借助仿真优化电离真空计性能
半导体制造、粒子物理学研究和其他重要的工艺流程都需要在高真空或超高真空条件下进行。为了开发一种性能更优的测量高真空或超高真空环境压力的电离真空计，列支敦士登的仪器制造商 INFICON 公司使用多物理场仿真来测试和优化新的设计方案。
作者 Alan Petrillo
2023 年 6 月
创新已经成为了一种竞争的形式。它可以被看成是创新者之间的一场比赛，所有参赛者都在朝着某个有价值的目标而努力。但是，即使是最激烈的竞争，也必须就如何追求成功达成一些共识。就像参加赛跑的选手都使用同一个秒表计时一样，其他领域的竞争者也依靠标准化的工具来衡量他们走向竞赛终点的进程。
对于大多数追求技术创新的人来说，电离真空计就是这样一种必不可少的工具。高真空和超高真空（HV/UHV）环境常用于许多产品的研究、精炼和生产，创新者如何才能确保工厂真空室中的压力水平与其他工厂的真空室保持一致呢？如果没有统一的标准和可靠的工具来进行衡量，真空室和被测试产品的关键性能指标就不具可比性。
全球性竞争产生制胜原型
这些潜在的差异使得如图1所示的设备变得至关重要。由 INFICON 公司生产的标准电离真空计 080（IRG080）是一个国际合作项目的成果，该项目旨在开发一种用于测量高真空和超高真空环境压力的高性能工具。
这个电离真空计比现有的电离真空计更加精确、稳健，并且可重复使用，由欧洲计量创新和研究计划（European Metrology Programme for Innovation and Research ，EMPIR）项目（参考文献1）统筹开发。EMPIR 项目由私营公司和政府研究组织合作开展，旨在帮助欧洲的“研究和创新系统在全球范围内更具竞争力”（参考文献2）。参与该项目的人员在比较了多种设计后，一致认为 INFICON 的设计最符合性能的要求。
参与电离真空计项目开发的组织包括（参考文献3）：
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) — 德国
- Cesky Metrologicky Institut Brno (CMI) — 捷克共和国
- Institut za Kovinske Materiale in Tehnologije (IMT) — 斯洛文尼亚
- Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) — 法国
- Research Institutes of Sweden AB (RISE) — 瑞典
- European Organization for Nuclear Research (CERN) — 欧洲
- Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) — 葡萄牙
- VACOM Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH — 德国
- INFICON Aktiengesellschaft — 列支敦士登
VACOM 和 INFICON 是两家设计和制造电离真空计原型的仪器制造商。
通过电离确定气体密度
人们常说“在真空中什么都不会发生”，但事实上，很多有用的东西都是在接近真空环境下制成的。“几乎所有高科技产品都涉及真空工艺。” INFICON 公司的传感器技术主管 Martin Wüest 感叹道。
术语“真空”理论上描述的是不存在任何物质的空间，但正如 HV/UHV 术语所表明的那样，实际空间的真空通常是一个程度问题。测量不同程度的真空，需要使用不同的方法来确定压力。“ 在不同的条件下，某些测量压力的方法要优于其他方法。” Wüest 介绍道，“ 在接近大气压的状态下，你可以使用电容式隔膜真空计进行测量。在中真空状态下，可以测量通过对流发生的热量传递。”但是，这两种方法在高真空（压力低于 0.1 Pa）或超高真空（压力低于 10-6Pa）的压力水平下都会失效。
“在 HV/UHV 环境下，缺少足够的粒子来驱动隔膜移动，也无法准确地测量热量传递，因此我们使用电离来确定气体密度和相应的压力。” Wüest 解释说。
放置在真空腔室内的 Bayard-Alpert 热丝极离子真空计（图2）是一种最常用的 HV/UHV 压力测量工具，该装置由灯丝（或热阴极）、加速栅极和离子收集器组成。在测量时，装置首先向灯丝施加低压电流使其升温，随着灯丝变热，它所发射出的电子将被电场力吸引朝着被施加高电压的栅极运动。一些流向栅极和在栅极内的电子与在真空室中循环的气体分子发生碰撞，从而产生离子，离子则会流向收集器。一般情况下，收集器中由离子产生的电流与腔室中气体分子的密度成正比。
“ 然后，根据理想气体定律，我们可以将气体密度转换成压力。” Wüest 继续解释，“压力正比于离子电流和电子电流的比值，而反比于灵敏度系数，该系数取决于真空腔室内的气体种类。”
现有的电离真空计对温度和操作方法非常敏感
什么是好的工具？想象一下，一个木匠在工作时使用的锤子、锯子和测量尺。这些工具都可能因过度使用而留下痕迹，但少量的凹陷和叮当声并不影响它们的性能。然而，对于 Bayard-Alpert 电离真空计来说，情况并非如此。虽然这些设备的工作原理没有问题，但它们的校准很容易受到日常操作的影响。
