Depuis des années, le débat se poursuit : "Quelle est la meilleure méthode pour mesurer le vide poussé ? Cathode chaude(Bayard-Alpert) ou cathode froide ?" Bien que les jauges à filament chaud soient populaires et utilisées dans diverses applications, la cathode froide présente des caractéristiques de fonctionnement uniques qui en font souvent un meilleur choix. Les jauges à cathode froide sont économiques parce qu'elles doivent rarement être remplacées, qu'elles ne sont pas susceptibles d'être endommagées par des entrées d'air accidentelles, qu'elles ne présentent pas d'erreurs induites par les rayons X sous ultravide (UHV) et qu'elles n'ont pas de filament qui dégaze ou réagit avec le gaz du procédé. Leur électronique de contrôle et de détection est également plus simple et donc plus fiable que l'électronique Bayard-Alpert. Cet article a pour but de présenter un bref historique de la technologie de mesure à cathode froide et de fournir un modèle d'application pour la sélection des jauges. Certains mythes seront clarifiés, tels que le démarrage/l'allumage, l'imprécision des mesures et les interférences magnétiques associées à la technologie des cathodes froides.
Tout comme il existe des capteurs de vide différents et évolutifs dans la technologie des cathodes chaudes (Triode, Schulz-Phelps et Bayard-Alpert), chacun ayant ses propres caractéristiques de fonctionnement, il existe des différences distinctes dans la classification des jauges à cathode froide. Il est erroné de classer toutes les cathodes froides dans le même mode de fonctionnement. Cette conception erronée de la technologie de mesure des cathodes froides a été entretenue davantage par la ferveur compétitive des entreprises que par des faits scientifiques. Si la plupart des cathodes froides utilisées aujourd'hui sont des magnétrons, il existe plusieurs types de magnétrons, chacun ayant ses propres caractéristiques de mesure et de fonctionnement. Un magnétron est un dispositif comportant un émetteur axial d'électrons (cathode) et une anode cylindrique coaxiale avec un champ magnétique axial superposé.
La forme la plus ancienne des jauges d'ionisation à cathode froide a d'abord été construite comme un simple dispositif de décharge, c'est-à-dire un tube enveloppé de verre avec des plaques de décharge (électrodes) à chaque extrémité. La plage de mesure était comprise entre 20 et 10-3 Torr. L'enveloppe de verre était reliée à un système de vide. Les électrodes étaient reliées à une alimentation fixe à haute tension. Les électrons de l'électrode négative entraient en collision avec les molécules de gaz pour produire des ions, ce qui entraînait une décharge entre les deux électrodes. La quantité de courant dans la décharge était proportionnelle à la mesure du vide. Toutes les versions ultérieures de cathodes froides/aimants utilisent cette caractéristique pour mesurer le vide. L'évolution de cette technologie de mesure consiste en une série d'améliorations du champ magnétique et de placements d'électrodes. Chaque étape de l'évolution a permis d'améliorer la conception précédente en éliminant ou en minimisant ses caractéristiques négatives.
Ionisation de Penning Cathode froide
Le premier perfectionnement du tube à décharge a donné naissance à la jauge d'ionisation de Penning (PIG). Celle-ci utilisait un champ magnétique pour allonger le trajet des électrons, augmentant ainsi la probabilité de collisions ionisantes et de champs de décharge plus stables. La version originale de la jauge de Penning a été développée entre 1936 et 1937. Comme le montre schématiquement la figure 1, cette jauge est caractérisée par l'orientation des lignes de champ magnétique (champs B) par rapport à l'anode. Les travaux ultérieurs de Penning et Nienhnis ont abouti à un PIG amélioré avec une anode cylindrique, ce qui a permis d'obtenir une décharge plus stable.
Les jauges de Penning telles que la jauge à cathode froide de PenningTelevac®️ 7B mesurent le vide dans la plage de 10-3 à 10-7 Torr et sont aujourd'hui populaires en raison de leur robustesse, avec une plus grande tolérance à la contamination, et de leur capacité à être démontées et nettoyées, prolongeant ainsi la durée de vie de la jauge. La jauge à cathode froide de Penning constituait une alternative robuste à la jauge à filament chaud ou à la jauge Bayard-Alpert. Toutefois, sa décharge s'éteint lorsqu'elle est utilisée à des niveaux de vide inférieurs à 10-7 Torr. Ce problème a été résolu des années plus tard, mais il a favorisé la prolifération des capteurs Bayard-Alpert, qui ne présentaient aucune de ces limitations de mesure. Les difficultés liées à la conception d'alimentations fiables de 3 à 5 kilovolts et à la conversion du courant de décharge en un indicateur de vide convivial, qui n'était à l'époque qu'un compteur "analogique", ont également aggravé le développement et l'acceptation des cathodes froides.
