微腔體四極質譜管的製作方法

2023-04-23 18:12:31

專利名稱：微腔體四極質譜管的製作方法
技術領域：
本發明涉及對微波器件、陰極射線管(CRT)、場發射器件、光源等電真空器件進行殘餘氣體分析的四極質譜管，它除了具有傳統四極質譜管的功能外，還解決了體積小、真空度高的微波管、場發射顯示器等電真空器件在排氣過程和產品出廠前進行管內殘餘氣體無損分析的難題。
背景技術：
電真空器件內部的殘餘氣體是影響電真空器件性能的主要因素之一，為了分析電真空器件中殘餘氣體對器件失效的影響，往往採用質譜分析的辦法。除小型電真空器件可採用直接放入質譜分析真空系統中擊破的方法進行取樣分析外，一般是在電真空器件的玻殼或金屬殼上預打一個沒有貫穿的孔，然後將孔和質譜分析系統的管道相連接。當真空系統達到一定真空度後，用開孔裝置將該孔擊破，使管內氣體通過孔進入真空分析系統。在這種分析系統中，一般採用四極質譜計進行殘餘氣體的分析。分析真空系統通常由採樣器及管道、分析室、四極質譜管、真空機組等組成，四極質譜管一般由離子源、質量分析器和離子檢測器三部分組成。現今四極質譜管放在真空腔體內，所有電極引線集中到一隻芯柱法蘭上引到真空腔體外。為保證電極引線的間隙和真空排氣性能，質譜管的體積要在幾百到幾千毫升，而且真空腔體內電極的表面積也比較大。由於微波管、場發射顯示板等器件，其內部體積非常小，大多數僅有幾毫升到幾十毫升，大的管子也僅有幾百毫升，而且管內真空度比較高，特別是微波管能夠達到超高真空的水平，因此管內的殘餘氣體量非常小，採用這種傳統的四極質譜管和取樣真空系統進行分析，待分析的殘餘氣體膨脹後的壓強會大幅度降低，同時質譜管和真空分析系統的本底氣體對分析精度會產生極大幹擾。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種把常規尺寸的四極質譜管真空腔體縮小數百倍的微腔體四極質譜管。
技術方案為了實現以上目的，本發明的微體積四極質譜管將傳統的四極質譜管各組件，應用金屬-陶瓷真空封接技術，把管殼和四極杆合成一個特殊形狀的陶瓷管，瓷管內製成四極杆雙曲面形狀，塗以金屬膜或金屬薄片作分析電極，電極引線直接穿過瓷杆，離子檢測器、離子源等部件的真空腔體也進行微型化處理，內部腔體為真空，為電子離子正常運動的空間，從而大大縮小了常規結構質譜管的腔體空間和真空內電極的表面積，滿足了微波管、場發射器件等小放氣量的真空器件的殘餘氣體分析。
本發明的微腔體四極質譜管具體包括四極質量分析器，離子源，離子檢測器，採用陶瓷金屬化四極質量分析器，其中，瓷管作為真空外殼，瓷管內腔設有四極質量分析器的四根極杆，在四極質量分析器的兩端面也設有金屬化導電層以避免電荷積累，金屬電極引針從金屬化導電層或四根極杆內表面通過瓷管中的金屬化孔引出到真空瓷管腔體外，四極質量分析器的瓷管與離子源和離子檢測器的真空腔體之間的連接為金屬-陶瓷的真空密封連接；陶瓷金屬化四極質量分析器中的瓷管的內部孔為雙曲面型孔，雙曲面型孔的內表面做成金屬化四根極杆的電極，相鄰兩電極之間為空隙。
離子源的外殼為真空腔體，可以是金屬，也可以是陶瓷，在該真空腔體的外端面或側面設有分析氣體進入的通道或真空連接入口法蘭，對於金屬真空腔體，電極通過製作在芯柱法蘭的電極引線引出到質譜管外部；對於陶瓷真空腔體，電極安裝或直接塗覆在瓷管真空腔體的內壁面上，離子源可以採用真空盤封結構，即在該離子源中，以陶瓷環作為電極片之間的介質間隔，第一電極片、第二電極片與陶瓷環之間以及第一電極片與四極質量分析器的端面陶瓷部分的真空密封採用真空盤封結構，該部分以瓷管的左端面為連接面，順序連接的次序為第一電極片，陶瓷環，第二電極片，陶瓷環，陰極燈絲電極，陶瓷環，入口法蘭。
