專利名稱:電離規(guī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種氣體壓強(qiáng)測(cè)量器件,尤其涉及一種電離規(guī)。
背景技術(shù):
當(dāng)代科技發(fā)展迅猛,在許多高新技術(shù)領(lǐng)域都需要真空環(huán)境,而真空測(cè)量 是其中必不可少的重要環(huán)節(jié)。電離規(guī)是測(cè)量氣體壓強(qiáng)即真空度的 一種重要器 件。傳統(tǒng)的電離規(guī)包括陰極、柵極及離子收集極三個(gè)基本的組成部分。
電離規(guī)的工作原理為在 一定的氣體壓強(qiáng)真空環(huán)境下,電子從陰極發(fā)射出
來,在電場(chǎng)中往返運(yùn)動(dòng),最終撞擊在柵極上并產(chǎn)生柵極電流Ie。在電子在電 場(chǎng)的往返過程中,電子會(huì)電離氣體分子從而產(chǎn)生帶正電的氣體離子,這種帶 正電的氣體離子被收集極吸收,產(chǎn)生電流Ii。柵極所接受的電流Ie、收集極 所接受的電流Ii與真空環(huán)境的壓強(qiáng)P之間的關(guān)系為
P=(K-1 x Ii)/Ie (1) 其中,K是一個(gè)固定的比例系數(shù),稱為電離規(guī)的靈敏度。電離規(guī)的靈敏度是 電離規(guī)的固有性質(zhì),可以通過標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)校準(zhǔn)該電離規(guī)而得知該靈敏度。通 過測(cè)量柵極電流Ie和離子收集極離子流Ii就可以得出被測(cè)環(huán)境的壓強(qiáng)。
然而,在上述電離規(guī)的工作過程中,電子撞擊在柵極上的同時(shí),會(huì)使柵 極發(fā)出X射線,其中部分X射線會(huì)照射在收集極上,由于光電效應(yīng)使收集 極發(fā)射出電子,這就等效于收集極測(cè)量到了 一個(gè)與真空壓強(qiáng)無關(guān)的離子電流 Ix,根據(jù)公式(l),此離子電流對(duì)應(yīng)于大小為(K"xIx)/le的虛擬壓強(qiáng)Px,電
離規(guī)實(shí)際所測(cè)量的壓強(qiáng)為真空環(huán)境的壓強(qiáng)P與虛擬壓強(qiáng)Px的和,因此,這 個(gè)虛擬壓強(qiáng)Px限制了電離規(guī)的低壓測(cè)量極限。
P.A.Redhead等人提供一種分離電離規(guī)(請(qǐng)參見"New Hot-Filament Ionization Gauge With Low Residual Current",RA.Redhead, The Journal Of Vacuum Science And Technology, Vol3, PI73 ( 1966 ))。該分離電離規(guī)采用 一個(gè)擋板放在收集極前面,以擋住一部分X射線,這種方法可以一定程度的降低電離規(guī)的測(cè)量下限。但是,該分離電離規(guī)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,制作成本 較高,且該分離電離規(guī)的測(cè)量下限并不能滿足太空科技、超低溫和巨型粒子 加速器等有更高真空的場(chǎng)合或封閉器件的要求。
另外,現(xiàn)有技術(shù)中的上述電離規(guī)一般采用金屬材料作為柵極,由于金屬 材料密度較大,因此電離規(guī)的質(zhì)量較大,在一些實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定的限制。
因此,確有必要提供一電離規(guī),該電離規(guī)比同結(jié)構(gòu)的其他電離規(guī)具有較 低的真空壓強(qiáng)測(cè)量下限,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且質(zhì)量較小。
發(fā)明內(nèi)容
一種電離規(guī),該電離規(guī)包括陰極、柵極和離子收集極,該柵極設(shè)置于該 陰極與該離子收集極之間,陰極、柵極和離子收集極間隔絕緣設(shè)置,其中, 所述柵極包括一碳納米管結(jié)構(gòu)。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本技術(shù)方案所提供的電離規(guī)存在以下優(yōu)點(diǎn)其一,電 離規(guī)的柵極采用碳納米管結(jié)構(gòu),可降低X射線的產(chǎn)生,進(jìn)而降低由X射線 產(chǎn)生的與真空壓強(qiáng)無關(guān)的離子電流Ix,因此,該電離規(guī)具有較低的真空壓強(qiáng) 測(cè)量下限;其二,由于作為柵極的碳納米管的密度較低,質(zhì)量輕,因此所述 電離規(guī)的質(zhì)量相對(duì)較小,可方便應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
