超高真空计微弱离子流检测技术研究_姚鹏.pdf

超高真空计微弱离子流检测技术研究姚鹏，李得天*，张虎忠，葛金国，马卓娅，成永军，阴怡媛（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）摘要：在超高真空环境下，Bayard-Alpert 型电离真空计通过电离气体分子得到的离子流信号十分微弱，且极易受到干扰。介绍了一种用于超高真空测量的微弱信号检测系统，包括测量电路、调零电路与处理模块。该系统采用高精度放大器与高绝缘继电器，可以实现微弱信号的精密放大，满足mA级至亚pA级范围的宽量程电流信号检测；能够自动完成测量档位的切换、系统调零、数据处理与真空全压力值计算，测量下限可达10-13A量级，可用于超高真空计离子流的精确测量，具有良好的线性及稳定性。关键词：宽量程；微弱信号；超高真空测量；电离真空计中图分类号：TB772文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0111-06DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.002Research on the Weak Ion Current Detection Technology of Ultra-high Vacuum GaugeYAO Peng，LI Detian*，ZHANG Huzhong，GE Jinguo，MA Zhuoya，CHENG Yongjun，YIN Yiyuan（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）Abstract：In ultra high vacuum environment，Bayard-Alpert ionization vacuum gauges generate ion current by ionizinggas molecules.This current signal is very weak and susceptible to interference.This paper introduces a weak signal detection system for ultra-high vacuum measurement，which can meet the wide range current signal detection from mA to sub-pA.It is composed of measurement module，zero adjustment module and processing module.High precision amplifier andhighly insulating relay are selected to realize the precision amplification of weak signals.The system can automaticallycomplete the measurement gear change，zero adjustment，data processing and pressure calculation.The lower limit of measurement up to 10-13Awith good measurement linearity.It has been applied for the accurate measurement of ion flow of ultrahigh vacuum gauges，showing good measurement stability.Key words：wide range current measurement；weak signal；ultra high vacuum measurement；ionization vacuum gauge0引言深空探测、量子物理、高精度极紫外光刻等前沿领域均对超高真空测量有着强烈的需求1。在超高真空测量的众多技术中，利用热阴极将真空压力转换为离子流信号进行测量是一种常用且有效的手段。热阴极电离计的工作原理是通过加热灯丝使电子发射，电子与气体分子碰撞并使其电离，离子在电场的作用下定向运动，由收集极接收后形成微弱的电流信号2-3。作为改进型的热阴极电离真空计，Bayard-Alpert 型电离真空计（B-A规）具有测量下限低，测量范围宽的特点4。