真空技术及应用系列讲座 第六讲_真空测量03(1)

真 空 技 术 及 应 用 系 列 讲 座 东北大学真空工程博士点,博士导师杨乃恒先生主持第一讲:真空科学的发展及其应用李云奇 95 (2)第二讲:真空物理基础张世伟 95 (3)第三讲:机械真空泵(一) (二) (三) (四) (五) (六)张以忱95(4)、(5)、(6)、96(1)、(2)、(3)第四讲:蒸汽流真空泵姚民生 96 (4)第五讲:气体捕集式真空泵徐成海 96 (5)第六讲:真空测量刘玉岱 96(6)、97(1)第六讲:真空测量刘玉岱(东北大学)51 热阴极电离真空计(上接1997年第1期) 电子在电场中飞行时从电场获得能量,若与气体分子碰撞,将使气体分子以一定几率发生 电离,产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子 数,正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。因此,可根据离子电流的大小指示 真空度,这就是电离真空计工作原理。 由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计,其型式繁多,各具不同特点 和适用不同的压力测量范围。 热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组 成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量离子电流。热阴极电离真空计规管的基 本结构主要包括三个电极: (1)提供一定数量电子流Ie的灯丝F(阴极);(2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极);(3)收集离子流Ii的离子收集极C(相对阴极为负电位)。离子流Ii与压力p可用下式表示:Ii=K Iep(9)式中 Ie发射电子流K规管系数,单位为Pa21 在一定压力范围内K为一常数,若保持发射电子流Ie为一恒量时,则离子流Ii与压力p 呈线性关系 当压力高到某一值时,K值会随压力p而变化,这就达到了压力线性测量上限pm ax,它由 电极的几何结构、 电极间电位分布以及发射电流大小所决定。 规管系数K在气体压力p很低时仍可保持为常数,但离子流Ii随压力p降低而减小到64真 空V acuum2V acuum Technology andM aterial 第2期1997年4月一定限度后,将会埋没在电离计工作中不可避免地存在着的其它与压力p无关的本底电流之 中,因而达到其压力测量下限pm in。这种本底电流包括X射线光电流等。 按线性压力范围的不同,热阴极电离真空计主要分三类:(1)普通型电离真空计(1×10211025Pa);(2)超高真空电离真空计(1×10211028Pa,有的下限为10210Pa);(3)高压力电离真空计(1021023Pa)。 图8示出DL22型普通型热阴极电离规结构,其Ie= 5mA ,K= 0. 15Pa21,线性压力测量范围是1×10211025Pa。 由于不同气体电离截面不同,所以电离规管系数K与气体种类有关,引入相对灵敏度Sr 概念,Sr=K?KN2。 由于电离真空计是以N2校准的,若被测气体非为N2,则电离真空计的读数pread是被测气体离子流所对应的等效氮压力,非为真实压力preal。若知道被测气体相对灵敏度Sr时,其真实 压力为preal=pread?Sr(10)表3列出了普通型电离规的Sr值。表3 传统型电离规相对灵敏度气 体对N2相对灵敏度Sr气 体对N2相对灵敏度SrH2HeNeA rKrXeN2O2CO0. 460. 170. 251. 311. 982. 711. 00. 951. 11CO2干燥空气H2OHg扩散泵油气HClCH4CCl41. 531. 00. 93. 49130. 381. 260. 70用改变规管电极结构及各电极的电参数,用抗氧化材料制做阴极(如铱丝涂氧化钇),可提 高线性测量上限。制成高压力电离真空计,压力测量上限pm ax可达100Pa以上。图9示出DL25规电极结构;图10示出DL28规电极结构。栅状阳极受电子轰击产生X射线,离子收集极接收此射线会产生光电子发射,形成与压 力无关的光电本底电流Ix。减少Ix就可以降低线性压力测量下限pm in,可采取如下四种措施: (1)从电极的几何结构上减少离子收集极被软X射照射的面积,这就是B2A型电离计的设计思想;(2)在离子收集极附近,安置一相对于离子收集极为负电位的电极(抑制极),可以使离子 收集极表面发射的光电子被电场折回,以消除本底电流,这种方法称为光电子抑制法,如抑制 电离规; (3)这是一种在离子收集极电流中扣除本底光电流的方法,称为离子流调制法,如调制B2A电离规;74第1期 刘玉岱:真空测量 图8 DL22电离规A1 加速极 C1 收集极 F1 阴极 图9 DL25规电极结构图A1 加速极 K1 阴极 C1 收集极 S1 辅助极 图10 DL28型规管结构示意图(4)本底光电流Ix对应的本底压力指示px与规系数K成反比,所以提高规系数K 能够降低测量压力下限pm in,如弹道规和热阴极磁控管电离规。图11示出B2A规管结构,其pm in= 1028Pa。(a)管式规 (b)裸规 图11 B2A式规管的结构图12示出抑制规(pm in= 10210Pa),图13示出弯注抑制规(pm in= 10211Pa),图14示出调制规(pm in= 10210Pa),图15示出分离规(pm in= 10211Pa),图16示出热阴极磁控规(pm in= 10211Pa)。K1 阴极 A1 加速极 S1 抑制极 C1 收集极Sh1 屏蔽罩 图12 抑制规K1 阴极 A1 加速极 E1 聚焦极 Ka1 辅助阳极 S1 抑制 极 C1 收集极 Sh1 屏蔽极 Di,Do.