CN107993908B - 一种基于场发射阴极电子源的电离真空计及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于场发射阴极电子源的电离真空计及其应用方法，本发明公开了一种基于场发射阴极电子源的电离真空计，该真空计包括场发射电子源、离子收集极、电子振荡收集极、和圆筒外电极等。从场发射阴极发射出的电子流，以一定能量进入电离区域轰击真空腔体残留气体分子，气体被电离形成正离子，部分离子被离子收集极收集，收集到的离子电流与气体压强成正比，从而测量真空系统的压强。本真空计具有灵敏度高、测量范围宽、功耗低、放气低、响应速率快等优点。

Description

一种基于场发射阴极电子源的电离真空计及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种真空压强测量设备，是一种基于场发射阴极电子源的新型电离真空计及其应用方法，属于测量仪器领域。
背景技术
场发射阴极在施加一定电场的条件下便可发射出电子，可以有效改善传统热阴极因加热至上千度高温导致的热辐射、高能耗、放气、气体脱附等效应，同时，场电子发射还具有响应速度快、电流易于调制、器件易于小型化等优势。因此，基于场致发射阴极电子源的电离真空计在真空测量上有多方面的优势。目前报道的场发射阴极电离真空计多是在传统热阴极电离真空计的结构上改装，存在灵敏度较低，工作范围窄的问题，因此有必要对此进行改进。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于场发射阴极电子源的电离真空计。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有场发射阴极电子源，该场发射阴极电子源包括有场发射阴极和场发射门极，场发射阴极和场发射门极之间设置有场发射电压，场发射门极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置设置有离子收集极，离子收集极输出离子收集极所在区域内的离子收集极电流Ii，离子收集极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置为电子收集极，电子收集极外侧为外电极，离子收集极电位低于电子收集极电位，外电极电位低于电子收集极电位，所述的电子收集极上设置有供电子来回穿越的栅孔，电子收集极输出电子收集极所在区域的电子收集电流Ie，离子收集极电位在-100V到100V区间，电子收集极电位在100V到300V区间，外电极的电位为接地电位，所述的离子收集极为环形。
进一步设置是电子收集极的形状为圆筒栅网状，第二电离区域位于外电极的内侧，外电极的形状为圆筒形，且该外电极内径大于电子收集极，该外电极套设于电子收集极的外侧。
进一步设置是圆筒形的外电极顶端由金属封闭设置。
进一步设置是采取了碳纳米管作为场发射电子阴极的材料。
本发明还提供一种真空系统压强测量方法，场发射阴极电子源在场发射电压作用下，从场发射阴极向场发射门极方向发射出场发射电子，场发射电子穿过门极、依次进入离子收集极所在区域和电子收集极所在区域，场发射电子在外电极内、穿越电子收集极的栅孔做来回振荡，来回振荡的场发射电子撞击残留气体分子使其电离，随后正离子在电场作用下移动至离子收集极所在区域收集，形成离子电流，并从离子收集极输出离子收集极电流Ii，从电子收集极输出电子收集极电流Ie；根据以下公式计算待测气体压强：
Ii/Ie＝K×P
P为测试系统压强，K为灵敏度系数，Ii/Ie被定义为归一化的离子电流，K值的大小取决于电离真空计的结构和电离真空计工作时的电位参数。
进一步设置是所述的K根据多个预设气压值的校准待测气体进行检测其Ii/Ie，然后获得离子电流-压强曲线，从而得到该灵敏度系数K值。
本发明专利研制了一种基于场发射阴极电子源的电离真空计，实验研究表明，该真空计具有工作电压低、热辐射小、灵敏度高、工作范围宽等优势，在系统真空度测量及真空电子器件等领域有应用前景。
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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明场发射阴极电离真空计结构图；
图2本发明具体实施例一：CNT场发射电离真空计结构示意图；
图3本发明具体实施例：CNT场电子发射阴极表面SEM图；
图4本发明具体实施例：CNT场发射阴极场电子发射I-V曲线；
图5本发明具体实施例一：CNT场发射电离真空计在10-10～10-6Torr区间的
压强测试特性图；
图6本发明具体实施例二：CNT场发射电离真空计结构示意图；
图7本发明具体实施例二：CNT场发射电离真空计在10-10～10-6Torr区间的
压强测试特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
