日本爱发科ULVAC AxTRAN ISX2热阴极电离真空计技术介绍

日本爱发科ULVAC AxTRAN ISX2热阴极电离真空计技术介绍

日本爱发科ULVAC AxTRAN ISX2热阴极电离真空计技术介绍

日本爱发科ULVAC AxTRAN ISX2热阴极电离真空计技术介绍：Bessel Box能量过滤原理与超高真空精密测量应用

在高能物理加速器、表面分析、半导体制造及空间环境模拟等对真空度要求达到10⁻⁷Pa乃至10⁻¹⁰Pa量级的应用场景中，真空测量面临的核心挑战并非仅仅是“测到多低"，而是“测得多准"。传统热阴极电离真空计在测量10⁻⁸Pa以下压力时，会受到软X射线效应和电子激发布散（ESD）离子等寄生电流的干扰，导致测量值显著偏高。爱发科（ULVAC）AxTRAN系列热阴极电离真空计正是针对这一测量瓶颈而开发，其中ISX2作为该系列的通用型代表型号，依托Bessel Box型能量过滤器与三极管式离子源两大核心技术，以5×10⁻¹¹Pa可测下限、0.5×10⁻¹⁰Pa测量分辨率、300℃可烘烤等特性，成为面向超高真空与真空精密测量的可靠选择。

一、工作原理：热阴极电离与Bessel Box能量过滤

ISX2的核心工作原理建立在热阴极电子发射电离与Bessel Box型能量过滤两大技术之上。

热阴极电离原理

电离真空计的基本工作原理是：热阴极灯丝发射的电子在电场加速下与真空腔室内的残余气体分子碰撞，使气体分子电离为正离子；离子被收集极捕获并形成离子电流；离子电流的强度与气体分子密度（即压力）成正比。

ISX2属于热阴极电离真空计，灯丝材料选用铱（Ir）·氧化钇（Y₂O₃） 复合灯丝，共配备2根。相比传统的钨或铼灯丝，铱·氧化钇灯丝在含氧环境中具有更优异的抗氧化能力和更长的使用寿命。测量过程中，离子源发射电流在1×10⁻³Pa以下时为1mA，在1×10⁻³Pa以上时为10μA。

Bessel Box型能量过滤器：突破超高真空测量精度瓶颈

ISX2在离子源与离子收集器之间设置了Bessel Box型能量过滤器。这一设计的核心价值在于解决传统电离真空计在超高真空测量中的两大固有误差来源：

• 软X射线效应：热阴极灯丝发射的电子撞击离子收集器时会产生软X射线，这些软X射线照射到离子收集器表面会激发出光电子，形成与压力无关的残余电流。在10⁻⁸Pa以下，这一残余电流可能超过真实的离子电流，导致测量值偏高1～2个数量级。

• ESD离子（电子激发布散离子） ：吸附在离子收集器表面的气体分子被电子撞击后脱附并电离，同样会产生寄生电流。

Bessel Box型能量过滤器通过设定特定的电场势垒，使来自离子源的正离子能够通过并到达收集器，同时阻挡因软X射线和ESD效应产生的低能电子和寄生离子。这一过滤机制使残余电流得到有效抑制，测量分辨率达到0.5×10⁻¹⁰Pa。

数字指示与多种输出方式

ISX2采用数字指示，尾数为3位数字，指数为2位数字。测量值输出方式包括：

• 线性输出0～10VDC

• 伪对数输出0～10VDC（每个数量级内1V线性信号）

• 2点设定点输出

• BCD输出和RS232C串行通信（可选） 

二、核心技术特点

1. 5×10⁻¹¹Pa可测下限，覆盖超高真空至高真空

ISX2的可测压力范围为5×10⁻¹¹Pa至1×10⁻²Pa。这一量程跨越超过9个数量级，从真空（XHV，10⁻¹⁰Pa以下）到高真空（10⁻²Pa）全域覆盖。可测下限达5×10⁻¹¹Pa，使其可适配高能物理加速器、表面分析等对真空度要求极为苛刻的应用场景。

