RU2649066C1 - Ion gauge of orbitron type - Google Patents
Ion gauge of orbitron type Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649066C1 RU2649066C1 RU2016152607A RU2016152607A RU2649066C1 RU 2649066 C1 RU2649066 C1 RU 2649066C1 RU 2016152607 A RU2016152607 A RU 2016152607A RU 2016152607 A RU2016152607 A RU 2016152607A RU 2649066 C1 RU2649066 C1 RU 2649066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- potential
- cylindrical
- length
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L21/00—Vacuum gauges
- G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к технике измерения высокого и сверхвысокого вакуума и может быть использовано при создании ионизационных вакуумметров с пределами измерения от 1 Па до 10-11 Па.The present invention relates to techniques for measuring high and ultrahigh vacuum and can be used to create ionization vacuum gauges with measurement limits from 1 Pa to 10 -11 Pa.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума широко используются ионизационные манометрические преобразователи орбитронного типа (Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Обзор Scientific Instruments, 1964. том 35, № 6, стр. 661-665; или Востров Г. А., Розанов Л. Н. Вакуумметры, Ленинград, изд. Машиностроение, 1967, 236 с.). Электродная система таких манометрических преобразователей содержит два длинных концентрических цилиндра - внутренний, являющийся анодом, и наружный, являющийся коллектором ионов, термоэлектронный катод, размещенный вблизи одного из торцов цилиндров, и стержень, расположенный между катодом и анодом и обеспечивающий локальную экранировку катода от потенциала анода. В рабочем диапазоне измеряемых давлений ток коллектора ионов пропорционален давлению газа. С помощью такого преобразователя обеспечивается измерение давления в диапазоне от 10-3 до 10-9 Па.Orbitron-type ionization gauges (Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Scientific Instruments Review, 1964. Volume 35, No. 6, pp. 661-665; or Vostrov G.A., Rozanov L.N. Vacuum gauges, Leningrad, ed. Engineering, 1967, 236 p.). The electrode system of such manometric transducers contains two long concentric cylinders - the inner one, which is the anode, and the outer one, which is the ion collector, the thermionic cathode, located near one of the cylinder ends, and the rod, located between the cathode and the anode and providing local screening of the cathode from the anode potential. In the operating range of the measured pressures, the ion collector current is proportional to the gas pressure. Using this transducer, a pressure measurement in the range of 10-3to 10-9 Pa
Измерение давления газа ниже 10-9 Па ограничено мягким рентгеновским излучением электронов при их торможении на аноде и эмиссией положительных ионов из катода. Эти факторы создают составляющую тока коллектора ионов, которая не зависит от давления. Когда она по мере уменьшения давления становится сравнимой с ионным током, возникает недопустимая погрешность измерения давления, что определяет нижний предел измерения.The measurement of gas pressure below 10 -9 Pa is limited by soft X-ray emission of electrons when they are braked at the anode and emission of positive ions from the cathode. These factors create an ion collector current component that is independent of pressure. When it becomes comparable with the ion current as the pressure decreases, an unacceptable error in the measurement of pressure occurs, which determines the lower limit of measurement.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является манометрический преобразователь орбитронного типа Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Обзор Scientific Instruments, 1964, том 35, № 6, стр. 661-665, или Meyer E. A., Herb R. G. Performance Study of the Orbitron Ionization Gauge, журнал Vacuum Science & Technology, 1967, том 4, № 2, стр.63-70). Схема известного манометрического преобразователя приведена на фиг. 1.Closest to the claimed technical solution is a manometric orbitron type transducer Mourad W. G., Pauly T., Herb R. G. Orbitron Ionization Gauge, Scientific Instruments Review, 1964, Volume 35, No. 6, pp. 661-665, or Meyer E. A., Herb R. G. Performance Study of the Orbitron Ionization Gauge, Vacuum Science & Technology, 1967,
