Il dibattito in corso da anni è: "Qual è il metodo migliore per misurare l'alto vuoto? Catodo caldo(Bayard-Alpert) o catodo freddo?". Sebbene i misuratori a filamento caldo siano popolari e utilizzati in varie applicazioni, il catodo freddo ha caratteristiche operative uniche che spesso lo rendono una scelta migliore. I misuratori a catodo freddo sono economici perché devono essere sostituiti di rado, non sono soggetti a danni dovuti a iniezioni accidentali di aria, non presentano errori indotti dai raggi X in condizioni di ultra-alto vuoto (UHV) e non hanno un filamento che degasa o reagisce con il gas di processo. Anche l'elettronica di controllo/sensing è più semplice e quindi più affidabile di quella di Bayard-Alpert. Questo articolo si propone di fornire una breve storia della tecnologia di misura a catodo freddo e di fornire un modello di applicazione per la selezione del calibro. Verranno chiariti alcuni miti come l'avvio/accensione, l'imprecisione della misura e l'interferenza magnetica associati alla tecnologia a catodo freddo.
Così come esistono sensori di vuoto diversi ed evolutivi nella tecnologia a catodo caldo (Triodo, Schulz-Phelps e Bayard-Alpert), ciascuno con caratteristiche operative uniche, esistono differenze distinte nella classificazione dei misuratori a catodo freddo. La classificazione di tutti i catodi freddi nella stessa modalità di funzionamento è errata. Questa concezione errata della tecnologia di misurazione dei catodi freddi è stata mantenuta in vita più dal fervore competitivo delle aziende che dai fatti scientifici. Sebbene la maggior parte dei catodi freddi utilizzati oggi sia costituita da magnetron, esistono diversi tipi di magnetron, ciascuno con le proprie caratteristiche di misura e di funzionamento. Un magnetron è un dispositivo con un emettitore di elettroni assiale (catodo) e un anodo cilindrico coassiale con un campo magnetico assiale sovrapposto.
La prima forma di misuratori di ionizzazione a catodo freddo è stata costruita come un semplice dispositivo a scarica, ovvero un tubo sviluppato in vetro con piastre di scarica (elettrodi) alle due estremità. Il campo di misura era compreso tra 20 e 10-3 Torr. L'involucro di vetro era collegato a un sistema di vuoto. Gli elettrodi erano collegati a un'alimentazione fissa ad alta tensione. Gli elettroni dell'elettrodo negativo si scontravano con le molecole di gas per produrre ioni, dando luogo a una scarica tra i due elettrodi. La quantità di corrente nella scarica era proporzionale alla lettura del vuoto. Tutte le versioni successive di catodi freddi/magnetron utilizzano questa caratteristica per misurare il vuoto. L'evoluzione di questa tecnologia di misura consiste in una serie di miglioramenti del campo magnetico e del posizionamento degli elettrodi. Ogni fase dell'evoluzione ha migliorato il progetto precedente eliminando o riducendo al minimo le caratteristiche negative.
Ionizzazione di Penning Catodo freddo
Il primo perfezionamento del tubo di scarica ha portato al misuratore di ionizzazione di Penning (PIG). Questo strumento utilizzava un campo magnetico per allungare il percorso degli elettroni, aumentando così la probabilità di collisioni ionizzanti e campi di scarica più stabili. La versione originale del misuratore di Penning fu sviluppata tra il 1936 e il 1937. Come mostrato schematicamente nella Figura 1, questo misuratore è caratterizzato dall'orientamento delle linee di campo magnetico (campi B) rispetto all'anodo. Il lavoro successivo di Penning e Nienhnis ha portato a un PIG migliorato con un anodo cilindrico, che offre una scarica più stabile.
I misuratori Penning, come il modello Televac®️ 7B Penning a catodo freddo, misurano il vuoto in un intervallo compreso tra 10-3 e 10-7 Torr e sono oggi molto apprezzati per la loro robustezza, con una maggiore tolleranza alla contaminazione, e per la possibilità di essere smontati e puliti, prolungando la durata di vita del misuratore. Il misuratore a catodo freddo di Penning rappresentava una robusta alternativa al filamento caldo o al misuratore di Bayard-Alpert. La sua scarica, tuttavia, si spegneva quando veniva utilizzata a livelli di vuoto inferiori a 10-7 Torr. Si tratta di un problema che sarebbe stato risolto anni dopo, ma che ha favorito la proliferazione dei sensori di Bayard-Alpert, che non presentavano alcuna di queste limitazioni di misura. Ad aggravare lo sviluppo e l'accettazione dei catodi freddi c'erano anche le difficoltà di progettare alimentatori affidabili da 3 a 5 kilovolt e di convertire la corrente di scarica in una lettura del vuoto di facile utilizzo, che all'epoca era solo un misuratore "analogico".
