超高真空(UHV) 范圍定義為10^-5Pa～10^-9Pa ,極高真空(XHV)范圍定義為低于10^-9Pa。超高/極高真空(UHV/XHV) 測量指的是低于10^-5Pa 范圍內(nèi)的壓力測量。

　　UHV/XHV測量不僅是一個具有較高學(xué)術(shù)價值的前沿課題,而且實用價值也將越來越大。例如,隨著航天技術(shù)的發(fā)展特別是深空探測活動的開展,需要對行星際空間(推測最低壓力約10^-13Pa)、恒星際空間(推測最低壓力約10^-18Pa)和月球表面(月面壓力最低可達10^-10Pa)的極高真空環(huán)境進行直接探測,要求解決極高真空測量技術(shù)問題。

　　從真空測量技術(shù)的發(fā)展過程可以看出,雖然出現(xiàn)過各種各樣的真空規(guī), 但最有希望解決UHV/XHV測量的還是電離型真空規(guī)(簡稱電離規(guī))。電離規(guī)有2種類型,即熱陰極電離規(guī)和冷陰極電離規(guī)。在熱陰極電離規(guī)中,電離電子源是一個發(fā)射陰極;在冷陰極電離規(guī)中,電離電子源是交叉電磁場中循環(huán)的空間電子電荷。

　　電離規(guī)已廣泛應(yīng)用于10^-1Pa 至最低所能達到的壓力范圍的測量。然而,電離規(guī)的測量下限受到一些因素的限制,其中主要因素包括如下幾個方面:

　　(1) X射線效應(yīng)。電離規(guī)中陰極發(fā)射的電子打到柵極后使柵極發(fā)出X射線,這種X 射線照射到離子收集極時,將產(chǎn)生光電子發(fā)射,光電子流與離子流方向相同,從而在離子收集極上產(chǎn)生一個與壓力無關(guān)的本底電流。當(dāng)壓力很低時,離子收集極上的信號中本底電流占較大成分,就限制了電離規(guī)的測量下限。

　　(2) 電子激勵脫附(ESD)效應(yīng)。在電離規(guī)中,常有活性氣體吸附在柵極上,電子打上柵極時,不僅產(chǎn)生X射線,而有一部分電子與柵極上吸附的氣體分子碰撞,使氣體分子電離解吸、中性解吸和激發(fā)解吸,釋放出正離子、中性分子和受激原子,這一過程稱為電子激勵脫附。其中正離子可被收集極接收而成為與壓力無關(guān)的本底電流,中性分子可使電離規(guī)中的壓力上升。

　　(3) 高溫?zé)彡帢O效應(yīng)。電離規(guī)中的高溫?zé)彡帢O效應(yīng)有如下三方面的表現(xiàn):高溫陰極本身的熱出氣效應(yīng)、高溫陰極的熱輻射引起的其附近電極和器壁的出氣效應(yīng)和陰極本身的飽和蒸汽壓效應(yīng)。

　　隨著人們對限制電離規(guī)測量下限的各種因素的物理過程的深入了解,為消除這些限制因素指明了方向,并已發(fā)展了多種極高真空電離規(guī),目前商品化極高真空電離規(guī)的測量下限已達到5×10^-11Pa。本文將對近50多年來在極高真空測量方面所取得的重要進展進行總結(jié)分析。

1、UHV/XHV測量研究進展

1.1、熱陰極電離規(guī)

　　自從1916年O. E.Buckley發(fā)明了圓筒型三極式熱陰極電離規(guī)以來,它的測量下限一直被限制在10^-5Pa 。1947年Nottingham發(fā)現(xiàn)了熱陰極電離規(guī)中的X射線效應(yīng),在接下來的3 年里,Nottingham、Lan-der 、Metson等試圖研制一種電離規(guī)以減小X射線效應(yīng),但都沒有獲得成功。1950年Bayard-Alpert 提出了B-A規(guī)的結(jié)構(gòu)(見圖1) ,把三極式電離規(guī)中的燈絲和離子收集極位置交換,并把離子收集極改成一根金屬絲安裝在軸線上,把暴露在X 射線下的收集極面積減小了1000倍左右,從而使光電流降低約1000 倍,并基本上保持了靈敏度與圓筒型相同,從而將B-A規(guī)的測量下限延伸到10^-8Pa 量級的超高真空范圍 。

圖1 　B-A規(guī)　　圖2 　調(diào)制B-A規(guī)

　　1960年Redhead為了進一步減小X 射線效應(yīng),研制出了調(diào)制B-A規(guī) 。調(diào)制B-A規(guī)是在B-A規(guī)的柵網(wǎng)中,增加了一個細絲電極,叫調(diào)制極(見圖2) 。如果調(diào)制極上電壓有時等于柵極電壓,有時等于收集極電壓,那么就能調(diào)制收集極上接收的離子流的大小,而這種調(diào)制對收集極上接受的X光電流基本上沒有作用。但進一步研究又發(fā)現(xiàn)調(diào)制技術(shù)帶來了一些新的問題。比如,調(diào)制系數(shù)隨著發(fā)射電流而變,并與氣體成分有關(guān);對殘余電流也有調(diào)制作用等。由于調(diào)制技術(shù)帶來新的問題,所以它只能把測量下限擴展1～2個量級。

　　1962年Schuman將抑制技術(shù)應(yīng)用到B-A規(guī)中,研制出抑制規(guī) 。抑制規(guī)較B-A規(guī)改進之處是把離子收集極移出了電離區(qū)(即移出柵極)(見圖3)。為了增大收集離子的效率,把絲狀收集極改成圓片狀,并用屏蔽盒將它包圍起來,在收集極的前方增加一個比收集極電位低的抑制極,迫使X 射線在收集極上產(chǎn)生的光電子返回收集極,從而減小X 射線效應(yīng)。在后來的研究中發(fā)現(xiàn),在抑制規(guī)中還存在反射X射線,即部分反射的X射線打中抑制極,使抑制極發(fā)射光電子,這些光電子在電場作用下,加速到達離子收集極而形成一個負的殘余電流,故抑制規(guī)尚不能測量低于10^-10Pa 的壓力。抑制技術(shù)在以后的很多規(guī)中都得到了應(yīng)用。

圖3 　抑制規(guī)　　圖4 　分離規(guī)

　　1962年Redhead發(fā)現(xiàn)在熱陰極電離規(guī)中存在ESD效應(yīng),并對其機理和理論作了更詳盡的研究。前面已經(jīng)提到,當(dāng)柵極表面吸附一層化學(xué)活性氣體(O₂ 、H₂ 、H₂O、CO等)時,受到電子碰撞,會解吸出正離子或中性分子(或原子) 。ESD產(chǎn)生的正離子流I+ESD與氣體壓力P和電子流Ie不成正比關(guān)系,更大地取決于柵極表面的活性氣體的覆蓋程度和柵極溫度,也與空間活性氣體的分壓有關(guān)。I+ESD不是一個常數(shù),因此無法用一般方法消除。ESD離子的能量因其從柵極表面解吸出來時具有一定的初能(～5eV- 7eV) ,所以要比空間氣相離子的能量高。Redhead有關(guān)ESD理論指出,處于極高真空條件下,柵極原先吸附的分子解吸后,就不存在再吸附而處于吸附- 解吸非平衡態(tài),如果采取極嚴格的出氣處理,徹底地清除掉柵極上的吸附分子層,就不會再被污染,因而也就消除了ESD效應(yīng)的根源。Watanabe后來的試驗也證實了這一點:將柵極加熱至約550 ℃,可使柵極表面吸附的氣體量最小, 從而降低ESD效應(yīng)。