系统方案总体设计优化方案

将系统功能分解成各组成部分后,需要对各个部分的总体方案进行设计。根据MCP电子清刷与测试的原理,首先需要制定实现MCP的电子清刷与测试的总体方案。根据系统的功能,可将系统各组成部分划分为真空系统、机械系统、自动化操作控制系统、新型热电子面发射源以及清刷电控部分。根据每一部分的功能实现与指标要求,需要对其进行方案的总体设计。

1.清刷测试方案的总体设计

基于大面积MCP电子清刷测试的原理,设计了一套大面积MCP电子清刷测试方案,其原理图如图2.5所示。大面积MCP的清刷测试方案原理如下:抽空部分首先开始工作,当真空度达到清刷要求时,高压电源开始供电。热电子面发射源开始以均匀的电子束轰击被清刷的MCP,电子由MCP输入端进入MCP通道倍增后从输出端射出,并被荧光屏收集,清刷模式开始。测试时,对施加测试电压的MCP进行相应的电流采集,将采集到的各项输入输出电流经过滤、放大后,由数据处理软件处理并计算得出MCP的电阻与增益参数。

图2.5　MCP电子清刷测试总体设计原理图

在本方案中,清刷测试系统由以下子系统及模块组成,包括真空系统、机械系统、新型热电子面发射源、MCP及荧光屏组件、高压电源模块、信号采集与处理系统以及清刷测试软件。真空系统主要为MCP的电子清刷测试提供所需要的高真空环境(低于5×10-4 Pa),机械系统为电子清刷所需要的组件提供支撑,并实现清刷测试工位的相互转换。新型热电子面发射源为MCP的清刷提供具有一定初始能量的均匀电子束,用于MCP的电子清刷。高压电源模块为清刷及测试过程中的热电子面发射源、MCP及荧光屏提供几百到几千伏的高电压。信号采集与处理系统主要用于监控清刷电流及测试时各项电流的采集,电流经过信号采集与处理系统放大、运算后可以得到MCP所需的测试参数。清刷测试软件用于实现对清刷测试的实时监控以及对系统自动化操作的程序控制。

2.真空系统的总体设计

真空系统为MCP的电子清刷及测试提供高真空环境,是清刷测试系统工作的前提,根据指标要求,方案总体设计的原理图如图2.6所示。大面积MCP的电子清刷及测试均在真空腔室内完成,系统的抽空部分由机械泵、涡轮分子泵、闸板阀、前级阀以及其他两个电磁阀(一个用于预抽,一个备用)组成。真空度的测量由一个全量程真空规来实现。真空系统的运行过程如下:启动机械泵、电磁阀,待真空腔室真空度降至20 Pa以下时,开启前级阀。关闭电磁阀,开启闸板阀,开启分子泵,系统正常启动运行。指标要求的工作真空度为5×10-4 Pa,极限真空度为5×10-5 Pa,根据极限真空度要求及相关真空设备的设计经验,对系统所涉及的各个真空器件进行了选型。

图2.6　真空系统总体设计原理图

机械泵是真空系统的前级泵,采用的是无油干泵,它的主要功能是对真空腔室进行气体预抽。无油干泵能在大气压力下开始抽气,并且将被抽出气体直接排放到大气中。该泵腔内无油或其他工作介质,泵的极限压力与油封式真空泵在相同的量级上,其具体型号为Adixen ACP15无油干泵,其抽速为14m3/h,极限真空度为3 Pa,最大漏率小于5×10-8 Pa·l/s,可以满足真空腔室的预抽功能要求。

涡轮分子泵采用的是HIPACE 700,它是真空系统的主抽泵。HIPACE 700分子泵为Pfeiffer公司研制的一款中型分子泵,其转速达到49 200 r/min,对N2抽速可达到685 l/s,对小分子H2的抽速达到550 l/s。此款分子泵结构设计紧凑,占地面积小,可以安装在任何位置,集成风冷系统保证了分子泵最大抽速。在控制方面,HIPACE 700分子泵配备了型号为TC 400的分子泵控制器。分子泵控制器用于对分子泵的驱动、监控以及控制,TC 400控制器提供了RS485通信接口。RS485总线采用的是平衡发送与差分接收的方式,具有抑制共模干扰的能力。机械泵Adixen ACP15与分子泵HIPACE 700的实物图如图2.7所示。

