CN109075010A - 具有多个阴极的冷阴极电离真空计 - Google Patents

Abstract

一种冷阴极电离真空计包括多个阴极，在所述多个阴极与阳极之间具有不同间距。所述多个阴极允许在较宽的压力范围内的压力测量。具有较大的间距的第一阴极可以根据汤森放电来提供电流；而具有较小的间距的第二阴极可以根据在较高的压力下的汤森放电以及在更高的压力下的帕邢定律放电这两者来提供电流。在第二阴极上的特征构造可以支持帕邢定律放电。阴极和电源的回程之间的大电阻使得能够控制输出曲线以扩大具有精确响应的压力范围并且避免输出最小值。可以基于来自各个阴极的电流根据贯穿宽压力测量范围的阴极的输出来获得压力测量值。所述多个阴极亦可提供避免在各个阴极的电流输出中发现的中断处的测量值。

Description

具有多个阴极的冷阴极电离真空计

相关申请

本申请要求2016年5月2日提交的美国临时申请第62/330,308号的权益。上述申请的全部教示通过引用结合于此。

背景技术

冷阴极电离真空计(CCIG)是众所周知的。三种习知的CCIG包括普通(非反相)磁控管式真空计、反相磁控管式真空计以及飞利浦(或潘宁)真空计。所有这些类型的真空计具有至少两个在抽真空的非磁性围体内的电极(即，阳极和阴极)，该围体被连接至待测量的真空。于阳极电极和阴极电极之间施加高直流电压电位差(voltage potentialdifference)，以在电极之间产生电场。沿着垂直于电场的电极的轴线施加磁场，用以延长自由电子路径以维持纯电子等离子体，在该等离子体中，电子与分子及原子碰撞以产生离子。该离子移动至阴极电极，用以将放电电流保持在稳态值，该稳态值是压力的函数。

CCIG通过首先将其真空计围体内的气体分子及原子电离，然后测量所产生的离子电流，来提供真空系统总压力的间接测量值。所测得的离子电流与真空计围体内部的气体密度及气体总压力直接相关，即，随着真空系统内部的压力下降，所测得的离子电流亦随之下降。气体特定校准曲线提供了根据离子电流测量值来计算总压力的能力。

描述于本文中的CCIG依靠反相磁控管原理。该真空计是圆筒形对称的。阳极销(位于轴上)和阴极圆筒形围体之间的大的电压电位梯度(即，径向电场)给电子提供能量以使电离事件发生。交叉的轴向磁场提供了在围体内部维持纯电子等离子体所需的长的电子轨迹路径长度。放电电流是与系统内的压力成比例的所测得的量。

通过雪崩电离过程来建立放电，该过程通常以单一电子被释放到真空计的电离体积内开始。负责释放电子的过程可以包括场发射事件或宇宙射线电离过程。该雪崩过程(avalanche process)依靠用于电子轨迹的长的路径长度，其导致每一电子的许多电离过程。每一电离过程释放出离子以及加入到放电中的额外的电子。当离子与阴极内壁碰撞时，额外的电子也释放至该放电中，藉以对总电荷作出贡献。交叉的电场和磁场的结果是，纯电子等离子体作为鞘(sheath)建立在阳极周围。电子密度和压力实质无关。中性气体分子的电离主要是发生在压力固定不变的电子鞘内部。产生的所有离子都被电场引导至阴极并且几乎不受磁场的影响。所获得的离子电流仅与传感器内部的电子密度及气体总压力相关。

示于图1A中的Brucker等人的美国专利申请第14/500,820号、美国专利公开第2015/0091579号的双反相磁控管设计包括两个在磁体组件内保持在一起的磁体115a、115b，这两个磁体的磁极彼此相对。该双反相磁控管提供最大磁场的一些特征，因而提供了可获得的最大真空计灵敏度。大的真空计灵敏度是必要的，用以能够在超高真空(UHV)水平(即，压力小于约10^-9托(Torr)且小至10^-11托)下读取可靠的压力。美国专利申请第14/500,820号的全部内容通过引用并于本文中。

在反相磁控管式的CCIG中，小的漏电流可以经由真空计的内表面直接从阳极110流到阴极120，并且已知所谓“护环”的存在可以收集此漏电流，从而防止漏电流到达阴极电极并且被真空计本身检测到。为了要实施此功能，护环与阴极电极电隔离，并且通常相对于阴极电极保持在小的正电压电位差。

如图1A、1B及1C所示，CCIG 100包括馈通(feedthrough)101，该馈通101包括提供至下述护环电极140的电连接的护环连接102。在护环连接102内，阳极护环绝缘体106在延长的阳极电极110的阳极连接110a周围提供电绝缘。护环电极140连接至启动器装置150，其将于下文中描述。护环连接102通过阴极-护环绝缘体103连接至焊接表面104，该焊接表面104缝焊至整体式法兰组件105，其将于下文中描述。如图1A及1B中所示，整体式法兰组件105包括外法兰105a及内法兰105b。内法兰105b包围阴极电极120，该阴极电极120沿着其长度围绕阳极电极110并且在阳极电极110和阴极电极120之间形成放电空间130。挡板(如图1A所示，作为两个隔板170和180，分别具有孔175及185)连接至阴极电极120。

如上文提到的，交叉的轴向磁场提供在放电空间130内部维持放电所需的电子轨迹路径长度。该磁场系由磁体组件115所产生，如图1A及1B所示。该磁体组件115包括铁磁间隔件114。该磁体组件115亦可包括在其最接近护环140的端部处的铝(或其它非磁性材料)间隔件113，用以调整放电离护环140的位置。

在阴极电极120和阳极电极110之间围绕阳极电极110的基部插入导电护环电极140以收集漏电流，否则如果在真空计100的操作期间导电沉积物长时间累积在阴极-护环绝缘体103外露于放电空间130中的表面上的话，则漏电流倾向于在阳极电极110和阴极电极120之间流动。

