冷阴极电离规控制器在合肥光源储存环直流离子清洗中的

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1、冷阴极电离规控制器在合肥光源储存环直流离子清洗中的应用高辉、李为民、李永军、吴青林、盛六四、张允武(中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥230029）摘要：介绍了为大型超高真空系统研制、基于现场总线的智能超高真空冷阴极电离规控制器GH080。描述了对该控制器改装，用于研究合肥光源（HLS）电子储存环中离子产生、俘获的过程，离子对束流的影响，直流离子清洗的作用以及清洗效果。为光源的高效率的运行提供实验依据及理论指导。关键词：冷阴极电离规控制器、高压电源、离子流放大器、直流清洗电极、电子储存环1引言电子储存环中，电子束流与残余气体相互作用使气体分子电离成正离子和自由电子。其中带正电的离子由于受

2、到束流势阱的作用，在一定的条件下被束流所俘获，在束流轨道附近作稳定的振荡。这些被俘获的离子在束流轨道附近的积累会引起束流发射度增加，局部真空度变坏，甚至使束流不稳定等各种负效应。因此离子清洗对保证储存环的稳定运行是必要的。在合肥光源的日常运行和机器研究过程中，都观察到由于离子俘获引起的束流不稳定性的发生，通过利用储存环中安装的直流清洗电极能有效地克服离子俘获效应。为克服束流势阱的作用，HLS储存环在四极铁对处不对称地安装了12根3种不同规格的直流清洗电极。清洗电极与真空室绝缘，长1至1.7m不等，放置在内径为85mm圆形真空室内正下方，清洗电极半径为2.75mm，清洗电极轴心距真空室中心为3

3、4mm。在清洗电极上加一相对于地为负的电压，则离子会在清洗电场的作用下克服束流势阱向清洗电极运动，从而达到清洗离子的目的。离子产生的速率与束流流强、气体分子的分压强等因素有关，一定条件下离子产生率是固定的。只要清洗电压能满足一定条件，离子就可被有效地清除。通过在直流清洗电极的末端安装一微电流测量系统来研究清洗电压与离子流的关系，从而决定高效率清洗所需要清洗电压。文献[1]从理论及实验上研究了合肥光源储存环中离子产生及俘获的过程，直流清洗电极的清洗机理和清洗效果。2微电流测量系统---GH080冷阴极电离规控制器根据文献[1]的分析和要求，微电流测量系统应能够提供0至-2000伏连续可调的负电

4、压输出，并能够测量和显示100pA~100mA的微电流。本文主要讨论用于验证直流清洗电极的作用的微电流测量的电子学系统。用于验证直流清洗电极作用的微电流测量系统是在我们研究和开发冷阴极电离超高真空计的基础上进行的。我们研制的冷阴极电离规控制器（GH080）已通过国家计量院鉴定并获国家专利。与其它国内外同类产品比较，使用同样冷阴极电离规管，GH080在量程范围（1´10-2Pa～1.3´10-8Pa）、通讯接口（符合CAN协议的现场总线接口、RS485/RS232C以及用于联锁保护快速响应接口）均达到和超过目前国内外同类产品。真空测量领域用于超高真空测量的真空计主要有热阴极电离超高真空计和冷阴

5、极电离超高真空计。它们是利用气体分子电离的原理来测量真空度的一种仪器。真空计由测量规管（传感器）和电气测量电路（控制器）组成。真空计通过控制器的控制电路单元对电极施加电压、电流，将非电量的气体压力转换成电量---离子电流，利用控制器的测量显示单元给出测量结果。冷阴极电离真空计是利用低压力下气体分子的电离电流与压力有关的特性，用放电电流来测量真空度的一种仪器。它依靠阳极高压形成的冷发射所产生的少量初始自由电子，它们在电场、磁场的共同作用下最终形成自持气体放电。我们使用的冷阴极电离规管国内品牌是M014以及美国BALZERS公司的IKR020，两者的特性曲线、规管结构及要求的电参数完全相同[2]

6、[3]。阳极电位为3300V（均相对地）、外壳为离子流收集极（阴极、0伏），对应不同的真空度，离子流变化范围是1000pA~700mA。从下面的讨论可知，GH080的电子学设计只要少加改进，完全可满足直流清洗电极的微电流测量要求。高压电源单元程控放电电流放大器量程切换微处理器单元模数转换微处理器键盘/显示通讯报警规管R图1、智能超高真空冷阴极电离真空计示意图图1是超高真空冷阴极电离真空计工作原理示意图。真空计由冷阴极电离规管（传感器）和GH080控制器组成。控制器分为三个部分：高压电源单元、程控放电电流放大器和微处理器单元。控制器的主要功能是提供稳定的高压和精确地测定放电电流。此放电电流与压

7、力的关系为：I=K´Pn，式中I为放电电流、K为常数、P为真空压强、n为常数（通常在1~2之间，与规管结构有关）。显然只要精确测定放电电流I，由公式即可得到真空度P。下面我们介绍与本实验有关，以及需要改动的高压电源单元和程控放电离子流放大器。图2、控制器的高压电源单元原理图a、高压电源单元图2是控制器的高压电源单元原理图，采用我们为微通道板和光电倍增管设计的高精度高压电源模块。这是一个典型的高压回扫变换器。当