CN101266180A - 电离规 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电离规，其包括阴极，栅极和离子收集极，该栅极位于阴极与离子收集极之间且靠近阴极。阴极，栅极和离子收集极分别相向间隔设置，其中，阴极包括基底及场发射材料薄膜，该场发射材料薄膜是面向离子收集极而设置于基底上。所述的电离规，通过场发射阴极发射电子，具有低功耗、低放气率及良好的线性等优点，适合测量中真空环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体压强测量器件，尤其涉及一种用于中真空测量的电离规。
背景技术
当代科技发展迅猛，在许多高新技术领域，需要真空环境，因此真空测量是必不可少的重要环节。
电离规一般用于真空测量之中，例如应用最广泛的是Bayard和Alpert于1950年发明的BA型电离规，其测量范围是10-7～10-1帕。限制电离规测量上限的因素是灵敏度，当灵敏度降至0.1托-1，测量上限可延伸至102帕。适用于中低真空(高压强)测量的舒茨(Schulz)型电离规是目前应用最多的中真空电离规，其测量范围是10-4～101帕。然而，在这些电离规中，阴极电子源均是加热的钨丝，需要有电源给钨丝供电，导致功耗大、钨丝放气率高。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种低功耗、低放气率的电离规。
一种电离规，包括阴极，栅极和离子收集极，该栅极位于阴极与离子收集极之间且靠近阴极，阴极，栅极和离子收集极分别相向间隔设置，其中，阴极包括基底及场发射材料薄膜，该场发射材料薄膜是面向离子收集极而设置于基底上。
所述的电离规，通过场发射阴极发射电子，具有低功耗、低放气率及良好的线性等优点，适合测量中真空环境。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电离规的一个截面示意图。
图2为图1中电离规的电流比与压强的关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种电离规100，该电离规100包括阴极102，栅极104和离子收集极106。该栅极104位于阴极102与离子收集极106之间且靠近阴极102。阴极102，栅极104和离子收集极106分别相向间隔设置，阴极102包括基底108及场发射材料薄膜110，该场发射材料薄膜110是面向离子收集极106而设置于基底108上。
该栅极104和离子收集极106的材料均可选自导电金属，如铜，金等。离子收集极106是导电金属平板。栅极104可以采用各种孔状结构，如金属环，金属孔或者金属网等。阴极102和栅极104是用绝缘间隔片112隔开，如绝缘陶瓷，间隔的距离d在小于或等于200微米的范围内。栅极104和离子收集极106的间隔距离D在0.5～2毫米的范围内。优选地，d为200微米，D为1毫米，该电离规100的测量范围覆盖了10-4～101帕(在氮气环境中)，10-3～102帕(在氦气环境中)的区域。
该场发射材料薄膜110可选自各种场发射材料，优选为碳纳米管。碳纳米管可通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法等现有方法制备，并可通过离心提纯得到纯度较高的碳纳米管。碳纳米管所选的长度在5～15微米的范围内为佳，过短会减弱碳纳米管的场发射特性，过长容易使碳纳米管折断。另外，该场发射材料薄膜110除了碳纳米管外，还包含低熔点玻璃及导电金属微粒，低熔点玻璃的熔点在400～500℃的范围内，其作用是将碳纳米管和基底108进行粘结，防止碳纳米管从基底108上脱落，从而延长场发射阴极102的使用寿命。导电金属微粒的材料选自氧化铟锡或银，其可保证碳纳米管和基底108电性连接。基底108优选为导电的氧化铟锡玻璃。
上述阴极102可通过丝网印刷等涂覆方法，将用于形成场发射材料薄膜110的浆料涂覆在基底108上，再进行烘干和焙烧而形成。所述浆料各成份的配制重量百份比分别为：5～15％的碳纳米管、10～20％的导电金属微粒、5％的低熔点玻璃及60～80％的有机载体。导电金属微粒的材料是选自氧化铟锡或银，所述有机载体是作为主要溶剂的松油醇、作为增塑剂的少量邻位苯二甲酸二丁酯及作为稳定剂的少量乙基纤维素的混合载体。将各成份按比例混合后，可通过超声震荡的方法使各成份在浆料中均匀分散而得到均匀稳定的浆料。
