冷阴极电离真空规
3种典型真空监测仪表的故障梳理与可靠性强化
占有率最高的产品，此外还有德国泰朗真空计、德国普发真空计、德国Leybold 莱宝真空计、瑞士Inficon 真空计等。
真空监测仪表涉及真空、半导体、材料、机械、电子、通信等多个学科，是典型的高技术密集型产品，其故障类型、级别和原因交叉耦合，真空监测仪表的故障诊断存在故障点发现困难和故障点诊断困难的难题，这对可靠性强化的故障溯源分析提出极大挑战。
因此，为了强化真空监测仪表的可靠性，对现有真空监测仪表的故障进行分类和梳理，有利于迅速定位故障的层级和故障机理，对真空监测仪表的故障发现及技术发展具有重要的指导作用。
根据GB 3163—1982《真空技术名词术语》中规定，真空可以按照气压强度分为以下几类：低真空1×105～1×102Pa ，中真空1×102～1×10-1Pa ，高真空1×10-1～1×10-5Pa ，超高真空1×10-5～1×10-9Pa ，极高真空1×10-9Pa 以下。
按照真空仪表测量原理所利用的不同物理机制，真空仪表可分为利用机械力学性能、利用气体动力学效应和利用带电粒子效应三大类。
目前常用的真空仪表有弹性式真空表、热偶真空计、电阻真空计、电离真空计等相对真空仪表。
通常高真空测量主要应用的是电离真空计。
按照产生离子方法的不同，分为热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计。
以热阴极电离真空计为例，由热阴极电离规管和测量仪器组成。
测量仪器由规管工作电源，发射电流稳压装置和离子流测量放大器等部分组成，热阴极电离规管与被测真空系统相通。
热阴极电离规管是一个三极管，管内有阴极、0 引言真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到冶金、土木建筑、机械、包装、环保、医疗器械、石油、化工、食品、电子、原子能、半导体、航空航天、纺织以及造纸等工业部门和科学研究工作中。
例如：真空可以用在冶金工业中，包括真空蒸馏、矿石及其半产品的真空分离，金属化合物真空还原、钢液炉外真空脱气和精炼、金属真空熔铸、真空烧结，真空热处理、真空钎焊及真空固态接合等多种工艺方法。
《冷阴极电离真空规》课件
在真空技术中，冷阴极电离真空规是测量真空度的重要工具，能够准确测量高、中、低真空度。
在电子器件制造中，冷阴极电离真空规用于监测工艺过程中的真空度，保证产品质量。
在表面处理领域，冷阴极电离真空规用于研究表面处理工艺对材料性能的影响，提高产品性能。
冷阴极电离真空规的原理及结构
冷阴极电离真空规的测量原理及误差分析
为了提高测量精度，需要采取一系列措施，如选用高品质的电子发射材料、优化电离室的结构设计、采用高精度的电流读取设备等。此外，定期进行校准和维护也是保证测量精度的重要测量真空度的场合，如真空镀膜、电子器件制造、科学实验等。
以半导体制造为例，在半导体器件制造过程中，需要使用大量的真空设备进行薄膜沉积、刻蚀等工艺。冷阴极电离真空规作为一种高精度的真空度测量仪器，能够为这些工艺提供准确的真空度监测和控制，从而保证产品的质量和生产的稳定性。
冷阴极电离真空规的应用实例及实验结果分析
结论与展望
01
02
03
04
02
CHAPTER
冷阴极电离真空规的工作原理
在极高真空环境下，气体分子与电子碰撞产生电离现象，形成正离子和电子。
真空电离
电场作用
离子流检测
在规管内设置适当电场，正离子在电场作用下向收集极运动，电子则被排斥。
收集极收集到的正离子形成离子流，通过检测离子流的大小，可测量真空度。
03
02
01
选用具有高电子发射系数和稳定性的材料作为冷阴极。
材料选择
冷阴极需要在较低的工作温度下仍能保持稳定的电子发射能力。
特性要求
常见的冷阴极材料包括金属、合金、氧化物等。
材料种类
03
CHAPTER
冷阴极电离真空规的测量技术
冷阴极电离真空计