Манометрический преобразователь содержит прямонакальный катод 1 (фиг. 1) в виде тонкой нити, стержневой экран 2, который одновременно подводит ток накала катода, цилиндрический анод 3, цилиндрический коллектор 4 ионов, имеющий нулевой потенциал, и цилиндрический рефлектор 5, экранирующий пространство 6 вблизи катода от высокого около 500В потенциала анода 3.The pressure gauge contains a straight filament cathode 1 (Fig. 1) in the form of a thin filament, a
Электроны с катода 1 ускоряются электрическим полем в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, поскольку их движению к аноду 3 препятствует экран 2. Одновременно они получают небольшое ускорение вдоль оси анода 3. В результате формируются спиралеобразные траектории электронов, направленные к незакрепленному концу анода 3, вблизи которого осевая составляющая электрического поля у конца анода изменяет направление спирали на противоположное. Вблизи закрепленного конца анода 3 смена направления спирали повторяется. The electrons from the
После множества возвратно-поступательных движений электронов вдоль оси анода 3 до сотен раз с одновременным вращением вокруг нее до тысяч оборотов электроны попадают на анод 3 за счет постепенного искривления траекторий локальным электрическим полем катода 1. При этом путь электронов до ухода на анод 3 на несколько порядков больше, чем в обычных ионизационных манометрах и составляет около 100м, и, соответственно, больше число ионизирующих ударов электронов с молекулами остаточных газов. Рефлектор 5, имеющий небольшой отрицательный потенциал, способствует удлинению траекторий электронов до попадания на анод 3.After many reciprocating movements of the electrons along the axis of the
Ионы под действием электрического поля уходят на коллектор 4, ток которого является мерой давления газов при постоянном контролируемом значении тока электронов между катодом 1 и анодом 3. Чувствительность манометрических преобразователей орбитронного типа на несколько порядков больше, чем обычных манометрических преобразователей.Ions under the influence of an electric field go to a
Большая длина пути электронов обеспечивается при определенном значении потенциала катода, около 10% от потенциала анода, от которого зависят азимутальная и осевая составляющие скорости электронов, а, следовательно, и фаза спирали, соответствующая взаимодействию электрона с локальным полем катода. При отклонении потенциала катода 1 от оптимального значения взаимодействие становится «неудачным» и после небольшого числа витков спирали электрон уходит на анод 3 и его путь оказывается малым.A large electron path length is provided at a certain value of the cathode potential, about 10% of the anode potential, on which the azimuthal and axial components of the electron velocity depend, and, consequently, the spiral phase corresponding to the interaction of the electron with the local cathode field. When the potential of the
Аналогичный эффект происходит, если электроны стартуют с участков катода 1, удаленных от его центра, или под углом к нормали плоскости чертежа. Это является причиной одного из недостатков манометрического преобразователя орбитронного типа, поскольку интенсивность мягкого рентгеновского излучения, ограничивающего нижний предел измерения, пропорциональна общему количеству электронов, поступающих на анод, а полезный сигнал, т.е. ток ионов, пропорционален только части анодного тока, связанной с электронами, перемещающимися по спирали и имеющими длинный путь. Другим недостатком указанного манометрического преобразователя орбитронного типа является отсутствие защиты коллектора 4 ионов от тока положительных ионов, эмитируемых с поверхности катода 1. На первый взгляд, такая защита имеется, поскольку потенциалы прикатодной области пространства на несколько десятков вольт выше, чем катода. Однако оказывается, что ионы могут перемещаться вдоль траверза катода 1 до области с меньшим потенциалом и уходить на коллектор 4.A similar effect occurs if the electrons start from sections of the
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание манометрического преобразователя орбитронного типа, в котором обеспечивается расширение пределов измерения в сторону малых давлений, а также снижение погрешности измерения давления.The technical problem to which the invention is directed is the creation of an orbitron type gauge converter, in which the expansion of the measurement limits towards low pressures, as well as the reduction of the pressure measurement error, is provided.
