介紹了3個(gè)熱陰極電離規(guī)和2個(gè)反磁控型冷陰極電離規(guī)的計(jì)量學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一臺(tái)高真空基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)驗(yàn)范圍為10^-7～10^-3Pa, 實(shí)驗(yàn)氣體為N₂、Ar、He 和H₂。在連續(xù)72h 觀測(cè)中, 熱陰極電離規(guī)在N₂、Ar 和He中的穩(wěn)定性優(yōu)于反磁控規(guī), 但在H₂中則所有規(guī)的穩(wěn)定性相似。在6個(gè)月的重復(fù)校準(zhǔn)中, 所有規(guī)在N₂、Ar 和He 中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性相似, 但在H₂中反磁控規(guī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于熱陰極電離規(guī)。對(duì)于不同的氣體, 反磁控規(guī)的非連續(xù)性出現(xiàn)在不同的壓力點(diǎn)。在很寬的壓力范圍內(nèi), 熱陰極電離規(guī)的相對(duì)靈敏度變化較小, 但反磁控規(guī)的相對(duì)靈敏度隨壓力變化較大。反磁控規(guī)的放電時(shí)間隨壓力、氣體和真空系統(tǒng)中電離源的不同而變化。反磁控規(guī)的出氣率比熱陰極電離規(guī)小得多, 而抽速與一個(gè)具有10mA發(fā)射電流的熱陰極電離規(guī)相當(dāng)。對(duì)一些影響實(shí)驗(yàn)規(guī)計(jì)量學(xué)特性的原因進(jìn)行了討論。

1、引言

　　電離規(guī)廣泛應(yīng)用于10^-1Pa至最低所能達(dá)到的壓力范圍的測(cè)量。電離規(guī)有2種類型: 在熱陰極電離規(guī)中, 電離電子源是一個(gè)熱陰極(燈絲) ; 在冷陰極電離規(guī)中, 電離電子源是交叉電磁場(chǎng)中循環(huán)的空間電子電荷。

　　在熱陰極電離規(guī)中, 熱陰極發(fā)射的電子被柵極加速, 荷能電子與氣相中的氣體分子發(fā)生碰撞使氣體分子產(chǎn)生電離, 離子被相對(duì)于陰極和柵極為負(fù)偏壓的收集極接收, 收集極上接收的離子流Ic比與陰極發(fā)射的電子電流Ie 和壓力p的關(guān)系由式(1) 描述

　　I_c=SIep+I_r 　　(1)

　　式中S是規(guī)管的靈敏度; Ir是與壓力無(wú)關(guān)的殘余電流。有關(guān)熱陰極電離規(guī)的性能已有大量文獻(xiàn)介紹^[1～10] , 一些文獻(xiàn)^{[11, 12]}還總結(jié)了使用熱陰極電離規(guī)后保證其優(yōu)良穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)。

　　冷陰極電離規(guī)中的電流和平均電子能量由規(guī)管結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)決定, 使用者無(wú)法控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè),冷陰極電離規(guī)中的電流I與壓力p在一定壓力范圍內(nèi)遵循式(2) 的冪次方關(guān)系

　　I=Kpⁿ　　 (2)

　　式中K和n對(duì)于給定氣體、規(guī)管、磁場(chǎng)和工作電壓時(shí)為常數(shù)， 指數(shù)n 的值對(duì)大多數(shù)反磁控冷陰極規(guī)介于1.05和1.30 之間^[13]。冷陰極電離規(guī)存在的主要問(wèn)題是非連續(xù)性、低壓力下放電延遲效應(yīng)以及它的不穩(wěn)定性等,但現(xiàn)代反磁控冷陰極電離規(guī)被認(rèn)為克服了這些問(wèn)題。無(wú)論如何, 沒(méi)有足夠的證據(jù)表明現(xiàn)代冷陰極電離規(guī)的性能得到了改進(jìn)。最近幾年, 有一些有價(jià)值的與反磁控冷陰極電離規(guī)相關(guān)的研究報(bào)道^[13～21] , 但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)僅是在N 2 中以磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)和分離規(guī)作為參考標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是以一臺(tái)高真空基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)在10^-7～10^-3Pa 范圍內(nèi), 用N₂、Ar、He 和H₂ 進(jìn)行校準(zhǔn)得到的。研究的內(nèi)容包括穩(wěn)定性、反磁控規(guī)的非連續(xù)性、絕對(duì)靈敏度與相對(duì)靈敏度、反磁控規(guī)的放電特性以及電離規(guī)的抽氣與出氣效應(yīng)等。