放电启动器装置150设置在护环电极140之上并与之电连接。如图1B所示，该启动器装置150具有朝向阳极110并于尖端160和阳极110之间形成间隙的多个尖端160(在图1B中以剖面圆筒对称视图示出了3个尖端)。尖端和阳极之间的间隙可以在约500μm至约2500μm的范围内。该间隙被建构成使得当启动器装置150和阳极110之间的电压电位差建立时，场发射电流在正常的操作期间是在约1皮安(pA)至约10pA的范围之内。场发射电流的振幅取决于数个参数，例如电压电位差、间隙的大小、启动器装置上的尖端的数目以及制造该启动器装置的材料种类。在该CCIG的操作期间，启动器装置和阳极之间的电压电位差可以在约0.4千伏(kV)至约6kV的范围内，例如，约3.5kV。此电压电位差通过从尖端160到阳极的场发射来产生电子，藉以将一些电子播种(seeding)到放电体积130内以触发负责建立放电的雪崩过程。可选地，启动器装置和阳极之间的电压电位差可以被建构成在真空计的启动期间从约3.5kV提高至约5kV，用以通过瞬间提高供应至阳极电极的高电压供应偏压来提高场发射电流，直到通过放电电流的突然增加检测到放电为止。

如图1C的电子控制器所示，在阳极电极110和高电压电源430(HVPS)之间设置限制电阻器410。该限制电阻器410的角色是设置可以流经放电体积130的放电电流量的上限值并且延长真空计的使用寿命。该限制电阻器410所造成的结果是存在于阳极电极110处且被电压计420测得的实际的高电压偏压通常小于HVPS 430所提供的电压。事实上，即使是HVPS430的输出在所有压力下都保持固定不变，阳极电压在离子电流随着压力而增加时也会随之降低。在描述于本文中的真空计中，选取25兆欧(MΩ)的限制电阻器410以提供数项好处：1.在与内部HVPS元件意外接触的情况下对该HVPS可提供至个别元件的电流量有安全极限值，2.电阻器的选择将压力曲线中断处(discontinuity)移动至高于1x10^-6托的较高的压力范围，以及3.当阳极电压设定为3.5kV时放电电流的上限值为125μA。在CCIG控制器的处理器490用电压计420持续地测量阳极电压V以及用安培计460测量放电电流I_D用以计算作为压力的函数的放电阻抗Z的同时，该处理器确保HVPS 430的输出在整个压力范围内都是恒定的。该处理器亦用电流计470测量护环电流以监测漏电量。藉此电路构造，两个独立的电流回路确保了在阳极馈通的漏电流不会导致取决于放电电流阻抗测量值的压力测量中的任何不准确性。

CCIG通常限于在低于10^-2托的低压力范围内操作。为了要测量扩大至高达大气压力(760托)的范围的压力，该CCIG会和使用不同技术的压力计相结合，例如热导式或隔膜式压力计。

发明内容

根据本发明，提供了一种具有第二阴极的CCIG并且根据所测得的流到每一阴极的电流来确定压力。通过不同的尺寸和电连接，在共同的阳极和独立的阴极之间获得不同的电位梯度(electric potential gradient)。

如同在传统的CCIG中般地，磁体经由介于阳极和第一阴极之间的至少第一间距施加磁场，以延长自由电子路径并且因此维持阳极和第一阴极之间的等离子体以及生成的流入第一阴极中的离子电流。此放电被称为汤森放电(Townsend discharge)。从阴极测得的电流通常允许在低压力(例如，低于10^-2托到低至10^-11托的压力)下的压力测量。

与第一阴极电隔离且和阳极相隔比第一间距小的第二间距的第二阴极使得能够在高于第一间距中形成等离子体所需的低压力的压力下进行放电和压力测量。电控制器于阳极和第一阴极与第二阴极的每一者之间施加电压，用以在低压力下至少在阳极和第一阴极之间产生等离子体放电电离，并且在高于该低压力的压力下在阳极和第二阴极之间产生放电电离。阳极和第二阴极之间的放电亦可包括类似于第一阴极的汤森放电，但是在更高的压力下。或者，优选地是额外地，在阳极和阴极之间有击穿(breakdown)时可以允许帕邢定律(Paschen's Law)放电。控制器根据所测得的流至第一阴极的电流以及根据所测得的流至第二阴极的电流来确定压力。

控制器可以额外地测量阳极电压、计算阳极和每一阴极之间的阻抗以及根据这些阻抗确定压力。

所公开的实施方式中，每一阴极包围阳极并且是圆筒形的，不同的间距是由圆筒形阴极的各自的半径来确定。例如可以在第二阴极的开口处设置锥部以改变电场。在所公开的实施方式中，只提供了两个圆筒形阴极，但亦可提供额外的阴极，其提供用于额外测量的额外的间距。

在典型的电离真空计中，阴极在约25mm的长度上提供离阳极约10毫米(mm)的间距，并且类似的尺寸对于第一阴极而言亦是适合的。基于标准设计，阳极和阴极之间的间距(即，在所公开的实施方式中的第一间距)是在5至15mm的范围内，并且第一阴极具有在磁体内部沿着阳极的范围在15至40mm之内的有效长度。阳极和第二阴极之间的较小的间距通常应在1.0至5.0mm的范围内，例如是2.4mm，用以在较高压力下维持产生离子的等离子体。第二阴极应具有至少约6.0mm的长度以维持汤森放电。为了要防止尺寸过大的真空计，第二阴极在沿着阳极的方向上的长度应小于24mm。在所公开的实施方式中，第二阴极约16mm长。

第一阴极及第二阴极可以设置在聚合物壳体内，该壳体将阴极彼此电隔离并与地隔离。

为了要测量甚至比从沿着阳极延伸的第二、较小阴极中的汤森放电所能测得的压力更高的压力，可以在第二阴极上提供朝向阳极定向的特征构造，用以在该特征构造处建立窄隙于阳极和阴极之间。该特征构造允许根据帕邢定律在接近大气压力的高压下进行击穿放电。阳极和特征构造之间的适当的间隙是在0.3至1.0mm的范围内，在阳极电压约3kV时的优选间隙是约0.6mm。最佳间隙与电压相关，并且标准CCIG的阳极电压范围是从约2kV至6kV。电压更高时，可能会使用在优选范围的较高端点处的间隙。对于用帕邢定律放电来操作的阴极而言，在任何特定电压的间隙确定了电流相对于压力的响应的斜率。当间隙很大时，电流响应在压力范围内是很有限的或者电弧放电将会击穿以阻断压力测量；当间隙很小时，电流及阻抗响应具有较低的斜率大小，灵敏度降低且测量误差将会提高。

