[发明专利]电离规和用于对高速中性气团的瞬态压强进行测量的系统

说明书

本发明公开了一种电离规以及采用该电离规的用于对高速中性气团的瞬态压强进行测量的系统。本发明的电离规及测量系统，采用阴极、控制极、加速极和收集极同轴设置，且由内向外分别为阴极、控制极、加速极和收集极，并通过外部控制电路来控制每个电极的工作电势，使阴极工作在空间电荷限制的运用条件下，阴极的发射能力受阴极所处电场的影响显著，对温度变化不敏感，电场调节不存在惯性，响应快，可以快速、准确地稳定阴极的发射电流，确保了电离规对高速中性气团的瞬态压强具有良好的检测精准度。另外，还可以通过外部控制电路来调节每个电极的工作电势，可实现电离规高低真空测量模式的切换，实现宽范围的压强测量，实现一规多用。

技术领域

本发明涉及脉冲等离子体实验技术领域，特别地，涉及一种电离规和用于对高速中性气团的瞬态压强进行测量的系统。

背景技术

在脉冲等离子体实验中，需要将一定质量的气体工质以脉冲的方式注入到真空环境中并形成一定的分布，随后施加脉冲电磁场形成所需的等离子体。在此过程中，气体工质分布对等离子的形成和性质具有重要的影响，是脉冲等离子体实验中必须掌握的重要参数，这就需要具备中性气体瞬态压强测量能力。通常情况下，对中性气体的分子数密度(可换算成压强)的测量可以考虑激光干涉法、激光诱导荧光法、电子束荧光法、电子束衰减法以及电离规法。在脉冲等离子体实验中，中性气体压强一般在1mTorr～1Torr，在该压强范围内激光干涉法和激光诱导荧光法的检测信号将极其微弱，信噪比低。电子束荧光法和电子束衰减法可用于上述范围内的压强测量，并且对流场无干扰，但为了使发射的电子获得足够高的能量，需要十几甚至几十kV的直流稳恒加速电势，系统复杂。电离规作为一种可进行绝对气体压强测量装置，广泛的用于真空系统压强测量。但是，传统电离规主要为测量稳态高真空系统背景压强而设计，很难应用于10^-4Torr以上真空的压强测量。此外，传统电离规结构尺寸大、响应慢，几乎不可能用于高空间分辨率、1mTorr～1Torr压强的瞬态测量。为了实现对上述脉冲等离子体实验中气体工质的分布测量，需要具有以下性能的电离规瞬态压强：1、具有较高的线性压强测量上限(～1Torr)；2、具有极快的响应特性(响应时间常数约为微秒)，以便对高速气体来流进行测量；3、在1mTorr～1Torr压强范围内，阴极发射电流的稳定，以便实现高精度稳定测量。因此，必须对传统电离规进行重新设计。

目前用于较高气体瞬态压强测量的电离规主要有B-A型快速电离规和ASDEX型快速电离规。其基本工作原理与传统热阴极电离规相同，只是在电极结构和控制电流上有区别。一般情况下，阴极与收集极间形成正向偏压，并且加速极电势相对于阴极为正向偏置。在测量时，热阴极发射的电子在阴极与加速极间的电场中加速并飞向加速极。电子在被加速极捕获之前，在加速极附近区域与被测气体碰撞，并以一定的几率使中性气体电离产生离子和电子。电子(阴极发射的电子和电离产生的二次电子)被加速极收集，正离子被收集极收集。当阴极发射的电子一定，并且阴极与加速极间的电场不变时，产生的正离子数与被测气体密度相关。因此，可通过探测收集极中的离子电流和阴极发射的电子流间接地获得被测气体压强。B-A型电离规亦是一种三极式热阴极电离规，其基本结构如图1所示。阴极100位于螺管式加速极102之外，收集极101位于加速极102中心轴线处。B-A型电离规设计的初衷是为了降低工作过程中的X射线效应，以拓展电离规的压强测量下限。由于其结构简单，气体通过性好，对流场干扰小，常将其电极结构小型化后用作快速电离规，进行中性气体瞬态压强测量，并在实际应用中取得了比较好的应用效果。ASDEX型快速电离规是一种四极式热阴极电离规，如图2所示。该种电离规主要应用在受控核聚变中具有强磁场干扰环境中的气体压强测量。为了降低磁场和安装角度对电离规的影响，电离规采用平板式电极结构，测量时，电离规轴线与磁场方向平行，降低磁场对电子飞行轨迹的影响。此外，在受控核聚变装置放电过程中，高能带电粒子和强电磁场对电离规有很强的干扰，在收集极上产生很强的干扰电流。因此，快规结构采用四极式结构，在阴极201与加速栅极203之间引入一个孔板电极204，用来控制阴极201发射的电子流。通过调制发射极电流和调制解调技术实现强干扰环境下的气体瞬态压强测量。