極高真空測量中微小離子流檢測技術(shù)研究

孫 健，李得天，王永軍，張虎忠，張 琦（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

極高真空測量中微小離子流檢測技術(shù)研究

孫 健，李得天，王永軍，張虎忠，張 琦
（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

為解決極高真空測量中電離真空計微小離子流的檢測難題，設(shè)計采用精密運(yùn)算放大器組成電流電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，配合低通濾波、零點(diǎn)調(diào)節(jié)以及相位補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了10-14A微小離子流的準(zhǔn)確檢測。通過與國內(nèi)外不同型號電離真空計進(jìn)行試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了該設(shè)計電路能夠準(zhǔn)確檢測10-9Pa極高真空下的電離真空計離子流，為實(shí)現(xiàn)極高真空測量設(shè)備國產(chǎn)化提供了技術(shù)參考。

極高真空；測量；微小離子流；檢測

0 引言

近年來，隨著我國深空探測、高能粒子加速器、核聚變、表面科學(xué)、微電子器件等高新尖端技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對極高真空（XHV）測量技術(shù)提出了迫切需求。國內(nèi)10-8～10-10Pa范圍內(nèi)的真空測量儀器完全依賴國外進(jìn)口。因此，實(shí)現(xiàn)極高真空的準(zhǔn)確測量，并促進(jìn)極高真空測量儀器的國產(chǎn)化，成為目前我國真空計量領(lǐng)域亟待解決的問題［1］。

目前，在極高真空測量中唯一實(shí)際可用的真空計是熱陰極電離真空計［2］，根據(jù)電離真空計工作原理可知，電離真空計所測真空度越高，則產(chǎn)生的離子流越小，因此微小離子流檢測也是極高真空測量中的一項(xiàng)技術(shù)瓶頸。如使用分離規(guī)IE514在測量p= 1×10-9Pa壓力時（陰極有效發(fā)射電流Ie為1.6 mA，規(guī)管靈敏度S為0.0625 Pa-1），根據(jù)電離真空計離子流計算公式［3］：

可得到收集極上產(chǎn)生的離子流為I+=1×10-13A，該量級電流極易受到規(guī)管內(nèi)部以及外界因素的干擾，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。因此對微小離子流的檢測水平要求較高，為極高真空測量帶來很大挑戰(zhàn)，目前國內(nèi)真空計控制單元中對于微小離子流檢測的水平不低于10-11A，限制了國內(nèi)極高真空測量儀器的發(fā)展。

主要針對極高真空測量中微小離子流檢測難題，提出解決方案。采用負(fù)反饋電流電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，配合零點(diǎn)調(diào)節(jié)、低通濾波、相位補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，同時借鑒了小信號檢測領(lǐng)域先進(jìn)的抗干擾手段，完成了微小離子流檢測電路的研制，實(shí)現(xiàn)了10-14A離子流的精確測量，搭配不同型號電離規(guī)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計滿足10-9Pa極高真空下對微小離子流的檢測要求。

1 電路硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)電離真空規(guī)的輸出離子流得到所測壓力值，中間需要檢測控制系統(tǒng)的支持［4］?？刂菩酒鶕?jù)一定的算法，將得到的離子流強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成為準(zhǔn)確的真空度。測控系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 真空計測控系統(tǒng)整體設(shè)計圖

電離真空計收集極接收到氣相離子后產(chǎn)生一個電流信號，該電流通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)入檢測系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換開關(guān)目的是為了實(shí)現(xiàn)離子流的多量級檢測，其中的離子流檢測電路對采集到的離子流信號進(jìn)行第一級放大，得到電壓信號，第一級檢測出離子流的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)的放大與運(yùn)算。因此，著重對第一級的離子流檢測電路進(jìn)行研究設(shè)計，同時測控系統(tǒng)中還包括了濾除噪聲的低通濾波器，實(shí)現(xiàn)電壓放大的二級放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制顯示和零點(diǎn)調(diào)節(jié)電路。

分析電離真空規(guī)離子流的輸出特點(diǎn)：規(guī)管內(nèi)收集極處于低電勢，在規(guī)管中電場力的作用下，電離產(chǎn)生的氣相離子（帶正電）被牽引至收集極上產(chǎn)生流動電荷，形成小電流，所以電離規(guī)屬于一種電流輸出型傳感器。而常用的針對電流輸入的放大電路結(jié)構(gòu)有兩種［5］，如圖2所示，（a）為輸入電阻將電流變換為電壓后再進(jìn)行放大；（b）是利用負(fù)反饋降低輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)電流輸入的放大結(jié)構(gòu)。

