由以上计算结果可以看出,当收集极直径增大时,电子平均轨迹长度略为缩短,这是因为粗的收集极对电子振荡空间电位分布的影响增大,电子的振荡运动受到影响,表现为轨迹长度缩短。但离子收集效率提高,这是因为随着收集极直径增大,收集极表面积相应增大。由于离子收集效率的提高比电子轨迹缩短显著,为主导因素,因此灵敏度增大。但是当收集极直径增大时,几何因子也相应增大,导致X射线本底光电流增加,归一化信噪比随收集极直径的增大而减小。
▲ 归一化灵敏度 × 归一化信噪比 图5 收集极直径变化时的相对灵敏度 Fig 5.Sensitivity versus collector diameter
综合上述因素,收集极直径应尽量小。考虑到制管的工艺,将直径暂时定为0.2mm。如果要进一步拓展规管测量下限,减小X射线本底光电流,还可以进一步缩小收集极直径,例如0.01mm,从表1可以看出,归一化信噪比可提高70%。 (4) 灯丝长度的确定 调节灯丝长度,模拟计算压强为1×10-4Pa,收集15个离子的结果如图6所示:
图6 灯丝长度变化时的相对灵敏度 Fig 6.Senstitvity versus filament length
由以下计算结果可以看出,灵敏度随灯丝长度的增加而减小,由于生产工艺 条件的限制,将灯丝长度暂定为2mm,若能将灯丝长度缩短为0.8mm,灵敏度还可以提高50%。所以我们下一步的工作重点是将热阴极灯丝改为场致发射冷阴极(EFFTC)。
3 实验与讨论
通过实验,我们对XHVS型极低压强传感器的各项性能进行了测试,其灵敏度与计算结果相符,达到了设计的各项指标要求。我们还在国家计量科学院对~1×10-4Pa压强下的灵敏度进行了测试,在典型工作参量下灵敏度为6Pa-1。 (1) 离子流随发射电流的变化情况 图7中给出了XHVS型极低压强传感器在压强P为1×10-4Pa,Va为1000V,Vk为155V,Vb为100V的情况下,离子流Ic随发射电流Ie的变化情况。由图可以看出,从0μA到15μA的范围内,离子流与发射电汉具有良好的线性关系,当发射电流时一步增大时,离子流偏离线性,趋于饱和。因此我们选择10μA作为灯丝的发射电流。但当测量极低压强时,灯丝的发射电流可以适当增大,离子流仍可以保持线性。
图7 离子流随发射电流的变化 Fig 7.Ion current versus electronic current
(2) 灵敏度随工作电参数的变化 图8给出了XHVS型规管在压强P为1×10-4Pa,管壁电位Vb为100V,灯丝电位Vk为155V,发射电流Ie为10μA的情况下,灵敏度K随阳极电压Va变化的实验结果及模拟计算结果。实验曲线与计算曲线在变化趋势上一致,只是计算值相对偏大。规管灵敏度先随阳极电压的升高而增大,当阳极电位为1000V时,实验测定灵敏度达到最大值6.03Pa-1。比管壁电位为0,阳极电压为1000V时的灵敏度大。这是因为离子收集极比壁电位低100V,离子收集效率得到提高,因此灵敏增大。
图8 阳极电压变化时的灵敏度 Fig 8.Sensitivity versus anode voltage
图9给出了XHVS型极低压强传感器在压强P为1×10-4Pa,管壁电位Vb为100V,阳极电压Va为1000V,发射电流Ie为10μA,灵敏度K随灯丝电位变化的实验结果及模拟计算结果。实验曲线与计算曲线在变化趋势上一致,只是计算值相对偏大。开始随着灯丝电位的升高,灵敏度增大。当阴极电位达到155V,高于管壁55V时,灵敏度达到最大值,然后随阴极电位升高而减小。
图9 灯丝电位变化时灵敏度 Fig 9.Sensitivity versus filament voltage
(3) XHVS型极低压强传感器的几何因子的计算 电离规的X射线本底光电流正比于规管的几何因子,规管几何因子的大小在一定程度上决定了其测量下限。极低压强传感器由于收集极尺寸很小,因此其几何因子很小。下面通过建立合理的数学模型,计算XHVS1型规管的几何因子,示意图如图10。
图10 简化结构图 Fig 10.Basic structure of XHVS sensor
几何因子G定义为由正栅极发出的总X射线流被收集极截获的份额,几何因子G可以写成
式中F是电离规栅极的表面积,g(θ,φ)为正栅极所发射X射线的辐射强度空间分布函数,dσ为正栅极表面的面积元,dω为辐射源的立体角。在球对称的情况下,g(θ,φ)=1,这时,上式可以简化为
(1)
由于XHVS型规管的阳极环丝径只有0.2mm,远远小于9mm的环直径,因此在计算中可以忽略阳极环丝径。对图10的简化结构,有
(2)
式中
由于收集极直径远远小于阳极环直径,因此几何因子G可以写成
