热阴极电离真空计的工作原理

         真空技术的应用涉及到各个领域, 大到航天设备,小到普通的灯泡。真空度的测量无疑是真空技术的关键, 作为真空度测量设备的真空计类型很多, 其灵敏度、量程和用途各不相同, 常用的有热偶真空计、皮拉尼(电阻) 真空计、潘宁真空计和热阴极电离真空计等,前三者都是用于低真空测量的。本文将详细介绍用于高真空测量的热阴极电离真空计的工作原理。

         当气体导电时, 气体分子与高速飞行的电子发生碰撞而电离, 碰撞的频率与气体分子的密度有关。密度大, 碰撞的频率就高, 产生的离子也越多; 而气体分子的密度又与气体的压强有着直接关系, 因此, 如果能测定气体中被电离的离子流的大小, 即可确定气体的压强。热阴极电离真空计就是根据上述原理制成的, 其原理如图1所示。

图1　电离规管结构示意图

         热阴极F通电加热后向外发射电子,形成电子流Ie。在栅极C 上加一约为150 V～ 200 V 的正电压, 这一正电压可吸引和加速由热阴极发射出来的电子。被加速的电子穿过栅极后, 因收集极T 的电压相对栅极C 为负电压, 电子又被收集极T 推回, 再加速向栅极返回。这样, 电子在往返的运动中增大了与气体分子碰撞的概率, 使更多的气体分子电离, 变成正离子和二次电子, 而正离子又将被电位最低的收集极T 所吸引,在收集极电路中形成电流I i, 在数值上该电流就是正离子流的大小, 并且与真空系统的压强以及电子流I e有着如下关系:

         式中: Ii为被电离的气体正离子流; K为无量纲的比例系数, 其数值是由各电极材料、形状、相对位置和相对电势等因素决定的常量, 可以简单理解为电离效率; Ie为热阴极发射的电子流; P为真空系统的压强, 是我们所要测量的量。

         在实际应用中为了简化设计, 一般都是把Ie控制在一个固定的数值上, 这样就能把K I e 也看做常量F= (KIe)-1, 把F代入式(1), 再经过变化后得到:

         显然, 为了求出压强P , 只要测量I i 就可以了。但实际应用中还受许多因素的影响: 如果电极的面积很大, 将会把高压强时吸附的气体释放出来, 这种释气现象对低真空的测量影响较大; 电子轰击金属表面会有X 射线产生, 射线的影响在超高真空测量时尤其明显;由于不同气体分子被电离的难易程度不同, 因此在使用时, 对不同的气体要分别进行校正。

         如果电子流过大, 而气体分子密度较低, 会发生饱和现象, 离子流和电子流不再有式(1) 中的线性关系;并且如果电子过大, 灯丝(热阴极) 的加热电流需要提高, 将会严重影响灯丝的使用寿命, 因此实际使用中,电子流一般为0.1mA～ 10mA。由于低真空时的压强P 很小, 离子流在皮安数量级, 为了提高灵敏度, 经常采用不同电子流来分别测量不同真空段的压强。