Поставленная задача решена путем создания ионизационного манометра орбитронного типа, который содержит размещенные в цилиндрическом корпусе на одном его торце The problem is solved by creating an ionization gauge of the orbitron type, which contains placed in a cylindrical body at one of its ends
цилиндрический анод, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт,a cylindrical anode having a positive potential of about several hundred volts,
цилиндрический коллектор ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод, и имеющий длину, в несколько раз превышающую его диаметр,a cylindrical ion collector with zero potential, in which said cylindrical anode is coaxially placed and having a length several times its diameter,
термоэлектронный катод, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода и составляет около нескольких десятков вольт, выполненный в виде отрезка проволоки и размещенный параллельно оси анода на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода,thermionic cathode having a positive potential that is lower than the potential of the anode and is about several tens of volts, made in the form of a piece of wire and placed parallel to the axis of the anode at a distance from the anode surface in the radial direction equal to the length of the thermionic cathode,
цилиндрический рефлектор, концентрический с анодом и размещенный напротив катода,a cylindrical reflector concentric with the anode and placed opposite the cathode,
при этом конец катода размещен на расстоянии от торца рефлектора в осевом направлении, равном длине катода,the end of the cathode is placed at a distance from the end of the reflector in the axial direction equal to the length of the cathode,
электрический экран, имеющий потенциал катода, расположенный между анодом и катодом и препятствующий движению электронов к аноду по прямолинейной траектории,an electric screen having a cathode potential located between the anode and cathode and preventing the movement of electrons to the anode along a rectilinear path,
при этом термоэлектронный катод и электрический экран образуют катодный узел, иwherein the thermionic cathode and the electric screen form a cathode assembly, and
корпус содержит патрубок для соединения с вакуумной системой,the housing contains a pipe for connecting to a vacuum system,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
электрический экран катодного узла выполнен в виде металлического стакана, окружающего термоэлектронный катод и распложенного соосно с ним, так что дно стакана обращено к патрубку корпуса, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода направлении, причем один конец катода электрически соединен с дном металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском с отверстием, через которое проходит траверза, электрически связанная с другим концом катода.the electric screen of the cathode assembly is made in the form of a metal cup surrounding the thermionic cathode and arranged coaxially with it, so that the bottom of the cup faces the nozzle of the housing, and a slot hole is made on the side surface of the cup for electrons to exit, mainly in the azimuthal direction with respect to the anode axis, with one end the cathode is electrically connected to the bottom of the metal cup, and on the opposite side the cup is closed by a dielectric disk with an opening through which the traverse passes, eski connected to the other end of the cathode.
Предпочтительно, отрезок проволоки, из которой выполнен термоэлектронный катод, имеет длину около 5 мм и диаметр около 50 мкм.Preferably, the length of wire from which the thermionic cathode is made has a length of about 5 mm and a diameter of about 50 microns.
Предложенная конструкция катодного узла обеспечивает уменьшение количества электронов, попадающих на анод «по короткому пути», т.е. без большого числа оборотов вокруг анода, и защищает коллектор ионов от попадания на него положительных ионов, эмитируемых катодом, что в свою очередь, обеспечивает.The proposed design of the cathode assembly provides a decrease in the number of electrons entering the anode “along a short path”, i.e. without a large number of revolutions around the anode, and protects the ion collector from contact with positive ions emitted by the cathode, which in turn provides.
Манометрический преобразователь орбитронного типа, согласно изобретению, содержит расширение пределов измерения в сторону малых давлений, а также снижение погрешности измерения давления.The orbitron type pressure gauge according to the invention comprises expanding the measurement limits towards low pressures, as well as reducing the pressure measurement error.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг. 1 изображает известный манометрический преобразователь орбитронного типа;FIG. 1 depicts a known orbitron type gauge transducer;
Фиг. 2 изображает схематично катодный узел ионизационного манометрического преобразователя, согласно изобретению;FIG. 2 schematically shows a cathode assembly of an ionization gauge transducer according to the invention;
Фиг. 3 изображает схематично манометрический преобразователь орбитронного типа, согласно изобретению.FIG. 3 depicts schematically an orbitron type gauge converter according to the invention.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретенияDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Ионизационный манометр 7 орбитронного типа (фиг. 2), согласно изобретению, содержит размещенные в цилиндрическом корпусе 8 на одном его торце 9 цилиндрический анод 10, имеющий положительный потенциал около несколько сотен вольт, цилиндрический коллектор 11 ионов с нулевым потенциалом, в котором соосно размещен указанный цилиндрический анод 10. Коллектор 11 имеет длину, которая в несколько раз превышает его диаметрThe orbitron type ionization manometer 7 (Fig. 2), according to the invention, comprises a
В корпусе 8 размещен также термоэлектронный катод 12, имеющий положительный потенциал, который ниже потенциала анода 10 и составляет около нескольких десятков вольт. Катод 12 выполнен в виде отрезка проволоки и размещен параллельно оси анода 10 на расстоянии от поверхности анода в радиальном направлении, равном длине термоэлектронного катода 12.In the
В описываемом варианте выполнения отрезок вольфрамовой проволоки, из которой выполнен термоэлектронный катод, имеет длину около 3-5 мм и диаметр около 50-100 мкм.In the described embodiment, the tungsten wire segment from which the thermionic cathode is made has a length of about 3-5 mm and a diameter of about 50-100 μm.
