幾種熱陰極電離真空計電參數(shù)校準(zhǔn)及分析

劉 波，丁立莉，劉 卿，曹 慧

(1.西安航天計量測試研究所，陜西 西安710100;2.中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所，陜西西安710065)

1 引言

熱陰極電離真空計是目前測量高真空的主要儀器，隨著高真空測量技術(shù)的發(fā)展，熱陰極電離真空計由于其測量范圍寬，抗污染能力強(qiáng)，使用成本低等有點(diǎn)，被各廠、礦、院、所及軍工企事業(yè)單位使用。為了確保真空測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，國家質(zhì)量監(jiān)督局規(guī)定:建議電離真空計的校準(zhǔn)時間間隔周期為一年，這樣就對校準(zhǔn)電離真空計的單位提出了嚴(yán)格的要求，要求確保校準(zhǔn)的嚴(yán)肅性與公正性，保證量值的準(zhǔn)確傳遞。同時對計量標(biāo)準(zhǔn)器具也作出了同樣嚴(yán)格的要求，必須依據(jù)國家相應(yīng)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。

我國現(xiàn)在施行的《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》JJF1062－1999［1］中明文規(guī)定，電離真空計的校準(zhǔn)首先應(yīng)對其外觀及電路電參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。在電路電參數(shù)校準(zhǔn)方面，現(xiàn)有的各級校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)依據(jù)使用設(shè)備的不同對其校準(zhǔn)的方法也不盡相同。運(yùn)用真空比對標(biāo)準(zhǔn)裝置及電參數(shù)測量系統(tǒng)對幾種熱陰極電離真空計進(jìn)行校準(zhǔn)，為了保證校準(zhǔn)的可靠性，對熱陰極電離計測量和使用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行認(rèn)真研究［2］，通過分析其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性來判斷該套裝置及方法的可行性。

2 工作原理

熱陰極電離真空計的工作原理是當(dāng)陰極發(fā)射出的電子在加速場的作用下飛向柵極，有一部分電子打到柵極被吸收，另一部分電子穿過柵極，并與氣體分子發(fā)生碰撞，由于碰撞的過程中電子的動能大到電子的脫出功，使氣體分子產(chǎn)生電離，在收集極回路中形成離子流，而離子流正比于氣體壓力，通過測量離子流的大小來指示真空度。熱陰極電離真空計有3個電極，即陰極、柵極和收集極，陰極加零電位，柵極加正電位，收集極加負(fù)電位。在測量和校準(zhǔn)的過程中首先要確保熱陰極電離真空計的電參數(shù)符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求。應(yīng)用電信號測量設(shè)備將電離后的離子流信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行輸出，并對輸出的值進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，給出相對應(yīng)各項(xiàng)電參數(shù)的誤差值。

3 校準(zhǔn)裝置的組成

熱陰極電離真空計電參數(shù)的校準(zhǔn)主要由二部分校準(zhǔn)系統(tǒng)組成，其中電參數(shù)測量系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)當(dāng)真空規(guī)管被點(diǎn)亮后測量電離真空計相應(yīng)的電路參數(shù)值，獲得標(biāo)準(zhǔn)電參信號(圖1中的＜1＞部分)。真空比對校準(zhǔn)裝置主要完成真空環(huán)境的模擬，使得熱陰極電離真空計在相應(yīng)的真空度條件下被點(diǎn)亮，能夠發(fā)射電子流(圖1中的＜2＞部分)。

圖1 熱陰極電離真空計電參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成示意圖

其中電參數(shù)測量系統(tǒng)主要包括BD－I型標(biāo)準(zhǔn)電流源、測量信號源及各種熱陰極電離真空計。

真空比對校準(zhǔn)裝置由抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)及測量控制系統(tǒng)組成。抽氣系統(tǒng)包括:機(jī)械泵、分子泵;校準(zhǔn)系統(tǒng)包括:校準(zhǔn)室、主標(biāo)準(zhǔn)器;測量控制系統(tǒng)包括:氣體微調(diào)閥、各種控制閥、氣源、數(shù)據(jù)采集和程序控制等。

4 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)在真空狀態(tài)下，熱陰極發(fā)射的電子被柵極加速，荷能電子與氣相中的氣體分子發(fā)生碰撞使氣體分子電離，收集極上接收的離子流與熱陰極發(fā)射的電子流和真空度產(chǎn)生相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系［3］:

