CN106372313B - 一种极高真空电离规的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极高真空电离规的制备方法，属于极高真空测量技术领域。该方法先计算标样电离规物理模型的电场分布和电势分布，然后采用电子光学模拟方法，计算电子有效运动轨迹，采用灵敏度比对方法，获得灵敏度电极参数对应的定量关系，并根据定量关系选取电极参数制备电离规试验件，并通过实验计算建立电离规试验件的灵敏度与电极参数的定量关系，修正后建立电离规的标准物理模型；根据标准物理模型的微观参量与电极参数的函数关系，计算得到极高真空电离规的电极参数，并根据该电极参数制备电离规极高真空电离规。

Description

一种极高真空电离规的制备方法
技术领域
本发明涉及一种极高真空电离规的制备方法，具体涉及一种适用真空度低于10- 9Pa的真空电离规的制备方法，属于极高真空测量技术领域。
背景技术
随着各国航天技术的发展，特别是深空探测活动的开展，对超高/极高真空测量技术提出了迫切需求，需要对月球表面(月面压力最低可达10-10Pa)、行星际空间(推测最低压力约10-13Pa)等极高真空环境进行原位实时探测，以深入了解关于宇宙空间的真空或大气环境特性，为人类研究宇宙真空科学和开发利用星球资源等提供重要数据。因此，极高真空测量(低于10-9Pa范围内的压力测量)技术研究已成为国际上关注的新热点，同时也是真空计量学领域一项前沿而富有挑战的学术难题。
在极高真空测量领域，电离规是唯一实际可用的真空规。然而，目前我国尚未有极高真空电离规问世，许多高新技术设备(如兰州重离子加速器、上海同步辐射光源、核聚变装置等)需要的大量超高/极高真空电离规只能依赖进口。因此，探索研究极高真空测量技术，对满足我国现实需求和未来发展具有重要的科学意义。
目前国内外针对新型电离规性能的研究通常仅采用实验定性的分析方法，难以实现对电离规性能进行系统性优化和分析。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种极高真空电离规的制备方法，所述方法将理论计算和实验研究方法有机结合，研制了适用真空度低于10-9Pa的真空电离规，且所述方法还为定量化研究电离规电极参数和工作性能提供了科学而实用的分析依据，实现对电离规性能进行系统性优化和分析。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种极高真空电离规的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：
根据标样电离规的电极参数建立标样电离规的物理模型，并对所述物理模型进行数值求解，得到所述物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算电子能量和电子有效运动轨迹；
其中，所述电子有效运动轨迹为有效电离空间中的电子运动轨迹；所述有效电离空间是指在电离规中被电子碰撞电离的气相离子能够被收集极接收的空间；
步骤三：
采用灵敏度比对方法，以标样电离规的灵敏度S0为基准，计算所述电子有效运动轨迹和电子能量对灵敏度S1影响的数值关系，进而通过理论计算得到电极参数与灵敏度S1的定量关系；
步骤四：
根据步骤三中得到的定量关系，选取三组以上的电极参数值，并根据所述电极参数值制备电离规试验件；在压力为P的真空系统中分别测量各电离规试验件的离子收集极检测电流I+和阳极电流I-，根据公式(Ⅰ)计算各电离规试验件的灵敏度S，并根据计算结果建立灵敏度S与电极参数的定量关系；
步骤五：
以步骤四中所述电离规试验件灵敏度S与电极参数的定量关系为基准，采用线性回归的方法对步骤三获得的所述物理模型的灵敏度S1与电极参数的定量关系进行修正，并根据修正后的结果建立电离规的标准物理模型；
步骤六：
对标准物理模型进行数值求解，得到所述标准物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
步骤七：
采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算所述标准物理模型的微观参量；通过理论计算，得到所述标准物理模型的微观参量与电极参数的函数关系；
其中，所述微观参量包括电子有效运动轨迹、电子能量、门极处的电子透过率、电子逃逸率和电子激励脱附离子与气相离子的收集比率；
步骤八：
针对极高真空电离规所需的微观参量，根据所述函数关系，计算得到极高真空电离规的电极参数，并根据所述电极参数制备电离规极高真空电离规。
进一步的，所述电场分布通过求解拉普拉斯方程得到。
进一步的，所述电子运动轨迹通过求解静电场力作用下电子的牛顿运动方程得到。
有益效果
(1)本发明所述方法通过引入有效电离空间概念和灵敏度比对方法，将理论计算和实验研究方法有机结合，使模拟计算结果更加接近真实结果，并获得电离规的微观参量与电极参数的函数关系的关系，从而研制了适用真空度低于10-9Pa的真空电离规。
(2)本发明所述方法为开发新型极高真空电离规提供了科学而实用的分析依据，不仅有利于缩短研制周期和节约研制成本，而且有利于提高电离规整体性能。
(3)本发明所述方法将理论计算和实验研究方法有机结合，克服了现有研究仅采用实验定性研究电离规性能的局限，为定量化研究电离规电极参数和工作性能提供了科学而实用的分析依据，实现对电离规性能进行系统性优化和分析。
具体实施方式
下面结合具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例1
一种极高真空电离规的制备制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：