В корпусе 8 размещен также цилиндрический рефлектор 13, концентрический с анодом 10 напротив катода 12, при этом конец 14 катода размещен на расстоянии от торца 15 цилиндрического рефлектора 13 в осевом направлении, равном длине катода 12.A
В корпусе 8 размещен электрический экран 16, имеющий потенциал катода 12, расположенный между анодом 10 и катодом 12 и препятствующий движению электронов к аноду по прямолинейной траектории.An
Корпус 8 выполнен стеклянным и содержит патрубок 17 для соединения с вакуумной системой (не показана).The
Термоэлектронный катод 12 и электрический экран 16 образуют катодный узел 18.The
Коллектор 11 закреплен в корпусе 8 на двух вводах 19 и 20, которые приварены к траверзам 21, 22. Рефлектор 13 закреплен на вводе, приваренном к траверзе 24. Анод 10 соединен с вводом 25, на который подается напряжение 300-500 В. Катод 12 закреплен на вводе 26, закрепленном на траверзе 27, на который подается напряжение накала 30В, при этом на электрический экран 16, закрепленный на траверзе 28, подается напряжение накала 32 В. Таверза 27 имеет форму проволоки или полоски.The
Электрический экран 16 (фиг. 3) катодного узла 18 согласно изобретению выполнен в виде металлического стакана из фольги, окружающего термоэлектронный катод 12 и распложенного соосно с ним, так что дно 29 стакана обращено к патрубку 17 корпуса 8, а на боковой поверхности стакана выполнено щелевое отверстие 30 для выхода электронов преимущественно в азимутальном относительно оси анода 10 направлении, т.е. перпендикулярно плоскости X-Y чертежа. При этом один конец катода 12 электрически соединен с дном 29 металлического стакана, а с противоположной стороны стакан закрыт диэлектрическим диском 31 с отверстием 32, через которое проходит траверза 27, электрически связанная с концом 33 катода 12.The electric screen 16 (Fig. 3) of the
Другой конец катода 12 проходит через отверстие 34 в дне стакана и электрически соединяется с второй траверзой 28, которая электрически соединена с экраном 16The other end of the
Работа манометрического преобразователя орбитронного типа осуществляется следующим образом.The work of the gauge orbitron type converter is as follows.
Напряжение накала катода 12 прилагается между траверзами 27 и 28 (фиг. 3). Одновременно на траверзу 28 и экран 16 подается положительный потенциал порядка 10% от потенциала анода 10. Коллектор 11 ионов имеет нулевой потенциал. Заданные потенциалы формируют электрическое поле, которое проникает через щель 30 экрана 16, ускоряет эмитированные с центральной части катода 12 электроны и формирует из них пучок определенной конфигурации, распространяющийся в заданном направлении. Траектории электронов в соответствии с принципом работы манометрического преобразователя орбитронного типа имеют спиралеобразный вид, как это описано выше.The glow voltage of the
Наличие экрана с выходной щелью 30 по сравнению с известной конструкцией значительно уменьшает количество электронов, проходящих недостаточно длинный путь до ухода на анод, и обеспечивает более высокое значение отношения полезного сигнала (тока ионов) к фоновому току, обусловленному рентгеновским излучением.The presence of a screen with an exit slit 30, in comparison with the known construction, significantly reduces the number of electrons passing an insufficiently long path before leaving the anode, and provides a higher ratio of the useful signal (ion current) to the background current due to x-ray radiation.