对于这样一个测量范围为10-9收稿日期：2022-10-14基金项目：国家自然科学基金（62171208）作者简介：姚鹏，硕士研究生，主要从事真空测量仪器研究。E-mail：通信作者：李得天，博士生导师，中国工程院院士，主要从事真空测试计量及仪器研究。E-mail：引文信息：姚鹏，李得天，张虎忠，等.超高真空计微弱离子流检测技术研究J.真空与低温，2023，29（2）：111-116.YAO P，LI D T，ZHANG H Z，et al.Research on the weak ion current detection technology of ultra-high vacuum gaugeJ.Vacuum and Cryogenics，2023，29（2）：111-116.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月11110 Pa，涵盖10个数量级的真空测量仪器，微弱信号检测系统须满足对 10-1310-3A范围内电流信号的测量。微弱信号检测中常见的方法有两种：I/V（电流电压）转换法和I/F（电流频率）转换法5。I/V转换法原理简单，利用高精度运算放大器将高阻抗输入的微弱离子流信号转换为电压信号，经过信号放大和A/D转换，得到测量值。I/V法响应时间短，理想情况下，反馈电阻输出电压与输入电流满足线性关系。I/F转换法是将电流信号转换为相应的脉冲频率后，通过监测脉冲信号频率计算输入电流值6-7。当被测电流十分微弱时，为抑制噪声，I/F转换法需要较长的响应时间，无法实时响应测量电流的快速变化8。近年来，我国在超高真空领域测量仪器的需求与研制能力不断提升，针对超高真空测量范围宽、测量下限低、响应速度快等特点，研究适用于超高真空测量的微弱信号检测系统，可有效提升国产超高真空测量仪器的性能。本文基于I/V转换法，使用超高阻值电阻与高绝缘继电器，设计并研究一种测量下限为 10-13A，响应速度快，且能够覆盖 10-1310-3A10个数量级的宽量程微弱信号检测系统；并通过标准电流源与真空校准系统对其实际性能和稳定性进行相关的试验研究。1微弱信号检测系统电离真空计微弱信号检测系统主要由测量电路、调零电路、MCU 处理模块组成，如图 1 所示。测量电路包含I/V转换电路、档位切换电路、放大电路。由于使用的真空规管之间材料、装配、信号线长度存在差异，不同的使用环境下零点值会存在微小的偏差，设计调零电路以便调节测量零点，提高测量准确度。MCU 处理模块会根据被测电流的大小，自动完成测量档位的切换。测量电路将采集到的信号转换、放大，再将对应的电压值送入MCU处理模块，经过数字处理后得到真空全压力测量值。图1超高真空微弱信号检测系统框图Fig.1Block diagram of ultra high vacuum weak signaldetection system2电路设计及信号处理2.1离子流信号测量电路被测电流信号涵盖10个数量级，须用不同的采样电阻将10个数量级的测量范围划分为5个测量档位。对应的离子流可以利用式（1）进行计算9，最低下限须达到0.1 pA。I+=IepS（1）式中：p为标准压力；Ie为发射电流；S为规管灵敏度；I+为收集级收集到的离子流信号。为满足 10-13A 的微弱离子流测量要求，采用100 G高阻值电阻和精密运算放大器，配合Guard保护技术减少漏电流对测量的干扰。为了获得良好的测量线性，选用温度系数为510-5/、精度为1%的金属薄膜电阻和玻璃釉电阻，高阻值的玻璃釉电阻可以在长时间内保持高稳定性和高性能。使用5个测量档位覆盖10个数量级测量范围，每个档位须覆盖两个数量级。为避免档位切换开关在断开状态下的漏电流对微弱信号测量产生影响，采用高绝缘继电器来完成档位切换动作，开路状态下绝缘电阻值可达100 T；该继电器以高绝缘材料为支撑，配以等电位屏蔽层，可以有效保护微弱电流信号不被漏电流和继电器驱动信号干扰10。图2为检测电路原理图，其中R1R5为采样电阻，K1K5为高绝缘继电器。微弱离子流信号经I/V转换电路转换为电压信号Vout后输出。前级测量电路中的I/V转换电路采用的输入偏置电流为fA量级的运算放大器，常应用于电离室、静电计、pH电极测量等微弱电流信号的测量，其输入偏置电流在25 真空与低温第 29 卷第 2 期112下为20 fA，输入失调电压为26 V，输入失调电压温度漂移为-1.5 V/，性能参数可以满足0.1 pA的测量要求。测量电路中存在的寄生电容Cin会造成相位滞后。若相位裕度Cin来确定。