這兩種結(jié)構(gòu)都可以通過調(diào)整電路中的增益電阻的值來實(shí)現(xiàn)同等放大增益。但是分析兩種不同放大結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的放大方法會將輸入阻抗降低幾個數(shù)量級，而對于電流輸入放大器來說，由于離子流會在規(guī)管內(nèi)阻和放大器負(fù)載上進(jìn)行分流，所以離子流檢測電路的輸入阻抗越小，造成的系統(tǒng)誤差就會越小。

圖2 實(shí)現(xiàn)電流輸入放大的兩種方法圖

圖2（b）的放大結(jié)構(gòu)與圖2（a）相比，還有一個明顯的優(yōu)勢就是輸入電位幾乎保持零電位。由于測量電路與規(guī)管往往采用直流耦合。對于圖2（a）中電路，電流在電阻Rc上形成電位，再跟隨輸出端變化，因此輸入端電位即為輸出幅度，而且這一電位會隨著輸入電流的變化而變化，該變化的電位會直流饋送到規(guī)管收集極上，對電離真空規(guī)的工作造成不良影響，而負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的放大電路則不會對輸入端電壓造成影響，從而可以使電離真空計保持穩(wěn)定工作。理論上只要跨接的Rc足夠大，即使所測的輸入電流很小，輸出也可以得到較大的電壓Vout，而實(shí)際上運(yùn)放的輸入阻抗不可能無窮大，電阻Rc的增大受到運(yùn)放輸入阻抗的限制，所以反饋電阻不能無限增大，同時考慮偏置電流Ib對被測離子流I+的影響［6］，實(shí)際上的輸出是：

可見如果偏置電流Ib大于被測電流I+，則被測離子流I+就會被淹沒而導(dǎo)致無法測出。因此，離子流檢測靈敏度的重要影響因素是運(yùn)放的偏置電流Ib，同時本設(shè)計中的運(yùn)放還應(yīng)符合三個要求［7］：（1）放大器的輸入阻抗應(yīng)該足夠大；（2）噪聲和漂移要小于被測電流信號；（3）共模抑制比（CMRR）較大。綜合性能比較各種運(yùn)放的優(yōu)勢，確定一種CMOS型運(yùn)算放大器作為主放大器。

對于電路結(jié)構(gòu)中的超高電阻，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)的方法有兩種，如圖3所示，（a）方法采用T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)等效高阻；（b）方法采用單獨(dú)的一個超高電阻。

圖3 兩種不同的超高電阻實(shí)現(xiàn)方法圖

在目前的小電流檢測領(lǐng)域，T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)用很多，這是因?yàn)檫^去超高電阻很難達(dá)到高精度，同時普遍認(rèn)為單個的電阻過大會引入很強(qiáng)的噪聲，這是根據(jù)熱噪聲電壓有效值公式計算得到：

式中：K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；B為信號頻率帶寬；Rc則是反饋電阻，噪聲電壓的平方與電阻阻值成正比，隨著電阻的增大，噪聲電壓也會增大，所以普遍認(rèn)為采用高精度的小電阻搭建T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)超高等效電阻的方法更具優(yōu)勢［8］。但是對于微小離子流測量，更重要的是噪聲電流的影響，根據(jù)電阻熱噪聲電流公式：

熱噪聲電流跟電阻成反比，電阻越大，相應(yīng)的熱噪聲電流越小，因此與T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)相比較，采用單個超高電阻對微小離子流測量是有利的。

經(jīng)過理論計算發(fā)現(xiàn)，采用T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)會造成運(yùn)放的失調(diào)電壓對電路的影響增大，離子流產(chǎn)生的電壓降容易被放大的失調(diào)電壓所淹沒，造成離子流信號檢測困難，電路性能變差［9］。所以最終確定采用單個100 GΩ超高金屬膜電阻來實(shí)現(xiàn)反饋電路。

為了提高離子流信號的信噪比，使采集結(jié)果更加準(zhǔn)確，降低泄漏電流是其中一個重要措施。泄漏電流是由測量電路和附近的電壓源之間的寄生電阻通路產(chǎn)生的，泄漏電流的存在對微小離子流測量的準(zhǔn)確性會帶來嚴(yán)重的影響。借鑒小信號測量領(lǐng)域先進(jìn)的抗干擾方法［10］，采用保護(hù)（Guard）技術(shù)是降低泄漏電流的有效方法。在該設(shè)計中，微小離子流傳輸過程采用三同軸的線纜與連接器，保護(hù)端連接內(nèi)屏蔽層，由一個單位增益的低阻抗放大器驅(qū)動，這樣使得保護(hù)端與輸入端處于幾乎相同的電位，信號線路與內(nèi)屏蔽層之間幾乎無電位差，從而大幅消除泄漏電流［11］，保護(hù)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 保護(hù)（Guard）技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

