CN112629746A - 一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，该真空计包括发射阴极、控制极、加速栅极、收集极、底座和绝缘接线柱，其中控制极、加速栅极和收集极均为平板型结构，各电极板以发射阴极为中心对称平行布置，在磁场环境下工作时，设置电极排布方向与磁场方向平行。本发明利用COMSOL带电粒子追踪模块对真空计的结构参数及电学参数进行优化，得到了真空计的各电极间距、加速栅网宽度和电极电压等参数的较优数值，与传统的热阴极电离真空计相比，本发明使用掺杂LaB6的钨丝作为阴极材料，将阴极所需加热电流降至1～2A，增加了阴极的使用寿命，同时通过电极的对称平行布置，有效延长了电子运动轨迹，提高了真空计的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计。
背景技术
随着科学技术的不断发展，真空测量技术越来越多的应用于航空航天、聚变能源等尖端技术领域，而其中复杂的磁场环境为真空度的精确测量带来了很大挑战。由于带电粒子在磁场环境下所受洛伦兹力作用会使其运动轨迹产生很大变化，导致传统的电离真空计在磁场环境下难以正常工作，甚至于无法采集到有效的离子流信号。因此，国内外研究者基于传统的电离规进行了进一步优化设计，以满足磁场环境下的真空测量需求。
在公开号为CN101046423A的专利文件中公开了《具有高抗干扰能力的快响应电离真空计》，该专利采用平板式的收集极、栅极和控制极，将真空规装在屏蔽罩内，真空规与控制电源之间采用屏蔽电缆连接，克服了普通电离规不能在强磁场环境下工作的特点，提高了规管响应速度和抗干扰能力。但是该方法中各功能电极只在发射阴极单侧排布，使得大量热发射电子无法通过加速栅极到达有效电离区域，限制了真空计的灵敏度。
在公开号为CN105070628A的专利文件中公开了《一种对称式碳纳米管阴极电离规》，该专利采用碳纳米管阵列作为阴极，并采用对称双电极设置，提高了冷阴极电离规的灵敏度。但是该方法采用的碳纳米管阴极在较高的电压下发射电流较小，不利于收集微弱的离子流信号，且冷阴极电离规通常使用负高压工作，过高的电极电压可能会导致测量线路复杂以及规管漏电问题。
由此可见，当前磁场环境下测量真空度存在的技术问题有：场发射阴极电离规的阴极发射电流较小，且较高的电压会导致线路复杂以及规管漏电。热阴极电离规的阴极灯丝需要很大的加热电流，使其在磁场环境下受到很强的安培力，更容易产生变形损坏。
因此有必要提出一种新型电离真空计，能够克服冷阴极电离规电极高压引起的问题，同时能够减少阴极所需加热电流值，提高阴极使用寿命，保证电离规在磁场环境下具有较高的灵敏度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，一方面能够提高电离真空计的灵敏度，同时能将电离真空计发射阴极所需加热电流降低一个数量级，提高真空计的可靠性和使用寿命。
本发明一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，其特点包括有：
一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，包括发射阴极、以发射阴极为中心对称布置的控制极、加速栅极、收集极以及绝缘接线柱和底座。
所述的发射阴极可通过直流或交流电加热发射电子；所述的控制极为发射阴极的热电子提供引出电场，并消除强磁场环境中严重的噪声；所述的加速栅极对阴极发射出的热电子进行加速，使电子能量升高；所述的收集极用于收集电离区域中电子与中性气体分子碰撞电离出的离子流。
所述的控制极、加速栅极和收集极均为平板状结构。各电极以发射阴极为中心对称平行布置，自内向外各电极顺序依次为发射阴极、控制极、加速栅极和收集极，各功能电极通过陶瓷绝缘接线柱连接外部电路以控制电极电压。当在磁场环境下工作时，真空计安装要求电极排布方向与磁场方向平行。
所述的发射阴极为掺杂LaB6的粗钨丝，与纯钨丝阴极相比，选择掺杂LaB6的钨丝作为发射阴极可将加热电流从15～20A降至1～2A。其结构中包括的两个“环形”结构用于补偿灯丝在加热或磁场环境下受力作用产生的变形。
所述的控制极、加速栅极、收集极与底座材料为不锈钢,所述的绝缘接线柱材料为陶瓷，所有的电极均使用绝缘接线柱进行绝缘，并通过钎焊固定在不锈钢底座上。
所述发射阴极直径约0.6mm，控制极、加速栅极、收集极厚度约0.2mm。各功能电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05。所述的控制极与加速栅极、加速栅极与收集极的平行度误差为0.005mm～0.02mm。
所述的电离真空计的电极间距、电极电压及加速栅网宽度用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，电极间距包括发射阴极与控制极间距、控制极与加速栅极间距、加速栅极与收集极间距；电极电压包括发射阴极、控制极、加速栅极与收集极的电压。
