Ионизационный вакуумметр с холодным катодом

В холодном катоде газ ионизируется путём столкновения с электронами, двигающимися в скрещенных электрических и магнитных полях по спиралевидным траекториям. При высоком напряжении между катодом и анодом все электрически заряженные частицы, находящиеся в остаточном газе, ускоряются и движутся к соответствующему электроду. При этом они сами могут ионизировать другие молекулы, соударяясь с ними, или вызывать образование вторичных электронов. Движущиеся к аноду электроны и устремляющиеся к катоду ионы вызывают процесс газового разряда. Остаточный газ в холодном катоде ионизируется электронами. При низком давлении очень важно, чтобы они как можно дольше оставались в области ионизации. Таким образом, повышается вероятность ионизации и продолжительность газового разряда. Дополнительное внешнее магнитное поле усиливает действие процесса.

Ловушка Пеннинга состоит из двух параллельных дисковых катодов, между которыми закреплено кольцо анода. Сильный постоянный магнит окружает ловушку и образует вертикальное магнитное поле. Напряжение между катодами и анодом составляет около 2 kV; сила магнитного поля находится обычно в пределах от 100 до 200 mT. Потенциал создаёт седловую точку в центре анодного кольца, в которой уравновешиваются все электростатические силы. Выходящие из катода электроны устремляются к аноду. Как только их вектор скорости становится вертикален к магнитному полю, электроны начинают двигаться под действием силы Лоренца по спиральной траектории внутри анодового кольца. Обладая большой энергией, они ударяются о газовые частицы и ионизируют их.

Образовавшиеся положительные ионы устремляются под действием электрического поля к катодам, где измеряется разрядный ток. Из-за большой массы ионов магнитное поле оказывает на них лишь незначительное влияние (по сравнению с электроном). Отношение давления вакуума и разрядного тока определяется по формуле p = const·Im, причём показатель находится в интервале  от 1 до 1.4 в зависимости от формы конструкции. Таким образом, отношение газа к разрядному току  пропорционально давлению вакуума. Энергия ионизации и вероятность ионизации различных атомов и молекул очень различна. Поэтому измерять давление ионизационным вакуумметром с холодным катодом следует в зависимости от вида газа.

Холодные катоды обычно используются в области давления ниже 10^-3 mbar. В этой области давления электроны имеют достаточно длинный свободный пробег,  вероятность рекомбинации уменьшается и для их действия необходима малая мощность. Нижний предел измеряемого давления определяется наименьшим  измеряемым ионным потоком, который обычно достигается в области 10^-11 mbar. Ещё один недостаток - это прекращение разряжения в измерительном элементе, что можно компенсировать, например, оптимальной формой конструкции. Многие ионизационные вакуумметры с холодным катодом можно приобрести с магнетроном или инвертированным магнетроном.