基于電路模擬的熱陰極電離真空計電參數校準裝置及方法

邵 壯，延 峰 ，王 歡，董云寧 ，宋瑞海，魏萌萌，盧耀文 *

（1.北京東方計量測試研究所，北京 100086；2.北京市真空計量檢測工程技術研究中心，北京 100029）

0 引言

超高真空測量在空間環境模擬、表面分析科學、高能粒子加速器、半導體、核聚變和航空航天等領域內具有極為廣泛的應用[1]。真空計的校準是真空量值溯源的基礎，能夠有效保障真空度測量結果的正確性[2-3]。國家計量校準規范JJF 1062-1999中指出：電離真空計的校準首先應對其外觀及電路電參數進行校準[4]。

廣義的熱陰極電離真空計包括熱陰極電離真空規和配套控制單元[5]，國內一般將控制單元簡稱為熱陰極電離真空計（以下熱陰極電離真空計均指控制單元）。根據熱陰極電離真空規與熱陰極電離真空計的連接方式可分為規/計一體式和規/計分離式熱陰極電離真空計，規/計一體式熱陰極電離真空計由于無法拆解或拆解困難，一般不進行電參數校準；而規/計分離式熱陰極電離真空計需要進行電參數校準[6]。目前還沒有熱陰極電離真空計電參數校準裝置（以下簡稱電參數校準裝置）標準化產品，相關校準機構主要依靠自制校準裝置或利用電流源、電流表和電壓表等標準儀器搭建校準裝置以開展校準工作。田東旭等[7]研制了一種基于國防科工委電學計量一級站檢定的靜電計和數字多用表作為標準的電參數校準裝置。該裝置在現場校準和無配套熱陰極電離真空規情況下無法測量熱陰極電離真空計的電學性能，且存在面臨大量校準任務時需要頻繁拆裝接線容易造成操作人員觸電的風險。劉波等[8]介紹了現有各級校準機構使用的熱陰極電離真空計電參數校準方法，并搭建了基于標準電流源和測量信號源的電參數校準裝置，裝置通過連接標準電學儀器實現，校準裝置體積大、接線復雜，不便于攜帶外檢，也存在不適用于現場校準和無配套熱陰極電離真空規情況下校準的問題。

目前，國內真空校準實驗室現有的電參數校準裝置必須外接熱陰極電離真空規以維持待校準熱陰極電離真空計處于熱陰極燈絲發射的工作狀態，而且必須為熱陰極電離真空規提供可正常工作的高真空環境或采用未開封的玻璃熱陰極電離真空規。在無配套熱陰極電離真空規的情況下，熱陰極電離真空計無法進入正常工作狀態，傳統校準裝置無法對電參數進行校準。同時，在面對大量校準任務時，需要反復拆裝接線，存在操作人員誤觸柵極高壓的風險。針對上述問題，本文對傳統電參數校準裝置加以改進，提出一種利用電路模擬熱陰極電離真空規的方法，保證待校準熱陰極電離真空計處于正常工作狀態。改進型電參數校準裝置體積小、便于攜帶、無需外接熱陰極電離真空規，適用于現場校準或無配套熱陰極電離真空規情況下的校準。

1 熱陰極電離真空計電參數校準原理

熱陰極電離真空規包括陰極、柵極和收集極；熱陰極電離真空計包括陰極電位電源、柵極電源、發射電流穩定器和離子電流放大器。在熱陰極電離真空規量程范圍內，Ii/Ie與壓力成等比例關系，即[9]：

式中：Ie為燈絲發射電流，A，Ii為收集極離子電流，A；K為熱陰極電離真空規的靈敏度系數，Pa-1；p為待測壓力，Pa。

熱陰極電離真空計原理如圖1所示，圖中Ie和Ii同式（1）。

圖1 熱陰極電離真空計原理圖Fig.1 Schematic diagram of hot cathode ionization gauge

熱陰極電離真空計的電參數校準包括柵極電壓、陰極電壓、發射電流和離子電流放大器的校準。校準用設備包括標準電壓表、標準電流表和標準電流源等。其校準原理如圖2所示，圖中A為標準電流表，V為標準電壓表，R為均衡電阻。GJB/J 3416-98中規定熱陰極電離真空計電參數校準裝置中，電壓表測量直流電壓在1.0×10-3～1.5×10-2V和20～400 V時，最大允許誤差優于±0.5%；電流表測量直流電流在5.0×10-5～5.0×10-3A時，最大允許誤差優于±1%；電流源輸出直流電流在1.0×10-12～1.0×10-8A時，最大允許誤差優于±5%，在1.0×10-8～1.0×10-4A時，最大允許誤差優于±3%；均衡電阻R不小于熱陰極燈絲阻值的10倍[10]。

