中国真空计量发展概述(3)

　　该规可采用小发射电流,因此,便于采用冷阴极发射,以降低灯丝的吸放气效应。这种规后来经过了不断改进和发展,其中李旺奎等人在1986 年应用场致发射冷阴极研制出三环结构球形振荡器规^[54] ,规管系数达15 Pa ^{- 1} 。测量范围为10 ^{- 4}～10 ^{- 10} Pa 。应用场致发射冷阴极可以克服热阴极给极高真空测量带来的限制因素,是解决极高真空测量问题的关键一步。2000 年,黄春江等人在环形阳极鞍场规基础上,设计了电极尺寸小、吸放气率低、信噪比高、压力测量范围为10 ^{- 4}～10 ^{- 10} Pa 、易于推广的实用化极高真空规^[55] ,规管系数为6 Pa ^{- 1} ,与计算机模拟计算结果基本相符。

　　1982 年,朱秀珍等人研制成功分离规[56 ] ,其测量范围为10 ^{- 3}～10 ^{- 9} Pa 。1987 年,陆祖宏等又研制出改进型分离规^[57] ,采用了圆台形栅极、柱形反射极和锥形引出极结构,规管系数约为0. 2 Pa ^{- 1} ,预计可以测量10 - 11 Pa 的极高真空。

　　1982 年,在中国出现了将压敏电阻压力传感器用于低真空测量的真空规[58 ] ,即压阻规,但传感器技术为从国外引进。直到1997 年,赵兴钰等人将扩散硅做的固态电阻用作压力传感器,才研制成功中国自己的压阻规[59 ] 。硅是一种很好的晶体,受压力变形后,它能恢复到原来的形状,不会产生永久形变。压阻规测量范围为10²～10⁵Pa ,精度高、线性好、性能稳定。在中国常用压阻规作为粗低真空参考标准。

　　在20 世纪80 年代中期,对热传导真空规的研究也取得一些突破。1985 年,陆国柱等人研制的对流式电阻真空规[60 ] ,其测量范围为10⁵～10 ^{- 1}Pa ,具有反应快、精度高、结构简单、坚固耐用、抗氧化等特点。1986年,何焕玮等人研制的新型热偶规^[61] ,将测量上限扩展到5 ×10³Pa 。新型规管加热电流有两种,一种是短丝热偶规管,加热电流为27～32 mA ,另一种是长丝热偶规管,加热电流为90～120 mA。新型规管性能稳定、反应快、抗氧化、抗污染、寿命长,在中国被大量生产。

　　1986年,李旺奎等人研制成功小型CEM 离子束偏转裸规^[62] 。该规具有扁栅及最佳离子引出缝电离系统,离子向轴偏转180°被CEM 收集,偏转系统有X 射线沉功能,X 射线至少要经过3 次反射才可能达到CEM 的入口。选择适当的工作电位可以分离ESD 离子,测量下限可望达到10 ^{- 13} Pa 。

　　1986 年,李旺奎等人还研制成功新型电子束偏转规^[63] 。大多数极高真空电离规采用将离子束引出电离区的方法,使其偏转来减小X 射线效应和ESD 效应。该规从另一个角度,提出控制电子轨迹与电子接收位置的新方法,使X 射线的发射方向背离离子收集极来消除X 射线效应。该规还具有分离ESD 离子的功能。理论分析和实验证明,规管能测量低于10 - 10Pa 的压力,规管系数为3. 8 ×10 ^{- 2}Pa ^{- 1} 。

1988 年,李旺奎等人研制了一种多细管准直型转换器规^{[64 ]} ,它是一种测量非平衡态分子流的方向性真空规。该规具有结构简单紧凑、方向性好、响应快、定量性好、应用方便等优点,是研究非平衡态分子流的有力工具。

　　为了满足航天工业特殊需求,中国还研制了特定用途的真空规,如刘强等人1989 年研制的微型中真空电离规^[65] ,可安装在运载火箭上,规管尺寸为<20 mm ×40 mm ,全金属结构,质量小于30 g ,其测量范围为10²～10^{- 4} Pa 。2000 年,王荣宗等人研制的β放射线电离真空规^[66] ,测量范围为10 ^{- 1}～6 ×10³ Pa 。该真空规特别适合于危险气体环境中的压力测量,已实际应用于火箭共底安全监测。

　　近年来,微电子机械系统(MEMS ,Micro Elect ro Mechanical System) 在真空传感器领域有了长足发展。MEMS 是微电子技术与机械、光学技术结合而产生的,是20 世纪90 年代初兴起的技术,是微电子技术应用的又一次革命性突破。利用MEMS 制作微机械真空传感器的主要有压阻式和压容式,在中国已有人尝试利用MEMS 制作微机械真空传感器[67 ,68 ] 。它们具有体积小巧、加工精度高、可靠性强、耐氧化、成本低廉、易于大批量生产等优点,已研制的微机械真空传感器可测量的压力范围为1～1. 33 ×10³ Pa 。

2.3、真空校准

　　在中国,真空校准几乎与真空测量同步发展。20 世纪60 年代,除了前面提到的压缩式真空规被用于相对真空规校准外,还研制过另一种绝对真空规,即辐射计(克努曾) 真空规[69 ] ,但后来更多使用的是不用绝对规作为参照的校准方法。在校准装置方面,静态膨胀法真空校准装置和动态流量法真空校准装置都被研制,这些装置基本上都是玻璃系统。1962 年,兰州物理研究所金建中等人首次建成了低真空静态膨胀法校准装置[70 ] 。在此基础上,1963 年,李旺奎等人采用两级膨胀的方法建成了高真空静态膨胀法校准装置^[71] ,将校准下限扩展到10 ^{- 4} Pa 。采用不忽略本底和“瞬时法”测量,使校准室内壁的吸放气影响降到很小,用定容法测量抽速的方法,估算内壁的吸放气和规管抽气的综合影响。这些方法的采用使静态膨胀法真空校准装置的校准范围达到10²～10 ^{- 4}Pa 。1964 年,文献^{[72 ,73 ]}的作者报道了他们研制的动态流量法真空校准装置,但当时的校准范围仅为10 ^{- 1}～10 ^{- 4} Pa ,不确定度也较大。