CN103094049B - 电离规 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电离规，用于测量具有导体外壳的真空系统的真空度，该电离规包括阴极装置、阳极装置和离子收集装置，所述阴极装置与所述离子收集装置设置于所述阳极装置的两侧并与所述阳极装置间隔设置，所述阴极装置进一步包括电子发射体，所述电子发射体延伸向所述阳极装置并与所述阳极装置间隔设置，其特征在于，所述电子发射体包括至少一个碳纳米管线，所述电离规直接设置在待测真空系统的导体外壳中。

Description

电离规

技术领域

本发明涉及一种电离规。

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，如：宇宙空间的模拟，超导技术，核聚变反应，超低温和巨型粒子加速器技术等。而在超高真空领域，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。

为进一步提供体积小、功耗小及结构简单的超高真空和极高真空测量的真空规管，以适用于太空科技、超低温和巨型粒子加速器等领域，清华大学电子工程系陈丕瑾和李幼哲在八十年代发展的微电离规(参见《真空技术的科学基础》，1987年，国防出版社)基础上发展了一种静电鞍场规。该静电鞍场规利用静电鞍场约束的电子振荡可以产生极长的电子路径因而可获得极高灵敏度。

1996年，陈丕瑾和齐京在中国专利第CN96209398.X号揭露一种具有极低吸放气率的高真空微电离规。该高真空微电离规由金属外壳、陶瓷芯柱、离子收集极、阳极环和电子发射体组成。金属外壳的一端与陶瓷芯柱相熔封，金属外壳另一端与待测器件相接，离子收集极与电子发射体组件相对阳极环同轴非对称安装于金属外壳内。电子发射体组件包括钨灯丝与反射极。由于该高真空微电离规内电子发射体和收集极相对阳极环同轴非对称设置，所以灵敏度降低，并且采用热阴极发射体，工作温度较高，功耗较大。另外，该高真空微电离规包括一金属外壳，结构较复杂，所以限制了其应用领域。

而且，现有技术中利用静电鞍场约束的电子振荡原理的电离规，为了得到稳定的鞍形电场，电离规结构中一般包括外壳，外壳可为金属外壳或玻璃外壳。当为玻璃外壳时，需要在壳内壁镀上一层导电膜，并在其上加偏置电压或屏蔽电压，以保证外壳上的电势稳定。所以，现有技术中的上述电离规电极较多，结构比较复杂，成本较高，而且电离规的重量较大，在一些实际应用时存在一定的限制。

发明内容

因此，确有必要提供一种具有较低的真空压强测量下限，结构简单，灵敏度高，极低吸放气率，极低功耗，且质量较小的电离规。

一种电离规，用于测量具有导体外壳的真空系统的真空度，该电离规包括阴极装置、阳极装置和离子收集装置，所述阴极装置与所述离子收集装置设置于所述阳极装置的两侧并与所述阳极装置间隔设置，所述阴极装置进一步包括电子发射体，所述电子发射体延伸向所述阳装置并与所述阳极装置间隔设置，其中，所述电子发射体包括至少一个碳纳米管线，所述电离规直接设置在待测真空系统的导体外壳中。

本发明所提供的电离规可用于测量导体真空系统的真空度，相对于现有技术，所述电离规具有以下优点：其一，电子发射体采用碳纳米管线，由于碳纳米管线具有较大的电场增强效应，故可在不需要栅极电极的情况下，直接由阳极拉出足够的电子，最大程度保证了电场分布的对称性，提高了电离规的灵敏度；其二，由于采用碳纳米管线冷阴极发射，电离规工作时自身的吸放气很少，可进一步提高其灵敏度，并且功耗非常低；其三，由于利用了导体真空系统的导体外壳的屏蔽作用，此电离规不需要外壳，电极较少，因此所述电离规结构简单，质量较轻，成本较低，并且操作方便。

附图说明

图1为本发明第一实施例所提供的电离规的结构示意图；

图2为本发明第一实施例所提供的电离规采用的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图3为本发明第一实施例所提供的电离规采用的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片；