冷阴极电离真空计和热阴极电离真空计一样，是利用低压状态下放电电流和气体压强的关系来进行真空度测量的.冲阴极电离真空计测量原理如图8-14所示.冷阴极电离规管结构为二极管.在一个玻璃管内封装两块平行的金属平板作阴极，阴极材料-般采用在离子轰击下二次发射系数高的镍、钳及不锈钢等.在阴级之间装设一个环状阳极，阳极材料为镍、相、不锈钢及锦铬台金.冷发射(场致发射、光电效应或气体被宇宙射线电离等)产生的少量初始电子，在电场作用下得到加速，当其具有一定能量时，会使气体分子电离.电离产Байду номын сангаас的正离子在强电场的作用下，高速轰击阴极，在阴极表而打出二次电于，这些电子在正向阳极时，再与气体分子碰撞，又使气体分子电离，如此过程不断进行，终于在规管电极间形成自待放电.同时，内于在心场外面加一个正交磁场，使带电粒子在磁场中沿螺旋形轨迹向前运动，延长了带电粒子飞行路程，提高了碰撞机率(阳极作成环状也有利于延庆电子飞行路程).这样少量的初始电子，在电、磁场的作用下，在短时间内产生大量的电子和离子.只要知道放电电流与气体压强的对应关系，就可以进行真空度测量。
[local]E:/xiaozhu/Novels/20130128/16-07-58-34-499.jpg[/local]
在实际工作中，由于放电电流与气压之间并非简单的线性关系，所以必须通过校核定度价出标准压强值与放电电流对应关系的校准曲线，根据校准曲线，利用冲阴极电离真空计的放电电流指示，方可进行真空度测量.闯8一14中的R为限流电阻，其主要作用处保护规管.今放电电流增大时，规管电极间的电压就会下降，使通过规管的电流不致增大到产生弧光放心的危险程序.但应注意，由于R的存在，使规管电极间的电压降低，将会造成灵敏皮下降.
[b]
Penning真空计
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟Penning 真空计Penning 真空计是利用真空中的放电现象,测量中高真空领域的温度计,测量性稳定,耐用性久为其特点。
Penning 真空计构造原理Penning 真空计利用Penning 放电现象。
通常而言,冷阴极放出的电子比热阴极少。
单纯在阴阳两极间加电压,假如压力低于0.1Pa 则不会持续放电。
为了增加电子飞行距离,从外部加磁场,这样可使在更低的压力下也可放电。
检测部如图所示,主要构造为圆筒形(或园环形)阳极。
圆板状的阴极和永久磁铁构成。
磁力线和电极的中心轴平行设置。
阳极电压2~3kV,磁场强度约1000G。
从阴极放出的电子受洛仑兹力而做螺旋运动。
同时,轴方向的空间电压如图C 所示。
电子被控制在势井内,于两侧的阴极之间做往返运动。
实际上的电子运动要比这种估算复杂得多。
但是,螺旋运动和往返运动使得电子的飞行距离大幅度增长。
电子最终会被阳极捕捉,但是在被捕捉之前多次和气体分子碰撞,在两阴极之间产生等离子体状态。
等离子体中的电子和阳极放出的电子一样会做螺旋运动和往返运动,但离子因为质量较大,螺旋运动半径较大,而且在高电位空间产生,短时间内被阴极捕捉。
Penning 放电可在0.1Pa 的压力下发生。
假设电子的数量和气体压力无关,在阴极被捕捉到的离子数量(单位时间发生电离的次数=电流),则与压力及气体分子的电离断面积成正比例。
假如知道离子电流和压力的比例系数,则可知道压力值。
电离断面积依气体分子而变化,比例系数也会因气体分子而变。
市场上的真空计通常以干燥空气或氮气为标准测出比例系数。
冷阴极电离真空计
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。
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o～100μA)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=Kp n (11)式中I--放电电流K——常数n——常数，一般在l～2之间，与规管结构有关。
图17：冷阴极电离真空计原理图图17示出的是普通型冷阴极电离真空计，其压力测量范围1～10-5Pa。
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。
m=10-11Pa。
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pin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。
