可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规

技术领域

本发明属于真空测量技术领域，具体涉及可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规。

背景技术

随着科学技术的不断发展，真空压力测量技术广泛应用于核聚变、粒子加速器等前沿领域，特殊的磁场环境给传统的真空压力测量带来了极大的挑战。在磁场环境下，电离规内带电粒子的运动受到洛伦兹力的影响，带电粒子的运动轨迹发生改变，电离规离子信号灵敏度发生显著变化，导致传统的电离规在磁场环境下难以正常工作。因此，国内外研究者基于传统的电离规进行了进一步优化设计，以满足磁场环境下的真空测量需求。

在公开号为CN101046423A的专利文件中公开了《具有高抗干扰能力的快响应电离真空计》，该专利采用平板式的收集极、栅极和控制极，将真空规装在屏蔽罩内，真空规与控制电源之间采用屏蔽电缆连接，克服了普通电离规不能在强磁场环境下工作的特点，提高了规管响应速度和抗干扰能力。但是该方法中各功能电极只在发射阴极单侧排布，降低了热发射电子的利用率；电极采用平板式结构，使带电粒子运动轨迹只能局限在水平方向，且离子收集极受x射线效应的影响较大，限制了真空计的灵敏度和测量下限。

在公开号为CN107527786A的专利文件中公开了《一种测量下限较低的碳纳米管阴极电离规》，该专利采用碳纳米管阴极作为场发射电子源，利用笼状阳极栅网顶部端面直接提取电子，提高了电离电子的有效利用率。但是冷阴极电离规具有非线性、不稳定性、抽速大、低压力下存在放电延迟效应、在较宽压力范围内电流与压力不连续性等问题；另外，该方法中碳纳米管阴极与阳极栅网之间的间隙极小，安装操作要求较高，且通常使用高压工作，过高的电极电压可能会导致测量线路复杂以及规管漏电问题。

因此有必要提出一种新型电离真空计，能够克服冷阴极电离规电极高压引起的问题，同时能够保证电离规在磁场环境下有较长的使用寿命，并具有较高的灵敏度和测量下限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供一种可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规，可有效地增加阴极灯丝的使用寿命，提高电离规的灵敏度，在磁场强度小于6T的强磁场环境下，其测量下限可延伸至10

本发明的技术方案如下：

可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规，其特点包括有：阴极灯丝、阳极栅、离子收集极和金属外壳；其中，阴极灯丝为螺旋粗灯丝结构；阳极栅包括右阳极栅和左阳极栅；离子收集极包括右离子收集极和左离子收集极；金属外壳为圆筒状结构；阴极灯丝、右阳极栅、右离子收集极、金属外壳、左阳极栅和左离子收集极同轴布置。

进一步的，所述阴极灯丝为螺旋粗灯丝结构，用于抵抗强磁场中的安培力，其灯丝材质为钨或钨合金。

进一步的，所述阴极灯丝的螺旋匝数为1.5匝，灯丝直径为0.2mm～0.6mm之间，螺旋直径为2mm～10mm之间，其采用直流供电或交流供电方式。

进一步的，所述阳极栅为螺旋结构或笼状结构，其包括右阳极栅和左阳极栅，左阳极栅和右阳极栅以阴极灯丝为中心对称布置。

进一步的，所述左阳极栅和右阳极栅左右两端为网状结构，阳极栅内径为6mm～16mm之间，栅网丝径为0.1mm～0.4mm之间。

进一步的，所述离子收集极为金属细丝结构，直径为0.4mm～0.8mm之间，其包括左离子收集极和右离子收集极，且分别位于左阳极栅和右阳极栅的轴线上，以阴极灯丝为中心对称布置。

进一步的，所述金属外壳为圆筒状结构，在中间位置连接安装，其电势为接地布置，内径为20mm～40mm之间。

进一步的，所述阴极灯丝、右阳极栅、右离子收集极、金属外壳、左阳极栅和左离子收集极同轴布置，在磁场环境下工作时，设置其轴线排布方向与磁场方向平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明的可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规能够同时满足在强磁场或无磁场环境下进行真空测量工作，克服了普通电离规不能在强磁场环境下工作的缺点。