圖1為本技術(shù)方案第一實(shí)施例所提供的電離規(guī)的側(cè)視截面結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為本技術(shù)方案第 一實(shí)施例所提供的電離規(guī)的俯視截面結(jié)構(gòu)示意圖; 圖3為本技術(shù)方案第一實(shí)施例所提供的束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的 示意圖4為本技術(shù)方案第一實(shí)施例所提供的絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)的 示意圖5為本技術(shù)方案第 一實(shí)施例所提供的束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線的掃描 電鏡照片;
圖6為本技術(shù)方案第一實(shí)施例所提供的絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線的掃描 電鏡照片;
圖7為本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例所提供的碳納米管薄膜的掃描電鏡照片;圖8為本技術(shù)方案第二實(shí)施例所提供的電離規(guī)的側(cè)視截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 請(qǐng)參閱圖l,本技術(shù)方案第一實(shí)施例提供一種電離規(guī)100,該電離規(guī)100 包括一外殼120及設(shè)置于該外殼120內(nèi)的線狀陰極102、柵極104和離子收集極 106。該線狀陰極102設(shè)置于外殼120內(nèi)部的中心位置,該柵極104環(huán)繞于線狀 陰極102的外側(cè),離子收集極106環(huán)繞于4冊(cè)極104外側(cè)。柵極104及離子收集極 106分布于以線狀陰極102為軸心的同心圓上。該柵極104位于陰極102與離子 收集極106之間,陰極102、柵極104與收集極106分別間隔絕緣設(shè)置。線狀陰 極102與柵極104的距離為1毫米至8毫米,線狀陰極102與離子收集極106的距 離為10毫米至15亳米。該電離規(guī)100進(jìn)一步包括三個(gè)電極引線122,該三個(gè)電 極引線122的一端分別與陰極102,柵極104和離子收集極106連接,另一端延 伸至外殼120外。
外殼120是一半封閉結(jié)構(gòu),具有一開口端124。外殼120的材料為玻璃等 絕緣材料。外殼120的具體形狀不限,可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中,外 殼120為一中空的類圓柱體。
請(qǐng)參閱圖2,該線狀陰極102包括熱發(fā)射陰極或場(chǎng)發(fā)射陰極。本實(shí)施例中, 線狀陰極102為一場(chǎng)發(fā)射陰極,其包括線狀導(dǎo)電基體108及設(shè)置在線狀導(dǎo)電基 體108表面的電子發(fā)射層110。線狀導(dǎo)電基體108可選擇為鎳、鵪、銅等材料制 成的導(dǎo)電金屬絲。線狀導(dǎo)電基體108直徑的范圍為0.2毫米至2毫米,優(yōu)選為0.3 毫米。電子發(fā)射 層110為包括電子發(fā)射體的層狀結(jié)構(gòu),其厚度為IO微米-IOO 微米。電子發(fā)射層110中的電子發(fā)射體包括金屬微尖、硅尖或碳納米管,也可 以采用其它電子發(fā)射體。電子發(fā)射體可通過熱熾能等方法固定于線狀導(dǎo)電基 體108的表面,形成電子發(fā)射層IIO。本實(shí)施例中,優(yōu)選地,將一碳納米管漿 料均勻涂敷于線狀導(dǎo)電基體108上,通過一定的燒結(jié)工藝及表面處理工藝,形 成電子發(fā)射層IIO。該碳納米管漿料包括質(zhì)量百分比為5 15%的碳納米管、 10~20%的導(dǎo)電金屬微粒、5%的低熔點(diǎn)玻璃及60~80%的有機(jī)載體。該柵極104包括由碳納米管形成的線狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu),該線狀結(jié)構(gòu)或?qū)?狀結(jié)構(gòu)的柵極104環(huán)繞于線狀陰極102的外側(cè)。當(dāng)柵極104為一線狀結(jié)構(gòu)時(shí),該 線狀柵極104包括一碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu),該碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)以線狀陰極102 為軸心螺旋環(huán)繞于線狀陰極102的外側(cè),其螺距為100微米-1厘米。
所述碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)包括至少一根碳納米管長(zhǎng)線,進(jìn)一步地,該碳納 米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)包括由至少兩個(gè)碳納米管長(zhǎng)線平行無間隙設(shè)置形成的束狀結(jié) 構(gòu)或相互螺旋纏繞形成的絞線結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖3,所述束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管 長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)28包括平行無間隙設(shè)置的多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線30,相鄰的碳納米管 長(zhǎng)線之間通過范德華力相互連接。請(qǐng)參閱圖4,所述的絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管 長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)28包括相互螺旋纏繞多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線30,相鄰的碳納米管長(zhǎng)線 之間通過范德華力和機(jī)械力相互連接。
