CN101576423B - 电离规 - Google Patents

Abstract

一种电离规，该电离规包括阴极、栅极和离子收集极，该栅极设置于该阴极与该离子收集极之间，阴极、栅极和离子收集极间隔绝缘设置，其中，所述栅极包括一碳纳米管结构。该电离规用于测量真空环境的真空度。

Description

电离规

技术领域

本发明涉及一种气体压强测量器件，尤其涉及一种电离规。

背景技术

当代科技发展迅猛，在许多高新技术领域都需要真空环境，而真空测量是其中必不可少的重要环节。电离规是测量气体压强即真空度的一种重要器件。传统的电离规包括阴极、栅极及离子收集极三个基本的组成部分。

电离规的工作原理为在一定的气体压强真空环境下，电子从阴极发射出来，在电场中往返运动，最终撞击在栅极上并产生栅极电流Ie。在电子在电场的往返过程中，电子会电离气体分子从而产生带正电的气体离子，这种带正电的气体离子被收集极吸收，产生电流Ii。栅极所接受的电流Ie、收集极所接受的电流Ii与真空环境的压强P之间的关系为：

            P＝(K^-1×Ii)/Ie                    (1)

其中，K是一个固定的比例系数，称为电离规的灵敏度。电离规的灵敏度是电离规的固有性质，可以通过标准真空计校准该电离规而得知该灵敏度。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。

然而，在上述电离规的工作过程中，电子撞击在栅极上的同时，会使栅极发出X射线，其中部分X射线会照射在收集极上，由于光电效应使收集极发射出电子，这就等效于收集极测量到了一个与真空压强无关的离子电流Ix，根据公式(1)，此离子电流对应于大小为(K^-1×Ix)/Ie的虚拟压强Px，电离规实际所测量的压强为真空环境的压强P与虚拟压强Px的和，因此，这个虚拟压强Px限制了电离规的低压测量极限。

P.A.Redhead等人提供一种分离电离规(请参见“New Hot-FilamentIonization Gauge With Low Residual Current”，P.A.Redhead，The Journal OfVacuum Science And Technology，Vol3，P173(1966))。该分离电离规采用一个挡板放在收集极前面，以挡住一部分X射线，这种方法可以一定程度的降低电离规的测量下限。但是，该分离电离规结构都比较复杂，制作成本较高，且该分离电离规的测量下限并不能满足太空科技、超低温和巨型粒子加速器等有更高真空的场合或封闭器件的要求。

另外，现有技术中的上述电离规一般采用金属材料作为栅极，由于金属材料密度较大，因此电离规的质量较大，在一些实际应用时存在一定的限制。

因此，确有必要提供一电离规，该电离规比同结构的其他电离规具有较低的真空压强测量下限，结构简单，且质量较小。

发明内容

一种电离规，该电离规包括阴极、栅极和离子收集极，该栅极设置于该阴极与该离子收集极之间，阴极、栅极和离子收集极间隔绝缘设置，其中，所述栅极包括一碳纳米管结构。

相对于现有技术，本技术方案所提供的电离规存在以下优点：其一，电离规的栅极采用碳纳米管结构，可降低X射线的产生，进而降低由X射线产生的与真空压强无关的离子电流Ix，因此，该电离规具有较低的真空压强测量下限；其二，由于作为栅极的碳纳米管的密度较低，质量轻，因此所述电离规的质量相对较小，可方便应用于各种领域。

附图说明

图1为本技术方案第一实施例所提供的电离规的侧视截面结构示意图；

图2为本技术方案第一实施例所提供的电离规的俯视截面结构示意图；

图3为本技术方案第一实施例所提供的束状结构的碳纳米管长线结构的示意图；

图4为本技术方案第一实施例所提供的绞线结构的碳纳米管长线结构的示意图；

图5为本技术方案第一实施例所提供的束状结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片；

图6为本技术方案第一实施例所提供的绞线结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片；

图7为本技术方案第一实施例所提供的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片；

图8为本技术方案第二实施例所提供的电离规的侧视截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本技术方案第一实施例提供一种电离规100，该电离规100包括一外壳120及设置于该外壳120内的线状阴极102、栅极104和离子收集极106。该线状阴极102设置于外壳120内部的中心位置，该栅极104环绕于线状阴极102的外侧，离子收集极106环绕于栅极104外侧。栅极104及离子收集极106分布于以线状阴极102为轴心的同心圆上。该栅极104位于阴极102与离子收集极106之间，阴极102、栅极104与收集极106分别间隔绝缘设置。线状阴极102与栅极104的距离为1毫米至8毫米，线状阴极102与离子收集极106的距离为10毫米至15毫米。该电离规100进一步包括三个电极引线122，该三个电极引线122的一端分别与阴极102，栅极104和离子收集极106连接，另一端延伸至外壳120外。

外壳120是一半封闭结构，具有一开口端124。外壳120的材料为玻璃等绝缘材料。外壳120的具体形状不限，可根据实际需要设计。本实施例中，外壳120为一中空的类圆柱体。