帕邢定律放电特征构造可以是盘，在该盘内有孔洞以形成间隙。或者，该特征构造可以是具有从盘朝向阳极延伸一个或多个尖端(points)的盘。该特征构造可以是从阴极圆筒朝内延伸的一个或多个销。在一个实施方式中，该特征构造是螺纹销，其从阴极的外部插入并且允许调节阳极和销的底端之间的间隙。该特征构造亦可以在阳极上朝向阴极定向。

介于每一阴极和连接至向阳极提供电压的电源的回程(return)之间约500千欧(kΩ)的大电阻降低了输出响应中的波动(随机噪声及振荡)。进一步的噪声降低是通过阴极和电源回程之间至少兆欧(MΩ)的阻抗来获得。为了要改善电流和阻抗响应的斜率，避免陡峭响应以及平缓响应这两者，连接至第二阴极的阻抗比连接至第一阴极的阻抗大了至少一个量级。在一个实施方式中，将大于1.5MΩ的电阻连接至第一阴极并且将大于30MΩ的电阻连接至第二阴极。阻抗中的至少一个，特别是第二阴极阻抗，可以由可变电阻来提供。

如之前提到的，不只是依赖阴极电流，也可以使用阳极电压来计算出阻抗测量值。可以选用不同的算法，用以提供压力输出。可以根据阻抗测量值来选择算法，并且该算法可以将阻抗测量值作为其输入。该算法可用储存在查找表中的预先计算的数据来加以处理。

在不同的压力范围内可以根据来自第一阴极及第二阴极的每一者的电输出来确定压力，不同的压力范围包括不相邻压力范围，在这些范围内压力是根据第一阴极输出来确定。例如，压力可以根据第一阴极在第一低压力范围的输出来确定、根据第二阴极在比第一压力范围高的第二压力范围的输出来确定、根据第一阴极在比第一及第二压力范围高的第三压力范围的输出来确定、以及根据第二阴极在比第一、第二及第三压力范围高的第四压力范围的输出来确定。

在扩大的压力范围内的优选操作中，在低压力下，在阳极和第一阴极之间至少支持汤森等离子体放电；在高于该低压力的压力下，在阳极和第二阴极之间至少支持汤森放电或帕邢定律击穿放电。可以在第二阴极的特征构造处支持击穿放电。

在一种测量压力的方法中，将磁场施加至介于阳极和第一阴极之间的第一空间。在低压力下，电子被释放到第一空间中，用以在第一空间内产生汤森等离子体放电以及至第一阴极的离子流。在高于该低压力的压力下，在第二阴极和阳极之间产生放电以产生流至第二阴极的电流。压力系根据测得的流至第一阴极的电流以及测得的流至第二阴极的电流。第二阴极和阳极之间的放电可以是汤森等离子体放电或帕邢定律击穿放电，或者它在不同的压力范围可以包括这些放电的每一者。

在另一种测量压力的方法中，电子被释放到第一空间中，用以在第一空间内产生等离子体放电以及流至第一阴极的离子流，相对于压力的第一阴极的电流响应具有第一中断处。电子被释放到第二空间中，用以在第二空间内产生等离子体放电以及流至第二阴极的离子流，相对于压力的第二阴极的电流响应具有第二中断处。根据测得的流至第一阴极的电流以及测得的流至第二阴极的电流来确定压力。压力是根据贯穿包括第二中断处的压力测得的流至第一阴极的电流，以及根据贯穿包括第一中断处的压力测得的流至第二阴极的电流。

附图说明

图1A例示了本发明可应用于其上的现有技术的CCIG。

图1B是图1A的真空计的阳极和启动器环的放大立体图。

图1C例示了与图1A的真空计相关的电控制器。

图2例示了当图1A-C的真空计根据本发明修改时来自阴极和护环的电流输出。

图3例示了图1A的真空计的经过修改的控制。

图4是体现本发明的经过修改的CCIG的纵剖面图。

图5例示了图4的真空计的电流及电压输出。

图6A-6E例示了用来诱发帕邢定律放电的阴极特征构造的替代形式。

图7例示了本发明的优选实施方式。

图8例示了与本发明的数个实施方式一起使用的电控制器。

图9A及9B例示了用不同的阴极电阻器根据阴极电流及阳极电压贯穿宽的压力测量值范围的阻抗测量值，并且图9B例示了在确定压力的算法中使用的图。

图10A及10B例示了处理器802用来从图9B的阻抗测量值确定压力的处理。

图11例示了本发明避免真空计输出中的中断处的替代用途。

图12例示了本发明特别设计成能够避免中断处的替代实施方式。

图13A是类似于图9B但是用于具有不同输出特性的装置的阻抗测量值的图；以及图13B是类似于图10B但是用于具有图13A的特性的装置的流程图。

具体实施方式

下文是本发明的示例性实施方式的描述。本文所引用的所有专利、公开的申请以及参考文献的教示都通过引用而整体并于本文中。

已经确定美国专利申请第2015/0091579号中示出的真空计可以用电子控制器来修改，该电子控制器通过在下述较高压力下在阳极维持高电压以及修改检测器的电子器件(尤其是处理器490)来在高达1托的较高压力或者甚至是760托的大气压下操作该真空计，用以不只依赖阴极电流还依赖流经护环的电流。

图2示出了这种设计中的阴极电流以及护环的电流，该护环现在用作第二阴极。在该真空计的一般的操作中，从曲线200确定压力，并且在高于201处约10^-2托的压力下关闭阳极电压。高于该压力，电流输出202平坦化，以致变得较不可靠，并且在约1托的204处快速地下降。该护环电流极低并且仅用于监测漏电流。然而，如果该真空计的操作保持在如图2所示的较高的压力，则当阴极电流下降时可以看到护环电流在206处上升。因此，在较高的压力处，护环电流可以用作压力的指示。可以看见的是，在约10托处，护环电流在208处开始下降。只看超过1托至1x10³托的护环电流将得到含糊不明确的结果。例如，80微安(μA)的电流会表示8托或者超过100托。然而，通过亦监测阴极电流，即使在那些高压下，人们也将知道护环电流是流动在波峰的哪一侧。

因为所引用的专利申请的真空计并不是被设计用于高压操作，所以它在介于10^-2至1托的平坦区域仍缺精确度并且在峰值护环电流处监测护环电流有困难，但是它确实提供了在宽得多的压力范围测量压力的机会，而无需额外的压力计(例如，电阻或隔膜压力计)。对于护环中增加的电流，主要阴极的汤森放电很可能转移(transition)至启动器(starter)底下的护环的区域。在护环电流峰值之后，帕邢定律击穿很可能会发生在启动器尖端160处，此处与阳极之间的间隙短得多(即，0.676mm)。

