基于电路模拟的热阴极电离真空计电参数校准装置及方法

邵 壮，延 峰 ，王 欢，董云宁 ，宋瑞海，魏萌萌，卢耀文 *

（1.北京东方计量测试研究所，北京 100086；2.北京市真空计量检测工程技术研究中心，北京 100029）

0 引言

超高真空测量在空间环境模拟、表面分析科学、高能粒子加速器、半导体、核聚变和航空航天等领域内具有极为广泛的应用[1]。真空计的校准是真空量值溯源的基础，能够有效保障真空度测量结果的正确性[2-3]。国家计量校准规范JJF 1062-1999中指出：电离真空计的校准首先应对其外观及电路电参数进行校准[4]。

广义的热阴极电离真空计包括热阴极电离真空规和配套控制单元[5]，国内一般将控制单元简称为热阴极电离真空计（以下热阴极电离真空计均指控制单元）。根据热阴极电离真空规与热阴极电离真空计的连接方式可分为规/计一体式和规/计分离式热阴极电离真空计，规/计一体式热阴极电离真空计由于无法拆解或拆解困难，一般不进行电参数校准；而规/计分离式热阴极电离真空计需要进行电参数校准[6]。目前还没有热阴极电离真空计电参数校准装置（以下简称电参数校准装置）标准化产品，相关校准机构主要依靠自制校准装置或利用电流源、电流表和电压表等标准仪器搭建校准装置以开展校准工作。田东旭等[7]研制了一种基于国防科工委电学计量一级站检定的静电计和数字多用表作为标准的电参数校准装置。该装置在现场校准和无配套热阴极电离真空规情况下无法测量热阴极电离真空计的电学性能，且存在面临大量校准任务时需要频繁拆装接线容易造成操作人员触电的风险。刘波等[8]介绍了现有各级校准机构使用的热阴极电离真空计电参数校准方法，并搭建了基于标准电流源和测量信号源的电参数校准装置，装置通过连接标准电学仪器实现，校准装置体积大、接线复杂，不便于携带外检，也存在不适用于现场校准和无配套热阴极电离真空规情况下校准的问题。

目前，国内真空校准实验室现有的电参数校准装置必须外接热阴极电离真空规以维持待校准热阴极电离真空计处于热阴极灯丝发射的工作状态，而且必须为热阴极电离真空规提供可正常工作的高真空环境或采用未开封的玻璃热阴极电离真空规。在无配套热阴极电离真空规的情况下，热阴极电离真空计无法进入正常工作状态，传统校准装置无法对电参数进行校准。同时，在面对大量校准任务时，需要反复拆装接线，存在操作人员误触栅极高压的风险。针对上述问题，本文对传统电参数校准装置加以改进，提出一种利用电路模拟热阴极电离真空规的方法，保证待校准热阴极电离真空计处于正常工作状态。改进型电参数校准装置体积小、便于携带、无需外接热阴极电离真空规，适用于现场校准或无配套热阴极电离真空规情况下的校准。

1 热阴极电离真空计电参数校准原理

热阴极电离真空规包括阴极、栅极和收集极；热阴极电离真空计包括阴极电位电源、栅极电源、发射电流稳定器和离子电流放大器。在热阴极电离真空规量程范围内，Ii/Ie与压力成等比例关系，即[9]：

式中：Ie为灯丝发射电流，A，Ii为收集极离子电流，A；K为热阴极电离真空规的灵敏度系数，Pa-1；p为待测压力，Pa。

热阴极电离真空计原理如图1所示，图中Ie和Ii同式（1）。

图1 热阴极电离真空计原理图Fig.1 Schematic diagram of hot cathode ionization gauge

热阴极电离真空计的电参数校准包括栅极电压、阴极电压、发射电流和离子电流放大器的校准。校准用设备包括标准电压表、标准电流表和标准电流源等。其校准原理如图2所示，图中A为标准电流表，V为标准电压表，R为均衡电阻。GJB/J 3416-98中规定热阴极电离真空计电参数校准装置中，电压表测量直流电压在1.0×10-3～1.5×10-2V和20～400 V时，最大允许误差优于±0.5%；电流表测量直流电流在5.0×10-5～5.0×10-3A时，最大允许误差优于±1%；电流源输出直流电流在1.0×10-12～1.0×10-8A时，最大允许误差优于±5%，在1.0×10-8～1.0×10-4A时，最大允许误差优于±3%；均衡电阻R不小于热阴极灯丝阻值的10倍[10]。

