幾種熱陰極電離真空計電參數校準及分析

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.中國航空工業第一集團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的發展，熱陰極電離真空計由于其測量范圍寬，抗污染能力強，使用成本低等有點，被各廠、礦、院、所及軍工企事業單位使用。為了確保真空測量結果的準確可靠，國家質量監督局規定:建議電離真空計的校準時間間隔周期為一年，這樣就對校準電離真空計的單位提出了嚴格的要求，要求確保校準的嚴肅性與公正性，保證量值的準確傳遞。同時對計量標準器具也作出了同樣嚴格的要求，必須依據國家相應的檢定規程或校準規范進行檢定或校準。

我國現在施行的《電離真空計校準規范》JJF1062－1999［1］中明文規定，電離真空計的校準首先應對其外觀及電路電參數進行校準。在電路電參數校準方面，現有的各級校準機構依據使用設備的不同對其校準的方法也不盡相同。運用真空比對標準裝置及電參數測量系統對幾種熱陰極電離真空計進行校準，為了保證校準的可靠性，對熱陰極電離計測量和使用中應注意的問題進行認真研究［2］，通過分析其測量結果的準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陰極發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，收集極加負電位。在測量和校準的過程中首先要確保熱陰極電離真空計的電參數符合校準規范的要求。應用電信號測量設備將電離后的離子流信號轉化成標準電壓信號進行輸出，并對輸出的值進行采集和數據分析，給出相對應各項電參數的誤差值。

3 校準裝置的組成

熱陰極電離真空計電參數的校準主要由二部分校準系統組成，其中電參數測量系統主要負責當真空規管被點亮后測量電離真空計相應的電路參數值，獲得標準電參信號(圖1中的＜1＞部分)。真空比對校準裝置主要完成真空環境的模擬，使得熱陰極電離真空計在相應的真空度條件下被點亮，能夠發射電子流(圖1中的＜2＞部分)。

圖1 熱陰極電離真空計電參數校準裝置組成示意圖

其中電參數測量系統主要包括BD－I型標準電流源、測量信號源及各種熱陰極電離真空計。

真空比對校準裝置由抽氣系統、校準系統及測量控制系統組成。抽氣系統包括:機械泵、分子泵;校準系統包括:校準室、主標準器;測量控制系統包括:氣體微調閥、各種控制閥、氣源、數據采集和程序控制等。

4 數學模型

依據在真空狀態下，熱陰極發射的電子被柵極加速，荷能電子與氣相中的氣體分子發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射的電子流和真空度產生相應的函數關系［3］:

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

5 實驗過程及數據

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裝置上。規管型號分別為 ZJ－27，ZJ－12，ZJ－10，ZJ－2。經過對真空校準室進行抽氣及烘烤，使校準室獲得5.0×10－5Pa的本底真空度。

按照BD－I標準電流源示意連接示意圖，將4支熱陰極電離真空規依次與標準電流源進行連接，并依次連接與其對應的四臺電離真空計，開機預熱半小時后進行測量，其實驗數據分別如下表所示:

表1 (配ZJ－27型)電離真空計電參數校準數據

查ZJ－27規的使用說明書可知該型號真空計的發射電流、加速極對陰極中心點電位、陰極中心點對地電位的各項標稱值。由于該規管的出廠靈敏度系數為0.15 Pa－1，在標準電流源上各檔位的標準電阻值是已知的，通過運算公式可算出，在(100－10－4)檔時的離子流放大器滿度刻度時所對應的電壓值為150V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數測量系統測量的各項電參值;I被檢標準為該型電離真空計各項電參數的標稱值)，進行數據運算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準規范》規定的允差之內。

表2 (配ZJ－12型)電離真空計電參數校準數據

查ZJ－12規的使用說明書可知該型號真空計發射電流、加速極對陰極中心點電位、陰極中心點對地電位的各項標稱值。由于該規管的出廠靈敏度系數為0.075 Pa－1，在標準電流源上各檔位的標準電阻值是已知的，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的電壓值為30V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數測量系統測量的各項電參值;I為該型電離真空被檢標準計各項電參數的標稱值)，進行數據運算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準規范》規定的允差之內。

表3 (配ZJ－10型)電離真空計電參數校準數據

查ZJ－10規的使用說明書可知該型號真空計發射電流、加速極對陰極中心點電位、陰極中心點對地電位的各項標稱值。該規管的出廠靈敏度系數為0.15 Pa－1，在標準電流源上各檔位的標準電阻值是已知的，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的電壓值為75V。示值誤差δ，(式中δ為示值誤差;I為電參數測量系統測量的各項電參值;I為該型電離真空計被檢標準各項電參數的標稱值)，進行數據運算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準規范》規定的允差之內。

表4 (配ZJ－2型)電離真空計電參數校數據

查ZJ－2規的使用說明書可知該型號真空計發射電流、加速極對陰極中心點電位、陰極中心點對地電位的各項標稱值。由于真空規管的出廠靈敏度系數為0.15 Pa－1，在標準電流源上各檔位的標準電阻值是已知的，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的電壓值為75 V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數測量系統測量的各項電參值;I為該型電離真空被檢標準計各項電參數的標稱值)，進行數據運算，可知計算后的誤差都在《電離真空計校準規范》規定的允差之內。

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，分別重復測量8次，其實驗校準數據如表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數據(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數據(在10－4Pa檔位時)

經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性是比較好的，由多次實驗引起的偏差是比較小的，準確度是較高的，是完全可以應用的。

6 結論

根據以上所做的實驗研究證明，運用真空比對標準裝置及電參數測量系統對目前常用的各種熱陰極電離真空計進行校準，通過對測量數據的分析可知其各項電路電參數值均能滿足《電離真空計校準規范》電參數指標的技術要求。由此可見運用該套系統對熱陰極電離真空計進行電參數的校準是可行的，是完全符合目前校準規范的要求。

［1］JJF 1062－1999，《電離真空計校準規范》［S］.北京:中國計量出版社，1999.

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

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