热阴极与冷阴极电离规计量学特性比较研究

　　介绍了3个热阴极电离规和2个反磁控型冷阴极电离规的计量学特性实验研究结果。实验设备是一台高真空基础标准, 实验范围为10^-7～10^-3Pa, 实验气体为N₂、Ar、He 和H₂。在连续72h 观测中, 热阴极电离规在N₂、Ar 和He中的稳定性优于反磁控规, 但在H₂中则所有规的稳定性相似。在6个月的重复校准中, 所有规在N₂、Ar 和He 中的长期稳定性相似, 但在H₂中反磁控规的长期稳定性优于热阴极电离规。对于不同的气体, 反磁控规的非连续性出现在不同的压力点。在很宽的压力范围内, 热阴极电离规的相对灵敏度变化较小, 但反磁控规的相对灵敏度随压力变化较大。反磁控规的放电时间随压力、气体和真空系统中电离源的不同而变化。反磁控规的出气率比热阴极电离规小得多, 而抽速与一个具有10mA发射电流的热阴极电离规相当。对一些影响实验规计量学特性的原因进行了讨论。

1、引言

　　电离规广泛应用于10^-1Pa至最低所能达到的压力范围的测量。电离规有2种类型: 在热阴极电离规中, 电离电子源是一个热阴极(灯丝) ; 在冷阴极电离规中, 电离电子源是交叉电磁场中循环的空间电子电荷。

　　在热阴极电离规中, 热阴极发射的电子被栅极加速, 荷能电子与气相中的气体分子发生碰撞使气体分子产生电离, 离子被相对于阴极和栅极为负偏压的收集极接收, 收集极上接收的离子流Ic比与阴极发射的电子电流Ie 和压力p的关系由式(1) 描述

　　I_c=SIep+I_r 　　(1)

　　式中S是规管的灵敏度; Ir是与压力无关的残余电流。有关热阴极电离规的性能已有大量文献介绍^[1～10] , 一些文献^{[11, 12]}还总结了使用热阴极电离规后保证其优良稳定性的经验。

　　冷阴极电离规中的电流和平均电子能量由规管结构和工作参数决定, 使用者无法控制。通过实验观测,冷阴极电离规中的电流I与压力p在一定压力范围内遵循式(2) 的幂次方关系

　　I=Kpⁿ　　 (2)

　　式中K和n对于给定气体、规管、磁场和工作电压时为常数， 指数n 的值对大多数反磁控冷阴极规介于1.05和1.30 之间^[13]。冷阴极电离规存在的主要问题是非连续性、低压力下放电延迟效应以及它的不稳定性等,但现代反磁控冷阴极电离规被认为克服了这些问题。无论如何, 没有足够的证据表明现代冷阴极电离规的性能得到了改进。最近几年, 有一些有价值的与反磁控冷阴极电离规相关的研究报道^[13～21] , 但大多数实验仅是在N 2 中以磁悬浮转子规和分离规作为参考标准而进行校准。

　　本文的实验结果是以一台高真空基础标准在10^-7～10^-3Pa 范围内, 用N₂、Ar、He 和H₂ 进行校准得到的。研究的内容包括稳定性、反磁控规的非连续性、绝对灵敏度与相对灵敏度、反磁控规的放电特性以及电离规的抽气与出气效应等。

2、实验设备

　　实验设备是一台连续膨胀法高真空基础标准^[22] , 其基本原理是将流量计产生的已知流量气体注入到校准室中, 并通过一已知流导的小孔不断抽除。

　　校准室的内径和高度均为250mm , 圆形小孔的直径为24.712 mm , 小孔的面积与校准室内切球面积之比为2. 4×10^{- 3}, 大于推荐的上限值1×10^{- 3 [23]}。采用较大的小孔可以获得对校准室较大的抽速, 从而得到较小的校准压力; 较大小孔的主要缺点是返流较大。

　　一台抽速为1 000 L/s 的磁悬浮涡轮分子泵作为主泵, 另一台抽速为180L/s 小涡轮分子泵作为它的前级泵并与之串联, 这样可保证对H₂ 具有高的压缩比和获得更低的残余压力。

　　校准室在220 ℃烘烤后, 可获得大约2×10^-8Pa (等效氮) 的本底压力。

3、实验规

　　对5个商业电离现进行了研究, 包括1个分离现(EXG: IE514,Leybold)、2 个BA 规(BAG1: STABILION , Granville－Phillip s;BAG:IE414, Leybold) 和2个反磁控冷阴极规(IMG1: IMG, Varian; IM G2:IKR270, Inf icon)。所有规通过金属密封法兰连接到校准室上, 为了避免实验规相互干扰, 还采用了弯管连接。

　　所有实验规均采用生产商提供的控制单元, 但EXG、BA G1 和BA G2 的离子流用PTB 设计的静电计测量。EXG的发射电流为1.5mA , 阴极电压为100V, 栅极电压为220V , 收集极接地;BAG1 的发射电流则为410mA , 阴极电压30V , 栅极电压180V , 收集极接地; BAG2的发射电流为1. 0mA , 阴极电压50V, 栅极电压180V, 收集极接地。3 个热阴极电离规均为敷氧化钍铱阴极。

　　反磁控规IMG1 可在10^-1～10^{- 9}Pa 范围内测量, 按照生产商的说明, 线性响应和10^{- 9}Pa 下放电时间小于50s是该规的优良特性, IMG1的工作电压约为3. 0 kV。反磁控规IM G2 可在1～ 5 ×10^{- 9} Pa 范围内测量, 工作电压约为3. 3 kV。

4、实验过程

　　实验规安装到实验设备上后, 对真空室进行抽气和220 ℃烘烤, 在校准室中获得约2×10^{- 8} Pa 的本底压力。

　　实验设备和实验规工作稳定后, 分别用N₂、Ar、He和H₂从低压力到高压力进行第一轮校准。在校准的初期阶段, 对每种气体在连续3d内进行3 轮校准。每一轮校准在12 个压力点下进行, 大约在6h内完成, 以后的校准每隔1～2个月进行一轮。在校准的间隔, 对出气率、抽速、相对灵敏度、放电时间和短期稳定性等也进行了研究。在整个实验期间, 除校准和进行其他测量外, 实验规都工作在本底压力下。