UDK 533.5:531.78 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(3-4)143(2001) B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO ... PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO V ULTRA VISOKOVAKUUMSKEM PODROČJU COMPARISON OF COLD-CATHODE IONIZATION GAUGE CHARACTERISTICS IN ULTRAHIGH VACUUM RANGE Bojan Erjavec, Janez Šetina, Lidija Irmančnik-Belič Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija bojan.erjavecŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2001-06-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-06-29 Ionizacijski merilniki s hladno katodo so zaradi zanemarljivega razplinjevanja in nizke spodnje merilne meje primerni za merjenje tlaka v ultra visokovakuumskem področju. Nelinearnost in nezveznost razelektritvenega toka v odvisnosti od tlaka ter časovno zakasnjen vžig razelektritve lahko vplivajo na zanesljivost merjenja tlaka v UVV. Modeli merilnih glav s Penningovo, normalno magnetronsko in invertno magnetronsko geometrijo so bili konstruirani na osnovi miniaturne ionsko-razprševalne črpalke, pri kateri je ohišje električno izolirano od priključne prirobnice in je uporabljena visokonapetostna prevodnica z veliko električno prebojno trdnostjo. Ohišje obdaja oklopljen magnet iz Sm-Co. Te dodatne spremembe so omogočale natančne meritve zelo majhnih razelektritvenih tokov. Karakteristike merilnikov so bile izmerjene na kalibracijskem UVV sistemu za primerjalne meritve, ki vsebuje preskusno komoro, opremljeno z ekstraktorskim merilnikom in viskoznostnim merilnikom z lebdečo kroglico, in plinski uvajalni sistem s preciznim dozirnim ventilom. Jakost razelektritve je odvisna od gostote magnetnega polja, dimenzij razelektritvene celice, delovne napetosti in tlaka izbranega plina. Gostota magnetnega polja je bila konstantna zaradi uporabe standardnih magnetov. Pri vseh treh geometrijah so bile približno enake dimenzije razelektritvene celice. Jakost razelektritve je bila izmerjena najprej v odvisnosti od delovne napetosti pri različnih tlakih v UVV in VV, nato pa v odvisnosti od tlaka pri izbrani delovni napetosti. Za preskusni plin sta bila izbrana dušik in vodik. Meritve karakteristik v primeru vodika so biledeležneposebnepozornosti zaradi nizkevodikoveionizacijskezmogljivosti. Izbira optimalnedelovne napetosti je pomembna v UVV področju, saj v pregretih kovinskih UVV sistemih rezidualno atmosfero sestavlja pretežno vodik. V članku so prikazani značilni primeri neoptimalno izbrane delovne napetosti za vse tri geometrije, ki se pri karakteristiki razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka vodika izražajo v infleksijskih in prevojnih točkah ter očitnih diskontinuitetah. Ključne besede: magnetno omejena razelektritev, jakost razelektritve, potencialna porazdelitev, radialna električna poljska jakost, prečno polje, nelinearnost, nezveznosti Cold-cathode ionization gauges are convenient for pressure measurements in the ultrahigh vacuum range due to negligible outgassing and low measuring limit. Disadvantages such as non-linearity in discharge current vs pressure, discontinuities and starting delay can affect the accuracy of pressure measurements in UHV. Models of Penning, normal magnetron and inverted magnetron gauges have been constructed based on the small-size 2 l/s sputter-ion pump of Varian type with a housing electrically insulated from the connecting flange, a highly electrically insulated high-voltage feedthrough and a low stray field Sm-Co magnet. These additional changes enabled accurate measurements of low discharge currents. Gauge characteristics were measured on a gauge comparison UHV calibration system comprising a test chamber, equipped with an extractor gauge and a spinning gauge, and a gas manifold with a precise leak valve. Discharge