图4是本发明第一实施例所提供的电离规采用碳纳米管线作为电子发射体的电子发射端放大示意图。

图5是本发明第一实施例所提供的电离规采用碳纳米管线作为电子发射体的电子发射端的扫描电镜照片。

图6是本发明第一实施例所提供的电离规采用碳纳米管线作为电子发射体的场发射尖端的透射电镜照片。

图7为本发明第二实施例所提供的电离规的结构示意图。

主要元件符号说明

电离规	100,200
		阴极	111
电子发射体	112
		阳极	121
离子收集极	131
		阴极线	113
阳极线	122
		离子收集极线	132
固定装置	140
		阴极装置	110
阳极装置	120
		离子收集装置	130
电子发射端	116
		发射尖端	201
碳纳米管	202

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

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，本发明第一实施例提供一种电离规100，该电离规100不需要外壳。该电离规100包括阴极装置110、阳极装置120、离子收集装置130及固定装置140，所述阴极装置110和所述离子收集装置130分别设置于所述阳极装置120的两侧并与所述阳极装置120具有一定间距的间隔设置，所述固定装置140用于固定所述阴极装置110、所述阳极装置120和所述离子收集装置130。

所述阳极装置120包括阳极121和阳极线122，所述阳极121与所述阳极线122电连接，且所述阳极121通过阳极线122固定于所述固定装置140并与外部电路电连接。

所述阳极线122包括导电体和包覆于该导电体表面的绝缘材料。该导电体的形状不限，并具有一定强度。该导电体的材料为导电金属，如镍、钨、铜等。可以理解，该导电体的直径可以根据实际需要选择。本实施例中，该导电体优选为铜金属杆。该铜金属杆直径为100微米~1厘米。所述绝缘材料为具有一定化学稳定性的材料，如玻璃芯柱、陶瓷芯柱、聚合物。本实施例中，该绝缘材料采用玻璃芯柱。

所述阳极121为金属环或具有一孔的金属盘。所述阳极121的环径或孔径为4毫米~10毫米，优选为6毫米。当所述阳极121为金属环时，由直径为50微米~1毫米的金属丝制成。所述阳极121与所述阳极线122电连接方式不限。优选地，所述阳极121与所述阳极环为同一根金属丝绕成，所述阳极121与所述阳极线122可为一带有金属杆的金属环的一体结构。当所述阳极121为具有一孔的金属盘时，由厚度为50微米~1毫米的金属盘制成，所述金属盘的直径为4.1毫米~12毫米，所述孔的数量为一个。本实施例中，所述阳极121为金属环。所述阳极121与所述阳极线122电连接方式不限。优选地，所述阳极121通过点焊接的方式固定于所述阳极线122。所述阳极121的材料为导电金属，如镍、钨、铜等。

所述离子收集装置130包括离子收集极131和离子收集极线132，所述离子收集极131与所述离子收集极线132电连接，且所述离子收集极131通过所述离子收集极线132固定于所述固定装置140并与外部电路电连接。

所述离子收集极131为一片状金属或网状金属，形状不限。所述离子收集极131设置于所述阳极121的一侧并与所述阳极121间隔设置。所述离子收集极131与所述阳极121间隔的距离范围为4毫米~10毫米。所述离子收集极131与所述阳极121相互平行。所述离子收集极131的中心点可偏离所述阳极121的中心点，可偏离的范围为0毫米～2毫米。优选地，所述离子收集极131的中心点与所述阳极121的中心点在同一条直线上。所述离子收集极131的厚度为50微米~1毫米。本实施例中，所述离子收集极131为与所述阴极111形状及材料均一致的金属圆片。所述离子收集极线132及其与所述离子收集极131的连接方式同所述阳极线122及其与所述阳极121的连接方式。

所述阴极装置110包括阴极111、电子发射体112和阴极线113，所述电子发射体112与所述阴极111电连接，所述阴极111通过所述阴极线113固定于所述固定装置140并与外部电路电连接。

所述阴极111与所述离子收集极131完全相同。所述阴极111设置于所述阳极121的另一侧并与所述阳极121间隔设置。所述阴极111与所述阳极121间隔的距离范围为4毫米~10毫米。所述阴极111与所述阳极121相互平行。所述阴极111的中心点可偏离所述阳极121的中心点，可偏离的范围为0毫米～2毫米。优选地，所述阴极111的中心点与所述阳极121的中心点在同一条直线上。本实施例中，所述阴极111为如由镍、钨、铜等金属材料构成的金属圆片。所述阴极线113及其与所述阴极111的连接方式同所述阳极线122及其与所述阳极121的连接方式。