对涂覆有场发射材料薄膜110的基底108进行烘干的目的是去掉场发射材料薄膜110中的有机载体，焙烧的目的是使低熔点玻璃熔融，起到粘结碳纳米管和基底108的作用，导电金属微粒可保证碳纳米管和基底108电性连接。低熔点玻璃的熔点在400～500℃的范围内，当然，所选基底108的材料熔点应比低熔点玻璃的熔点要高。为进一步地增强场发射阴极102的场发射特性，在经过烘干和焙烧之后，对场发射材料薄膜110的表面进行摩擦，碳纳米管的一端被摩擦引起的静电吸引而冒头，取向一致，从而增强场发射阴极102的场发射特性。
该电离规100还进一步包括外壳114及三个电极引线116。上述阴极102，栅极104和离子收集极106均置于外壳114内，各电极引线116的一端分别与阴极102的基底108，栅极104和离子收集极106连接，另一端延伸至外壳114外并可连接测量电路(图未示)。该外壳114的开口端118与被测环境相通。
以下说明该电离规100测量被测环境压强的原理。阴极102为零电位，栅极104加上正电位，阴极102在栅极104电位的作用下发射出电子，大部分电子会透过栅极104，离子收集极106的电位是负电位，透过栅极104的电子会反向折回栅极104，形成栅极电流Ie。在这个过程中，电子与被测环境空间的气体分子碰撞并使气体分子电离，产生的离子由负电位的离子收集极106吸收，形成离子流Ii。栅极电流Ie与离子收集极离子流Ii有如下的关系：
Ii/Ie＝kP
其中P为压强，k是一个固定的比例系数，称为灵敏度，灵敏度是电离规100的固有性质，由它的结构决定，可以通过标准真空计校准该电离规100而得知该灵敏度。通过测量栅极电流Ie和离子收集极离子流Ii就可以得出被测环境的压强。
需要指出的是，电子在距离d内与气体分子相碰撞的几率可由如下公式表示：P(d)＝1-exp(-d/l)。其中l是平均自由程，它与气压P成反比。在1托(133帕)空气的环境下，l为290微米。为了尽量减小电子与气体分子的碰撞几率，所以要求d应比l小，以减少阴极102与栅极104之间产生的离子，避免离子轰击阴极造成阴极102的损坏。本实施例中，d约为200微米，D为1毫米，该电离规100的测量范围覆盖了10-4～101帕(在氮气环境中)和10-3～102帕(在氦气环境中)的区域。
请参阅图2，测量结果显示了本实施例的电离规中，Ii/Ie与P之间极好的线性关系，本实施例的电离规100的线性测量范围覆盖了10-4～101帕(在氮气环境中)和10-3～102帕(在氦气环境中)的区域。
本实施例所提供的电离规100，通过场发射阴极102发射电子，具有结构小巧，低功耗、低放气率及良好的线性等优点，适合测量中真空环境。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，如场发射材料的变更，各电极间距离的变更等。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1. 一种电离规，包括阴极，栅极和离子收集极，该栅极位于阴极与离子收集极之间且靠近阴极，阴极，栅极和离子收集极分别相向间隔设置，其特征在于：阴极包括基底及场发射材料薄膜，该场发射材料薄膜是面向离子收集极而设置于基底上。
2. 如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的基底是透明导电的氧化铟锡玻璃，所述场发射材料薄膜含有碳纳米管，低熔点玻璃及导电金属微粒。
3. 如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的离子收集极是导电金属平板。
4. 如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的阴极和栅极是用绝缘间隔片隔开，间隔的距离在小于或等于200微米的范围内。
5. 如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述的导电金属微粒材料选自氧化铟锡或银。
6. 如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的栅极是孔状结构。
7. 如权利要求6所述的电离规，其特征在于，所述的孔状结构包括金属环，金属孔或者金属网。
8. 如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的电离规进一步包括外壳及三个电极引线，上述阴极，栅极和离子收集极均置于外壳内，各电极引线的一端分别与阴极基底，栅极和离子收集极连接，另一端延伸至外壳外。
9. 如权利要求4所述的电离规，其特征在于，所述的栅极和离子收集极的距离在0.5～2毫米的范围内。
10. 如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管的长度在5～15微米的范围内。
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