2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一臺(tái)連續(xù)膨脹法高真空基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)^[22] , 其基本原理是將流量計(jì)產(chǎn)生的已知流量氣體注入到校準(zhǔn)室中, 并通過(guò)一已知流導(dǎo)的小孔不斷抽除。

　　校準(zhǔn)室的內(nèi)徑和高度均為250mm , 圓形小孔的直徑為24.712 mm , 小孔的面積與校準(zhǔn)室內(nèi)切球面積之比為2. 4×10^{- 3}, 大于推薦的上限值1×10^{- 3 [23]}。采用較大的小孔可以獲得對(duì)校準(zhǔn)室較大的抽速, 從而得到較小的校準(zhǔn)壓力; 較大小孔的主要缺點(diǎn)是返流較大。

　　一臺(tái)抽速為1 000 L/s 的磁懸浮渦輪分子泵作為主泵, 另一臺(tái)抽速為180L/s 小渦輪分子泵作為它的前級(jí)泵并與之串聯(lián), 這樣可保證對(duì)H₂ 具有高的壓縮比和獲得更低的殘余壓力。

　　校準(zhǔn)室在220 ℃烘烤后, 可獲得大約2×10^-8Pa (等效氮) 的本底壓力。

3、實(shí)驗(yàn)規(guī)

　　對(duì)5個(gè)商業(yè)電離現(xiàn)進(jìn)行了研究, 包括1個(gè)分離現(xiàn)(EXG: IE514,Leybold)、2 個(gè)BA 規(guī)(BAG1: STABILION , Granville－Phillip s;BAG:IE414, Leybold) 和2個(gè)反磁控冷陰極規(guī)(IMG1: IMG, Varian; IM G2:IKR270, Inf icon)。所有規(guī)通過(guò)金屬密封法蘭連接到校準(zhǔn)室上, 為了避免實(shí)驗(yàn)規(guī)相互干擾, 還采用了彎管連接。

　　所有實(shí)驗(yàn)規(guī)均采用生產(chǎn)商提供的控制單元, 但EXG、BA G1 和BA G2 的離子流用PTB 設(shè)計(jì)的靜電計(jì)測(cè)量。EXG的發(fā)射電流為1.5mA , 陰極電壓為100V, 柵極電壓為220V , 收集極接地;BAG1 的發(fā)射電流則為410mA , 陰極電壓30V , 柵極電壓180V , 收集極接地; BAG2的發(fā)射電流為1. 0mA , 陰極電壓50V, 柵極電壓180V, 收集極接地。3 個(gè)熱陰極電離規(guī)均為敷氧化釷銥陰極。

　　反磁控規(guī)IMG1 可在10^-1～10^{- 9}Pa 范圍內(nèi)測(cè)量, 按照生產(chǎn)商的說(shuō)明, 線性響應(yīng)和10^{- 9}Pa 下放電時(shí)間小于50s是該規(guī)的優(yōu)良特性, IMG1的工作電壓約為3. 0 kV。反磁控規(guī)IM G2 可在1～ 5 ×10^{- 9} Pa 范圍內(nèi)測(cè)量, 工作電壓約為3. 3 kV。

4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　實(shí)驗(yàn)規(guī)安裝到實(shí)驗(yàn)設(shè)備上后, 對(duì)真空室進(jìn)行抽氣和220 ℃烘烤, 在校準(zhǔn)室中獲得約2×10^{- 8} Pa 的本底壓力。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)規(guī)工作穩(wěn)定后, 分別用N₂、Ar、He和H₂從低壓力到高壓力進(jìn)行第一輪校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)的初期階段, 對(duì)每種氣體在連續(xù)3d內(nèi)進(jìn)行3 輪校準(zhǔn)。每一輪校準(zhǔn)在12 個(gè)壓力點(diǎn)下進(jìn)行, 大約在6h內(nèi)完成, 以后的校準(zhǔn)每隔1～2個(gè)月進(jìn)行一輪。在校準(zhǔn)的間隔, 對(duì)出氣率、抽速、相對(duì)靈敏度、放電時(shí)間和短期穩(wěn)定性等也進(jìn)行了研究。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間, 除校準(zhǔn)和進(jìn)行其他測(cè)量外, 實(shí)驗(yàn)規(guī)都工作在本底壓力下。