图2 电离真空计电参数校准原理图Fig.2 Electrical parameters calibration device for hot cathode ionization vacuum gauge

热阴极电离真空计电参数校准装置工作时，热阴极电离真空规须工作在超高真空环境下才能对灯丝加热产生校准用发射电流[11]。由于发射电流强度与加载在热阴极电离真空规灯丝上的功率成正比[12]，因此校准装置中正常工作状态下的热阴极电离真空规可以看作由热阴极电离真空计阴极输出功率控制的电流源。基于该原理，利用电路模拟热阴极电离真空规电特性，使用功率检测电路测量热阴极电离真空计阴极电源输出功率，测量结果用于控制后级电流源电路。离子电流放大器校准时，通常使用外置标准电流源为其提供可调标准电流，也可以在装置中集成电流源为热阴极电离真空计提供可调标准电流以模拟热阴极电离真空规在不同真空度环境下工作时的离子电流。

2 热阴极电离真空计电参数校准装置设计

基于电路模拟的热阴极电离真空计电参数校准装置，如图3所示，包括热阴极电离真空规灯丝模拟电阻、模拟发射电流源和模拟离子电流源。

图3 基于电路模拟的热阴极电离真空计电参数校准装置Fig.3 Schematic diagram of the method which replacing hot cathode filament with circuit used in electrical parameters calibration device

图3中，Rc为热阴极电离真空规灯丝模拟电阻；有效值检测芯片U1、运算放大器U2、三极管Q1、电容Cd和电阻Rd、R1共同组成模拟发射电流源；S1为模拟离子电流源。其中热阴极电离真空规灯丝模拟电阻用于模拟热阴极电离真空规灯丝的电阻特性。模拟发射电流源用于模拟热阴极电离真空规的发射电流特性。模拟离子电流源为热阴极电离真空计提供标准离子电流以校准其离子电流测量电路。

热阴极灯丝模拟电阻Rc为待校准热阴极电离真空计灯丝电源提供电流回路，电阻Rc选用阻值与热阴极电离真空规灯丝相同或相近的电阻，一般约为1 Ω，具体阻值由待模拟热阴极电离真空规灯丝阻值确定，其温度漂移特性尽量低以满足后级模拟发射电流源使用条件，同时其额定功率需满足模拟热阴极电离真空规热阴极灯丝工作状态的需求。例如，在模拟ZJ-12热阴极电离真空规时可选用与其热阴极灯丝电特性相似的电阻，具体参数为：阻值1 Ω、额定功率5 W、精度0.10%、温度漂移0.05 ‰/℃。

由于灯丝加热功率正比于其发射电子效率，即PRc∝Ie，同时热发射效率高的灯丝材料电阻率通常具有较高的温度系数，所以在实际热阴极电离真空计设计中，需采用恒功率源对灯丝加热而非恒压源或恒流源。本文提出的方案采用低温漂电阻模拟灯丝，加载在电阻上的功率与其两端电压的平方成正比，即URc2∝PRc∝Ie。

