CN109767970B - 一种微型封装式电离规 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型封装式电离规，包括场发射阴极、门极、阳极组件、收集极及封装外壳；场发射阴极设置在封装外壳底端，所述场发射阴极、门极、阳极组件及收集极共轴设置，电极与电极之间绝缘；所述收集极为栅网结构，与封装外壳顶端固定连接，用于接收离子流，同时与真空环境导通引入气体分子；门极为场发射阴极提供引出电场，场发射电子进入阳极组件后，在阳极组件形成局部马鞍形电场，场发射电子在阳极组件内往复振荡并电离气体分子，电离后产生的离子流被收集极接收。本发明能够克服高温热阴极效应，同时提高灵敏度，延伸测量下限。

Description

一种微型封装式电离规

技术领域

本发明涉及真空测量技术领域，具体涉及一种微型封装式电离规。

背景技术

随着科学技术迅猛发展，高新技术领域对超高真空测量提出了更高的要求，尤其是先进半导体制造、空间科学、表面科学等领域，对低出气、无热效应、低功耗和微型化超高真空测量技术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：

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、增大发射电流，提高微弱电流测量能力是延伸真空测量下限的重要思路。

然而，对于微型电离规而言，传统的热灯丝不利于降低出气量、减小功耗，因而，近年来，结合场发射冷阴极和三极式电离规结构，国内外学者报道了若干微型电离规，但是，普遍存在灵敏度低的问题，造成此类微型电离规测量下限无法延伸。

In Mook Choi等提出了一种微型的三极式碳纳米管阴极电离规，如图1所示，该电离规阴极14设置在阴极基座13上，在200V左右时，实现电子场发射，电子在电场的作用下向阳极栅网15运动，这种方法克服了高温出气效应，真空度测量下限达到了10^-5Pa量级，但是，如果需要进一步延伸测量下限，发明人In Mook Choi等提出的增大发射电流或者增大规管尺寸都不是最优选择，因为增大发射电流会造成较大的电子轰击出气，而增大规管尺寸则限制了其微型封装特点。

因此，有必要提出一种新型微型封装电离规，克服高温热阴极效应，同时提高灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微型封装式电离规，能够克服高温热阴极效应，同时提高灵敏度，延伸测量下限。

本发明采取的技术方案如下：

一种微型封装式电离规，包括场发射阴极、门极、阳极组件、收集极及封装外壳；

所述场发射阴极设置在封装外壳底端，所述场发射阴极、门极、阳极组件及收集极共轴设置，电极与电极之间绝缘；所述收集极为栅网结构，与封装外壳顶端固定连接，用于接收离子流，同时与真空环境导通引入气体分子；

门极为场发射阴极提供引出电场，场发射电子进入阳极组件后，在阳极组件形成局部马鞍形电场，场发射电子在阳极组件内往复振荡并电离气体分子，电离后产生的离子流被收集极接收。

进一步地，所述阳极组件包括反射电极、抑制电极和加速电极；

所述反射电极为两端开孔的半封闭式壳体结构，外侧为圆柱面，内侧空腔为球形、椭球形、梭形或者圆柱形；加速电极和抑制电极为圆环结构，两个圆环同心设置在反射电极内侧空腔的对称平面处，所述对称平面与电离规的对称轴线垂直。

进一步地，所述场发射阴极为碳纳米管阵列。

进一步地，所述碳纳米管阵列由热化学气相沉积法在基底表面直接生长制备，或结合模板法或丝网印刷工艺制备获得。

有益效果：

1、本发明利用场发射电极，是在强电场作用下电子从阴极表面释放出来的现象，属于冷阴极发射，消除了高温热阴极效应；其次，采用三极式封装结构减小体积，易于封装成一个整体，实现了小型化；再者，采用阳极组件形成的马鞍形电场，极大地延长了电子在规管中的运动轨迹长度，克服了微型电离规灵敏度低的不足，有效延伸了此类真空计测量下限，实现了具备超高真空测量能力的微型封装式电离规。