请参阅图2，该线状阴极102包括热发射阴极或场发射阴极。本实施例中，线状阴极102为一场发射阴极，其包括线状导电基体108及设置在线状导电基体108表面的电子发射层110。线状导电基体108可选择为镍、钨、铜等材料制成的导电金属丝。线状导电基体108直径的范围为0.2毫米至2毫米，优选为0.3毫米。电子发射层110为包括电子发射体的层状结构，其厚度为10微米-100微米。电子发射层110中的电子发射体包括金属微尖、硅尖或碳纳米管，也可以采用其它电子发射体。电子发射体可通过热炽能等方法固定于线状导电基体108的表面，形成电子发射层110。本实施例中，优选地，将一碳纳米管浆料均匀涂敷于线状导电基体108上，通过一定的烧结工艺及表面处理工艺，形成电子发射层110。该碳纳米管浆料包括质量百分比为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。

该栅极104包括由碳纳米管形成的线状结构或层状结构，该线状结构或层状结构的栅极104环绕于线状阴极102的外侧。当栅极104为一线状结构时，该线状栅极104包括一碳纳米管长线结构，该碳纳米管长线结构以线状阴极102为轴心螺旋环绕于线状阴极102的外侧，其螺距为100微米-1厘米。

所述碳纳米管长线结构包括至少一根碳纳米管长线，进一步地，该碳纳米管长线结构包括由至少两个碳纳米管长线平行无间隙设置形成的束状结构或相互螺旋缠绕形成的绞线结构。请参阅图3，所述束状结构的碳纳米管长线结构28包括平行无间隙设置的多个碳纳米管长线30，相邻的碳纳米管长线之间通过范德华力相互连接。请参阅图4，所述的绞线结构的碳纳米管长线结构28包括相互螺旋缠绕多个碳纳米管长线30，相邻的碳纳米管长线之间通过范德华力和机械力相互连接。

所述碳纳米管长线30包括多个首尾相连的碳纳米管片断，所述碳纳米管片断包括多个碳纳米管。依据制备方法的不同，碳纳米管长线30可为束状结构的碳纳米管长线30或绞线结构的碳纳米管长线30。请参见图5，图5为图3或图4中的束状结构的碳纳米管长线30的扫描电镜照片，该束状结构的碳纳米管长线30中的碳纳米管片断包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。请参阅图6，图6为图3或图4中的绞线结构的碳纳米管长线30的扫描电镜照片，该绞线结构的碳纳米管长线30中的碳纳米管片断包括多个以碳纳米管长线30的轴线为中心螺旋排列的碳纳米管。所述的束状结构或绞线结构的碳纳米管长线30中，相邻的碳纳米管片断之间通过范德华力紧密结合。所述碳纳米管长线30的直径为1微米-1000微米。

可以理解，碳纳米管长线30中的碳纳米管的排列方式不限，碳纳米管之间可以通过一定方式，如相互缠绕或通过范德华力相互结合，只需确保该碳纳米管长线30具有一定的机械强度且导电性良好即可。

当栅极104为一层状结构时，该层状栅极104包括多个上述碳纳米管长线结构编织形成的层状结构或一碳纳米管薄膜结构。

具体地，当层状栅极104包括多个碳纳米管长线结构时，多个碳纳米管长线结构交叉编织形成一层网格状结构。该网格状结构的孔径不限，优选为100微米-1厘米。该多个碳纳米管长线结构形成的网格状结构的栅极104具有一定的自支撑性，可直接环绕于线状阴极102的周围，形成以线状阴极102为轴心的圆筒状结构。

当层状栅极104包括碳纳米管薄膜结构时，该层状结构的栅极104形成一以线状阴极102为轴心的圆筒状结构。所述的碳纳米管薄膜结构包括多个均匀分布的微孔，该微孔的直径为1微米-20微米。所述的碳纳米管薄膜结构的厚度为1纳米-10微米。具体地，所述的碳纳米管薄膜结构包括至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管薄膜的厚度为1纳米-100纳米。当碳纳米管薄膜结构包括至少两层碳纳米管薄膜时，碳纳米管薄膜重叠铺设，相邻两层的碳纳米管薄膜中的碳纳米管的排列方向形成一夹角β，0°≤β≤90°。

请参见图7，所述碳纳米管薄膜为一自碳纳米管阵列中直接拉伸得到的自支撑薄膜结构，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿拉伸方向择优取向排列。具体地，所述碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且择优取向排列的碳纳米管片断，碳纳米管片断之间通过范德华力紧密结合。所述碳纳米管片断中包括多个长度相同平行排列的碳纳米管，碳纳米管片断中的碳纳米管通过范德华力连接。由于碳纳米管薄膜中相邻的碳纳米管之间存在着缝隙，且碳纳米管分布均匀，因此该碳纳米管薄膜包括多个均匀分布的微孔。

所述的栅极104中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其任意组合的混合物。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米-50纳米，双壁碳纳米管的直径为1纳米-50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米-50纳米，碳纳米管的长度均为10微米-5000微米。