2. 0.5×10⁻¹⁰Pa测量分辨率

得益于Bessel Box型能量过滤器对软X射线和ESD离子残余电流的有效抑制，ISX2的测量分辨率达到0.5×10⁻¹⁰Pa。在10⁻¹⁰Pa量级的压力测量中，这一分辨率可区分压力值的微小变化，为高精度真空工艺控制提供数据基础。

3. 双灯丝设计与脱气功能

ISX2配备2根铱·氧化钇灯丝。双灯丝配置的实际价值在于：当一根灯丝达到使用寿命或发生故障时，可切换至另一根灯丝继续工作，避免因单灯丝失效导致的测量中断。设备搭载电子冲击脱气（DEGAS）方式，通过电子轰击对离子源和收集器进行加热脱气，去除吸附在电极表面的气体分子，降低测量本底。

4. 300℃可烘烤，适配超高真空系统

ISX2的测定子（传感器头）最高可烘烤至300℃（需拆除传感器电缆）。在超高真空系统中，烘烤是去除腔体内壁吸附气体、达到极限真空的必要工序。ISX2可承受300℃烘烤温度，使其可在超高真空系统安装后与腔体一同进行高温烘烤除气，无需拆卸真空计即可完成系统排气。

5. 小型轻量化设计

ISX2控制器外形尺寸为240mm×350mm×99mm，重量5.3kg。在同类热阴极电离真空计中属于紧凑设计，便于在机柜和设备中安装部署。

6. 宽电源电压适配

ISX2支持AC85～240V宽电压输入，可适配全球不同国家和地区的电网标准。产品已通过CE认证。

7. 丰富的可选配置

ISX2提供多种选配件：

• 测定子（传感器头） ：X-11型

• 传感器电缆：5m、10m、20m可选

• 通信接口：BCD输出、RS232C/RS485串行通信

• 安装法兰：UFC-070

三、性能参数一览

数据来源：爱发科产品规格表

四、典型应用场景

高能物理加速器：用于粒子加速器、同步辐射光源等大科学装置的真空系统总压测量。ISX2的5×10⁻¹¹Pa可测下限和Bessel Box能量过滤技术使其可测量真空区域的残余气体压力。

表面分析仪器：用于XPS、AES、SIMS、STM等表面分析仪器的超高真空系统。ISX2的测量精度和可烘烤特性使其可适配对真空度要求极为严格的表面科学实验。

半导体制造：用于分子束外延（MBE）、离子注入等半导体工艺设备的超高真空测量。ISX2的双灯丝设计和脱气功能可满足半导体制造对真空测量可靠性和连续性的要求。

空间环境模拟：用于空间环境模拟舱的真空度监测，ISX2的宽量程覆盖从大气压附近到真空的全域压力测量。

超高真空科研：用于各类超高真空（UHV）和真空（XHV）科研实验装置的真空测量。

真空标准与计量：用于真空标准实验室的压力校准和比对测量。

五、使用注意事项

ISX2作为热阴极电离真空计，有以下使用要点需要注意：

• 灯丝寿命管理：热阴极灯丝有使用寿命限制。ISX2配备2根灯丝，建议在使用中定期切换，延长整体使用寿命。

• 烘烤操作：进行300℃烘烤时，需拆除传感器电缆。烘烤期间真空计控制器可不通电。

• 安装方向：测定子X-11的安装法兰为UFC-070，安装时需注意法兰密封面的清洁。

• 电源确认：ISX2支持AC85～240V宽电压，但使用前仍需确认供电电压在允许范围内。

• 测量气体种类：电离真空计的测量值与气体种类有关（气体灵敏度系数不同）。测量非空气或非氮气气氛时，需根据气体种类进行读数修正。

六、总结

ISX2是爱发科在热阴极电离真空计领域的一款代表性产品。通过Bessel Box型能量过滤器对软X射线和ESD离子残余电流的有效抑制，在实现5×10⁻¹¹Pa可测下限和0.5×10⁻¹⁰Pa测量分辨率的同时，解决了传统电离真空计在10⁻⁸Pa以下压力测量中读数偏高的行业痛点。其双铱·氧化钇灯丝、电子冲击脱气、300℃可烘烤、宽电压适配及CE认证等特性，使其成为高能物理加速器、表面分析、半导体MBE及空间环境模拟等超高真空应用场景中可靠的精密测量方案。

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