2、本发明的阳极组件采用加速电极、抑制电极、反射电极相组合的模式，反射电极内侧空腔的设置是为了降低电子动能，反射电子，使电子往复振荡；加速电极的作用是对电子进行加速；抑制电极的作用是弯曲马鞍形电场鞍点附近的电场线，使得阳极组件内部形成更加陡峭的马鞍形电场。

3、本发明选用碳纳米管阵列，在室温下可以实现更加稳定的电子场发射，较低电压下可获得更大电子流。

附图说明

图1为现有的一种微型电离规的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本实施例所提供的碳纳米管阵列的扫描电镜图；

图4为本实施例所提供的电子轨迹模拟图。

其中，1-碳纳米管阴极衬底，2-碳纳米管阵列，3-门极，4-反射电极，5-抑制电极，6-加速电极，7-收集极，8-封装外壳，9-绝缘块Ⅰ，10-绝缘块Ⅱ，11-绝缘块Ⅲ，12-法兰，13-阴极基座，14-阴极，15-阳极栅网。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

根据电离规的工作原理，提高灵敏度是延伸此类微型封装电离规的实际可行的技术途径，因此，根据灵敏度S的理论计算公式可知，

其中，σ表示电离截面，k为波尔兹曼常熟，T为开尔文温度，L为电子在电离区域内的运动轨迹长度。因而，延长L是提高微型电离规灵敏度的有效技术途径。

本实施例提供了一种微型封装式电离规，如图2所示，包括电离规包括碳纳米管阴极衬底1、碳纳米管阵列2、门极3、反射电极4、抑制电极5、加速电极6、收集极7、封装外壳8以及绝缘块以及法兰12。

该场发射阴极是在碳纳米管阴极衬底1上粘结一层碳纳米管阵列2制备得到，碳纳米管阵列2通常可采用热化学气相沉积法直接生长，也可以通过模板法、反粘法、粘接法、丝网印刷法等各种工艺制备。在本实施例中，碳纳米管阴极衬底1选择不锈钢材料，碳纳米管阵列2是采用热化学气相沉积法直接生长制备，碳纳米管阵列2设置于封装外壳8底端，门极3直径2mm-3mm，由钨网编制或者钨片刻蚀制备，平行对称安装于碳纳米管阵列2上方，碳纳米管阵列2和门极3通过绝缘块Ⅲ11控制间距，间距可控制在100μm-150μm之间，绝缘块可选用云母片、石英玻璃或者陶瓷片。

阳极组件包括反射电极4、抑制电极5和加速电极6，反射电极4是两端开孔的半封闭式对称型封闭壳体，封闭壳体外侧为圆柱面，内侧空腔可选择球形、椭球形、梭形或者圆柱形，加速电极6和抑制电极5为圆环结构，两个圆环同心设置在反射电极4内侧空腔的对称平面处，该对称平面与电离规的对称轴线垂直。加速电极6和抑制电极5圆环由金属丝绕制而成，在本实施例中，反射电极4外侧圆柱面直径为5mm，材料为不锈钢，也可选用可伐合金、铍铜合金等，内侧空腔为球形，直径4mm，长度4.5mm，反射电极4两端开孔直径均为2mm，分别用于电子引入和离子引出；加速电极6为直径2mm的圆环，材料为钼丝，丝径0.2mm；抑制电极5为直径3mm的圆环，材料为钼丝，丝径0.2mm。两个圆环通过支撑结构穿过反射电极4，支撑结构与反射电极4相交的部位采用陶瓷绝缘处理，支撑结构为抑制电极5和加速电极6与反射电极4的连接导线，抑制电极5和加速电极6通过连接导线与法兰12实现电导通。

收集极7为直径3mm的栅网结构，可以进行化学刻蚀或金属丝编织制得。该栅网结构通过电焊或者其它方式与封装外壳8连接固定，本实施例采用点焊的方式，一方面接收离子流，另一方面使得封装电离规与真空环境导通，引入气体分子。封装外壳8外径10mm，下端与法兰12固定封接，封装外壳8可选用可伐合金材料。

