变压器绕制对电离真空计离子流测量的影响

摘 要： 对电离真空计灯丝采用交流供电加热的方式易受到市电的干扰进行了分析，以在电离真空计的离子流测量中发现的现象为例，提出了变压器初级和次级彻底分成两个线包分开绕制的方法，经过真空测量仪表生产厂家多年来在产品生产中的实践验证，电离真空计用的电源变压器采用此种绕制方法可减弱市电的干扰。

关键词： 市电干扰； 离子流测量； 电离真空计； 变压器绕制

中图分类号： TN911.7?34； TM403.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0154?03

0 引 言

电离真空计是由电离规管和给规管供电的测量电路组成，使用时要把电离规管封接于被测真空系统上，而电离真空计又分为冷阴极和热阴极两种类型，本文只讨论热阴极电离真空计。随着开关电源技术的发展，国外在热阴极电离真空计中早已采用了开关电源供电。然而，国内多数真空测量仪表生产厂家在80年代时，为了减小电离真空计的体积和功耗，其灯丝从直流供电改成了交流供电方式，即采用变压器降压后再经双向可控硅调压给电离真空计中的灯丝供电，至今，这种供电方式已一直使用了三十余年。此种双向可控硅交流供电方式虽然比先前的线性直流供电方式大幅度降低了功耗、减小了体积，但也带来了交流电路对电离真空计规管灯丝直流电位的影响，使得220 V电网上的各种噪声干扰通过变压器的初级和次级灯丝线圈之间发生耦合，尤其是C型或R型铁心电源变压器的两个线包如果仍然按照传统的绕制方法来制作，有时会给电离真空计离子流的测量带来很大的影响。由于电离真空计规管在高真空时产生的离子流非常小，即使装有电源滤波器及在变压器的初级和次级线圈之间增加屏蔽层也解决不了干扰的问题，仍影响电离真空计的测量精度，尤其是在测量高真空状态的被测系统时，这是笔者在北京滨松公司的光电倍增管生产线上使用的电离真空计上首次发现并验证了的。

当时，生产线上真空系统的真空度是处于稳定的高真空状态，可是，电离真空计的表头指针却逐渐向指示更高真空值的方向偏移，甚至有时低于表盘的零刻度线，出现负值，以致测量表头出现反打现象，无法读取真空度值。本文认为其原因就是变压器的初级和次级灯丝线圈之间耦合过来的噪声干扰信号叠加在灯丝电路上了，致使灯丝对地电位受到干扰，而使电离规管内的电场分布发生了改变，影响了产生离子流的数量，甚至改变了离子流流动的方向（这也是测量表头出现反打现象的原因）。有些测量离子流的电路虽然能够把测量表头出现反打的现象屏蔽掉，但不能实际消除干扰的影响，其干扰仍然影响高真空的测量精度。而本文所采取的变压器绕制方法，能够有效地解决这个问题，使市电噪声干扰减至不足以影响电离真空计测量高真空时的测量精度。

1 热阴极电离真空计简介

热阴极电离真空计由测量规管（或规头）和电气测量电路（真空计控制单元和指示单元）组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量?离子电流。热阴极电离真空计规管的基本结构主要包括3个电极：提供一定数量电子流的灯丝（阴极）、产生电子加速场并收集电子流的阳极（亦称电子加速极）和收集离子流的离子收集极[1]。把真空规管与被测真空系统封接后，就可用电离真空计测量真空系统的真空度。以型号为ZJ?2的电离规管为例简要说明一下，此电离规管的工作参数示意图如图1所示。电离规管工作时要求阳极（加速极）对地电压225 V；阴极（灯丝）对地电压25 V；收集极对地电压为零；阳极和阴极之间的发射电流为5 mA。如果在阴极与公共地之间接一个5 kW的电阻器，则5 mA的发射电流经过此电阻器就会和阳极构成5 mA的发射电流回路，并会使灯丝产生25 V的对地电压。此电离规管可用于10-1～10-5 Pa的压力测量，对应的离子流为10-4～10-8 A。电离规管的工作原理是灯丝经直流或交流电源加热后发射出电子，这些电子在阳极正电压的吸引下高速流向阳极，在流向阳极的过程中和空气分子发生碰撞使空气分子电离，电离后产生的离子流经收集极收集后，再经过I?V变换，就可以用模拟或数字电压表测出其电压数值。由于离子流与真空状态下的压力成对应的线性关系，故由电压表测出的电压数值可以相应的表示压力示值。

ZJ?2电离规管工作参数示意图

2 变压器的绕制

变压器的绕制方法多种多样，所谓传统的变压器绕制方法是在C型或R型铁心的电源变压器上，把变压器的初级220 V绕组分绕在两个线包上，两个线包各绕一半，然后串联起来。这样平均分配后，可使每个线包的平均匝长较短，减小线圈的铜耗[2]。次级绕组根据情况可分开绕，也可不分开绕。而本文所采用的方法是把初级220 V绕组整个绕制在一个线包上，而次级灯丝绕组绕制在另一个线包上，这样可以减弱220 V电网上的各种干扰对电离真空计灯丝电路的影响，从而更加保障电离规管工作参数的稳定性，使得测出的压力值更加准确。

3 在两种绕制方法下干扰信号的对比

可见，真空规管的灯丝是交流供电，而且是由电源变压器次级绕组提供的，所以，很容易受到220 V电网的影响。由于条件所致，不能重现北京滨松公司的光电倍增管生产线上的使用环境，但本实验采用两种绕制方法来制作变压器，并把变压器分别使用在同一台电离真空计中，使用同一个220 V电源，对灯丝电路上的干扰信号幅度做了对比。