电参数校准装置仅用于对热阴极电离真空计的电参数进行校准，当热阴极电离真空规的输入信号与调制输出的发射电流间的传递函数为单调连续的，且发射电流在热阴极电离真空计反馈调节范围内时，热阴极电离真空计可通过反馈将发射电流调节到设定点。因此可以使用电压有效值检测电路替换功率检测电路以简化装置，为同时兼容灯丝直流加热和交流加热两种方式，采用电压有效值检测芯片U1（如AD536、AD637等）对URc的有效值进行采样，并利用由U2、Q1、R1构成的V-I转换电路将采样电压线性转换为电流以模拟发射电流，其输出范围为0 mA至待模拟热阴极电离真空规最大发射电流值。考虑到实际热阴极电离真空规灯丝加热电流与发射电流之间存在一定的时间延迟，装置在电压有效值采样后增加由电容Cd和电阻Rd组成的延时环节，可通过调整电容Cd和电阻Rd的值以模拟不同型号的热阴极电离真空规。被校热阴极电离真空计会根据发射电流反向调节灯丝加热功率，实现发射电流恒定的功能。通过热阴极电离真空规模拟电路和热阴极电离真空计内部电路相配合可将模拟发射电流稳定在待校准热阴极电离真空计设定的发射电流值处。此外，针对不同热阴极电离真空规具有不同发射电流值的特点，通过程控切换电阻R1调节发射电流，使其可模拟各类被校准热阴极电离真空计的配套热阴极电离真空规。

模拟离子电流源S1输出标准电流模拟热阴极电离真空规收集极离子电流，输出范围为0 mA至待模拟热阴极电离真空规最大离子电流值。在模拟ZJ-12热阴极电离真空规电特性时，考虑到实际离子电流为1.0×10-12～1.0×10-4A，装置中模拟离子电流源输出范围为1.0×10-12～1.0×10-9A（最大相对误差为4.0%）和1.0×10-9～1.0×10-4A（最大相对误差为0.80%）。装置中模拟离子电流源采用16位DAC和宽量程V-I转换电路实现，通过控制D/A电压输出值和V-I转换电路量程设置，实现标准离子电流的连续可调输出。

电参数校准装置内部标准电压表利用量程切换电路和高分辨率ADC实现，用于测量待校准热阴极电离真空计的栅极电压和阴极电压，测量范围分别为150～250 V、20～50 V，适应各类热阴极电离真空规，最大相对误差为0.10%。电参数校准装置内部标准电流表利用采样电阻、信号调理电路和ADC实现，用于测量待校准热阴极电离真空计的发射电流，测量范围为 50μA～5 mA，最大相对误差为0.10%。

根据GJB/J 3416-98中电参数校准装置用电压表、电流表和电流源的最大允许相对误差要求和电参数校准装置原理，设计装置结构原理如图4所示。

图4 热阴极电离真空计电参数校准装置结构原理图Fig.4 Structure of the electrical parameters calibration device

按照功能划分，该电参数校准装置可分为输出模块、测量模块、控制模块、电源电路和接口转换及保护电路。其中，MCU控制器采用ATMEL的ATmega128单片机，具备多组I/O接口、Flash、EEPROM、USB控制器等功能配置；输出模块以16位DAC为核心，通过后级信号调理转换电路实现标准电压或标准电流输出；测量模块以20位ADC为核心，通过调理电路将待测电流信号或电压信号转化为可被ADC直接采样的合适电压信号。工作电源包括数字电源和模拟电源，均采用线性稳压电源实现。数字电源输出+5 V工作电压，为MCU、按键显示和通信接口等数字电路供电。模拟电源包括+12 V、-12 V和+5 V三组输出，为运算放大器、高精度电压基准、ADC、DAC等模拟电路供电。接口转换电路主要由继电器组构成，用于解决不同厂家型号热阴极电离真空计接口接插件相同但引脚定义不同的问题，由MCU根据热阴极电离真空计型号自动配置，接口转换电路内部还包括输入输出过压过流保护电路。

综上所述，提出电参数校准装置的总体指标如表1所列，各项指标满足GJB/J 3416-98中的相关要求[10]。热阴极电离真空计电参数校准装置实物如图5所示。

表1 热阴极电离真空计电参数校准装置设计指标Tab.1 Technique target of hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

图5 热阴极电离真空计电参数校准装置实物图Fig.5 Hot cathode ionization vacuum gauge electrical parameters calibration device

3 测试结果及不确定度评定

装置完成后，使用多功能标准源和数字静电计参照GJB/J 3416-98、JJG315-1983、JJG598-1989对装置进行校准，各项参数均满足设计指标要求，校准结果如表2所列。