“典型的电离真空计包括由弹簧加载张力的精巧金属结构，” Wüest 解释道，“每次使用该设备时，灯丝都会被加热到 1200~2000 °C。这会对弹簧中的金属产生影响，并使灯丝的形状发生变化，导致电子流的起始位置和电子的路径发生改变。”
对热的敏感度使得 Bayard-Alpert 电离真空计的核心部件很容易发生错位，并可能引入 10％~20％ 的测量误差，这么大的误差范围是不可接受的。因此，大多数真空系统都是被过度设计的，而且频繁地对仪器进行重新校准也会浪费宝贵的开发时间和资金。Wüest 补充道。
建立基准设计的仿真模型
当使用这种真空计检测氮气时，项目团队希望将测量的不确定性控制在 1% 或更低。另一个重要的目标是需要消除对每个仪器及每种被检测气体的气体灵敏度系数的重新校准。新设计的设备性能需要不受轻微冲击的影响，并且可由多个厂商进行制造。
为了实现这些宏大的目标，项目团队首先致力于研究 HV/UHV 测量，包括对 260 项相关研究进行审查。在完成审查后，项目合作伙伴选择了一种集合当前电离真空计设计优点的最佳产品：INFICON 公司开发的 IE514 抽出式电离真空计。
葡萄牙里斯本 NOVA 大学、欧洲研究实验室 CERN 和 INFICON 公司分别开发了 IE514 电离真空计设计的仿真模型（图3）。团队将每个模型产生的结果与 IE514 电离真空计物理原型的测试结果进行了比较，用于确保在进行新设计之前模型的准确性。
INFICON 公司的仿真工程师 Francesco Scuderi 使用 COMSOL Multiphysics® 软件建立的 IE514 电离真空计（图4）的仿真模型，不仅能够分析灯丝的热电子发射以及这些电子对气体的电离作用，还可用于对生成的离子流向集电极的路径进行射线追踪。利用仿真结果，Scuderi 可以基于每次电子释放所检测到的离子数，计算出一个预期的灵敏度系数，用于评估模型的准确程度以及是否与实际测试结果一致。
“创建好模型的几何结构并划分网格之后，我们设置了边界条件。” Scuderi 解释说，灯丝的温度随着灯丝长度在 1400~2000℃ 范围内变化，我们希望能够描述电子发射和灯丝温度之间的耦合关系，这种热力学上的变化将影响电子的分布及其路径。” (图5—图6)
”模拟了热场和电场后，就可以开始进行射线追踪仿真。” Scuderi 继续说，“借助 COMSOL 软件，我们能够追踪电子向栅极的流动过程以及由此产生的耦合加热效应。” 接着，他们使用该模型计算了与气体粒子碰撞的电子的比例，并对产生的离子进行射线追踪模拟，以追踪它们流向收集器的路径，如图7所示。
“然后，我们可以将循环电子的数量与离子的数量及其位置进行比较，并由此推断出收集器中的离子电流值，计算出敏感系数。” Scuderi 总结道。
INFICON 通过仿真模型得到的结果与使用样机测试的结果高度一致，这使团队能够观察到改变模型设计将如何影响包括电离能量、电子和离子的路径、发射和传输的电流，以及灵敏度在内的关键指标。
仿真带来更稳健的测量
INFICON 公司设计的最终产品 IRG080 电离真空计采用了许多与现有的 Bayard-Alpert 电离真空计类似的部件，但关键部位明显不同。例如，新设计的灯丝是一个固体悬浮盘，而不是一根细丝；加速栅极不再是一个精细的金属丝笼，而是由更稳定的成型金属部件制成；收集器则由两个部件组成：一根吸引离子的单针或单棒，一个有助于引导电子从收集器流向法拉第杯的固体金属环。这种新的布局排列是借助 COMSOL Multiphysics®软件的射线追踪功能进行了设计上的优化，更好地分隔了离子和电子的路径，从而提高了精确度。
INFICON 制做了 13 个原型，并接受了项目联盟的评估。测试结果表明，IRG080 电离真空计实现了将测量不确定性降低到 1% 以下的目标。在灵敏度方面，IRG080 电离真空计的性能是基准设计的 8 倍。更重要的是，INFICON 电离真空计的原型在多次测试中都得到了一致的结果，其灵敏度的可重复性是基准设计的 13 倍。整个项目共制造和测试了 23 个相同的电离真空计，验证了 INFICON 为测量 HV/UHV 环境创造了一个更加精确、强大和可重复使用的测量工具。
在电离真空计项目完成时，INFICON 团队举起了一个令人印象深刻的奖杯：IRG080 电离真空计。Martin Wüest 谦虚地表示：我们认为这是对我们能力的一次良好展示。
当然，这次成功并不是 INFICON 团队独自完成的，他们的合作伙伴也提供了很多建议和支持；对 HV/UHV 更加精确的测量将使更多的科学和制造领域受益。整个项目是一个广受欢迎的竞赛案例，并且最终实现了共赢。
参考文献
- Euramet, "Towards a Documentary Standard for an Ionisation Vacuum Gauge," Feb. 2021;https://www.euramet.org/project-16NRM05
- Euramet, "About EMPIR," 2023;https://www.euramet.org/research-innovation/research-empir/about-empir
- EMPIR, "Ion Gauge: Members of the Project," May 2019;https://www.ptb.de/empir/16nrm05-consortium.html