CN115839795B - 一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计 - Google Patents
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Abstract
一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计本申请涉及真空测量技术领域，具体而言，涉及一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，包括依次连接的阴极、引出极、聚集系统、电离室、电子收集极以及偏转极，其中：阴极作为场发射电子源，选用生长在不锈钢衬底上的碳纳米管阵列；引出极是中心为栅网的孔板结构；聚集系统包括依次连接的第一透镜、聚集极以及第二透镜；电离室的内部设置有离子收集极；阴极、引出极以及聚集系统设置在电离室的前端，电子收集极以及偏转极设置在电离室的后端。本申请通过控制电子的运动轨迹，实现了电离真空计灵敏度的稳定可靠，通过结构设计实现了电子和离子的空间分离，抑制了电子撞击电子收集极产生的二次电子和X射线对测量的影响。
Description
技术领域
本申请涉及真空测量技术领域，具体而言，涉及一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计。
背景技术
高精度的真空测量对核工业、航天、加速器等重大工程具有重要意义，同时国家计量标准的传递也高度依赖于测量的准确和可靠。但是在实际工作中，由于传统电离真空计工作原理的限制，其测量灵敏度、相对灵敏度等特性指标会随着时间和工况频繁改变，在新的科研与工业环境下，发展稳定可靠的计量级电离真空计成为必然趋势。
电离真空计通常包括阴极、阳极及离子收集极三个基本的组成部分。电离真空计的测量原理是电子碰撞电离气体分子，通过收集到的离子电流反演得到真空度，目前，电离真空计稳定性在95％置信区间的测量不确定度最小可以达到4％，但通常都在10％-20％之间，主要影响因素有以下几方面：阴极电子发射分布的不稳定性、电子刺激阳极栅网上中性气体分子和离子的解吸、电子撞击阳极栅网产生X射线、离子碰撞收集极产生二次电子、空间电荷效应等。传统电离规诸如B-A规，由于结构设计的限制，无法有效避免ESD效应、X射线等因素造成的测量非线性，同时由于热灯丝存在热辐照出气、分子热扰动、电子出射方向分散性较大等缺点，会造成电子发射的不均匀性和电流的不稳定性，影响灵敏度的稳定性。
在专利号为201711200611.0的专利中，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，结构包括场发射电子源、离子收集极、电子振荡收集极和圆筒外电极等，其中场发射电子由门极引出，依次穿过离子收集极和电子收集极，在电子收集极的栅孔和圆孔外电极间震荡，碰撞气体分子得到的正离子被离子收集极收集。该设计采用碳纳米管阴极代替热灯丝，避免了热效应的影响，但由于电子的震荡作用，仍无法避免ESD效应和X射线等因素造成的灵敏度波动，电子运动轨迹的不确定性也会进一步降低灵敏度的稳定性。
发明内容
本申请提供了一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，既可以利用场发射有效避免热效应的影响，又可以通过结构设计来抑制各项影响因素，以提高灵敏度的稳定性。
为了实现上述目的，本申请提供了一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，包括依次连接的阴极、引出极、聚集系统、电离室、电子收集极以及偏转极，其中：阴极作为场发射电子源，选用生长在不锈钢衬底上的碳纳米管阵列；引出极是中心为栅网的孔板结构；聚集系统包括依次连接的第一透镜、聚集极以及第二透镜；电离室的内部设置有离子收集极；阴极、引出极以及聚集系统设置在电离室的前端，电子收集极以及偏转极设置在电离室的后端。
进一步的，各个电极之间均采用陶瓷材料进行隔离，工作温度为室温。
进一步的，引出极的栅网由金属细丝绕制或者金属薄板刻蚀而成，栅网的材料为钨丝或者钼丝。
进一步的，电离室由两段相接的圆筒状结构组成。
进一步的，离子收集极包括收集环和收集杆，其中：收集环设置在电离室的内部，靠近电离室的入口位置；收集杆固定在收集环上，用于离子的收集和电子束的聚集。
进一步的，工作状态下，阴极的电位为-100V-0V，引出极的电位为700V-1500V，第一透镜的电位为0V-50V，聚集极的电位为800V-2000V，第二透镜的电位为200V-800V，电离室的电位为70V-250V，离子收集极的电位为0V，电子收集极的电位为200V-800V，偏转极的电位为-100V-0V。
本发明提供的一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，具有以下有益效果：
