冷電離規(guī)VS熱電離規(guī)
每個(gè)高真空和超高真空系統(tǒng)都依賴某種形式的電離規(guī)，在10 -3 Torr 下進(jìn)行壓力測(cè)量。當(dāng)前有兩種競(jìng)爭(zhēng)的電離規(guī)技術(shù)，可以選擇-熱陰極壓力計(jì)（HCG）和冷陰極壓力計(jì)（CCG）。每個(gè)量規(guī)類型有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。最佳選擇需要仔細(xì)考慮，兩種壓力表的操作特性均取決于應(yīng)用。
介紹
10 -2至10 -10托之間的壓力測(cè)量有以下兩種：
1.在熱陰極規(guī)（HCG）中，來(lái)自熱燈絲的電離電子被通過(guò)合適的電極加速進(jìn)入電離空間。
2.在冷陰極規(guī)（CCG）中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用后產(chǎn)生回旋電子后電離化氣體分子等離子體被困在交叉的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中。在兩種情況下，由于收集正離子而產(chǎn)生的電流與氣體密度和壓力的間接相關(guān)。
熱陰極規(guī)（HCG）
大多數(shù)市售HCG都是Bayard-Alpert設(shè)計(jì)的，其工作原理公式為PV=nRT。Bayard-Alpert規(guī)（BAG）將熱絲中的電子沸騰并使之加速朝向圓柱形網(wǎng)格籠。它們與電離的氣體分子碰撞他們中的一些。位于電離體積中心的細(xì)金屬絲收集產(chǎn)生的陽(yáng)離子產(chǎn)生的電流與儀表的氣體密度成比例。在恒定溫度下，集電極電流與氣體壓力成線性關(guān)系。常規(guī)BAG的有用工作范圍在10 -3至10 -10托之間，特殊量規(guī)設(shè)計(jì)可將超高壓應(yīng)用的下限擴(kuò)展到10 -11 Torr，或?qū)⑸舷迶U(kuò)展到10 -11 Torr。集電極電流對(duì)壓力的嚴(yán)格線性依賴性是最重要的條件之一。HCG優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)性電離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。通常有可能近似BAG對(duì)一條直線的“集電極電流與壓力”響應(yīng)，并且從單個(gè)線性比例因子（即靈敏度因子）計(jì)算壓力存儲(chǔ)在儀表控制器中。在中間范圍校準(zhǔn)的靈敏度因子可用于在10 -9至10 -4托之間的準(zhǔn)確且可重現(xiàn)的壓力測(cè)量值。偏差線性度在整個(gè)有效動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)通常小于±25％。
通常認(rèn)為BAG比CCG更加準(zhǔn)確，穩(wěn)定和可重復(fù)。在受控的真空條件下，BAG校準(zhǔn)的重現(xiàn)性可達(dá)到不間斷運(yùn)行中達(dá)到2％。重復(fù)性為1-2％，受限于不可控制的隨機(jī)靈敏度變化。但是，并非所有BAG都是相同的并預(yù)期從軌距到軌距以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性在“真實(shí)”系統(tǒng)中使用的商業(yè)設(shè)備。測(cè)量精度優(yōu)于±50％需要校準(zhǔn)各個(gè)量規(guī)的響應(yīng)。由于電離效率的變化，BAG讀數(shù)取決于氣體，通常是針對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行了校準(zhǔn)（氬氣也是半導(dǎo)體加工中的常用選擇）。可以從真空文獻(xiàn)中輕松獲得的氣體校正因子可用于校正其他氣體的儀表讀數(shù)。