门极3与反射电极4的电子引入孔间距为1mm，通过绝缘块Ⅱ10控制间距，反射电极4的离子引出孔与收集极7的间距为0.5mm，通过绝缘块Ⅰ9控制间距。绝缘块Ⅲ11同样隔离了门极3与法兰12，绝缘块的尺寸是通过辅助设备进行精确测量，场发射阴极和门极3固定后，利用辅助设备对场发射阴极表面和门极3表面间的公称距离进行确定。具体安装过程是，加速电极6和抑制电极5圆环穿过反射电极4，进行电极间的绝缘处理，同时通过电信号引线固定连接，收集极7通过封装外壳8引出电信号引线，碳纳米管阵列2和门极3各自引出引线，所有引线与贯通法兰12密封焊接的陶瓷芯柱进行固定连接，封装后的电离规收集极7在真空环境内，法兰12端隔离真空与大气端，大气端的所有陶瓷芯柱作为电连接端子。

如图3所示，碳纳米管阵列2的发射圆面直径为2-3mm，电压设置为40-60V，门极3的电压设置为300V-350V，在加速电场作用下，场发射电流10μA-50μA，显示了碳纳米管阵列2微观特征，阵列高度约20μm，均匀直立。

场发射电子进入阳极组件后，电子在反射电极4的内侧空腔内作往复运动，极大地延长了电子运动轨迹长度，从而提高了灵敏度。在本实施例中，反射电极4的电压略低于碳纳米管阵列2的电压，设置为30V，加速电极6电压设置为800V，靠近加速电极6的位置，电场线被压缩，形成马鞍形电场，如图4所示，在加速电极6附近形成鞍点，同时，为了进一步使得鞍点附近电场线发生弯曲，采用了抑制电极5，并设置其电压为30V。

在测量真空度时，反射电极4的电子引入孔对门极3引出的电子进行聚焦电位差，然后在加速电极6加速作用和抑制电极5的抑制作用下，电子束聚拢穿过圆环，然后在反射电极4作用下，电子重新返回，再次穿过圆环，如此往复，直到少部分电子被加速电极6接收，大部分电子被门极3接收，电子运动过程中产生的离子聚焦成束的被收集极7接收，收集极7的对地电位为0V。最终，所有电极集成于封装外壳8内。该微型封装式电离规灵敏度介于0.1Pa^-1～1Pa^-1，真空测量下限可延伸到10^-6Pa～10^-7Pa，根据不同工艺制备碳纳米管阵列2在粗低真空下的稳定性差异，测量上限最高可向上延伸到1Pa。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微型封装式电离规，其特征在于，包括场发射阴极、门极、阳极组件、收集极及封装外壳；

所述场发射阴极设置在封装外壳底端，所述场发射阴极、门极、阳极组件及收集极共轴设置，电极与电极之间绝缘；所述收集极为栅网结构，与封装外壳顶端固定连接，用于接收离子流，同时与真空环境导通引入气体分子；

门极为场发射阴极提供引出电场，场发射电子进入阳极组件后，在阳极组件形成局部马鞍形电场，场发射电子在阳极组件内往复振荡并电离气体分子，电离后产生的离子流被收集极接收；

所述阳极组件包括反射电极、抑制电极和加速电极；所述反射电极为两端开孔的半封闭式壳体结构，外侧为圆柱面，内侧空腔为球形、椭球形或者梭形；加速电极和抑制电极为圆环结构，两个圆环同心设置在反射电极内侧空腔的对称平面处，所述对称平面与电离规的对称轴线垂直；所述场发射阴极为碳纳米管阵列；所有电极集成于封装外壳内。

2.如权利要求1所述的微型封装式电离规，其特征在于，所述碳纳米管阵列由热化学气相沉积法在基底表面直接生长制备，或通过模板法或丝网印刷工艺制备获得。

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