Измерение вакуума (часть 4). «Орбитрон», где на орбиту выводят электроны

Выдался заслуженный выходной, и я решил продолжить свой цикл научно-популярных статей по тематике измерения вакуума.

Некоторым может показаться, что измерение, как и создание вакуума, тема далёкая от IT-индустрии. Те, кто так считает, решительно не правы! Дело в том, что вакуумная техника является краеугольным камнем в полупроводниковой индустрии. Причём, чем меньше размерность техпроцесса вы хотите достигнуть, тем более низкое давление должны обеспечивать вакуумные установки, использующиеся в производстве. Естественно, что точность измерения вакуума играет в данном случае очень важную роль.

В традиционных ионизационных манометрических датчиках есть достаточно неприятный, требующий учёта важный фактор, ограничивающий их точность измерения в области сверхвысокого вакуума. Заключается он в процессах, происходящих прежде всего на аноде датчика под действием электронной бомбардировки во время измерения.

Дело в том, что анод ионизационного датчика, как и любой металлический элемент вакуумной конструкции, имеет свойство накапливать в себе различный газ из атмосферы ( в любую техническую вакуумную систему периодически напускается воздух ) через процессы адсорбции на поверхности + диффузия молекул газа в глубину материала ( абсорбция ). Причём, количество накапливаемого в металле анода газа тем больше, чем больше его размер ( масса и площадь поверхности ). По мере уменьшения давления в вакуумной системе газ из анода датчика начинает выделяться обратно в объём вакуумной установки, но процесс естественной дегазации очень медленный. Как только ионизационный датчик включается в работу, то скорость выделения газа из его анода резко возрастает под влиянием бомбардировки электронным потоком, что искажает результаты измерений.

На рис.4.1 схематично представлен типичный график изменения показаний ионизационного вакуумметра после его включения. Сперва давление резко растёт ( бывает, что и в несколько раз ), а затем скорость выделения газов становится ниже скорости откачки насосами и самим датчиком, поэтому регистрируемое давление начинает падать.

Зная про описанный процесс, конструкторы датчиков пытаются с ним бороться путём:

1) Уменьшения геометрических размеров анода ( снижение количества металла ).

Для каждой конструкции датчика есть оптимальный геометрический размер анода для получения максимального коэффициента преобразования тока первичных электронов в ионный ток. Например, в случае анода-сетки увеличение толщины проволоки больше оптимальной ведёт к повышенному перехвату сеткой электронов и снижению вероятности ионизации газа в связи с уменьшением длины траекторий электронов. При уменьшении толщины проволоки приводит к снижению средней энергии электрона, что так же снижает вероятность ионизации и чувствительность датчика.

2) Выбор материала для анода, который имеет минимальную поглощающую способность ( как правило для этого металл должен быть максимально чистым без активных присадок ).

3) Введение в конструкцию датчика ( или вакуумметра ) режима прогрева анода ( режим «дегазация» ). ( Как правило, анод прогревают либо пропусканием через него электрического тока, либо повышением в разы величины электронного тока с катода ).

И в том, и в другом случае надо понимать, что абсолютной дегазации анода быть не может, так как всегда в конечном итоге скорость удаления газов из анода сравняется со скоростью поступления газа из вакуума на анод. Поэтому, дегазированный при давлении газа, допустим, 10^-5 Торр анод датчика будет «прекрасным» источником газа в вакуум при давлении 10^-7 Торр.

Казалось бы, снизив величину электронного тока в датчике можно пропорционально уменьшить газовыделение из его анода. Однако, такое снижение автоматически приведёт к уменьшению ионного тока и потребует применения всё более чувствительных измерителей для регистрации сверхмалых давлений.

Исходя из вышеописанного, эффект газовыделения анода ионизационного датчика требует для получения максимальной реальной точности измерений разработки, фактически, собственной технологии таких измерений для каждого конкретного типа вакуумных технологических процессов и применяемого вакуумметрического оборудования.

