极高真空测量中微小离子流检测技术研究

孙 健，李得天，王永军，张虎忠，张 琦（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

极高真空测量中微小离子流检测技术研究

孙 健，李得天，王永军，张虎忠，张 琦
（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

为解决极高真空测量中电离真空计微小离子流的检测难题，设计采用精密运算放大器组成电流电压转换结构，配合低通滤波、零点调节以及相位补偿等技术，实现了10-14A微小离子流的准确检测。通过与国内外不同型号电离真空计进行试验测试，验证了该设计电路能够准确检测10-9Pa极高真空下的电离真空计离子流，为实现极高真空测量设备国产化提供了技术参考。

极高真空；测量；微小离子流；检测

0 引言

近年来，随着我国深空探测、高能粒子加速器、核聚变、表面科学、微电子器件等高新尖端技术领域的迅速发展，对极高真空（XHV）测量技术提出了迫切需求。国内10-8～10-10Pa范围内的真空测量仪器完全依赖国外进口。因此，实现极高真空的准确测量，并促进极高真空测量仪器的国产化，成为目前我国真空计量领域亟待解决的问题［1］。

目前，在极高真空测量中唯一实际可用的真空计是热阴极电离真空计［2］，根据电离真空计工作原理可知，电离真空计所测真空度越高，则产生的离子流越小，因此微小离子流检测也是极高真空测量中的一项技术瓶颈。如使用分离规IE514在测量p= 1×10-9Pa压力时（阴极有效发射电流Ie为1.6 mA，规管灵敏度S为0.0625 Pa-1），根据电离真空计离子流计算公式［3］：

可得到收集极上产生的离子流为I+=1×10-13A，该量级电流极易受到规管内部以及外界因素的干扰，导致测量不准确。因此对微小离子流的检测水平要求较高，为极高真空测量带来很大挑战，目前国内真空计控制单元中对于微小离子流检测的水平不低于10-11A，限制了国内极高真空测量仪器的发展。

主要针对极高真空测量中微小离子流检测难题，提出解决方案。采用负反馈电流电压转换结构，配合零点调节、低通滤波、相位补偿等技术，同时借鉴了小信号检测领域先进的抗干扰手段，完成了微小离子流检测电路的研制，实现了10-14A离子流的精确测量，搭配不同型号电离规管进行实验验证，结果表明该设计满足10-9Pa极高真空下对微小离子流的检测要求。

1 电路硬件结构设计

根据电离真空规的输出离子流得到所测压力值，中间需要检测控制系统的支持［4］。控制芯片根据一定的算法，将得到的离子流强度转换成为准确的真空度。测控系统整体设计方案如图1所示。

图1 真空计测控系统整体设计图

电离真空计收集极接收到气相离子后产生一个电流信号，该电流通过转换开关进入检测系统，转换开关目的是为了实现离子流的多量级检测，其中的离子流检测电路对采集到的离子流信号进行第一级放大，得到电压信号，第一级检测出离子流的准确性直接影响后续的放大与运算。因此，着重对第一级的离子流检测电路进行研究设计，同时测控系统中还包括了滤除噪声的低通滤波器，实现电压放大的二级放大电路及模数转换、控制显示和零点调节电路。

分析电离真空规离子流的输出特点：规管内收集极处于低电势，在规管中电场力的作用下，电离产生的气相离子（带正电）被牵引至收集极上产生流动电荷，形成小电流，所以电离规属于一种电流输出型传感器。而常用的针对电流输入的放大电路结构有两种［5］，如图2所示，（a）为输入电阻将电流变换为电压后再进行放大；（b）是利用负反馈降低输入阻抗，实现电流输入的放大结构。

这两种结构都可以通过调整电路中的增益电阻的值来实现同等放大增益。但是分析两种不同放大结构的输入阻抗，采用负反馈结构的放大方法会将输入阻抗降低几个数量级，而对于电流输入放大器来说，由于离子流会在规管内阻和放大器负载上进行分流，所以离子流检测电路的输入阻抗越小，造成的系统误差就会越小。

图2 实现电流输入放大的两种方法图

图2（b）的放大结构与图2（a）相比，还有一个明显的优势就是输入电位几乎保持零电位。由于测量电路与规管往往采用直流耦合。对于图2（a）中电路，电流在电阻Rc上形成电位，再跟随输出端变化，因此输入端电位即为输出幅度，而且这一电位会随着输入电流的变化而变化，该变化的电位会直流馈送到规管收集极上，对电离真空规的工作造成不良影响，而负反馈结构的放大电路则不会对输入端电压造成影响，从而可以使电离真空计保持稳定工作。理论上只要跨接的Rc足够大，即使所测的输入电流很小，输出也可以得到较大的电压Vout，而实际上运放的输入阻抗不可能无穷大，电阻Rc的增大受到运放输入阻抗的限制，所以反馈电阻不能无限增大，同时考虑偏置电流Ib对被测离子流I+的影响［6］，实际上的输出是：