任何BAG，都取決于其過(guò)去的操作歷史和操作箱中的精確氣氛真空系統(tǒng)，既可以作為氣體的源（除氣），也可以作為氣體的下沉（抽氣）。它的操作可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的氣體成分發(fā)生重大變化。相對(duì)的這些影響的重要性取決于整體真空系統(tǒng)的特性和運(yùn)行條件。例如，壓力和氣體成分的變化是由于在小型超高壓系統(tǒng)中，泵送或除氣將相對(duì)更為重要抽速低，比擴(kuò)散較大的大型工業(yè)真空泵。同樣，儀表和主腔之間的任何壓力梯度都會(huì)取決于連接兩者的管的電導(dǎo)率，當(dāng)量規(guī)直接插入室中（即裸BAG）。發(fā)射1 mA電流的典型燈絲的功率要求在10到15 W之間。這足以導(dǎo)致儀表元件和周圍環(huán)境產(chǎn)生熱脫氣，影響低壓測(cè)量的氣體成分和可靠性。即使是大型真空系統(tǒng)中的壓力也要由單一氣體釋放的氣體所控制。
如果未對(duì)此類壓力計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某龤猓瑒tHCG及其附近環(huán)境會(huì)發(fā)生變化。HCG的遇到的他們的問(wèn)題在大多數(shù)≈ 10 -10乇，其中X射線限制，電子激發(fā)解吸（ESD）和除氣為儀表的實(shí)用性設(shè)置了限制。儀表的脫氣和烘烤可以最大程度地減少ESD和脫氣的影響。如果沒(méi)有烘烤和/或除氣，BAG的最終精度可能會(huì)受到嚴(yán)重影響。X射線極限可提供殘留的集電極電流可與常規(guī)儀表中10 -10托氣體的離子信號(hào)相比。特別裸體規(guī)設(shè)計(jì)，具有減小的集電極和柵格線直徑以及封閉式柵格，需要將剩余電流的大小減小到10 -11 Torr級(jí)別。氣體分子與熱絲的反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響組成BAG中的氣體，壓力測(cè)量的可靠性。此效果必須在低壓下進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)也要考慮外殼的氣體滲透，尤其是氦氣和其他輕氣體的滲透HCG的使用壽命通常由燈絲壽命決定。這是到目前為止，高真空用戶選擇“無(wú)絲”冷陰極規(guī)的主要原因（CCG）超過(guò)BAG。但是，除非受到離子轟擊的損壞，除非高壓操作或化學(xué)作用，否則燈絲壽命可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí)，因此在大多數(shù)情況下，燈絲壽命不是重要的考慮因素。尤其是在ThO 2 Ir燈絲以及有自動(dòng)保護(hù)燈絲的控制器在打開(kāi)HCG要等一會(huì)兒才能獲得有意義的讀數(shù)。它必須等待量規(guī)及其周圍環(huán)境的熱平衡。取決于在要測(cè)量的壓力和壓力計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可能需要烘烤和/或脫氣才能完成。再好的控制器也必須作為BAG測(cè)量的一部分系統(tǒng)。已知控制器會(huì)給BAG添加多達(dá)±15％的誤差。
運(yùn)行BAG所需的電子設(shè)備通常（1）更復(fù)雜，（2）需要更多的電力，并且（3）的尺寸要比操作CCG所需的更大。通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)輕松消除，包括玻璃罩和合適的連接器電纜和良好的接地。
冷陰極規(guī)（CCG）