Но, кроме организационных путей, есть ещё путь путь поиска более оптимальной конструкции датчика, в котором процессы газовыделения из электродов существенно снижены, относительно традиционного сверхвысоковакуумного Байярд-Альперт. Для этого, очевидно, необходимо существенно увеличить полезную длину траектории электрона, а ( что бы верхний предел измеряемого давления не снижался ) участок траектории электронов, где ионизация газа не создаёт ионного тока в коллекторе ионов, соответственно, уменьшить. На подобном пути родилась в 1964-м году конструкция датчика типа «Orbitron», фактически единственной на данный момент конструкции, где без дополнительных магнитных полей реализуется очень большая длина полезных траекторий электронов.

Конструктивно такой датчик представляет из себя аксиально-симметричную конструкцию, состоящую из анода, в виде тонкой проволоки, расположенной по оси прибора, и цилиндрического коллектора ионов. Катод орбитронного датчика имеет малые размеры и ограничен экранами так, что эмитированные из него электроны входят в электростатическое поле между двумя концентрическими цилиндрами, имея определенные значения энергии и углового момента движения, обеспечивающие очень большой ( до 10000 см ) средний путь электронов до попадания на анод. Благодаря этому прибор позволяет измерять давление в области сверхвысокого ( давления до 10–11 Торр и ниже ) вакуума, при существенно сниженных присущих традиционным ионизационным датчикам неоднозначностей результатов измерения давления.

Сразу скажу, что мне не известны промышленные конструкции подобных датчиков. Однако, описание экспериментальных конструкций на орбитронном принципе периодически появляются в научных публикациях. Несколько лет назад группа ученых из Рязанского Государственного Радиотехнического Университета при поддержке нашей компании сконструировали и испытали практическую конструкцию подобного типа, фактически подтвердив возможность создания серийного измерителя сверхвысокого вакуума ( статью можно найти в Вестник РГРТУ. 2019. № 70 / Vestnik of RSREU. 2019. No 70 ) .

Я не буду тут описывать много технических и математических подробностей, приведу лишь несколько, самых интересных, на мой взгляд, иллюстраций из упомянутой статьи.

По расположению электродов в датчике и потенциалов на них видно, что здесь весь объём конструкции является полезным и количество ионов, которые бы попали не на коллектор ионов, а на катод, минимально.

Электроны, эмитированные с катода, в подобном датчике не могут сразу попасть на тонкий анод, а совершают вокруг него множество оборотов. Подобрав потенциал боковых экранов и анода датчика можно добиться очень большой длины траектории электронов, дающих большую величину коэффициента преобразования электронного тока в ионный ( на порядки больше, чем в традиционном Байярд-Альперт ), что позволяет эксплуатировать орбитрон при величинах тока катода на порядки меньше, чем в широко применяемых датчиках ( несколько микроампер и ниже ), существенно снизив газовыделение из анода и катода прибора, искажающее результаты вакуумметрирования.

Ниже будет рисунок, где изображены 3 варианта траектории одного электрона, вылетевшего из катода орбитрона, полученные в результате математического моделирования для разных потенциалов на электродах датчика.

Ниже будет фотография макета подобного датчика, собранного в лабораторных условиях.

Дополнительной отличительной особенностью нашего орбитрона от ранее описанных подобных датчиков являются малые размеры ( меньше традиционных ПМИ-2 и Байярд-Альперт ) и более простая конструкция катодного узла.

На мой взгляд, такой датчик ( при промышленной реализации конструкции ) мог бы стать основой для принципиально иного вакуумметра, имеющего ещё и отличный от традиционных приборов принцип взаимодействия с ионизационным датчиком, о котором я постараюсь написать в следующей статье.

За материал для данной статьи я хочу отдельно поблагодарить своих учителей и товарищей Коротченко В.А., Базылева В.К., Прадеда В.В. внёсших основной научно-технический вклад в проработку данной тематики.