超高/极高真空测量发展综述(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所,真空低温技术与物理国家级重点实验室 作者:李得天

  超高真空(UHV) 范围定义为10-5Pa~10-9Pa ,极高真空(XHV)范围定义为低于10-9Pa。超高/极高真空(UHV/XHV) 测量指的是低于10-5Pa 范围内的压力测量。

  UHV/XHV测量不仅是一个具有较高学术价值的前沿课题,而且实用价值也将越来越大。例如,随着航天技术的发展特别是深空探测活动的开展,需要对行星际空间(推测最低压力约10-13Pa)、恒星际空间(推测最低压力约10-18Pa)和月球表面(月面压力最低可达10-10Pa)的极高真空环境进行直接探测,要求解决极高真空测量技术问题。

  从真空测量技术的发展过程可以看出,虽然出现过各种各样的真空规, 但最有希望解决UHV/XHV测量的还是电离型真空规(简称电离规)。电离规有2种类型,即热阴极电离规和冷阴极电离规。在热阴极电离规中,电离电子源是一个发射阴极;在冷阴极电离规中,电离电子源是交叉电磁场中循环的空间电子电荷。

  电离规已广泛应用于10-1Pa 至最低所能达到的压力范围的测量。然而,电离规的测量下限受到一些因素的限制,其中主要因素包括如下几个方面:

  (1) X射线效应。电离规中阴极发射的电子打到栅极后使栅极发出X射线,这种X 射线照射到离子收集极时,将产生光电子发射,光电子流与离子流方向相同,从而在离子收集极上产生一个与压力无关的本底电流。当压力很低时,离子收集极上的信号中本底电流占较大成分,就限制了电离规的测量下限。

  (2) 电子激励脱附(ESD)效应。在电离规中,常有活性气体吸附在栅极上,电子打上栅极时,不仅产生X射线,而有一部分电子与栅极上吸附的气体分子碰撞,使气体分子电离解吸、中性解吸和激发解吸,释放出正离子、中性分子和受激原子,这一过程称为电子激励脱附。其中正离子可被收集极接收而成为与压力无关的本底电流,中性分子可使电离规中的压力上升。

  (3) 高温热阴极效应。电离规中的高温热阴极效应有如下三方面的表现:高温阴极本身的热出气效应、高温阴极的热辐射引起的其附近电极和器壁的出气效应和阴极本身的饱和蒸汽压效应。

  随着人们对限制电离规测量下限的各种因素的物理过程的深入了解,为消除这些限制因素指明了方向,并已发展了多种极高真空电离规,目前商品化极高真空电离规的测量下限已达到5×10-11Pa。本文将对近50多年来在极高真空测量方面所取得的重要进展进行总结分析。

1、UHV/XHV测量研究进展

1.1、热阴极电离规

  自从1916年O. E.Buckley发明了圆筒型三极式热阴极电离规以来,它的测量下限一直被限制在10-5Pa 。1947年Nottingham发现了热阴极电离规中的X射线效应,在接下来的3 年里,Nottingham、Lan-der 、Metson等试图研制一种电离规以减小X射线效应,但都没有获得成功。1950年Bayard-Alpert 提出了B-A规的结构(见图1) ,把三极式电离规中的灯丝和离子收集极位置交换,并把离子收集极改成一根金属丝安装在轴线上,把暴露在X 射线下的收集极面积减小了1000倍左右,从而使光电流降低约1000 倍,并基本上保持了灵敏度与圆筒型相同,从而将B-A规的测量下限延伸到10-8Pa 量级的超高真空范围 。

B-A规调制B-A规

图1  B-A规  图2  调制B-A规

  1960年Redhead为了进一步减小X 射线效应,研制出了调制B-A规 。调制B-A规是在B-A规的栅网中,增加了一个细丝电极,叫调制极(见图2) 。如果调制极上电压有时等于栅极电压,有时等于收集极电压,那么就能调制收集极上接收的离子流的大小,而这种调制对收集极上接受的X光电流基本上没有作用。但进一步研究又发现调制技术带来了一些新的问题。比如,调制系数随着发射电流而变,并与气体成分有关;对残余电流也有调制作用等。由于调制技术带来新的问题,所以它只能把测量下限扩展1~2个量级。

  1962年Schuman将抑制技术应用到B-A规中,研制出抑制规 。抑制规较B-A规改进之处是把离子收集极移出了电离区(即移出栅极)(见图3)。为了增大收集离子的效率,把丝状收集极改成圆片状,并用屏蔽盒将它包围起来,在收集极的前方增加一个比收集极电位低的抑制极,迫使X 射线在收集极上产生的光电子返回收集极,从而减小X 射线效应。在后来的研究中发现,在抑制规中还存在反射X射线,即部分反射的X射线打中抑制极,使抑制极发射光电子,这些光电子在电场作用下,加速到达离子收集极而形成一个负的残余电流,故抑制规尚不能测量低于10-10Pa 的压力。抑制技术在以后的很多规中都得到了应用。

抑制规分离规

图3  抑制规  图4  分离规

  1962年Redhead发现在热阴极电离规中存在ESD效应,并对其机理和理论作了更详尽的研究。前面已经提到,当栅极表面吸附一层化学活性气体(O2 、H2 、H2O、CO等)时,受到电子碰撞,会解吸出正离子或中性分子(或原子) 。ESD产生的正离子流I+ESD与气体压力P和电子流Ie不成正比关系,更大地取决于栅极表面的活性气体的覆盖程度和栅极温度,也与空间活性气体的分压有关。I+ESD不是一个常数,因此无法用一般方法消除。ESD离子的能量因其从栅极表面解吸出来时具有一定的初能(~5eV- 7eV) ,所以要比空间气相离子的能量高。Redhead有关ESD理论指出,处于极高真空条件下,栅极原先吸附的分子解吸后,就不存在再吸附而处于吸附- 解吸非平衡态,如果采取极严格的出气处理,彻底地清除掉栅极上的吸附分子层,就不会再被污染,因而也就消除了ESD效应的根源。Watanabe后来的试验也证实了这一点:将栅极加热至约550 ℃,可使栅极表面吸附的气体量最小, 从而降低ESD效应。

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