Одновременно устраняется влияние фонового тока, связанного с эмиссией положительных ионов из катода 12, они не выходят через щель 30, поскольку точки пространства в ней имеют положительные потенциалы, а движению ионов вдоль траверзы 27 препятствует изолятор 31.At the same time, the influence of the background current associated with the emission of positive ions from the
Таким образом, применение предлагаемой конструкции катодного узла 18 с электрическим экраном 16 в форме стакана, имеющим небольшое отверстие 30 для выхода электронов, и изолятор 31, препятствующий выходу из экрана 16 положительных ионов, эмитированных катодом 12, позволяет расширить нижний предел измерения манометрического преобразователя орбитронного типа до 10-11 Па и одновременно снизить погрешность измерения давления.Thus, the use of the proposed design of the
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016152607A RU2649066C1 (en) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Ion gauge of orbitron type |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016152607A RU2649066C1 (en) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Ion gauge of orbitron type |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2649066C1 true RU2649066C1 (en) | 2018-03-29 |
Family
ID=61867184
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016152607A RU2649066C1 (en) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Ion gauge of orbitron type |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2649066C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771640C1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина" | Wide-range gauge head |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3449660A (en) * | 1966-08-10 | 1969-06-10 | Wisconsin Alumni Res Found | Orbitron electronic vacuum gauge having second anode for collecting scattered electrons |
SU402771A1 (en) * | 1971-03-31 | 1973-10-19 | IONIZATION MANOMETER | |
US5422573A (en) * | 1990-04-11 | 1995-06-06 | Granville-Phillips Company | Ionization gauge and method of using and calibrating same |
US7847559B2 (en) * | 2006-10-26 | 2010-12-07 | Brooks Automation, Inc. | Method and apparatus for shielding feedthrough pin insulators in an ionization gauge operating in harsh environments |
US8169223B2 (en) * | 2008-05-07 | 2012-05-01 | Tsinghua University | Ionization vacuum gauge |
-
2016
- 2016-12-30 RU RU2016152607A patent/RU2649066C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3449660A (en) * | 1966-08-10 | 1969-06-10 | Wisconsin Alumni Res Found | Orbitron electronic vacuum gauge having second anode for collecting scattered electrons |
SU402771A1 (en) * | 1971-03-31 | 1973-10-19 | IONIZATION MANOMETER | |
US5422573A (en) * | 1990-04-11 | 1995-06-06 | Granville-Phillips Company | Ionization gauge and method of using and calibrating same |
US7847559B2 (en) * | 2006-10-26 | 2010-12-07 | Brooks Automation, Inc. | Method and apparatus for shielding feedthrough pin insulators in an ionization gauge operating in harsh environments |
US8169223B2 (en) * | 2008-05-07 | 2012-05-01 | Tsinghua University | Ionization vacuum gauge |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771640C1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина" | Wide-range gauge head |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7332714B2 (en) | Quadrupole mass spectrometer and vacuum device using the same | |
JP6964202B2 (en) | Gas analysis with reverse magnetron source | |
US6025723A (en) | Miniature ionization gauge utilizing multiple ion collectors | |
US3280326A (en) | Mass filter with sheet electrodes on each side of the analyzer rod that intersect on the ion beam axis | |
US8410433B2 (en) | Mass spectrometer | |
RU2649066C1 (en) | Ion gauge of orbitron type | |
US2573005A (en) | Ionization gauge and method of operation | |
US4833921A (en) | Gas pressure measurement device | |
US3742343A (en) | Ion gauges | |
US2937295A (en) | Ionization gauge for the measurement of low pressures | |
US2225455A (en) | Cathode ray device | |
US3906237A (en) | Ion gauges | |
US20100012851A1 (en) | Multi-Anode Ionization Chamber | |
US3387175A (en) | Vacuum gauge having separate electron collecting and electron accelerating electrodes | |
USRE25369E (en) | Ionization gauge for the measurement of low pressures | |
US2835839A (en) | Wide range proportional counter tube | |
US2870358A (en) | Ionization manometer | |
US2328259A (en) | Polar coordinate cathode-ray tube | |
US2913630A (en) | Ion gauge | |
US2963601A (en) | Ionization vacuum gauge | |
US2506589A (en) | Apparatus for the detection of displacements | |
US20220157552A1 (en) | X-ray tube for analysis | |
US3509418A (en) | Ionization manometer including means for modulation of terminal grids | |
JP7370899B2 (en) | x-ray tube | |
RU2656091C1 (en) | Ion gage head |