基于電路模擬的熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置及方法

邵 壯，延 峰 ，王 歡，董云寧 ，宋瑞海，魏萌萌，盧耀文 *

（1.北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100086；2.北京市真空計(jì)量檢測工程技術(shù)研究中心，北京 100029）

0 引言

超高真空測量在空間環(huán)境模擬、表面分析科學(xué)、高能粒子加速器、半導(dǎo)體、核聚變和航空航天等領(lǐng)域內(nèi)具有極為廣泛的應(yīng)用[1]。真空計(jì)的校準(zhǔn)是真空量值溯源的基礎(chǔ)，能夠有效保障真空度測量結(jié)果的正確性[2-3]。國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1062-1999中指出：電離真空計(jì)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)[4]。

廣義的熱陰極電離真空計(jì)包括熱陰極電離真空規(guī)和配套控制單元[5]，國內(nèi)一般將控制單元簡稱為熱陰極電離真空計(jì)（以下熱陰極電離真空計(jì)均指控制單元）。根據(jù)熱陰極電離真空規(guī)與熱陰極電離真空計(jì)的連接方式可分為規(guī)/計(jì)一體式和規(guī)/計(jì)分離式熱陰極電離真空計(jì)，規(guī)/計(jì)一體式熱陰極電離真空計(jì)由于無法拆解或拆解困難，一般不進(jìn)行電參數(shù)校準(zhǔn)；而規(guī)/計(jì)分離式熱陰極電離真空計(jì)需要進(jìn)行電參數(shù)校準(zhǔn)[6]。目前還沒有熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置（以下簡稱電參數(shù)校準(zhǔn)裝置）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，相關(guān)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要依靠自制校準(zhǔn)裝置或利用電流源、電流表和電壓表等標(biāo)準(zhǔn)儀器搭建校準(zhǔn)裝置以開展校準(zhǔn)工作。田東旭等[7]研制了一種基于國防科工委電學(xué)計(jì)量一級站檢定的靜電計(jì)和數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)的電參數(shù)校準(zhǔn)裝置。該裝置在現(xiàn)場校準(zhǔn)和無配套熱陰極電離真空規(guī)情況下無法測量熱陰極電離真空計(jì)的電學(xué)性能，且存在面臨大量校準(zhǔn)任務(wù)時需要頻繁拆裝接線容易造成操作人員觸電的風(fēng)險。劉波等[8]介紹了現(xiàn)有各級校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)使用的熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)方法，并搭建了基于標(biāo)準(zhǔn)電流源和測量信號源的電參數(shù)校準(zhǔn)裝置，裝置通過連接標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)，校準(zhǔn)裝置體積大、接線復(fù)雜，不便于攜帶外檢，也存在不適用于現(xiàn)場校準(zhǔn)和無配套熱陰極電離真空規(guī)情況下校準(zhǔn)的問題。

目前，國內(nèi)真空校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電參數(shù)校準(zhǔn)裝置必須外接熱陰極電離真空規(guī)以維持待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)處于熱陰極燈絲發(fā)射的工作狀態(tài)，而且必須為熱陰極電離真空規(guī)提供可正常工作的高真空環(huán)境或采用未開封的玻璃熱陰極電離真空規(guī)。在無配套熱陰極電離真空規(guī)的情況下，熱陰極電離真空計(jì)無法進(jìn)入正常工作狀態(tài)，傳統(tǒng)校準(zhǔn)裝置無法對電參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。同時，在面對大量校準(zhǔn)任務(wù)時，需要反復(fù)拆裝接線，存在操作人員誤觸柵極高壓的風(fēng)險。針對上述問題，本文對傳統(tǒng)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置加以改進(jìn)，提出一種利用電路模擬熱陰極電離真空規(guī)的方法，保證待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)處于正常工作狀態(tài)。改進(jìn)型電參數(shù)校準(zhǔn)裝置體積小、便于攜帶、無需外接熱陰極電離真空規(guī)，適用于現(xiàn)場校準(zhǔn)或無配套熱陰極電離真空規(guī)情況下的校準(zhǔn)。