陰極燈絲電極通過瓷環金屬化孔引出。
所述的離子檢測器由電子倍增器組成的離子檢測器、提供電極引出的法蘭和電極引線、真空腔體組成；其真空腔體與四極質量分析器中瓷管的右端面採用金屬-陶瓷的真空密封連接，將離子檢測器的電極通過製作在芯柱法蘭上的電極引線引出到質譜管外部。
所述的離子檢測器中由法拉第筒組成離子檢測器，該離子檢測器直接與四極質量分析器陶瓷管相封接。
所述的四極質量分析器內表面金屬化的四根極杆採用陶瓷金屬化、真空鍍膜、貼金屬膜片的方法使陶瓷表面四個電極具有導電性，四個電極之間保持電絕緣。
有益效果應用這種結構可以縮小四極質譜管真空腔體的體積，同時降低了電極表面的放氣量，降低了本底氣體的幹擾，提高了測量數據的可靠性。
本發明採用金屬-陶瓷封接技術和質譜管結構，製作了微腔體的質譜管，滿足微波管等小殘餘氣體量真空器件的殘餘氣體分析要求。該微腔體質譜管可以與傳統真空分析系統配合使用，也可作為微波管等器件的一個獨立部件一起排氣，管子封離後，對成品器件進行直接的或一定期限內的氣體分析，最後把質譜管從器件上封離，完成器件的無損分析。


圖1是本發明的陶瓷金屬化微腔體四極質量分析器中，瓷管1.2的截面結構示意圖。
圖2是本發明的陶瓷金屬化四極質量分析器的端面結構示意圖。
圖3是本發明的陶瓷金屬化四極質量分析器電極從端面引出的結構示意圖。
圖4是本發明的陶瓷金屬化四極質量分析器電極從質譜管內表面電極引出的結構示意圖。
圖5是本發明的微腔體四極質譜管的結構示意圖。
圖6是法拉第筒離子檢測器微腔體四極質譜管的結構示意圖。
圖7是採用盤封技術引出離子源電極的微腔體四極質譜管結構示意圖。
具體實施例方式
傳統的四極質譜計的質譜管的所有電極和引線都完全放置在真空腔體內，致使腔體體積很大，真空腔體內電極的表面積也很大，不適合應用於微波管和場發射顯示等小體積、低放氣量的真空器件的殘餘氣體分析。
本發明提出了一種減小質譜管真空腔體體積的微腔體四極質譜管結構和製造技術，可以有效地減小質譜管腔體的體積數百倍，使它適合微波管等小體積、低放氣量真空器件的殘餘氣體分析，同時也可以替代傳統的四極質譜管。
本發明所提出的方案製作微體積四極質量分析器1，此質譜管由內部具有雙曲面型孔1.1的真空瓷管1.2構成，瓷管1.2中的雙曲面型孔的內表面採用陶瓷金屬化方法或真空鍍膜或貼金屬膜片的方法做成金屬化四極杆電極1.3，在兩電極之間設有空隙1.4，不製作金屬化電極使相鄰電極之間絕緣，在質譜管的兩端面也製作金屬化端面電極1.5以避免電荷積累；將電極連接線從金屬化的端面向真空腔體引出的方式改為金屬電極引針1.6，從金屬化端面電極1.5或從四極質譜管內表面電極1.3通過真空陶瓷中的金屬化孔1.7引出到真空陶瓷腔體1.2外，金屬電極引針1.6和金屬化孔1.7之間採用金屬化漿料填充燒結的方法實現真空密封，圖3引線的優點是電極接觸面的局部變形不會影響四極場的精度。
將離子源部位2的金屬真空腔體2.7的直徑可以縮小到和離子源的直徑相當的尺寸，把真空腔體2.7與質量分析器連接部位的腔體孔徑縮小到和金屬化陶瓷微腔體四極質量分析器1相當的尺寸，以和質量分析器真空瓷管1.2直接進行金屬-陶瓷的封接，電極通過電極引線2.9直接引出到外部，在離子源一端保留分析氣體進入通道的真空連接入口法蘭2.10，如圖5所示。真空腔體2.7與電極芯柱法蘭2.8之間採用真空密封連接。