可选择地，所述的层状栅极104可进一步包括一支撑体(图未示)，支撑体用于支撑碳纳米管薄膜结构。所述支撑体的材料为原子序数较小的材料，优选为铍、硼或碳。具体地，所述支撑体可选择为铍丝、硼丝、碳纳米管长线结构以线状阴极102为轴心螺旋环绕于线状阴极102的周围形成的螺旋结构。或者所述支撑体可选择为由铍网、硼网或碳纳米管长线结构形成的网状结构以线状阴极102为轴心形成的圆筒状结构。所述支撑体的具体形状不限，只需确保当碳纳米管薄膜结构设置于该支撑体表面上时，可形成以线状阴极102为轴心的圆筒状结构即可。

所述的离子收集极106的材料为导电金属，如镍、钨、铜等，离子收集极106结构为金属丝、金属环，或者金属网等结构。

本实施例所提供的电离规100在应用时，将电离规100置于待测环境中，电离规100的阴极102为零电位，栅极104加上正电位，收集极106为负电位，外壳的开口端124与被测环境相通。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。

请参见图8，本技术方案第二实施例提供一种电离规200，该电离规200包括一外壳220及设置于该外壳220内的阴极202、栅极204和线状离子收集极206。该线状离子收集极206位于外壳220的中心位置，该栅极204以线状离子收集极206为轴心环绕于线状离子收集极206的外侧，该阴极202设置于栅极204的外侧，该栅极204位于阴极202与线状离子收集极206之间，阴极202、栅极204与线状收集极206分别间隔绝缘设置。该阴极202为热发射阴极或场发射阴极，其为一线状或带状。离子收集极206的材料为导电金属，如镍、钨、铜等，离子收集极106结构为金属丝。阴极202与栅极204的距离为1毫米至8毫米，阴极202与线状离子收集极206的距离为10毫米至15毫米。电离规200进一步包括三个电极引线222，该三个电极引线222的一端分别与阴极202，栅极204和线状离子收集极206连接，另一端延伸至外壳220外。外壳220是半封闭的，具有一开口端224。

本技术方案第二实施例所提供的电离规200采用的栅极204的形状、材质和结构与第一实施例所提供的电离规100完全相同。

本实施例所提供的电离规的栅极采用碳纳米管结构，故电离规具有以下优点：其一，由于电子撞击栅极时激发产生X射线的效率与栅极材料的原子序数的二分之一次方成正比，而离子电流Ix的大小与栅极X射线的激发效率成正比，因此，选用原子序数较低的栅极材料成为降低电离规测量下限的一种有效途径，本技术方案实施例所提供的电离规的栅极的材料为碳、铍或硼，由于碳、铍或硼的原子序数远小于现有技中的栅极材料钨、镍等，故该电离规具有较低的真空压强测量下限；其二，由于作为栅极的碳纳米管的密度较低，质量轻，因此所述电离规的质量相对较小，可方便应用于各种领域。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，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 (19)

1.一种电离规，包括阴极，栅极和离子收集极，该栅极设置于阴极与离子收集极之间，阴极，栅极和离子收集极分别间隔绝缘设置，其特征在于，所述栅极包括一碳纳米管结构。

2.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的栅极包括线状结构栅极。

3.如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述的阴极为线状，所述线状结构的栅极以线状阴极为轴心螺旋环绕于该线状阴极的周围。

4.如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述的线状结构的栅极包括一个碳纳米管长线结构。

5.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的栅极包括层状结构栅极。

6.如权利要求5所述的电离规，其特征在于，所述的阴极为线状，所述层状结构的栅极以线状阴极为轴心形成一圆筒状结构。

7.如权利要求5所述的电离规，其特征在于，所述的层状结构的栅极包括多个碳纳米管长线结构。

8.如权利要求7所述的电离规，其特征在于，所述的多个碳纳米管长线结构交叉编织形成一网格状结构。

9.如权利要求5所述的电离规，其特征在于，所述的层状结构的栅极包括一个碳纳米管薄膜结构。

10.如权利要求9所述的电离规，其特征在于，所述的层状结构的栅极进一步包括一支撑体，该碳纳米管薄膜结构设置于该支撑体上，该支撑体的材料为铍、硼或碳。

11.如权利要求9所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构包括至少一层碳纳米管薄膜。

12.如权利要求11所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。

13.如权利要求11所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构包括至少两层碳纳米管薄膜，相邻两层的碳纳米管薄膜中的碳纳米管的排列方向形成一夹角β，0°≤β≤90°。

14.如权利要求4或7所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管长线结构包括至少一个碳纳米管长线。

15.如权利要求14所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管长线结构为由至少两个碳纳米管长线平行无间隙设置形成的束状结构或相互缠绕形成的绞线结构。

16.如权利要求14所述的电离规，其特征在于，所述的碳纳米管长线为由多个碳纳米管组成的束状结构或绞线结构，其直径为1微米-1000微米。

17.如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述的离子收集极为线状，所述线状结构的栅极以线状离子收集极为轴心螺旋环绕于该线状离子收集极的周围。

18.如权利要求5所述的电离规，其特征在于，所述的离子收集极为线状，所述层状结构的栅极以线状离子收集极为轴心形成一圆筒状结构。

19.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述的阴极包括热发射阴极或场发射阴极。

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