1 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)原理

熱陰極電離真空規(guī)包括陰極、柵極和收集極；熱陰極電離真空計(jì)包括陰極電位電源、柵極電源、發(fā)射電流穩(wěn)定器和離子電流放大器。在熱陰極電離真空規(guī)量程范圍內(nèi)，Ii/Ie與壓力成等比例關(guān)系，即[9]：

式中：Ie為燈絲發(fā)射電流，A，Ii為收集極離子電流，A；K為熱陰極電離真空規(guī)的靈敏度系數(shù)，Pa-1；p為待測壓力，Pa。

熱陰極電離真空計(jì)原理如圖1所示，圖中Ie和Ii同式（1）。

圖1 熱陰極電離真空計(jì)原理圖Fig.1 Schematic diagram of hot cathode ionization gauge

熱陰極電離真空計(jì)的電參數(shù)校準(zhǔn)包括柵極電壓、陰極電壓、發(fā)射電流和離子電流放大器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)用設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電流表和標(biāo)準(zhǔn)電流源等。其校準(zhǔn)原理如圖2所示，圖中A為標(biāo)準(zhǔn)電流表，V為標(biāo)準(zhǔn)電壓表，R為均衡電阻。GJB/J 3416-98中規(guī)定熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置中，電壓表測量直流電壓在1.0×10-3～1.5×10-2V和20～400 V時，最大允許誤差優(yōu)于±0.5%；電流表測量直流電流在5.0×10-5～5.0×10-3A時，最大允許誤差優(yōu)于±1%；電流源輸出直流電流在1.0×10-12～1.0×10-8A時，最大允許誤差優(yōu)于±5%，在1.0×10-8～1.0×10-4A時，最大允許誤差優(yōu)于±3%；均衡電阻R不小于熱陰極燈絲阻值的10倍[10]。

圖2 電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Electrical parameters calibration device for hot cathode ionization vacuum gauge

熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置工作時，熱陰極電離真空規(guī)須工作在超高真空環(huán)境下才能對燈絲加熱產(chǎn)生校準(zhǔn)用發(fā)射電流[11]。由于發(fā)射電流強(qiáng)度與加載在熱陰極電離真空規(guī)燈絲上的功率成正比[12]，因此校準(zhǔn)裝置中正常工作狀態(tài)下的熱陰極電離真空規(guī)可以看作由熱陰極電離真空計(jì)陰極輸出功率控制的電流源?；谠撛?，利用電路模擬熱陰極電離真空規(guī)電特性，使用功率檢測電路測量熱陰極電離真空計(jì)陰極電源輸出功率，測量結(jié)果用于控制后級電流源電路。離子電流放大器校準(zhǔn)時，通常使用外置標(biāo)準(zhǔn)電流源為其提供可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流，也可以在裝置中集成電流源為熱陰極電離真空計(jì)提供可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電流以模擬熱陰極電離真空規(guī)在不同真空度環(huán)境下工作時的離子電流。

2 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

基于電路模擬的熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置，如圖3所示，包括熱陰極電離真空規(guī)燈絲模擬電阻、模擬發(fā)射電流源和模擬離子電流源。

圖3 基于電路模擬的熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置Fig.3 Schematic diagram of the method which replacing hot cathode filament with circuit used in electrical parameters calibration device

圖3中，Rc為熱陰極電離真空規(guī)燈絲模擬電阻；有效值檢測芯片U1、運(yùn)算放大器U2、三極管Q1、電容Cd和電阻Rd、R1共同組成模擬發(fā)射電流源；S1為模擬離子電流源。其中熱陰極電離真空規(guī)燈絲模擬電阻用于模擬熱陰極電離真空規(guī)燈絲的電阻特性。模擬發(fā)射電流源用于模擬熱陰極電離真空規(guī)的發(fā)射電流特性。模擬離子電流源為熱陰極電離真空計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)離子電流以校準(zhǔn)其離子電流測量電路。