优选地，所述阴极111与所述离子收集极131相对所述阳极121等距设置。所述阳极121的环径或孔径与所述阳极121至所述阴极111及所述阳极121至所述离子收集极131之间的距离相等。为保证结构对称，所述阴极111、所述阳极121与离子收集极131三者的中心在同一直线上。本实施例中，所述阳极121的环径和所述阴极111的直径相等，所述阴极111的直径和厚度与所述离子收集极131的直径和厚度分别相等。

所述电子发射体112为包括至少一个碳纳米管线的线状体。该电子发射体112固定于所述阴极111。该电子发射体112由所述阴极111延伸向所述阳极121并与所述阳极121距一预定的距离设置。该电子发射体112的长度为1毫米~7毫米。本实施例中，该电子发射体112的长度为3毫米。所述电子发射体112可以为一个或多个碳纳米管线。当所述电子发射体112为一个碳纳米管线时，该碳纳米管线的一端固定于所述阴极111，另一端由所述阴极111延伸向所述阳极121。当所述电子发射体112为多个碳纳米管线时，该多个碳纳米管线相互间隔排列，相邻碳纳米管线之间的间距范围为1毫米~3毫米。该多个碳纳米管线的一端固定于所述阴极111，另一端由所述阴极111延伸向所述阳极121。该多个碳纳米管线固定于所述阴极111的一端的端点在所述阴极111上呈方形、环形、六方形等形状分布。该电子发射体112延伸向所述阳极121的一端正对所述阳极121的中心点，或者可偏离所述阳极121的中心点，可偏离的范围为0毫米～2毫米。可以理解，所述电子发射体112延伸向所述阳极121的一端为电子发射端116，该电子发射端116与所述阳极121是有一定距离的。所述电子发射端116与所述阳极121的距离的范围为1毫米~9毫米。该电子发射体112的另一端与所述阴极111电性粘接。该粘接方式可以为通过一导电浆料电性连接，也可以通过分子间力或其它方式实现。在本实施例中，通过导电浆料将碳纳米管线的一端与所述阴极111表面的中心位置进行电性粘接。

所述的导电浆料包括导电金属微粒、低熔点玻璃及有机载体，各成分的质量百分比为：导电金属微粒10%~20%、低熔点玻璃5%及有机载体75%~85%。导电金属微粒的材料可为氧化铟锡或银，其可保证所述电子发射体112与所述阴极111之间的电性连接。低熔点玻璃为熔点为300℃~600℃的玻璃粉。该低熔点玻璃的熔点要低于所述阴极111的材料的熔点，从而保证在加热的情况下，低熔点玻璃先熔化。优选地，低熔点玻璃的熔点在300℃~500℃的范围内。低熔点玻璃的作用是将所述电子发射体112与所述阴极111进行粘结，从而防止在电场的作用下所述电子发射体112从所述阴极111脱落，进而延长所述电子发射体112的使用寿命。有机载体包括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物。

所述碳纳米管线可为仅由碳纳米管构成的纯碳纳米管线，也可为由碳纳米管和其它材料构成的复合碳纳米管线。所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线与扭转的碳纳米管线均为自支撑结构。所述自支撑为碳纳米管线不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身层状状态，即将该碳纳米管线置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管线能够悬空保持自身层状状态。所述碳纳米管线中多数碳纳米管通过范德华力相互连接而形成自支撑结构。所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向延伸。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。具体地，请参阅图2，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿平行于该非扭转的碳纳米管线长度方向延伸的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为1微米~3毫米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转的碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图3，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋延伸的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为1微米~3毫米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线及其制备方法请参见申请人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利“一种碳纳米管绳及其制造方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司，以及于2005年12月16日申请的，于2009年6月17日公告的第CN100500556C号中国公告专利“碳纳米管丝及其制作方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司。