本申请通过控制电子的运动轨迹，实现了电离真空计灵敏度的稳定可靠，避免了电子刺激阳极栅网上中性气体分子和离子的解吸、电子撞击阳极栅网产生X射线对测量的影响，通过结构设计实现了电子和离子的空间分离，抑制了电子撞击电子收集极产生的二次电子和X射线对测量的影响，同时，选择点状碳纳米管阵列场发射阴极，解决了热阴极存在的热辐射、热出气的问题。
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基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的结构示意图；
图2是根据本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的引出极的示意图；
图3是根据本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的电子路径仿真模拟图；
图4是根据本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的离子轨迹仿真模拟图；
图5是根据本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的灵敏度和电子传输效率的仿真计算结果图；
图中：1-阴极、2-引出极、3-第一透镜、4-聚集极、5-第二透镜、6-电离室、7-离子收集极、71-收集环、72-收集杆、8-电子收集极、9-偏转极。
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所示，本申请提供了一种基于点状碳纳米管阴极1的电离真空计，包括依次连接的阴极1、引出极2、聚集系统、电离室6、电子收集极8以及偏转极9，其中：阴极1作为场发射电子源，选用生长在不锈钢衬底上的碳纳米管阵列；引出极2是中心为栅网的孔板结构；聚集系统包括依次连接的第一透镜3、聚集极4以及第二透镜5；电离室6的内部设置有离子收集极7；阴极1、引出极2以及聚集系统设置在电离室6的前端，电子收集极8以及偏转极9设置在电离室6的后端。
具体的，本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，既可以利用碳纳米管阵列结构的阴极1进行场发射，有效避免了热效应的影响，又可以通过离子收集极7和电子收集极8的结构设计，实现电子和离子的空间分离，从而抑制了各种因素对测量的影响，提高了整体测量的灵敏度以及稳定性。本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计的测量范围为10-6Pa-10-2Pa，根据实际不同的测量需求，可以配套不同量程的电离真空计控制系统使用。其中，阴极1主要用于发射电子，引出极2主要用于将电子引出，聚集系统主要用于通过第一透镜3、聚集极4以及第二透镜5对电子进行聚集，三个电子透镜的组合可以实现电子束的聚焦和平行出射，电离室6主要用于聚集的电子和内部的气体分子发生电离反应，离子收集极7主要用于收集电离后的离子，偏转极9主要用于使电子进行偏转，电子收集极8主要用于收集电子。在本申请实施例中，除了阴极1外，其他电极的材料均为低碳不锈钢。
更具体的，阴极1位于引出极2左侧，间距优选为0.15mm-0.3mm，通过机械结构固定，阴极1选择生长在不锈钢衬底上直径为0.8mm-1mm的碳纳米管阵列，主要是为了使场发射过程中无热效应，无辐射热出气，使得被测气体分子环境热扰动较弱，免受热效应的影响，使得场发射电子的发射半角小，电子出射的能量分散小，点状阵列具有更加稳定的结构特性。
进一步的，各个电极之间均采用陶瓷材料进行隔离，工作温度为室温。阴极1、引出极2、聚集系统、电离室6、电子收集极8以及偏转极9之间均采用陶瓷材料进行绝缘隔离。
进一步的，如图2所示，引出极的栅网由金属细丝绕制或者金属薄板刻蚀而成，栅网的材料为钨丝或者钼丝。在本申请实施例中，引出极2的栅网面积为φ15mm2，栅网的丝径为0.03mm，正方形栅孔的边长为0.23mm，栅网的厚度为0.2mm，工作过程中，可以在引出极2上施加700V的高压，使电子引出。
进一步的，电离室6由两段相接的圆筒状结构组成。电离室6采用圆筒状设计，外径优选为25mm，内径为优选为18mm，长度为优选为49mm。工作过程中，施加250V的电压，在此电场作用下，电子会形成电子束，并以明确的轨迹通过电离室6区域，平均电子路径约为45.2mm。
进一步的，离子收集极7包括收集环71和收集杆72，其中：收集环71设置在电离室6的内部，靠近电离室6的入口位置；收集杆72固定在收集环71上，用于离子的收集和电子束的聚集。离子收集极7由收集环71和收集杆72组成，收集环71设置在电离室6内部，距离电离室6入口距离优选为17mm，两侧采用陶瓷片绝缘，收集杆72固定在收集环71上，直径为优选0.5mm，长度优选为22.5mm，收集环71不仅可以收集离子，同时可以对电子束起到聚焦作用。
进一步的，工作状态下，阴极1的电位为-100V-0V，引出极2的电位为700V-1500V，第一透镜3的电位为0V-50V，聚集极4的电位为800V-2000V，第二透镜5的电位为200V-800V，电离室6的电位为70V-250V，离子收集极7的电位为0V，电子收集极8的电位为200V-800V，偏转极9的电位为-100V-0V。