La corrente di collettore del misuratore di Bayard-Alpert era una funzione lineare del vuoto, mentre il sensore a catodo freddo era non lineare. I display di Bayard-Alpert avevano scale di misurazione lineari e offrivano una risoluzione migliore rispetto alle scale di misurazione non lineari a catodo freddo. Con l'avvento degli amplificatori di registro, dei microprocessori e dei display digitali, la visualizzazione di misure di vuoto significative e accurate è diventata un punto irrilevante, ma ci sono voluti decenni dopo lo sviluppo iniziale del PIG perché ciò avvenisse.
Figura 1 - Vacuometro a catodo freddo Penning
Catodo freddo a magnetron invertito
Il successivo importante miglioramento della tecnologia a catodo freddo fu il misuratore a magnetron invertito (IMG). Questo sensore è stato sviluppato dal 1950 al 1958. Il progetto incorpora un campo magnetico parallelo all'anodo e fornisce miglioramenti operativi rispetto al misuratore di Penning. La Figura 2 illustra una cella di ionizzazione a magnetron invertito di base. Un catodo circonda l'anodo, situato in posizione centrale. Il campo magnetico in questa configurazione è parallelo all'anodo. I campi magnetici ed elettrici incrociati che ne derivano hanno permesso di ottenere un intervallo operativo stabile e migliori caratteristiche di avviamento ad alto vuoto. Ulteriori progressi nella tecnologia dei magnetron invertiti, sviluppati nel 1958 da Redhead, hanno creato uno straordinario dispositivo di misura in grado di misurare il vuoto a 3*10-13 Torr. Questo progetto superava il problema dell'avviamento a queste pressioni molto basse confinando gli elettroni nella regione di scarica. La NASA ha successivamente utilizzato una versione di questo misuratore per l'esplorazione dello spazio. Gli IMG disponibili in commercio in questo periodo misuravano fino a 10-8 Torr, con caratteristiche nettamente migliori rispetto al misuratore di Penning. Allo stesso tempo, il magnetron invertito Redhead fornì un assaggio di ciò che era possibile fare con la tecnologia a catodo freddo.
Figura 2 - Misuratore di vuoto a catodo freddo a magnetron invertito
Catodo freddo a doppio magnetron invertito
Sebbene i magnetroni invertiti abbiano migliorato le prestazioni rispetto al misuratore di Penning, il funzionamento affidabile e duraturo delle misure al di sotto di 10-8 Torr era ancora un problema per la maggior parte dei produttori di vacuometri a catodo freddo. Un'attenta selezione dei magneti e delle tolleranze di fabbricazione ha apportato piccoli miglioramenti, ma una scarica sostenuta e affidabile a 10-9 - 10-11 Torr non era facilmente o economicamente raggiungibile con molti progetti di vacuometri a magnetrone invertito.
Nel 1996 è stato sviluppato e brevettato un magnetron a doppia inversione. Ciò ha consentito un funzionamento costante e affidabile al di sotto di 10-8 Torr e un campo magnetico esterno minimo o nullo, aumentando al contempo le dimensioni e la forza del campo magnetico all'interno del sensore. Ciò ha permesso di migliorare la sensibilità. Anche i tempi di avvio sono stati migliorati rispetto ai progetti precedenti. La Figura 3 rappresenta la costruzione di un doppio magnetron invertito. I magneti opposti mantengono due campi magnetici separati, creando due celle magnetroniche invertite distinte. La probabilità di ionizzazione aumenta: una particella ionizzata che esce da una cella ha il 50% di possibilità di finire nell'altra cella. Le correnti di elettroni sono essenzialmente doppie rispetto a quelle prodotte da una singola cella di magnetron invertito, fornendo un migliore rapporto segnale/rumore e consentendo all'elettronica di estendere il campo di misura a 10-9 Torr e oltre. La capacità di misura al di sotto di 10-9 Torr, combinata con i significativi miglioramenti apportati agli alimentatori ad alta tensione, alle misure a bassa corrente e ai materiali magnetici, ha eliminato i problemi del passato, rendendo il magnetron a doppia inversione l'approccio più moderno alle misure pratiche in alto vuoto.