图2测量电路原理图Fig.2Schematic diagram of measurement circuit采样电阻最大阻值为 100 G，最小阻值为1 k，微弱电流信号通过反馈电阻，由前级测量电路转换为电压信号Vout，此时的电压信号依旧很弱11。由次级放大电路与滤波电路处理后，使用16位A/D转换器将电压信号传输至MCU处理模块中，采样频率最大可达960 Hz，能够满足真空全压力测量快速响应的要求。被测信号为直流信号，因而采用低通滤波电路。在测量电路板上使用“Guard”保护方法。在输入和反馈线路周围，保持等同于输入信号电压的“等电位层”，测量电路外部产生的漏电流，将会由“等电位层”消除，实现对输入的微弱信号的保护。这种方法可以有效消除测量低频信号时电缆与杂散电容对测量的影响。2.2调零电路在实际测量中，由于被测电流源和环境不同，测量系统的本底噪声值也不同。为了避免由本底噪声与前级运算放大器的失调电压带来的影响，设计了数字调零电路。该电路由微处理器控制，与测量电路组成一个完整的测量回路，原理如图3所示。在调零过程中，微处理器会根据零点偏移值输出调零信号，由DAC转换为电压信号后施加在测量回路上。图3调零电路原理图Fig.3Schematic diagram of zeroing circuit姚鹏等：超高真空计微弱离子流检测技术研究113由于调零中元器件性能与理想值之间存在差异，微处理器输出的调零信号会与 DAC 实际输出的调零电压存在偏差。为了提高调零精度，采用 16 位的数模转换器 MS5542 将调零数字信号转换为模拟电压信号。该转换器具有低噪声、低失调误差和建立时间短等特性，适用于精密源测量仪器。2.3MCU处理模块MCU模块是测量系统中完成控制与数据处理的中枢，负责完成测量电路的动作控制与数据处理。MCU模块会将从测量电路接受到的信号经过计算转换为离子流值，并会根据离子流的大小来控制各个继电器的开关状态，从而实现测量档位的切换。MCU模块会对采集到的信号进行数字滤波处理，采用的中位值平均滤波方式可以有效消除偶然因素引起的脉冲性干扰。具体做法是连续记录N个采样信号，去除其中的最大、最小值，然后计算其余数据的算术均值：Y=1N-2K=2N-1X(K)（2）式中：X（1）X（2）X（N），N 3。这种方法虽然会降低测量系统对变化的响应速度，但通过合理选取滤波样本数量N（测量系统的采样周期为2 ms），能够满足超高真空测量对实时性的要求。3试验测试与分析3.1测量偏差在将该微弱信号检测系统应用于实际的超高真空测量前，使用吉时利（KEITHLEY）6220型直流电流源/精密直流电源对其进行校准。吉时利6220直流电流源通过三同轴连接线为测量系统提供标准电流输入。校准前，使用调零电路进行调零，抵消本底噪声带来的干扰；记录各测量档位内20组数据，得到范围为10-1310-3A的校准曲线，如图4所示。图4中，自左至右依次为15档。在各个测量档位中，随着输入标准电流值减小，测量值的相对偏差增大。可以看出，测量范围内，测量系统的线性良好。5 个测量档位的相对偏差的标准差为1.04%、0.98%、0.48%、1.86%、1.7%。最大相对偏差分别为-3.19%、+3.19%、+1.33%、-4.26%、+4.54%。电阻产生的热噪声为：V2n=4kTRB（3）式中：Vn为噪声电压；k为玻耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为电阻的热力学温度；R为电阻值；B为带宽。由式（3）可得，采样电阻值越大，热噪声电压也越大，这与试验结果一致。图4系统校准曲线Fig.4Calibration curve of the system使用标准电流源对测量系统性能进行校准后，用三同轴线缆将测量系统与电离规管连接，利用国防科技工业真空一级计量站的超高/极高真空校准装置对微弱信号检测系统的测量性能进行研究。真空规管与精密电流源的输入电阻存在差异，会导致微弱信号检测系统各档位的测量本底值发生变化，试验前必须使用调零模块重新调零。经过抽气、烘烤除气，校准装置的本底压力达到 1.9610-9Pa后，向真空室充入高纯氮气进行真空计校准。用式（4）计算压力变化：p=I+-I+0IeS+p0（4）式中：I+0为试验开始时的本底离子流值；p0为试验开始时真空室内的本底压力（等效氮压力）值。采用自研的真空规管12（灵敏度S=0.18），对A、B两套微弱信号测量系统分别进行校准，结果如图5所示。两个测量系统在 510-90.510-1Pa 压力测量范围内均保持良好的线性。系统 A 的最大偏差为+8.81%；系统B的最大偏差为+7.31%；两个系统的全量程平均相对偏差为+2.43%和+2.38%。二者的测量下限均出现了较大的相对偏差。