热阴极与冷阴极电离规稳定性的比较研究(2)

4、实验与评价程序

　　实验规安装到实验设备上后, 对真空室进行抽气和烘烤, 烘烤程序为: 温度以 30 ℃/h 的速度从室温逐渐升至 220 ℃, 在220 ℃下保持80h后, 温度以 30 ℃/h 的速度逐渐下降, 当温度下降至100 ℃, 停止烘烤,在温度恢复至室温前对热阴极电离规除气 4 m in 和校准室通入 10^{- 4}Pa 氩气1h, 该程序结束后, 在校准室V₂中获得约2×10^-8Pa 的本底压力。

　　实验设备和实验规工作稳定后, 分别用N₂、A r、He和H₂从低压力到高压力进行第一轮校准。在校准的初期阶段, 对每种气体在连续 3 天内进行3轮校准, 每一轮校准在12个压力点下进行, 大约在6h内完成,以后的校准每隔1～2个月进行一轮。在校准间隔, 对出气率、抽速、相对灵敏度、放电时间和短期稳定性等也进行了研究。在整个实验期间, 除校准和进行其他测量外, 实验规都工作在本底压力下。

　　对热阴极电离规, 灵敏度S 通过测量实验气体引入校准室前后收集极离子流Ic的变化量 △I_c来确定即可

　　式中I e为阴极发射电流; p s 为基础标准产生的压力。对于热阴极电离规, 灵敏度随压力基本上为常数, 因此热阴极电离规的稳定性可用整个校准范围内12 个压力点下灵敏度的平均值来描述, 结果表示对于2个反磁控规, 输出信号不同。在MG1中可读取离子流值, 按照式(2)离子流与压力遵循幂指数关系, 其中含有2个常数, 因此不可能像热阴极电离规一样仅用1 个灵敏度来描述 MG1 的稳定性。在最近的一篇文献中, 除了I_2p双对数曲线用来拟合式(2)外, K_2p半对数曲线也用来检验冷阴极电离规的稳定性, 这种半对数曲线对测量技术或非连续性引起的数据分散更灵敏。在我们的研究中, 采用这种方法来评价MG1。为了描述 M G1 的稳定性, 第一轮校准数据用来拟合式(2) ,然后在以后的校准中用相同的常数n 来计算常数K,每一轮校准可得到一个常数K的平均值, 结果表示为每一轮校准得到的常数K的平均值与第一轮校准常数K的平均值的百分偏差。

　　在MG2中, 用第一轮校准得到的输出电压与压力关系曲线拟合式(5) , 以确定c和d, 然后按式(7)确定MG2的修正系数CF

　　式中p s 为基础标准产生的压力。CF 用来描述 IM G2 的稳定性, 每一轮校准可获得一个修正系数的平均值,结果表示为每一轮校准得到的修正系数的平均值与第一轮修正系数的平均值的百分偏差。

5、结果

5.1、N₂中的稳定性

　　在大约6个月时间内, 对 5 个实验规在每一种气体中进行了校准, 校准点在 6×10^-7～ 2×10^-3Pa 范围内选取 12个。在N₂中的校准结果如图 2 所示, EXG、 BA G1 和BA G2的灵敏度表现出随时间的下降趋势, 这3个热阴极电离规灵敏度的平均值、标准不确定度以及与第一轮校准的最大偏差如表1所列。

　　对于MG1,如果每一轮校准数据单独用来在压力大于6×10- 6Pa 范围拟合式(2) , n的值在很小范围内变化(见表2) , K的值用第一轮校准得到的值n=1.162来计算。K的平均值、标准不确定度以及与第一轮校准的最大偏差如表3所列。K值随压力的变化示于图3, 可以看到在每一轮校准中曲线具有很好的重复性。如果将图3 中相同的数据点绘制成 I_2p双对数曲线(如图4) , 则在压力大于6×10^-6Pa 范围, 几乎所有数据点都落在同一条直线上, 这就是为什么 n 值在很小范围内变化。我们注意到当压力低于 6×10^-6Pa时, 数据点的斜率下降, 这在图 3 中对应的是 K 值迅速增大的区域, 这意味着在N₂中一个非连续性发生了。

　　对于MG2,如果它每一轮的校准数据单独用来在6×10^-7～2×10^-3Pa整个压力校准范围拟合式(5) , c 和d 的值在很小范围内变化(见表4) , 修正系数CF 的值用第一轮校准得到的值c=81535和d=01783来计算。CF 的平均值、标准不确定度以及与第一轮校准的最大偏差如表5所列。这个结果表明, 在校准压力范围内, MG2不仅具有良好的稳定性,而且不存在明显的非连续性。

5.2 Ar中的稳定性

　　Ar的校准结果列于表1～5和示于图5～7中。图5可以看到, 在整个校准期间, EXG、BAG1和BAG2表现出与在N₂中略有不同, 在N₂中灵敏度随时间逐渐下降, 在Ar中只在初始40天EXG和BAG1的灵敏度有系统的下降趋势, 而后保持稳定。在Ar中, MG1的K值随压力的变化如图6所示, 可以看到多个非连续性发生了。

　　在Ar中, MG2的CF值随压力的变化见图7, 整个曲线在不同校准中具有很好的重复性。当压力低于1×10^-5Pa 时, CF值下降, 但CF值不小于0.86, 因此, 如果14%的测量不确定度可以接受, 可以认为MG2在整个压力校准范围内不存在明显的非连续性。

5.3、He中的稳定性

　　He的校准结果列于表1～5和示于图8～10中。MG1的K值随压力的变化如图9所示, 可以看到, 压力低于2×10^-5Pa 时, K值迅速增大。这个结果类似于N₂中的结果, 但非连续性在更高压力2×10^-5Pa下发生。

　　对于MG2, CF值随压力的变化如图10所示, 这个结果类似于在A r 中的结果, 但在He中的非连续性比Ar中的非连续性更强。

5. 4　H₂中的稳定性

　　H₂的校准结果列于表1～5和示于图11和图12中。从图11 可以看到, EXG 的灵敏度在最初3天显著增大, 相对于第一轮校准最大变化达+ 9. 4%。对于这样大的变化, 我们没有满意的解释, 最大的可能性原因是控制单元参数的漂移, 无论如何, 实验过程中没有对控制单元参数进行监测,所以不能排除其他原因。在以后的校准中,灵敏度又降低了, 相对于第一轮校准最大偏差为-3.4%。对于BAG1和BAG2,这种现象没有发生, 相对于第一轮校准最大偏差分别为-1.9%和-3.6%。

　　对于MG1, n的值在很小范围内变化(n=1.149±0. 005) , K的值用第一轮校准得到的值n=1.146来计算,相对于第一轮校准其最大偏差仅- 1. 0%。K 值随压力的变化示于图12,可看出压力低于2×10^-4Pa时,K值随压力以复杂的方式变化。在校准压力范围内, 存在两个非连续性, 其中一个是在相对较高的压力2×10^-4Pa下发生。

　　对MG2的校准结果表明, 在H₂中MG2具有良好的稳定性, 在整个校准压力范围内, MG2不存在明显的非连续性。