使用COMSOL带电粒子追踪模块对热阴极电离真空计进行建模仿真，改变发射阴极、控制极、加速栅极及收集极间距并优化真空计各电极电压，通过计算真空计内部空间电场分布和带电粒子运动轨迹，得到了真空计灵敏度较佳的真空计模型。热阴极电离真空计性能为：无磁场环境下真空计灵敏度提升为约0.0163Pa-1，随着磁感应强度增加，真空计灵敏度逐渐增大。磁感应强度B＝1T时，真空计灵敏度升高至0.124Pa-1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明与传统的热阴极电离真空计的区别在于，将电极设置为平板状结构，且电极板间平行布置，筛选出速度方向与电极轴线方向平行的电子，从而减小了磁场环境中洛伦兹力对带电粒子运动的影响，使该种热阴极电离真空计能够在磁场环境下实现中性气体压力测量。
2、本发明使用掺杂LaB6的钨丝作为发射阴极，将阴极所需加热电流降低了一个数量级，从而减小了发射阴极在磁场环境下受到的安培力，提高了磁场环境下真空计的工作寿命。
3、本发明以发射阴极为中心，两侧对称布置控制极、加速栅极和收集极，有效延长了阴极发射电子的运动轨迹，增大了阴极热发射电子到达有效电离区域的几率，提高了真空计的灵敏度。
附图说明
图1为本发明一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计结构示意图；
图2为本发明一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计加速栅极结构示意图；
图3为本发明一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计在轴线方向上的电场强度分布曲线；
图4为本发明一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计在0.01T磁场环境下的带电粒子运动轨迹示意图。
图中标号：1发射阴极；2控制极；3加速栅极；4收集极；5绝缘接线柱；6底座；7热发射电子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述，如图1所示，本实例中的一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，主要由发射阴极1、以发射阴极1为中心对称布置的控制极2、加速栅极3、收集极4以及绝缘接线柱5和底座6组成。除发射阴极1为带有“环形”结构的灯丝外，控制极2、加速栅极3和收集极4均为平板状结构。各电极间平行布置，图1中B方向为磁场方向，当在磁场环境下工作时，真空计安装要求电极排布方向与磁场方向平行。
一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，其中发射阴极1采用直流或交流电加热，控制极2为阴极发射出的热电子提供引出电场，并消除强磁场环境中噪声，加速栅极3对热电子进行加速，使电子能量升高，被加速的电子通过栅网孔到达有效电离区域，与空间气体分子碰撞发生电离。电离出的正离子被收集极4收集。
具体实施中，采用掺杂LaB6的钨丝作为发射阴极1材料，采用不锈钢作为控制极2、加速栅极3、收集极4和底座6材料，采用陶瓷作为绝缘接线柱5材料。所有的电极均使用陶瓷绝缘接线柱5进行绝缘，并通过钎焊固定在不锈钢底座6上。
具体实施中，发射阴极1带有两个“环形”结构用于补偿灯丝受热或在磁场环境下受力作用导致的变形，加速栅极3在对应阴极发射面的部分开有阵列槽孔。
具体实施中，发射阴极1直径约0.6mm，控制极2、加速栅极3、收集极4厚度约0.2mm。各功能电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05。所述的控制极2与加速栅极3、加速栅极3与收集极4的平行度误差为0.005mm～0.02mm。
具体实施中阴极热发射的电子通过加速栅极3到达有效电离区域的几率决定了真空计的灵敏度。加速栅极3的结构如图2所示，其中D为加速栅网宽度，d为加速栅网间距，具体实施中加速栅网间距d为固定值0.15mm。通过调变各电极间距、电极电压和加速栅网宽度，可以有效的调变电子穿过加速栅网的几率，调节真空计的灵敏度。
具体实施中热阴极电离真空计用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化，优化真空计的电极间距、电极电压及加速栅网宽度；电极间距包括发射阴极1与控制极2间距、控制极2与加速栅极3间距、加速栅极3与收集极4间距，电极电压包括发射阴极1电压、控制极2电压、加速栅极3电压与收集极4电压。