intensity depends on the magnetic field density, discharge cell dimensions, operating voltage and test gas pressure. The magnetic field density was kept constant since the standard magnets were applied. The discharge cell dimensions were approximately the same for all gauge types. Discharge intensity was measured, first vs anode voltage at different pressures ranging from UHV to HV, and then after vs pressure at the selected operating voltage. Nitrogen and hydrogen were selected as a test gas. A special attention was paid to the measurements of gauge characteristics when using hydrogen due to its low ionization efficiency. The selection of an optimal operation voltage is important in the UHV range since in baked UHV systems the residual atmosphere consists mainly of hydrogen. Typical cases of a non-optimally selected operating voltage for all gauge types, reflecting in inflection points and obvious discontinuities at discharge current vs pressure characteristics, are presented in this paper. Keywords: magnetically confined discharge, discharge intensity, potential distribution, radial electric field strength, crossed-field, non-linearity, discontinuities 1 UVOD 1.1 Prednosti in slabosti ionizacijskih merilnikov s hladno katodo Prednost vakuumskih merilnikov, kot so ionizacijski merilniki s hladno katodo, v primerjavi z ionizacijskimi merilniki z vročo katodo, je v zanemarljivem termičnem razplinjevanju med njihovim delovanjem (magnetno omejena razelektritev se vzdržuje s krožečim prostorskim nabojem toka elektronov, ujetih v prečnem električnem in magnetnem polju), povečani občutljivosti (efektivni ionizirajoči tok je velikostnega reda 1 A), nizki spodnji merilni meji (zaradi majhne elektronsko inducirane desorpcije in odsotnosti rentgenskega efekta spodnjo merilno mejo določajo izolacijski tokovi med katodo in anodo) ter odsotnosti interakcij plinov iz rezidualne atmosfere na vroči katodi 1. Slabost ionizacijskih merilnikov s hladno katodo je nelinearna odvisnost razelektritvenega toka od tlaka, pojav nezveznosti pri isti odvisnosti, nezanemarljiva črpalna hitrost in časovno zakasnjen vžig razelektritve pri nižjih tlakih, kar vse skupaj rezultira v dokaj neza- MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 143 B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO nesljivem merjenju tlaka, posebno v ultra visoko-vakuumskem (UVV) področju 2. Ionizacijski merilniki s hladno katodo se zaradi svoje robustnosti (neobčutljivosti na pregoretje vroče katode) in majhne električne porabe v veliki meri uporabljajo za manj natančnemeritvetlaka v vakuumskih sistemih, kot so sinhrotronski pospeševalniki, ki se zelo redko izpostavljajo atmosferi, ter v vakuumskih sistemih, občut-ljivih za motnje, ki jih povzročajo ionizacijski merilniki z vročo katodo. 1.2 Penningova, normalna magnetronska in invertna magnetronska geometrija Ionizacijski merilniki s hladno katodo temeljijo na treh geometrijah elektrodnega sistema, ki so prikazane na sliki 1. Zgoraj je prikazana Penningova geometrija, pri kateri elektrodni sistem sestavljajo kovinski katodni plošči in kovinski anodni cilinder, ki je vstavljen med njiju. V sredini je prikazana normalna magnetronska geometrija, pri kateri sta katodni plošči mehansko in električno povezani s kovinsko palico, ki je v osi anodnega cilindra. Spodaj je prikazana invertna magnetronska geometrija, pri kateri je elektrodni sistem delno zaprt kovinski katodni cilinder in kovinska anodna palica, ki je v osi katodnega cilindra. Za vzpostavitev prečnega električnega in magnetnega polja ter krožečega prostorskega naboja toka elektronov, ki je potreben za vzdrževanje razelektritve, moramo merilno glavo postaviti v homogeno magnetno polje, ki je usmerjeno vzdolž osi anodnega (katodnega) cilindra, in