该偏差不仅来源于微弱信号检测系统，还包括真空规管的测量偏差、电离真空计的测量不确定度等。真空与低温第 29 卷第 2 期114图510-9Pa至0.5 Pa校准结果Fig.5Standard pressure calibration in the rangeof 10-9Pa to 0.5 Pa3.2长期稳定性及零点漂移对测量系统的长期稳定性进行了研究。保持相同的试验环境温度，分别在第1天、第2天、第3天、第 4 天、第 5 天、第 7 天和第 14 天使用吉时利 6220直流电流源在 10-1310-3A的测量范围内对测量系统进行了校准，如图6所示。记录每次校准中各档位的相对偏差值，相对偏差的偏移量反映测量的稳定性。第1天的校准中，各档位的测量相对偏差为+0.07%、+0.37%、+0.23%、+0.69%、+1.7%。图6不同测量档位的相对偏差变化Fig.6Relative error variation of measurement gears在两周内对微弱信号测量系统进行的7次校准中，各档位后6次的平均相对偏差相较于第1次的校准结果未发生明显改变，相对偏差变化量的标准差为 0.08%、0.22%、0.31%、0.51%、1.4%。这表明，微弱信号测量系统具有良好的长期测量稳定性。测量电路的零点漂移直接影响微弱信号测量的准确性，越接近各档位测量下限，零点漂移的影响越明显。设定的各档位最低采样电压值均为100 mV，在相同的环境条件下，7天内每天记录测量系统各个档位的零点。图7为零点的变化量相对于100 mV最低采样值的偏差。图7测量档位零点漂移Fig.7Measurement gear zero drift由图 7可以看出，7天中零点的漂移量和档位相关，档位越高偏差越大。由于档位越高，其测量姚鹏等：超高真空计微弱离子流检测技术研究115下限越低，细微的环境改变所造成的零点漂移越明显。测量档位为 5 档时的偏差最大，最大偏差为2.66%。4结论本文基于电离规在超高真空下测量的特点，研究了专用的I/V转换电路，采用超高阻值采样电阻测量方法与多档位切换设计，通过fA 级输入偏置电流放大器与高绝缘继电器，实现了10-1310-3A宽范围微弱电流信号的准确测量。试验测试结果表明，离子流检测系统在量程范围内能够保持良好的测量线性，测量下限可达10-13A，最大相对偏差为4.54%。使用两套检测系统连接真空规管进行试验校准，在10-90.5 Pa 量程范围内，测量的平均相对偏差为2.43%和2.38%，并在14天内保持良好的测量稳定性。本测量系统已在超高真空测量电离真空计中应用，测量精度高，稳定性良好。参考文献：1 李得天，成永军，冯焱，等.超高/极高真空测量发展综述J.真空科学与技术学报，2009，29（5）：522-530.2LiDT，WANGYJ，ZHANGHZ，etal.Applicationsofvacuummeasurement technology in china s space programsJ.空间科学与技术，2021（1）：285-298.3李得天，张虎忠，葛金国，等.真空全压力测量新技术J.真空与低温，2022，28（4）：375-391.4李得天.中国真空计量2004-2019年发展概况及趋势分析J.真空与低温，2020，26（1）：1-16.5 李爽玉，冯荣尉，贾冬宇.直流微电流测量的研究进展J.电子技术应用，2022，48（7）：13-18.6BERNIEN M，GTZ M，ILLGEN C，etal.Traceable low-currentmeasurementsforanovelionizationgaugesuitableasreferencestandardJ.Measurement：Sensors，2021，18：100202.7张贵宇，庹先国，王洪辉，等.飞安级微弱电流C、R测量法性能对比及改进J.电测与仪表，2011，48（12）：8-12.8高晋占.微弱信号检测M.北京：清华大学出版社，2004.9张虎忠，李得天，成永军，等.超高真空计研制及其计量特性研究J.真空电子技术，2020（4）：63-68.10 郑培超，李海，朱思蒙，等.用于光离子化检测器的微弱电流检测电路设计J.仪表技术与传感器，2020（3）：42-47.11 孙健，李得天，王永军，等.极高真空测量中微小离子流检测技术研究J.真空与低温，2016，22（2）：75-80.12张虎忠，葛金国，姚鹏，等.10-910-1Pa宽量程电离真空计研制与性能研究J.真空与低温，2022，28（4）：392-396.（责任编辑：任妮）真空与低温第 29 卷第 2 期116