内、 外偏转极 图13 弯注抑制规84真 空 第2期F1 灯丝 C1 收集极 A1 加速极M1 调制极图14 调制规K1 环状阴极 A1 加速极 C1 收集极 R1 离子反射极 S1 屏蔽极 M1 调制 极 图15 分离规A1 阳极 K1 阴极 C1 收集极S1 辅助极 B1 磁场图16 热阴极磁控规61 冷阴极电离真空计 是一种相对真空计。它由规管和测量电路两部分组成。图17示出冷阴极电离真空计的示 意图。(a)冷阴极电离计结构原理图 (b)冷阴极电离规管工作原理图图17 冷阴极电离真空计示意图冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计一样,是利用低压力 下气体分子的电离电流与压力有关的特性,用放电电流做为真空度的测量,由电流表CB(做为真空度指示仪表,一般用量程为0100A)指示出来。所不同的在于电离源。热阴极电离真空计是由热阴极发射电子,而冷阴极电离真空计是靠冷发射(场致发射、 光电发射、 气体被宇宙射线电离等)所产生的少量初始自由电子,它们在电场的作用下向阳极运动,但由于正交磁场的存在,也将施力于运动的电子,从而改变电子的运动轨迹。在电、 磁场的共同作用下,电子沿螺旋形轨道迂回地飞向阳极(这种运动轨迹实际上是一个在阳极面上具有摆线投影的曲线),这样就大大延长了电子达到 阳极的路程,使碰撞气体分子的机会增多;同时又因阳极是一个中空的环,在其中轴线附近运动的电子还可能穿过阳极环凭原有动能继续前进,而后又被带负电位的阴极排斥而折回,这样飞行中的电子可能在两阴极间往返振荡直到最后被阳极吸收为止,使电子到达阳极的实际路程远大于两极间的几何尺寸,故碰撞几率大大增加。电子碰撞气体分子时,有一部分为电离碰撞,电离后形成的正离子在阴极上打出的二次电子,也受电场和磁场的共同作用而参与这种运动,使电离过程连锁的进行,在很短时间内雪崩式地产生大量的电子和离子,这样就形成了自持气体放电(一般称为潘宁放电),此放电电流与压力有如下关系:I=K pn(11)式中 I放电电流94第1期 刘玉岱:真空测量 K常数n常数,一般在12之间,与规管结构有关。 图17示出的是普通型冷阴极电离真空计,其压力测量范围11025Pa。冷阴极电离真空计 没有与压力无关的本底光电流。 限制其下限延伸是其场致发射;测量上限主要受限流电阻及在 高压力时,电子与离子复合几率增加等限制。延伸下限制成倒置磁控管与磁控管式规管如图18、 图19所示,其pm in= 10211Pa。 冷阴极电离真空规,没有热阴极,不怕大气冲击,但其测量误差较大。11 阳极 21 阴极 31 辅助阴极图18 倒置磁控管式规管示意图11 阳极 21 阴极 31 辅助阴极图19 正磁控管式规管结构示意图(未完待续)市场预测 钕铁硼产业的现状与真空设备的进一步完善及提高一、 世界钕铁硼永磁材料发展现状及市场前景 钕铁硼永磁材料作为商品进入市场已有10余年的历史,在过去10年中钕铁硼材料的技术和市场均有了 惊人的发展。表1列出了全世界钕铁硼材料产量逐年增长的情况。 表1 世界N dFeB永磁材料的产量 种类年份烧结NdFeB (t)粘结NdFeB (t)日本中国美国欧洲合计日本美国欧洲合计1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 199445 97 147 320 460 910 1100 1200 1435 155510 20 40 75 120 180 340 490 740 112012 22 35 74 110 230 300 350 430 6455 16 23 51 75 110 120 130 185 25072 155 245 520 765 1430 1860 2170 2790 35701 20 100 152 250 350 460 520 7104 19 60 90 40 45 60 70 90- 1 5 13 20 20 15 20 405 40 165 255 310 415 535 610 840表2 西方世界市场预测(百万美元)材 料 19942004 粘结NdFeB65819 烧结NdFeB5773034 粘结SmCo170231 烧结SmCo231517 粘结铁氧体6901153 烧结铁氧体10002100A lN iCo210252总 计29518106值得指出的是,粘结钕铁硼市场增长率在各种永磁材料中是最快的,各向同性粘结磁体在过去3年中平 均年增长23% , 1993年销售额已占整个钕铁硼市场的2%。由于粘结磁体的独特优点,其增长速度可望继续 超过烧结钕铁硼,到2005年粘结钕铁硼的销售额将接近烧结磁体。 目前世界汽车工业正处于大量使用钕铁硼磁体的前夕,一辆现代的汽车约有70多处用到磁体,全世界每 年用于汽车工业的铁氧体磁体约13. 5万吨,若其中的10%为钕铁硼取代,则相当于重量为3500吨的钕铁硼 磁体。目前约有25项以钕铁硼取代铁氧体的开发项目正在进行,如果其中8%10%的项目取得成功,就需 要2000吨钕铁硼。表2表3分别给出西方各国与我国1994年钕铁硼材料的销售额和对2004年市场的预测。 做为参考和比较,表中也给出其他永磁材料的相应数据。 二、 中国钕铁硼永磁材料发展现状与前景 目前中国钕铁硼永磁材料工业是以烧结钕铁硼为主,粘结钕铁硼永磁材料仅处于起步阶段。 表4列出1985年至1995中国烧结钕铁硼永磁材料产量增长情况。 由表可见中国的钕铁硼产业从起步到 如今一直是以极高的速度在发展,近几年产量的年增长率均在50%左右, 1995年中国烧结钕铁硼永磁材料的 产量达1832. 32吨,比1994年增长了52. 7%;年销售量达1782. 284吨,比1994年增长了59. 13%。约占全世 界总产量的1?3,仅次于日本,居世界第二位。05真 空 第2期