med elektrodi priključiti visoko napetost. Pri Penningovi celici je jakost razelektritve, ki je enaka razmerju med razelektritvenim tokom in tlakom, odvisna od gostote magnetnega polja, dimenzij razelek-tritvene celice, delovne napetosti in praktično tudi od tlaka izbranega plina. V UVV in VV sta za Penningov merilnik značilna dva načina razelektritve, ki sta označena z jakostjo magnetnega polja (dejansko se načina razlikujeta v vseh prej naštetih parametrih): način šibkega magnetnega polja ( LMF-način) in način močnega magnetnega polja (HMF-način). Po najbolj poznani Schuurmanovi teoriji o delovanju Penningovega merilnika v LMF-načinu 3, ki temelji na reševanju Poissonove enačbe za neskončno dolgo raz-elektritveno celico in kontinuitetne enačbe za elektrone, z upoštevanjem klasične mobilnosti elektronov v prečnem polju ter konstantne gostote elektronov v razelektritveni celici, je potencialni profil V(r) v sredini razelektritveneceliceparaboličneoblikein selahko opišez naslednjim izrazom: V(r) = Va - (3e/16m)B2(ra2 - r2)ß, (1) kjer je Va anodna napetost, B gostota magnetnega polja, ra notranji radij anodnega cilindra in ß verjetnost za ionizacijo plinske molekule pri trku z elektronom. Potencialna jama je najbolj globoka na prehodu iz LMF-v HMF-področje, ko je potencial v osi anodnega cilindra (r = 0) enak katodnemu potencialu (V(0) = 0). Iz 144 izraza (1) in pogoja V(r) > 0 izhaja pogoj za delovanje Penningovega merilnika v LMF-načinu: Va > (3e/16m)(Bra)2ß. (2) Po Schuurmanovi teoriji je jakost razelektritve ID/P v LMF-načinu sorazmerna: ID/P - la(Bra)2ß2, (3) kjer je ID razelektritveni tok, P tlak plina in la dolžina anodnega cilindra. Iz zadnjerelacijeizhaja, da jejakost razelektritve v LMF-načinu neodvisna od anodne napetosti, če slednja vseskozi izpolnjuje pogoj (2). V LMF-načinu je za radialno električno poljsko jakost, ki poleg gostote magnetnega polja določa kinetično energijo elektronov (potrebno za ionizacijo plinskih molekul) v cikloidni orbiti, značilna linearna odvisnost od radija, s konstantnim sorazmernostnim faktorjem, ki doseže svojo maksimalno vrednost na prehodu iz LMF-v HMF-področje. Delovanje Penningovega merilnika v LMF-načinu jeznačilno za področjenizkih tlakov (UVV), v katerem je pogoj (2) praktično laže izpolniti. Z meritvami sejenamreč izkazalo, da sta jakost razelektritve oziroma razelektritveni tok delno odvisna od tlaka. Vzrok za nelinearno odvisnost razelektrit-venega toka od tlaka je lahko spreminjanje gostote elektronov s tlakom zaradi anomalne difuzije elektronov, v prečnem električnem in magnetnem polju, proti anodnem cilindru, ki je neodvisna od tlaka2 in jev glavnem posledica kolektivnih interakcij pri razelektritvi 4. Pri delovanju Penningovega merilnika v HMF-načinu, ki jeznačilno za področjevišjih tlakov (VV), se elektronski oblak preseli v tanko plast ob anodnem cilindru, kar ima za posledico, da se anodni padec zoži in radialna električna poljska jakost močno poveča. Obenem se v območju blizu osi anodnega cilindra vzpostavi nevtralna plazma kot posledica konstantnega potenciala, ki je blizu nivoja katodnega potenciala. Za HMF-način obstaja več teorij, ki vodijo do različnih odvisnosti jakosti razelektritve. Schuurmanova teorija je dala jakost razelektritve, ki je linearno odvisna od gostote magnetnega polja in kvadratno od anodne napetosti 3. Z meritvami pa sejeizkazalo, da jejakost razelektritve pri izbranem tlaku plina neodvisna od gostote magnetnega polja in približno linearno odvisna od anodnenapetosti 2. Zaradi pojava nestabilnosti razelektritve, ki je v HMF-načinu dinamičnega karakterja, so posebno značilne nezveznosti jakosti razelektritve oziroma razelektritvenega toka v odvisnosti od tlaka 2. 