所述碳納米管長(zhǎng)線30包括多個(gè)首尾相連的碳納米管片斷,所述碳納米 管片斷包括多個(gè)碳納米管。依據(jù)制備方法的不同,碳納米管長(zhǎng)線30可為束 狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30或絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30。請(qǐng)參見圖5,圖5 為圖3或圖4中的束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30的掃描電鏡照片,該束狀結(jié) 構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30中的碳納米管片斷包括多個(gè)沿同一方向擇優(yōu)取向排列 的碳納米管。請(qǐng)參閱圖6,圖6為圖3或圖4中的絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線 30的掃描電鏡照片,該絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30中的碳納米管片斷包括 多個(gè)以碳納米管長(zhǎng)線30的軸線為中心螺旋排列的碳納米管。所述的束狀結(jié) 構(gòu)或絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長(zhǎng)線30中,相鄰的碳納米管片斷之間通過范德華 力緊密結(jié)合。所述碳納米管長(zhǎng)線30的直徑為l微米-1000微米。
可以理解,碳納米管長(zhǎng)線30中的碳納米管的排列方式不限,碳納米管 之間可以通過一定方式,如相互纏繞或通過范德華力相互結(jié)合,只需確保該 碳納米管長(zhǎng)線30具有一定的機(jī)械強(qiáng)度且導(dǎo)電性良好即可。
當(dāng)柵極104為一層狀結(jié)構(gòu)時(shí),該層狀柵極104包括多個(gè)上述碳納米管長(zhǎng) 線結(jié)構(gòu)編織形成的層狀結(jié)構(gòu)或 一 碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)。
具體地,當(dāng)層狀柵極104包括多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)時(shí),多個(gè)碳納米管 長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)交叉編織形成一層網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的孔徑不限,優(yōu)選為 IOO微米-I厘米。該多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)形成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的柵極104具 有一定的自支撐性,可直接環(huán)繞于線狀陰極102的周圍,形成以線狀陰極102為軸心的圓筒狀結(jié)構(gòu)。
當(dāng)層狀柵極104包括碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)時(shí),該層狀結(jié)構(gòu)的柵極104形成 一以線狀陰極102為軸心的圓筒狀結(jié)構(gòu)。所述的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括多個(gè) 均勻分布的微孔,該微孔的直徑為1微米-20微米。所述的碳納米管薄膜結(jié) 構(gòu)的厚度為l納米-10微米。具體地,所述的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括至少一 層碳納米管薄膜,該碳納米管薄膜包括多個(gè)定向排列的碳納米管。所述碳納 米管薄膜的厚度為1納米-100納米。當(dāng)碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括至少兩層碳納 米管薄膜時(shí),碳納米管薄膜重疊鋪設(shè),相鄰兩層的碳納米管薄膜中的碳納米 管的排列方向形成一夾角卩,0°£|3^90°。