上述真空计在宽的压力范围的操作可以如图3所示。和现有技术的真空计不同的是，在302处，高电压贯穿包括高于10^-2托且优选地高于1托或甚至高至大气压力的宽的压力范围被施加至阳极。在304处检测来自阴极的电流并且在306处检测来自护环的电流。可选地，也可以在308处检测阳极电位(anode potential)。在310处，处理来自阴极的电流、来自护环的电流以及可能地，处理阳极电位以确定压力。以前，来自护环的电流仅用于监测漏电流。如上所述，该处理并不单单是从电流(例如，阴极电流)到压力的转换。相反地，必须监测多个电流并且需要根据这些电流决定使用哪一个电流来提供压力。上升的护环电流可以表明阴极电流是在204处的肘拐点的右边，用以将高压力测量值与低压力测量值加以区别。或者，该护环电流本身可以用来提供在肘拐点206上方的压力测量值。虽然仅示出电流，但是可以使用阳极电压，或者可以使用阳极电压和电流来计算阻抗，并且阻抗可以用来表示压力。

图4例示了经过修改的真空计结构，以支持宽的压力范围的CCIG的实施。和在美国专利申请第2015/0091579号中公开的真空计一样，该CCIG包括轴向地延伸至圆筒形的阴极(也称为阴极罩(cathode cage))404内的阳极402。而且，该阴极被磁体组件405包围以维持自由电子等离子体。和现有技术的真空计设计不同之处在于，此真空计包括额外的阴极圆筒406，其和阴极404串联并且在远离该真空计口部(mouth)及法兰420处包围阳极402。然而，阴极406的直径较小，用以提供阴极和阳极之间的减小的间距以及由此导致的不同的电场梯度。这两个阴极被绝缘体408隔离。在此实施方式中，这两个阴极都被磁体组件405包围。根据MKS仪器公司于2016年1月13日提交的PCT专利申请US 2016/013219号(通过引用将其全部内容并入本文)中所公开的方法，使用聚合物壳体411对该真空计进行可选的修改。该阴极结构可以在壳体411的模制作业期间设置在该壳体411内，其中电极402和414延伸穿过聚合物壳体到达各自的大阴极404和小阴极406。

已经发现，汤森等离子体在低压力时位于大阴极404内，但在较高压力时则移入较小的阴极406中。位于小阴极406的口部的锥部416可以支持从大阴极到小阴极的等离子体转移(transition)。

图5例示了在10^-6托至10³托的宽压力范围内的大阴极的电流502、小阴极的电流504、组合的电流506以及阳极电压508。在冷阳极电离真空计设计中包含两个腔室允许在宽的压力范围内输送合理的放电电流。当所测量的压力升高时，分子密度亦随之增加，这造成分子与分子之间碰撞的平均自由路径显著地缩短。使用具有不同几何形状的两个腔室使得每一腔室能够被优化，用以为预期的分子密度及平均自由路径输送可检测到的放电电流。通过气态介质输送电流的机制是产生等离子体，并且已经观察到的是，存在造成等离子体变得不稳定(震荡且随机波动)的特定的压力(在10～200托范围内)，这造成视在阻抗变化很大，而这则造成放电电流变动很大。这让使用瞬时的放电电流测量值来确定所测量的压力变得困难。因为在CCIG上使用的电压供应配备了限流电阻器，所以已经发现在此限流电阻器之后测量电压提供了更稳定的手段来确定在该装置内的放电电流。这不需要灵敏的测量电路来精确地解析所输送的电流，且不需要下游处理或滤波以补偿等离子体中的不稳定性。因为所测量的电压相当地高(其范围从数百至数千伏)，所以此测量电路的设计无需具有测量低电流(其典型地为微安范围的电流)所要求的精确度。

该真空计的操作将如图3所示，除了为该功能设计的第二阴极406取代了在步骤306中的护环。

图4的CCIG包括多个阴极；两个阴极都具有供应高电压的共同的阳极。在压力范围内从每一阴极检测到的单独的电流让我们能够使用这些电流作为确定何时从一种测量方案切换至另一测量方案的手段。这两种测量方案或使用电流或使用电阻来推导出压力，或只使用阳极电压来推导出压力。来自每一阴极的单独的电流使我们能够检测出是处于低压力区域(<0.1托)还是处于高压力区域(>0.1托)。

当所测量的压力正在升高或正在降低时，将测量输送至这两个阴极的电流，并且将使用算法来确定是将从第一阴极还是第二阴极测量到的数值(其可以是电压或电流)用作计算所测量的压力的基础。在一种设计中，在低压力(低于0.1托)时，总电流或电流总合(因为有来自两个阴极的电流)可以用作计算所测量的压力的基础，并且在约0.1托及更高的压力下，所测量的电流只切换至较小的阴极，并且因为电流相对于压力的响应具有很小的斜率且具有很低的灵敏度，所以我们改变为测量阳极电压。因此，通过检测在每一阴极中的电流的量值，我们可以确定是在哪个压力范围内，从而可以确定应使用电流还是电压来计算压力。

有数个重要的点要考虑：

1.要考虑独立的阴极罩电流，并且图5示出小的及大的罩电流具有它们自身与压力相关联的特性。

2.亦有可用于测量值的阳极电压。

3.阴极电流可以单独地使用，以确定压力范围及/或也可以相加以改善测量值的线性及/或灵敏度。

4.可以结合电流和电压以提供放电阻抗。

图4亦例示该真空计的结构的另一修改，用以支持在接近大气压的较高压力下的帕邢定律放电。特征构造418在此例子中是在小阴极406的内表面内的阴极销，可能是固定螺钉的形式，用以在阴极406与阳极402之间提供小的间距。优选的间距是在0.3至1.0mm的范围内。

CCIG的上压力范围测量值(1～760托)会有在低于1托的压力时所没有的技术挑战：与压力相关联的模式改变、震荡放电行为以及非汤森式放电特性。导致显著不稳定的一项因素是在整个高压阴极罩上的局部放电的位置移动。此螺纹式阴极销特征构造提供了一种控制在帕邢定律电弧放电区域内的等离子体位置的方式，消除了如果允许放电绕着阴极移动的话所造成的空间位置的不稳定性以及电流和电压尖峰(spike)。这亦给予我们一种通过调节介于阳极和阴极之间的间隙及电压来将操作电场设置在阳极和阴极销之间的方法，用以确保有足够的电位梯度以在达到或甚至大于1个大气压的情况下始终操作。