图3为本发明具体实施例电离真空计在轴线方向上的电场强度分布曲线，横坐标为参考坐标系下各点在水平方向的坐标值(单位：m)，其中发射阴极1中心处横坐标值为0。纵坐标为真空计在轴线方向上的电场强度(单位：V)。通过软件模拟仿真，真空计内空间电场以阴极为中心呈对称分布，从发射阴极1到加速栅极3，空间电场强度逐渐升高，在加速栅极3处电场强度达到最大值。具体实施过程中，对发射阴极1施加75V，控制极2电压略高于发射阴极1，加速栅极3施加310V，收集极4施加0V，发射阴极1与控制极2间距为1～2mm，控制极2与加速栅极3间距2～3mm，加速栅极3与收集极4间距8.5～9.5mm，加速栅网宽度0.4～0.5mm，得到了灵敏度较高的电离真空计模型。通过带电粒子运动轨迹计算得出优化后的电离真空计在无磁场时灵敏度提升为约0.0163Pa-1。图4为本发明具体实施例电离真空计在0.01T磁场环境下的带电粒子运动轨迹图，热发射电子从阴极1射出，向加速栅极3运动过程中逐渐加速，其中部分电子运动至控制极2和加速栅极3表面而被捕获，其余穿过加速栅极3的电子到达有效电离区域，在电场作用下减速，直至速度降至0后反向运动，形成了反复震荡的运动轨迹。随着磁感应强度增大，磁场对热发射电子7的约束作用越强，越来越多的电子能够穿过加速栅网到达有效电离区域，使得真空计灵敏度提高，磁场从0T增加至1T时，电离真空计的灵敏度从0.0163Pa-1增加至0.124Pa-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，在本领域的普通技术人员在本发明的精神和原则之内还可对本发明做出修改、等同替换和改进，这些修改和改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可用于强磁场环境下的对称式热阴极电离真空计，其特征包括有：发射阴极(1)、以发射阴极(1)为中心对称布置的控制极(2)、加速栅极(3)、收集极(4)以及绝缘接线柱(5)和底座(6)；
除发射阴极(1)为带有“环形”结构的灯丝外，所述控制极(2)、加速栅极(3)和收集极(4)均为平板状结构，各电极间平行布置，并通过绝缘接线柱(5)连接外部电路以控制每个电极的工作电势；当在磁场环境下工作时，真空计安装要求电极排布方向与磁场方向平行；
所述发射阴极(1)通过直流或交流电进行加热；控制极(2)为发射阴极(1)的热电子提供引出电场，并消除强磁场环境中严重的噪声；加速栅极(3)对热电子进行加速，使电子以较高能量进入电离区域；收集极(4)收集电子与气体分子碰撞电离出的正离子。
2.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：发射阴极(1)电位为75V，控制极(2)电位略高于发射阴极的电位，加速栅极(3)电位为310V。
3.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述发射阴极(1)为带有两个“环形”结构的灯丝；“环形”结构的作用是补偿阴极灯丝受热或在磁场环境下受力作用导致的变形。
4.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述加速栅极(3)在对应阴极发射面的部分开有阵列槽孔。
5.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述发射阴极(1)材料为掺杂LaB6的粗钨丝；选择掺杂LaB6的钨丝作为发射阴极(1)材料可将阴极所需加热电流从15～20A降至1～2A，有效降低了阴极灯丝在磁场环境下工作时受到的安培力。
6.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述控制极(2)、加速栅极(3)、收集极(4)与底座(6)材料为不锈钢,绝缘接线柱(5)材料为陶瓷，所有的电极均使用绝缘接线柱(5)进行绝缘，并通过钎焊固定在不锈钢底座(6)上。
7.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述发射阴极(1)直径约0.6mm，控制极(2)、加速栅极(3)、收集极(4)厚度约0.2mm；各功能电极的结构表面粗糙度为0.4、0.2、0.1或0.05。所述的控制极(2)与加速栅极(3)、加速栅极(3)与收集极(4)的平行度误差为0.005mm～0.02mm。
8.如权利要求1所述的对称式热阴极电离真空计，其特征在于：所述的电离真空计，通过调节各电极间距、加速栅网宽度及电极电压，可以有效的调变空间电场分布情况，影响空间中带电粒子运动，从而改变真空计的灵敏度；用COMSOL带电粒子追踪模块进行仿真优化的具体实现方式为：
使用COMSOL带电粒子追踪模块对电离真空计进行建模仿真，改变电极间距、加速栅网宽度及电极电压，分别计算空间电场分布情况和带电粒子运动轨迹，得到电离真空计灵敏度性能较佳时的规管结构参数与电学参数。真空计仿真性能为：发射阴极与控制极间距为1～2mm，控制极与加速栅极间距为2～3mm，加速栅极与收集极间距为8.5～9.5mm时，真空计灵敏度可提高至0.0163Pa-1左右。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210409 |