贝塞尔盒能量分析器规计量特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:习振华

  对贝塞尔盒能量分析器规灵敏度、稳定性、抽速、放气率及电子激励脱附( ESD) 效应等计量特性进行研究。实验结果表明,N2、Ar、He 对应的灵敏度分别为2.47 × 10-2, 3.27 × 10-2, 5.13 × 10-3Pa-1 ,且在10-9 ~ 10-3 Pa 范围内,表现出良好的线性;其短期稳定性及长期稳定性测试中,灵敏度表现出较好的一致性;抽速为10 -5 ~ 10 -4 m3/s 量级;放气率为8.1 ×10 -11 Pa·m3 /s,降低了电离规自身出气对测量结果的影响,能够满足极高、超高真空测量的需要;ESD 效应的研究表明,贝塞尔盒能量分析器能够有效地实现气相离子与ESD 离子的分离,两种离子经加速后能量差约为40 eV。贝塞尔盒能量分析器规可以实现极高真空的精确测量。

  极高真空电离规被广泛的用于高能粒子加速器、空间技术、表面科学等研究中的真空度测量,但受电子激励脱附( Electron Stimulated Desorption,ESD) 效应、软X 线效应及阴极热出气效应影响,极高真空电离规测量下限难以延伸。贝塞尔盒能量分析器规( AxTRAN,ULVAC;以下简称A-T 规) 是目前测量下限最低( 5 × 10-11 Pa) 的商品化的极高真空电离规。本文对其在N2、Ar、He 三种单一成分气体中10-9 ~ 10-3 Pa 范围内的灵敏度、稳定性、抽气与出气效应以及ESD 效应等计量特性开展研究,评价A-T规的性能。

1、实验装置及仪器

  1.1、实验装置

  实验装置的原理结构如图1 所示,主要由极高真空校准系统A 和固定流导法气体微流量计B 两大部分组成。固定流导法气体微流量计在分子流条件下,气体通过小孔的流量用式(1) 计算。

极高真空校准装置原理图

图1 极高真空校准装置原理图

贝塞尔盒能量分析器规计量特性研究

  式中,Q 为通过小孔的气体流量,Pa·m3/s;C 为分子流条件下,气体所对应小孔的流导,m3/s;p 为小孔入口的气体压力,Pa;p0为小孔出口的气体压力,Pa。

  在实际测量过程中,p >> p0,且p 的变化量小于0. 1% 时,可认为小孔入口压力是恒定不变的,式(1) 变为式(2)

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  通过测量分子流下的小孔流导及小孔入口的气体压力值,即可计算得到气体流量的大小。当流量计提供的气体全部流入校准室时,校准室的气体压力用式(3) 计算

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  式中,Q 为流入校准室的气体流量,即流量计提供的气体流量,Pa·m3 /s;pstd为校准室内的标准压力,Pa;C9为校准室和抽气室之间小孔的流导,m3 /s;Rp为返流比。当流导值为10 -9 m3 /s 量级时,通过非蒸散型吸气剂泵( non-evaporable getter pump,NEGP) 在流量计稳压室中维持10 -3 Pa 量级的压力,便可使流量计输出10 -12 Pa·m3/s 量级的极小气体流量,在校准室中产生10 -10 Pa 量级动态平衡的标准压力。与广泛采用的分流法相比,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以通过气体流量下限的有效延伸避免了因分流而引入标准压力的不确定度分量。

  1.2、实验仪器

  A-T 规结构如图2 所示,由Akimichi. H 等研制。采用贝塞尔盒型能量分析器、装有法拉第杯型的离子收集器以及与BA 规相同的电离器构成。分析器中心的钼片结构,有效避免X 线对收集极的直接辐射,将软X 线引起的测量下限延伸至10 - 13 Pa量级;栅极由镀铂的钼丝制成,有效降低气体分子在栅极表面的吸附量,减小ESD 效应产生的与压力无关的残余电流;热阴极由逸出功低、蒸发率低的稀土氧化物阴极———敷氧化钇的铱丝构成,减小灯丝因热出气对测量结果产生的影响;栅网未采用与分离规( IE514,LEYBOLD) 结构相同的封闭结构,更有利于贝塞尔盒能量分析器对气相离子及ESD 离子的有效分离,且电离源处于栅极下端可显著提高电离规的灵敏度。

A-T 规结构示意图

图2 A-T 规结构示意图

2、结论

  A-T 规在10 -9 ~ 10 -3 Pa 范围内具有良好的线性,短期及长期稳定性测试中,灵敏度表现出较好的一致性,其抽速为10 -5 ~10 -4 m3/s 量级,对有效抽速大于10 -2 m3/s 的真空系统则其抽速引起的测量误差可以忽略;其放气率( 8.1 ×10 -11Pa·m3/s) 可以满足对极高真空测量的需要;借助贝塞尔盒能量分析器结构,可实现加速后ESD 离子与气相离子的有效分离,40 eV 以上的能量差有效提高了两种离子分辨率,降低极高、超高真空下主要的ESD 离子( H+、CO+、O2+等) 产生的残余电流,实现压力的精确测量。

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