在压力介于约1托至760托之间时，CCIG等离子体放电倾向于从均匀的辉光(glow)(汤森放电)变成在阴极罩内部空间内到处跳跃的小的受限的电光(bolt)(电弧放电区域)。在没有本公开中描述的特征构造的情况下，该电光放电在阴极罩周围持续地改变位置。阴极销的目的是要控制放电的空间位置并且在此过程中将空间波动减至最小。

电光的空间波动造成阳极电压和阴极电流尖峰及/或振荡的结果。将放电的大的空间波动的影响减至最小使电流和电压平滑，以得到具有用于分析的简单信号输出的更可重现的装置。

阴极销-阳极间距用来设定并建立在较高压力下的击穿电压。该击穿电压被描述为最小电压，在此电压下检测放电电流。对于氮气而言，在击穿电压相对于0.1托与10托之间的压力的图(plot)上有最小值。为了要让真空计在帕邢定律区域内的高压下适当地操作，我们必须一直在高于击穿电压的电压下操作以获得可推导出压力的信号。该阴极销-阳极间距被设定成使得放电自然地首先发生在阴极销和阳极之间，因为该间距是这两者之间最短的路径。

螺纹式阴极销允许对介于阳极和阴极之间的距离作小的调整。当使用适当地设计且设置的特征构造时，电弧位置即被固定，并且放电振荡量减小。该电弧是肉眼可见的。

在高压区域，局部的电弧放电会因为溅射而在阳极表面以及尤其是在阴极表面这两者上造成严重的磨损。这就是为什么要考虑替代结构材料的原因。稳定电弧位置有助于将信号波动最小化，并将溅射损伤集中在单一点上。用于阴极销的结构材料的选择值得仔细地考虑，因为它对于读数的长期稳定性具有直接的影响。通过使用已知的用于阴极特征构造的溅射(sputter)硬化材料(例如，铱、钛、钨或这些材料的合金)，可以将来自于阴极特征构造的溅射减至最小。增加几何特征至该特征构造亦可补偿磨损并延长寿命。

通过调节阳极电压以将占空比(duty cycle)从连续(100％)降低至较小一些的比率(<100％)，也可以在高压下减轻溅射损伤。这允许阳极材料在放电事件之间冷却并防止阳极表面熔化。

在较高的压力下，电弧放电选择性地落在阴极销所提供的最短路径上，因为该路径具有最大的电位梯度。在由汤森式放电(空间均匀的放电)所主导的较低的压力下，阴极销对于放电将具有很小微扰或没有微扰(perturbation)。通过控制电弧，我们可以限制或降低我们在此压力区域所见到的电流及电压尖峰；控制最小距离可控制击穿电压及放电的位置。控制电弧发生的地点和发生的电压可以将操作稳定并将溅射最小化。而且，它允许较大直径的高压阴极罩以提高在中间压力范围的灵敏度。在较高的压力下，放电由静电严格地驱动，并且磁场对于它们的行为具有很小的影响。

在图6E的端视图中可以看到螺纹式阴极销418。用来在小阴极406和阳极之间保持适当的间隙的其它的阴极特征构造包括在图6A所示的盘604中的孔洞602、在图6B的盘608中的尖端606、以及在图6C中的销612。图6D例示了从小直径的阴极406的壁突伸出的凸起610。

该真空计的优选实施方式在图7中示出。在此处，大直径的阴极702和小直径的阴极704围绕阳极707被模制到聚合物壳体706中，其中该壳体提供这两个阴极之间的隔离。电极708延伸至小直径的阴极704，并且电极709延伸至大直径的阴极702。或者，任一电极都可以延伸穿过壳体706的一侧。因为在支持小直径的阴极内的汤森放电方面，磁场是较不重要的，所以磁体714只包围大直径的阴极。在真空计的开口端形成法兰710，以联接至压力将被监测的腔室。

图7亦提供具体的尺寸及优选的尺寸范围。对于每一尺寸而言，在括号内提供以毫米为单位的实际的尺寸。在其下方提供以英寸为单位的实际尺寸，并且在其下方提供以毫米为单位的优选的范围。大阴极的长度是有效长度，即位于磁体714内并且暴露于气体环境中的长度。虽然阴极圆筒702延伸超过磁体，但是带有电离现象的等离子体主要局限在该磁体内部的区域内。不在磁体内的小阴极的有效长度是其整个长度。对于高压区域(即，阴极在其内操作的区域)而言，将磁体延伸超过该阴极将具有很小的效果。来自磁体714的磁场将延伸至该空间中，但来自围绕该阴极的额外磁体的额外的磁场将不会是有效的。

帕邢定律特征构造716是属于图6A中所示的类型并且提供范围在0.3至1.0mm内(尤其是，0.6mm(0.024英寸))的间隙。亦可使用图6B-6E的其它特征构造的任何一者。如前所述，该特征构造716支持在接近大气压力的压力下的电弧放电。尽管该特征构造可以朝向第二阴极704的近开口端设置，但是为了让该阴极的口部开放以用于等离子体放电，该特征构造朝向第二阴极704的远端设置。为了模制的目的，该特征构造系如图所示地位于远端。

用于此实施方式中的磁体约为800或900高斯，其系在500～1100高斯的优选范围内。

图8例示了用于任何实施方式中的真空计的控制器电子元件。如同在现有技术电路中一样地，供应至阳极的电力是从电源P经由限流电阻器R1被供应至阳极，该限流电阻器可以是高电阻(如，30MΩ)的电阻器。供应该阳极的电压是由电压传感器V1来感测，该电压传感器连接至分压器R2、R3并接地。或者，可以从电源P的电压输出以及测得的电阻器R1两端的电压降来确定阳极电压。借助于电压传感器V3来检测来自大阴极702和电极709的电流，该电压传感器连接在电流感测电阻器R5(其可以例如是约50kΩ)两端。可以用电压传感器V2来检测来自小阴极以及其电极708的电流，该电压传感器连接在电流感测电阻器R4(其可以例如亦是约50kΩ)两端。处理器802控制电源、改变任何可变电阻并且接收所感测的信号。它亦输出压力读数，其将参考图10来描述。

