专利名称：具有极低吸放气率的极高真空微电离规的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规，主要用于1×10-4Pa～10-11Pa压强范围的极高真空量测，属高真空技术领域。
随着技术的迅猛发展，需要极高真空环境，例如低温技术，巨型加速器技术以及利用航天飞机分子屏后具有几乎无限抽速的极高真空环境1×10-10Pa～10-12Pa来制造超纯材料等在地球上无法实现的技术，都需要实现极高真空量测。因此极高真空量测技术一向为各国工业界和学术界所重视，并被许多国家列为重点研究项目。
本发明与国外量测量程的现有技术相比具有极低吸放气率、极低功耗、极小尺寸的特征。
本发明人曾于八十年代发展的微电离规(见《真空技术的科学基础》1987年，国防出版社)基础上发展的。都利用了静电鞍场约束的电子振荡可以产生极长的电子路径因而可获得极高电离规灵敏度的概念。
本发明的目的是设计一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规，针对改进极高真空(＜10-10Pa)的量测下限而设计的。因此从提高电离规的信噪比出发对已有技术作了许多改进，主要有以下三个方面(1)应用场致发射冷阴极取代各种形式的热阴极，由此提高电离规灵敏度50％，此外降低规的总功率(从1瓦左右下降到0.1瓦左右)，进一步降低了由热阴极带来对量测下降的各种负面因素。
(2)加偏置电压(参阅以下说明)，灵敏度还可提高50％，这是因为提高了收集极对正离子的收集率。
(3)采用最佳收集极尺寸，约可使信噪比提高一个量级，使本底下降到10-12Pa的范围。
本发明设计的具有极低吸放气率的极高真空微电离规具有两种结构形式，一种用于玻璃系统的玻璃外壳极高真空微电离规，另一种用于金属系统或太空的裸规。
本发明设计的第一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规，包括玻璃外壳、电子发射体、阳极、离子收集极和偏置电极。玻璃外壳的一端与玻璃芯柱熔封，玻璃外壳的侧壁与待测系统或容器相接。电子发射体和离子收集极相对阳极等距、同轴安装于玻璃外壳内。偏置电极为玻璃外壳内的金膜，金膜电极引线伸出玻璃外壳。电子发射体通过两电极引线支撑杆固定于玻璃芯柱上。阳极为圆环通过支撑引线从玻璃外壳一侧的支脚引出。离子收集极为一金属丝，安置于管轴上，其一端从玻璃外壳引出。为了维持场的对称性，引线必须被零电位(即与金膜同电位)的金属片屏蔽。为了增加离子收集极与其它电极之间的绝缘电阻，加一玻璃套管。为了降低X射线引起的离子收集极的光电流发射，该玻璃套管最好用X射线透过率低的玻璃材料构成。收集极为一细金属丝，丝径为0.05～0.20mm。阳极为圆环形，由直径为0.15mm的钼丝制成，环径为6～9mm，环径与阳极至电子发射体及阳极至收集极之间的距离相等。
本发明设计的第二种具有极低吸放气率的极高真空裸电离规，包括陶瓷芯柱、电子发射体、阳极、离子收集极和偏置电极。偏置电极为一金属编织网，电子发射体和离子收集极相对阳极等距、同轴安装于金属编织网内，电子发射体和阳极分别通过各自的支杆引线与陶瓷芯柱相连接，金属编织网的支杆引线连接到陶瓷芯柱上。上述的离子收集极为一细金属丝，丝径为0.05～0.20mm。上述的阳极为圆环形，由直径为0.15mm的钼丝制成，环径为6～9mm，环径与阳极至电子发射体及阳极至收集极之间的距离相等。
本发明的效果是(1)在量测的压强范围与已有技术相比灵敏度更高(即信噪比更高)，依据结构尺寸和电参量可以达到3.9/Pa以上，X射线光电流本底进入10-12Pa范围。
(2)采用冷阴极场致发射电子源，规的总功率降低到0.1瓦左右，这也有利于电源尺寸和重量降低。如果采用冷阴极还可以进一步降低吸放气率。
(3)为了降低规管之间的零散，在制管过程，要保证三个主要电极(阳极、收集极和电子发射极之间对中度＜0.1mm，本发明依靠模具装配。
图1是本发明的玻璃外壳极高真空微电离规的结构示意图。
图2是本发明的裸型极高真空微电离规的结构示意图。
图1图2中，1是玻璃外壳，2是电子发射极，3是阳极环，4是阳极支撑引线，5是阳极屏蔽管，6是金膜电极，形成玻璃的内壁电极，7是离子收集极，8是收集极屏蔽管，9是收集极引线，10是金膜电极引线，11是与被测系统联接的联接管，12是玻璃芯柱，13是金属网，14是金属网支杆，15是陶瓷芯柱，16是联接法兰。
