热阴极与冷阴极电离规计量学特性比较研究(3)

2009-12-06 李得天 兰州物理研究所

  在2个月时间内, 每个实验规在相同压力下的相对灵敏度具有非常好的稳定性, 除IMG1 对He 的相对灵敏度的相对标准偏差为1. 3% 外,其他所有相对灵敏度的标准偏差均小于0.15%。5 个实验规对Ar、He和H2 的相对灵敏度随压力的变化如图3~图5 所示。可以看出热阴极电离规在很宽的压力范围内相对灵敏度变化很小, 但反磁控规的变化非常明显, 这是由于它的绝对灵敏度随压力变化和非连续性造成的, 这使得反磁控规的相对灵敏度难于预料和校准工作变得复杂。

5.4、反磁控规的放电特性

  与热阴极电离规相比, 冷阴极电离规在加上工作电压后不能立即测量, 通常认为冷阴极电离规的放电是由宇宙射线或其他荷能粒子随机触发引起。如果没有其他放电触发源存在, 则冷阴极电离规的放电延迟可能很明显, 一般从10- 4Pa 的数秒钟至10- 9Pa 的数天[14]。因此, 冷阴极电离规最好在真空系统中的压力下降至10- 3Pa 或10- 4 Pa 前打开, 以便冷阴极电离规迅速放电。真空系统中任何电离源的存在都将加速冷阴极电离规的放电, 为了测量冷阴极电离规的真实放电时间, 必须关闭其他所有电离规或带电粒子源。

  Kendall和Drubetsky[13, 14, 20]深入研究了现代冷阴极电离规在N2 中的放电特性, 得出的主要结论为: 冷阴极电离规的放电时间由两部分组成, 一部分为休眠时间, 另一部分为增长时间; 休眠时间具有固有的非重复性, 因此计算放电时间的平均值和相对平均值的某一分布没有太大的实际意义, 因为放电时间的分散性十分巨大; 放电时间只能以适当的统计分布来定量描述, 如用一定条件下大量放电时间测量值的中间值来描述; 增长时间具有很好的重复性; 在大多数情况下, 休眠时间占主导地位。Kendall 和Drubetsky研究的所有实验规, 放电时间基本上都表现出与压力成反比的特性。  我们对IMG1和IMG2放电时间的研究也证实了上述结论。除N2外, 我们还将实验气体扩展到Ar、He和H2。在一次新的放电时间测量前, 实验规至少关闭1 h, 以避免杂散带电粒子的干扰。

  对于IM G1, 由于规管内存在特殊的放射性放电触发源, 因此在任何情况下都容易放电。生产商给出的在U HV 条件下, 放电时间小于50 s 的特性证明是可信的。

  IMG2内部没有特殊的放电触发源, 在约2×10-8Pa的本底压力下, 7次有效的放电时间测量结果表明, 放电时间在98~4,136min 范围内变化, 而且有1 次IMG2 在7 d 内仍没有放电。生产商给出IM G2 在10- 8Pa下的放电时间为20min, 既使将氮气的压力增加到10-5Pa, 我们也发现IMG2 的放电时间在几十分钟内变化, 当氮气的压力增加到10-3 Pa, IMG2可在几秒钟内放电。

  我们还测量了当其他电离规工作时IM G2 的放电时间, 测量在N2、A r、He 和H2中进行。结果发现放电时间仅在很小范围内变化, 为了显示放电时间随气体的变化, 将实验结果用平均放电时间随气体的相对灵敏度变化来表示。图6 所示是在7.5×10-8 Pa 和3.2×10- 7 Pa 压力下的测量结果。从图6 可以看出: (1) 放图6IM G2 平均放电时间随相对灵敏度的变化电时间随压力增大而减少; (2) 放电时间随相对灵敏度的增大而减小。这个结果是合理的, 因为相对灵敏度越大, 气体越容易被电离, 因此, 放电时间就越短。同其他所有电离规关闭时得到的放电时间相比,放电时间被大大缩短了, 这个结果预示着生产商给出的IM G2 的放电时间不是真实的放电时间, 可能是在其他电离源存在的情况下测得的放电时间, 例如真空系统上接有其他电离现。因此, 使用冷阴极电离规者在参考生产商给出的放电时间时, 应特别注意。

5.5、实验规的抽速与出气率

  当电离规的抽气与出气效应引起规管内压力与真空室中压力不同时, 就得到错误的压力测量结果。所有的电离规都表现的像低抽速真空泵, 热阴极电离规的抽速在0.01~0.10L/s 之间[17, 26] , 早期的冷阴极电离规抽速比热阴极电离规大, 但现代反磁控型冷阴极电离规的抽速与热阴极电离规类似[17] 。电离规抽速引起的测量误差可由式(4) 估算[12]

  p/ pg=Sg/S+ 1   (4)

  式中p为系统压力; pg为规管内压力; Sg为电离规的抽速; S为系统的有效抽速。一般来说, 规管的抽速不可能引起明显的误差, 如果电离规通过正常的管道连接到真空室上, 而且真空系统对真空室的有效抽速大于10 L/s, 则电离规抽速引起的测量误差可以忽略。

  热阴极电离规的出气效应在UHV条件下是一个很大的误差源, 一个热阴极电离规释放出的气体可能占据整个真空系统中气体成分或压力的绝大部分。为了降低热阴极电离规的出气率, 通常采用敷氧化物阴极, 如敷氧化钍铱阴极或敷氧化钍钨阴极。Watanabe[27]指出, 即使采用这样的阴极, 在UHV条件下也可能不能有效地降低出气率。在真空中, 阴极的加热功率通过表面的热辐射至周围器壁或通过阴极芯柱的热传导而损失掉, 这种能量损失提高了器壁和芯柱的温度, 增加了出气率。Watanabe[27]建议采用低发射率和高热传导率金属材料做为规壁材料, 以便进一步降低出气率。冷阴极电离规由于内部没有任何热源, 所以出气率很低, 可以用在很低压力下的测量。

  对5个商业电离规的出气率和抽速进行了测量。当一个真空系统达到压力平衡状态后, 式(5)成立

  p=Q/S    (5)

  式中Q为系统总气载量; S为系统的有效抽速; p为平衡压力。当抽速和出气率改变时, 将引起平衡压力的变化, 它们之间的关系由式(6) 描述

  dp=-(Q/S 2) dS +(1/S ) dQ    (6)