本发明场发射阴极电离真空计结构如图1所示，主要由场发射阴极11、场发射门极12、离子收集极3、电子收集极5、以及圆筒形的外电极4组成。在本具体实施例中采取了碳纳米管(CNT)作为场发射电子阴极材料，并采取了如图2中所示的电子源结构。电子源通过机械结构固定，材质主要为304不锈钢、氧化铝陶瓷、钨网等，电子源具有放气率低、发射电压低、易维护、CNT阴极可更换等特点。碳纳米管通过化学气相沉积(CVD)直接制备在304不锈钢基底上，与基底的结合力强，工作性能稳定。碳纳米管形貌如图3所示，碳纳米管直径分布在30～50nm之间。该碳纳米管阴极电子源具有优越的场发射性能，工作电压低，场发射电流-电压(I-V)性能如图4所示，在350V门极电压下场发射电流即可达到76μA。
图5为本发明具体实施例电离真空计在10-10～10-6Torr区间的压强测试特性图，在实施过程中，对场发射门极12施加600V，电子收集极4施加150V，CNT的阴极、离子收集极3、圆筒形外电极5施加0V，场发射阴极11总电流80μA，场发射门极12电流为57μA，电子收集极4电流为23μA，真空系统的本底压强为1×10-10Torr，通过充气阀门充入测试氮气、逐步升压至10-6Torr，测得不同压强下的正离子电流Ii，得到离子流-压强(Iion—P)曲线。该真空计测量范围宽、离子流与压强间测量线性好，展示了该真空计优良的性能。
实施例2
下面通过实施例二对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的工程师可以根据上述发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
本发明场发射阴极电离真空计基本结构如图1所示，包括有场发射阴极电子源1，离子收集极3、圆筒外电极4、电子收集极5组成，场发射阴极电子源1包括有场发射阴极11、场发射门极12。在本具体实施例中，将圆筒外电极顶端由金属封闭，并采取了如图6中所示的电极结构。在该实施例中，我们将圆筒形外电极顶端封闭变成真空计外壳，测试其性能。采取了碳纳米管(CNT)作为场发射电子阴极材料，电子源结构及性能与实施例一中一致。在实施过程中，对场发射门极施加580V，电子收集极施加150V，CNT阴极、离子收集极、圆筒形外电极施加0V。CNT电子源工作时阴极总电流79μA，门极电流为55μA，电子收集极电流为24μA。真空腔体的本底压强为1×10-10Torr，通过充气阀门充入测试氮气、逐步升压至10-6Torr，测得不同压强下的正离子电流Ii，得到离子流-压强(Iion—P)曲线,如图7所示。该真空计测量范围宽、离子流与压强间测量线性好、灵敏度高，展示了优良的真空度测量性能。
在电离真空计工作中，被测气体分子在电子轰击下的电离几率是影响测量性能，包括灵敏度、测量下限等的重要性能。对多数气体分子而言，电子能量在150eV左右时电离几率最高。然而，受结构等限制，场发射电子能量常达到数百、乃至数千eV，影响了高性能电离真空计的研制。本发明中,将离子收集极置于电子源和电子收集极之间，由于其电势比电子收集极低，可设置在0V左右，可以有效地减小场发射电子的能量，达到增强电离几率的效果，进而改善真空计的灵敏度和测量下限等性能。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于场发射阴极电子源的电离真空计，其特征在于：包括有场发射阴极电子源，该场发射阴极电子源包括有场发射阴极和场发射门极，场发射阴极和场发射门极之间设置有场发射电压，场发射门极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置设置有离子收集极，离子收集极输出离子收集极所在区域内的离子收集极电流Ii，离子收集极对应场发射阴极电子源的场发射方向的外端位置为电子收集极，电子收集极外侧为外电极，离子收集极电位低于电子收集极电位，外电极电位低于电子收集极电位，所述的电子收集极上设置有供电子来回穿越的栅孔，电子收集极输出电子收集极所在区域的电子收集电流Ie，离子收集极电位在-100V到100V区间，电子收集极电位在100V到300V区间，外电极的电位为接地电位，所述的离子收集极为环形。
2.根据权利要求1所述的电离真空计，其特征在于：电子收集极的形状为圆筒栅网状，外电极的形状为圆筒形，且该外电极内径大于电子收集极，该外电极套设于电子收集极的外侧。
3.根据权利要求2所述的电离真空计，其特征在于：圆筒形的外电极顶端由金属封闭设置。
4.根据权利要求1所述的电离真空计，其特征在于：采取碳纳米管作为场发射电子阴极的材料。
5.一种基于权1-4之一所述的电离真空计的真空系统压强测量方法，其特征在于：
场发射阴极电子源在场发射电压作用下，从场发射阴极向场发射门极方向发射出场发射电子，场发射电子穿过门极、依次进入离子收集极所在区域和电子收集极所在区域，场发射电子在外电极内、穿越电子收集极的栅孔做来回振荡，来回振荡的场发射电子撞击残留气体分子使其电离，随后正离子在电场作用下移动至离子收集极所在区域收集，形成离子电流，并从离子收集极输出离子收集极电流Ii，从电子收集极输出电子收集极电流Ie；根据以下公式计算待测气体压强：
Ii/Ie＝K×P
P为测试系统压强，K为灵敏度系数，Ii/Ie被定义为归一化的离子电流，K值的大小取决于电离真空计的结构和电离真空计工作时的电位参数。
6.根据权利要求5所述的真空系统压强测量方法，其特征在于：所述的K根据多个预设气压值的校准待测气体进行检测其Ii/Ie，然后获得离子电流-压强曲线，从而得到该灵敏度系数K值。
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