1.3 Nelinearnost in nezveznosti razelektritvenega toka v odvisnosti od tlaka Z meritvami sejevečinoma izkazalo, da jakost razelektritve pri ionizacijskih merilnikih ni linearno odvisna od tlaka. V večini primerov se lahko razelek-tritveni tok v odvisnosti od tlaka izrazi s potenčno funkcijo: ID = kPn (4) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO oziroma jakost razelektritve z naslednjim izrazom: ID/P = kPn-1, 2 EKSPERIMENTALNI DEL (5) 2.1 Konstrukcija merilnih glav kjer je k sorazmernostna konstanta, ki je odvisna od gostote magnetnega polja, dolžine razelektritvene celice in vrste plina, in n potenca, ki je nekaj večja od 1 ter odvisna od gostote magnetnega polja, delovne napetosti in radija razelektritvene celice. Izmerjena vrednost potence n za Penningov merilnik, ki deluje strogo v LMF-režimu, je za široko območje tlakov približno 1,2 5. Vpeljava odvisnosti od tlaka v izraze(1), (2) in (3) selahko izvedes privzetjem izraza za verjetnost za ionizacijo naslednje oblike: ß oc PC-D«. (6) Primerjava z izmerjenim razelektritvenim tokom v odvisnosti od tlaka je dala naslednjo empirično zvezo 5: ß = 0.52xP°\ (7) ki se dobro ujema tudi z nekaj Schuurmanovimi točkami, dobljenimi z meritvijo anodne napetosti v odvisnosti od gostote magnetnega polja pri prehodu iz LMF- v HMF-področje 3. Upoštevajoč zvezo (7) pri pogoju (2) izhaja, da lahko pri izbiri optimalnih parametrov, kot je radij anodnega cilindra, anodna napetost in gostota magnetnega polja, za izpolnjevanje omenjenega pogoja v področju nizkih tlakov, Penningov merilnik preide pri višjih tlakih iz LMF- v HMF-način delovanja. Za prehod je značilna tudi sprememba nelinearne odvisnosti razelektritvenega toka od tlaka, ki se v izrazu (4) izraža v spremembi k in n ter v ustreznem logaritmičnem prikazu v infleksijski točki, ki je stičišče dveh premic, ene z večjim naklonom pri nižjih tlakih ter druge z manjšim naklonom pri višjih tlakih. Nezveznosti razelektritvenega toka v odvisnosti od tlaka, ki selahko izražajo v oscilacijah in nenadnih spremembah, so posledica nestabilnosti razelektritve v tanki plasti, ki senahaja ob anodnem cilindru. Nezveznosti so značilne za delovanje Penningovega merilnika v HMF-načinu ter na prehodu iz HMF- v LMF-področje 1. 1.4 Namen raziskave Zaradi velikega števila parametrov, ki pri ioni-zacijskih merilnikih s hladno katodo vplivajo na jakost razelektritve oziroma razelektritveni tok, je bil namen dela, o katerem poročamo v tem članku, raziskati v vseh treh geometrijah elektrodnega sistema pri konstantni gostoti magnetnega polja in približno enakih dimenzijah razelektritvenih celic njuno odvisnost od anodne napetosti pri različnih tlakih preskusnega plina. Jakost razelektritve oziroma razelektritveni tok smo raziskali tudi v odvisnosti od tlaka preskusnega plina pri izbrani delovni napetosti, glede pojava spremembe nelinearnosti razelektritvenega toka ter pojava nezveznosti, značilni za Penningovo, normalno magnetronsko in invertno mag-netronsko geometrijo. Modele merilnih glav s Penningovo, normalno magnetronsko in invertno magnetronsko geometrijo smo konstruirali na osnovi majhneionsko-razprševalne črpalke, z nominalno črpalno hitrostjo 2 l/s. Konstrukcija merilnih glav je prikazana na sliki 1. Zgoraj jepred-stavljena merilna glava s Penningovo geometrijo, pri kateri razelektritveno celico sestavljajo anodni cilinder iz nerjavnega jekla z notranjim premerom 24 mm in dolžino 29 mm, in katodni plošči iz bakra, ki sta med seboj oddaljeni 33 mm in sta v mehanskem ter električnem stiku z ohišjem merilne glave. Velikost reže med posamezno katodno ploščo in anodnim cilindrom je 2 mm. V sredini je prikazana merilna glava z normalno magnetronsko geometrijo, pri kateri sta katodni plošči mehansko in električno povezani s palico iz nerjavnega jekla premera 2 mm. Spodaj je merilna glava z