2.本发明中阴极灯丝为螺旋粗灯丝结构，用于抵抗阴极灯丝在强磁场中受到的安培力，螺旋结构使阴极灯丝所受安培力方向朝内，提高了磁场环境下阴极灯丝的使用寿命。

3.本发明中阳极栅为螺旋结构或笼状结构，有效延长了阴极发射电子的运动轨迹，增大发射电子和气体分子的碰撞几率，进而有效地提高热阴极电离规的灵敏度。

4.本发明中离子收集极采用金属细丝结构，减小了离子收集极面积，进而减小了x射线效应的不利影响，在磁场强度小于6T的强磁场环境下，热阴极电离规的测量下限可延伸至10

5.本发明以阴极灯丝为中心，两侧对称布置阳极栅和离子收集极，使发射电子能够在左、右两部分电离区实现来回振荡，提高了发射电子在阳极栅网空间的往复运动的路径，更进一步地提高了电离规的灵敏度，并减少了发射电子返回阴极灯丝的比例，增加了发射电子的利用率。

附图说明

图1为本发明可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规的结构示意图；

图中标号：1-阴极灯丝；2-右阳极栅；3-右离子收集极；4-金属外壳；5-左阳极栅；6-左离子收集极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述，如图1所示，本实例中的可用于强磁场环境测量下限较低的高灵敏度热阴极电离规，包括有：阴极灯丝1、阳极栅、离子收集极和金属外壳4；其中，阴极灯丝1为螺旋粗灯丝结构；阳极栅包括右阳极栅2和左阳极栅5；离子收集极包括右离子收集极3和左离子收集极6；金属外壳4为圆筒状结构；阴极灯丝1、右阳极栅2、右离子收集极3、金属外壳4、左阳极栅5和左离子收集极6同轴布置。

阴极灯丝1为螺旋粗灯丝结构，用于抵抗强磁场中的安培力，其灯丝材质为钨或钨合金，本实施例选择掺杂LaB

阴极灯丝1的螺旋匝数为1.5匝，灯丝直径为0.2mm～0.6mm之间，螺旋直径为2mm～10mm之间，其采用直流供电或交流供电方式加热灯丝，提供发射热电子。本实施例中，灯丝直径为0.4mm，螺旋直径为3mm，采用直流供电方式。

阳极栅为螺旋结构或笼状结构，本实施例选择螺旋结构，其包括右阳极栅2和左阳极栅5，左阳极栅5和右阳极栅2以阴极灯丝1为中心对称布置，阳极栅上通入高电势，为阴极灯丝1发射出的热电子提供引出电场，同时对其进行加速，使电子能量升高，进而在阳极栅内外实现来回振荡，增长电子运动轨迹，与空间气体分子碰撞发生电离。

左阳极栅5和右阳极栅2左右两端为网状结构，有利于将阳极空间内电离产生的正离子排斥到电位较低的离子收集极上被接收，阳极栅内径为6mm～16mm之间，本实施例为15mm；栅网丝径为0.1mm～0.4mm之间，本实施例为0.2mm。

离子收集极为金属细丝结构，减小了离子收集极面积，进而减小了x射线效应的不利影响，有效延长了测量下限，其细丝直径为0.4mm～0.8mm之间，本实施例为0.6mm，其包括左离子收集极6和右离子收集极3，且分别位于左阳极栅5和右阳极栅2的轴线上，以阴极灯丝1为中心对称布置，用于收集在电离区域被电离出的正离子。

金属外壳4为圆筒状结构，在中间位置连接安装，其电势为接地布置，防止电子逃逸，使电子保持在阳极栅内外振荡，内径为20mm～40mm之间，本实施例为30mm。

本实施例中，阴极灯丝1、右阳极栅2、右离子收集极3、金属外壳4、左阳极栅5和左离子收集极6同轴布置，在磁场环境下工作时，设置其轴线排布方向与磁场方向平行，使发射电子在磁场的限制下沿平行于磁场的方向进行往复螺旋运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，在本领域的普通技术人员在本发明的精神和原则之内还可对本发明做出修改、等同替换和改进，这些修改和改进均应包含在本发明的保护范围之内。