將離子源部位2的陶瓷真空腔體2.7的直徑可以縮小到和離子源的直徑相當的尺寸，把真空腔體2.7與質量分析器連接部位採用金屬環分別和陶瓷真空腔體2.7，以及質量分析器真空瓷管1.2進行金屬-陶瓷的封接，電極安裝或直接塗覆在瓷管真空腔體2.7的內壁面上，通過製作在瓷管真空腔體上的金屬化孔引出到外部。
如果採用電子倍增器的離子檢測器，則離子檢測器3的真空腔體3.2的直徑由電子倍增器的種類和尺寸決定，但在和質量分析器連接部位的腔體孔徑縮小到和金屬化陶瓷微腔體四極質量分析器1相當的尺寸，以和金屬陶瓷四極質量分析器端面的陶瓷部分採用金屬-陶瓷的封接技術進行真空密封，將離子檢測器的電極通過製作在芯柱法蘭3.3上的電極引線3.4引出到質譜管外部，如圖5所示。
如果採用法拉第圓筒收集極的離子檢測器3，則法拉第筒3.1直接與分析器陶瓷管採用金屬-陶瓷的封接技術相封接，如圖6所示。
圖7為一種金屬盤封離子源示意圖。第一電極片2.4、第二電極片2.3等金屬電極與陶瓷環2.5之間的真空密封採用真空盤封技術製作，燈絲2.1電極的引出線2.2與金屬化孔2.6相封接引出。採樣氣體由通道入口法蘭或金屬管2.10引入。圖7所示離子源與與圖5的方案相比，沒有離子源電極引線佔用的空間，使真空腔體體積進一步減小，但圖5方式引出線的真空密封比較簡單。
工作時，將入口法蘭2.10連接到質譜分析真空系統，對本發明質譜管抽真空，當達到符合測試要求的真空度後，開啟為本發明配套的質譜管供電電源並擊破待分析樣品的管殼，採集樣品氣體的質譜信號，達到分析目的。
由於本發明的四極質譜管比傳統的四極質譜管的腔體體積縮小百倍之多，同時質譜管能夠耐高溫烘烤，因此除具有傳統四極質譜管的功能外，還能作為一個獨立的附件與被分析真空器件一起排氣，器件封離後，根據需要隨時開啟質譜計。由於沒有附屬取樣真空系統，可得到真實的氣體質譜圖，待分析完成後，再把質譜管從器件上封離下來，從而完成真空器件的無損分析，這是本發明的主要優點。
權利要求
1.一種微腔體四極質譜管，包括四極質量分析器，離子源，離子檢測器，其特徵是採用陶瓷金屬化四極質量分析器(1)，其中，瓷管(1.2)作為真空外殼，瓷管(1.2)內腔設有四極質量分析器的四根極杆(1.3)，在四極質量分析器(1)的兩端面也設有金屬化導電層(1.5)以避免電荷積累，金屬電極引針(1.6)從金屬化導電層(1.5)或四根極杆(1.3)內表面通過瓷管(1.2)中的金屬化孔(1.7)引出到真空瓷管(1.2)腔體外，四極質量分析器(1)的瓷管(1.2)與離子源(2)和離子檢測器(3)的真空腔體之間的連接為金屬-陶瓷的真空密封連接；
2.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是陶瓷金屬化四極質量分析器(1)中的瓷管(1.2)的內部孔為雙曲面型孔(1.1)，雙曲面型孔(1.1)的內表面做成金屬化四根極杆(1.3)的電極，相鄰兩電極之間為空隙(1.4)。
3.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是離子源(2)的外殼為金屬真空腔體(2.7)，在該真空腔體(2.7)的外端面或側面設有分析氣體進入的通道或真空連接入口法蘭(2.10)，電極通過製作在芯柱法蘭(2.8)的電極引線(2.9)引出到質譜管外部。