invertno VN | NAPAJA DIGITALNI ELEKTROMETER (KEfTHLEYeie; Slika 1: Konstrukcija modelov ionizacijskih merilnikov s hladno katodo (podolžni prerez), ki temeljijo na Penningovi (zgoraj), normalni magnetronski (v sredini) in invertni magnetronski geometriji (spodaj) Figure 1: Cross-section of models of cold-cathode ionization gauges on the basis of Penning (above), normal magnetron (in the middle) and inverted magnetron geometry (below) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 145 B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO magnetronsko geometrijo, pri kateri razelektritveno celico sestavljata katodni cilinder (pri že predstavljenih geometrijah anodni cilinder), ki je dopolnjen s pokrovoma z odprtino premera 6 mm, in anodna palica (pri normalni magnetronski geometriji katodna palica). Pri vseh tipih merilnih glav je ohišje električno izolirano od priključneprirobniceConFlat® (CF) s cevnim steklo-kovinskim spojem in je uporabljena visokonapetostna prevodnica z veliko električno prebojno trdnostjo, ki je izvedena s posebnim steklo-kovinskim spojem. Ločitev katodnih plošč (katodnega cilindra) od ozemljitve in uporaba preciznega elektrometra, ki smo ga priključili med ohišje merilne glave ter ozemljitev, ter stabiliziranega visokonapetostnega napajalnika, ki smo ga priključili med ozemljitev in anodni cilinder (anodno palico), so nam omogočali natančnemeritvezelo majhnih razelektritvenih tokov. Ohišje obdaja oklopljen magnet iz Sm-Co z gostoto magnetnega polja približno 0,13 T, ki je zelo majhna motnja v okolici. S tem smo se izognili napakam pri meritvi tlaka z ekstraktorskim merilnikom. Izbrani magnet se zaradi svojih dimenzij odlikuje tudi z visoko stopnjo homogenosti magnetnega polja v razelektritveni celici. 2.2 Kalibracijski vakuumski sistem Meritve karakteristik smo izvajali na UVV kalibra-cijskem sistemu za primerjalne meritve, ki je predstavljen na sliki 2. Sistem je sestavljen iz kovinske preskusnekomores prostornino č 6 l, kovinskega črpalnega sistema in kovinskega razdelilnega sistema za uvajanjepreskusnih plinov (Ar, N2, He in H2) v vakuumski sistem. Na preskusno komoro s CF-prirob-nicami smo priključili ionizacijskemerilnikes hladno EG BAG î?4, ®- 5G14, (g)" -® CCG (TESTNI MERILNIK) HS) (VISCOVAC VM 212) BAG (IE 211) ©- "O RGA (QM 201) ..testni plin CP ŽM3 TMP RP Slika 2: UVV kalibracijski sistem za primerjalne meritve, ki vsebuje preskusno vakuumsko komoro, opremljeno z ekstraktorskim merilnikom in viskoznostnim merilnikom z vrtljivo kroglico, in plinski uvajalni sistem s preciznim dozirnim ventilom Figure 2: Gaugecomparison UHV calibration system comprising a test chamber, equipped with an extractor gauge and a spinning rotor gauge, and a gas manifold with a precise leak valve katodo, ki so bili namenjeni za preiskovanje karakteristik, ekstraktorski merilnik IE 514 (ionizacijski merilnik z vročo katodo, s spodnjo merilno mejo -rentgensko mejo, nižjo od 1×10-12 mbar), s katerim smo izvajali kalibracijev območju tlakov od 1×10-10 do 1×10-5 mbar, in viskoznostni merilnik z lebdečo kroglico VISCOVAC VM 212, ki smo ga uporabljali kot referenčni etalon. S slednjim smo pri višjih tlakih (č1×10-6 mbar) kalibrirali ekstraktorski merilnik in predpostavili njegovo konstantno občutljivost do nižjih tlakov. Preskusno komoro smo med termičnim razplinjevanjem črpali s turbomolekularno in krio črpalko ter med potekom meritev s krio in pomožno Ti-sublimacijsko črpalko. Po termičnem razplinjevanju preskusnekomoresmo v njej vzpostavili končni tlak č1×10-10 mbar, pri tem je rezidualno atmosfero v večini sestavljal vodik. 