热阴极与冷阴极电离规稳定性的比较研究(3)

2010-06-06 李得天 兰州物理研究所

5.5、实验规的短期稳定性

  为了评价实验规的短期稳定性, 在 1×10-4Pa 压力下分别用N2、 Ar、He和H2连续72h观察了实验规的变化。对于3个热阴极电离规可以得到一系列灵敏度值,短期稳定性表示为每个灵敏度值与所有灵敏度值的平均值的百分偏差。同样MG1的短期稳定性表示为每个K值与所有K 值的平均值的百分偏差, MG2的短期稳定性表示为每个修正系数CF 值与所有CF 值的平均值的百分偏差。实验结果如图13~16所示,每个实验规在不同气体中的最大偏差限列于表6中。在N2、Ar和He 中,除EXG在Ar中具有稍大的正偏差外, 热阴极电离规的短期稳定性优于反磁控规。在H2中, 所有规的最大偏差限都类似。对于反磁控规, 在H2中的短期稳定性优于在其他气体中的短期稳定性, 这个结果与5.4中描述的在H2中的长期稳定性的实验结果一致。

  在短期稳定性实验中, EXG 在H2 中具有很好的稳定性, 在 5.4中描述的现象, 即EXG 在H2 中的最初3 d 灵敏度显著增加的现象在该实验中没有发生。

6、讨论

  实验为热阴极电离规和反磁控规的稳定性提供了一些有用数据, 但同时也提出了一些问题: 为什么反磁控规在H2 中表现的比在其他气体中更稳定? 为什么反磁控规的非连续性依赖于压力和气体种类? 为什么在N2、Ar和He 中反磁控规的短期稳定性差于热阴极电离规而长期稳定性又类似?反磁控规在H2中的稳定性: 如图17 所示, 电离过程在某一最小电子能量下发生,电离过程产生的离子数随电子能量的增加迅速增多, 在电子能量为50~150eV之间时, 离子数量达到一最大值, 而后随电子能量的增加离于数缓慢减少。对于电离规, 要求离子产额或灵敏度尽可能高, 所以电子能量一般控制在100 eV。对于热阴极电离规, 电子能量容易控制和理解, 但对反磁控规, 由于至今理论不完善, 平均电子能量由规管的结构和工作参数决定,使用者无法控制。假设电子能量的稳定性是影响反磁控规稳定性的一个重要因素, 受空间电荷的影响, 电子能量可能因气体不同存在较大差异。根据实验结果, 推测在H2中电子能量处在一个较稳定区域, 在这个区域电离几率随电子能量的变化很小, 而对于其他气体, 电子能量处在较不稳定的区域。由于反磁控规放电的不稳定性, 电子能量随时间变化也是一种合理的推论。这些假设和推论可以解释为什么反磁控规在H2中表现的比在其他气体中更稳定。

  为了验证上述推论, 比较了MG1和MG2在1×10-4Pa 压力下的相对灵敏度。相对灵敏度描述为某一气体灵敏度与H2 的灵敏度比值, 其结果如表7所列。

  根据图17的电离几率曲线, 当电子能量约为 60eV时, H2 的电离几率处在最稳定的区域, 在这个区域电离几率随电子能量的变化最小。假设在H2中电子能量为60eV ,则根据表7中的相对灵敏度和图17的电离几率曲线可估算在其他气体中的电子能量,结果如表8所列。

  根据这些数据, 发现MG1和MG2在N2、Ar和He中处于相对较不稳定区域, 特别需要指出的是MG1在He 中似乎处于最不稳定的区域(如图17)。比较表3和表5中MG1和MG2的校准结果, 发现MG1在He中确实最不稳定, 相对于第一次校准最大百分偏差达+814%。如果这个结果不是巧合, 则我们的假设是正确的。根据这个假设可以进一步推论: 通过调节工作参数使反磁控规在其他气体中电子能量向稳定区域移动, 可在其他气体中获得与在H2 中相比拟的稳定性。也有人推测在H2中良好的稳定性可能是H2的溅射系数较小, 但这个推测不能解释为什么在Ar中的稳定性明显好于在He中的稳定性, 因为Ar的溅射系数比He的溅射系数大得多。

  非连续性: 尽管反磁控规的理论并不完善, 但最近的一些文献对反磁控规的一般性能做了很好的描述。反磁控规利用交叉电磁场捕获电子, 放电在初始杂散带电粒子触发下缓慢建立, 直至受空间电荷的抑制作用达到平衡。电子以摆线跳跃的形式围绕阳极运动, 在某些跳跃中, 电子获得了足够能量引起气体电离, 当这种电离碰撞发生时, 电子能量降低, 电子略向阳极移动, 一个电子通过许多这种电离碰撞最后到达阳极, 因此电子在放电空间停留很长时间。离子由于质量较大, 受磁场的影响较小, 所以很快被阴极收集。由于电子和离子在空间停留的时间不同, 空间电荷为负, 随着压力增大, 离子与气相分子碰撞频率加大, 使离子在空间的停留时间变长, 因此空间电荷场和电子的轨迹会发生变化。此外, 由于气体的特性(如分子直径和质量)不同,空间电荷场也将随气体种类变化。这些变化会影响放电模式, 因此, 反磁控规的非连续性依赖于压力和气体种类。

  从MG1的校准结果看, 在N2、Ar和H2中n的值分别为 11170、 11167 和 11146, 它们在较小的范围内变化, 而在He中n的值为1130。这个结果与Peacock 等的结果有所不同, Peacock 等发现n 的值在N 2、A r 和He 中相同, 因此推论n 为与气体无关的规管特性参数, 而我们的结果表明n 是一个与规管和气体有关的参数。

  短期稳定性: 实验结果表明, 热阴极电离规在N2、Ar和He 中的短期稳定性优于反磁控规, 而长期稳定性与反磁控规类似, 在H2中反磁控规的长期稳定性优于热阴极电离规。同时还发现反磁控规的非连续性在6 个月内具有很好的重复性, 因此如果进行仔细校准, 现代反磁控规的稳定性可与热阴极电离规相比拟。对于热阴极电离规, 影响其稳定性的因素很多, 包括阴极温度变化、阴极上电子发射分布改变、收集极和栅极表面性能改变、阴极和栅极畸变、电极电位漂移、X射线效应和电子激励脱附效应等, 许多原因与热阴极的存在有关。实验结果意味着, 与反磁控规相比, 由于热阴极的存在, 热阴极电离规稳定性的优势随着使用时间逐渐被抵消。

7、结论

  反磁控规在H2中的长期稳定性优于热阴极电离规。所以它在H2环境中测量时具有明显的优势。在N2、Ar和He中, 所有实验规具有类似的长期稳定性, 但在不同气体中, 反磁控规的非连续性相差很大, 这使反磁控规的校准工作变的复杂。在不同的校准中, 反磁控规的非连续性具有很好的重复性, 因此, 如果进行仔细校准, 反磁控规的稳定性可与热阴极电离规相比拟。

  消除反磁控规的非连续性仍是一项挑战性工作, 但一些现代反磁控规已有明显改进, 如在整个校准压力范围内, 实验规MG2在N2和H2中没有发现明显的非连续性。需要指出的是, 实验是在清洁真空条件下进行的, 即实验规没有被污染。关于污染条件下的结果, 需要重新进行评价。本实验工作在德国联邦物理技术研究院真空计量室完成, 研究过程中与真空计量室负责人 K. Jousten博士进行了许多有益探讨, 在实验条件的准备中得到了机械工程师D. Wandrey 和软件工程师 F. Becker的大力协助, 在此致以谢意!