leybold真空规
Leybold真空计
莱宝真空计型号:TTR91／TTR91S／TTR96／TTR96S／PTR225／CTR100／
CTR91／TTR100／TTR100S／PTR90／ITR90 ／TM90／TM100。
今天，真空技术已经能获得从105～10-11Pa的超真空。
为保证稳定、高质量的生产和工艺，必须采用精确的测量和控制仪器来检测与调整所需要的工作压强。
欧瑞康莱宝公司作为全系列的真空设备供应商，拥有应用各种工作原理的真空计，其测量范围从1000毫巴到10-12毫巴，覆盖了15个数量级，可以满足各
种真空工艺的要求。
欧瑞康莱宝的真空计家族包括：
- 用于测量粗真空的各种工作原理的机械指针式真空表。
- 各种间接测量的数显真空规，它们是：
- 热电阻真空规(皮拉尼规) TTR91/TTR91S/TTR96/TTR96S
- 冷阴极电离真空规(潘宁规) PTR225
- 薄膜电容规CTR100/CTR91
- 薄膜/皮拉尼复合规TTR100/TTR100S
- 冷阴极电离/皮拉尼复合规PTR90
- 热阴极电离/皮拉尼复合规ITR90
- 便携式真空表TM90/TM100
- 新型Center和Display系列真空仪表
准确、轻便的Center和Display系列真空仪表显示范围从105～10-8Pa，具有数显液晶显示器，可快速、直观、精确地反映真空系统的状态。
数显读数可以用毫巴、托、帕和微米汞柱四种单位来显示。
另外，欧瑞康莱宝公司还拥有可以测量10-10Pa的超高真空测量仪表，这就是著
名的IM540。
常用真空计的测量范围
常用真空计的测量范围及其性能李苹平(合肥华瑞真空科技有限公司)介绍几种测量范围为10-8～105Pa的常用真空计，其应用十分广泛，性能较好，价格较低。
热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计（可测量超高、高真空）、电容薄膜真空计、热电偶真空计、电阻真空计及压缩式真空计、压敏（压力敏感元件）电阻真空计。
本文仅介绍应用广泛性能较好且价格较低的几种真空计，测量范围参见图1。
1 电离真空计电离真空计的离子流与压强关系为线性关系（直接测量参数与所需测量参数之间为线性关系，可作为直观仪表），规管（测量元件）测量上限由规管非线性不超过20％所对应的压强确定，测量下限由规管本底压强示值的10倍确定[2]。
（在非线性不超过20%时，可近似为线性测量）电离计总的测量范围为10-8～102Pa，一般说来，每一种结构的规管只能覆盖一部分。
（每一种结构的规管产生的离子流与压强在一定范围内成线性相关）BA计收集极做成针状，它的X光本底电流小，因而下限可达10-8Pa，是一种超高真空计。
它的上限为10-1Pa，灯丝是钨丝。
DL-2型真空规管在上世纪50年代在我国生产，它是高真空规管，测量范围是lO-5～10-1Pa，钨灯丝。
钨灯丝在高压强易氧化而烧断，规管在10-1Pa工作寿命约1个星期。
因而上限不能超过10-1Pa。
70年代研制了DL-5型中真空规管[3]。
它的测量范围是10-4～10 Pa。
该规管在国内首先用敷氧化钇铱丝作灯丝，可以在高压强工作。
高压强规管的几何尺寸要小，以减小电子在行程中与气体分子碰撞。
后来有人做出_DL-8型规管，它的几何尺寸比DL-5更小，上限可达100 Pa。
热阴极电离计在压强大于10 Pa时使用不太合适（测量元件在高压强下易氧化而烧断）。
在高压强时发射电流应减小。
上世纪80年代，用敷氧化钇铱丝代替BA计中的钨丝做出DL-7型BA计规管[4]。
它的测量范围是5×lO-8～10-1 Pa，与钨丝的BA计相比，它更适合在较高压强下工作。
冷阴极电离真空规
冷阴极电离真空计优点
• 5.冷规管灵敏度比普通型电离规管灵敏度高 1个数量级。 • 6.冷规管结构与控制线路均较简单，易于制 作。 • 7.冷规继承了电离计的一般特性，能够连续， 远距离测量全压力，响应速度快。
冷阴极电离真空计缺点
