CN103762146B - 电离规 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电离规，包括：阴极；门极、聚焦极孔板、离子收集极，依次设置在所述阴极下方，所述门极呈网状结构；球网电极，设置在所述聚焦极孔板与所述离子收集极之间，所述球网电极内部还设置有阳极环，所述球网电极呈网状的球形结构；所述阴极透过所述门极的网孔、聚焦极孔板、球网电极的网孔以及阳极环与所述离子收集极相对。球网电极采用球形结构，形成的电场具有更良好的对称性和均匀性；阳极结构、球网电极之间电位不同，共同作用形成马鞍形电场，该电场的形状可以使电子在本发明的电离规中运动轨迹的长度变大，提高了电离规的灵敏度。

Description

电离规

技术领域

本发明涉及真空测量领域，尤其涉及一种电离规。

背景技术

工艺随着科学技术迅猛发展，高新技术领域对极高真空测量提出了更高的要求，尤其是航空航天、高能物理、表面科学等高新技术领域，对真空测量提出了更加迫切的要求。

传统电离规包括阴极、阳极及离子收集极三个基本的组成部分。电离规的工作原理是，电子从阴极发射出来，在阳极区域往返运动过程中对气体分子进行电离，电离产生的气相离子流I_c被收集极接收并被探测，往返运动的电子最终被阳极接收形成阳极电流I₊，以上参数和环境真空度P的关系为：

$P=S\·\frac{I_c}{I_{+}}---\left(1\right)$

其中，S是电离规的灵敏度，灵敏度是电离规的固有性质，提高灵敏度是延伸真空测量下限的重要思路之一。其中，灵敏度计算公式为：

$S=\frac{\mathrm{L\σ}}{\mathrm{kT}}---\left(2\right)$

L表示电子运动轨迹长度，σ表示电离几率，k表示波尔兹曼常数，T表示热力学温度。

DongChangkun等提出了一种碳纳米管阴极电离规（请参见“Fieldemissionbasedsensorsusingcarbonnanotubes”，Ph.D.Dissertation(Virginia:OldDominionUniversity),P123,2004）。如图1所示，具有阴极基座1’、碳纳米管薄膜2’、门极3’、阳极栅网4’、聚焦孔5’、发射极6’、收集极7’，这种结构的真空度测量下限达到了10^-8Pa量级，但是此电离规的结构特征使其灵敏度太小，约为0.03Pa^-1，限制了真空测量下限的进一步延伸，使其仍然不能满足空间技术、高能物理、表面科学等各领域的实际应用。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供一种电离规，具有高灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电离规，包括：阴极；门极、聚焦极孔板、离子收集极，依次设置在所述阴极下方，所述门极呈网状结构；球网电极，设置在所述聚焦极孔板与所述离子收集极之间，所述球网电极内部还设置有阳极环，所述球网电极呈网状的球形结构；所述阴极透过所述门极的网孔、聚焦极孔板、球网电极的网孔以及阳极环与所述离子收集极相对。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：网电极采用球形结构，其形成的电场具有更良好的对称性和均匀性；阳极环、球网电极之间电位不同，共同作用形成马鞍形电场，该电场的形状可以使电子在本发明的电离规中运动轨迹的长度变大，根据上述公式（1）和（2）可以得知，因为运动轨迹长度变大，提高了电离规的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术电离规的示意图；

图2为本发明电离规的示意图；

图3为本发明电离规中阴极部分的放大图；

图4为本发明电离规阴极中碳纳米薄膜的SEM图；

图5本发明电离规的俯视图。

附图标记：

1’-阴极基座、2’-碳纳米管薄膜、3’-门极、4’-阳极栅网、5’-聚焦孔、6’-发射极、7’-收集极；

1-电离规（本发明）、2-阴极、3-门极、4-聚焦极孔板、5-球网电极、6-阳极环、7-离子收集极、8-法兰盘、9-基底、10-碳纳米管薄膜、11-第一环、12-第二环、13-辅助环、14连接支撑件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明以下各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

参见图2和图5，本发明公开一种电离规1，包括阴极2、门极3、聚焦极孔板4、球网电极5、离子收集极7，这些零部件从上倒下依次设置，进一步，球网电极5内部还设置有阳极环6，并且球网电极5呈网状的球形结构。其中门极是网状结构，所述阴极透过所述门极的网孔、聚焦极孔板、球网电极的网孔以及阳极环与所述离子收集极相对。

上述的阴极与门极、聚焦极孔板、球网电极、阳极环、离子收集极可以同轴设置，即电离规1是轴对称结构，当然，同轴设置只是一种可选的实施方式，并不用于限制本发明。另外，为了方便理解，可以将电离规1分为：阴极2、门极3、聚焦极孔板4和阳极。

其中，阴极2和门极3之间设置有绝缘支撑环，连接阴极和门极并将二者分开，所述绝缘支撑环可以为圆环形，供阴极发出的电子通过。绝缘支撑环可以为圆环形，在绝缘支撑环轴向上的两端，分别与阴极和所述门极连接。进一步上述阳极包括：球网电极5、设置在球网电极5内部的阳极环6，该球网电极5是呈球形的网状结构。

本发明的电离规1还包括由法兰盘，上述阴极2、门极3、聚焦极孔板4和阳极通过连接支撑件14连接固定于法兰盘8上，当然，应该理解，每个零部件都是分别通过独立的连接支撑件14连接固定在法兰盘8上。可选的，连接支撑件14具有导电芯体，以及包裹所述导电芯体周壁的绝缘外壳；每个连接支撑件14的导电芯体的一端都单独连接上述零部件，另一端连接至法兰盘8，并且通过绝缘外壳支撑上述零部件。链接支撑件的具体结构将在之后说明。

应该注意，图5中如阳极环只是示意作用，其环的宽度并不与图1中所示出的宽度按比例对应。

参见图3，上述阴极2包括基底9和形成在基底9表面的碳纳米管薄膜10，图4为碳纳米管薄膜的SEM图。基底9为金属铜、钨、不锈钢或合金材料制成，该基底可以是方形或者圆形，当其为方形时，可选的边长为5-10毫米；当该基底为圆形时，其直径为5-10毫米，和/或，碳纳米管薄膜10采用热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法或丝网印刷法形成在基底9上。当然，上述基底9的材料只是可选的实施方式，例如镍合金、不锈钢等材料也可以用作基底9的材料。并且采用碳纳米管薄膜10提高了阴极2的工作稳定性，能够克服电离规存在的高温热阴极2效应。应该理解，碳纳米管薄膜10所在面朝向门极3。另外，碳纳米管薄膜10具有良好的结构稳定性、热稳定性和化学稳定性，能够广泛的应用于热敏感和光敏感的真空环境中。

可选的，上述碳纳米管薄膜10采用热化学气相沉积法和氧化铝模板法相结合制备而成，并且碳纳米管薄膜10可以是阵列排布，整体固定在基底9上，并且该阵列的次序及形式没有特殊要求。碳纳米管薄膜10的微尖长度可以为1-2微米。这种阵列结构有效的降低了电场屏蔽作用，提高了场增强因子和开启电场。

在一种可选的实施方式中，绝缘支撑环为圆环形，在绝缘支撑环轴向上的两端，分别与阴极和所述门极连接。并且，该绝缘支撑环可以为石英、云母或陶瓷材料。并且绝缘支撑环在轴向上的高度还能够决定门极和阴极之间的距离，例如可选的，门极3设置在阴极2下方100-400微米处，此处就可以理解要选取在轴向上高为100-400微米的绝缘支撑环。

另外，聚焦极孔板4设置在所述门极3下方4-8毫米处，球网电极5设置在所述聚焦极孔板4下方1-3毫米处。这种距离的设置使电离规结构紧凑。

门极3呈网状结构，该网状结构可以只有一个网孔，也可以由多个网孔。可选地，门极3由金属丝编织成直径5-10毫米的网状结构。另外，为了保证阴极2发射的电子最大量的残余到气体电离中，门极3的透明度要尽可能高。

球网电极5和阳极环6可以由金属钼、钨、铜等或者合金制成。球网电极5可以是使用上述材料的金属丝编织而成，也可以是球壳冲孔的方式制造。进一步，以金属丝编织为例，可以采用直径0.3-0.6毫米的金属丝编织，使球网电极5的网孔的孔径在1.5-3毫米。当然上述只是可选的数据，根据实际使用情况，可以进行修改。

根据上述说明，阳极环6可以是金属丝绕制而成，可以使用直径0.3-0.6毫米的金属丝，这样能够保证结构的强度，以及降低电子激励脱附效应。

当然，阳极环6的数量可以有多个，在一种可选的实施方式中，采用三个阳极环6，为了方便描述分别称之为第一环11、第二环12和辅助环13，其中第一环11直径为6-9毫米，第二环12直径为14-16毫米，辅助环13直径为17-20毫米。当然，这些也只是可选数据，实际使用中，还可以根据球网电极5的尺寸调整阳极环6的数量和尺寸，以获取更高的测量灵敏度。

可选的，上述第一环11、第二环12以及辅助环13同轴、在同一水平面上设置，并且它们与所有电极同轴。

当然，应该理解，上述的设置方式是一种可选的实施例，并不用于限制本发明，第一环、第二环和辅助环也可以同轴不同面，这些都可以用在本发明，无论哪种设置方式都是为了保证活动电子入射电离规后能够有更好（长）的运动轨迹。

本发明电离规中聚焦极孔板4的孔径为5-10毫米。其作用是对从门极透过电子进行聚焦。

离子收集极7为导电金属制成的金属丝、金属网或金属板，其材料可以是钼、钨、铜中任意一种或几种的合金，当然不锈钢也可以使用。当收集极7为金属丝时，其可以选用直径0.1-0.5毫米的金属丝。

最后，说明连接支撑件及法兰盘，连接支撑件14具有导电的芯体，这保证其实现电连接功能，还具有包裹导电芯体周壁的绝缘外壳，该绝缘外壳不仅能够将导电芯体与外界隔离，同样还会其到支撑作用。参见图2，连接支撑件14将上述的球网电极5、阳极环6、阴极2、门极3、聚焦极孔板4、收集极7（为了方便描述，下文将球网电极5、阳极环6、阴极2、门极3、聚焦极孔板4、收集极7统一称为“上述零部件”）连接到法兰盘8上，并且将他们支撑在法兰盘8上，因此，例如在上述实施例中，具有第一环、第二环和辅助环，连接支撑件14至少需要七个（第一环和第二环可以共用一个），分别支撑上述零部件。当然为了支撑的稳定性，也可使用多个连接支撑件14同时支撑。

现在以一个连接支撑件14为例说明，连接支撑件14的通过导电芯体将球网电极5连接至法兰盘8，导电芯体的一端连接球网电极5，另一端连接法兰盘8。因为是以一个连接支撑件14为例，所以以该支撑连接件连接球网电极5为例，实际上这一个连接支撑件14可以连上述零部件中任意一个，未被该连接支撑件14连接的部件由其它连接支撑件14连接。当然支撑功能与连接功能类似，连接支撑件14的绝缘外壳支撑上述零部件。

以上只是一个连接支撑件14为例，实质上每个连接支撑件14的导电芯体的一端都分别连接上述零部件，另一端连接至法兰盘8，并且通过绝缘外壳支撑上述零部件。应该理解，电离规1中上述零部件处于真空工作环境，例如在真空室内，通过连接支撑连接件将处于真空环境中的球上述零部件电连接到法兰盘8，法兰盘8上具有供导电芯体连接的接线柱，该接线柱可以穿透法兰盘8，用于电信号传输。

在中，一种可选的实施方式上述连接支撑件14的绝缘外壳可以是陶瓷，能够绝缘，还有一定的强度能够支撑球网电极5等零件。当然，这只是可选的实施方式，并不用于限定本发明。

进一步，为了保证支撑的更稳定，在球网电极5外表面设置一圈加固环，上述连接支撑件14的导电芯体直接与金属加固环连接，该加固环能够导电，不影响导电芯体与球网电极5之间的电连接，即导电芯体通过金属固定环与球网电极5连接。当然，通过上述说明可以理解加固环所采用的材料为导电材料。

上述加固环的固定方式有多种，例如加固环可以镶嵌在球网电极5表面，也可是由导电丝将其捆绑在球网电极5上。另外，加固环的设置位置也可以有多种方式，例如可以是加固环的环体所在面穿过球网电极5的圆心，或者可以理解为加固环所在面，为球网电极5的对称面。当然，在球网电极5为圆球形状时，即使是上述方式也可以在球网电极5上找到多个位置安装，只要能够保证通过该加固环能够更牢固的固定球网电极5。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种电离规，其特征在于，包括：

阴极；

门极、聚焦极孔板、离子收集极，依次设置在所述阴极下方，所述门极呈网状结构；

球网电极，设置在所述聚焦极孔板与所述离子收集极之间，所述球网电极内部还设置有阳极环，所述球网电极呈网状的球形结构；

所述阴极透过所述门极的网孔、聚焦极孔板、球网电极的网孔以及阳极环与所述离子收集极相对。

2.根据权利要求1所述的电离规，其特征在于，

所述门极和所述阴极之间由绝缘支撑环支撑；

所述绝缘支撑环为圆环形，在所述绝缘支撑环轴向上的两端，分别连接并支撑所述阴极和所述门极。

3.根据权利要求1所述的电离规，其特征在于，

所述电离规还具有法兰盘，所述阴极、门极、聚焦极孔板、离子收集极、球网电极和阳极环，分别由连接支撑件连接并支撑于所述法兰盘上。

4.根据权利要求3所述的电离规，其特征在于，

所述连接支撑件具有导电芯体，以及包裹所述导电芯体周壁的绝缘外壳；

所述连接支撑件的导电芯体的一端都单独连接所述阴极、门极、聚焦极孔板、离子收集极、球网电极、阳极环，另一端连接至法兰盘，并且通过所述绝缘外壳支撑所述阴极、门极、聚焦极孔板、离子收集极、球网电极、阳极环。

5.根据权利要求1所述电离规，其特征在于，

所述门极由金属丝编织成网状结构，并且所述网状结构至少具有一个网孔。

6.根据权利要求1所述电离规，其特征在于，

所述门极设置在所述阴极下方100-400微米处；

所述聚焦极孔板设置在所述门极下方4-8毫米处；

所述球网电极设置在所述聚焦极孔板下方1-3毫米处。

7.根据权利要求1所述电离规，其特征在于，

所述球网电极以及阳极环均为由金属钼、钨、铜或者合金制成。

8.根据权利要求1所述的电离规，其特征在于，

所述阴极包括基底和形成在所述基底表面的碳纳米管薄膜；

所述基底采用金属铜、钨、不锈钢或合金材料制成，和/或，所述碳纳米管薄膜采用热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法或丝网印刷法形成在所述基底上。

9.根据权利要求1所述的电离规，其特征在于，

所述聚焦极孔板的孔径为5-10毫米。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的电离规，其特征在于，

所述阳极环具有三个，直径分别为6-9毫米、14-16毫米、以及17-20毫米。