为了在日常计量检定工作中能够准确的表征电离真空计校准结果的可信程度，对热阴极电离真空计电参数校准装置的不确定度进行了评定。

栅极电压和阴极灯丝电压直接使用装置内部电压表进行校准，不确定度是由装置内部电压表测量的。根据表2中校准装置的校准结果，测量栅极电压时，电压表测量范围150～250 V，最大相对误差为0.08%，可知测量可能值区间半宽度α为0.08 V。取包含因子k=2，则栅极电压测量标准不确定度为：

表2 电参数校准装置的校准结果Tab.2 Calibration results of the electrical parameters calibration device

测量阴极灯丝电压时，电压表测量范围20～50 V，最大相对误差为0.07%，同理可求得阴极灯丝电压测量的标准不确定度为

待校准热阴极电离真空计的发射电流由电参数校准装置的内部模拟发射电流源提供，发射电流校准的不确定度由内部模拟发射电流源输出电流不确定度和内部电流表电流测量不确定度合成。对于电参数校准装置内部模拟发射电流源，其电流输出范围为50μA～5 mA，最大相对误差为0.10%，可知其区间半宽度α=4.95×10-6A。

取包含因子k=2，则该模拟发射电流源输出电流的标准不确定度为：

装置内部电流表用于测量待校准电离真空计的发射电流，其测量范围为50μA～5 mA，最大相对误差为0.06%，同理可以求得发射电流测量的标准不确定度为：

根据不确定度传播律，热阴极电离真空计发射电流校准的标准不确定度为：

电参数校准装置模拟离子电流源为待校准热阴极电离真空计提供离子电流以校准热阴极电离真空计内部电流表，装置内部模拟离子电流源按输出电流范围划分为两部分电路，其中：

（1）输出电流范围1.0×10-12～1.0×10-9A，最大相对误差为3.1%，标准不确定度为：

（2）输出电流范围1.0×10-9～1.0×10-4A，最大相对误差为0.8%，标准不确定度为：

根据校准过程中所使用的多功能标准源和数字静电计的不确定度，本装置相对扩展不确定度如表3所列（取包含因子k=2）。

表3 电参数校准装置的相对扩展不确定度Tab.3 Relative expansion uncertainty of the device

4 实际校准结果

确定电参数校准装置各项性能指标满足设计要求并完成装置的不确定度分析后，分别使用本电参数校准装置和实验室搭建的传统电参数校准装置对成都正华ZDF-III-LED复合真空计的电离部分进行电参数校准，实验结果如表4所列。

表4 成都正华ZDF-III-LED电参数校准结果验证Tab.4 Calibration results verification with electrical parameters of ZDF-III-LED

对于离子流放大器的校准，通常以电参数校准装置输出标准离子电流值和被校准热阴极电离真空计的离子流示值的相对误差衡量。图6所示为使用新型电参数校准装置和传统电参数校准装置对成都正华ZDF-III-LED复合真空计的离子流放大器进行校准的结果。由校准结果可知，新型电参数校准装置的校准结果与传统电参数校准装置的校准结果具有较好的一致性。目前，该电参数校准装置已应用于实验室热阴极电离真空计的电参数校准工作中。

图6 成都正华ZDF-III-LED离子流放大器校准结果验证Fig.6 Calibration results verification with ion current meter of ZDF-III-LED

5 结论

通过对热阴极电离真空计及其电参数校准装置的原理分析，提出一种使用电路模拟热阴极电离真空规电特性的方法，通过功率检测和电流源电路模拟热阴极电离真空规发射电流特性与程控电流源模拟热阴极电离真空规离子电流特性，并基于该方法研制了新型热阴极电离真空计电参数校准装置。

该装置可以利用电路模拟多种热阴极电离真空规，在校准不同型号热阴极电离真空计时无需安装或更换热阴极电离真空规，无需更换接线，不存在误触栅极高压电极的风险，使校准过程更加安全，有效解决了以往热阴极电离真空计电参数校准装置存在的无法脱离热阴极电离真空规、不适用于现场校准等问题。此外，通过电路模拟热阴极电离真空规电特性的方法可以进一步应用于采用热阴极电离源的真空仪器的测试中，为简化其研发过程中调试难度提供了新思路。