冷电离规VS热电离规

每个高真空和超高真空系统都依赖某种形式的电离规，在10 -3 Torr 下进行压力测量。当前有两种竞争的电离规技术，可以选择-热阴极压力计（HCG）和冷阴极压力计（CCG）。每个量规类型有其自身的优缺点。最佳选择需要仔细考虑，两种压力表的操作特性均取决于应用。

介绍

10 -2至10 -10托之间的压力测量有以下两种：

1.在热阴极规（HCG）中，来自热灯丝的电离电子被通过合适的电极加速进入电离空间。

2.在冷阴极规（CCG）中，电场和磁场作用后产生回旋电子后电离化气体分子等离子体被困在交叉的电场和磁场中。在两种情况下，由于收集正离子而产生的电流与气体密度和压力的间接相关。

热阴极规（HCG）

大多数市售HCG都是Bayard-Alpert设计的，其工作原理公式为PV=nRT。Bayard-Alpert规（BAG）将热丝中的电子沸腾并使之加速朝向圆柱形网格笼。它们与电离的气体分子碰撞他们中的一些。位于电离体积中心的细金属丝收集产生的阳离子产生的电流与仪表的气体密度成比例。在恒定温度下，集电极电流与气体压力成线性关系。常规BAG的有用工作范围在10 -3至10 -10托之间，特殊量规设计可将超高压应用的下限扩展到10 -11 Torr，或将上限扩展到10 -11 Torr。集电极电流对压力的严格线性依赖性是最重要的条件之一。HCG优于竞争性电离技术的优势。通常有可能近似BAG对一条直线的“集电极电流与压力”响应，并且从单个线性比例因子（即灵敏度因子）计算压力存储在仪表控制器中。在中间范围校准的灵敏度因子可用于在10 -9至10 -4托之间的准确且可重现的压力测量值。偏差线性度在整个有效动态范围内通常小于±25％。

通常认为BAG比CCG更加准确，稳定和可重复。在受控的真空条件下，BAG校准的重现性可达到不间断运行中达到2％。重复性为1-2％，受限于不可控制的随机灵敏度变化。但是，并非所有BAG都是相同的并预期从轨距到轨距以及长期稳定性在“真实”系统中使用的商业设备。测量精度优于±50％需要校准各个量规的响应。由于电离效率的变化，BAG读数取决于气体，通常是针对氮气进行了校准（氩气也是半导体加工中的常用选择）。可以从真空文献中轻松获得的气体校正因子可用于校正其他气体的仪表读数。任何BAG，都取决于其过去的操作历史和操作箱中的精确气氛真空系统，既可以作为气体的源（除气），也可以作为气体的下沉（抽气）。它的操作可能会导致系统中的气体成分发生重大变化。相对的这些影响的重要性取决于整体真空系统的特性和运行条件。例如，压力和气体成分的变化是由于在小型超高压系统中，泵送或除气将相对更为重要抽速低，比扩散较大的大型工业真空泵。同样，仪表和主腔之间的任何压力梯度都会取决于连接两者的管的电导率，当量规直接插入室中（即裸BAG）。发射1 mA电流的典型灯丝的功率要求在10到15 W之间。这足以导致仪表元件和周围环境产生热脱气，影响低压测量的气体成分和可靠性。即使是大型真空系统中的压力也要由单一气体释放的气体所控制。

如果未对此类压力计进行适当的除气，则HCG及其附近环境会发生变化。HCG的遇到的他们的问题在大多数≈ 10 -10乇，其中X射线限制，电子激发解吸（ESD）和除气为仪表的实用性设置了限制。仪表的脱气和烘烤可以最大程度地减少ESD和脱气的影响。如果没有烘烤和/或除气，BAG的最终精度可能会受到严重影响。X射线极限可提供残留的集电极电流可与常规仪表中10 -10托气体的离子信号相比。特别裸体规设计，具有减小的集电极和栅格线直径以及封闭式栅格，需要将剩余电流的大小减小到10 -11 Torr级别。气体分子与热丝的反应会严重影响组成BAG中的气体，压力测量的可靠性。此效果必须在低压下进行高精度测量时也要考虑外壳的气体渗透，尤其是氦气和其他轻气体的渗透HCG的使用寿命通常由灯丝寿命决定。这是到目前为止，高真空用户选择“无丝”冷阴极规的主要原因（CCG）超过BAG。但是，除非受到离子轰击的损坏，除非高压操作或化学作用，否则灯丝寿命可能长达数千小时，因此在大多数情况下，灯丝寿命不是重要的考虑因素。尤其是在ThO 2 Ir灯丝以及有自动保护灯丝的控制器在打开HCG要等一会儿才能获得有意义的读数。它必须等待量规及其周围环境的热平衡。取决于在要测量的压力和压力计的系统设计，可能需要烘烤和/或脱气才能完成。再好的控制器也必须作为BAG测量的一部分系统。已知控制器会给BAG添加多达±15％的误差。

运行BAG所需的电子设备通常（1）更复杂，（2）需要更多的电力，并且（3）的尺寸要比操作CCG所需的更大。通过适当的系统设计轻松消除，包括玻璃罩和合适的连接器电缆和良好的接地。