2.3 Način izvajanja meritev Uvodoma smo pojasnili, da sta jakost razelektritve oziroma razelektritveni tok odvisna od gostote magnetnega polja, dimenzij razelektritvene celice, delovne napetosti ter tlaka izbranega plina. Zaradi velikega števila parametrov smo v našem primeru pri vseh treh geometrijah elektrodnega sistema obdržali konstantno gostoto magnetnega polja in približno enake dimenzije razelektritvene celice. Najprej smo izmerili razelek-tritveni tok v odvisnosti od anodne napetosti, ki smo jo v območju od 1 do 10 kV povečevali v koraku po 0,5 kV, pri konstantnih tlakih č1×10-9, č1×10-8, č1×10-7 in č1×10-6 mbar. Po izbiri anodne napetosti, pri kateri smo za posamezno geometrijo elektrodnega sistema pričako-vali neko spremembo nelinearnosti ali nezveznost (Penningova geometrija: 5 kV, normalna magnetronska geometrija: 2,5 kV, invertna magnetronska geometrija: -4,5 kV), smo izmerili razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka, ki smo ga v območju od 1×10-10 do 1×10-5 mbar povečevali kvazi-zvezno (z izbiro tudi do 10 točk na dekado). Za preskusni plin smo izbrali dušik in vodik, ki sta sestavljena iz dvoatomnih molekul, hkrati pa se zelo razlikujeta po ionizacijski zmogljivosti. Slednja je odvisna od kinetične energije elektronov in se navaja kot število ioniziranih molekul na 1 elektron ter na 1 cm poti pri 1,33 mbar in 0 °C 6. 3 REZULTATI 3.1 Izračun anodne napetosti na prehodu iz LMF v HMF Za izračun anodne napetosti na prehodu iz LMF- v HMF-področje za Penningovo celico z radijem anodnega cilindra 1,2 cm, ki jo postavimo v homogeno magnetno polje z gostoto magnetnega polja 0,135 T, smo uporabili empirično zvezo (5) in pogoj (2). Rezultati izračuna anodnenapetosti v odvisnosti od tlaka, ki smo ga spreminjali v območju od 1×10-10 do 1×10-5 mbar, so zbrani v tabeli 1. Izračun nazorno prikazuje, da je za delovanje predhodno definiranega Penningovega merilnika v LMF-načinu potrebna anodna napetost, ki je v 146 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO UVV področju višja od višja od 10 kV. 5 kV, v VV področju pa celo Tabela 1: Izračun anodnenapetosti Ua na prehodu iz LMF- v HMF-področje za Penningovo celico z radijem anodnega cilindra 1,2 cm in gostoto magnetnega polja 0,135 T v odvisnosti od tlaka P, upoštevajoč verjetnost za ionizacijo ß v odvisnosti od tlaka Table 1: Calculation of anodevoltageUa at thetransition from the LMF to the HMF region for a Penning cell, with a radius of anode cylinder of 1,2 cm and a magnetic field density of 0,135 T, vs pressure P, whileconsidering ionization probability ß in dependence on pressure P (mbar) 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 ß 0,052 0,065 0,083 0,104 0,131 0,164 Ua (kV) 4,4 5,5 7,0 8,8 11,1 14,0 3.2 Meritve karakteristik Penningovega merilnika Rezultati meritev karakteristik modela Penningovega merilnika, pri katerih je bil kot preskusni plin uporabljen dušik, so predstavljeni na sliki 3. Zgoraj jeprikazana jakost razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti, ki smo jo izmerili pri štirih izbranih tlakih dušika v UVV in VV področju. Jakost razelektritve je približno sorazmerna z anodno napetostjo, s tem da je predvsem pri višjih tlakih dosežena nasičena jakost razelektritve, ki je značilna za LMF-način, šev HMF-načinu. Jakost razelektritve oziroma razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka dušika smo izmerili pri delovni napetosti 5 kV, pri kateri je merilnik skoraj v celotnem območju tlakov, razen v spodnjem delu območja 10-10 mbar, deloval v HMF-načinu. V sredini je prikazana jakost razelektritve v odvisnosti od logaritma tlaka dušika. Spodaj je prikazan logaritem razelektritvenega toka v odvisnosti od logaritma tlaka dušika. V obeh primerih je značilna sprememba odvisnosti pri tlaku dušika, nekaj nižjem od 1×10-8 mbar. Sprememba nelinearnosti razelektritvenega toka seizraža v infleksijski točki, ki jestičiščedveh premic, ki ju navadno izračunamo z linearno