CN114354058A - 一种宽量程电离真空计规管 - Google Patents

Abstract

本申请涉及真空测量技术领域，具体而言，涉及一种宽量程电离真空计规管，包括阴极、阳极、收集极、以及法兰组件，其中：阴极为侧置式阴极，位于阳极侧面；阳极为笼式半封闭栅网，收集极为细丝状收集极；阴极发射的电子经栅网进入栅网内部，在栅网内部多次振荡后，被收集极接收；法兰组件为宽量程电离真空计规管的真空系统的机械接口。本申请的宽量程电离真空计规管，既能够抑制电极漏放气的影响，还能具有较高灵敏度。

Description

一种宽量程电离真空计规管

技术领域

本申请涉及真空测量技术领域，具体而言，涉及一种宽量程电离真空计规管。

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，尤其是航空航天、高能物理、半导体晶圆制造、表面镀膜等高新技术领域，对宽量程超高真空测量提出了更加迫切的要求。

电离规通常包括阴极、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。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，提高灵敏度是延伸真空测量下限的重要思路之一。其中，灵敏度计算公式为：

L表示电子运动轨迹长度，σ表示电离几率，k表示波尔兹曼常数，T表示热力学温度。

电离真空计规管通过电子碰撞电离气体分子间接测量离子，对于稀薄气体分子具有极高的灵敏度，但是，传统冷阴极电离真空计采用交叉电磁场作用，通过二次电子不断轰击电离气体分子，测量线性和准确性差，而热阴极电离真空计的原理相对成熟，但是电极结构和电压设计、工艺设计、材料选用与处理等因素会严重干扰测量范围。我国国内的真空计的测量下限普遍高于10^-8Pa，这取决于灵敏度、材料放气、电子激励电极脱附等多种效应，而国际上通过材料处理、电极结构屏蔽等设计，能够获得较高且较稳定的灵敏度。

保罗·C·阿诺德，保罗·M·拉特提出一种用于将电子源与气体分子相隔离的电离真空计(电离真空计，2005，ZL200580007960.X)，所述的电离真空计包括用于产生电子的电子源，用于收集由于电子和气体分子的撞击而形成的离子的收集电极，以及用于将电子源与气体分子相隔离的电子窗体。电离真空计带有限定极板空间的极板，以及可以将电子保留在极板区域内，电离真空计能够带有多个电子源和/或收集电极，收集电极能够被安置在极板空间的内部或极板空间的外部。这种结构复杂、材料放气大、灵敏度低，测量下限无法突破10^-8Pa。

因此，有必要提出一种电离真空计，既能够抑制电极漏放气的影响，还能具有较高灵敏度。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种宽量程电离真空计规管，以解决相关技术中放气大、灵敏度低的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种宽量程电离真空计规管。

根据本申请的宽量程电离真空计规管，其特征在于，包括阴极、阳极、收集极、以及法兰组件，其中：所述阴极为侧置式阴极，位于阳极侧面；阳极为笼式半封闭栅网，收集极为细丝状收集极；阴极发射的电子经栅网进入栅网内部，在栅网内部多次振荡后，被收集极接收；法兰组件为宽量程电离真空计规管的真空系统的机械接口。

进一步的，阴极为稀土氧化物阴极或者场发射阵列阴极。

进一步的，法兰组件为金属-陶瓷封接的不锈钢法兰。

进一步的，阴极为稀土氧化物阴极，工作温度低于1500K，可选用覆氧化钇铱丝或敷氧化钍铱丝。

进一步的，阴极为场发射阵列阴极，工作温度为室温，可选用碳纳米管阵列或Spindt金属锥尖阵列。

进一步的，收集极为金属细丝，材料可选用钨丝或者钼丝，根据测量范围的需求，可选择的在表面采用镀金工艺。

进一步的，栅网的侧壁由螺旋栅网绕制而成，栅网的螺距和高度固定。

进一步的，收集极的导电芯柱通过真空密封连接的方式穿过法兰组件，真空密封方式为不锈钢-可伐-陶瓷过渡焊，且焊接采用局部焊接。

进一步的，法兰组件的漏放气率小于10^-11Pam³/s。

进一步的，上述宽量程电离真空计规管测量范围覆盖10^-9Pa～1Pa。

在本申请实施例中，提供一种宽量程电离真空计规管，通过不锈钢-陶瓷-可伐的局部过渡结构及焊接工艺，减少了传统结构必须依赖于整体镀镍才能可靠封接的难题，从而抑制了材料吸气和放气，降低本底压力干扰；同时，选用V形灯丝或者场发射面状阴极，与笼式半封闭栅网相结合，可以确保电子在栅网中有效振荡，获得更高的规管灵敏度，也能保证电子轨迹和离子轨迹的相对稳定性；收集极的多层屏蔽设计，可以降低pA级微弱离子流的测量误差，提高仪器稳定性，延伸测量范围。进而解决相关技术中放气大、灵敏度低的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种宽量程电离真空计规管的结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的电芯柱整体封接件的结构示意图；

