, не привлекая или почти не привлекая математических понятий на бытовом уровне), электрон, столкнувшись с молекулой газа, отскочит от нее в любом произвольном направлении (назад, вбок или почти не изменится).
направление движения).
Если электрон полетит обратно, то при дальнейшем движении он сначала начнет терять свою энергию в электрическом поле.
Электрон, вылетевший перпендикулярно своему первоначальному направлению движения, изменит направление вектора скорости.
В действительности в хаосе столкновений электронов с молекулами существует множество различных вариантов столкновений и комбинаций этих вариантов, которые в совокупности приведут к двум основным эффектам: 1) Начальное (1) направление движения потока электронов будет «размазываться» (2) по аноду, тем больше молекул газа встречаются электронам на своем пути.
2) Среднее (вероятное) время, за которое электрон, покинувший катод, достигнет анода, будет тем больше, чем больше молекул газа он встретит на своем пути.
Соответственно, здесь сразу просматриваются два метода измерения давления газа: 1) Путем регистрации вероятности отклонения потока электронов от изначально заданного направления (например, сделав на аноде несколько сечений, одно по оси системы, а второй на расстоянии от оси системы, а счетчики электрического тока разместить в каждой секции отдельно).
2) Измеряя время дрейфа электронов в газе (например, используя для питания анода переменное напряжение, синусоидальное, а еще лучше меандр, и подбирая частоту этого напряжения так, чтобы время смены полярности Напряжение на аноде соизмеримо со временем движения электронов от катода к аноду.
На первый взгляд все просто.
Но простота конструкции обманчива.
Во-первых, чтобы такой линейный датчик мог измерять хотя бы высокий вакуум, длина пути электрона в нем должна составлять десятки и более метров (в идеале — бесконечно).
Вторая проблема, если мы хотим реализовать все преимущества этого метода с точки зрения отсутствия воздействия на измеряемый газ, изменяющего состав или состояние, - это необходимость создания источника электронов (катода), который был бы действительно холодным.
, без всяких "эффектов" напыления, высоких температур и прочего.
.
В-третьих, анодное напряжение, создающее электрическое поле в датчике, должно быть достаточно низким, чтобы электроны не ускорялись до энергий, достаточных для ионизации молекул газа.
В-четвертых, электроны в таком датчике движутся очень медленно (необычно для электронов медленно), поэтому даже при малом и сверхмалом значении электрического тока через датчик на работу устройства могут начать влиять такие -называется.
пространственный заряд этих электронов, поскольку его величина увеличивается с уменьшением скорости частицы.
Поэтому электронный ток через датчик должен поддерживаться на очень низком (пикоамперном) уровне, фактически это условие реализуется практически автоматически при выполнении предыдущего.
Одно из описаний зарубежного прототипа датчика рассеяния электронов в газе можно найти, например, в этой публикации: J.L.Lucas, T.Goto. Пульс давления, использующий диффузию электронов и микрокомпьютерное управление.
Вакуум 1984, № 8/9, с.
785 - 789 Теперь расскажу о конструкции датчика, которую предложила группа специалистов из Рязани под руководством В.
К.
Базылев.
Его схематическая конструкция и траектории электронов представлены на рис.
6.2. Фактически его можно отнести к типу магнетрона, т.е.
осесимметричной цилиндрической конструкции, работающей в перпендикулярных электрических и магнитных полях.
Если внимательно взглянуть на рисунок, то отличий от обычного магнетронного магниторазрядного датчика, описанного в части 1, почти не будет, но сходство в конструкции лишь кажущееся, так как принципы работы этого и традиционного датчика радикально отличаются.
другой.
Рис.
6.2. Разработка прототипа манометра магнетронного типа, работающего на упругом рассеянии электронов в газе.
В предложенном датчике ученые постарались учесть все необходимые требования, описанные чуть выше, для реализации принципа измерения вакуума на основе упругого рассеяния электронов на молекулах газа, что позволило добиться диапазона измерения давления 10 -5 - 760 Торр.
Начну с холодного источника электронов.
В качестве такового был выбран фотокатод на основе пленки галлия, нанесенной на медную основу.
Такой катод может испускать электроны при облучении УФ-излучением, например, кварцевой тлеющей разрядной лампой.
Не знаю, насколько оптимальна данная конструкция для создания промышленного датчика? Возможно, здесь лучше подошли бы проверенные конструкции УФ-фотокатодов (например, на основе йодида цезия — CsI), обладающие высокой устойчивостью к воздуху при атмосферном давлении.
УФ-излучение подавалось на катод магнетронной конструкции датчика через специальное кварцевое окно, закрытое внутри металлической сеткой (для обеспечения сохранения распределения потенциала внутри датчика).
