CN1728327A - 真空规管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种真空规管，其包括：一阴极单元，一阳极，一屏蔽极，一离子引出极，一反射极和一收集极；该屏蔽极一端与该阴极单元相对应，该屏蔽极另一端与该离子引出极相对应；该离子引出极中心开设一离子引出孔；该反射极为曲面结构，该曲面围住屏蔽极靠近离子引出极的一侧；该收集极设置于该反射极曲面结构底部，并指向离子引出孔；该阳极固定于屏蔽极中间内部。本发明真空规管结合鞍场规和分离规的优点，具有体积小、功耗小、结构简单和灵敏度高的优点。

Description

真空规管
【技术领域】
本发明涉及一种真空规管，尤其涉及一种静电鞍场约束分离规管。
【背景技术】
当代科技发展迅猛，在许多高新技术领域，需要极高的真空环境，如：宇宙空间的模拟，超导技术，核聚变反应，超低温和巨型粒子加速器技术等。而在超高真空领域，超高真空规的研究是必不可少的重要环节。
已有技术中，在超高和极高真空测量时，X射线会产生光电流和电子诱导脱附效应将会限制真空规管测量下限，解决方法之一是做成分离规。P.A.Redhead在《The Journal Of Vacuum Science And Technology》，3，(1966)，P173-180发表的《New Hot-Filament Ionization Gauge With Low ResidualCurrent》文章揭露一种真空分离规管，采用一个挡板放在收集极前面，以挡住一部分X射线，同时使得电子诱导脱附的离子到达不了收集极，这种方法可以将规管的测量下限延伸到10-13Torr。其结构如图1所示，该真空分离规管10包括：一栅极笼12，该栅极笼12一端封闭，另一端开口；一调制极11，设置于栅极笼12顶部封闭端中心；一钨灯丝13；一屏蔽板14设置于该栅极笼12的开口端，该屏蔽板14中心开设有一圆形开口；一离子反射极15，该离子反射极15为碗形结构，该碗形结构的收口方向面向上述圆形开口；和一收集极16，该收集极16设置于离子反射极15碗形结构底部，其尖端与圆形开口相对准。
该真空分离规管10通过控制调制极11使栅极笼12电压为零，从钨灯丝13发射出的电子在栅极笼12内与气体分子碰撞形成离子流，离子被接负电压的屏蔽板14所吸引，从圆形开口进入碗形离子反射极15，离子在离子反射极15电位协同作用下，最后被收集极16所接收。该真空分离规管10采用一个屏蔽板14放在收集极16前面，以挡住一部分X射线，同时使得电子诱导脱附的离子到达不了收集极16。但是，该种极高真空规测量下限只有10-13Torr，且其结构都比较复杂，不宜使用在如太空科技、超低温和巨型粒子加速器等有更高真空的场合或封闭器件中。
为进一步提供体积小、功耗小及结构简单的超高真空和极高真空测量的真空规管，以适用于太空科技、超低温和巨型粒子加速器等领域，清华大学电子工程系陈丕瑾和李幼哲在八十年代发展的微电离规(参见《真空技术的科学基础》，1987年，国防出版社)基础上发展了一种静电鞍场规。该静电鞍场规利用静电鞍场约束的电子振荡可以产生极长的电子路径因而可获得极高灵敏度。
1996年，陈丕瑾和齐京在中国专利第CN96209398.X号揭露一种具有极低吸放气率的高真空微电离规20。如图2所示，该高真空微电离规20由金属外壳21、陶瓷芯柱27、离子收集极26、阳极环22和电子发射体组件24组成。金属外壳21的一端与陶瓷芯柱27相熔封，金属外壳21另一端与待测器件相接，离子收集极26与电子发射体组件24相对阳极环同轴非对称安装于金属外壳内。电子发射体组件24包括钨灯丝241与反射极242。由于该高真空微电离规20体积小、结构简单和功耗小使得灵敏度高，所以得到更广泛的应用。但是，该类型的电离规管由于没有屏蔽X射线本底和电子诱导脱附的离子，所以，限制其测量下限的进一步扩展。
