CN108918026B - 一种热阴极电离真空计电参数校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热阴极电离真空计电参数校准装置及方法，该装置包括了电离规热阴极灯丝模拟电阻、模拟发射电流源、模拟离子电流源和保护二极管，其特征在于，电离规热阴极灯丝模拟电阻和保护二极管模拟电离规电阻特性，模拟发射电流源和模拟离子电流源模拟电离规电离特性。本发明设计的一种热阴极电离真空计电参数校准装置方法，对传统热阴极电离真空计电参数校准装置进行改进，利用电路模拟热阴极电离规管的电特性，从而实现热阴极电离真空计电参数校准过程中不用外接真空规管。
Description
技术领域
本发明涉及一种热阴极电离真空计电参数校准装置及方法，属于仪器或设备的校准和真空测量技术领域。
背景技术
随着科学技术迅猛发展，超高真空测量在空间环境模拟、表面分析科学、高能粒子加速器、核聚变和航空航天领域具有极为广泛的应用价值。电离真空计是超高真空测量的主要工具，为了保证真空计测量结果的准确性，必须定期对其进行精确校准。
根据我国现施行的《电离真空计校准规范》JJF 1062-1999中明确规定，在进行电离真空计校准前，首先应对其外观及电路参数进行校准。由电离真空计的工作原理可知，校准电离真空计电参数时，利用电参数校准装置内部标准电压表依次校准真空计输出的栅极电压和阴极电压，利用装置内部标准电流表校准发射电流，利用装置内部标准电流源输出标准离子电流，校准真空计内部电流表。
目前真空计电参数校准装置并不是货架产品，相关校准机构主要依靠自制真空计电参数校准装置实现电离真空计的校准。现有电离真空计校准装置主要依靠外接电离规管(如ZJ-12、ZJ-27等)为装置提供待校准发射电流。传统真空计电参数校准装置适用于真空规真空计一对一匹配校准，对于现场校准和无真空规情况下的校准，传统装置无法准确评估被校真空计的电参数。同时，外接真空规的传统真空计电参数校准装置在面对大量校准任务时，需要反复拆装接线，装置操作人员将面临接触栅极高压的触电风险。
文献″几种热阴极电离真空计电参数校准及分析″，《真空与低温》2012年第2期、第101～106页介绍了现有的各级校准机构使用的电离真空计电参数校准方法。该方法通过搭建标准电流源、测量信号源和待校准的真空计及其配套真空规管组成校准系统，并没有形成集成的真空计电参数校准装置。文献″真空计电参数检定装置″，《宇航计测技术》1996年第6期、第14～20页介绍了真空计电参数校准装置的基本构成和使用方法。该方法采用外接电离规的电离真空计电参数校准装置，仍存在不适用于现场校准，对于无配套真空规的情况下无法准确评估真空计性能的问题。
因此，有必要对电参数校准装置进行改进，利用电路模拟电离规的电特性，使电离真空计电参数校准过程中不用外接电离规管，从而提高电参数校准装置的便携性、安全性和可用性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
传统热阴极电离真空计电参数校准方法必须借助真空规，为真空计提供工作电流回路。通常采用未开封的玻璃规管，但其易损坏不易携带，且安装接线较为复杂，栅极高压暴露在外对操作人员带来触电危险。
(二)用于解决课题的技术手段
为解决上述技术课题，本发明提供：
(1)一种热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，包括了电离规热阴极灯丝模拟电阻、模拟发射电流源、模拟离子电流源和保护二极管，其中，电离规热阴极灯丝模拟电阻和保护二极管模拟电离规电阻特性，模拟发射电流源和模拟离子电流源模拟电离规电离特性。
(2)如上述(1)所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，其电离规热阴极灯丝模拟电阻为阻值与电离规热阴极灯丝相同或相近的电阻，模拟发射电流源输出电流与电离规发射电流值为同量级，模拟离子电流源输出电流与电离规离子流为同量级。
(3)如上述(2)所述的热阴极电离真空计校准装置，其特征在于，电离规电特性模拟电路主要包括电阻R1、二极管D1、第一电流源S1、第二电流源S2，其中，电阻R1上端连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阳极，电阻R1下端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阴极；第一电流源S1的阳极连接二极管D1的阴极，第一电流源S1的阴极连接待校准电离真空计栅极电源阳极；第二电流源S2的阳极连接待校准电离真空计离子流测量端，第二电流源S2的阴极接地。
(4)如上述(3)所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，电阻R1的阻值一般为1Ω，具体阻值由待模拟电离规热阴极灯丝阻值确定，原则上二者相同或相近，电阻R1的温度漂移和时间漂移特性与被模拟电离规热阴极灯丝相同或相近。
(5)如上述(3)所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，第一电流源S1输出标准电流模拟电离规发射电流，输出范围为0mA至待模拟电离规最大发射电流值的2倍，并可根据发射电流量程分档调节，第一电流源S1输出电流由电阻R1上的瞬时功率反馈调节，电阻R1的瞬时功率越大，第一电流源S1输出标准电流值越大，最终校准电路第一电流源S1输出电流将稳定在被校准电离真空计电路设定的发射电流值处。
(6)如上述(3)所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，第二电流源S2输出标准电流模拟电离规收集极离子流，输出电流值连续可调，输出范围为0mA至待模拟电离规最大离子流值。
(7)如上述(1)所述的热阴极电离真空计校准装置，其特征在于，可通过调整电阻R1的阻值、第一电流源S1的参数和第二电流源S2的参数模拟不同型号不同发射电流档位的热阴极电离真空规管。
另外，本发明还提供一种基于上述热阴极电离真空计电参数校准装置进行的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)连接待校真空计和电离真空计电参数校准装置；
(2)接通电离真空计，电离真空计电参数校准装置的电源，经预热使之处于正常工作的状态；
(3)通过电离真空计电参数校准装置内标准电压表分别测量并记录电离真空计的栅极电压和阴极电压；
(4)通过电离真空计电参数校准装置内标准电流表测量并记录发射电流；
(5)通过调节电离真空计电参数校准装置内标准电流源输出电流，输入电离真空计中的离子流放大器，分别记录标准电流源的标准值、电离真空计的离子流示值和离子流满刻度示值。每个量程测量不少于合理分布的3个点，依次检定各个量程。
(6)根据《真空计(电参数)检定规程》GJB/J 3416-98的要求进行数据处理。
(三)发明效果
与传统电离真空计校准装置相比，本发明的有益效果如下：
(1)该方法有效解决了电离真空计电参数校准装置易损坏的问题，提高其便携性；
(2)该方法可在电参数校准装置内集成多个模拟电离规，在校准不同型号电离真空计时无需更换外部真空规管，栅极的高压电极不暴露在外，校准过程更加安全；
(3)有效避免同型号电离规物理特性不一致为校准过程带来的困难；
(4)电路性能相较于电离规性能更加快速、稳定，标准化程度高，测量一致性好，可通过软件实现自动校准，能够有效缩短电离真空计电参数校准时间。
附图说明
图1是一种热阴极电离真空计电参数校准装置及方法的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。
如图1所示，本发明包括四个部分，其分别为电离规热阴极灯丝模拟电阻、模拟发射电流源、模拟离子电流源、保护二极管。其中电离规热阴极灯丝模拟电阻用于模拟电离规热阴极灯丝的电阻特性。模拟发射电流源用于模拟电离规的发射电流特性。模拟离子流源用于模拟电离规的收集极离子流特性。保护二极管为电离规模拟电路提供保护以保证其正常工作。
如图1所示，电阻R1上端连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阳极，电阻R1下端连接二极管D1阳极，二极管D1阴极连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阴极。第一电流源S1阳极连接二极管D1阴极，第一电流源S1阴极连接待校准电离真空计栅极电源阳极。第二电流源S2阳极连接待校准电离真空计离子流测量端，第二电流源S2阴极接地。电阻R1选用电阻特性与ZJ-12电离规热阴极灯丝相似电阻，具体参数如下：阻值1Ω、额定功率12.5W、精度0.1％、温度漂移50PPM/℃。二极管D1选用1N5820或类似型号二极管，其正向额定电流为3A，大于热阴极电离规灯丝加热电流值。第一电流源S1选用与实际电离规发射电流相近的电流源，输出范围为50μA～5mA，精度为0.1％。电流源S2选用与实际电离规离子流相近的电流源，输出范围为10-12A～10-9A(精度为4％)和10-9A～10-4A(精度为0.8％)。
在进行电离真空计电参数校准时，按照以下步骤进行：
(1)按照图1所示原理图连接待校真空计和电离真空计电参数校准装置；
(2)接通电离真空计，电离真空计电参数校准装置的电源，经预热使之处于正常工作的状态；
(3)通过电离真空计电参数校准装置内标准电压表分别测量并记录电离真空计的栅极电压和阴极电压；
(4)通过电离真空计电参数校准装置内标准电流表测量并记录发射电流；
(5)通过调节电离真空计电参数校准装置内标准电流源输出电流，输入电离真空计中的离子流放大器，分别记录标准电流源的标准值、电离真空计的离子流示值和离子流满刻度示值。每个两成测量不少于合理分布的3个点，依次检定各个量程。
(6)根据《真空计(电参数)检定规程》GJB/J 3416-98的要求进行数据处理。
另外，在本发明各个实施例中的各部分单元电路可以集成在一个单元电路中，也可以是各个单元电路单独物理存在，也可以两个或两个以上单元电路集成在一个单元中。其中模拟发射电流源的反馈调节方式可以采用硬件电路的形式实现，也可以采用软件控制的形式实现。