Le courant collecteur de la jauge Bayard-Alpert était une fonction linéaire du vide, alors que le capteur à cathode froide n'était pas linéaire. Les relevés de Bayard-Alpert avaient des échelles de mesure linéaires et offraient une meilleure résolution que les échelles de mesure non linéaires à cathode froide. Avec la généralisation des amplificateurs logarithmiques, des microprocesseurs et des affichages numériques, l'affichage de mesures du vide significatives et précises est devenu une question discutable, mais il a fallu attendre des décennies après le développement initial du PIG pour que cela se produise.
Figure 1 - Jauge à vide à cathode froide Penning
Cathode froide à magnétron inversé
L'amélioration majeure suivante de la technologie de la cathode froide a été la jauge à magnétron inversé (IMG). Ce capteur a été développé entre 1950 et 1958. Il intègre un champ magnétique parallèle à l'anode et apporte des améliorations opérationnelles par rapport à la jauge de Penning. La figure 2 illustre une cellule d'ionisation à magnétron inversé de base. Une cathode entoure l'anode, située au centre. Dans cette configuration, le champ magnétique est parallèle à l'anode. Les champs magnétiques et électriques croisés qui en résultent ont permis d'améliorer la stabilité de la plage de fonctionnement et les caractéristiques de démarrage sous vide poussé. D'autres avancées dans la technologie du magnétron inversé, développées en 1958 par Redhead, ont permis de créer un appareil de mesure extraordinaire capable de mesurer le vide jusqu'à 3*10-13 Torr. Cette conception a permis de surmonter le problème du démarrage à ces très basses pressions en confinant les électrons dans la région de décharge. La NASA a ensuite utilisé une version de cette jauge dans le cadre de l'exploration spatiale. Les IMG disponibles dans le commerce à cette époque mesuraient jusqu'à 10-8 Torr avec des caractéristiques nettement améliorées par rapport à la jauge de Penning. Dans le même temps, le magnétron inversé Redhead a donné un aperçu des possibilités offertes par la technologie des cathodes froides.
Figure 2 - Jauge à vide à cathode froide à magnétron inversé
Cathode froide à double magnétron inversé
Bien que les magnétrons inversés aient amélioré les performances par rapport à la jauge de Penning, la plupart des fabricants de jauges à vide à cathode froide ne parvenaient toujours pas à obtenir des mesures fiables et durables à des températures inférieures à 10-8 Torr. Une sélection minutieuse des aimants et des tolérances de fabrication a permis de petites améliorations, mais une décharge durable et fiable à 10-9 ou 10-11 Torr n'était pas facilement ou économiquement réalisable avec de nombreux modèles de jauges à vide à magnétron inversé.
Un magnétron à double inversion a été développé et breveté en 1996. Il a permis un fonctionnement cohérent et fiable en dessous de 10-8 Torr ainsi qu'un champ magnétique externe faible ou nul, tout en augmentant la taille et l'intensité du champ magnétique à l'intérieur du capteur. Cela a permis d'améliorer la sensibilité. Les temps de démarrage ont également été améliorés par rapport aux conceptions précédentes. La figure 3 représente la construction d'un magnétron double inversé. Des aimants opposés maintiennent deux champs magnétiques distincts, créant ainsi deux cellules magnétron inversées distinctes. La probabilité d'ionisation augmente car une particule ionisée sortant d'une cellule a 50 % de chances de se retrouver dans l'autre cellule. Les courants électroniques sont essentiellement le double de ceux produits par une seule cellule magnétron inversée, ce qui offre un meilleur rapport signal/bruit et permet d'étendre la plage de mesure de l'électronique à 10-9 Torr et au-delà. La capacité de mesure en dessous de 10-9 Torr, combinée à des améliorations significatives dans les alimentations haute tension, les mesures de faible courant et les matériaux magnétiques, a éliminé les problèmes antérieurs, faisant du magnétron à double inversion l'approche la plus moderne pour les mesures pratiques sous vide poussé.