圖2 電離真空計電參數校準原理圖Fig.2 Electrical parameters calibration device for hot cathode ionization vacuum gauge

熱陰極電離真空計電參數校準裝置工作時，熱陰極電離真空規須工作在超高真空環境下才能對燈絲加熱產生校準用發射電流[11]。由于發射電流強度與加載在熱陰極電離真空規燈絲上的功率成正比[12]，因此校準裝置中正常工作狀態下的熱陰極電離真空規可以看作由熱陰極電離真空計陰極輸出功率控制的電流源。基于該原理，利用電路模擬熱陰極電離真空規電特性，使用功率檢測電路測量熱陰極電離真空計陰極電源輸出功率，測量結果用于控制后級電流源電路。離子電流放大器校準時，通常使用外置標準電流源為其提供可調標準電流，也可以在裝置中集成電流源為熱陰極電離真空計提供可調標準電流以模擬熱陰極電離真空規在不同真空度環境下工作時的離子電流。

2 熱陰極電離真空計電參數校準裝置設計

基于電路模擬的熱陰極電離真空計電參數校準裝置，如圖3所示，包括熱陰極電離真空規燈絲模擬電阻、模擬發射電流源和模擬離子電流源。

圖3 基于電路模擬的熱陰極電離真空計電參數校準裝置Fig.3 Schematic diagram of the method which replacing hot cathode filament with circuit used in electrical parameters calibration device

圖3中，Rc為熱陰極電離真空規燈絲模擬電阻；有效值檢測芯片U1、運算放大器U2、三極管Q1、電容Cd和電阻Rd、R1共同組成模擬發射電流源；S1為模擬離子電流源。其中熱陰極電離真空規燈絲模擬電阻用于模擬熱陰極電離真空規燈絲的電阻特性。模擬發射電流源用于模擬熱陰極電離真空規的發射電流特性。模擬離子電流源為熱陰極電離真空計提供標準離子電流以校準其離子電流測量電路。

熱陰極燈絲模擬電阻Rc為待校準熱陰極電離真空計燈絲電源提供電流回路，電阻Rc選用阻值與熱陰極電離真空規燈絲相同或相近的電阻，一般約為1 Ω，具體阻值由待模擬熱陰極電離真空規燈絲阻值確定，其溫度漂移特性盡量低以滿足后級模擬發射電流源使用條件，同時其額定功率需滿足模擬熱陰極電離真空規熱陰極燈絲工作狀態的需求。例如，在模擬ZJ-12熱陰極電離真空規時可選用與其熱陰極燈絲電特性相似的電阻，具體參數為：阻值1 Ω、額定功率5 W、精度0.10%、溫度漂移0.05 ‰/℃。

由于燈絲加熱功率正比于其發射電子效率，即PRc∝Ie，同時熱發射效率高的燈絲材料電阻率通常具有較高的溫度系數，所以在實際熱陰極電離真空計設計中，需采用恒功率源對燈絲加熱而非恒壓源或恒流源。本文提出的方案采用低溫漂電阻模擬燈絲，加載在電阻上的功率與其兩端電壓的平方成正比，即URc2∝PRc∝Ie。

