Как измерить вакуум в лампе?

Теперь, воробьи уже стрелянные, мы знаем, как непросто обеспечить необходимый для длительной и нормальной работы (самодельной) лампы высокий вакуум — в котором склонны испаряться даже металлы, в них же обнаруживаются и выбираются наружу впитанные ранее газы [1] и даже предательское стекло, инертнейший, казалось бы, материал, содержит и испаряет газы и воду. Все эти ужасы можно не прекратить, но сократить до приемлемого уровня тщательнейшей очисткой и сложной подготовкой материалов, их вдумчивым подбором и применением постоянно действующего в электровакуумном приборе (ЭВП) микронасоса — геттера. То есть, вакуумную приёмно-усилительную лампу невозможно сильно откачать раз и навсегда — внутри её баллона при нужном разрежении устанавливается некое равновесие поступающих и поглощающихся газов, этакое зыбкое, вооружённое до зубов перемирие, и горе ослабевшим или потерявшим бдительность. Словом, всё как у людей. Отсюда, чрезвычайно полезна задача определения, хотя бы качественного, разрежения и по возможности состава газов в готовой лампе — для корректировки процесса изготовления, выявления брака или уточнения режимов эксплуатации.

К вакуумным приборам прибавим и ионные (газонаполенные). Сформулируем точнее, — попробуем припомнить и подшить к делу сравнительно простые способы и средства получения сведений о текущем остаточном давлении и составе газовой атмосферы в вакуумных и газонаполненных приборах. Как обычно, с учётом их кустарного изготовления в домашней мастерской.

1. Низкий и средний вакуум. Нить накала — манометр Пирани

Рассмотрев способы косвенного измерения остаточного давления, внимательный читатель, конечно, заметил сходство некоторых манометрических преобразователей на устройство серийных ЭВП. Например, тепловой манометр Пирани [2] — нагретая металлическая нить, по теплопотерям которой можно судить о степени разрежения газа вокруг неё. Такой способ измерений годится для сравнительно высоких остаточных давлений — до 10^-4 мм рт. ст. (Торр) и может быть использован для исследований и экспериментов с вакуумными и газонаполненными лампами накаливания, низковакуумными приёмно-усилительными лампами с прямонакальным катодом.

Компенсационная лампа прибора представляет собой точную копию манометрической, но откачанную до остаточного давления заведомо более низкого, чем нижняя граница измерений прибора, и запаянную. В обычных условиях производственных измерений в области до 10^-3 Торр, влияние изменений температуры воздуха не столь велико — допустимо использовать схему с одной лампой (Рис. 1.1. А), и сопротивлением r1 из манганиновой или константановой проволоки.

Следует помнить, что манометр Пирани показывает полное давление газовой смеси, включая и пары (например, воды). Для избавления от последних, применяют вымораживание их жидким воздухом или азотом. Показания манометра Пирани также зависит от рода газа, однако, для большинства газов эта разница несущественна, кроме очень лёгких или очень тяжёлых (например, водород, пары ртути и т. п.).

Применив такой способ измерений, можно организовать оперативную отбраковку дефектных ламп, увидеть, как ухудшает вакуум неудачная отпайка (переплавление стеклянного штенгеля), как работают некоторые геттеры и связываются газы.

2. Высокий вакуум. Усилительный триод — ионизационный преобразователь

Весьма популярный способ измерения остаточного давления в диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума [3] — горячий катод испускает поток электронов, направляющихся к положительному аноду. Электроны, сталкиваясь с молекулами оставшихся газов, ионизируют их. Образовавшиеся ионы собираются отрицательным электродом, по величине этого ионного тока судят об остаточном давлении. Первичные преобразователи ионизационного типа могут напоминать вульгарный триод — некоторые приёмно-усилительные лампы можно использовать в таком качестве и многие — для измерения вакуума в  собственной колбе. В последнем случае, достаточно, чтобы у ЭВП имелась хотя бы одна внутренняя управляющая сетка.

Как видим (Рис. 2.1 (2)) один из вариантов включения ионизационного преобразователя полностью соответствует типовому включению триода: поток электронов от горячего катода направляется к сильно положительному аноду, в промежутке между катодом и сеткой электроны сталкиваются с оставшимися молекулами газов, ионизируют их. Положительные ионы собираются слабо отрицательной сеткой, образуется ионный ток, пропорциональный остаточному давлению.

Обратный ток сетки в приёмно-усилительной лампе, явление очень вредное и зависит не только от количества остаточных газов, но и от утечек по изоляторам, вторичной эмиссии (при сильном нагреве сетки и (или) напылении на сетку активных металлов — катода или геттера). Специальными приёмами [4] можно измерить и отдельные его составляющие, однако, в заводской практике обычно без затей оценивают суммарный обратный ток управляющей сетки и если он не превышает некоторой положенной величины для данного типа ламп, прибор считают годным.

3. Ионный ток в лампе накаливания

Организовать ионизацию остатков газа и определить получившийся ионный ток — меру остаточного давления в колбе, просто и удобно в ЭВП с хотя бы одной имеющейся, внутренней сеткой. Используя, однако, некоторую фантазию и глубокое понимание протекающих процессов, можно обойтись и одним (независимым внутренним) электродом, используя электролитическую проводимость стекла.

Для этого лампу помещают в водный раствор электролита, например, в подкислённую воду, а рядом с колбой погружают ещё один электрод и собирают внешнюю цепь (Рис. 3.1.). Нить лампы накаливают переменным током. В полупериод с отрицательным, относительно внешнего электрода (и колбы), потенциалом, с нити на колбу пойдёт электронный ток, из-за заметной проводимости тонкого стекла, замыкающийся через внешнюю цепь. В другой полупериод, когда нить положительна по отношению к колбе, в противоположном направлении пойдёт ионный ток, тем больший, чем выше давление в лампе (чем больше осталось газа).

Гальванометр G (прибор постоянного тока) в цепи внешнего электрода покажет ток, направление и сила которого будут зависеть от соотношения ионного и электронного тока, и последний можно компенсировать постоянным напряжением от батареи.

4. Рабочий газ под небольшим разрежением. Тлеющий разряд

Приложив высокое напряжение к электродам газоразрядного прибора, в ряде случаев можно с приемлемой точностью, по форме и цвету свечения разряда, контролировать, например, наполнение прибора рабочим газом или обнаруживать течи и грубые примеси. В случае если прибор безэлектродный или не предназначен для такой работы, разряд можно зажечь аппаратом Тесла, наложив его выводы на стекло колбы.

5. Спектральные наблюдения

Уловив и пропустив испускаемый газом свет через узкую щель и треугольную призму или дифракционную решётку, можно получить их эмиссионный спектр, дающий много полезных сведений, и сведений весьма подробных и точных — состав газовой атмосферы, общее давление газа, парциальные давления составляющих компонентов. Увы, для точных измерений нужны весьма дорогостоящие приборы (например, монохроматор), однако и простейшие поделки из крашенного чёрным картона, обломков лезвий и куска DVD диска, при некоторой аккуратности и калибровке могут обнаружить примеси в рабочем газе, распыление электродов в разряде и подобные процессы. 

6. Низкий вакуум, рефракция света в цилиндрической «газовой призме»

Способ определения сравнительно высоких остаточных давлений по отклонению луча лазера, пропущенного через полую призму, наполненную исследуемым газом. Причём обычная треугольная призма может быть заменена цилиндром (участок колбы или трубопровода). Мерой давления является ток дифференциального фотоэлемента, регистрирующего смещение луча.

Экспериментальный прибор [6], реализующий такой способ, дал линейную зависимость и манометрическую чувствительность 0,027 мкА / Торр по сухому воздуху, в диапазоне давлений 10…1000 Торр.

7. Рабочий (буферный) газ при небольшом разрежении, внешние электроды, напряжение зажигания

Существует несколько вариантов способа оценки давления рабочего (буферного) газа в разрядных трубках, с помощью наложенных на колбу внешних электродов, по напряжению зажигания или погасания разряда [7]. Причём высокое напряжение может быть высокочастотным и модулированным по амплитуде.

Например, известен способ измерения давления газа в лазерных трубках (Рис. 6.1. А), где: 1 — разрядная трубка; 2 — блок питания; 3 — генератор; 4 — вольтметр; 5 — нагрузочное сопротивление. Здесь, при измерениях разрядный ток модулируют ВЧ напряжением, а мерой давления является величина переменной составляющей тока. Недостаток способа — ограниченный диапазон измеряемых давлений.

Усовершенствованный способ, где продольный объёмный разряд зажигается между двумя вспомогательными поперечными разрядами (Рис. 6.1. Б), даёт расширенный диапазон измерений и лучшую точность. Измерение выполняется так: к трансформатору 8 прикладывается напряжение генератора 15 (800 Гц), и возбуждается разряд между электродами 1, 2 и 3, 4. Резисторами 9, 10 устанавливаются токи вспомогательных разрядов 1.2 мкА. Напряжение между парами электродов 1, 2 и 3, 4 плавно увеличивают резистором 16, до возникновения продольного разряда, зажигание которого регистрируют микроамперметром 17. По напряжению пробоя судят о давлении газа в разрядной трубке.

8. Встраиваемый высоковакуумный манометрический преобразователь

В экспериментальных и лабораторных ЭВП, где нет нужды в компактности и удешевлении, специальный манометрический преобразователь можно без затей встроить в колбу электровакуумного прибора. Например, преобразователь магниторазрядного типа [8] (т. н. ячейка Пеннинга) может иметь весьма простое устройство и недорогие материалы, его сравнительно громоздкая съёмная магнитная система находится снаружи. Такой преобразователь может быть собран на отдельной гребешковой ножке и впаян сверху колбы или в дополнительную горловину.

Магниторазрядный преобразователь, так же как и его ионизационный коллега, имеет выраженный эффект откачки и может быть одновременно использован и как местный сверхвысоковакуумный безмасляный насос.

9. Итого

Как видим, невыполнимая, на первый взгляд, задача — измерить разрежение в запаянной лампе, может быть решена несколькими косвенными способами, выбранными в зависимости от области применения и свойств прибора: исследование и отработка процессов, выходной контроль, высоко- или низковакуумные ЭВП, газонаполненные приборы. Все способы достаточно просты, для самостоятельного повторения невеликими средствами.

10. Дополнительные материалы

1. Электровакуумный геттер, газовыделение, газопоглощение в ЭВП. Конспект автора.

2. Несложные ходовые вакуумметры. Часть 1. Манометры сопротивления (Пирани). Конспект автора.

3. Ходовые вакуумметры. Часть 3. Манометры ионизационные. Конспект автора.

4. Иориш А. Е. и др. Основы технологии производства электровакуумных приборов. 1961 г.

5. Самодельный спектроскоп из DVD диска.

6. Фотоэлектрический манометр на основе контроля рефракции света.

7. Метод определения давления в разрядных трубках.

8. Ячейка Пеннинга. Магниторазрядный насос. Высокий вакуум для самодельщика. Конспект автора.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, август, 2026 г.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»