• 冷阴极电离真空计的主要缺点是冷规管必 须具备磁铁，因此使规管占用的体积大， 而且因磁场不能承受高温烘烤去气，必须 去下磁铁，从而给操作带来不便，而且由 于此帖的存在，无法将其放入大容器的内 部代替裸规快速测定各部分的压力，以求 的空间的压力分布。
冷规的分类
• 冷规主要有两大类型，即电场与磁场方向 相互平行的普通型冷阴极电离真空计和电 场与磁场方向相互垂直的磁控管式冷阴极 电离真空计。而后者又分为倒置磁控管式 和正置磁控管式两种类型。
冷阴极电离真空计优点
• 1.冷阴极消除了因为高温灯丝产生的化学清 除作用，使真空计读数不受影响。 • 2.不需要对热丝电子发射和控制，简化了仪 器结构。 • 3.被测容器发生漏气时冷规管不存在被烧毁 的危险。 • 4.冷规管可避免被真空系统内部的化学活性 气体所毒化或破坏，因此使用时间比较长。
冷阴极电离真空计
• 冷阴极电离真空计是以冷阴极取代热 阴极作为电离真空计的离子源，利用低压 力下气体分子的电离与压力有关的特性， 用放电电流做为真空度的测量，俗称冷规。
冷规的组成
• 冷规由规管和测量线路两部分组成，这种 真空计规管中的电子是在平行电磁场或正 交电磁场作用下维持放电而进行工作的， 因此被称为磁放电真空计。
普通型冷阴极电离真空计
• 工作原理是利用低压下气体分 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 测量指示，有电流cb做为真空 度指示仪表给出读数。 • 冷电离真空计是靠冷发射所产 生的少量电子在正交电磁场作 用下，能够长时间在两块阴极 极板间往返作螺旋线行运动， 直至被测气体分子放生碰撞， 使其电离，最后电子被阳极吸 收，电离产生的正离子高速的 打到阴极上，并且产生二次电 子发射。气体分子电离产生的 电子和阴极发射产生的二次电 子也在阴极极板间做长期运动， 从而使电离过程连锁进行.
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• 冷阴极电离真空计是以冷阴极取代热 阴极作为电离真空计的离子源，利用低压 力下气体分子的电离与压力有关的特性， 用放电电流做为真空度的测量，俗称冷规。
冷规的组成
• 冷规由规管和测量线路两部分组成，这种 真空计规管中的电子是在平行电磁场或正 交电磁场作用下维持放电而进行工作的， 因此被称为磁放电真空计。
普通型冷阴极电离真空计
• 工作原理是利用低压下气体分 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 测量指示，有电流cb做为真空 度指示仪表给出读数。 • 冷电离真空计是靠冷发射所产 生的少量电子在正交电磁场作 用下，能够长时间在两块阴极 极板间往返作螺旋线行运动， 直至被测气体分子放生碰撞， 使其电离，最后电子被阳极吸 收，电离产生的正离子高速的 打到阴极上，并且产生二次电 子发射。气体分子电离产生的 电子和阴极发射产生的二次电 子也在阴极极板间做长期运动， 从而使电离过程连锁进行.
冷阴极电离真空计优点
• 5.冷规管灵敏度比普通型电离规管灵敏度高 1个数量级。 • 6.冷规管结构与控制线路均较简单，易于制 作。 • 7.冷规继承了电离计的一般特性，能够连续， 远距离测量全压力，响应速度快。
冷阴极电离真空计缺点
• 冷阴极电离真空计的主要缺点是冷规管必 须具备磁铁，因此使规管占用的体积大， 而且因磁场不能承受高温烘烤去气，必须 去下磁铁，从而给操作带来不便，而且由 于此帖的存在，无法将其放入大容器的内 部代替裸规快速测定各部分的压力，以求 的空间的压力分布。
测量范围
• 测量低压力时采用高 电压，大尺寸的电离 室； • 测量高压力时采用低 电压， 冷规主要有两大类型，即电场与磁场方向 相互平行的普通型冷阴极电离真空计和电 场与磁场方向相互垂直的磁控管式冷阴极 电离真空计。而后者又分为倒置磁控管式 和正置磁控管式两种类型。
冷阴极电离真空计优点
• 1.冷阴极消除了因为高温灯丝产生的化学清 除作用，使真空计读数不受影响。 • 2.不需要对热丝电子发射和控制，简化了仪 器结构。 • 3.被测容器发生漏气时冷规管不存在被烧毁 的危险。 • 4.冷规管可避免被真空系统内部的化学活性 气体所毒化或破坏，因此使用时间比较长。