在此电路中特别重要的是连接至小阴极704的额外的电阻器RS以及连接至大阴极702的电阻器RL。在最初的设计中，RL和RS两者都是使用523kΩ的电阻器用以将来自阴极的输出信号中的噪声消除，并过滤振荡。然而，通过超过1MΩ的大得多的电阻，可以控制相对于压力的电流输出的形状，用以提供更为精确的压力读数。详言之，连接至小阴极的电阻器RS被提高至30MΩ，而电阻RL被提高至1.27MΩ或2.07MΩ。通过在小阴极的极高的电阻器，更多电流被推入到大阴极中以提高在高于1托的高压力时的斜率量值。为了允许随着变化的条件(例如，不同的气体种类)来动态地控制压力响应，电阻器RL及RS，尤其是RS，可以是可变电阻器。

图9A及9B例示了针对使用图8的电路的图7的装置的每一阴极，计算为阳极电压对阴极电流的比率的输出阻抗。图9A是针对RS及RL各为523kΩ。图9B是针对RL等于1.27MΩ并且RS等于30MΩ。阴极电阻的调节还使得能够将各个电流及阻抗中的局部最小值的点移位(shifting)，用以产生在感测的信号内不存在压力无法以足够的精确度被解析及显示的区域的传感器。

可以在图9B中识别出五个不同的操作区域。在低于10^-2托的低压力下，该真空计很像标准的CCIG是用大阴极的汤森等离子体放电来操作。在仍然是低压力的介于10^-2至约1托的区域内，使用电阻RS及RL来扩延大阴极的汤森等离子体放电的操作。在约1托至约35托的区域中，小阴极中的等离子体活动增加(阻抗下降)，等离子体从大阴极移位(shifting)至小阴极。在此处，随着小阴极的阻抗下降，大阴极的阻抗测量值开始提高。随着转移(transition)持续，从约35托到约89托，小阴极的等离子体开始关掉并且因为大阴极的电流持续减小而造成高阻抗，所以电流达到击穿电压所造成的电流。最后，在压力高于约89托至约大气压力(760托)时，电流放电是跨越设置在小阴极上的额外的特征构造所提供的小间隙的帕邢定律电弧放电。

图9B的算法的处理可以如图3所示，但在步骤306中检测到的电流是为该功能设计的第二阴极的电流。图10A例示了更详细的处理。在1020，贯穿大的压力范围将阳极电压施加到阳极。在1022，检测来自第一阴极的电流并且在1024，检测来自第二阴极的电流。在1026，检测阳极电压。在1028、1030及1032中给出了用来处理电流及电位以确定压力的步骤310的更加详细的描述。在1028，处理阴极电流和阳极电位以确定各个阴极的阻抗。在1030，根据压力区域选取这些阻抗中的一个以进行进一步的处理。如图9B所示，选取以实线显示的阻抗以用于四个压力区域的每一个压力区域。在1032，将所选取的阻抗转换成压力。在一个实施方式中，选取及转换步骤1030及1032系如图10B所示地实施。

图10B例示了用于存取四个不同的查找表中的每个查找表以将大阴极的阻抗或小阴极的阻抗转换成输出压力的控制器处理器逻辑。该四个查找表对应于图9B的阻抗图的四条实线并且系根据大阴极及小阴极的阻抗来选取。如图9B所示，在对应于标准CCIG和扩延的标准CCIG的低压力下，根据大阴极的阻抗来确定压力。在此压力区域中，决策块1002将处理器导引至1010的查找表1。然后，在约0.5到35托的较小的阴极等离子体活动的区域内，系统切换到依循小阴极的阻抗以确定压力。决策块1004将处理器导引至1012的表2。然后，为了要避免在约35至89托在小阴极的阻抗内见到最小值，系统在1006切换回来，用以依循在查找表3内的大阴极的阻抗来在1014确定压力。最后，当大阴极的阻抗接近其峰值时，系统切换回来，用以在1016依循表4内的小阴极的阻抗。因此，如从图10B中可以看到的，透过每一数据样本，该系统遍历决策块1002、1004、1006及1008以确定要用在1010、1012、1014或1016中来识别用于该数据样本的压力的查找表。在每一查找之后或如果决策树无法识别出查找表的话，则系统移动至下一个样本。

虽然该处理已通过从低压力移动至大气压为例接以描述，但将被理解的是，任何数据样本都可以将处理器导引至任何查找表而无需考虑任何压力历史。

图11例示了在上文刚刚描述的宽压力范围设计或者更常规的压力范围(如，低于10^-2托)时的多个阴极的另一种用途。CCIG通常在其输出中具有中断处(discontinuity)。例如，具有单一阴极的真空计可以具有依循曲线1102的阻抗，其显示在1104有中断处。在该中断处，提供精确的压力读数是困难的。通过使用两个阴极(第二阴极具有依循路径1106(例如在1108有中断处)的阻抗响应)，可以在确定压力时避免中断处。在低压力时，可以用大阴极所提供的沿着曲线1110的阻抗来确定压力。大阴极将用于高于中断处1108发生处的压力的压力。然而，在低于大阴极将会发生中断处1104的压力的某个压力下，系统将在1114转变成依赖沿着曲线1112的小阴极的阻抗输出。因此，避免了中断处。

前面例示的双阴极实施方式可以用来避免中断处。图12中示出了另一实施方式。两个电隔离的阴极套筒1202及1204可以安装在聚合物材料的壳体1205内(例如如前所述)。阴极包围阳极1206的中心。每一阴极具有包围它的各自的环形磁体1208、1210。该磁体可以是处在排斥或“对抗(bucking)”的状态中，使得产生两个分开的放电区域，每一阴极有一个。通过改变在阴极处的电阻、改变一个阴极相对于另一个阴极的物理尺寸以及改变磁场，可以将中断处移动至不同的压力范围。通过知道每一阴极的响应，可以通过让图11的转换1114发生在预定的压力而避免中断处。或者，通过查看这两个分开的阴极的电流的比率，即可确定何时会出现中断。在此情况下，另一阴极电流用来报知压力。这主要是一定会有参考压力，且轮流地会有一者是该参考压力。

从上面的例子可看出来的是，可以用许多不同的方式来建立磁场。例如，图1A例示了只包围较大阴极的双磁体。图4例示了包围两个阴极的磁体组件。图7例示了只包围大阴极的单一磁体。图12例示了包围分开的阴极的分开的磁体。此布置亦可被用来扩大压力范围。将被了解的是，其它的布置亦是可行的。

