極高真空測量中微小離子流檢測技術研究

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

極高真空測量中微小離子流檢測技術研究

孫 健，李得天，王永軍，張虎忠，張 琦
（蘭州空間技術物理研究所，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，設計采用精密運算放大器組成電流電壓轉換結構，配合低通濾波、零點調節以及相位補償等技術，實現了10-14A微小離子流的準確檢測。通過與國內外不同型號電離真空計進行試驗測試，驗證了該設計電路能夠準確檢測10-9Pa極高真空下的電離真空計離子流，為實現極高真空測量設備國產化提供了技術參考。

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、微電子器件等高新尖端技術領域的迅速發展，對極高真空（XHV）測量技術提出了迫切需求。國內10-8～10-10Pa范圍內的真空測量儀器完全依賴國外進口。因此，實現極高真空的準確測量，并促進極高真空測量儀器的國產化，成為目前我國真空計量領域亟待解決的問題［1］。

目前，在極高真空測量中唯一實際可用的真空計是熱陰極電離真空計［2］，根據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技術瓶頸。如使用分離規IE514在測量p= 1×10-9Pa壓力時（陰極有效發射電流Ie為1.6 mA，規管靈敏度S為0.0625 Pa-1），根據電離真空計離子流計算公式［3］：

可得到收集極上產生的離子流為I+=1×10-13A，該量級電流極易受到規管內部以及外界因素的干擾，導致測量不準確。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，目前國內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，限制了國內極高真空測量儀器的發展。

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。采用負反饋電流電壓轉換結構，配合零點調節、低通濾波、相位補償等技術，同時借鑒了小信號檢測領域先進的抗干擾手段，完成了微小離子流檢測電路的研制，實現了10-14A離子流的精確測量，搭配不同型號電離規管進行實驗驗證，結果表明該設計滿足10-9Pa極高真空下對微小離子流的檢測要求。

1 電路硬件結構設計

根據電離真空規的輸出離子流得到所測壓力值，中間需要檢測控制系統的支持［4］。控制芯片根據一定的算法，將得到的離子流強度轉換成為準確的真空度。測控系統整體設計方案如圖1所示。

圖1 真空計測控系統整體設計圖

電離真空計收集極接收到氣相離子后產生一個電流信號，該電流通過轉換開關進入檢測系統，轉換開關目的是為了實現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行第一級放大，得到電壓信號，第一級檢測出離子流的準確性直接影響后續的放大與運算。因此，著重對第一級的離子流檢測電路進行研究設計，同時測控系統中還包括了濾除噪聲的低通濾波器，實現電壓放大的二級放大電路及模數轉換、控制顯示和零點調節電路。

分析電離真空規離子流的輸出特點：規管內收集極處于低電勢，在規管中電場力的作用下，電離產生的氣相離子（帶正電）被牽引至收集極上產生流動電荷，形成小電流，所以電離規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構有兩種［5］，如圖2所示，（a）為輸入電阻將電流變換為電壓后再進行放大；（b）是利用負反饋降低輸入阻抗，實現電流輸入的放大結構。

這兩種結構都可以通過調整電路中的增益電阻的值來實現同等放大增益。但是分析兩種不同放大結構的輸入阻抗，采用負反饋結構的放大方法會將輸入阻抗降低幾個數量級，而對于電流輸入放大器來說，由于離子流會在規管內阻和放大器負載上進行分流，所以離子流檢測電路的輸入阻抗越小，造成的系統誤差就會越小。

圖2 實現電流輸入放大的兩種方法圖

圖2（b）的放大結構與圖2（a）相比，還有一個明顯的優勢就是輸入電位幾乎保持零電位。由于測量電路與規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管收集極上，對電離真空規的工作造成不良影響，而負反饋結構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，而實際上運放的輸入阻抗不可能無窮大，電阻Rc的增大受到運放輸入阻抗的限制，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+就會被淹沒而導致無法測出。因此，離子流檢測靈敏度的重要影響因素是運放的偏置電流Ib，同時本設計中的運放還應符合三個要求［7］：（1）放大器的輸入阻抗應該足夠大；（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放的優勢，確定一種CMOS型運算放大器作為主放大器。

對于電路結構中的超高電阻，現階段實現的方法有兩種，如圖3所示，（a）方法采用T型反饋電阻網絡實現等效高阻；（b）方法采用單獨的一個超高電阻。

圖3 兩種不同的超高電阻實現方法圖

在目前的小電流檢測領域，T型反饋電阻網絡結構應用很多，這是因為過去超高電阻很難達到高精度，同時普遍認為單個的電阻過大會引入很強的噪聲，這是根據熱噪聲電壓有效值公式計算得到：

式中：K為玻爾茲曼常數；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，所以普遍認為采用高精度的小電阻搭建T型反饋電阻網絡來實現超高等效電阻的方法更具優勢［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，相應的熱噪聲電流越小，因此與T型反饋電阻網絡相比較，采用單個超高電阻對微小離子流測量是有利的。

經過理論計算發現，采用T型反饋電阻網絡會造成運放的失調電壓對電路的影響增大，離子流產生的電壓降容易被放大的失調電壓所淹沒，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現反饋電路。