所述电子发射体112可通过机械切割法、激光烧灼熔断法或真空熔断法使上述碳纳米管线断裂得到。其中，采用机械切割法得到的电子发射端116为一平整的端面。请参阅图4，采用激光烧灼熔断法及真空熔断法得到的电子发射端116包括多个突出的发射尖端201。每个电子发射尖端201包括多个基本平行排列的碳纳米管，并且每个电子发射尖端201的顶端突出有一根碳纳米管202，即所述多个平行排列的碳纳米管的中心位置突出一根碳纳米管202。该突出的碳纳米管202的底端（即突出的碳纳米管的非自由端）周围还围绕有多个碳纳米管，该多个围绕的碳纳米管起到固定该突出的碳纳米管202的作用。该碳纳米管202与其他多个围绕的碳纳米管紧密结合，使得该发射尖端201的顶端的碳纳米管在发射过程中产生的热量可以很有效地被传导出去，并且可以承受较强的电场力。请参阅图5及图6，其分别为采用碳纳米管线作为电子发射体112时，电子发射体112的电子发射端116的扫描电镜照片和电子发射端116的发射尖端201的透射电镜照片。可以看出，发射尖端201的顶端突出有一根碳纳米管202。该突出碳纳米管202的直径小于5纳米。本实施例中，突出的碳纳米管202的直径为4纳米。由于该突出的碳纳米管202的直径极其小，因此，该突出的碳纳米管202具有十分大的长径比，进而增加了该突出的碳纳米管202的场增强因子，使该突出的碳纳米管202的场发射性能优异。所述多个电子发射尖端201中相邻的电子发射尖端201中的突出的碳纳米管之间的距离为0.1微米至2微米。相邻的两电子发射尖端201中的突出的碳纳米管之间的距离与突出的碳纳米管直径的比例的范围为20:1至500:1。可以理解，相邻的电子发射尖端201的突出的碳纳米管之间的间距远大于突出的碳纳米管的直径，可有效降低相邻的突出碳纳米管之间的电场屏蔽效应，获得具有较大密度的发射电流。

可以理解，使所述碳纳米管线断裂得到所述电子发射体112的方法并不局限于上述的机械切割法、激光烧灼熔断法和真空熔断法。只要能够将所述碳纳米管线断裂得到所述电子发射体112，所采用的方法都在本发明所保护的范围内的。

所述固定装置140材料不限，可为绝缘体或金属导体。该固定装置140形状不限，并具有一定强度。本实施例中，所述固定装置140优选为玻璃芯柱。所述阴极线113、所述阳极线122、所述离子收集极线132均延伸至所述固定装置140，并固定于所述固定装置140。固定方式可以通过粘结剂进行粘结，也可以通过在固定装置140设置大小适中的孔来固定上述电极。

电离规100的电位设置：所述阳极121的电位设为较高的正电位，所述离子收集极131的电位为零电位，所述阴极111的电位设为高于所述离子收集极131的电位。阳极环的中心从轴向看为电位的最高点，从径向看是电位的最低点，沿轴向的电势分布为抛物线型，因而形成对称的马鞍形电场。本实施例中，所述阳极121的电位为500V~1000V，所述阴极111的电位为30V~90V。可以理解的是，电位可根据电离规100实际工作情况调整，以获得电离规最佳工作状态。

本实施例所提供的电离规100可用于测量具有导体外壳的真空系统的真空度。所述电离规100直接设置在待测真空系统的导体外壳中。在所述电离规100工作时确保导体外壳的电势稳定，使阳极环附近空间形成稳定的马鞍形电场。

本实施例所提供的电离规100在工作时：首先是所述电子发射体112在所述阳极121与所述阴极111形成的电场作用下发射电子。该电子在阳极环附近空间形成的马鞍形电场中发生多次振荡，撞击气体分子并使其电离，形成离子流。该离子流被处于最低电位的所述离子收集极131收集，转化为所述离子收集极131的电流信号，此电流大小与真空度成正比，从而可以指示真空度。

可以理解，上述实施例的电离规100各元件尺寸只为优选的典型尺寸；本发明的电离规100尺寸并不唯一确定，视各种具体情况可作适当改动，以获得电离规的最佳工作状态。

请参阅图7，本发明第二实施例提供一种电离规200，该电离规200可用于测量具有导体外壳的真空系统的真空度。所述电离规200直接设置在待测真空系统的导体外壳中。该电离规200包括阴极装置110、阳极装置120、离子收集装置130及固定装置140，所述阴极装置110和所述离子收集装置130分别设置于所述阳极装置120的两侧并与所述阳极装置120具有一定间距的间隔设置，所述固定装置140用于固定所述阴极装置110、所述阳极装置120和所述离子收集装置130。所述阳极装置120包括相互电连接的阳极121和阳极线122，所述离子收集装置130包括相互电连接的离子收集极131和离子收集极线132，所述阴极装置110包括相互电连接的电子发射体112和阴极线113。本实施例提供的电离规200与第一实施例提供的电离规100基本相同，不同之处在于，所述阴极装置110包括电子发射体112和阴极线113，所述电子发射体112同时作为阴极，所述电子发射体112与所述阴极线113直接电连接使用。所述电子发射体112包括至少一个碳纳米管线，该至少一个碳纳米管线相互间隔或者密排设置。另外，所述离子收集极131为线状结构，而不是片状结构。