熱陰極燈絲模擬電阻Rc為待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)燈絲電源提供電流回路，電阻Rc選用阻值與熱陰極電離真空規(guī)燈絲相同或相近的電阻，一般約為1 Ω，具體阻值由待模擬熱陰極電離真空規(guī)燈絲阻值確定，其溫度漂移特性盡量低以滿足后級模擬發(fā)射電流源使用條件，同時其額定功率需滿足模擬熱陰極電離真空規(guī)熱陰極燈絲工作狀態(tài)的需求。例如，在模擬ZJ-12熱陰極電離真空規(guī)時可選用與其熱陰極燈絲電特性相似的電阻，具體參數(shù)為：阻值1 Ω、額定功率5 W、精度0.10%、溫度漂移0.05 ‰/℃。

由于燈絲加熱功率正比于其發(fā)射電子效率，即PRc∝Ie，同時熱發(fā)射效率高的燈絲材料電阻率通常具有較高的溫度系數(shù)，所以在實(shí)際熱陰極電離真空計(jì)設(shè)計(jì)中，需采用恒功率源對燈絲加熱而非恒壓源或恒流源。本文提出的方案采用低溫漂電阻模擬燈絲，加載在電阻上的功率與其兩端電壓的平方成正比，即URc2∝PRc∝Ie。

電參數(shù)校準(zhǔn)裝置僅用于對熱陰極電離真空計(jì)的電參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)熱陰極電離真空規(guī)的輸入信號與調(diào)制輸出的發(fā)射電流間的傳遞函數(shù)為單調(diào)連續(xù)的，且發(fā)射電流在熱陰極電離真空計(jì)反饋調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，熱陰極電離真空計(jì)可通過反饋將發(fā)射電流調(diào)節(jié)到設(shè)定點(diǎn)。因此可以使用電壓有效值檢測電路替換功率檢測電路以簡化裝置，為同時兼容燈絲直流加熱和交流加熱兩種方式，采用電壓有效值檢測芯片U1（如AD536、AD637等）對URc的有效值進(jìn)行采樣，并利用由U2、Q1、R1構(gòu)成的V-I轉(zhuǎn)換電路將采樣電壓線性轉(zhuǎn)換為電流以模擬發(fā)射電流，其輸出范圍為0 mA至待模擬熱陰極電離真空規(guī)最大發(fā)射電流值。考慮到實(shí)際熱陰極電離真空規(guī)燈絲加熱電流與發(fā)射電流之間存在一定的時間延遲，裝置在電壓有效值采樣后增加由電容Cd和電阻Rd組成的延時環(huán)節(jié)，可通過調(diào)整電容Cd和電阻Rd的值以模擬不同型號的熱陰極電離真空規(guī)。被校熱陰極電離真空計(jì)會根據(jù)發(fā)射電流反向調(diào)節(jié)燈絲加熱功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流恒定的功能。通過熱陰極電離真空規(guī)模擬電路和熱陰極電離真空計(jì)內(nèi)部電路相配合可將模擬發(fā)射電流穩(wěn)定在待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)設(shè)定的發(fā)射電流值處。此外，針對不同熱陰極電離真空規(guī)具有不同發(fā)射電流值的特點(diǎn)，通過程控切換電阻R1調(diào)節(jié)發(fā)射電流，使其可模擬各類被校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)的配套熱陰極電離真空規(guī)。

模擬離子電流源S1輸出標(biāo)準(zhǔn)電流模擬熱陰極電離真空規(guī)收集極離子電流，輸出范圍為0 mA至待模擬熱陰極電離真空規(guī)最大離子電流值。在模擬ZJ-12熱陰極電離真空規(guī)電特性時，考慮到實(shí)際離子電流為1.0×10-12～1.0×10-4A，裝置中模擬離子電流源輸出范圍為1.0×10-12～1.0×10-9A（最大相對誤差為4.0%）和1.0×10-9～1.0×10-4A（最大相對誤差為0.80%）。裝置中模擬離子電流源采用16位DAC和寬量程V-I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，通過控制D/A電壓輸出值和V-I轉(zhuǎn)換電路量程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)離子電流的連續(xù)可調(diào)輸出。

