超高/极高真空测量发展综述(2)

2009-11-11 李得天 兰州物理研究所,真空低温技术与物理国家级重点实验室

　　1966年Redhead研制出分离规。分离规与抑制规不同之处是收集极为短的细金属丝,增加了离子反射极,没有抑制极,环形阴极是环绕栅极安装的(见图4) 。X射线效应引起的下限压力小于1 ×10-10Pa ,在分离规中只有气相离子被离子收集极接收,而能量较高的ESD离子被离子反射极接收,所以分离规能够有效消除ESD效应。目前,分离规已被商品化,由德国Leybold公司生产销售。

　　1966年, Helmer 等研制出了弯注规( Helmer规) 。弯注规是抑制规的发展,即在抑制规的电离区域与离子收集系统之间增加了一个静电偏转系统,使离子收集极系统的轴线相对栅极的轴线偏转了90°。偏转系统对软X 射线来说是一个很好的屏蔽(见图5) 。从聚焦极圆孔射出的软X 射线,只有经过多次反射才能打到离子收集极上,使得弯注规的X射线效应比抑制规大为降低,弯注规能够测量低至10-11Pa 的压力。

Helmer规点状收集极规

图5 　Helmer规　　图6 　点状收集极规

　　1973年, Blechshmicht 等研制出管型倍增器规。管型倍增器规的结构类似于抑制规,不同之处是它不用抑制极而用管型二次电子倍增器(CEM)来代替圆片状收集极。采用CEM 与脉冲计数线路复合的脉冲测试法时,可以测量小于10-19A 的离子流,从而克服了极高真空测量中微弱离子流测量的困难。最初推测此规的测量下限可达10-13Pa ,但作者经过进一步的研究指出,由于存在ESD 和X 射线效应,此规下限仅为10-10Pa 。虽然此规采用的高增益管型倍增器在低的发射电流下有较大的输出电流,但是由于CEM 对软X 射线光电子亦有倍增作用,所以此规的正X 射线效应的影响要比抑制规更严重。

　　1987年,F.Watanable 研制出球珊型点状收集极规 。球珊用Mo网制作,直径为26mm ,灯丝为环形, 点状收集极超出套屏顶端0.05mm, 直径0.03mm,X射线效应引起的下限压力为2.5 ×10-1Pa ,采用调制法测量,下限Pmin可低于10-11Pa (见图6) 。

　　1992年,F. Watanable 研制出离子谱规。形灯丝发射的电子射入球形栅中,在球心形成一负空间电荷,产生的离子也聚集在球中心附近,因此可使ESD离子(栅表面产生的离子) 与气相离子(处于球中心负电位处) 之间的能量差达30eV ,而在一般B-A 规中两者能量差仅为5eV～7eV。这一大的能量差为分离开两类离子创造了极有利的前提条件。从球珊拉出的离子进入一个两同心半球组成的偏转系统,偏转180°后达到收集极,这个两同心半球偏转系统,可以三维聚焦,是具有高分辨率的能量分析器。能有效地把能量差很大的两类离子分离开,从而可以较彻底地去除ESD效应,同时也大大降低了X射线效应。此规X 射线效应引起的下限压力为2.5 ×10-13Pa ,可测10-12Pa 的极高真空(见图7)。

离子谱规弯注规

图7 　离子谱规 图8 　254.6°弯注规

　　1993年,C. Oshima 等研制出254.6°弯注规。该规是Helmer规的改进型。射入偏转器入口不同能量的离子束,经127.3°的偏转,可以分别聚焦不同点,因此这种偏转器就成为一能量分析器,而再继续偏转127.3°,在254.6°处不同能量的离子又聚焦到一点。根据这一原理,因ESD离子比气相离子能量大,就可以在适当的偏转电位下, 使ESD离子在127.3°处通不过偏转器而被除掉。同时这254.6°的偏转器也大大降低了X 射线效应(见图8) 。254.6弯注规的测量下限为3 ×10-11Pa ,发射电流小于0.1mA。

　　1996年Akimichi H等研制出贝赛尔盒能量分析器规(A-T规) 。A-T规由阴极、栅极、贝赛尔盒能量分析器以及离子收集极组成。其阴极和栅极类似于B-A 规。Bessel盒有分辨不同能量离子的功能,只要调节到合适的各极电位,ESD离子穿过Bessel盒的几率要小于气相离子约2个量级,因此可以从混合离子中去除掉ESD离子(见图9) 。该规可测10-12Pa 的极高真空。离子收集极采用CEM。由于CEM脉冲精度的限制, 此规的测量上限仅为10-6Pa 。2004 年,Akimichi H等对A-T规进行了改进,将CEM用法拉第杯代替,将其测量上限扩展至10-3Pa 。A-T 规设计简单新颖,能有效分离ESD 离子和气相离子 。目前该规已作为商品化规由日本ULVAC 公司生产销售。测量下限为5 ×10-11Pa ,这也是目前测量下限最低的商品化极高真空电离规。

A-T规热阴极磁控规

图9 　A-T规　　图10 　热阴极磁控规

　　上面所提到的所有热阴极真空电离规基本上都是在B-A 规基础上的改进,所以统称为改进型B-A规。还有一种热阴极真空电离规是通过磁场来提高规管的灵敏度的,即热阴极磁控规。1954 年Hutson设计出了热阴极磁控规,1961 年Lafferty 等又研制出改进型热阴极磁控规。1987 年Chen等又对其进行了改进,在收集极前面增加了抑制极(见图10),进一步减小了X射线效应。热阴极磁控规如果采用电子倍增器,测量压力下限将会达到10-14Pa ,测量的压力比任何规都低,虽然它不能分离ESD 离子和气相离子,但由于阳极表面的电子流很小,ESD 效应可以忽略。跟所有长程电子路径规一样,热阴极磁控规不太稳定,为了改善稳定性,该规要在很小的发射电流(约10-7A)下工作。尽管热阴极磁控规用于超高/ 极高真空测量具有很多优点,但它至今还没有广泛应用,一个可能的原因是因难获得均匀磁化,使得其灵敏度与圆柱形永久磁铁的位置有关。