多種CCG用于真空測(cè)量，包括Penning，磁控管，反向磁控管和雙反向磁控管。所有CCG均利用交叉的電場(chǎng)和磁場(chǎng)捕獲電子。高電壓范圍為2-6 kV，磁場(chǎng)為1-2 kG。電子等離子體，負(fù)責(zé)電離，是由于電子在陰極上的隨機(jī)釋放引起的直接或間接地通過(guò)宇宙射線，場(chǎng)發(fā)射，光子，放射性或某些其他事件。放電會(huì)在電離體積內(nèi)部緩慢建立，直至達(dá)到新電子進(jìn)入等離子體受到空間電荷排斥的限制。在壓力下低于10 -4 Torr，放電實(shí)際上是純電子等離子體。電子移動(dòng)在擺線跳躍中，繞陽(yáng)極旋轉(zhuǎn)，在每次跳躍的一部分中足夠的能量通過(guò)電子碰撞電離使氣體分子電離。碰撞的可能性與氣體密度成正比。產(chǎn)生的慢離子迅速被陰極捕獲。該離子收集過(guò)程產(chǎn)生的電流為測(cè)量并用作氣體密度和壓力的間接指示。CCG的典型工作范圍在10 -2至10 -9托之間。某些特殊規(guī)格的下端已擴(kuò)展到10 -11托，但僅具有邊際準(zhǔn)確性。聲稱商用CCG可以衡量總壓力低于10 -9托時(shí)，應(yīng)格外小心！
當(dāng)電流過(guò)大以至于達(dá)到CCG的壓力上限電極的加熱和濺射成為問(wèn)題。這設(shè)置了通常的限制10 -4托。
離子感應(yīng)電流與腔室內(nèi)的壓力不成線性關(guān)系。而是由于存在虛假的不連續(xù)性，關(guān)系是指數(shù)級(jí)且復(fù)雜的電流與壓力的關(guān)系曲線。間斷的數(shù)量和大小取決于量規(guī)設(shè)計(jì)，倒置磁控管最不容易受到該問(wèn)題的影響。經(jīng)常在看似相同的量規(guī)之間出現(xiàn)量規(guī)差異，這是觀察到不連續(xù)性在連續(xù)校準(zhǔn)之間消失的現(xiàn)象很常見(jiàn)。
從那時(shí)起，消除不連續(xù)性一直是CCG設(shè)計(jì)人員的主要挑戰(zhàn)。電流和壓力之間的非線性關(guān)系，不利之處在于使壓力測(cè)量的可靠性復(fù)雜化，特別是低于10 -9托。在10 -4到10 -9 Torr之間，指數(shù)通常相當(dāng)恒定，接近設(shè)置為1.0，并通過(guò)對(duì)數(shù)檢測(cè)器或查找表對(duì)用戶隱藏。
在10 -9和10 -10 Torr之間，指數(shù)通常會(huì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩闹担?.25或更高）。指數(shù)突然而虛假的變化需要采取特殊的預(yù)防措施，解釋了更明顯的對(duì)數(shù)響應(yīng)，只有邊際精度是通?？赡茉?0 -9 Torr以下。沒(méi)有以下CCG讀數(shù)氣體依賴性和氣體校正因子是不一樣的通常，CCG被認(rèn)為不如HCG準(zhǔn)確，并且并非建議作為高真空轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)。重復(fù)性約為±5％，并且對(duì)于倒置的磁控管，傳感器之間的匹配度在20％至25％之內(nèi)。制造商通常，對(duì)于新的（干凈的）量規(guī)，將精度指定為兩倍以內(nèi)。每當(dāng)需要更高的精度，必須校準(zhǔn)特定的電子管/控制器組合違反諸如旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子規(guī)或高精度BAG之類的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)比HCG中更為復(fù)雜，因?yàn)榉蔷€性電流與壓力響應(yīng)和校準(zhǔn)曲線中存在間斷。穩(wěn)定在干凈，低壓的情況下。但是，污染可能導(dǎo)致CCG失效，就像HCG一樣。泵油通過(guò)放電而聚合，并在電極上形成絕緣膜。濺射引起的金屬蒸氣會(huì)導(dǎo)致絕緣體泄漏。大多數(shù)CCG可以由用戶在現(xiàn)場(chǎng)拆卸和維修，以使其恢復(fù)正常運(yùn)行當(dāng)它們被污染時(shí)。CCG對(duì)抽油機(jī)反應(yīng)非?？臁Ｍǔ?，它們得出的讀數(shù)穩(wěn)定在10 -3至10 -7托之間的壓力循環(huán)期間，比HCG更快。也沒(méi)有燈絲燒壞。沒(méi)有熱絲也使除氣少了問(wèn)題。