有鉴于此，提供一种克服上述缺点并进一步提高灵敏度的真空规管十分必要。
【发明内容】
为解决已有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种进一步提高灵敏度的真空规管。
为实现本发明的目的，本发明提供一种真空规管，其包括：一阴极单元，一阳极，一屏蔽极，一离子引出极，一反射极和一收集极；该屏蔽极一端与该阴极单元相对应，该屏蔽极另一端与该离子引出极相对应；该离子引出极中心开设一离子引出孔；该反射极为曲面结构，该曲面围住屏蔽极靠近离子引出极的一侧；该收集极设置于该反射极曲面结构底部，并指向离子引出孔；该阳极固定于屏蔽极中间内部。
与已有技术相比较，本发明基于鞍场电离规的分离规管具有以下优点：第一，屏蔽极和离子引出极构成一个将近半封闭的圆筒结构，根据模拟计算的结果，电子在这样的区域中容易振荡，从而获得较高的规管灵敏度；第二，增加了一个离子反射极，其作用是使更多的离子到达收集极，从而获得更高的规管灵敏度；第三，由于离子引出极能够档住绝大部分X射线和电子诱导脱附的离子，使得规管的测量下限能扩展更高真空度。
【附图说明】
图1是已有分离规管的局部剖面示意图。
图2是已有鞍场电离规管的示意图。
图3是本发明第一实施例的真空规管结构示意图。
图4是本发明第二实施例的真空规管结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图3，本发明第一实施例的真空规管30，其包括一热阴极31；一屏蔽极32，一阳极环33，一离子引出极34，一反射极35和一收集极36。该屏蔽极32为两端开口的圆筒形结构，其一端与该热阴极31相对应，另一端与该离子引出极34相对应；该离子引出极34中心开设一离子引出孔341；该反射极35为曲面结构，该曲面围住屏蔽极32靠近离子引出极34的一侧；该收集极36设置于该反射极35曲面结构底部，并指向离子引出孔341；该阳极环33固定于屏蔽极32圆筒内部。
该热阴极31选用通常的热阴极电子源，其包括一钨灯丝312和多个灯丝支撑杆314，钨灯丝312外接电压。该钨灯丝312加电流受热后发出电子进入该屏蔽极32。
该屏蔽极32圆筒直径18毫米，长18毫米。该阳极环33通过支撑杆(图未示)固定于该屏蔽极32的内部，并通过引线外接电压。为了形成对称的鞍形电场，该阳极环33最好设置于屏蔽极32正中间。该阳极环33与屏蔽极32保持电绝缘。该阳极环33的直径9毫米，是用比较细的金属丝弯成，本实施例选用直径为200微米的细金属丝制成阳极环33。
该离子引出极34为与屏蔽极32端口相配套的圆形结构，并与屏蔽极32保持电绝缘。在保证能够档住X射线和电子诱导脱附离子的情况下，且能保证有足够多的离子到达收集极36而不影响鞍场中电子的振荡，可根据实际情况设计离子引出孔341的直径尺寸。
该反射极35为半球面结构，其直径与屏蔽极32直径相同，为18毫米；该半球面结构以离子引出孔341为球心，使反射极35的半球面围住靠近离子引出极34的屏蔽极32的一侧，而且反射极35与离子引出极34之间保持电绝缘。
该反射极35半球面底部开设一小开口(未标示)，用于设置该收集极36，该收集极36为一根细金属丝，本实例选取该金属丝直径为200微米。该收集极36大部分进入反射极35所围空间，其尖端对准离子引出孔341；反射极35与收集极36之间保持电绝缘。
上述阳极环33、离子引出极34和反射极35都以屏蔽极32轴身线中心对称。
为了能更好的使电子进入屏蔽极32，该真空规管30还可进一步包括一设置于屏蔽极32与热阴极31之间的电子引入极37，该电子引入极37为与屏蔽极32端口相配套的圆形结构。在电子引入极37中心开设一电子引入孔371，并与屏蔽极32保持电绝缘。该电子引入孔371和该离子引出孔341的直径相同。