图2.7　机械泵Adixen ACP15与分子泵HIPACE 700实物图

(a)机械泵;(b)分子泵

真空规采用了普发PKR 361全量程真空规,其测量范围可达1×10-7～1×10-5 Pa,是一种复合式真空规。该真空规采用了倒置磁控管原理,内置皮拉尼和冷阴极两种真空计。其中皮拉尼真空计的可测范围为1×10-2～1×105 Pa,而冷阴极真空计的测量范围为1×10-7～1 Pa,PKR 361真空规会根据当前真空度的情况自动切换使用的真空计,而且搭配有Pfeiffer真空计TPG361显示器共同使用。

涡轮分子泵与真空腔室之间的连接采用的是VAT闸板阀。闸板阀是最常用的截断阀之一,主要用来接通或截断管路中的介质,适用于较大直径的通道。在文中设计的真空系统中,如果没有安装闸板阀,在每次打开真空腔室进行更换MCP样品的过程中都要关闭涡轮分子泵,而涡轮分子泵的关闭与启动均需耗费较长的时间,这样就大大降低了系统的工作效率。安装了闸板阀,在打开真空腔室进行操作时,只需关闭闸板阀和前级阀,而无须关闭分子泵,因为关闭了闸板阀即可保证分子泵运行所需的真空环境。PKR 361全量程真空规与VAT闸板阀实物图如图2.8所示。

图2.8　PKR 361全量程真空规与VAT闸板阀实物图

(a)真空规;(b)闸板阀

3.机械系统的总体设计与布局

机械系统为大面积MCP的电子清刷测试提供必要的结构支撑,并实现系统要求的工位转换功能。根据其功能,可得到机械系统主要包括真空腔室、石英观察窗、操作台、抽空组件、高压接电组件、MCP及荧光屏夹具、真空传动组件、上盖升降组件等。机械系统总体设计二维示意如图2.9所示,机械系统总体设计三维效果图如图2.10所示。其中抽空组件与真空腔室为MCP的清刷测试提供高真空环境,其配置与参数在真空系统的设计中已详细给出。系统的3个清刷工位和1个测试(兼清刷功能)工位均匀分布在真空腔室内的转盘上,其中位于石英观察窗位置的为测试工位,其余3个为清刷工位。清刷与测试工位的转换通过转盘的转动来实现。在清刷与测试时,每个工位上的待清刷MCP与荧光屏组件都需要施加高电压,所以设计了一个活动式的高压接电组件,用来解决工位循环转换时的高压接电问题,并在良好接电的同时实现工位的定位。真空传动组件可实现操作者在真空系统外部让真空系统内部的转盘转动,从而实现清刷与测试工位的转换。三相电机通过正反转动带动上盖升降组件从而带动真空腔室上盖的升降实现真空腔室的开合,用于对内部MCP的更换。由于该系统真空腔室体积较大,造成真空腔室上盖质量偏重,所以设计了交流电机带动丝杆的方式来实现真空腔室上盖的升降,并使用限位开关(总体设计图中未给出)来保证上盖运动的极限位置,确保系统的安全运行。

图2.9　机械系统总体设计二维示意(www.xing528.com)

1—三相电机;2—上盖升降组件;3—操作台;4—全量程真空规;5—真空腔室;6—真空传动组件;7—抽空组件;8—转盘;9—高压接电组件;10—新型热电子面发射源;11—MCP及荧光屏组件;12—石英观察窗。

图2.10　机械系统总体设计三维效果图

4.新型热电子面发射源的总体设计

新型热电子面发射源为待清刷大面积MCP提供持续可调的均匀电子束,在理论上对紫外光照射金阴极的设计方案进行研究的基础上,调研金阴极在各类仪器设备中的应用情况,对新型热电子面发射源做了总体设计,其原理图如图2.11所示。

