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CN101138066B - 冷阴极压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷阴极压力传感器(10)，其包括：气密壳体(12)；测试气体入口(18)；设置在所述壳体(12)中的阳极(14)和阴极(16、17)；以及朝向所述阴极(16、17)以触发冷阴极放电的辐射源(20)。所述壳体(12)的至少一部分由玻璃制成。所述辐射源(20)设置在所述壳体(12)外并透过制成所述壳体的玻璃照射所述阴极(16、17)。来自所述辐射源(20)的射线的波长大体上处于从大于350nm到小于1400nm的范围内。

Description

冷阴极压力传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量低压和/或分压的冷阴极压力传感器。
背景技术
冷阴极压力传感器是彭宁(Penning)、磁控管或反磁控管压力测量仪，并且冷阴极压力传感器主要用于测量高真空范围内的气体压力和/或气体分压。一种冷阴极压力传感器包括具有测试气体入口的气密壳体，测试气体通过测试气体入口进入壳体。在壳体中，在施加高电压的情况下，冷阴极放电在阳极和阴极之间发生，其中燃烧放电中的离子流几乎与壳体中的测试气体粒子密度成比例。在冷阴极放电过程中，许多小的电子环流在阳极区域流动。环流电子与气体分子在壳体内碰撞。电子撞击导致气体分子和原子的电离作用，从而它们飞向阴极并在该位置接收另一电子。因此产生的电压脉冲用于测量粒子密度，亦即，测量壳体内的测试气体压力。
当在壳体内电子撞击电离，并且所产生的离子撞击阴极时，壳体中便产生供给环流的二次电子。随着电子密度增大，环流的损失率也因库仑斥力而增大，从而壳体中产生恒定的环流。恒定环流的形成通常发生在瞬间，并被称为“触发”。
当壳体中的气体压力非常低时，电子和气体粒子之间发生碰撞的概率可能很小，以致所产生的二次电子不能补偿电子损失。在这种情况下，直到壳体中的一次电子的数目足以引起触发时才形成恒定环流。
为此，设置和/或采用辐射源，用于触发彭宁放电。美国专利申请US-A-5,157,333公开一种冷阴极压力传感器，其中壳体中设置有起动放电的辐射源。辐射源生成光子，光子通过光电效应从金属阴极释放电子。在金属中，用于电子的光电选出功为若干电子伏特，例如对于经常使用的阴极金属钛来说为4.33eV。为了诱发光电效应，触发射线必须因此具有287nm的波长，该波长对应于生成过程非常复杂的UV光。UV辐射源设置在壳体内，因为没有对于UV光来说通透性足够好又具有气密性的适当而又廉价的壳体材料。然而，将辐射源设置在壳体内相对比较复杂，因为电线导管必须穿过壳体壁，并且实际上不可能对辐射源进行冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括简化触发装置的冷阴极压力传感器。
根据本发明，该目的通过权利要求1所述特征实现。
根据本发明的冷阴极压力传感器的壳体的至少一部分由玻璃制成，该玻璃优选地是石英玻璃。辐射源不是设置在壳体内而是设置在壳体外，并透过壳体玻璃照射金属阴极。辐射源大体上放射波长λ大于350nm且小于1400nm的射线。试验表明，光子能量小于UV射线的光子能量的射线在一定条件下也适于通过光电效应从阴极金属释放光子。为此目的，各阴极区域的场强E必须至少为若干kV/cm。由于强电场的作用，光电效应的电子的逸出几率增加到如下程度：能量低于UV射线的射线以及波长大于350nm的辐射源能够用于触发放电。出现的场强不能选得太大，因为否则逸出的场效应电子将使压力测量结果失真。
当辐射源设置在壳体外时，电线导管无需穿过壳体壁，从而不会产生冷却辐射源的问题。这种冷阴极压力传感器构造简易、价格低廉。
壳体的至少一部分由玻璃制成。由于所具有的真空性能，玻璃壳体特别适用于实现本发明的目的，玻璃经常用作壳体材料。此外，对于波长大于UV光波长的射线来说，玻璃在很大程度上是通透的。
优选地，最靠近阳极的阴极边缘的曲率半径r0、以及阳极和阴极之间的电压UAK选定为使得最靠近阳极的阴极边缘的区域中的场强E大于10kV/cm且小于1GV/cm。当场强大于10kV/cm时，诱发光电效应所需的光子能量减小到如下程度：非UV辐射源通常足以实现触发目的。
根据优选实施方式，最靠近阳极的阴极边缘的曲率半径r0小于0.1mm。当曲率半径r0小于0.1mm时，阳极和阴极之间仅有的几kV电压UAK使某种场强能够产生，在该场强下辐射能量小于4eV的辐射源能够用于在阴极金属中诱发光电效应。
特别地，最靠近阳极的阴极边缘的曲率半径r0小于0.05mm。
优选地，辐射源放射的射线的波长λ大于400nm，优选地大于500nm，以及更优选地大于600nm。辐射源的辐射功率应当至少为1mW。闪光放电灯或白炽灯、以及特别是发光二极管都是合适的辐射源。用红光二极管进行的测试已经表明，所述二极管产生的光子能量足以诱发光电效应。“白”光二极管具有一定比例的、波长相对较短的“蓝”射线，该“蓝”射线提供的光子能量甚至在不利条件下也足以诱发光电效应。
发光二极管操作简单、价格低廉并且使用寿命长。
根据优选实施方式，阳极构造成环状，阴极由相对于环状阳极沿轴向设置的两块板限定。可选地，阴极可构造成共轴地设置在环状阳极中的杆。在任一种情况下，来自辐射源的射线应当朝向阴极和/或最靠近阳极的阴极边缘。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。
该图示出根据本发明的冷阴极压力传感器，该冷阴极压力传感器构造成彭宁测量仪并包括气密玻璃壳体和位于该壳体外的辐射源。
具体实施方式
附图示出冷阴极压力传感器10，其包括：一体化的玻璃壳体12；圆柱环形阳极14；两个大体上呈板状的金属阴极16、17；测试气体入口18；位于壳体12外的辐射源20；以及设置在壳体12外的控制和测量装置22。
壳体12由石英玻璃制成，石英玻璃在很大程度上能够透过可视范围内的射线并具有良好的气密性能和可忽略的气体发射率。壳体12大体上构造成平行六面体。测试气体入口18是气体选择性入口，例如构造成仅允许低分子气体透过的可加热硅磁盘。
阳极14是圆柱环形并由不锈钢制成。两个阴极16、17由平行的钛板限定。所述钛板的低端通过板29彼此连接，因而导致形成直角U形的整体几何形状。一个钛板阴极16与平行的较短的边缘板30相关联，边缘板30设置成与钛板16隔开，所述板30从连接板29竖向地延伸。吸气材料24设置在因此而确定的通道中。边缘板30包括最靠近阳极的阴极边缘28。
控制和测量装置22用于在阳极14和阴极16之间生成操作电压UAK，并用于测量阳极14和阴极16之间的电流以及控制辐射源20。
压力低于10-9-10-10mbar时，触发的概率非常小，以致必须从外部启动触发。
金属中的电子的选出几率D以如下方式计算：
Figure G2006800073720D00041
其中：
U：金属中的电子的选出功，
E：金属前方的有效场强，
W：撞击金属表面的光子能量，
me：电子质量，
Figure G2006800073720D00042
普朗克常数。
阳极14和阴极16、17之间的电压UAK大约为3kV。阴极板30的最靠近阳极的边缘28的曲率半径r0大约为10μm。这导致最靠近阳极的边缘28处产生1,000-10,000kV/cm的场强E。
“白”光二极管用作辐射源20，所述二极管放射波长λ为400至1,300nm的光子。辐射源的功率大约为0.1W，该功率对应于大约每秒1017个光子。辐射源20必须具有1mW的最小功率以确保成功触发。低于该功率值时，仅仅发生强延迟的触发，高于该功率值时缩短触发过程。
所描述以及实验过的例子表明，为了产生较强的电场，可采用波长超过UV射线波长的触发射线。为此，触发辐射源能够设置在壳体外，因为作为优选壳体材料的玻璃吸收UV射线，却使波长较大的射线几乎毫无阻碍地穿过。
以这种方式能够在壳体外设置简单而又廉价的触发组件。