所述反馈调节方式如果以软件控制的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。在不脱离本发明技术原理的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，包括热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻、模拟发射电流源、模拟离子电流源和保护二极管，其中，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻和保护二极管模拟热阴极电离真空规管电阻特性，模拟发射电流源和模拟离子电流源模拟热阴极电离真空规管电离特性；热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻为阻值与热阴极电离真空规管热阴极灯丝相同的电阻，模拟发射电流源输出电流与热阴极电离真空规管发射电流值为同量级，模拟离子电流源输出电流与热阴极电离真空规管离子流为同量级；
热阴极电离真空规管电特性模拟电路包括热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻、保护二极管、模拟发射电流源、模拟离子电流源，其中，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻上端连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阳极，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻下端连接保护二极管的阳极，保护二极管的阴极连接待校准电离真空计热阴极灯丝电源阴极；模拟发射电流源的阳极连接保护二极管阴极，模拟发射电流源的阴极连接待校准电离真空计栅极电源阳极；模拟离子电流源的阳极连接待校准电离真空计离子流测量端，模拟离子电流源的阴极接地。
2.根据权利要求1所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的阻值由待模拟热阴极电离真空规管热阴极灯丝阻值确定，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的阻值与待模拟热阴极电离真空规管热阴极灯丝阻值相同，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的温度漂移和时间漂移特性与待模拟热阴极电离真空规管热阴极灯丝相同。
3.根据权利要求1所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，模拟发射电流源输出标准电流模拟热阴极电离真空规管发射电流；其中，模拟发射电流源输出的标准电流的输出范围为0mA至待模拟热阴极电离真空规管最大发射电流值的2倍；并根据发射电流量程分档调节，以使模拟发射电流源输出的标准电流的值稳定在待校准电离真空计电路设定的发射电流值处；其中，模拟发射电流源输出标准电流由热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的瞬时功率反馈调节，热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的瞬时功率越大，模拟发射电流源输出标准电流的值越大。
4.根据权利要求1所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，模拟离子电流源输出标准电流模拟热阴极电离真空规管收集极离子流，输出电流值连续可调，其中，模拟离子电流源输出标准电流的输出范围为0mA至待模拟热阴极电离真空规管最大离子流值。
5.根据权利要求1所述的热阴极电离真空计电参数校准装置，其特征在于，通过调整热阴极电离真空规管热阴极灯丝模拟电阻的阻值、模拟发射电流源的参数和模拟离子电流源的参数模拟不同型号不同发射电流档位的热阴极电离真空规管。
6.一种基于权利要求1～5任一项所述的热阴极电离真空计电参数校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、连接待校准电离真空计和热阴极电离真空计电参数校准装置；
步骤2、接通待校准电离真空计和热阴极电离真空计电参数校准装置的电源，经预热使之处于正常工作的状态；
步骤3、通过热阴极电离真空计电参数校准装置内标准电压表分别测量并记录待校准电离真空计的栅极电压和阴极电压；
步骤4、通过热阴极电离真空计电参数校准装置内标准电流表测量并记录发射电流；
步骤5、通过调节热阴极电离真空计电参数校准装置内标准电流源输出电流，输入待校准电离真空计中的离子流放大器，并分别记录标准电流源的标准值、待校准电离真空计的离子流示值和离子流满刻度示值，每个量程测量不少于合理分布的3个点，依次检定各个量程；
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