可见如果偏置电流Ib大于被测电流I+，则被测离子流I+就会被淹没而导致无法测出。因此，离子流检测灵敏度的重要影响因素是运放的偏置电流Ib，同时本设计中的运放还应符合三个要求［7］：（1）放大器的输入阻抗应该足够大；（2）噪声和漂移要小于被测电流信号；（3）共模抑制比（CMRR）较大。综合性能比较各种运放的优势，确定一种CMOS型运算放大器作为主放大器。

对于电路结构中的超高电阻，现阶段实现的方法有两种，如图3所示，（a）方法采用T型反馈电阻网络实现等效高阻；（b）方法采用单独的一个超高电阻。

图3 两种不同的超高电阻实现方法图

在目前的小电流检测领域，T型反馈电阻网络结构应用很多，这是因为过去超高电阻很难达到高精度，同时普遍认为单个的电阻过大会引入很强的噪声，这是根据热噪声电压有效值公式计算得到：

式中：K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；B为信号频率带宽；Rc则是反馈电阻，噪声电压的平方与电阻阻值成正比，随着电阻的增大，噪声电压也会增大，所以普遍认为采用高精度的小电阻搭建T型反馈电阻网络来实现超高等效电阻的方法更具优势［8］。但是对于微小离子流测量，更重要的是噪声电流的影响，根据电阻热噪声电流公式：

热噪声电流跟电阻成反比，电阻越大，相应的热噪声电流越小，因此与T型反馈电阻网络相比较，采用单个超高电阻对微小离子流测量是有利的。

经过理论计算发现，采用T型反馈电阻网络会造成运放的失调电压对电路的影响增大，离子流产生的电压降容易被放大的失调电压所淹没，造成离子流信号检测困难，电路性能变差［9］。所以最终确定采用单个100 GΩ超高金属膜电阻来实现反馈电路。

为了提高离子流信号的信噪比，使采集结果更加准确，降低泄漏电流是其中一个重要措施。泄漏电流是由测量电路和附近的电压源之间的寄生电阻通路产生的，泄漏电流的存在对微小离子流测量的准确性会带来严重的影响。借鉴小信号测量领域先进的抗干扰方法［10］，采用保护（Guard）技术是降低泄漏电流的有效方法。在该设计中，微小离子流传输过程采用三同轴的线缆与连接器，保护端连接内屏蔽层，由一个单位增益的低阻抗放大器驱动，这样使得保护端与输入端处于几乎相同的电位，信号线路与内屏蔽层之间几乎无电位差，从而大幅消除泄漏电流［11］，保护驱动电路结构如图4所示。

图4 保护（Guard）技术结构图

为了消除50 Hz工频干扰以及其他高频噪声的影响，通过分析离子流信号的频率特点，在电路输出端添加巴特沃斯低通滤波器，n阶巴特沃斯低通滤波器的振幅和幅频关系如式（5）［12］：

采用高阻抗，低偏置电流的单芯片双运放器件研制低通滤波器，设计方案如图5所示。

设定电路中器件参数为：C11=C12=C21=C22=10 nF，R11=R12=R21=R22=1 MΩ。截止频率为：

滤波电路完成后，测试其滤波效果，结果如图6所示。（a）是未添加低通滤波器时零点输出波形，可以看出具有明显的正弦波干扰，频率为50 Hz；（b）是通过低通滤波器之后的输出，可见输出已经十分平稳，没有明显的杂波干扰，

图5 四阶巴特沃斯低通滤波器结构图

图6 低通滤波前后信号波形对比图

在电路中还搭配设计了零点调节电路，使得零点输出更加稳定。为了防止由线路中寄生电容引起的振荡，在电路中采用进位补偿法，添加了相位补偿电路。这些设计都使检测电路工作更加稳定，检测结果更加准确。

2 实验测试研究

电路完成之后，为了获得有效的电磁屏蔽，用8 mm厚的铝材加工制作了屏蔽盒，同时使用三同轴BNC插座作为信号输入端。组装完成后，利用KEITHLEY 6221微电流源对电路性能进行测试。首先对电路稳定性进行测试。分别对电路进行零点稳定性测试和1 pA（10-12A）放大稳定性测试。首先利用调零电路进行零点调节之后，记录检测电路在1 h之内的输出结果，如图7（a）所示。在测试零点稳定性之后，进行1 pA小电流放大稳定性的测试，调整电路，使得零点保持稳定，输入1 pA小电流进行检测，每5 min记录输出电压，结果如图7（b）所示。

图7 电路的稳定性测试图

由图7（a）可见，在调整零点之后，输出电压保持稳定，接近0 V输出。经计算采样点均值为-0.76 mV，本底电流约为7 fA左右，标准偏差为0.84 mV。表明零点漂移可以控制在很小的范围内，调零电路满足测量要求。由图7（b）可见，在1 h内，对于1 pA小电流的检测结果，没有出现衰减或者突变的情况，整体保持稳定状态，14个采样点的均值为103.07 mV，标准偏差为0.457 mV。据此计算得到电路整体放大增益A≈103.07 V/pA。有效噪声约为4.433 fA，电路的灵敏度可达到10 fA左右。之后进行电路的放大线性测试，线性测试主要进行10-12A以及10-13A两个量级的小电流的放大线性分析。测试时零点输出为4 mV，输入电流从1×10-13A依次加至1×10-11A，每次记录输出电压，共进行5个采样周期，实验结果如图8所示。