為了提高離子流信號的信噪比，使采集結果更加準確，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生的，泄漏電流的存在對微小離子流測量的準確性會帶來嚴重的影響。借鑒小信號測量領域先進的抗干擾方法［10］，采用保護（Guard）技術是降低泄漏電流的有效方法。在該設計中，微小離子流傳輸過程采用三同軸的線纜與連接器，保護端連接內屏蔽層，由一個單位增益的低阻抗放大器驅動，這樣使得保護端與輸入端處于幾乎相同的電位，信號線路與內屏蔽層之間幾乎無電位差，從而大幅消除泄漏電流［11］，保護驅動電路結構如圖4所示。

圖4 保護（Guard）技術結構圖

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，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系如式（5）［12］：

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

設定電路中器件參數為：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，結果如圖6所示。（a）是未添加低通濾波器時零點輸出波形，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，可見輸出已經十分平穩，沒有明顯的雜波干擾，

圖5 四階巴特沃斯低通濾波器結構圖

圖6 低通濾波前后信號波形對比圖

在電路中還搭配設計了零點調節電路，使得零點輸出更加穩定。為了防止由線路中寄生電容引起的振蕩，在電路中采用進位補償法，添加了相位補償電路。這些設計都使檢測電路工作更加穩定，檢測結果更加準確。

2 實驗測試研究

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行測試。首先對電路穩定性進行測試。分別對電路進行零點穩定性測試和1 pA（10-12A）放大穩定性測試。首先利用調零電路進行零點調節之后，記錄檢測電路在1 h之內的輸出結果，如圖7（a）所示。在測試零點穩定性之后，進行1 pA小電流放大穩定性的測試，調整電路，使得零點保持穩定，輸入1 pA小電流進行檢測，每5 min記錄輸出電壓，結果如圖7（b）所示。

圖7 電路的穩定性測試圖

由圖7（a）可見，在調整零點之后，輸出電壓保持穩定，接近0 V輸出。經計算采樣點均值為-0.76 mV，本底電流約為7 fA左右，標準偏差為0.84 mV。表明零點漂移可以控制在很小的范圍內，調零電路滿足測量要求。由圖7（b）可見，在1 h內，對于1 pA小電流的檢測結果，沒有出現衰減或者突變的情況，整體保持穩定狀態，14個采樣點的均值為103.07 mV，標準偏差為0.457 mV。據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，電路的靈敏度可達到10 fA左右。之后進行電路的放大線性測試，線性測試主要進行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，共進行5個采樣周期，實驗結果如圖8所示。

圖8 電路線性測試曲線圖

由結果可知，在10-12A與10-13A小電流放大檢測中，通過對19個數據點擬合，得到輸入電流與輸出電壓之間相關系數為1，擬合的標準偏差為9.16×10-4，說明電路呈現良好線性，可以得到輸出電壓Vout：

為了檢驗設計電路對于電離真空規離子流的檢測能力，探究規管所測真空與檢測電路輸出電壓之間的關系，依托真空一級計量站的超高/極高真空校準裝置，設計實驗利用檢測電路對不同型號電離真空規進行實驗研究。首先對國外IE514型分離規進行測試，使用適當的連接器與線材將分離規與檢測電路連接，利用IE414型B-A規監測真空度，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充氣，逐漸提高腔室內壓力，實驗結果如圖9所示。

分析分離規測試結果，本設計中的檢測電路可以檢測到10-9Pa時分離規的輸出離子流。輸出電壓與壓力之間擬合關系為：Vout=1.139×107p-0.043。相關系數為0.999 88，擬合的標準偏差為0.010 35，電路對電離真空計輸出離子流的檢測結果線性表現良好。

圖9 IE514分離規離子流檢測結果曲線圖

將檢測電路與某型號國產B-A規進行測試，實驗流程與前者相同，結果如圖10所示。

圖10 國內某B-A規離子流檢測結果曲線圖

由結果可知，對于某國產B-A規，采集數據點為30個，擬合關系為Vout=3.579×106p-0.012，相關系數為0.999 83，擬合標準偏差為0.010 57，線性表現良好。同樣該設計電路可以準確檢測10-9Pa時的離子流。而根據該B-A規實驗室校準結果可知，校準曲線在低于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確檢測導致，經計算該控制單元準確檢測的離子流下限約為2.55×10-11A。對比結果說明該設計對于國產真空規提高真空測量下限具有借鑒意義。

3 結論

通過電路性能試驗，該設計采取負反饋電流電壓轉換結構，配合單個超高電阻，同時搭配濾波模塊、調零模塊、保護模塊等電路，可以大幅度降低主要的噪聲干擾，實現對于微小離子流的檢測放大。通過對商品電離真空計的實驗測試，可以實現極高真空10-9Pa下對輸出離子流的準確檢測，檢測性能優于國內真空計的控制單元，為實現極高真空測量設備國產化提供了參考。

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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

國家杰出青年科學基金（No.61125101）；國家重大科學儀器設備開發專項（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研究。Email:spacesunjian@hotmail.com。