Figure 3 - Jauge à vide à cathode froide à double magnétron inversé
Les magnétrons inversés doubles modernes sont des jauges très différentes des premières jauges Penning et des magnétrons inversés. Ils mesurent une plage de vide supérieure à celle d'une jauge Bayard-Alpert conventionnelle tout en offrant une précision comparable et une très bonne stabilité à long terme. Les cathodes froides ne sont pas sujettes aux erreurs d'ESD (désorption stimulée par les électrons). L'ESD est une condition qui apparaît de manière aléatoire dans les jauges Bayard-Alpert et provoque des erreurs d'au moins 10 % à 10-7 Torr, les erreurs s'aggravant dans un vide plus profond approchant 10-10 Torr. C'est un problème qui rend le travail à basse pression beaucoup plus difficile.
Les magnétrons à double inversion sont mieux adaptés aux mesures sous vide poussé et UHV parce qu'ils ne sont pas sujets aux erreurs dues aux rayons X et au dégazage du filament. À une pression de 2*10-10 Torr, une jauge Bayard-Alpert avec une limite de rayons X de 2*10-10 Torr aura une erreur de mesure approximative de 100 %. Cette erreur s'accentue à mesure que la pression réelle diminue.
Contrairement aux jauges Bayard-Alpert, les jauges de vide à cathode froide à double magnétron inverséTelevac®️ 7E, 7F, 7FC et 7FCS résistent aux poussées de gaz, peuvent être nettoyées et ont un champ magnétique parasite minimal. Le 7FCS est spécialement conçu pour s'allumer à l'ultra-vide (UHV) pour les applications qui nécessitent un allumage dans la plage de 10-8 Torr ou dans un vide plus élevé, où le 7FCS s'allume en moins de cinq secondes.
La technologie de mesure des cathodes froides a considérablement évolué depuis les premières jauges d'ionisation Penning. Ces jauges modernes fournissent des résultats de mesure précis, reproductibles et fiables. Les magnétrons inversés doubles mesurent de manière fiable une plage de vide plus large que la plupart des jauges Bayard-Alpert et ne sont pas entachés d'erreurs dues aux rayons X ou aux décharges électrostatiques. La plupart des versions peuvent être nettoyées, réparées ou reconstruites pour assurer des années de service dans des conditions défavorables au fonctionnement et à la longévité d'une jauge Bayard-Alpert. L'un des aspects les plus importants, mais souvent négligé, des cathodes froides modernes est qu'elles réduisent les coûts en supprimant le coût élevé du remplacement fréquent des jauges Bayard-Alpert.
Adéquation de l'application
| Conditions de fonctionnement | Bayard-Alpert ou cathode froide | Raison |
| Résistance aux dommages accidentels | Cathode froide | Les cathodes froides ont une conception métallique robuste (par rapport aux jauges Bayard-Alpert en verre ou non blindées/nues) et sont résistantes aux dommages causés par les afflux de gaz. |
| Gaz corrosifs | Cathode froide | Les cathodes froides n'ont pas de filament à haute température pour réagir avec les gaz corrosifs. |
| Procédés à forte contamination | Cathode froide | Les cathodes froides peuvent être nettoyées pour une durée de vie prolongée, et leur précision est moins affectée que celle des jauges Bayard-Alpert lorsqu'elles sont exposées à la même quantité de contamination. |
| Vibration | Cathode froide | Les cathodes froides n'ont pas de structures délicates susceptibles de vibrer, de se déplacer ou de se briser comme les filaments et les grilles d'une jauge Bayard-Alpert. |
| Mesures UHV | Cathode froide | Les cathodes froides n'ont pas de filament, ce qui réduit considérablement le dégazage, et elles ont une meilleure stabilité à long terme que les jauges Bayard-Alpert, car il n'y a pas de structures de fils fins qui changent géométriquement avec le temps, alors que les structures de fils fins d'une jauge Bayard-Alpert se déplacent et changent géométriquement avec le temps, ce qui a un impact sur les performances. |
| MTTF | Cathode froide | Les jauges à cathode froide ont un MTTF plus élevé parce qu'elles n'ont pas de filament qui peut brûler comme une jauge Bayard-Alpert, l'électronique de contrôle est également moins complexe, ce qui entraîne un taux de défaillance de l'électronique plus faible. |
| Précision maximale | Bayard-Alpert | Les jauges à filament chaud disponibles dans le commerce ont généralement une précision initiale d'environ ±10 %, tandis que les jauges à cathode froide disponibles dans le commerce ont généralement une précision d'environ ±30 % sur toute la durée de vie de la jauge à vide. |