冷阴极规（CCG）

多种CCG用于真空测量，包括Penning，磁控管，反向磁控管和双反向磁控管。所有CCG均利用交叉的电场和磁场捕获电子。高电压范围为2-6 kV，磁场为1-2 kG。电子等离子体，负责电离，是由于电子在阴极上的随机释放引起的直接或间接地通过宇宙射线，场发射，光子，放射性或某些其他事件。放电会在电离体积内部缓慢建立，直至达到新电子进入等离子体受到空间电荷排斥的限制。在压力下低于10 -4 Torr，放电实际上是纯电子等离子体。电子移动在摆线跳跃中，绕阳极旋转，在每次跳跃的一部分中足够的能量通过电子碰撞电离使气体分子电离。碰撞的可能性与气体密度成正比。产生的慢离子迅速被阴极捕获。该离子收集过程产生的电流为测量并用作气体密度和压力的间接指示。CCG的典型工作范围在10 -2至10 -9托之间。某些特殊规格的下端已扩展到10 -11托，但仅具有边际准确性。声称商用CCG可以衡量总压力低于10 -9托时，应格外小心！

当电流过大以至于达到CCG的压力上限电极的加热和溅射成为问题。这设置了通常的限制10 -4托。

离子感应电流与腔室内的压力不成线性关系。而是由于存在虚假的不连续性，关系是指数级且复杂的电流与压力的关系曲线。间断的数量和大小取决于量规设计，倒置磁控管最不容易受到该问题的影响。经常在看似相同的量规之间出现量规差异，这是观察到不连续性在连续校准之间消失的现象很常见。

从那时起，消除不连续性一直是CCG设计人员的主要挑战。电流和压力之间的非线性关系，不利之处在于使压力测量的可靠性复杂化，特别是低于10 -9托。在10 -4到10 -9 Torr之间，指数通常相当恒定，接近设置为1.0，并通过对数检测器或查找表对用户隐藏。

在10 -9和10 -10 Torr之间，指数通常会突然转变为更高的值（1.25或更高）。指数突然而虚假的变化需要采取特殊的预防措施，解释了更明显的对数响应，只有边际精度是通常可能在10 -9 Torr以下。没有以下CCG读数气体依赖性和气体校正因子是不一样的通常，CCG被认为不如HCG准确，并且并非建议作为高真空转移标准。重复性约为±5％，并且对于倒置的磁控管，传感器之间的匹配度在20％至25％之内。制造商通常，对于新的（干净的）量规，将精度指定为两倍以内。每当需要更高的精度，必须校准特定的电子管/控制器组合违反诸如旋转转子规或高精度BAG之类的传输标准。校准比HCG中更为复杂，因为非线性电流与压力响应和校准曲线中存在间断。稳定在干净，低压的情况下。但是，污染可能导致CCG失效，就像HCG一样。泵油通过放电而聚合，并在电极上形成绝缘膜。溅射引起的金属蒸气会导致绝缘体泄漏。大多数CCG可以由用户在现场拆卸和维修，以使其恢复正常运行当它们被污染时。CCG对抽油机反应非常快。通常，它们得出的读数稳定在10 -3至10 -7托之间的压力循环期间，比HCG更快。也没有灯丝烧坏。没有热丝也使除气少了问题。

与HCG相比，脱气率通常要低得多且可预测。由于输入功率很低并且没有内部电源，因此无需脱气加热导致局部脱气。测得的抽速也很低（与HCG相比），因此压力测量误差通常在只要为真空系统提供足够的管道，就可以忽略不计。剩余的在基本上没有X射线和X射线的CCG中，在超高真空系统水平上电流没有ESD效应。在需要频繁抽空至很少或很少有低压的应用中没有脱气的机会，CCG的读数可能会非常接近真实值腔室压力高于HCG读数。CCG通常比HCG更受重视材料除气研究等应用。对外部产生的磁场的灵敏度通常远低于非屏蔽HCG，通常在正常实验室条件下不是问题。对现代CCG产生的杂散磁场的担忧大多没有根据。

不利的一面是，CCG很难启动。CCG中的放电无法开始（即撞击）施加高电压的瞬间。“打击”时间因仪表而异衡量。该延迟范围从10 -6 Torr的秒到10 -10 Torr的小时。辅助的通常由（1）个边缘发射器，（2）放射源或（3）紫外线灯组成的“撞击器”，包括在现代仪表设计中以大大减少该问题。

问题是否可以在抽气期间在压力达到10 -5或10 -6托之前打开CCG。如果来自任何其他电离源的电荷，仪表也可以快速启动可以达到规格。CCG开启后，读数在很短的时间内有意义，比灯丝发射后HCG稳定所需的时间更快成立。

操作CCG所需的电子设备通常更简单，更便宜比HCG的高。CCG控制器仅提供所需的高压，测量同一回路中的电流。小型永磁体用于设定磁场。通常限制高压电源中的电流量降低到0.1 mA，以减少严重电击的危险。通常有可能将仪表总成和低功率（即<1 W）电子设备封装在包装中CCG通常为全金属结构，接触时不会发烫。

结论

HCG和CCG都能够测量10 -2到10 -10托之间的压力。它们都产生气体相关的读数。BAG的最终精度优于CCG。但是，由于通常需要脱气，烘烤和/或脱气以实现全部优势。在大多数情况下，HCG还需要更长的延迟才能获得稳定的读数。对于涉及连续抽空至低压的应用，如果没有机会进行脱气或烘烤，CCG可能是遵循的最佳选择腔室压力实时。HCG比CCG更容易校准，因为它们对压力的线性响应。校准曲线中的虚假不连续也会影响CCG的读数。灯丝寿命通常会限制HCG的使用寿命。但是，在大多数情况下，在应用中，灯丝寿命是连续运行数年。CCG的启动可能会延迟，尤其是在低压下，CCG也可以是在抽空期间以较高的压力打开。