具体的，如图3-图5所示，本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极1的电离真空计在工作过程中，阴极1的电位为0V，阴极1发射电子进入引出极2，引出极2的电位为700V，将电子引出后进入聚集系统，聚集系统中，第一透镜3的电位为0V，聚集极的电位为2000V，第二透镜5的电位为800V，引出后的电子依次通过第一透镜3、聚集极4和第二透镜5，聚集后的电子平行射入电离室6，电离室6的电位为250V，在此电场作用下，电子会形成电子束，与电离室6内的气体分子发生电离反应，并产生正离子，离子收集极7的电位为0V，产生的正离子会被离子收集极7收集，其他的电子束会在收集杆72的作用下聚集，以明确的轨迹通过电离室6区域，进入电离室6后端的偏转极9和电子收集极8区域，偏转极9的电位为0V，偏转极9使得进入的电子束在电离室6后端发生偏转，进入电子收集极8区域，电子收集极8的电位为800V，电子收集极8对进入的电子进行收集，实现了电子和离子的空间分离，从而抑制了各种因素对测量的影响，提高了电离真空计测量的灵敏度以及稳定性。
更具体的，图4是本申请实施例离子轨迹仿真的模拟图，在电离室6中电离产生的正离子被收集环71和收集杆72收集，在10次模拟中的平均离子收集效率为91.08％(离子收集效率定义为在离子收集极7处收集到的离子数目与电离空间内产生的离子数目的比值)；而图5是本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计10次灵敏度和电子传输效率的仿真计算结果，电子传输效率为100％(电子传输效率定义为在电子收集极8处接收到的电子数目与在电离空间内参与电离的电子数目的比值)，灵敏度平均值为0.243398，相对偏差为0.00006076，由此可以看出，本申请实施例提供的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计离子收集效率较高，并且测量的灵敏度具有较高的稳定性。
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 (4)
1.一种基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，其特征在于，包括依次连接的阴极、引出极、聚集系统、电离室、电子收集极以及偏转极，其中：
所述阴极作为场发射电子源，选用生长在不锈钢衬底上的碳纳米管阵列；
所述引出极是中心为栅网的孔板结构；
所述聚集系统包括依次连接的第一透镜、聚集极以及第二透镜；
所述电离室的内部设置有离子收集极；
所述阴极、所述引出极以及所述聚集系统设置在所述电离室的前端，所述电子收集极以及所述偏转极设置在所述电离室的后端；
所述电离室由两段相接的圆筒状结构组成；
所述离子收集极包括收集环和收集杆，其中：
所述收集环设置在所述电离室的内部，靠近所述电离室的入口位置；
所述收集杆固定在收集环上，用于离子的收集和电子束的聚集。
2.根据权利要求1所述的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，其特征在于，各个电极之间均采用陶瓷材料进行隔离，工作温度为室温。
3.根据权利要求1所述的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，其特征在于，所述引出极的栅网由金属细丝绕制或者金属薄板刻蚀而成，栅网的材料为钨丝或者钼丝。
4.根据权利要求1所述的基于点状碳纳米管阴极的电离真空计，其特征在于，工作状态下，所述阴极的电位为-100V-0V，所述引出极的电位为700V-1500V，所述第一透镜的电位为0V-50V，所述聚集极的电位为800V-2000V，所述第二透镜的电位为200V-800V，所述电离室的电位为70V-250V，所述离子收集极的电位为0V，所述电子收集极的电位为200V-800V，所述偏转极的电位为-100V-0V。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Huzhong Inventor after: Li Detian Inventor after: Li Gang Inventor after: Ma Zhuoya Inventor after: Ge Jinguo Inventor after: Yao Peng Inventor before: Zhang Huzhong Inventor before: Li Detian Inventor before: Cheng Yongjun Inventor before: Li Gang Inventor before: Ma Zhuoya Inventor before: Ge Jinguo Inventor before: Yao Peng |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |