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借助仿真優化電離真空計性能

半導體制造、粒子物理學研究和其他重要的工藝流程都需要在高真空或超高真空條件下進行。為了開發一種性能更優的測量高真空或超高真空環境壓力的電離真空計，列支敦士登的儀器制造商 INFICON 公司使用多物理場仿真來測試和優化新的設計方案。

作者 Alan Petrillo
2023 年 6 月

創新已經成為了一種競爭的形式。它可以被看成是創新者之間的一場比賽，所有參賽者都在朝著某個有價值的目標而努力。但是，即使是最激烈的競爭，也必須就如何追求成功達成一些共識。就像參加賽跑的選手都使用同一個秒表計時一樣，其他領域的競爭者也依靠標準化的工具來衡量他們走向競賽終點的進程。

對于大多數追求技術創新的人來說，電離真空計就是這樣一種必不可少的工具。高真空和超高真空（HV/UHV）環境常用于許多產品的研究、精煉和生產，創新者如何才能確保工廠真空室中的壓力水平與其他工廠的真空室保持一致呢？如果沒有統一的標準和可靠的工具來進行衡量，真空室和被測試產品的關鍵性能指標就不具可比性。

全球性競爭產生制勝原型

這些潛在的差異使得如圖1所示的設備變得至關重要。由 INFICON 公司生產的標準電離真空計 080（IRG080）是一個國際合作項目的成果，該項目旨在開發一種用于測量高真空和超高真空環境壓力的高性能工具。

這個電離真空計比現有的電離真空計更加精確、穩健，并且可重復使用，由歐洲計量創新和研究計劃（European Metrology Programme for Innovation and Research ，EMPIR）項目（參考文獻1）統籌開發。EMPIR 項目由私營公司和政府研究組織合作開展，旨在幫助歐洲的“研究和創新系統在全球范圍內更具競爭力”（參考文獻2）。參與該項目的人員在比較了多種設計后，一致認為 INFICON 的設計最符合性能的要求。

參與電離真空計項目開發的組織包括（參考文獻3）：

• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) — 德國
• Cesky Metrologicky Institut Brno (CMI) — 捷克共和國
• Institut za Kovinske Materiale in Tehnologije (IMT) — 斯洛文尼亞
• Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) — 法國
• Research Institutes of Sweden AB (RISE) — 瑞典
• European Organization for Nuclear Research (CERN) — 歐洲
• Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) — 葡萄牙
• VACOM Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH — 德國
• INFICON Aktiengesellschaft — 列支敦士登

VACOM 和 INFICON 是兩家設計和制造電離真空計原型的儀器制造商。

通過電離確定氣體密度

人們常說“在真空中什么都不會發生”，但事實上，很多有用的東西都是在接近真空環境下制成的?！皫缀跛懈呖萍籍a品都涉及真空工藝?！?INFICON 公司的傳感器技術主管 Martin Wüest 感嘆道。

術語“真空”理論上描述的是不存在任何物質的空間，但正如 HV/UHV 術語所表明的那樣，實際空間的真空通常是一個程度問題。測量不同程度的真空，需要使用不同的方法來確定壓力?！?在不同的條件下，某些測量壓力的方法要優于其他方法?！?Wüest 介紹道，“ 在接近大氣壓的狀態下，你可以使用電容式隔膜真空計進行測量。在中真空狀態下，可以測量通過對流發生的熱量傳遞?！钡?，這兩種方法在高真空（壓力低于 0.1 Pa）或超高真空（壓力低于 10^-6 Pa）的壓力水平下都會失效。

“在 HV/UHV 環境下，缺少足夠的粒子來驅動隔膜移動，也無法準確地測量熱量傳遞，因此我們使用電離來確定氣體密度和相應的壓力?！?Wüest 解釋說。

放置在真空腔室內的 Bayard-Alpert 熱絲極離子真空計（圖2）是一種最常用的 HV/UHV 壓力測量工具，該裝置由燈絲（或熱陰極）、加速柵極和離子收集器組成。在測量時，裝置首先向燈絲施加低壓電流使其升溫，隨著燈絲變熱，它所發射出的電子將被電場力吸引朝著被施加高電壓的柵極運動。一些流向柵極和在柵極內的電子與在真空室中循環的氣體分子發生碰撞，從而產生離子，離子則會流向收集器。一般情況下，收集器中由離子產生的電流與腔室中氣體分子的密度成正比。

“ 然后，根據理想氣體定律，我們可以將氣體密度轉換成壓力?！?Wüest 繼續解釋，“壓力正比于離子電流和電子電流的比值，而反比于靈敏度系數，該系數取決于真空腔室內的氣體種類?！?/p>

現有的電離真空計對溫度和操作方法非常敏感

什么是好的工具？想象一下，一個木匠在工作時使用的錘子、鋸子和測量尺。這些工具都可能因過度使用而留下痕跡，但少量的凹陷和叮當聲并不影響它們的性能。然而，對于 Bayard-Alpert 電離真空計來說，情況并非如此。雖然這些設備的工作原理沒有問題，但它們的校準很容易受到日常操作的影響。