图3是根据本申请实施例提供的一种宽量程电离真空计规管具体实施例的电子轨迹仿真图；

图4是根据本申请实施例提供的一种宽量程电离真空计规管具体实施例的全量程校准曲线；

图中：1-阴极、2-阳极、3-收集极丝、4-导电芯柱、5-收集极外屏蔽筒、6-电极转接头、7-收集极屏蔽接头、8-收集极内屏蔽筒、9-不锈钢法兰、10-绝缘陶瓷、11-封接帽；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1、图2所示，本申请一种实施例的宽量程电离真空计规管，包括阴极1、阳极2、收集极、以及法兰组件，其中：阴极1为侧置式阴极，位于阳极2侧面；阳极2为笼式半封闭栅网，收集极为细丝状收集极；阴极1发射的电子经栅网进入栅网内部，在栅网内部多次振荡后，被收集极接收；法兰组件为宽量程电离真空计规管的真空系统的机械接口。

具体的，阴极1位于阳极2栅网侧面，电子发射位置相对集中且稳定，确保电子能够以长期稳定的位置进入电离区域，同时，也保证电子能够在电离区域振荡电离气体分子。

具体的，收集极为金属细丝，材料可选用钨丝或者钼丝，根据测量范围的需求，可选择的在表面采用镀金工艺。更具体的，收集极包括收集极丝3、导电芯柱4、收集极外屏蔽筒5、电极转接头6、收集极屏蔽接头7、收集极内屏蔽筒8。收集极丝3由钨丝或者钼丝制成，金属丝直径0.1mm～0.2mm，对其做高温除气处理，表面可以通过镀金等操作降低表面离子激励脱附效应；导电芯柱4选用具有良好封接性能的可伐合金材料，直径1.5mm～2mm；收集极外屏蔽筒5选用不锈钢，与电控系统的小电流测量导线的屏蔽线连接，可以针对标准接插件，设计为标准接头；电极转接头6与测量导线的屏蔽地线连接，根据标准接插件的结构进行设计；收集极内屏蔽筒8接地，材料为不锈钢等材料，主要是减少栅网外部电场作用下的空间电子和离子对收集极有效信号的干扰。

具体的，法兰组件为金属-陶瓷封接的不锈钢法兰9。更具体的，法兰组件包括：不锈钢法兰9、封接帽11、和绝缘陶瓷10，主要用途是作为真空系统的标准机械接口，也是导电芯柱4的电接口。

进一步的，收集极的导电芯柱4通过真空密封连接的方式穿过法兰组件，真空密封方式为不锈钢-可伐-陶瓷过渡焊，焊接采用局部焊接，避免整个法兰的工艺处理，使得法兰组件的漏放气率小于10^-11Pam³/s，确保实现真空计10^-9Pa的测量下限。具体的，如图2所示，导电芯柱4、封接帽11、绝缘陶瓷10通过真空钎焊焊接为一个整体封接件，具有气密性且导电的功能，封接帽11选用可伐合金，其独特T形结构，有利于不锈钢和陶瓷之间的应力释放，同时，可实现局部真空钎焊，避免了大面积镀镍等操作所引入的吸放气问题，减少本底干扰，使得法兰漏放气率小于10^-11Pam3/s，实现10^-9Pa测量下限。

可选的，阴极1为稀土氧化物阴极，工作温度低于1500K，具有良好的耐氧化特性，能够耐受短暂的大气轰击，可选用覆氧化钇铱丝或敷氧化钍铱丝等，结构可选用单根直丝或者V形灯丝，通常，V形灯丝具有更加稳定的发射位置。

可选的，阴极1为场发射阵列阴极，工作温度为室温，具有极低的放气率，可选用碳纳米管阵列或Spindt金属锥尖阵列等，结构通常为面状，直径1mm～5mm。阴极1顶部低于栅网顶部1mm～3mm。

进一步的，栅网的侧壁由螺旋栅网绕制而成，栅网的螺距和高度固定，确保电场分布均匀，同时又有利于电子穿透。具体的，栅网侧壁由螺旋栅网绕制而成，材料通常选用耐溅射耐轰击的惰性金，例如铂铱合金、镀铂钼丝等，栅网的螺距为2.5mm～3.5mm，栅网总高度约为40mm～60mm，栅网顶部和底部由2～3个圆环和十字支架焊接封闭，栅网直径为15mm～25mm左右，阴极1发射的电子可穿过栅网外侧进入栅网内，进而在栅网内部振荡多次后，被收集极接收。半封闭栅网确保了电场分布均匀，同时又有利于电子穿透。

上述各实施例的宽量程电离真空计规管测量范围覆盖10^-9Pa～1Pa，且全量程具有良好线性。

本申请的宽量程电离真空计规管，不锈钢-陶瓷-可伐的局部过渡结构及焊接工艺，减少了传统结构必须依赖于整体镀镍才能可靠封接的难题，从而抑制了材料吸气和放气，降低本底压力干扰；同时，选用V形灯丝或者场发射面状阴极，与笼式半封闭栅网相结合，可以确保电子在栅网中有效振荡，获得更高的规管灵敏度，也能保证电子轨迹和离子轨迹的相对稳定性；收集极的多层屏蔽设计，可以降低pA级微弱离子流的测量误差，提高仪器稳定性，延伸测量范围。

本申请的宽量程电离真空计规管的一种具体实施方式，由热电子发射阴极、阳极、收集极、法兰组件组成。

其中，热电子发射阴极选用了V形覆氧化钇铱丝，在大气压下可短暂工作，具有良好的耐氧化特性，安装在阳极栅网外侧，间距约为1.5mm，阴极顶部距离阳极栅网顶部2mm。阳极为笼式栅网，材料为铂铱合金，直径为24mm，高度为52mm，螺距2.5mm，阳极栅网与导电芯柱通过电阻焊连接。收集极为0.1mm的钨丝，位于笼式栅网中心轴线上，具有良好的离子收集效率，收集极内屏蔽筒可以有效抑制电离空间干扰粒子的影响。

图3是本实施例的真空计规管电子振荡运动仿真模拟图，电子从阴极表面进入电离区域后，在电场作用下，往复运动多次，能够有效地提高电离气体分子的效率，进而提高灵敏度。

图4是本实施例的真空计规管在真空标准装置上校准得到的实际校准结果，从10^{- 9}pa到1Pa，真空规管表现出良好线性。

综上所述，本申请是一种可以测到10^-9Pa到1Pa的超高真空计规管，根据不同测量需求，可以配套不同量程的电离真空计控制系统使用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽量程电离真空计规管，其特征在于，包括阴极、阳极、收集极、以及法兰组件，其中：

所述阴极为侧置式阴极，位于所述阳极侧面；所述阳极为笼式半封闭栅网，所述收集极为细丝状收集极；所述阴极发射的电子经栅网进入栅网内部，在栅网内部多次振荡后，被所述收集极接收；

所述法兰组件为宽量程电离真空计规管的真空系统的机械接口。

2.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述阴极为稀土氧化物阴极或者场发射阵列阴极。

3.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述法兰组件为金属-陶瓷封接的不锈钢法兰。

4.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述阴极为稀土氧化物阴极，工作温度低于1500K，可选用覆氧化钇铱丝或敷氧化钍铱丝。

5.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述阴极为场发射阵列阴极，工作温度为室温，可选用碳纳米管阵列或Spindt金属锥尖阵列。

6.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述收集极为金属细丝，材料可选用钨丝或者钼丝，根据测量范围的需求，可选择的在表面采用镀金工艺。

7.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述栅网的侧壁由螺旋栅网绕制而成，栅网的螺距和高度固定。

8.如权利要求1所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述收集极的导电芯柱通过真空密封连接的方式穿过所述法兰组件，真空密封为不锈钢-可伐-陶瓷过渡焊，且焊接采用局部焊接。

9.如权利要求8所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述法兰组件的漏放气率小于10^-11Pam³/s。

10.如权利要求1-9中任一项所述的宽量程电离真空计规管，其特征在于，所述宽量程电离真空计规管测量范围覆盖10^-9Pa～1Pa。

Images