4.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是離子源(2)的外殼為陶瓷真空腔體(2.7)，在該真空腔體(2.7)的外端面或側面設有分析氣體進入的通道或真空連接入口法蘭(2.10)，離子源陶瓷真空腔體(2.7)與四極質量分析器(1)的瓷管(1.2)之間連接用金屬環作為過渡，採用金屬-陶瓷密封技術進行封接，這時電極安裝或直接塗覆在瓷管真空腔體(2.7)的內壁面上，通過製作在瓷管真空腔體上的金屬化孔引出到外部。
5.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是離子源(2)採用真空盤封結構，即在該離子源(2)中，以陶瓷環(2.5)作為電極片之間的介質間隔，第一電極片(2.4)、第二電極片(2.3)與陶瓷環(2.5)之間以及第一電極片(2.4)與四極質量分析器(1)的端面陶瓷部分的真空密封採用真空盤封結構，該部分以瓷管(1.2)的左端面為連接面，順序連接的次序為第一電極片(2.4)，陶瓷環(2.5)，第二電極片(2.3)，陶瓷環(2.5)，陰極燈絲電極(2.2)，陶瓷環(2.5)，入口法蘭(2.10)，陰極燈絲電極(2.2)通過瓷環金屬化孔(2.6)引出。
6.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是所述的離子檢測器(3)由電子倍增器組成的離子檢測器(3.1)、提供電極引出的法蘭(3.3)和電極引線(3.4)、真空腔體(3.2)組成；其真空腔體(3.2)與四極質量分析器中瓷管(1.2)的右端面採用金屬-陶瓷的真空密封連接，將離子檢測器的電極通過製作在芯柱法蘭(3.3)上的電極引線(3.4)引出到質譜管外部。
7.根據權利要求1所述的微腔體四極質譜管，其特徵是所述的離子檢測器(3)中由法拉第筒組成離子檢測器(3.1)，該離子檢測器(3.1)直接與四極質量分析器陶瓷管(1.2)相封接。
8.根據權利要求1或2所述的微腔體四極質譜管，其特徵是所述的四極質量分析器(1)內表面金屬化的四根極杆(1.3)採用陶瓷金屬化、真空鍍膜、貼金屬膜片的方法使陶瓷表面四個電極具有導電性，四個電極之間保持電絕緣。
全文摘要
微腔體四極質譜管涉及對微波器件、陰極射線管(CRT)、場發射器件、光源等電真空器件進行殘餘氣體分析的四極質譜管，包括四極質量分析器，離子源，離子檢測器，其特徵是採用陶瓷金屬化四極質量分析器(1)，其中，瓷管(1.2)作為真空外殼，瓷管(1.2)內腔設有四極質量分析器的四根極杆(1.3)，在四極質量分析器(1)的兩端面也設有金屬化導電層(1.5)以避免電荷積累，金屬電極引針(1.6)從金屬化導電層(1.5)或四根極杆(1.3)內表面通過瓷管(1.2)中的金屬化孔(1.7)引出到真空瓷管(1.2)腔體外，四極質量分析器(1)的瓷管(1.2)與離子源(2)和離子檢測器(3)的真空腔體之間的連接為金屬－陶瓷的真空密封連接。
文檔編號H01J49/26GK1601691SQ20041006514
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月27日 優先權日2004年10月27日
發明者張曉兵, 毛福明 申請人:東南大學