電離真空計的工作原理

真空規管 郭方準 實用真空技術

  電離真空計是通過使氣體分子電離,測量離子數量(電流)而得出壓強的真空計。其測量真空度在10-8 Pa以上,被廣泛應用于高真空至超高真空領域,定量性能優異。

  電離真空計可以按照電離方式不同分為兩種:一種是應用最廣、依靠高溫陰極熱電子發射原理而工作的熱陰極電離真空計;另一種是利用真空中的高壓放電原理而工作的冷陰極電離真空計

  熱陰極電離真空計中使氣體分子電離的電子,是通過加熱燈絲來獲得的。熱陰極電離真空計的結構和原理如圖1所示,其基本構造包括燈絲、加速和捕捉電子的陽極網以及捕捉離子的離子收集極。

熱陰極電離真空計的結構和工作原理

圖1 熱陰極電離真空計的結構和工作原理

  加熱燈絲之后,有熱電子放出,熱電子被正電壓的陽極網加速。因為陽極網是用細的金屬絲做成的網狀結構,所以大部分電子沒有被捕捉而穿過陽極網。因為對面的離子收集極處于相對負電位,所以電子無法到達離子收集極而被反彈回來。這樣電子在燈絲和離子收集極之間往返運動,最終被陽極網捕捉。

  燈絲和離子收集極之間如果有氣體分子,往返運動的電子會與其碰撞,使其電離而產生陽離子和電子。生成的電子同樣做往返運動最終被陽極網捕捉,而在陽極網和離子收集極之間生成的陽離子則被離子收集極捕捉。設離子收集極的捕捉效率為a,電子使氣體分子電離的幾率為σ,氣體分子密度為n,電熱絲放出的熱電子電流為Ie,電子被陽極網捕捉前飛行的平均距離為L,離子收集極檢測出的電流為Ii,則

電離真空計的工作原理

  式中 L、a、σ———常數。

  如果控制Ie 為一定值,則Ii 和n成正比。假設氣體是理想氣體,通過方程p=nkT,則可知Ii 和p成正比,即

電離真空計的工作原理

  也就是說,測得離子電流就可知氣體壓強。S被稱為電離真空計的系數或感度,其值通常由實驗而定。一般的電離真空計,S為0.1~0.3Pa-1

  熱陰極電離真空計測量真空度有一定的極限。熱電子撞擊陽極網時,會放出軟 X射線。軟 X射線照射離子收集極后,離子收集極放出光電子。放出的光電子和離子入射效果相同,被稱為擬離子流,因此真空計存在著和壓強無關的殘留電流,從而錯誤評估實際的真空度。殘留電流發生的示意圖如圖2所示。另外,陽極網上吸附的氣體分子受電子撞擊后,也會成為離子被檢測出來,這也干擾了真空計的測量精度。

熱陰極電離真空計的擬離子流原理

圖2 熱陰極電離真空計的擬離子流原理

  冷陰極電離真空計利用真空中的高電壓放電現象,也被稱為冷規。冷陰極放出的電子比熱陰極少,單純在陰陽兩極間加電壓,如果壓強低于0.1Pa則不會持續放電。可通過從外部施加磁場,增加電子的飛行距離,以實現在更低的壓強下持續放電。

  冷陰極電離真空計的主要構造為圓筒形陽極、圓板狀的陰極和永久磁鐵(圖3)。磁力線和電極的中心軸平行設置。陽極電壓為2~3kV,磁場強度約為1000G。

冷陰極電離真空計的結構示意圖

圖3 冷陰極電離真空計的結構示意圖

  從陰極放出的電子受洛倫茲力而作螺旋運動,并被束縛在磁場中。螺旋運動使得電子的飛行距離大幅度增加。電子最終會被陽極捕捉,但是在被捕捉之前多次和氣體分子發生碰撞,在兩陰極之間產生等離子體狀態。等離子體中的電子和陰極放出的電子一樣會作螺旋運動,但陽離子因為質量較大,螺旋運動半徑較大,短時間內被陰極捕捉,并產生二次發射電子。氣體電離產生的電子和陰極發射的二次電子也在陰極板間長期運動,從而使電離過程連鎖地進行下去。

  冷陰極放電可在0.1Pa的壓強下發生。在陰極被捕捉到的離子數量,與壓強及氣體分子的電離斷面面積成正比例。如果知道離子電流和壓強的比例系數,則可知道壓強值。電離斷面面積根據氣體分子而變化,比例系數也會因氣體分子而變。市場上的真空計一般以干燥空氣或氮氣為標準測出比例系數。

  冷陰極電離真空計的測量性能穩定,可應用于高真空領域的測量。同時,因為是冷陰極電離方式,不必擔心電極的燒損問題。

  冷陰極電離真空計的缺點是:

  (1)放電的穩定性有一定不足;

  (2)從陰極放出的電子量受表面污染影響嚴重;

  (3)真空計本身有較強的磁場,需要考慮其安裝在設備上的位置。