§ 6.7. Радиоизотопные преобразователи

В радиоизотопных преобразователях для ионизации газа используется а- или р-излучение радиоактивных изотопов: ²²⁶Ra, ³⁹Pu, ²³⁸Pu, ³Н и т. д. Особенно эффективно использование а-излучения. Энергия а-частиц (двухзарядных положительных ионов гелия), возникающих при радиоактивном распаде, составляет (4,5... 5,5) 10⁶ эВ. В связи с этим в радиоизотопных преобразователях не требуется накаленного катода и высокого напряжения, как в электронных и магнитных преобразователях.

При взаимодействии с молекулами газов a-частицы вызывают их ионизацию, причем количество образованных положительных ионов пропорционально давлению. Измерительное уравнение радиоизотопного преобразователя имеет вид К=К_тр, где К_r — чувствительность преобразователя. Преобразователи обычно градуируются по воздуху или азоту (для воздуха R_в=10^-10... 10^-11 А/Па). Для определения чувствительности к другим газам можно пользоваться представленными в табл. 6.1 значениями R_T = K_T/K_B.

Радиоизотопный преобразователь (рис. 6.12) состоит из выполненного в виде стержня коллектора /, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3. Вылетающие из радиоизотопного источника а-частицы, соударяясь с молекулами остаточных газов, образуют положительные ионы, которые под действием разности потенциалов между анодом и коллектором (~50 В) направляются к коллектору, вызывая в его цепи ионный ток, пропорциональный давлению.

Нижний предел рабочих давлений определяется фоновым током, возникающим при бомбардировке коллектора а-частицами. Этот ток имеет две составляющие, первая связана с положительным зарядом самих а-частиц, а вторая — с возникновением тока вторичной электронной эмиссии с коллектора. Нижний предел измерения давления радиоизотопного манометра составляет 10^-1... 10^-2 Па. Для расширения диапазона рабочих давлений в некоторых преобразователях коллектор защищен экранами или расположен вне зоны видимости источника а-частиц. При этом нижний предел измеряемых давлений может быть снижен еще на два порядка. Этого же можно достигнуть увеличивая габариты преобразователя, что сопровождается повышением чувствительности без измерения значения фонового тока.

Верхний предел измеряемых давлений обусловлен независимостью от давления газа р ионного тока на коллектор после того, как длина пути, проходимая в газе а-частицей с энергией Е_а до полной потери энергии, будет меньше размеров преобразователя:

здесь Еш — энергия ионизации молекулы газа; L — средняя длина свободного пути а-частицы при единичном давлении. При Е_а = = 4,79-10⁶ эВ (для радия), Е=15 эВ, L1 = 5-10^-1 см/Па и р =10⁵ Па получим из (6.13) L_a=l,6 см.

Таким образом, максимальная длина пробега a-частицы в преобразователе с верхним пределом, равным атмосферному давлению, не должна превышать 1,6 см.

Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей составляет 10⁵... 10^-2 Па, но обычно его не удается реализовать в одном приборе. Широкодиапазонные конструкции преобразователей выполняются с двумя камерами: большого и малого размеров. Характеристики отечественного радиоизотопного вакуумметра приведены в табл. П.10.