電參數校準裝置僅用于對熱陰極電離真空計的電參數進行校準，當熱陰極電離真空規的輸入信號與調制輸出的發射電流間的傳遞函數為單調連續的，且發射電流在熱陰極電離真空計反饋調節范圍內時，熱陰極電離真空計可通過反饋將發射電流調節到設定點。因此可以使用電壓有效值檢測電路替換功率檢測電路以簡化裝置，為同時兼容燈絲直流加熱和交流加熱兩種方式，采用電壓有效值檢測芯片U1（如AD536、AD637等）對URc的有效值進行采樣，并利用由U2、Q1、R1構成的V-I轉換電路將采樣電壓線性轉換為電流以模擬發射電流，其輸出范圍為0 mA至待模擬熱陰極電離真空規最大發射電流值。考慮到實際熱陰極電離真空規燈絲加熱電流與發射電流之間存在一定的時間延遲，裝置在電壓有效值采樣后增加由電容Cd和電阻Rd組成的延時環節，可通過調整電容Cd和電阻Rd的值以模擬不同型號的熱陰極電離真空規。被校熱陰極電離真空計會根據發射電流反向調節燈絲加熱功率，實現發射電流恒定的功能。通過熱陰極電離真空規模擬電路和熱陰極電離真空計內部電路相配合可將模擬發射電流穩定在待校準熱陰極電離真空計設定的發射電流值處。此外，針對不同熱陰極電離真空規具有不同發射電流值的特點，通過程控切換電阻R1調節發射電流，使其可模擬各類被校準熱陰極電離真空計的配套熱陰極電離真空規。

模擬離子電流源S1輸出標準電流模擬熱陰極電離真空規收集極離子電流，輸出范圍為0 mA至待模擬熱陰極電離真空規最大離子電流值。在模擬ZJ-12熱陰極電離真空規電特性時，考慮到實際離子電流為1.0×10-12～1.0×10-4A，裝置中模擬離子電流源輸出范圍為1.0×10-12～1.0×10-9A（最大相對誤差為4.0%）和1.0×10-9～1.0×10-4A（最大相對誤差為0.80%）。裝置中模擬離子電流源采用16位DAC和寬量程V-I轉換電路實現，通過控制D/A電壓輸出值和V-I轉換電路量程設置，實現標準離子電流的連續可調輸出。

電參數校準裝置內部標準電壓表利用量程切換電路和高分辨率ADC實現，用于測量待校準熱陰極電離真空計的柵極電壓和陰極電壓，測量范圍分別為150～250 V、20～50 V，適應各類熱陰極電離真空規，最大相對誤差為0.10%。電參數校準裝置內部標準電流表利用采樣電阻、信號調理電路和ADC實現，用于測量待校準熱陰極電離真空計的發射電流，測量范圍為 50μA～5 mA，最大相對誤差為0.10%。

根據GJB/J 3416-98中電參數校準裝置用電壓表、電流表和電流源的最大允許相對誤差要求和電參數校準裝置原理，設計裝置結構原理如圖4所示。

圖4 熱陰極電離真空計電參數校準裝置結構原理圖Fig.4 Structure of the electrical parameters calibration device

按照功能劃分，該電參數校準裝置可分為輸出模塊、測量模塊、控制模塊、電源電路和接口轉換及保護電路。其中，MCU控制器采用ATMEL的ATmega128單片機，具備多組I/O接口、Flash、EEPROM、USB控制器等功能配置；輸出模塊以16位DAC為核心，通過后級信號調理轉換電路實現標準電壓或標準電流輸出；測量模塊以20位ADC為核心，通過調理電路將待測電流信號或電壓信號轉化為可被ADC直接采樣的合適電壓信號。工作電源包括數字電源和模擬電源，均采用線性穩壓電源實現。數字電源輸出+5 V工作電壓，為MCU、按鍵顯示和通信接口等數字電路供電。模擬電源包括+12 V、-12 V和+5 V三組輸出，為運算放大器、高精度電壓基準、ADC、DAC等模擬電路供電。接口轉換電路主要由繼電器組構成，用于解決不同廠家型號熱陰極電離真空計接口接插件相同但引腳定義不同的問題，由MCU根據熱陰極電離真空計型號自動配置，接口轉換電路內部還包括輸入輸出過壓過流保護電路。

綜上所述，提出電參數校準裝置的總體指標如表1所列，各項指標滿足GJB/J 3416-98中的相關要求[10]。熱陰極電離真空計電參數校準裝置實物如圖5所示。

表1 熱陰極電離真空計電參數校準裝置設計指標Tab.1 Technique target of hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

圖5 熱陰極電離真空計電參數校準裝置實物圖Fig.5 Hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

3 測試結果及不確定度評定

裝置完成后，使用多功能標準源和數字靜電計參照GJB/J 3416-98、JJG315-1983、JJG598-1989對裝置進行校準，各項參數均滿足設計指標要求，校準結果如表2所列。