所述离子收集极131为线状金属，如金属丝，直径为50微米~1毫米。该离子收集极131的一端固定于所述离子收集极线132。该离子收集极131的另一端延伸向所述阳极121并与所述阳极121距一预定的距离设置。该离子收集极131的长度不限。优选地，该离子收集极131的长度为1毫米~7毫米。该离子收集极131的一端正对所述阳极121的中心点，或者可偏离所述阳极121的中心点，可偏离的范围为0毫米～2毫米。优选地，所述离子收集极131与所述电子发射体112同轴设置。为保证结构对称，所述阳极121的环径或孔径与所述阳极121至所述离子收集极131靠近所述阳极121的一端的距离及所述阳极121至所述电子发射体112靠近所述阳极121的一端之间的距离相等。

所述电子发射体112为包括碳纳米管线的线状体。该电子发射体112固定于所述阴极线113。该电子发射体112的一端延伸向所述阳极121并与所述阳极121距一预定的距离设置。该电子发射体112的另一端与所述阴极线113电性粘接。该电性粘接方式可以为通过一导电浆料电性粘接，也可以通过分子间力或其它方式实现。在本实施例中，通过导电浆料将碳纳米管线的一端与所述阴极线113电性粘接。

本发明所提供的电离规可用于测量导体真空系统的真空度，所述电离规具有以下优点：其一，电子发射体采用碳纳米管线，由于碳纳米管线具有较大的电场增强效应，故可在不需要栅极电极的情况下，直接由阳极拉出足够的电子，最大程度保证了电场分布的对称性，提高了电离规的灵敏度；其二，由于采用碳纳米管线冷阴极发射，电离规工作时自身的吸放气很少，可进一步提高其灵敏度，并且功耗非常低；其三，由于利用了导体真空系统的导体外壳的屏蔽作用，此电离规不需要外壳，电极较少，因此所述电离规结构简单，重量较轻，成本较低，并且操作方便。

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 (10)

1.一种电离规，用于测量具有导体外壳的真空系统的真空度，该电离规包括阴极装置、阳极装置和离子收集装置，所述阴极装置与所述离子收集装置设置于所述阳极装置的两侧并与所述阳极装置间隔设置，所述阴极装置进一步包括电子发射体，所述电子发射体延伸向所述阳极装置并与所述阳极装置间隔设置，其特征在于，所述电子发射体包括多个碳纳米管线，所述多个碳纳米管线相互间隔排列，相邻所述碳纳米管线之间的间距范围为1毫米～3毫米，所述电离规无外壳直接设置在待测真空系统的导体外壳中。

2.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述电子发射体靠近所述阳极装置的一端为电子发射端，该电子发射端与所述阳极装置的距离为1毫米～9毫米。

3.如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述电子发射端包括多个突出的电子发射尖端。

4.如权利要求3所述的电离规，其特征在于，所述电子发射尖端包括多个基本平行排列的碳纳米管，所述电子发射尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

5.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述碳纳米管线为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。

6.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述碳纳米管线是由多个碳纳米管组成，该多个碳纳米管首尾相连沿所述碳纳米管线择优取向延伸。

7.如权利要求2所述的电离规，其特征在于，所述阳极装置包括金属环或具有一孔的金属盘，所述电子发射体的电子发射端正对所述金属环或金属盘的中心位置。

8.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述离子收集装置包括离子收集极和离子收集极线，所述离子收集极为片状金属、网状金属或线状金属。

9.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述阴极装置、阳极装置与离子收集装置的中心均设置在同一直线上。

10.如权利要求1所述的电离规，其特征在于，所述阴极装置与所述离子收集装置相对所述阳极装置等间距设置。