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術價值的前沿課題,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問題。

　　從真空測量技術的發(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。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)生一個與壓力無關的本底電流。當壓力很低時,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。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的本底電流,中性分子可使電離規(guī)中的壓力上升。

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

　　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,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,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,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;對殘余電流也有調(diào)制作用等。由于調(diào)制技術帶來新的問題,所以它只能把測量下限擴展1～2個量級。

　　1962年Schuman將抑制技術應用到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。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。抑制技術在以后的很多規(guī)中都得到了應用。

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,并對其機理和理論作了更詳盡的研究。前面已經(jīng)提到,當柵極表面吸附一層化學活性氣體(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。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。