請(qǐng)參見圖7,所述碳納米管薄膜為一自碳納米管陣列中直接拉伸得到的 自支撐薄膜結(jié)構(gòu),所述碳納米管薄膜中的碳納米管沿拉伸方向擇優(yōu)取向排 列。具體地,所述碳納米管薄膜包括多個(gè)首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳納米 管片斷,碳納米管片斷之間通過范德華力緊密結(jié)合。所述碳納米管片斷中包 括多個(gè)長(zhǎng)度相同平行排列的碳納米管,碳納米管片斷中的碳納米管通過范德 華力連接。由于碳納米管薄膜中相鄰的碳納米管之間存在著縫隙,且碳納米 管分布均勻,因此該碳納米管薄膜包括多個(gè)均勻分布的微孔。
所述的柵極104中的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳 納米管或其任意組合的混合物。所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米-50納 米,雙壁碳納米管的直徑為l納米-50納米,多壁碳納米管的直徑為1.5納 米-50納米,碳納米管的長(zhǎng)度均為10微米-5000孩t米。
可選擇地,所述的層狀柵極104可進(jìn)一步包括一支撐體(圖未示),支 撐體用于支撐碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)。所述支撐體的材料為原子序數(shù)較小的材 料,優(yōu)選為鈹、硼或碳。具體地,所述支撐體可選擇為鈹絲、硼絲、碳納米 管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)以線狀陰極102為軸心螺旋環(huán)繞于線狀陰極102的周圍形成的螺 旋結(jié)構(gòu)?;蛘咚鲋误w可選擇為由鈹網(wǎng)、硼網(wǎng)或碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)形成的 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以線狀陰極102為軸心形成的圓筒狀結(jié)構(gòu)。所述支撐體的具體形狀 不限,只需確保當(dāng)碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)置于該支撐體表面上時(shí),可形成以線 狀陰才及102為軸心的圓筒狀結(jié)構(gòu)即可。
所述的離子收集極106的材料為導(dǎo)電金屬,如鎳、鴒、銅等,離子收集極 106結(jié)構(gòu)為金屬絲、金屬環(huán),或者金屬網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例所提供的電離規(guī)100在應(yīng)用時(shí),將電離規(guī)100置于待測(cè)環(huán)境中, 電離規(guī)100的陰極102為零電位,柵極104加上正電位,收集極106為負(fù)電 位,外殼的開口端124與被測(cè)環(huán)境相通。通過測(cè)量棚-極電流Ie和離子收集極 離子流Ii就可以得出被測(cè)環(huán)境的壓強(qiáng)。
請(qǐng)參見圖8,本4支術(shù)方案第二實(shí)施例提供一種電離M^200,該電離失見200 包括一外殼220及設(shè)置于該外殼220內(nèi)的陰極202、柵極204和線狀離子收集極 206。該線狀離子收集極206位于外殼220的中心位置,該柵極204以線狀離子 收集極206為軸心環(huán)繞于線狀離子收集極206的外側(cè),該陰極202設(shè)置于柵極 204的外側(cè),該柵極204位于陰極202與線狀離子收集極206之間,陰極202、柵 極204與線狀收集極206分別間隔絕緣設(shè)置。該陰極202為熱發(fā)射陰極或場(chǎng)發(fā)射 陰極,其為一線狀或帶狀。離子收集極206的材料為導(dǎo)電金屬,如鎳、鴒、銅 等,離子收集極106結(jié)構(gòu)為金屬絲。陰極202與柵極204的距離為1毫米至8毫米, 陰極202與線狀離子收集極206的距離為10毫米至15毫米。電離規(guī)200進(jìn)一步包 括三個(gè)電極引線222,該三個(gè)電極引線222的一端分別與陰極202,柵極204和 線狀離子收集極206連接,另一端延伸至外殼220外。外殼220是半封閉的,具 有一開口端224。
本技術(shù)方案第二實(shí)施例所提供的電離規(guī)200采用的柵極204的形狀、材質(zhì) 和結(jié)構(gòu)與第 一 實(shí)施例所提供的電離規(guī)1 OO完全相同。
本實(shí)施例所提供的電離規(guī)的柵極采用碳納米管結(jié)構(gòu),故電離規(guī)具有以下
優(yōu)點(diǎn)其一,由于電子撞擊柵極時(shí)激發(fā)產(chǎn)生X射線的效率與柵極材料的原子
序數(shù)的二分之一 次方成正比,而離子電流Ix的大小與柵極X射線的激發(fā)效率
成正比,因此,選用原子序數(shù)較低的柵極材料成為降低電離規(guī)測(cè)量下限的一
種有效途徑,本技術(shù)方案實(shí)施例所提供的電離規(guī)的柵極的材料為碳、鈹或硼,
由于碳、鈹或硼的原子序數(shù)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技中的柵極材料鴒、鎳等,故該電離
規(guī)具有較低的真空壓強(qiáng)測(cè)量下限;其二,由于作為柵極的碳納米管的密度較
低,質(zhì)量輕,因此所述電離規(guī)的質(zhì)量相對(duì)較小,可方便應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 另外,本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化,當(dāng)然,這些依