Claims (11)

1.一种冷阴极压力传感器(10)，包括：
气密壳体(12)，其具有测试气体入口(18)；
阳极(14)和阴极(16、17)，其设置在所述壳体(12)中，以及
辐射源(20)，其朝向所述阴极，用于触发冷阴极放电，
其特征在于：
所述壳体(12)的至少一部分由玻璃制成，
所述辐射源(20)设置在所述壳体(12)外并透过所述壳体玻璃照射所述阴极(16、17)，并且
所述辐射源(20)放射波长λ大于350nm且小于1400nm的射线。
2.根据权利要求1所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述阴极(16)的最靠近阳极的边缘(28)的曲率半径r0、以及所述阳极(14)和所述阴极(16、17)之间的电压UAK选定为使得所述阴极(16、17)的所述边缘(28)的区域中的场强E大于10kV/cm且小于1GV/cm。
3.根据权利要求2所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述阴极(16、17)的最靠近阳极的所述边缘(28)的曲率半径r0小于0.1mm。
4.根据权利要求2所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述阴极(16、17)的最靠近阳极的所述边缘(28)的曲率半径r0小于0.05mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述辐射源(20)放射波长大于400nm的射线。
6.根据权利要求5所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述波长大于500nm。
7.根据权利要求5所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述波长大于600nm。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述辐射源(20)的辐射功率大于1mW。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述阳极(14)构造成环状，所述阴极(16、17)由相对于所述环状阳极(14)沿轴向设置的两块板限定。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述壳体玻璃是石英玻璃。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的冷阴极压力传感器(10)，其特征在于：所述辐射源(20)是发光二极管。
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