43 ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Страница 9

В.К. Базылев, А.В. Щеглов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, ОСНОВАННОГО НА РАССЕЯНИИ ЭЛЕКТРОНОВ МОЛЕКУЛАМИ ГАЗА, В ОБЛАСТИ ДАВЛЕНИЙ НИЖЕ 0,1 ММ РТ. СТ.

Приведены результаты исследования зависимости манометрической чувствительности от давления газа в области ниже 0,1 мм рт.ст. для метода измерения давления газа, основанного на рассеянии электронов молекулами в скрещенных электрическом и магнитном полях при индукции магнитного поля больше критической. Показано, что снижение манометрической чувствительности обусловлено электрон-электронными столкновениями.

 

Метод измерения давления газа, основанный на рассеянии электронов молекулами в скрещенных электрическом и магнитном полях при индукции магнитного поля больше критической, позволяет измерять давление в диапазоне 10-5 – 760 мм рт. ст. [1].  В области низких давлений, когда средний интервал времени между столкновениями электрона с молекулой больше периода циклоиды, метод базируется на предположении, что электроны могут достичь анода только за счет рассеяния на молекулах.  Из него следует, что среднее время дрейфа электронов к аноду обратно пропорционально давлению. Если использовать для измерения давления информативный параметр, обратно пропорциональный времени пролета, то должна наблюдаться его линейная зависимость от давления. Однако в эксперименте наблюдаются нелинейная зависимость этого параметра и низкая манометрическая чувствительность в области давлений ниже 0,1 мм рт. ст. (при снижении давления на четыре порядка измеряемый информативный параметр уменьшался на порядок). В настоящей работе исследовалась причина уменьшения манометрической чувствительности метода в области давлений ниже 0,1 мм рт.ст.

Методика измерения давления состояла в том, что на анод датчика в виде цилиндрического магнетрона (расстояние между анодом и катодом 2 мм, длина катода 30 мм) подавалось переменное напряжение в виде меандра с амплитудой 7,5 В. Вдоль оси датчика накладывалось магнитное поле с индукцией 63 мТл, много большей критической (6 мТл). Частота меандра увеличивалась от 5 Гц до значения,  при котором постоянная составляющая тока катода уменьшалась в два раза. Эта частота спада (f05) являлась мерой давления газа. Предполагалось, что уменьшение тока происходит на частоте, при которой длительность положительного полупериода напряжения становится соизмеримой с временем дрейфа электронов от катода к аноду.

На рис.1 представ­лена зависимость частоты спада от давления воздуха, которая имеет нелинейный характер. Качественно объ­яснить причину нелиней­ности можно, если допус­тить, что электроны накап­ливаются в межэлектрод­ном промежутке в положи­тельный полупериод анод­ного напряжения. Накоп­ление приводит к тому, что уход электронов на анод становится возможным за счет как электрон-мо­лекулярного рассеяния, так и электрон-электронных взаимодействий. Хотя однопоточного характера движения из-за малой плотности тока эмиссии (4×10-10 А/см2) в соответствии с экспериментальным критерием, приведен­ным в работе [2], быть не могло, имелись другие возможности накопления электронов, например за счет неортогональности векторов магнитного и электрического полей в межэлектродном промежутке, конечной длитель­ности фронтов импульсов напряжения и др. Накопленные за положитель­ный период анодного напряжения электроны должны уходить на торце­вые крышки датчика в отрицательный полупериод, двигаясь вдоль сило­вых линий магнитного поля за счет составляющей скорости, направленной вдоль оси датчика. Если время накопления электронов меньше длительности поло­жительного полупериода анодного напряжения, то с ростом частоты на­пряжения постоянная составляющая тока, текущего на торцевые крышки, должна увеличиваться, поскольку растет число актов накопления и ухода электронов на торцевые крышки в единицу времени. На рис.2 представ­лена зависимость постоянной составляющей тока на торцевые крышки от частоты при давлении остаточного газа 10-6 мм рт. ст., амплитуде меандра 7,5 В и индукции магнитного поля 63 мТл, которая подтвердила предпо­ложение о её росте при увеличении частоты.  Следовательно, можно пред­полагать накопление электронов в межэлектродном промежутке.

Рассеяние электронов на молекулах должно уменьшать скорость их накопления. Поэтому с уменьшением давления скорость накопления должна увеличиваться.  Следовательно, при давлении, когда электрон-молекулярное рассеяние становится сравнимым с электрон-электронным, должен наблюдаться рост частоты f05 при понижении давления. По этой причине на зависимости частоты f05 от давления следует ожидать минимум. Такой минимум наблюдался при использовании в качестве датчика давления магнетрона с накаленным катодом с межэлектродным расстоянием 2 мм и индукцией магнитного поля 195 мТл при амплитуде меандра выше 120 В.  На рис. 3 представлена зависимость частоты спада от давления аргона в диапазоне давлений 0,5×10-7-1,2×10-5 мм рт. ст. при амплитуде напряжения 300 В. Положение минимума смещалось в область низких давлений при уменьшении амплитуды меандра.

Таким образом, уменьшение манометрической чувствительности метода измерения при снижении давления объясняется наличием двух механизмов  ухода электронов из межэлектродного промежутка на анод при индукции магнитного поля больше критической. Один из них  связан с электрон-молекулярным рассеянием, а другой - с электрон-электронным.

 

 


Библиографический список

1. Базылев В.К. // Изв. РАН. Сер. Физ.  2000.  Т. 64.   № 7.  С. 1382 – 1383.

 

2. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Под общ. ред. академика АН УССР А.Я. Усикова. Киев: Наукова думка, 1986. 366 с.

Материал поступил в редколлегию 05.02.02

 

 

 



 
Клапан понижения давления воды еще по теме.