與HCG相比，脫氣率通常要低得多且可預(yù)測(cè)。由于輸入功率很低并且沒(méi)有內(nèi)部電源，因此無(wú)需脫氣加熱導(dǎo)致局部脫氣。測(cè)得的抽速也很低（與HCG相比），因此壓力測(cè)量誤差通常在只要為真空系統(tǒng)提供足夠的管道，就可以忽略不計(jì)。剩余的在基本上沒(méi)有X射線和X射線的CCG中，在超高真空系統(tǒng)水平上電流沒(méi)有ESD效應(yīng)。在需要頻繁抽空至很少或很少有低壓的應(yīng)用中沒(méi)有脫氣的機(jī)會(huì)，CCG的讀數(shù)可能會(huì)非常接近真實(shí)值腔室壓力高于HCG讀數(shù)。CCG通常比HCG更受重視材料除氣研究等應(yīng)用。對(duì)外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)的靈敏度通常遠(yuǎn)低于非屏蔽HCG，通常在正常實(shí)驗(yàn)室條件下不是問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)代CCG產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)的擔(dān)憂大多沒(méi)有根據(jù)。
不利的一面是，CCG很難啟動(dòng)。CCG中的放電無(wú)法開(kāi)始（即撞擊）施加高電壓的瞬間?！按驌簟睍r(shí)間因儀表而異衡量。該延遲范圍從10 -6 Torr的秒到10 -10 Torr的小時(shí)。輔助的通常由（1）個(gè)邊緣發(fā)射器，（2）放射源或（3）紫外線燈組成的“撞擊器”，包括在現(xiàn)代儀表設(shè)計(jì)中以大大減少該問(wèn)題。
問(wèn)題是否可以在抽氣期間在壓力達(dá)到10 -5或10 -6托之前打開(kāi)CCG。如果來(lái)自任何其他電離源的電荷，儀表也可以快速啟動(dòng)可以達(dá)到規(guī)格。CCG開(kāi)啟后，讀數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)有意義，比燈絲發(fā)射后HCG穩(wěn)定所需的時(shí)間更快成立。
操作CCG所需的電子設(shè)備通常更簡(jiǎn)單，更便宜比HCG的高。CCG控制器僅提供所需的高壓，測(cè)量同一回路中的電流。小型永磁體用于設(shè)定磁場(chǎng)。通常限制高壓電源中的電流量降低到0.1 mA，以減少嚴(yán)重電擊的危險(xiǎn)。通常有可能將儀表總成和低功率（即<1 W）電子設(shè)備封裝在包裝中CCG通常為全金屬結(jié)構(gòu)，接觸時(shí)不會(huì)發(fā)燙。
結(jié)論
HCG和CCG都能夠測(cè)量10 -2到10 -10托之間的壓力。它們都產(chǎn)生氣體相關(guān)的讀數(shù)。BAG的最終精度優(yōu)于CCG。但是，由于通常需要脫氣，烘烤和/或脫氣以實(shí)現(xiàn)全部?jī)?yōu)勢(shì)。在大多數(shù)情況下，HCG還需要更長(zhǎng)的延遲才能獲得穩(wěn)定的讀數(shù)。對(duì)于涉及連續(xù)抽空至低壓的應(yīng)用，如果沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行脫氣或烘烤，CCG可能是遵循的最佳選擇腔室壓力實(shí)時(shí)。HCG比CCG更容易校準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈儗?duì)壓力的線性響應(yīng)。校準(zhǔn)曲線中的虛假不連續(xù)也會(huì)影響CCG的讀數(shù)。燈絲壽命通常會(huì)限制HCG的使用壽命。但是，在大多數(shù)情況下，在應(yīng)用中，燈絲壽命是連續(xù)運(yùn)行數(shù)年。CCG的啟動(dòng)可能會(huì)延遲，尤其是在低壓下，CCG也可以是在抽空期間以較高的壓力打開(kāi)。