Электронные ионизационные вакуумметры

Принцип действия электронного преобразователя основан на прямой пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов.
Существуют две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором. Основными элементами электронного ионизационного манометрического преобразователя являются прямонакальный катод, анод-сетка и коллектор ионов. Катод может располагаться как в центре сетки-анода, например, в преобразователях ПМИ-3-2 и ПМТ-2 (рис. 3.8а), так и с внешней стороны, например, в преобразователе ПМИ-12-8 и ИМ-12 (рис. 3.8б). В первом случае коллектор охватывает анод; во втором — коллектор располагается по оси преобразователя.

a)                                 б) 
Рис. 3.8. Конструктивные схемы электронных ионизационных
преобразователей:
а) с внешним коллектором (ПМИ-2; ПМИ-3-2);
б) с внутренним коллектором (ИМ-12; ПМИ-12-8);
1 — коллектор; 2 — сетка-анод; 3 — прямонакальный катод

Электрические потенциалы электродов таковы, что создают для электронов ускоряющую разность потенциалов в пространстве между анодом и катодом и замедляющую разность потенциалов в пространстве между анодом и коллектором ионов, причём замедляющая разность потенциалов по величине больше ускоряющей разности потенциалов. Обычно коллектор имеет нулевой потенциал, анод – высокий положительный, катод – небольшой положительный потенциал. Питание манометрического преобразователя осуществляется измерительным блоком вакуумметра.
Электронный ионизационный манометрический преобразователь действует следующим образом. Накаленный прямым пропусканием тока катод испускает электроны. Электроны ускоряются в пространстве между катодом и анодом. Большинство электронов пролетает анод-сетку, попадая в замедляющее электрическое поле. Поскольку замедляющая разность потенциалов больше ускоряющей разности  потенциалов, электроны, не долетая до коллектора ионов, изменяют направление движения. Затем, приобретая скорость в направлении к аноду, электроны вновь пролетают анод-сетку, тормозятся около катода и вновь направляются к аноду. Таким образом, электроны совершают колебательные движения около анода.
На своём пути электроны производят ионизацию газа. Положительные ионы, образовавшиеся в пространстве между анодом и коллектором ионов, притягиваются последним. При постоянном токе электронной эмиссии (Эмиссионный ток в рассматриваемых вакуумметрах устанавливается на уровне 5 мА.) постоянном числе электронов, колеблющихся около анода, количество актов ионизации, т.е. количество образующихся  ионов, будет пропорциональным концентрации молекул газа в пространстве, т.е. давлению. Таким образом, ионный ток коллектора служит мерой  давления газа. Электронный преобразователь имеет неодинаковую чувствительность к различным газам, так как эффективность ионизации зависит от рода газа.
Если преобразователь был проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, то необходимо учитывать относительную чувствительность R, которая представлена в таблице 3.1.
При этом давление газа определяется как

Таблица 3.1
Относительная чувствительность преобразователей

Ионизационные манометры обладают откачивающим действием. Для ламп ПМИ-2 быстрота ионной откачки составляет примерно 0,01 л/с. Верхний предел электронного манометра (10^–2торр) связан быстрым распылением вольфрамового катода. Кроме того, при высоком давлении нарушается линейная зависимость тока от давления, когда средняя длина свободного пробега электрона в объёме прибора становится меньше расстояния между электронами. Увеличение верхнего предела измерения можно достичь за счёт применения специальных воздухостойких иридиевых катодов, а также за счёт уменьшения расстояния между электродами. 
Нижний предел измерения определяется фоновыми токами в цепи коллектора. Фоновые токи возникают либо в результате мягкого рентгеновского излучения анодной сетки, либо, как следствие, автоэлектронной эмиссии  коллектора и ультрафиолетового излучения накального катода, сопровождающихся уходом с коллектора фотоэлектронов. Рентгеновское излучение анодной сетки является результатом её бомбардировки электронами. Автоэлектронная эмиссия коллектора появляется под действием разности потенциалов 200–300 В между коллектором и анодной сеткой. В лампе ПМИ-2 цилиндрический коллектор захватывает почти все рентгеновское излучение сетки, по этому нижний предел измерения манометров с внешним коллектором типа ПМИ-2 составляет 10^–7 торр. 
Фоновые токи имеют одинаковое направление с ионными токами и оказывают одинаковое воздействие на измерительные приборы. Для уменьшения фоновых токов был предложен преобразователь с осевым коллектором (рис. 3.8б), где катод и коллектор поменялись местами, что значительно уменьшило телесный угол, в котором рентгеновское излучение сетки попадает на коллектор, что расширило нижний предел измерения до 10^–10 торр.
Для точного измерения низкого давления необходимо производить обезгаживание анода, которое производится пропусканием через него электрического тока. Обезгаживание преобразователей следует производить при низком давлении в системе за 20–40 мин до измерения давления. В обезгаживании преобразователя при высоких давлениях нет необходимости, так как в этом случае  относительная ошибка, вызванная сорбционно-десорбционными явлениями, обычно невелика. Более того, обезгаживание и, как правило, нагрев при высоких давлениях повышают интенсивность химических процессов на электродах, что ведёт к ускоренному выходу из строя преобразователя. В связи с этим следует считать неправильной практику начала обезгаживания сразу после включения преобразователя, когда в установке ещё не достигнут высокий вакуум. 
Измерения давления с помощью манометрических преобразователей открытого типа, электронная система которых расположена непосредственно в откачиваемом сосуде, даёт большее соответствие с истинным давлением в системе, чем при использовании преобразователей закрытого типа.
Для более точного суждения по показаниям вакуумметра о давлении в системе в области низких давлений необходимо учитывать состав газа, чтобы ввести поправку на различную чувствительность преобразователя к разным газам. Следует помнить, что такие газы, как кислород или пары воды, содержащие кислород, вызывают уменьшение тока эмиссии, отравляя катод. Наоборот, пары углеводородов вызывают резкое увеличение тока эмиссии. Поэтому непосредственно перед измерением всегда проверяют ток эмиссии.