图2.11　新型热电子面发射源总体设计原理图

结合MCP的电子清刷测试,设计了新型热电子面发射源工作原理:紫外灯发射一定波段的均匀紫外光,金阴极的金原子在紫外光的照射下吸收一定能量使得电子逸出,电子经MCP1倍增后得到均匀电子束用于待清刷MCP2的清刷测试。清刷测试系统正常工作时,MCP2即待清刷测试的样品,其输入端到输出端的电压相对固定,为1 150 V。荧光屏在不点亮的情况下起电子收集的作用,它到MCP2输出端的电压为500 V左右,MCP1输出端到MCP2输入端的电压在200 V左右。而MCP1输入端的电压(V2)大小直接决定了清刷电流的大小,一般在几百伏的范围内调节,从而控制清刷电流的大小。其中,紫外光源、金属栅网、金阴极、倍增MCP(MCP1)组成了新型面电源。金阴极表面电压(V3)根据V2的大小浮动,一般V3到V2的值控制在正几百伏用来给金阴极发射出的电子提供一个加速电场。根据电子弥散圆半径公式,在设计时,将(U a-U b)控制在几百伏,距离L设计为几毫米,则该热电子面发射源的电子弥散造成的影响可以忽略不计。

为保证清刷后MCP电子倍增的均匀性,需要热电子面发射源提供均匀的电子束。而阴极发射电子的均匀性是输出均匀电子束的保证。对于新型热电子面发射源而言,为获得均匀发射的电子,需要提供均匀的紫外光。第1章对传统的热电子面发射源的平面螺旋型灯丝的发射电子均匀性做了详尽的理论分析。根据光电发射相似性原理,拟采用平面螺旋型的紫外灯来提供均匀紫外光,而其波段选择,根据对逸出功函数为4.3 eV的选择性光电效应的理论分析,225～261 nm波段均为理想选择。

在全光谱中,紫外线的波长分布在10～380 nm,紫外光源根据其波长可分为长波(UVA,315～380 nm)、中波(UVB,280～315 nm)、短波(UVC,200～280 nm)、真空(VUV,100～200 nm)紫外光源[12]。由此可见,短波紫外光源是新型热电子面发射源入射光源的理想选择。低压汞灯中的汞蒸气在受到高能电子碰撞后能产生以254 nm和185 nm为主的紫外共振辐射,低压汞灯的光谱分布近似于线光谱,石英玻璃外壳对254 nm紫外光的透射率可达90%以上。随着电流密度的不同,低压汞灯的254 nm紫外辐射效率可达35%～60%,185 nm紫外辐射可达5%～15%,是目前辐射效率最高的气体放电光源,因此它可作为紫外光源的理想选择[12]。

新型热电子面发射源的紫外光源安装在真空腔室外部,紫外光透过石英观察窗后照射到金阴极表面。185 nm的紫外辐射在空气中的传输距离非常短,在毫米级的距离内即被氧分子吸收,所以到达金阴极表面的为254 nm的单色紫外光。对于新型热电子面发射源所采用的平面螺旋型紫外光源,254 nm紫外辐射效率达到60%,对应的254 nm辐射功率密度为0.2～0.3W/cm2。平面螺旋型紫外灯实物如图2.12所示。

图2.12　平面螺旋型紫外灯

从图2.11中可以看出,设计的新型热电子面发射源的金阴极上方安装有一片用于电子倍增的MCP,这是由于指标要求热电子面发射源的输出电流密度调节范围达到0～10μA/m2,而金阴极的逸出电子密度远不能达到该要求,倍增MCP的电子增益高达104倍以上,可以实现新型热电子面发射源的高电流密度输出。

为进一步保证入射光线的均匀性,在紫外灯与金阴极之间设置有金属栅网。该栅网采用的是二维四边形结构,它能对入射光线起到良好的散射作用,提高光束的均匀性。图2.13(a)、图2.13(b)分别为金属栅网的结构与实物图。

图2.13　金属栅网结构与实物图

(a)结构;(b)实物

系统最终的三维模型装配如图2.14所示,系统加工制造完成后投入使用的现场运行如图2.15所示。

图2.14　大面积MCP电子清刷测试系统三维装配

图2.15　MCP电子清刷测试系统实物图