regresijo. Penning - dušik —i— 1.4E-9 mbar w 1.5E-8 mbar e 1.4E-7 mbar e 1.4E-6 mbar Va(kV) y sć° y f / E-10 1E-B 1E-6 1E-S v y *F af r Slika 3: Jakost razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti (zgoraj) in tlaka dušika (v sredini) ter razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka dušika (spodaj) za Penningov merilnik Figure 3: Dischargeintensity vs anodevoltage(above) and vs nitrogen pressure (in the middle), and discharge current vs nitrogen pressure (below) for Penning gauge Penning - vodik fčČ *-o-*" 1.4E-9 mbar 1.4E-8 mbar 1.4E-7 mbar 1.3E-6 mbar 01 23458789 10 Va(kV) Č»«5 Č y / čj P(mbar) y y yČ y y & /f P(mbar) Slika 4: Jakost razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti (zgoraj) in tlaka vodika (v sredini) ter razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka vodika (spodaj) za Penningov merilnik Figure 4: Dischargeintensity vs anodevoltage(above) and vs hydrogen pressure (in the middle), and discharge current vs hydrogen pressure (below) for Penning gauge ft ft ft - 3*,1E-07 S, 1E-07 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 147 B. ERJAVEC ET AL.: PRIMERJAVA KARAKTERISTIK IONIZACIJSKIH MERILNIKOV S HLADNO KATODO Pri tem naklon premic pomeni potenco n v izrazu (4), ki jepri nižjih tlakih 1,43, pri višjih pa 1,09. Delovna napetost 5 kV je bila pri Penningovi celici dejansko izbrana po meritvi jakosti razelektritve v odvisnosti od anodnenapetosti pri štirih izbranih tlakih vodika v UVV in UV. Rezultati so prikazani na sliki 4 (zgoraj) in izkazujejo približno linearno naraščanje jakosti razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti pri konstantnih tlakih vodika č1×10-9 in č1×10-6 mbar ter pojav nezveznosti v obliki nenadnih sprememb jakosti razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti pri konstantnih tlakih vodika č1×10-8 in č1×10-7 mbar. Navedene vrednosti tlaka so izražene z dušikovim ekvivalentom. Jakost razelektritve se v obeh primerih pri anodni napetosti 5 kV celo izenači z jakostjo razelektritve, izmerjene pri najnižjem tlaku vodika. Izrazito nezvez-nost v obliki trikratnega zmanjšanja jakosti razelektritve, ki jeprikazana na sliki 4 (v sredini), smo zaznali med meritvijo jakosti razelektritve pri tlaku vodika č5×10-8 mbar (N2 ekvivalent). Ista nezveznost razelektritvega toka v odvisnosti od tlaka vodika jeprikazana na sliki 4 (spodaj). Pri kasnejših meritvah se je izkazalo, da se nezveznostim v primeru vodika lahko izognemo z uporabo anodnenapetosti, ki pri višjih tlakih izpolnjuje pogoj (2). 3.3 Meritve karakteristik normalnega magnetronskega merilnika Rezultati meritev karakteristik modela normalnega magnetronskega merilnika, pri katerih je bil kot preskusni plin uporabljen vodik, so prikazani na sliki 5. Zgoraj je prikazana jakost razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti, izmerjena pri štirih vrednostih tlaka vodika, ki so bile enake kot pri Penningovi celici. Pri vseh izbranih tlakih jeznačilno naraščanjejakosti razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti do določenega maksimuma, ki se pri višjih tlakih nahaja pri višji anodni napetosti. V nasprotju s Penningovo celico sejez nadaljnjim poviševanjem anodnenapetosti jakost Magnetron - vodik ) A i Č J N V / \ L Č \ V i t-tČ \ S Č h «*-' \ X 1.3E-9 mbar 1.3E-8 mbar 1.4E-7 mbar 1.4E-6 mbar Va(kV) Č Č f J ___y* _____/_______ Slika 5: Jakost razelektritve v odvisnosti od anodne napetosti (zgoraj) in tlaka vodika (v sredini) ter razelektritveni tok v odvisnosti od tlaka vodika (spodaj) za normalni magnetronski merilnik Figure 5: Dischargeintensity vs anodevoltage(above) and vs hydrogen pressure (in the middle), and discharge current vs hydrogen pressure (below) for normal magnetron gauge Invertni magnetron vodik I 1' (t " >-«