用C型铁心按照传统的绕制方法制作的电源变压器来提供电离真空计的灯丝电源时，用示波器在灯丝电路上检测到的灯丝对公共地的波形图如图2所示。从图2中可看到在灯丝直流电位25 V的基础上叠加的干扰情况，干扰波形的峰峰值大约为10 V左右。

传统绕制方法下在灯丝上的干扰波形

用C型铁心按照本文提倡的绕制方法制作的电源变压器来提供电离真空计的灯丝电源时，用示波器在灯丝电路上检测到的灯丝对公共地的波中可看到在灯丝直流电位25 V的基础上叠加的干扰情况，干扰波形的峰峰值大约为5 V左右。

初级次级分开绕制方法下在灯丝上的干扰波形

由以上的两种情况对比可以看出，本文提倡的变压器绕制方法比传统的绕制方法干扰波形的峰峰值大约减小了一半。其关键是次级灯丝绕组不能同初级220 V绕组同在一个线包上，这样就可以减弱220 V电网上的各种干扰，从而可降低叠加在灯丝电路上的干扰信号，使得规管灯丝电位受干扰的影响降低，并使电离真空规管内的电场分布相对稳定，进而保障了真空计能够正常工作。

从ZJ?2电离规管产生的离子流10-4～10-8 A对应的压力值为10-1～10-5 Pa，可以看出，电流值越小对应的压力值越小，即表示的真空度越高。由于真空度高的时候离子流很小，假如干扰为一固定值，那么，离子流越小受到干扰的影响也就越大。可见，要减小干扰，保证测量精度，就要使提供给电离规管工作的电压参数及发射电流准确、稳定不变。这样才能使电离规管内的电场分布稳定，而产生的离子流亦稳定，在测量高真空时，不会因为离子流很小而容易受到干扰的影响以致降低测量的精度。

由此可见，若采用传统绕制变压器的方法，其带来的问题是这些干扰就会对电离真空计离子流的测量产生影响，特别是高真空状态下离子流的测量产生严重的影响，可造成真空度测量值产生较大的偏差。由于电离真空计真空规管内的离子流与真空状态下的压力成对应的线性关系，并且离子流越小表示的真空度越高，那么，离子流越小越容易受到干扰的影响，在干扰严重的情况下，致使高真空测量时误差可达1个数量级，有时甚至使得真空度数值无法读取。在北京滨松公司的光电倍增管生产线上，可能由于电网上的噪声污染比较严重，叠加在电离真空计灯丝电位上的干扰信号幅度可能更大，这时电离真空计就出现了无法正常测量真空度的现象。而采用本文提倡的绕制方法制作的电源变压器作为提供给电离真空规管的灯丝电源时，就可以明显减弱电网叠加在灯丝电路上的噪声污染。实际上，在仪器的使用中不可能使各项指标同时达到最佳值，而只能根据使用情况，选择工作参数，使仪器技术指标合理实现，满足使用要求[3?6]。经过以上两种绕制变压器情况的对比，虽然只把干扰幅值减小了一半，但能够使电离规管灯丝电路工作更稳定，规管灯丝对地电位变化更小，从而保证了电离真空计在受到比较严重的噪声干扰时也能正常工作。

4 结 语

综上所述，两种变压器的绕制方法说明，如果次级绕组要想避免初级绕组带来的外电网干扰，最好是初级和次级各自绕制在不同的线包上，这样能够有效地减弱电网上的污染干扰，这也是本文作者经过各种实验找出的一种有效的方法。按照这种方法，很好地解决了电离真空计在北京滨松公司的光电倍增管生产线上出现的问题。另外，真空校准技术比较复杂，校准装置造价比较昂贵。比对法真空校准系统具有结构简单、量程宽、造价便宜、操作容易等许多优点，可以选用精度较高、性能可靠的真空计作为副标准[4]。在本文作者的建议下，北仪创新公司仪器仪表分公司选用一台计量好的电离真空计作为副标准使用，着重比对出厂前入库待销售真空计的误差指标，特别是热阴极电离真空计的高真空测量段。并且，所有的热阴极电离真空计的变压器均采用灯丝加热绕组与220 V初级绕组避免在同一个线包上的绕制方法去加工变压器，经过近二十年的生产验证及用户使用，一直没有出现类似在北京滨松公司生产线上的问题，使得市电噪声干扰减至不足以影响电离真空计的正常工作，从而提高了电离真空计的稳定性，并使其在测量高真空区段时仍能保证测量值的误差指标。

参考文献

[1] 刘玉岱.真空测量[J].真空，1997（3）：44?45.

[2] 亚元科技股份有限公司.变压器制作[M].台北：亚元科技股份有限公司，2011.

[3] 陈联，陈光奇，邱家稳，等.四极质谱计工作参数对校准因子影响研究[J].真空，2011（2）：47?50.

[4] 宋瑞海，张书锋，王欢，等.真空比对法校准装置的研究[J].真空，2011（3）：32?35.

[5] 陈长琦，汪根生，刘智民，等.NBI离子源源头电源控制系统研究与设计[J].真空科学与技术学报，2011，31（4）：440?443.

[6] 达道安.真空设计手册[M].3版.北京：国防工业出版社，2004.