為了消除50 Hz工頻干擾以及其他高頻噪聲的影響，通過分析離子流信號的頻率特點(diǎn)，在電路輸出端添加巴特沃斯低通濾波器，n階巴特沃斯低通濾波器的振幅和幅頻關(guān)系如式（5）［12］：

采用高阻抗，低偏置電流的單芯片雙運(yùn)放器件研制低通濾波器，設(shè)計方案如圖5所示。

設(shè)定電路中器件參數(shù)為：C11=C12=C21=C22=10 nF，R11=R12=R21=R22=1 MΩ。截止頻率為：

濾波電路完成后，測試其濾波效果，結(jié)果如圖6所示。（a）是未添加低通濾波器時零點(diǎn)輸出波形，可以看出具有明顯的正弦波干擾，頻率為50 Hz；（b）是通過低通濾波器之后的輸出，可見輸出已經(jīng)十分平穩(wěn)，沒有明顯的雜波干擾，

圖5 四階巴特沃斯低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖6 低通濾波前后信號波形對比圖

在電路中還搭配設(shè)計了零點(diǎn)調(diào)節(jié)電路，使得零點(diǎn)輸出更加穩(wěn)定。為了防止由線路中寄生電容引起的振蕩，在電路中采用進(jìn)位補(bǔ)償法，添加了相位補(bǔ)償電路。這些設(shè)計都使檢測電路工作更加穩(wěn)定，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 實(shí)驗(yàn)測試研究

電路完成之后，為了獲得有效的電磁屏蔽，用8 mm厚的鋁材加工制作了屏蔽盒，同時使用三同軸BNC插座作為信號輸入端。組裝完成后，利用KEITHLEY 6221微電流源對電路性能進(jìn)行測試。首先對電路穩(wěn)定性進(jìn)行測試。分別對電路進(jìn)行零點(diǎn)穩(wěn)定性測試和1 pA（10-12A）放大穩(wěn)定性測試。首先利用調(diào)零電路進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)之后，記錄檢測電路在1 h之內(nèi)的輸出結(jié)果，如圖7（a）所示。在測試零點(diǎn)穩(wěn)定性之后，進(jìn)行1 pA小電流放大穩(wěn)定性的測試，調(diào)整電路，使得零點(diǎn)保持穩(wěn)定，輸入1 pA小電流進(jìn)行檢測，每5 min記錄輸出電壓，結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 電路的穩(wěn)定性測試圖

由圖7（a）可見，在調(diào)整零點(diǎn)之后，輸出電壓保持穩(wěn)定，接近0 V輸出。經(jīng)計算采樣點(diǎn)均值為-0.76 mV，本底電流約為7 fA左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.84 mV。表明零點(diǎn)漂移可以控制在很小的范圍內(nèi)，調(diào)零電路滿足測量要求。由圖7（b）可見，在1 h內(nèi)，對于1 pA小電流的檢測結(jié)果，沒有出現(xiàn)衰減或者突變的情況，整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，14個采樣點(diǎn)的均值為103.07 mV，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.457 mV。據(jù)此計算得到電路整體放大增益A≈103.07 V/pA。有效噪聲約為4.433 fA，電路的靈敏度可達(dá)到10 fA左右。之后進(jìn)行電路的放大線性測試，線性測試主要進(jìn)行10-12A以及10-13A兩個量級的小電流的放大線性分析。測試時零點(diǎn)輸出為4 mV，輸入電流從1×10-13A依次加至1×10-11A，每次記錄輸出電壓，共進(jìn)行5個采樣周期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 電路線性測試曲線圖

由結(jié)果可知，在10-12A與10-13A小電流放大檢測中，通過對19個數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，得到輸入電流與輸出電壓之間相關(guān)系數(shù)為1，擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.16×10-4，說明電路呈現(xiàn)良好線性，可以得到輸出電壓Vout：

為了檢驗(yàn)設(shè)計電路對于電離真空規(guī)離子流的檢測能力，探究規(guī)管所測真空與檢測電路輸出電壓之間的關(guān)系，依托真空一級計量站的超高/極高真空校準(zhǔn)裝置，設(shè)計實(shí)驗(yàn)利用檢測電路對不同型號電離真空規(guī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先對國外IE514型分離規(guī)進(jìn)行測試，使用適當(dāng)?shù)倪B接器與線材將分離規(guī)與檢測電路連接，利用IE414型B-A規(guī)監(jiān)測真空度，從極高真空時開始記錄輸出電壓，利用氣體微流量計緩慢向真空腔室內(nèi)充氣，逐漸提高腔室內(nèi)壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