如图1所示，2是电子发射极，可用热灯丝或场致发射冷阴极，3是环状阳极，由阳级的支杆(引线)4和环形阳极构成，在阳极支杆外，套上阳极杆的屏蔽管5。6是金膜电极，形成玻璃内壁电极，由壁电极引线10引出。在金膜上加一定电压，约为阳极电压的10％左右，称为偏置电压，可提高规的灵敏度。8和7分别是离子收集极屏蔽管和针状离子收集极。11是与被测系统连接的连接管，12是玻璃芯柱，1是玻璃外壳。
图2中，2是电子发射极，可用热灯丝或场致发射冷阴极。3是环状阳极，由阳极的支杆(引线)4和环形阳极构成，在阳极支杆外，套上阳极杆的屏蔽管5。13是金属编织网，由透明度≥90％的细钨丝构成。在金属编织网上加电压，约为阳极电压的10％左右，该电压称为偏置电压，可提高规的灵敏度。8和7分别是离子收集极屏蔽管和针状离子收集极。为了减少收集极与其它电极之间的漏电，收集极设单独引线9。14是金属网支杆，15是陶瓷芯柱，16是联接法兰。
下面结合附图1介绍本发明的工作原理如下，电子发射体2和离子收集极7相对阳级环3同轴对称放置，一般电子发射体2和离子收集极7相对阳极环3的距离相等，并且等于阳极直径，一般取6mm到9mm。电位分布形式为在轴上阳极环心存在一鞍点，在鞍点附近电力线强烈弯曲。而离鞍点较远区域，电力线基本上是以鞍点为中心的辐射线状直线。假设有一电子从发射体2发射出来，一开始它沿着电力线运动，随后，由于电子本身的动量，不再沿着电力线运动弯向阳极环3，因此，电子穿越阳级环3，来回振荡，由于电极对称配置，电子穿越阳极环2，来回振荡，振荡频率很高，因此电子路径很长，典型工作情况下电子路径长度可以达到几十米。最后电子入射到阳极环，形成发射电流回路。发射电流一般取10μA，100μA两种。本发明的规灵敏度为4～10Pa-1，规结构尺寸视电参量而定，在电子运动过程中将与气体分子碰撞并以一定几率使气体分子电离，在离子收集极7和阳极3之间的空间内产生的正离子被处于负电位的离子收集极7收集，产生离子流，该离子流在一定压强范围内是与压强成正比，这也是一切电离规的量测基础。
本发明设计的第二种裸电离规的工作原理与上述相同。
权利要求
1.一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规，其特征在于，该电离规包括玻璃外壳、电子发射体、阳极、离子收集极和偏置电极；所述的玻璃外壳的一端与玻璃芯柱熔封，玻璃外壳的侧壁与待测系统或容器相接；所述的电子发射体和离子收集极相对阳极等距、同轴安装于玻璃外壳内；所述的偏置电极为玻璃外壳内的金膜，金膜电极引线伸出玻璃外壳；所述的电子发射体通过两电极引线支撑杆固定于玻璃芯柱上；所述的阳极为圆环通过支撑引线从玻璃外壳一侧的支脚引出；所述的离子收集极为一金属丝，安置于管轴上，其一端从玻璃外壳引出。
2.如权利要求1所述的微电离规，其特征在于其中所述的离子收集极为一细金属丝，丝径为0.05～0.20mm。
3.如权利要求1所述的微电离规，其特征在于其中所述的阳极为圆环形，由直径为0.15mm的钼丝制成，环径为6～9mm，环径与阳极至电子发射体及阳极至收集极之间的距离相等。
4.一种具有极低吸放气率的极高真空裸电离规，其特征在于该电离规包括陶瓷芯柱、电子发射体、阳极、离子收集极和偏置电极；所述的偏置电极为一金属编织网，电子发射体和离子收集极相对阳极等距、同轴安装于金属编织网内，电子发射体和阳极分别通过各自的支杆引线与陶瓷芯柱相连接，金属编织网的支杆引线连接到陶瓷芯柱上。
5.如权利要求4所述的裸电离规，其特征在于其中所述的离子收集极为一细金属丝，丝径为0.05～0.20mm。
6.如权利要求4所述的裸电离规，其特征在于其中所述的阳极为圆环形，由直径为0.15mm的钼丝制成，环径为6～9mm，环径与阳极至电子发射体及阳极至收集极之间的距离相等。
全文摘要
本发明涉及一种具有极低吸放气率的极高真空微电离规,包括玻璃外壳、电子发射体、阳极、离子收集极和偏置电极;电子发射体和离子收集极相对阳极等距、同轴安装于玻璃外壳内,偏置电极为玻璃外壳内的金膜,阳极为圆环通过支撑引线从玻璃外壳一侧的支脚引出;离子收集极为一金属丝。本发明在量测的压强范围灵敏度高,采用冷阴极场致发射电子源,规的总功率降低到0.1瓦左右。
文档编号G01L21/00GK1240933SQ9910935
公开日2000年1月12日 申请日期1999年6月25日 优先权日1999年6月25日
发明者陈丕瑾, 齐京 申请人:清华大学