據(jù)本發(fā)明精神所做的變化,都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電離規(guī),包括陰極,柵極和離子收集極,該柵極設(shè)置于陰極與離子收集極之間,陰極,柵極和離子收集極分別間隔絕緣設(shè)置,其特征在于,所述柵極包括一碳納米管結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電離規(guī),其特征在于,所述的柵極包括線狀結(jié)構(gòu)柵極 或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)柵極。
3. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的陰極為線狀,所述線狀 結(jié)構(gòu)的柵極以線狀陰極為軸'"、螺旋環(huán)繞于該線狀陰極的周圍。
4. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的陰極為線狀,所述層狀 結(jié)構(gòu)的柵極以線狀陰極為軸心形成一 圓筒狀結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的線狀結(jié)構(gòu)的柵極包括一 個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的層狀結(jié)構(gòu)的柵極包括多 個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)或一個(gè)碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的電離規(guī),其特征在于,所述的多個(gè)碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 交叉編織形成一 網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求6所述的電離規(guī),其特征在于,所述的層狀結(jié)構(gòu)的柵極進(jìn)一步 包括一支撐體,該碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)置于該支撐體上,該支撐體的材料 為鈹、硼或碳。
9. 如權(quán)利要求6所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括 至少一層碳納米管薄膜。
10. 如權(quán)利要求9所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管薄膜包括多個(gè) 沿同一方向摔優(yōu)取向排列的碳納米管。
11. 如權(quán)利要求9所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括 至少兩層碳納米管薄膜,相鄰兩層的碳納米管薄膜中的碳納米管的排列方 向形成一夾角卩,0°蘭|3^90°。
12. 如權(quán)利要求5或6所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu) 包括至少一個(gè)碳納米管長(zhǎng)線。
13. 如權(quán)利要求12所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)為 由至少兩個(gè)碳納米管長(zhǎng)線平行無間隙設(shè)置形成的束狀結(jié)構(gòu)或相互纏繞形成的絞線結(jié)構(gòu)。
14. 如權(quán)利要求12所述的電離規(guī),其特征在于,所述的碳納米管長(zhǎng)線為由多 個(gè)碳納米管組成的束狀結(jié)構(gòu)或絞線結(jié)構(gòu),其直徑為l微米-1000微米。
15. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的離子收集極為線狀,所 述線狀結(jié)構(gòu)的柵極以線狀離子收集極為軸心螺旋環(huán)繞于該線狀離子收集 極的周圍。
16. 如權(quán)利要求2所述的電離規(guī),其特征在于,所述的離子收集極為線狀,所 述層狀結(jié)構(gòu)的柵極以線狀離子收集極為軸心形成 一 圓筒狀結(jié)構(gòu)。
17. 如權(quán)利要求1所述的電離規(guī),其特征在于,所述的陰極包括熱發(fā)射陰極或 場(chǎng)發(fā)射陰極。
全文摘要
一種電離規(guī),該電離規(guī)包括陰極、柵極和離子收集極,該柵極設(shè)置于該陰極與該離子收集極之間,陰極、柵極和離子收集極間隔絕緣設(shè)置,其中,所述柵極包括一碳納米管結(jié)構(gòu)。該電離規(guī)用于測(cè)量真空環(huán)境的真空度。
文檔編號(hào)G01L21/00GK101576423SQ20081006696
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者亮 劉, 姜開利, 林 肖, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司