“典型的電離真空計包括由彈簧加載張力的精巧金屬結構，” Wüest 解釋道，“每次使用該設備時，燈絲都會被加熱到 1200~2000 °C。這會對彈簧中的金屬產生影響，并使燈絲的形狀發生變化，導致電子流的起始位置和電子的路徑發生改變?！?/p>

對熱的敏感度使得 Bayard-Alpert 電離真空計的核心部件很容易發生錯位，并可能引入 10％~20％ 的測量誤差，這么大的誤差范圍是不可接受的。因此，大多數真空系統都是被過度設計的，而且頻繁地對儀器進行重新校準也會浪費寶貴的開發時間和資金。Wüest 補充道。

建立基準設計的仿真模型

當使用這種真空計檢測氮氣時，項目團隊希望將測量的不確定性控制在 1% 或更低。另一個重要的目標是需要消除對每個儀器及每種被檢測氣體的氣體靈敏度系數的重新校準。新設計的設備性能需要不受輕微沖擊的影響，并且可由多個廠商進行制造。

為了實現這些宏大的目標，項目團隊首先致力于研究 HV/UHV 測量，包括對 260 項相關研究進行審查。在完成審查后，項目合作伙伴選擇了一種集合當前電離真空計設計優點的最佳產品：INFICON 公司開發的 IE514 抽出式電離真空計。

葡萄牙里斯本 NOVA 大學、歐洲研究實驗室 CERN 和 INFICON 公司分別開發了 IE514 電離真空計設計的仿真模型（圖3）。團隊將每個模型產生的結果與 IE514 電離真空計物理原型的測試結果進行了比較，用于確保在進行新設計之前模型的準確性。

INFICON 公司的仿真工程師 Francesco Scuderi 使用 COMSOL Multiphysics? 軟件建立的 IE514 電離真空計（圖4）的仿真模型，不僅能夠分析燈絲的熱電子發射以及這些電子對氣體的電離作用，還可用于對生成的離子流向集電極的路徑進行射線追蹤。利用仿真結果，Scuderi 可以基于每次電子釋放所檢測到的離子數，計算出一個預期的靈敏度系數，用于評估模型的準確程度以及是否與實際測試結果一致。

“創建好模型的幾何結構并劃分網格之后，我們設置了邊界條件?！?Scuderi 解釋說，燈絲的溫度隨著燈絲長度在 1400~2000℃ 范圍內變化，我們希望能夠描述電子發射和燈絲溫度之間的耦合關系，這種熱力學上的變化將影響電子的分布及其路徑?！?(圖5—圖6)

”模擬了熱場和電場后，就可以開始進行射線追蹤仿真?！?Scuderi 繼續說，“借助 COMSOL 軟件，我們能夠追蹤電子向柵極的流動過程以及由此產生的耦合加熱效應?！?接著，他們使用該模型計算了與氣體粒子碰撞的電子的比例，并對產生的離子進行射線追蹤模擬，以追蹤它們流向收集器的路徑，如圖7所示。

“然后，我們可以將循環電子的數量與離子的數量及其位置進行比較，并由此推斷出收集器中的離子電流值，計算出敏感系數?！?Scuderi 總結道。

INFICON 通過仿真模型得到的結果與使用樣機測試的結果高度一致，這使團隊能夠觀察到改變模型設計將如何影響包括電離能量、電子和離子的路徑、發射和傳輸的電流，以及靈敏度在內的關鍵指標。

仿真帶來更穩健的測量

INFICON 公司設計的最終產品 IRG080 電離真空計采用了許多與現有的 Bayard-Alpert 電離真空計類似的部件，但關鍵部位明顯不同。例如，新設計的燈絲是一個固體懸浮盤，而不是一根細絲；加速柵極不再是一個精細的金屬絲籠，而是由更穩定的成型金屬部件制成；收集器則由兩個部件組成：一根吸引離子的單針或單棒，一個有助于引導電子從收集器流向法拉第杯的固體金屬環。這種新的布局排列是借助 COMSOL Multiphysics^® 軟件的射線追蹤功能進行了設計上的優化，更好地分隔了離子和電子的路徑，從而提高了精確度。

INFICON 制做了 13 個原型，并接受了項目聯盟的評估。測試結果表明，IRG080 電離真空計實現了將測量不確定性降低到 1% 以下的目標。在靈敏度方面，IRG080 電離真空計的性能是基準設計的 8 倍。更重要的是，INFICON 電離真空計的原型在多次測試中都得到了一致的結果，其靈敏度的可重復性是基準設計的 13 倍。整個項目共制造和測試了 23 個相同的電離真空計，驗證了 INFICON 為測量 HV/UHV 環境創造了一個更加精確、強大和可重復使用的測量工具。

在電離真空計項目完成時，INFICON 團隊舉起了一個令人印象深刻的獎杯：IRG080 電離真空計。Martin Wüest 謙虛地表示：我們認為這是對我們能力的一次良好展示。

當然，這次成功并不是 INFICON 團隊獨自完成的，他們的合作伙伴也提供了很多建議和支持；對 HV/UHV 更加精確的測量將使更多的科學和制造領域受益。整個項目是一個廣受歡迎的競賽案例，并且最終實現了共贏。