式中 S為熱陰極電離真空計的靈敏度系數(shù)，Pa－1;IC為收集極上接收的離子流，A;Ie為陰極發(fā)射的電子電流，A;P為熱陰極電離真空計電離后的真空度，Pa。

5 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

將目前最常用的四支全新不同型號的熱陰極電離真空計分別連接在真空比對校準(zhǔn)裝置上。規(guī)管型號分別為 ZJ－27，ZJ－12，ZJ－10，ZJ－2。經(jīng)過對真空校準(zhǔn)室進(jìn)行抽氣及烘烤，使校準(zhǔn)室獲得5.0×10－5Pa的本底真空度。

按照BD－I標(biāo)準(zhǔn)電流源示意連接示意圖，將4支熱陰極電離真空規(guī)依次與標(biāo)準(zhǔn)電流源進(jìn)行連接，并依次連接與其對應(yīng)的四臺電離真空計，開機(jī)預(yù)熱半小時后進(jìn)行測量，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如下表所示:

表1 (配ZJ－27型)電離真空計電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－27規(guī)的使用說明書可知該型號真空計的發(fā)射電流、加速極對陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過運(yùn)算公式可算出，在(100－10－4)檔時的離子流放大器滿度刻度時所對應(yīng)的電壓值為150V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測量系統(tǒng)測量的各項(xiàng)電參值;I被檢標(biāo)準(zhǔn)為該型電離真空計各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表2 (配ZJ－12型)電離真空計電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－12規(guī)的使用說明書可知該型號真空計發(fā)射電流、加速極對陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.075 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過公式可算出，在(10－2－10－6)檔時的離子流放大器滿刻度時所對應(yīng)的電壓值為30V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測量系統(tǒng)測量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空被檢標(biāo)準(zhǔn)計各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表3 (配ZJ－10型)電離真空計電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－10規(guī)的使用說明書可知該型號真空計發(fā)射電流、加速極對陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過公式可算出，在(101－10－4)檔時的離子流放大器滿刻度時所對應(yīng)的電壓值為75V。示值誤差δ，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測量系統(tǒng)測量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空計被檢標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表4 (配ZJ－2型)電離真空計電參數(shù)校數(shù)據(jù)

查ZJ－2規(guī)的使用說明書可知該型號真空計發(fā)射電流、加速極對陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于真空規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過公式可算出，在(100－10－4)檔時的離子流放大器滿刻度時對應(yīng)的電壓值為75 V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測量系統(tǒng)測量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空被檢標(biāo)準(zhǔn)計各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

通過對各單位使用熱陰極電離真空計狀況的了解，選取他們最常用的測量范圍，將四支不同型號熱陰極電離真空計的離子流放大器滿刻度在10－3Pa和10－4Pa檔位，分別重復(fù)測量8次，其實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表5、表6所示:

表5 各型號熱陰極電離真空計離子流放大器滿刻度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(在10－3Pa檔位時)

表6 各型號熱陰極電離真空計離子流放大器滿刻度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(在10－4Pa檔位時)

經(jīng)過對離子流放大器滿刻度示值在10－3Pa和10－4Pa檔位的多次測量，可以得出四支不同型號熱陰極電離真空計在各檔位測量值的重復(fù)性是比較好的，由多次實(shí)驗(yàn)引起的偏差是比較小的，準(zhǔn)確度是較高的，是完全可以應(yīng)用的。

6 結(jié)論

根據(jù)以上所做的實(shí)驗(yàn)研究證明，運(yùn)用真空比對標(biāo)準(zhǔn)裝置及電參數(shù)測量系統(tǒng)對目前常用的各種熱陰極電離真空計進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對測量數(shù)據(jù)的分析可知其各項(xiàng)電路電參數(shù)值均能滿足《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》電參數(shù)指標(biāo)的技術(shù)要求。由此可見運(yùn)用該套系統(tǒng)對熱陰極電離真空計進(jìn)行電參數(shù)的校準(zhǔn)是可行的，是完全符合目前校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

［1］JJF 1062－1999，《電離真空計校準(zhǔn)規(guī)范》［S］.北京:中國計量出版社，1999.

［2］李正海，熱陰極電離規(guī)測量和使用中應(yīng)注意的問題，真空與低溫1996，P109.

［3］洪寶林.力學(xué)計量［M］.北京:原子能出版社，2002.6，526～528.