分析分離規(guī)測試結(jié)果，本設(shè)計中的檢測電路可以檢測到10-9Pa時分離規(guī)的輸出離子流。輸出電壓與壓力之間擬合關(guān)系為：Vout=1.139×107p-0.043。相關(guān)系數(shù)為0.999 88，擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.010 35，電路對電離真空計輸出離子流的檢測結(jié)果線性表現(xiàn)良好。

圖9 IE514分離規(guī)離子流檢測結(jié)果曲線圖

將檢測電路與某型號國產(chǎn)B-A規(guī)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)流程與前者相同，結(jié)果如圖10所示。

圖10 國內(nèi)某B-A規(guī)離子流檢測結(jié)果曲線圖

由結(jié)果可知，對于某國產(chǎn)B-A規(guī)，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)為30個，擬合關(guān)系為Vout=3.579×106p-0.012，相關(guān)系數(shù)為0.999 83，擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.010 57，線性表現(xiàn)良好。同樣該設(shè)計電路可以準(zhǔn)確檢測10-9Pa時的離子流。而根據(jù)該B-A規(guī)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果可知，校準(zhǔn)曲線在低于1×10-7Pa后失去線性，分析其原因，是由于對電離真空計輸出離子流無法準(zhǔn)確檢測導(dǎo)致，經(jīng)計算該控制單元準(zhǔn)確檢測的離子流下限約為2.55×10-11A。對比結(jié)果說明該設(shè)計對于國產(chǎn)真空規(guī)提高真空測量下限具有借鑒意義。

3 結(jié)論

通過電路性能試驗(yàn)，該設(shè)計采取負(fù)反饋電流電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，配合單個超高電阻，同時搭配濾波模塊、調(diào)零模塊、保護(hù)模塊等電路，可以大幅度降低主要的噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)對于微小離子流的檢測放大。通過對商品電離真空計的實(shí)驗(yàn)測試，可以實(shí)現(xiàn)極高真空10-9Pa下對輸出離子流的準(zhǔn)確檢測，檢測性能優(yōu)于國內(nèi)真空計的控制單元，為實(shí)現(xiàn)極高真空測量設(shè)備國產(chǎn)化提供了參考。

［1］李得天，陳旭，于紅燕，等.中國真空計量發(fā)展概述［J］.真空與低溫，2004，10（1）:6-14.

［2］李得天，成永軍，馮焱，等.電離規(guī)的新進(jìn)展［J］.上海計量測試，2012（1）:2-4.

［3］達(dá)道安.真空設(shè)計手冊［M］.國防工業(yè)出版社，1991：484.

［4］朱武，金波，陳秋敏.電離規(guī)離子流可編程增益放大器的設(shè)計［J］.真空，2014，51（1）：1-4.

［5］遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計-模擬篇［M］.彭軍譯.北京：科學(xué)出版社，2006：40-41.

［6］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.第四版.北京：高等教育出版社，2011：259-267.

［7］楊京，張滌新，王驥，等.磁選態(tài)銫束管信號微電流放大器的設(shè)計與仿真［J］.真空與低溫，2011，17（1）：37-40.

［8］劉鵬民，莫德舉.T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)在微弱信號放大電路中的應(yīng)用［J］.電測與儀表，1999（12）:31-32.

［9］陳濟(jì)，杜述松，呂建工，等.微電流放大與電阻性T型反饋網(wǎng)絡(luò)［C］//中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第二十一次學(xué)術(shù)會議論文集，2008.

［10］Keithly.Low Level Measurements Handbook［M］.7thEdition: 2015：2-18.

［11］劉小群.基于Multisim的四階有源低通濾波器的設(shè)計與仿真［J］.新技術(shù)新工藝，2011（6）:34-36.

THE STUDY ON DETECTION TECHNOLOGY OF TINY ION CURRENT FOR EXTREMELY HIGH VACUUM MEASUREMENT

SUN Jian，LI De-tian，WANG Yong-jun，ZHANG Hu-zhong，ZHANG Qi
（Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In order to detect the extremely low ion current in ionization gauge when it is used to measure extremely high vacuum，a current-to-voltage conversion circuit equipped with low-pass filter，zero-point adjustment and phase compensation technology is designed in this paper，which can accurately measure the extremely low ion current about 10-14A. By verifying present circuit with different gauge type，it is found that the designed circuit can precisely detected the extremely low ion current generated in 10-9Pa.This circuit provides a technical reference for achieving extremely high vacuum equipment localization.

extremely high vacuum；measurement；tiny ion current；detection

TB77

A

1006-7086（2016）02-0075-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.003

2016-02-29

國家杰出青年科學(xué)基金（No.61125101）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（No.2013YQ24042108）

孫健（1989-），男，山東淄博人，碩士研究生，從事極高真空測量技術(shù)研究。Email:spacesunjian@hotmail.com。