热阴极与冷阴极电离规计量学特性比较研究(2)

5、结果

5.1、实验规的稳定性

　　实验现稳定性的详细结果在文献^[24]中已做过报道。对热阴极电离规, 其稳定性由式(1) 中灵敏度S的变化来描述。对反磁控规IMG1, 可读取离子流值, 按照式(2) , 离子流与压力遵循幂指数关系, K 的变化用来描述IMG1的稳定性。对于反磁控规IMG2, 输出信号为电压U ,U 与压力p 的关系由式(3)描述

　　U = c⁺  d ×log p _i (3)

　　在某种气体中, c和d为常数。为了描述IMG2的稳定性, 可计算修正因子CF = p_s/p_i, pi代表由式(3) 计算得到的指示压力, 而p s 则是基础标准产生的标准压力; CF 的变化用来描述IM G2 的稳定性。

　　为了比较5个实验规的稳定性, 将6个月内的长期稳定性和72h内的短期稳定性实验结果分别列于表1和表2。

　　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, 但2种规在N₂、Ar 和He中的长期稳定性相似。而在H₂ 中, 反磁控规的长期稳定性优于热阴极电离规。引起热阴极电离规和反磁控规这种稳定性变化的可能原因在文献^{[24 ]}中进行了讨论, 这里不再赘述。

5.2、反磁控规的非连续性

　　消除反磁控规的非连续性仍是一项挑战性工作。IMG1 的典型实验结果如图1所示。为了清楚地显示不同气体中K 值随压力的相对变化, 所有的K 值均在最大校准压力下进行了归一化处理。从图1 可以看到, 在不同气体中, 非连续性出现在不同压力点, 且变化幅度不同。在N₂中, 当压力小于6×10^{- 6}Pa, K值迅速增大, 这表明出现了一个非连续性。在Ar中, 当压力小于3×10^-5Pa, K 值已开始增大, 但变化是非单调的, 这表明在Ar 中出现的非连续性不止1个。在He中, 当压力小于1×10^{- 5} Pa, K 值迅速增大, 这一结果与N₂的结果类似, 但在He 中非连续性在较高的压力下出现。在H2中, 当压力小于2×10^{- 4} Pa, K值以2个不同的斜率增大, 并在中间出现1个最小值。

　　IMG2的典型实验结果如图2 所示, 可以看出CF 的变化同样与气体种类和压力有关。在N₂中, IMG2在整个校准压力范围内无明显的非连续性。在Ar 中, 当压力小于1×10^{- 5} Pa, CF值减小, 但不小于0.86。因此, 如果14% 的测量不确定度可以接受, 可以认为IMG2在整个校准压力范围内无显著的非连续性存在。在He中, 当压力小于2×10^{- 5}Pa, CF 值逐渐减小至0164。这一结果类似于Ar 的结果, 但存在更明显的非连续性。在H₂中, 其结果类似N₂的结果, 因此在整个校准压力范围内无明显的非连续性。

　　从以上数据可得出结论: 反磁控规的非连续性强烈依赖于气体种类和规管。我们也发现一些现代反磁控规在输出信号方面做了明显改进, 例如在整个校准压力范围内, 我们的实验规IMG2 在N2 和H2中没有发现明显的非连续性。

5.3、实验规的相对灵敏度

　　所有电离规的灵敏度均与气体种类有关。在电离规的校准和使用中, 经常用到相对灵敏度, 相对灵敏度通常指某一气体的灵敏度与N₂灵敏度之比。人们通常假定, 尽管一种类型的电离规其绝对灵敏度不同, 但相对灵敏度为常数。如果这个假设正确, 电离规可通过参考相对灵敏度数据对其他气体进行校准, 但遗憾的是不同文献中给出的相对灵敏度数据分散性很大^[17,25] , 不同研究者所使用的规管结构、电极参数、实验条件和真空标准都不完全相同。因此, 只有相同类型的电离规在一定工作条件下的相对灵敏度已知, 使用相对灵敏度才有意义。

　　在N₂、Ar、He 和H₂ 中, 分别测量了5个实验规的绝对和相对灵敏度。对3个热阴极电离规, 灵敏度由式(1) 计算。IMG1 的灵敏度在这里定义为阴极所接收的离子流与基础标准产生的压力之比。对于IMG2, 没有直接的方法测量灵敏度, 但相对灵敏度可通过下列程序测量: 首先用纯的常数c 和d 通过式(3) 计算在每一种气体中的“等效氮压力”pind,N ₂; 然后确定每一种气体的“等效氮修正因子”CF _gas= p _gas/P_ind, N₂ , 这里p _gas表示由基础标准产生的真实气体压力; 最后根据修正因子与灵敏度成反比的事实确定相对灵敏度。

　　在2个月内多次测量了不同压力下的相对灵敏度, 为减小电离规长时间工作时漂移的影响, 每一次测量所有气体的灵敏度时在6 h 内完成。在1×10^{- 4} Pa 典型压力下实验规灵敏度和相对灵敏度平均值的实验结果列于表3, 表3 中的数据表明不同实验规的绝对灵敏度差异很大。比较3 个热阴极电离规, EXG 与BAG1和BAG2的差别很大, 但它们的电极工作电位也不同。需要指出的是2 来自不同生产商的BA 型电离规BAG1 和BAG2 的相对灵敏度具有较好的一致性。

　　影响电离规绝对灵敏度的因素包括气体的电离几率、电子能量、电子轨迹的长度、离子收集效率和离子产生的二次电子等, 因此, 不同结构和不同电极工作参数的热阴极电离规具有不同的绝对灵敏度。到目前为止, 对影响电离规相对灵敏度的主要因素还没有一个满意的解释, 但我们认为主要为电离几率或电子能量(在某种气体中电离几率取决于电子能量)。在BA 规和分离规中, 对离子流有贡献的电离过程几乎都发生在栅极空间内。因此, 栅极空间中的电位分布将影响电子能量或电离几率, 由此可以推论栅极电压决定相对灵敏度(位于栅极中心的收集极通常都接地)。2 个来自不同生产商的BA 规具有相同的栅极电压, 所以它们对A r、He 和H2 的相对灵敏度一致性较好。当然, 规管的几何结构对电位分布影响也很大, 但2 个BA 规的几何结构类似, 它们与规管EXG 的几何结构有所不同。

　　我们的实验数据可与文献^{[17 ]}中的数据进行比较。在文献[17 ]中使用了1个与EXG 相同类型的分离规, 并用N₂、A r 和He 进行了实验,我们得出的相对灵敏度数据与文献^[17]中的相对灵敏度数据具有很好的一致性。