图13A提供了类似图9B的图，但其系针对具有不同输出特性的装置。小阴极的阻抗以虚线显示，并且大阴极的阻抗以实线显示。图13B例示了类似于图10B的流程图，但是针对具有图13A的特性的装置。如之前所述，在最低压力下，使用用于大阴极的查找表来提供压力读数。在决策块1302，如果在小阴极的阻抗大于8E8时大阴极的阻抗被判定为大于小阴极的阻抗，或者如果大阴极的阻抗小于小阻抗但是小阻抗仍保持高于2.0E8的话，则具有大阴极的阻抗的查找表被用于确定压力。因此，大阴极查找表用于图13A中所有低于1318的压力。如果不满足决策块1302的条件，但是在决策块1306发现小阴极的阻抗大于大阴极的阻抗，则在1308使用用于小阴极的查找表来提供压力读数。因此，在图13A的1318和1320处的压力之间使用小阴极的输出。

如果不满足决策块1302及1306的条件，则决策块1310将判断大阴极的阻抗是否小于3.0E9。如果是的话，则在1312使用大阴极的查找表用于图13A中介于1320和1322之间的压力。最后，如果不满足决策块1302、1306及1310的条件，则在1314使用小阴极的查找表用于高于1322的压力。

一但通过查找表之一确定了压力，则在1316收集下一个数据样本以进行如图13B的评估。

虽然已经参考本发明的示例性实施方式具体示出及描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不偏离随附的权利要求所涵盖的本发明的范围下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (41)

1.一种冷阴极电离真空计，包含：

阳极；

第一阴极，其与所述阳极相距第一间距，所述第一间距足以使得能够在低压力下在所述阳极与所述第一阴极之间形成等离子体以及形成流入到所述第一阴极的最终离子电流；

第二阴极，其与所述第一阴极电隔离并且与所述阳极相距小于所述第一间距的第二间距，所述第二间距使得能够在比在所述第一间距内形成等离子体所需的所述低压力高的压力下产生放电；

磁体，其施加穿过至少所述第一间距的磁场，用以延长自由电子路径以维持所述等离子体；

电控制器，其在所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个与所述阳极之间施加电压，用以在所述低压力下至少在所述阳极与所述第一阴极之间产生等离子体放电电离以及在高于所述低压力的压力下在所述阳极与所述第二阴极之间产生放电电离，所述控制器根据测得的流至所述第一阴极的电流以及根据测得的流至所述第二阴极的电流来确定压力。

2.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，所述控制器由测得的流至所述第一阴极的电流、测得的流至所述第二阴极的电流以及测得的阳极电压来确定第一阴极阻抗及第二阴极阻抗，并且压力是根据所述第一阴极阻抗和所述第二阴极阻抗来确定的。

3.如权利要求2所述的冷阴极电离真空计，其中，在各压力范围内根据所述第一阴极阻抗和所述第二阴极阻抗来确定压力，所述压力范围包括根据所述第一阴极阻抗来确定所述压力的不相邻压力范围。

4.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第一阴极及所述第二阴极包围所述阳极。

5.如权利要求4所述的冷阴极电离真空计，其中，每一个阴极都是圆筒形的，不同的间距是由各自的半径来确定的。

6.如权利要求5所述的冷阴极电离真空计，仅包含两个圆筒形阴极。

7.如权利要求5所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阳极与所述第一阴极之间的间距是在5至15毫米的范围内，并且所述第一阴极具有沿着所述磁体并且沿着所述阳极在15至40毫米的范围内的有效长度。

8.如权利要求7所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阳极与所述第二阴极之间的间距是在1至5毫米的范围内，并且所述第二阴极具有沿着所述阳极在6至24毫米的范围内的长度。

9.如权利要求8所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第二阴极包含朝向所述阳极定向的特征构造，所述特征构造在所述阳极与所述特征构造之间建立了范围为0.3至1.0毫米的窄的间隙，以使得能够在接近大气压力的高压力下在所述阳极与所述第二阴极上的所述特征构造之间发生帕邢定律放电。

10.如权利要求9所述的冷阴极电离真空计，其中，所述电控制器包括介于所述第一阴极与至电源的回程之间的至少兆欧的阻抗，以及介于所述第二阴极与至电源的所述回程之间的、比介于所述第一阴极与至电源的回程之间的所述阻抗大了至少一个数量级的阻抗。

11.如权利要求5所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阳极与所述第二阴极之间的间距是在1至5毫米的范围内，并且所述第二阴极具有沿着所述阳极6至24毫米的范围内的长度。

12.如权利要求11所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第二阴极包含朝向所述阳极定向的特征构造，所述特征构造在所述阳极与所述特征构造之间建立了范围为0.3至1.0毫米的窄的间隙，以使得能够在接近大气压力的高压力下在所述阳极与所述第二阴极上的所述特征构造之间发生帕邢定律放电。

13.如权利要求5所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第一阴极与所述第二阴极设置在将所述第一阴极及所述第二阴极电绝缘的聚合物壳体内。

14.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阳极与所述第二阴极之间的间距是在1至5毫米的范围内，并且所述第二阴极具有沿着所述阳极在6至24毫米的范围内的长度。

15.如权利要求14所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第二阴极包含朝向所述阳极定向的特征构造，所述特征构造在所述阳极与所述特征构造之间建立了窄的间隙，以使得能够在所述阳极与所述特征构造之间发生帕邢定律放电。

16.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阳极与所述特征构造之间的所述窄隙是在0.3至1.0毫米的范围内。

17.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述特征构造是盘，并且在所述盘内的孔洞中形成所述间隙。

18.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述特征构造是盘，并且在所述阳极与从所述盘延伸出的尖端之间形成所述间隙。

19.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述特征构造是销。

20.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述特征构造是螺纹销。

21.如权利要求15所述的冷阴极电离真空计，其中，所述电控制器包括介于所述第一阴极与至电源的回程之间的至少兆欧的阻抗，以及介于所述第二阴极与至电源的所述回程之间的、比介于所述第一阴极与至电源的回程之间的所述阻抗大了至少一个数量级的阻抗。

22.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，所述电控制器包括介于每一个阴极与至电源的回程之间的至少兆欧的阻抗。