電參數(shù)校準(zhǔn)裝置內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓表利用量程切換電路和高分辨率ADC實(shí)現(xiàn)，用于測量待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)的柵極電壓和陰極電壓，測量范圍分別為150～250 V、20～50 V，適應(yīng)各類熱陰極電離真空規(guī)，最大相對誤差為0.10%。電參數(shù)校準(zhǔn)裝置內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電流表利用采樣電阻、信號調(diào)理電路和ADC實(shí)現(xiàn)，用于測量待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)的發(fā)射電流，測量范圍為 50μA～5 mA，最大相對誤差為0.10%。

根據(jù)GJB/J 3416-98中電參數(shù)校準(zhǔn)裝置用電壓表、電流表和電流源的最大允許相對誤差要求和電參數(shù)校準(zhǔn)裝置原理，設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Structure of the electrical parameters calibration device

按照功能劃分，該電參數(shù)校準(zhǔn)裝置可分為輸出模塊、測量模塊、控制模塊、電源電路和接口轉(zhuǎn)換及保護(hù)電路。其中，MCU控制器采用ATMEL的ATmega128單片機(jī)，具備多組I/O接口、Flash、EEPROM、USB控制器等功能配置；輸出模塊以16位DAC為核心，通過后級信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓或標(biāo)準(zhǔn)電流輸出；測量模塊以20位ADC為核心，通過調(diào)理電路將待測電流信號或電壓信號轉(zhuǎn)化為可被ADC直接采樣的合適電壓信號。工作電源包括數(shù)字電源和模擬電源，均采用線性穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電源輸出+5 V工作電壓，為MCU、按鍵顯示和通信接口等數(shù)字電路供電。模擬電源包括+12 V、-12 V和+5 V三組輸出，為運(yùn)算放大器、高精度電壓基準(zhǔn)、ADC、DAC等模擬電路供電。接口轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器組構(gòu)成，用于解決不同廠家型號熱陰極電離真空計(jì)接口接插件相同但引腳定義不同的問題，由MCU根據(jù)熱陰極電離真空計(jì)型號自動配置，接口轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部還包括輸入輸出過壓過流保護(hù)電路。

綜上所述，提出電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的總體指標(biāo)如表1所列，各項(xiàng)指標(biāo)滿足GJB/J 3416-98中的相關(guān)要求[10]。熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置實(shí)物如圖5所示。

表1 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Technique target of hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

圖5 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖Fig.5 Hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

3 測試結(jié)果及不確定度評定

裝置完成后，使用多功能標(biāo)準(zhǔn)源和數(shù)字靜電計(jì)參照GJB/J 3416-98、JJG315-1983、JJG598-1989對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，校準(zhǔn)結(jié)果如表2所列。

為了在日常計(jì)量檢定工作中能夠準(zhǔn)確的表征電離真空計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的可信程度，對熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的不確定度進(jìn)行了評定。

柵極電壓和陰極燈絲電壓直接使用裝置內(nèi)部電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度是由裝置內(nèi)部電壓表測量的。根據(jù)表2中校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果，測量柵極電壓時，電壓表測量范圍150～250 V，最大相對誤差為0.08%，可知測量可能值區(qū)間半寬度α為0.08 V。取包含因子k=2，則柵極電壓測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

表2 電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Calibration results of the electrical parameters calibration device

測量陰極燈絲電壓時，電壓表測量范圍20～50 V，最大相對誤差為0.07%，同理可求得陰極燈絲電壓測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)的發(fā)射電流由電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的內(nèi)部模擬發(fā)射電流源提供，發(fā)射電流校準(zhǔn)的不確定度由內(nèi)部模擬發(fā)射電流源輸出電流不確定度和內(nèi)部電流表電流測量不確定度合成。對于電參數(shù)校準(zhǔn)裝置內(nèi)部模擬發(fā)射電流源，其電流輸出范圍為50μA～5 mA，最大相對誤差為0.10%，可知其區(qū)間半寬度α=4.95×10-6A。