Figura 3 - Vacuometro a catodo freddo a doppio magnetron invertito
I moderni magnetron doppi invertiti sono misuratori molto diversi dai primi misuratori di Penning e dai magnetron invertiti. Misurano un intervallo di vuoto superiore a quello di un misuratore di Bayard-Alpert convenzionale, pur garantendo un'accuratezza comparabile e un'ottima stabilità a lungo termine. I catodi freddi non sono soggetti a errori ESD (electron-stimulated desorption). L'ESD è una condizione che compare casualmente nei misuratori di Bayard-Alpert e che causa errori di almeno il 10% a 10-7 Torr, con un peggioramento degli errori in caso di vuoto più profondo, con valori prossimi a 10-10 Torr. È un problema che rende sostanzialmente più difficile il lavoro a bassa pressione.
I magnetron doppi invertiti sono più adatti per le misure in vuoto spinto e UHV perché non sono soggetti agli errori dei raggi X e al degassamento dei filamenti. A una pressione di 2*10-10 Torr, un misuratore di Bayard-Alpert con un limite di raggi X di 2*10-10 Torr avrà un errore di misura approssimativo del 100%. Questo errore si accentua con la diminuzione della pressione reale.
A differenza dei misuratori Bayard-Alpert, i vacuometri a catodo freddo a doppio magnetron invertitoTelevac®️ 7E, 7F, 7FC e 7FCS sono resistenti agli spruzzi di gas, possono essere puliti e presentano un campo magnetico disperso minimo. Il 7FCS è stato appositamente progettato per accendersi a vuoto ultraelevato (UHV) per le applicazioni che richiedono l'accensione nel range di 10-8 Torr o in un vuoto superiore, dove il 7FCS si accende in meno di cinque secondi.
La tecnologia di misura a catodo freddo si è evoluta notevolmente rispetto ai primi misuratori a ionizzazione di Penning. Questi moderni misuratori forniscono risultati accurati, ripetibili e affidabili. I doppi magnetron invertiti misurano in modo affidabile un intervallo di vuoto più ampio rispetto alla maggior parte dei misuratori Bayard-Alpert e non sono soggetti a errori dovuti a raggi X o ESD. La maggior parte delle versioni può essere pulita, riparata o ricostruita per garantire anni di servizio in condizioni avverse al funzionamento e alla longevità di un misuratore Bayard-Alpert. Uno degli aspetti più importanti, ma spesso trascurato, dei moderni catodi freddi è che riducono i costi eliminando l'elevato costo della frequente sostituzione dei misuratori Bayard-Alpert.
Idoneità all'applicazione
| Condizioni operative | Bayard-Alpert o catodo freddo | Motivo |
| Resistenza ai danni accidentali | Catodo freddo | I catodi freddi hanno una struttura metallica robusta (rispetto ai misuratori di Bayard-Alpert in vetro o non schermati/nudi) e sono resistenti ai danni provocati dagli spruzzi di gas. |
| Gas corrosivi | Catodo freddo | I catodi freddi non hanno filamenti ad alta temperatura che reagiscono con i gas corrosivi. |
| Processi ad alta contaminazione | Catodo freddo | I catodi freddi possono essere puliti per una durata prolungata e la loro precisione è meno influenzata rispetto ai misuratori di Bayard-Alpert quando sono esposti alla stessa quantità di contaminazione. |
| Vibrazioni | Catodo freddo | I catodi freddi non hanno strutture delicate che possono vibrare, muoversi o rompersi come i filamenti di filo sottile e le griglie di un calibro di Bayard-Alpert. |
| Misure UHV | Catodo freddo | I catodi freddi non hanno filamento, quindi il degassamento è significativamente ridotto, e hanno una migliore stabilità a lungo termine rispetto ai calibri di Bayard-Alpert perché non ci sono strutture a filo sottile che cambiano geometricamente nel tempo, rispetto alle strutture a filo sottile di un calibro di Bayard-Alpert che si muovono e cambiano geometricamente nel tempo, con un impatto sulle prestazioni. |
| MTTF | Catodo freddo | I misuratori a catodo freddo hanno un MTTF più elevato perché non hanno un filamento che può bruciarsi come i misuratori Bayard-Alpert; anche l'elettronica di controllo è meno complessa e quindi il tasso di guasti dell'elettronica è inferiore. |
| Massima precisione | Bayard-Alpert | I misuratori a filamento caldo disponibili in commercio hanno in genere un'accuratezza iniziale di circa ±10%, mentre i misuratori a catodo freddo disponibili in commercio hanno in genere un'accuratezza di circa ±30% per l'intera durata di vita del vacuometro. |