Магнитное поле величиной в десятки мТл в конструкции эксперимента создавалось мощным соленоидом.
При этом в диапазоне давлений 10 - 760 Торр магнитное поле не требовалось, поскольку расстояние между цилиндрическими катодами и анодом было достаточным для получения необходимой для измерений длины пробега электронов.
При меньших давлениях включенное магнитное поле имело величину в 14 раз превышающую критическую, когда электрон, вылетевший из катода 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 газоионизирующих столкновений гарантируется выбором анодного напряжения и напряженности магнитного поля).
В результате среднее время движения электрона от катода к аноду оказывается связанным с концентрацией молекул измеряемого газа в объеме датчика.
Это время пробега можно измерить, подав переменное напряжение на анод датчика и зафиксировав изменение частоты напряжения, необходимое для уменьшения тока через датчик на заданный процент (например, вдвое), рис.
6.3. 
Рис.
6.3. Зависимость частотного параметра магнетронного датчика рассеяния электронов от давления воздуха.
Величина тока через датчик также зависит от давления газа и может быть использована в качестве параметра регистрации, если есть возможность быстро включать и выключать магнитное поле, чтобы иметь возможность сравнивать ток при различных длинах пробега электронов.
(рис.
6.4).
Рис.
6.4. Пример характеристик магнетронного манометра, основанного на рассеянии электронов в газе.
В умозрительном случае идеальный датчик такой конструкции состоит из двух бесконечно длинных цилиндров, осесимметрично вложенных один в другой, и магнитного поля, направление которого абсолютно совпадает с осью системы.
Такой датчик теоретически способен измерять любое бесконечно малое значение давления (однако для этого может потребоваться бесконечно большое время ожидания появления электронного тока в анодной цепи датчика).
Реальный датчик имеет ограниченные размеры и не может иметь идеального совпадения геометрической оси и оси магнитного поля.
Эти факторы создают процессы движения электронов вдоль оси магнетрона от центра системы, где их движение близко к теоретически идеальному, к краям цилиндров, где начинают действовать краевые эффекты, выбрасывающие электрон на «орбиту».
», что ближе к аноду (рис.
6.5).
Рис.
6.5. Траектории электронов (1) в реальной конструкции магнетронного датчика на основе рассеяния электронов в газе, рассчитанные с использованием математической модели.
(2) - тело катода, (3) анод, (4) излучающая поверхность катода.
Таким образом, реальный датчик имеет фоновый сигнал, не зависящий от давления, ограничивающий диапазон измеряемых давлений примерно до 10 -5 Торр (в реализованной компоновке устройства).
Возможна ли разработка промышленного образца такого датчика? Я считаю, что у этого изобретения есть такой потенциал.
При этом наша компания будет заниматься такой работой либо в текущем неторопливом режиме, либо, при наличии заказчика-инвестора, в режиме практического бизнес-проекта.
Более того, технологии и конструктивные решения, используемые в датчиках этого типа, близки к тому, что мы используем или осваиваем в других наших проектах.
Например, УФ-фотокатоды, измерители сверхмалого тока и т. д. Источники, использованные в статье: 1) Базылев В.
К.
// Изв.
РАН.
Сер.
Физ.
- 2000 - Т.
64 - № 7 - С.
1382 – 1383 2) В.
К.
Базылев, А.
М.
Жидков // «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ОТКРЫТОМ МАГНЕТРОНЕ С ПРЯМЫМ КАТОДОМ - ISSN 1995-4565. Вестник РГРТУ.
2015 № 54 Часть 2 3) В.
К.
Базылев, Д.
М.
Суворов, А.
М.
Жидков, Д.
Ю.
Тарабрин // ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОТЕЧЕНИЯ ТОКА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ МАГНЕТРОНЕ С ИНДУКЦИЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ БОЛЬШЕ КРИТИЧЕСКОГО И МАЛОГО УРОВНЯ? МИССИЯ - УДК620.179.1:621.385.64 4) В.
К.
Базылев, А.
М.
Жидков // ГЛАВНЫЙ ФАКТОР ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА МОЛЕКУЛАХ ГАЗА - ISSN 1995-4565. Вестник РГРТУ.
2018 № 65 Теги: #Популярная наука #Производство и разработка электроники #вакуумметр #рассеяние электронов
-
Ускорьте Свой Компьютер За 5 Простых Шагов
19 Oct, 24 -
Переосмысление Бесплатного
19 Oct, 24 -
Шаг 2. Настройка Интернета
19 Oct, 24 -
Веб-Интерфейсы Без Использования Колеса Мыши
19 Oct, 24 -
Комплект Юного Биохакера
19 Oct, 24 -
Задача Визуализации
19 Oct, 24 -
Robojournal И Carmawidget, Тестирование!
19 Oct, 24