為了在日常計量檢定工作中能夠準確的表征電離真空計校準結果的可信程度，對熱陰極電離真空計電參數校準裝置的不確定度進行了評定。

柵極電壓和陰極燈絲電壓直接使用裝置內部電壓表進行校準，不確定度是由裝置內部電壓表測量的。根據表2中校準裝置的校準結果，測量柵極電壓時，電壓表測量范圍150～250 V，最大相對誤差為0.08%，可知測量可能值區間半寬度α為0.08 V。取包含因子k=2，則柵極電壓測量標準不確定度為：

表2 電參數校準裝置的校準結果Tab.2 Calibration results of the electrical parameters calibration device

測量陰極燈絲電壓時，電壓表測量范圍20～50 V，最大相對誤差為0.07%，同理可求得陰極燈絲電壓測量的標準不確定度為

待校準熱陰極電離真空計的發射電流由電參數校準裝置的內部模擬發射電流源提供，發射電流校準的不確定度由內部模擬發射電流源輸出電流不確定度和內部電流表電流測量不確定度合成。對于電參數校準裝置內部模擬發射電流源，其電流輸出范圍為50μA～5 mA，最大相對誤差為0.10%，可知其區間半寬度α=4.95×10-6A。

取包含因子k=2，則該模擬發射電流源輸出電流的標準不確定度為：

裝置內部電流表用于測量待校準電離真空計的發射電流，其測量范圍為50μA～5 mA，最大相對誤差為0.06%，同理可以求得發射電流測量的標準不確定度為：

根據不確定度傳播律，熱陰極電離真空計發射電流校準的標準不確定度為：

電參數校準裝置模擬離子電流源為待校準熱陰極電離真空計提供離子電流以校準熱陰極電離真空計內部電流表，裝置內部模擬離子電流源按輸出電流范圍劃分為兩部分電路，其中：

（1）輸出電流范圍1.0×10-12～1.0×10-9A，最大相對誤差為3.1%，標準不確定度為：

（2）輸出電流范圍1.0×10-9～1.0×10-4A，最大相對誤差為0.8%，標準不確定度為：

根據校準過程中所使用的多功能標準源和數字靜電計的不確定度，本裝置相對擴展不確定度如表3所列（取包含因子k=2）。

表3 電參數校準裝置的相對擴展不確定度Tab.3 Relative expansion uncertainty of the device

4 實際校準結果

確定電參數校準裝置各項性能指標滿足設計要求并完成裝置的不確定度分析后，分別使用本電參數校準裝置和實驗室搭建的傳統電參數校準裝置對成都正華ZDF-III-LED復合真空計的電離部分進行電參數校準，實驗結果如表4所列。

表4 成都正華ZDF-III-LED電參數校準結果驗證Tab.4 Calibration results verification with electrical parameters of ZDF-III-LED

對于離子流放大器的校準，通常以電參數校準裝置輸出標準離子電流值和被校準熱陰極電離真空計的離子流示值的相對誤差衡量。圖6所示為使用新型電參數校準裝置和傳統電參數校準裝置對成都正華ZDF-III-LED復合真空計的離子流放大器進行校準的結果。由校準結果可知，新型電參數校準裝置的校準結果與傳統電參數校準裝置的校準結果具有較好的一致性。目前，該電參數校準裝置已應用于實驗室熱陰極電離真空計的電參數校準工作中。

圖6 成都正華ZDF-III-LED離子流放大器校準結果驗證Fig.6 Calibration results verification with ion current meter of ZDF-III-LED

5 結論

通過對熱陰極電離真空計及其電參數校準裝置的原理分析，提出一種使用電路模擬熱陰極電離真空規電特性的方法，通過功率檢測和電流源電路模擬熱陰極電離真空規發射電流特性與程控電流源模擬熱陰極電離真空規離子電流特性，并基于該方法研制了新型熱陰極電離真空計電參數校準裝置。

該裝置可以利用電路模擬多種熱陰極電離真空規，在校準不同型號熱陰極電離真空計時無需安裝或更換熱陰極電離真空規，無需更換接線，不存在誤觸柵極高壓電極的風險，使校準過程更加安全，有效解決了以往熱陰極電離真空計電參數校準裝置存在的無法脫離熱陰極電離真空規、不適用于現場校準等問題。此外，通過電路模擬熱陰極電離真空規電特性的方法可以進一步應用于采用熱陰極電離源的真空儀器的測試中，為簡化其研發過程中調試難度提供了新思路。