(3)
将XHVS型规管的相关结构参数代入(3)式,计算得:G=5×10-4 另外,我们采用Monte-Garlo法模拟研究了规管的一次X射线辐照立体角,将X射线假设为无数根线,每根线为一个子样,打到收集极上的线条数目与从阳极发射的总线数之比为收集极截获X射线的份额,即几何因子G。计算中假定X射线从阳极的发射是均匀的,模拟计算的几何因子如下: XHVS型规管G=7.2×10-4 与上面数学推算的结果在同一个数量级,G的模拟计算结果与数学推算较接近。 (4) XHVS型极低压强传感器测量下限的推算 极低压强传感器测量下限主要决定于X射线本底压强、电子诱导脱附效应以及高温热阴极效应。已有实验表明,当灯丝发射电流为4mA时,高温热阴极效应引起的等效氮压强为8×10-11Pa,而XHVS型极低压强传感器的发射电流小于0.1mA,因此高温热阴极效应引起的本底压强极小,不是影响测量下限的决定因素。在B-A规中,电子诱导脱附效应引起的本底压强通常小于1×10-9Pa,极低压强传感器的阳极表面积约为B-A规的1/50,因此阳极吸附的气体分子很少,而且极低压强传感器的发射电流小于0.1mA,因此经过除气后,极低压强传感器中电子诱导脱附效应引起的本底压强应小于1×10-11Pa,也不是影响测量下限的决定因素。从以上分析可以得出:极低压强传感器的测量下限主要决定于X射线效应造成的本底压强。 由于电极材料对X射线本底电流的影响不大,因此在发射电流Ie不变时,X射线本底电流Ix主要由几何因子G和栅极电压Va决定,X射线本底压强可以写成
Px=C.Vna.G/K (4)
其中C是与电极材料有关的常数,Va是阳极电压,指数n为一经验常数,通常在1.6~1.8之间,可以暂定为1.6,G是几何因子,K是规管的灵敏度。 对于收集极为圆片的环形阳极鞍场规,几何因子可以按下式估算
(5)
其中a为圆片收集极半径,d为阳极环与收集极的距离,将环形阳极鞍场规参数a=3mm,d=6mm代入上式,得:G=0.11。 将环形阳极鞍场规的参数G=0.11,Va=700V,K=3.75Pa-1,Px=1.0×10-8Pa代入式(4),得常数C数值为1.05×10-11。 XHVS型规管的参数代入(4)式得
Px=5.6×10-11Pa
因此XHVS型规管的本底压强Plim=1.05×10-11Pa (5) XHVS型极低压强传感器的功耗 在典型工作状态下,灯丝加热电压Vf为5V,灯丝加热电流Ik为180mA,因此灯丝功耗为
P=VfIk=0.9W
可见XHVS型极低压强传感器的灯丝功耗很小,如果采用场致发射冷阴极(EFFTC)则功耗可以进一步下降。
4 结论
本文计算XHVS型极低压强传感器模型的电场分布以及电子、离子的运动轨迹;利用蒙特卡罗方法对XHVS型极低压强传感器的灵敏度常数特性参量进行了模拟计算,确定了XHVS型结构参量和各工作电参量。 对XHVS型极低压强传感器做出了样管,并在国家计量科学院进行了测试。实验测定在典型工作参量下,XHVS型的灵敏度为6Pa-1,与模拟计算结果基本相符,达到了预期设计目标。XHVS型极低压强传感器的灵敏度是标准B-A规和分离规的80倍,预期测量下限比B-A规低两个数量级,比分离规低一个数量级。 XHVS型极低压强传感器的压强测量范围为10-4~10-10Pa,具有灵敏度高、信噪比高、本底压强低、吸放气率低、功耗低、电极尺寸小等特点。在极高真空测量领域有广阔的发展前景。如果将收集极直径进一步减小并将阴极改为场致发射冷阴极,还可以进一步提高灵敏度并彻底清除高温热阴极效应,从而进一步拓展其测量下限。极低压强传感器可用于宇宙空间的真空测量、低温技术、巨型加速器、真空微电子技术等。 蒙特卡罗模拟方法在极低压强传感器设计中的应用是成功的,它不仅反映了极低压强传感器的工作机理,而且作为一种计算机辅助设计工具,对新型规管性能的模拟提供了一种有效的辅助手段。同时,实验结果对改进模拟计算的误差提供了重要依据,通过 调整模拟计算过程中的各种参数可以使模拟计算结果更加接近实验的结果。■
作者单位:黄春江(清华大学电子工程系, 北京 100084) 齐京(清华大学电子工程系, 北京 100084) 李旭(清华大学电子工程系, 北京 100084) 张芳林(清华大学电子工程系, 北京 100084)
参考文献:
[1]Naumann R. J.[J].A More Perfect Vacuum,Aerospace America.1987,(3):44~47. [2]陈丕瑾,张振祥,龙志翘,等.[J].真空科学与技术.1984,(4):44. [3]陈丕瑾.真空技术的科学基础[M].1987,国防工业出版社,第十章. |