23.如权利要求22所述的冷阴极电离真空计，其中，来自所述第二阴极的所述阻抗比来自所述第一阴极的所述阻抗大了至少一个数量级。

24.如权利要求22所述的冷阴极电离真空计，其中，所述阻抗中的至少一个由可变电阻提供。

25.如权利要求22所述的冷阴极电离真空计，其中，所述电控制器根据电测量值来选择多个算法中的一个算法以提供压力输出，所述电控制器根据所述阳极与每一个阴极之间的阻抗测量值来选择算法。

26.如权利要求25所述的冷阴极电离真空计，其中，使用储存在查找表内的预先计算的数据来处理所述算法。

27.如权利要第1所述的冷阴极电离真空计，其中，在不同压力范围内根据来自所述第一阴极及第二阴极中的每一个的电输出来确定压力，所述不同压力范围包括根据所述第一阴极输出来确定所述压力的不相邻压力范围。

28.如权利要求27所述的冷阴极电离真空计，其中，所述压力基于所述第一阴极在第一低压力范围的输出，基于所述第二阴极在高于所述第一压力范围的第二压力范围内的输出，基于所述第一阴极在高于所述第一压力范围及所述第二压力范围的第三压力范围内的输出，并且基于所述第二阴极在高于所述第一压力范围、所述第二压力范围及所述第三压力范围的第四压力范围内的输出。

29.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，在低压力下，在所述阳极与所述第一阴极之间至少支持汤森等离子体放电，并且在高于所述低压力的压力下，在所述阳极与所述第二阴极之间至少支持击穿放电。

30.如权利要求29所述的冷阴极电离真空计，其中，在高于所述低压力的压力下，在所述阳极与所述第二阴极之间也支持所述汤森放电。

31.如权利要求29所述的冷阴极电离真空计，其中，在所述第二阴极的特征构造处支持所述击穿放电。

32.如权利要求29所述的冷阴极电离真空计，其中，在所述第二阴极和所述阳极中的一个的特征构造处支持所述击穿放电，所述特征构造减小了所述第二阴极与所述阳极之间的间距。

33.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，在低压力下，在所述阳极与所述第一阴极之间至少支持汤森等离子体放电，并且在高于所述低压力的压力下，在所述阳极与所述第二阴极之间至少支持汤森放电。

34.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，每一个阴极都是包围所述阳极的圆筒形，不同的间距由各自的半径确定，所述阴极中的至少一个的内表面直径是渐减的。

35.如权利要求1所述的冷阴极电离真空计，其中，所述第二阴极包含朝向所述阳极定向的特征构造，所述特征构造在所述阳极与所述特征构造之间建立了窄的间隙，以使得能够在所述阳极与所述特征构造之间发生帕邢定律放电。

36.如权利要求35所述的冷阴极电离真空计，其中，所述特征构造从所述第二阴极靠近所述第一阴极的端部移位。

37.一种测量压力的方法，包含：

将磁场施加至介于阳极与第一阴极之间的第一空间；

在低压力下，将电子释放到所述第一空间中，以在所述第一空间内产生等离子体放电以及流至所述第一阴极的离子流；

在高于所述低压力的压力下，在第二阴极与所述阳极之间产生放电，以产生流至所述第二阴极的电流；以及

根据测得的流至所述第一阴极的电流以及根据测得的流至所述第二阴极的电流来确定压力。

38.一种冷阴极电离真空计，包含：

阳极；

第一阴极，其与所述阳极相距第一间距，所述第一间距足以使得能够在所述阳极与所述第一阴极之间形成等离子体以及形成流入到所述第一阴极的最终离子电流，所述第一阴极的相对于压力的电流响应具有第一中断处；

第二阴极，其与所述第一阴极电隔离并且与所述阳极相距小于所述第一间距的第二间距，所述第二间距足以使得能够在所述阳极与所述第二阴极之间形成等离子体以及形成流入到所述第一阴极的最终离子电流，所述第二阴极的相对于压力的电流响应具有第二连续处；

磁体，其施加穿过所述第一间距及第二间距的磁场，用以延长自由电子路径以维持所述等离子体；

电控制器，其在所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个与所述阳极之间施加电压，用以在所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个与所述阳极之间产生等离子体放电电离，所述控制器根据贯穿包括所述第二中断处的压力测得的流至所述第一阴极的电流来确定压力，以及根据贯穿包括所述第一中断处的压力测得的流至所述第二阴极的电流来确定压力。

39.一种测量压力的方法，包含：

将磁场施加至介于阳极与第一阴极之间的第一空间；

将磁场施加至介于所述阳极与第二阴极之间的第二空间；

将电子释放到所述第一空间中，以在所述第一空间内产生等离子体放电以及流至所述第一阴极的离子流，所述第一阴极的相对于压力的电流响应具有第一中断处；

将电子释放到所述第二空间中，以在所述第二空间内产生等离子体放电以及流至所述第二阴极的离子流，所述第二阴极的相对于压力的电流响应具有第二中断处；

根据测得的流至所述第一阴极的电流以及根据测得的流至所述第二阴极的电流来确定压力，压力基于贯穿包括所述第二中断处的压力测得的流至所述第一阴极的电流，并且基于贯穿包括所述第一中断处的压力测得的流至所述第二阴极的电流。

40.一种冷阴极电离真空计，包含：

阳极；

第一阴极，其与所述阳极相距第一间距，所述第一间距足以使得能够在所述阳极与所述第一阴极之间形成等离子体以及形成流入到所述第一阴极的最终离子电流；

第二阴极，其与所述第一阴极电隔离并且与所述阳极相距小于所述第一间距的第二间距，所述第二间距足以使得能够在所述阳极与所述第二阴极之间形成等离子体以及形成流入到所述第二阴极的最终离子电流；

磁体，其施加穿过所述第一间距及所述第二间距的磁场，用以延长自由电子路径以维持所述等离子体；以及

电控制器，其在所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个与所述阳极之间施加电压，用以在各压力范围内在所述阳极和所述第一阴极、所述第二阴极之间产生等离子体放电电离，所述控制器根据测得的流至所述第一阴极的电流以及根据测得的流至所述第二阴极的电流来确定压力。

41.如权利要求40所述的冷阴极电离真空计，其中，所述控制器由测得的流至所述第一阴极的电流、测得的流至所述第二阴极的电流以及测得的阳极电压来确定第一阴极阻抗及第二阴极阻抗，并且压力是根据所述第一阴极阻抗和所述第二阴极阻抗来确定的。