真空规管30的电位设置：屏蔽极32接地Vg；阳极环33电位Va设在1000V左右；收集极36电位Vc为零；反射极35设置一个正电位Vr，以利收集极36收集离子；热阴极31也须置于一个正电位，避免电子打在收集极36上；电子引入极37和离子引出极34的电位根据实际情况设置，以获得最大灵敏度。可以理解的是，其他电位也需要根据真空规管实际工作情况调整，以获得规管最佳工作状态。
本发明的真空规管30工作时：首先是热阴极31发射电子，电子通过电子引入孔371进入屏蔽极32。在该阳极环33接高压后，在屏蔽极32内部形成对称的鞍形电场。电子在鞍形电场中发生多次振荡，撞击气体分子并使其电离，形成离子流。根据模拟计算的结果，电子在圆筒结构的屏蔽极32内更容易振荡，从而获得较高的灵敏度。当离子流从靠近收集极36的离子引出孔341出来，在反射极35电位协同作用下，离子被收集极36所收集，转化为收集极36的电流信号，此电流大小与真空度成正比，从而可以指示真空度。
请参阅图4，本发明第二实施例的真空规管40，其包括一冷阴极41；一屏蔽极42，一阳极环43，一离子引出极44，一反射极45和一收集极46。该屏蔽极42为两端开口的圆筒形结构，其一端与该冷阴极41相对应，另一端与该离子引出极44相对应；该离子引出极44中心开设一离子引出孔441；该反射极45为曲面结构，该曲面围住屏蔽极42靠近离子引出极44的一侧；该收集极46设置于该反射极45曲面结构底部，并指向离子引出孔441；该阳极环43固定于屏蔽极42圆筒内部。
第二实施例的真空规管40相对于第一实施例的真空规管30的相应改变只在于冷阴极41取代热阴极31。该冷阴极41包括一基底(图未标示)、一场发射阵列418形成于该基底表面，和一与该场发射阵列418相对应的栅极416。该场发射阵列418可以选用多种材料，包括各种针尖结构，例如各种金属尖、非金属尖、化合物尖、各种适宜于场发射的纳米管状结构、纳米杆状结构等，或各种薄膜结构，如金刚石薄膜等。栅极416可以采用各种孔状结构，如金属环，金属孔或金属网。该冷阴极41的场发射阵列418对准电子引入孔471。另外，该冷阴极41也可不含栅极416，此时电子引入极中心小孔可改成具有网状结构的小孔。
为了能更好的使电子进入屏蔽极42，该真空规管40还可进一步包括一设置于屏蔽极42与热阴极41之间的电子引入极47，该电子引入极47为与屏蔽极42端口相配套的圆形结构。在电子引入极47中心开设一电子引入孔471，并与屏蔽极42保持电绝缘。该电子引入孔371和该离子引出孔341的直径相同。
本发明的真空规管40工作时：首先是冷阴极41发射电子，电子通过电子引入孔471进入屏蔽极42。在该阳极环43接高压后，在屏蔽极42内部形成对称的鞍形电场。电子在鞍形电场中发生多次振荡，撞击气体分子并使其电离，形成离子流。根据模拟计算的结果，电子在圆筒结构的屏蔽极42内更容易振荡，从而获得较高的灵敏度。当离子流从靠近收集极36的离子引出孔441出来，在反射极45电位协同作用下，离子被收集极46所收集，转化为收集极46的电流信号，此电流大小与真空度成正比，从而可以指示真空度。
可以理解的是，本发明的真空规管可以不加电子引入极，同样可实现本发明的目的。本发明的屏蔽极的形状也不限于圆筒形，可采用其他对称的中空立体形状，只要能使电子在其中产生振荡即可。另外，上述实施例的真空规管各元件尺寸只为优选的典型尺寸；本发明的真空规管尺寸并不唯一确定，视各种具体情况可作适当改动，以获得规管最佳工作状态。电子引入孔和离子引出孔的直径需根据实际情况设计，特别是离子引出孔，需要考虑既不影响鞍场中电子的振荡，同时保证足够多的离子到达收集极，作合理设计。
