El medidor de ionización de filamento caliente , a veces llamado medidor de filamento caliente o medidor de cátodo caliente , es el dispositivo de medición de baja presión (vacío) más utilizado para la región de 10 −3 a 10 −10 Torr . Es un triodo , siendo el filamento el cátodo .
Nota: Los principios son prácticamente los mismos para las fuentes de iones de cátodo caliente en los aceleradores de partículas para crear electrones.
Se emite una corriente regulada de electrones (normalmente 10 mA ) desde un filamento calentado . Los electrones son atraídos a la rejilla helicoidal por un potencial de CC de aproximadamente +150 V. La mayoría de los electrones pasan a través de la rejilla y chocan con moléculas de gas en el volumen cerrado, lo que hace que una fracción de ellos se ionice. Los iones de gas formados por las colisiones de electrones son atraídos al cable colector de iones central por el voltaje negativo en el colector (normalmente −30 V). Las corrientes de iones son del orden de 1 mA/ Pa . Esta corriente se amplifica y se muestra mediante un amplificador/ electrómetro diferencial de alta ganancia .
Esta corriente de iones difiere para distintos gases a la misma presión; es decir, un medidor de ionización de filamento caliente depende de la composición. Sin embargo, en un amplio rango de densidad molecular , la corriente de iones de un gas de composición constante es directamente proporcional a la densidad molecular del gas en el medidor.
Un medidor de ionización de cátodo caliente se compone principalmente de tres electrodos, todos actuando como un triodo , donde el cátodo es el filamento. Los tres electrodos son un colector o placa, un filamento y una rejilla . La corriente del colector se mide en picoamperios mediante un electrómetro . El voltaje del filamento a tierra suele estar a un potencial de 30 voltios, mientras que el voltaje de la rejilla a 180-210 voltios de CC, a menos que haya una función opcional de bombardeo de electrones , calentando la rejilla, que puede tener un alto potencial de aproximadamente 565 voltios. El medidor de iones más común es el medidor Bayard-Alpert de cátodo caliente , con un pequeño colector dentro de la rejilla. [1] Una envoltura de vidrio con una abertura al vacío puede rodear los electrodos, pero normalmente el medidor desnudo se inserta en la cámara de vacío directamente, y las clavijas se introducen a través de una placa de cerámica en la pared de la cámara. Los medidores de cátodo caliente pueden dañarse o perder su calibración si se exponen a la presión atmosférica o incluso a un vacío bajo mientras están calientes.
Los electrones emitidos por el filamento se mueven varias veces en movimientos de ida y vuelta alrededor de la rejilla antes de entrar finalmente en ella. Durante estos movimientos, algunos electrones chocan con una molécula de gas para formar un par de iones y electrones ( ionización electrónica ). La cantidad de estos iones es proporcional a la densidad de moléculas de gas multiplicada por la corriente de electrones emitida por el filamento, y estos iones se vierten en el colector para formar una corriente de iones. Dado que la densidad de moléculas de gas es proporcional a la presión, la presión se estima midiendo la corriente de iones.
La sensibilidad a baja presión de los medidores de cátodo caliente está limitada por el efecto fotoeléctrico. Los electrones que chocan contra la rejilla producen rayos X que producen ruido fotoeléctrico en el colector de iones. Esto limita el rango de los medidores de cátodo caliente más antiguos a 10 −8 Torr y los medidores Bayard-Alpert a aproximadamente 10 −10 Torr. Cables adicionales en el potencial del cátodo en la línea de visión entre el colector de iones y la rejilla evitan este efecto. En el tipo de extracción, los iones no son atraídos por un cable sino por un cono abierto. Como los iones no pueden decidir qué parte del cono golpear (esto es un antropomorfismo absurdo que no explica nada), pasan a través del agujero y forman un haz de iones. Este haz de iones puede transmitirse a un