图8 电路线性测试曲线图

由结果可知，在10-12A与10-13A小电流放大检测中，通过对19个数据点拟合，得到输入电流与输出电压之间相关系数为1，拟合的标准偏差为9.16×10-4，说明电路呈现良好线性，可以得到输出电压Vout：

为了检验设计电路对于电离真空规离子流的检测能力，探究规管所测真空与检测电路输出电压之间的关系，依托真空一级计量站的超高/极高真空校准装置，设计实验利用检测电路对不同型号电离真空规进行实验研究。首先对国外IE514型分离规进行测试，使用适当的连接器与线材将分离规与检测电路连接，利用IE414型B-A规监测真空度，从极高真空时开始记录输出电压，利用气体微流量计缓慢向真空腔室内充气，逐渐提高腔室内压力，实验结果如图9所示。

分析分离规测试结果，本设计中的检测电路可以检测到10-9Pa时分离规的输出离子流。输出电压与压力之间拟合关系为：Vout=1.139×107p-0.043。相关系数为0.999 88，拟合的标准偏差为0.010 35，电路对电离真空计输出离子流的检测结果线性表现良好。

图9 IE514分离规离子流检测结果曲线图

将检测电路与某型号国产B-A规进行测试，实验流程与前者相同，结果如图10所示。

图10 国内某B-A规离子流检测结果曲线图

由结果可知，对于某国产B-A规，采集数据点为30个，拟合关系为Vout=3.579×106p-0.012，相关系数为0.999 83，拟合标准偏差为0.010 57，线性表现良好。同样该设计电路可以准确检测10-9Pa时的离子流。而根据该B-A规实验室校准结果可知，校准曲线在低于1×10-7Pa后失去线性，分析其原因，是由于对电离真空计输出离子流无法准确检测导致，经计算该控制单元准确检测的离子流下限约为2.55×10-11A。对比结果说明该设计对于国产真空规提高真空测量下限具有借鉴意义。

3 结论

通过电路性能试验，该设计采取负反馈电流电压转换结构，配合单个超高电阻，同时搭配滤波模块、调零模块、保护模块等电路，可以大幅度降低主要的噪声干扰，实现对于微小离子流的检测放大。通过对商品电离真空计的实验测试，可以实现极高真空10-9Pa下对输出离子流的准确检测，检测性能优于国内真空计的控制单元，为实现极高真空测量设备国产化提供了参考。

［1］李得天，陈旭，于红燕，等.中国真空计量发展概述［J］.真空与低温，2004，10（1）:6-14.

［2］李得天，成永军，冯焱，等.电离规的新进展［J］.上海计量测试，2012（1）:2-4.

［3］达道安.真空设计手册［M］.国防工业出版社，1991：484.

［4］朱武，金波，陈秋敏.电离规离子流可编程增益放大器的设计［J］.真空，2014，51（1）：1-4.

［5］远坂俊昭.测量电子电路设计-模拟篇［M］.彭军译.北京：科学出版社，2006：40-41.

［6］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.第四版.北京：高等教育出版社，2011：259-267.

［7］杨京，张涤新，王骥，等.磁选态铯束管信号微电流放大器的设计与仿真［J］.真空与低温，2011，17（1）：37-40.

［8］刘鹏民，莫德举.T型反馈电阻网络在微弱信号放大电路中的应用［J］.电测与仪表，1999（12）:31-32.

［9］陈济，杜述松，吕建工，等.微电流放大与电阻性T型反馈网络［C］//中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十一次学术会议论文集，2008.

［10］Keithly.Low Level Measurements Handbook［M］.7thEdition: 2015：2-18.

［11］刘小群.基于Multisim的四阶有源低通滤波器的设计与仿真［J］.新技术新工艺，2011（6）:34-36.

THE STUDY ON DETECTION TECHNOLOGY OF TINY ION CURRENT FOR EXTREMELY HIGH VACUUM MEASUREMENT

SUN Jian，LI De-tian，WANG Yong-jun，ZHANG Hu-zhong，ZHANG Qi
（Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In order to detect the extremely low ion current in ionization gauge when it is used to measure extremely high vacuum，a current-to-voltage conversion circuit equipped with low-pass filter，zero-point adjustment and phase compensation technology is designed in this paper，which can accurately measure the extremely low ion current about 10-14A. By verifying present circuit with different gauge type，it is found that the designed circuit can precisely detected the extremely low ion current generated in 10-9Pa.This circuit provides a technical reference for achieving extremely high vacuum equipment localization.

extremely high vacuum；measurement；tiny ion current；detection

TB77

A

1006-7086（2016）02-0075-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.003

2016-02-29

国家杰出青年科学基金（No.61125101）；国家重大科学仪器设备开发专项（No.2013YQ24042108）

孙健（1989-），男，山东淄博人，硕士研究生，从事极高真空测量技术研究。Email:spacesunjian@hotmail.com。