本发明的真空规管的结构与普通鞍场规相比较有多个优点：第一，屏蔽极和离子引出极构成一个接近半封闭的圆筒结构，根据模拟计算的结果，电子在这样的区域中容易振荡，从而获得较高的规管灵敏度；第二，增加了一个离子反射极，其作用是使更多的离子到达收集极，从而获得更高的规管灵敏度；第三，由于离子引出极能够档住绝大部分X射线和电子诱导脱附的离子，使得规管的测量下限能扩展更高真空度；第四，如采用冷阴极电子源为阴极单元，将更加降低规管的放气和功耗。
本发明的真空规管结构简单，所用电极极少，因而不会有太多的放气，可使用在极高真空领域。根据其他分离规的数据，分离规灵敏度是普通规的80％左右，已有的鞍场规灵敏度可到1000Torr-1以上，所以鞍场分离规的灵敏度估计可到1000Torr-1，这将可以量测10-15Torr甚至更高的真空。

Claims (22)

1.一种真空规管，其包括：一阴极单元、一阳极和一收集极，其特征在于该真空规管进一步包括一屏蔽极，一离子引出极和一反射极；该屏蔽极一端与该阴极单元相对应，该屏蔽极另一端与该离子引出极相对应；该离子引出极中心开设一离子引出孔；该反射极为曲面结构，该曲面围住屏蔽极靠近离子引出极的一侧；该收集极设置于该反射极曲面结构底部，并指向离子引出孔；该阳极固定于屏蔽极内部。
2.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该真空规管进一步包括一设置于阴极单元与屏蔽极之间的电子引入极。
3.如权利要求2所述的真空规管，其特征在于该电子引入极中心开设一电子引入孔。
4.如权利要求3所述的真空规管，其特征在于该电子引入孔与离子引出孔直径相同。
5.如权利要求1或2所述的真空规管，其特征在于该阴极单元包括热阴极或冷阴极，能够发射电子进入屏蔽极。
6.如权利要求5所述的真空规管，其特征在于该热阴极包括一灯丝和多个灯丝支撑杆。
7.如权利要求5所述的真空规管，其特征在于该冷阴极包括一基底和一形成于该基底表面的场发射阵列。
8.如权利要求7所述的真空规管，其特征在于该冷阴极进一步包括一与该场发射阵列相对应的栅极。
9.如权利要求8所述的真空规管，其特征在于该栅极可以采用金属环，金属孔或金属网。
10.如权利要求7所述的真空规管，其特征在于该场发射阵列材料可以选用各种金属尖、非金属尖、化合物尖、各种适宜于场发射的纳米管状结构、纳米杆状结构等，或各种薄膜。
11.如权利要求10所述的真空规管，其特征在于该薄膜为金刚石薄膜。
12.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该屏蔽极为圆筒形结构。
13.如权利要求12所述的真空规管，其特征在于该圆筒直径18毫米，长18毫米。
14.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该屏蔽极接地。
15.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该反射极的曲面结构为半球面结构。
16.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该反射极设置一个正电位，以反射离子。
17.如权利要求1所述的真空规管，其特征在该收集极为一细金属丝。
18.如权利要求1所述的真空规管，其特征在该收集极设置零电位。
19.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该阳极为一阳极环。
20.如权利要求19所述的真空规管，其特征在于该阳极环为细金属丝弯成。
21.如权利要求19所述的真空规管，其特征在于该阳极环具高压，于屏蔽极内形成鞍电场。
22.如权利要求1所述的真空规管，其特征在于该阳极、离子引出极、反射极和收集极都以屏蔽极轴身线中心对称。
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