根据标样电离规的电极参数建立标样电离规的物理模型，并对所述物理模型进行数值求解，得到所述物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
由于极高真空电离规通常工作在超高/极高真空环境下，所以在计算中将空间电荷效应，电子间的相互作用和电子运动对静电场的影响忽略；所述电场分布通过求解拉普拉斯方程①获得，方程①中所述U为电极电压，所述x、y和z分别表示离子或电子在直角坐标系中x轴、y轴和z轴上的投影；
步骤二：
采用电子光学模拟方法，采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算电子能量和电子有效运动轨迹；
其中，所述电子有效运动轨迹为有效电离空间中的电子运动轨迹；所述有效电离空间是指在电离规中被电子碰撞电离的气相离子能够被收集极接收的空间；
所述电子运动轨迹可通过求解静电场力作用下的牛顿运动方程②得到，方程②中，所述e为电子电量，m为离子质量，E为电场强度；所述Ex、Ey和Ez分别表示t时刻，离子或电子在直角坐标系中x轴、y轴和z轴上的电场强度分量；
步骤三：
采用灵敏度比对方法(如公式③所示)，以标样电离规的灵敏度灵敏度S0为基准，计算所述电子有效运动轨迹和电子能量对灵敏度影响的数值关系，进而通过理论计算得到电极参数与灵敏度的定量关系；
所述灵敏度比对方法解释为：通常电离规的阳极电流和灵敏度均由实验测得，在数值模拟中，灵敏度的理论值可根据电子有效运动轨迹长度L比对获得；根据灵敏度定义式可得出两种规型灵敏度比对公式③所示：
其中，下标0、1分别代表已知参数的商用电离规和有待研发的新型电离规，γ表示电离几率；σ表示电离横截面积；
步骤四：
根据理论计算得到的电极参数制备电离规试验件，并在压力为P的真空系统中测量所述电离规试验件的离子收集极检测电流I+和阳极电流I-，根据公式(Ⅰ)计算电离规试验件的灵敏度S并根据计算结果建立灵敏度S与电极参数的定量关系；
步骤五：
以步骤四中所述电离规试验件灵敏度S与电极参数的定量关系为基准，采用线性回归的方法对所述物理模型的灵敏度S1与电极参数的定量关系进行修正，并根据修正后的结果建立电离规的标准物理模型；
步骤六：
对标准物理模型进行数值求解，得到所述标准物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
步骤七：
采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算所述标准物理模型的微观参量；通过理论计算，得到所述标准物理模型的微观参量与电极参数的函数关系；
其中，所述微观参量包括电子有效运动轨迹、电子能量、门极处的电子透过率、电子逃逸率和电子激励脱附离子与气相离子的收集比率；
步骤八：
针对极高真空电离规所需的微观参量，根据所述函数关系，计算得到极高真空电离规的电极参数，并根据所述电极参数制备电离规极高真空电离规。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种极高真空电离规的制备方法，其特征在于：所述制备方法适用于真空度低于10- 9Pa的真空电离规，包括以下步骤：
步骤一：
根据标样电离规的电极参数建立标样电离规的物理模型，并对所述物理模型进行数值求解，得到所述物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
步骤二：
采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算电子能量和电子有效运动轨迹；
其中，所述电子有效运动轨迹为有效电离空间中的电子运动轨迹；所述有效电离空间是指在电离规中被电子碰撞电离的气相离子能够被收集极接收的空间；
步骤三：
采用灵敏度比对方法，以标样电离规的灵敏度S0为基准，计算所述电子有效运动轨迹和电子能量对灵敏度S1影响的数值关系，进而通过理论计算得到电极参数与灵敏度S1的定量关系；
步骤四：
根据步骤三中得到的定量关系，选取三组以上的电极参数值，并根据所述电极参数值制备电离规试验件；在压力为P的真空系统中分别测量各电离规试验件的离子收集极检测电流I+和阳极电流I-，根据公式(Ⅰ)计算各电离规试验件的灵敏度S，并根据计算结果建立灵敏度S与电极参数的定量关系；
步骤五：
以步骤四中所述电离规试验件灵敏度S与电极参数的定量关系为基准，采用线性回归的方法对步骤三获得的所述物理模型的灵敏度S1与电极参数的定量关系进行修正，并根据修正后的结果建立电离规的标准物理模型；
步骤六：
对标准物理模型进行数值求解，得到所述标准物理模型任意位置处的电场分布和电势分布；
步骤七：
采用电子光学模拟方法，根据所述电场分布和电势分布计算所述标准物理模型的微观参量；通过理论计算，得到所述标准物理模型的微观参量与电极参数的函数关系；
其中，所述微观参量包括电子有效运动轨迹、门极处的电子透过率、电子逃逸率和电子激励脱附离子与气相离子的收集比率；
步骤八：
针对极高真空电离规所需的微观参量，根据所述函数关系，计算得到极高真空电离规的电极参数，并根据所述电极参数制备电离规极高真空电离规。
2.根据权利要求1所述的一种极高真空电离规的制备方法，其特征在于：所述电场分布通过求解拉普拉斯方程得到。
3.根据权利要求1所述的一种极高真空电离规的制备方法，其特征在于：所述电子运动轨迹通过求解静电场力作用下离子或电子的牛顿运动方程得到。
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"电极电压对碳纳米管阴极电离规性能影响的数值模拟";张虎忠等;《物理学报》;20130608;第62卷(第11期);第110703-1-110703-8页

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