取包含因子k=2，則該模擬發(fā)射電流源輸出電流的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

裝置內(nèi)部電流表用于測量待校準(zhǔn)電離真空計(jì)的發(fā)射電流，其測量范圍為50μA～5 mA，最大相對誤差為0.06%，同理可以求得發(fā)射電流測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

根據(jù)不確定度傳播律，熱陰極電離真空計(jì)發(fā)射電流校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

電參數(shù)校準(zhǔn)裝置模擬離子電流源為待校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)提供離子電流以校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)內(nèi)部電流表，裝置內(nèi)部模擬離子電流源按輸出電流范圍劃分為兩部分電路，其中：

（1）輸出電流范圍1.0×10-12～1.0×10-9A，最大相對誤差為3.1%，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）輸出電流范圍1.0×10-9～1.0×10-4A，最大相對誤差為0.8%，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

根據(jù)校準(zhǔn)過程中所使用的多功能標(biāo)準(zhǔn)源和數(shù)字靜電計(jì)的不確定度，本裝置相對擴(kuò)展不確定度如表3所列（取包含因子k=2）。

表3 電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的相對擴(kuò)展不確定度Tab.3 Relative expansion uncertainty of the device

4 實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果

確定電參數(shù)校準(zhǔn)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求并完成裝置的不確定度分析后，分別使用本電參數(shù)校準(zhǔn)裝置和實(shí)驗(yàn)室搭建的傳統(tǒng)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置對成都正華ZDF-III-LED復(fù)合真空計(jì)的電離部分進(jìn)行電參數(shù)校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所列。

表4 成都正華ZDF-III-LED電參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證Tab.4 Calibration results verification with electrical parameters of ZDF-III-LED

對于離子流放大器的校準(zhǔn)，通常以電參數(shù)校準(zhǔn)裝置輸出標(biāo)準(zhǔn)離子電流值和被校準(zhǔn)熱陰極電離真空計(jì)的離子流示值的相對誤差衡量。圖6所示為使用新型電參數(shù)校準(zhǔn)裝置和傳統(tǒng)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置對成都正華ZDF-III-LED復(fù)合真空計(jì)的離子流放大器進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果。由校準(zhǔn)結(jié)果可知，新型電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果與傳統(tǒng)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果具有較好的一致性。目前，該電參數(shù)校準(zhǔn)裝置已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室熱陰極電離真空計(jì)的電參數(shù)校準(zhǔn)工作中。

圖6 成都正華ZDF-III-LED離子流放大器校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證Fig.6 Calibration results verification with ion current meter of ZDF-III-LED

5 結(jié)論

通過對熱陰極電離真空計(jì)及其電參數(shù)校準(zhǔn)裝置的原理分析，提出一種使用電路模擬熱陰極電離真空規(guī)電特性的方法，通過功率檢測和電流源電路模擬熱陰極電離真空規(guī)發(fā)射電流特性與程控電流源模擬熱陰極電離真空規(guī)離子電流特性，并基于該方法研制了新型熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置。

該裝置可以利用電路模擬多種熱陰極電離真空規(guī)，在校準(zhǔn)不同型號熱陰極電離真空計(jì)時無需安裝或更換熱陰極電離真空規(guī)，無需更換接線，不存在誤觸柵極高壓電極的風(fēng)險，使校準(zhǔn)過程更加安全，有效解決了以往熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置存在的無法脫離熱陰極電離真空規(guī)、不適用于現(xiàn)場校準(zhǔn)等問題。此外，通過電路模擬熱陰極電離真空規(guī)電特性的方法可以進(jìn)一步應(yīng)用于采用熱陰極電離源的真空儀器的測試中，為簡化其研發(fā)過程中調(diào)試難度提供了新思路。