熱陰極與冷陰極電離規計量學特性比較研究

    本文介紹了3個熱陰極電離規和2個反磁控型冷陰極電離規的計量學特性實驗研究結果。實驗設備是一臺高真空基礎標準, 實驗范圍為10^-7～10^-3Pa, 實驗氣體為N₂、Ar、He 和H₂。在連續72h 觀測中, 熱陰極電離規在N₂、Ar 和He中的穩定性優于反磁控規, 但在H₂中則所有規的穩定性相似。在6個月的重復校準中, 所有規在N₂、Ar 和He 中的長期穩定性相似, 但在H₂中反磁控規的長期穩定性優于熱陰極電離規。對于不同的氣體, 反磁控規的非連續性出現在不同的壓力點。在很寬的壓力范圍內, 熱陰極電離規的相對靈敏度變化較小, 但反磁控規的相對靈敏度隨壓力變化較大。反磁控規的放電時間隨壓力、氣體和真空系統中電離源的不同而變化。反磁控規的出氣率比熱陰極電離規小得多, 而抽速與一個具有10mA發射電流的熱陰極電離規相當。對一些影響實驗規計量學特性的原因進行了討論。

1、引言

　　電離規廣泛應用于10^-1Pa至*低所能達到的壓力范圍的測量。電離規有2種類型: 在熱陰極電離規中, 電離電子源是一個熱陰極（燈絲） ; 在冷陰極電離規中, 電離電子源是交叉電磁場中循環的空間電子電荷。

　　在熱陰極電離規中, 熱陰極發射的電子被柵極加速, 荷能電子與氣相中的氣體分子發生碰撞使氣體分子產生電離, 離子被相對于陰極和柵極為負偏壓的收集極接收, 收集極上接收的離子流Ic比與陰極發射的電子電流Ie 和壓力p的關系由式（1） 描述

　　I_c=SIep+I_r 　?。?）

　　式中S是規管的靈敏度; Ir是與壓力無關的殘余電流。有關熱陰極電離規的性能已有大量文獻介紹^[1～10] , 一些文獻^{[11, 12]}還總結了使用熱陰極電離規后保證其優良穩定性的經驗。

　　冷陰極電離規中的電流和平均電子能量由規管結構和工作參數決定, 使用者無法控制。通過實驗觀測,冷陰極電離規中的電流I與壓力p在一定壓力范圍內遵循式（2） 的冪次方關系

　　I=Kpⁿ　　 （2）

　　式中K和n對于給定氣體、規管、磁場和工作電壓時為常數， 指數n 的值對大多數反磁控冷陰極規介于1.05和1.30 之間^[13]。冷陰極電離規存在的主要問題是非連續性、低壓力下放電延遲效應以及它的不穩定性等,但現代反磁控冷陰極電離規被認為克服了這些問題。無論如何, 沒有足夠的證據表明現代冷陰極電離規的性能得到了改進。*近幾年, 有一些有價值的與反磁控冷陰極電離規相關的研究報道^[13～21] , 但大多數實驗僅是在N 2 中以磁懸浮轉子規和分離規作為參考標準而進行校準。

　　本文的實驗結果是以一臺高真空基礎標準在10^-7～10^-3Pa 范圍內, 用N₂、Ar、He 和H₂ 進行校準得到的。研究的內容包括穩定性、反磁控規的非連續性、**靈敏度與相對靈敏度、反磁控規的放電特性以及電離規的抽氣與出氣效應等。

2、實驗設備

　　實驗設備是一臺連續膨脹法高真空基礎標準^[22] , 其基本原理是將流量計產生的已知流量氣體注入到校準室中, 并通過一已知流導的小孔不斷抽除。

　　校準室的內徑和高度均為250mm , 圓形小孔的直徑為24.712 mm , 小孔的面積與校準室內切球面積之比為2. 4×10^{- 3}, 大于推薦的上限值1×10^{- 3 [23]}。采用較大的小孔可以獲得對校準室較大的抽速, 從而得到較小的校準壓力; 較大小孔的主要缺點是返流較大。

　　一臺抽速為1 000 L/s 的磁懸浮渦輪分子泵作為主泵, 另一臺抽速為180L/s 小渦輪分子泵作為它的前級泵并與之串聯, 這樣可保證對H₂ 具有高的壓縮比和獲得更低的殘余壓力。

　　校準室在220 ℃烘烤后, 可獲得大約2×10^-8Pa （等效氮） 的本底壓力。

3、實驗規

　　對5個商業電離現進行了研究, 包括1個分離規（EXG: IE514,Leybold）、2 個BA 規（BAG1: STABILION , Granville－Phillip s;BAG:IE414, Leybold） 和2個反磁控冷陰極規（IMG1: IMG, Varian; IMG2:IKR270, Inficon）。所有規通過金屬密封法蘭連接到校準室上, 為了避免實驗規相互干擾, 還采用了彎管連接。

　　所有實驗規均采用生產商提供的控制單元, 但EXG、BA G1 和BA G2 的離子流用PTB 設計的靜電計測量。EXG的發射電流為1.5mA , 陰極電壓為100V, 柵極電壓為220V , 收集極接地;BAG1 的發射電流則為410mA , 陰極電壓30V , 柵極電壓180V , 收集極接地; BAG2的發射電流為1. 0mA , 陰極電壓50V, 柵極電壓180V, 收集極接地。3 個熱陰極電離規均為敷氧化釷銥陰極。

　　反磁控規IMG1 可在10^-1～10^{- 9}Pa 范圍內測量, 按照生產商的說明, 線性響應和10^{- 9}Pa 下放電時間小于50s是該規的優良特性, IMG1的工作電壓約為3. 0 kV。反磁控規IM G2 可在1～ 5 ×10^{- 9}Pa 范圍內測量, 工作電壓約為3. 3 kV。

4、實驗過程

　　實驗規安裝到實驗設備上后, 對真空室進行抽氣和220 ℃烘烤, 在校準室中獲得約2×10^{- 8} Pa 的本底壓力。

　　實驗設備和實驗規工作穩定后, 分別用N₂、Ar、He和H₂從低壓力到高壓力進行**輪校準。在校準的初期階段, 對每種氣體在連續3d內進行3 輪校準。每一輪校準在12 個壓力點下進行, 大約在6h內完成, 以后的校準每隔1～2個月進行一輪。在校準的間隔, 對出氣率、抽速、相對靈敏度、放電時間和短期穩定性等也進行了研究。在整個實驗期間, 除校準和進行其他測量外, 實驗規都工作在本底壓力下。