Сравнение вакуумных датчиков с холодным и горячим катодами

Линейная зависимость тока в цепи коллектора от давления является одним из наиболее значимых достоинств данного типа датчиков. Датчики выпускаются как активного, так и пассивного типа, и в некоторых случаях не требуют подключения к контроллеру.

Любой датчик Байрда-Альперта, в зависимости от его состояния и давления системе, может быть источником поглощения (откачки) или выделения (обезгаживания) газа. Работа этих датчиков может вызвать значительное изменение в составе остаточной атмосферы системы. Относительный вклад этих эффектов зависит от условий работы и размера вакуумной системы. Существуют датчики с открытым манометрическим преобразователем для установки внутри камеры – таким образом, исключается погрешность, связанная с проводимостью отверстия, к которому подключен датчик.

Особенности датчиков с горячим катодом

• В датчиках с горячим катодом ионизирующие электроны, образовавшиеся входе термоэлектронной эмиссии катода, ускоряются специальной системой электродов в ионизационное пространство, вызывая ионизацию молекул газа остаточной атмосферы за счет соударения с ними. Тонкая проволока (коллектор), расположенная в центре ионизационной камеры, регистрирует образовавшиеся катионы.
• Еще одна особенность – наличие задержки между включением датчика и началом измерения. Необходимо дождаться установления термического равновесия между датчиком и его окружением.
• Термостабилизация зависит как от состояния датчика, так и самой вакуумной системы и может занять как несколько минут, так и несколько часов. Таким образом, перед началом измерения датчик необходимо отжечь и обезгазить для повышения точности и воспроизводимости результатов измерения.
• Показания датчиков Байрда-Альперта зависят от типа газа из-за наличия различного рода ионизационных эффектов и поэтому калибруются обычно по азоту (по аргону чаще всего калибруются в полупроводниковой промышленности).
• Погрешность измерения калиброванного датчика составляет порядка 15-20% при воспроизводимости 2%, что намного выше и точнее, чем у датчиков с холодным катодом.
• Нижний предел измерения прибора – обычно порядка 10^-10 Торр – вызван электронно-стимулированной десорбцией и паразитным током в цепи коллектора (предел по рентгеновскому излучению).
• Верхний предел обусловлен окислением и прочими химическими реакциями между нитью накаливания и остаточной атмосферой.
• Стеклянная оболочка датчика проницаема для гелия, что необходимо учитывать при течеискании.
• Датчики не подходят для измерения давления в тех случаях, где давление в ходе процесса может повышаться до 10^-2 мбар.

Существуют несколько разновидностей датчиков с холодным катодом:

1. Пеннинга.
2. Магнетронный.
3. Инвертированный магнетронный.
4. Двойной инвертированный магнетронный.

Во всех указанных типах датчиков для ионизации используются захваченные в ловушку электроны между скрещенными электрическим и магнитным полями. Высокое напряжение обычно лежит в диапазоне 2÷6 кВ, а магнитное поле в диапазоне 1-2 кГ. Электронная плазма, ответственная за ионизацию, образуется при случайной эмиссии электронов на катоде.

Особенности датчиков с холодным катодом

• Датчики с холодным катодом обычно измеряют давление в диапазоне 10^-2÷10^-9 Торр. Верхний предел измерения ограничен максимальным током, нагревом и распылением электродов. Обычно верхний предел равен 10^-4 Торр. Нижний предел обусловлен проблемами образования разряда и экспоненциальной зависимостью ионного тока от давления.
• Датчики с холодным катодом входят в стабильный режим работы быстрее, чем датчики с горячим при давлении в диапазоне 10^-3÷10^-7 Торр.
• В них отсутствуют нити накаливания, которые могут перегореть.
• Обезгаживание датчика проводить не нужно, так как входная мощность очень низкая и нет какого-либо внутреннего нагрева, который сопровождается газовыделением. Такие датчики никак не влияют на скорость откачки.
• Точность измерения незначительно меняется при работе в сильных магнитных полях, в отличие от датчиков Байрда-Альперта.
• Эти датчики получили широкое распространение в шлюзовых системах из-за отсутствия необходимости обгаживать устройство.
• Датчики с холодным катодом считаются менее точными, чем датчики с горячим и не рекомендованы для использования в качестве эталона сравнения.
• Воспроизводимость этих приборов примерно ±5% , а разброс точности от сенсора к сенсору лежит в диапазоне 25÷30% для инвестированных магнетронов. На погрешность измерения сильно влияет загрязнение ионизационной камеры и наличие масла в откачиваемом объеме.
• Большая часть датчиков с холодным катодом может быть разобрана самостоятельно оператором для проведения технического обслуживания.

В заключении отметим, что выбор технологии для измерения вакуума является ответственной задачей, требующей знания специфических особенностей работы тех и других видов датчиков и условий, в которых датчики будут применяться.