CN112204696B - 倒磁控管冷阴极电离真空计、电离源、测量压力的方法 - Google Patents

Abstract

倒磁控管冷阴极电离真空计、电离源、测量压力的方法。公开了一种总压力冷阴极电离计。倒磁控管电极设计能够同时检测和测量高真空系统中的总气体压力以及诸如氢气、氦气以及水的这样的一种或更多种气体的部分压力。另外，公开了一种泄漏检测器，诸如氦泄漏检测器，其具有到离子检测通道的进气通道的紧凑的逆流结构。

Description

倒磁控管冷阴极电离真空计、电离源、测量压力的方法

相关申请

本申请是2019年4月29日提交的美国非临时申请No.16/397,436的继续申请并要求其优先权，No.16/397,436要求于2018年5月29日提交的美国临时申请No.62/677,386的权益并要求于2018年8月10日提交的美国临时申请No.62/717,634的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

持续需要促进在高真空工艺中的故障排除。高真空工艺通常遵循开始于从大气体压力抽空的工作流程。用户在抽空期间跟踪真空腔室的压力，并且当总压力达到目标压力时，可以开始真空工艺或实验。通常预期目标压力将在预定时间范围内被达到。如果在预期的时间段后仍未达到目标压力，或者达到目标压力所需的时间比平时长，则真空系统用户需要对真空腔室进行故障排除。通常，故障排除不仅需要使用电离计，而且还需要打破真空以使用氦泄漏检测器，有时还需要使用昂贵的残留气体分析器来测量水位。

因此，持续需要提供减少在对高真空工艺进行故障排除中所涉及的时间和费用的装置。

发明内容

公开了一种总压力冷阴极电离计。倒磁控管电极设计能够同时检测和测量高真空系统中的总气体压力以及一种或更多种气体(诸如氢气、氦气以及水)的部分压力。冷阴极电离计包括具有倒磁控管放电的冷电离源，以生成纯电子等离子体并通过与气体分子的电子碰撞产生离子，而不需要热阴极。

在一个实施方式中，提供了一种倒磁控管冷阴极电离真空计。真空计包括：阳极电极；以及阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，其被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场。磁体组件，所述磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场。位于所述阴极电极组件中的开口，所述开口被定位成允许气体从所监测腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，所述气体离子在所述电场作用下朝着所述阴极电极组件的方向加速。位于所述阴极电极组件中的源开孔，所述源开孔被定位成将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件。所述磁体组件被定位成基于所述气体离子的质荷比在角度上移位所述离子的所发射部分。检测器，所述检测器被定位成检测所述离子的所发射部分的经移位的离子成分。离子电流测量电路，所述离子电流测量电路被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流，并且被电连接成测量由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流。

在进一步的相关实施方式中，所述倒磁控管冷阴极电离真空计可以还包括：总压力显示器，所述总压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，提供来自所监测腔室的气体的总压力的指示；和部分压力显示器，所述部分压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，提供来自所监测腔室的气体的部分压力的指示。真空计可以还包括进气通道，所述进气通道被定位成使所述气体从所监测腔室流到所述阴极电极组件中的所述开口，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。所述检测器可以被定位在所述进气通道的侧边缘，或者在所述进气通道的中部。所述真空计可以还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的静电屏蔽栅。所述真空计可以还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的能量过滤器栅。所述检测器可以包括：离子屏蔽件；检测器开孔；和法拉第收集器。真空计可以包括超过一个检测器，所述超过一个检测器中的每个检测器被定位成检测所述离子的所发射部分的超过一种的不同的经移位的离子成分中的不同的一种。真空计可以包括超过一个检测器，所述超过一个检测器包括法拉第收集器阵列。真空计可以包括位于源开孔与法拉第收集器阵列之间的能量过滤器栅。该检测器可以包括电子倍增器。真空计可以包括超过一个源开孔。

在其他相关实施方式中，真空计可以还包括：电源；和电流限制电路，所述电流限制电路可以包括包括电流限制电阻器，电连接在所述电源与所述阳极电极之间。阳极电压控制电路可以被构造成与在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流无关地维持所述阳极电极的恒定电压。阳极电压控制电路可以被构造成基于在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流来改变所述阳极电极的电压。磁场扩展组件可以包括铁磁材料，可以被定位成将所述磁场扩展到所述阴极电极组件的外部。高通离子能量过滤器可以包括向所述检测器施加偏置电压的电压源，可以被构造成仅允许能量高于期望阈值能量的离子到达检测器。电压源可以被构造成基于所述阳极电极的电压来改变所述高通离子能量过滤器的偏置电压。低通离子能量过滤器可以被构造成仅允许能量低于期望阈值能量的离子被检测到。所述低通离子能量过滤器可以包括：电压偏置的偏转器板；和所述检测器的收集板。所述偏转器板可以垂直于所述离子的所发射部分的所述经移位的离子成分的束的路径；或者可以相对于所述离子的所发射部分的所述经移位的离子成分的束的路径成一定角度，其中所述收集板偏离所述经移位的离子成分的束的轴线。所述磁体组件可以包括平板磁体对，所述平板磁体对定位成限定与所述电场交叉的所述磁场和在所述阴极电极组件外部的外部磁场。所述磁体组件可以包括圆筒形磁体，所述圆筒形磁体围绕所述阴极电极组件并且包括与所述源开孔重合的开口，所述圆筒形磁体限定了与所述电场交叉的所述磁场和在所述阴极电极组件外部的外部边缘磁场。

在进一步的相关实施方式中，真空计可以还包括总压力确定电路，所述总压力确定电路至少基于在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流来确定来自所监测腔室的气体的总压力。源开孔栅可以位于源开孔上方。通量控制检测器可以被定位成收集离子的所发射部分的一部分；并且通量反馈电路可以被构造成基于从通量控制检测器接收的电流来调节高电压电源，该高电压电源被电连接以向阳极电极供电。磁扇区或四极过滤器可以位于源开孔与检测器之间；并且源开孔可以被定位成将气体离子发射到飞行时间质谱仪、离子阱或射频动态离子阱中。

在其他相关实施方式中，经移位的离子成分可以包括以下各项中的至少一项：氦离子、氢离子、水离子和残留气体离子。经移位的离子成分可以包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的氦离子。经移位的离子成分可以包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的水离子；或者可以包括经移位的氦离子和经移位的水离子两者，所述经移位的氦离子和所述经移位的水离子均彼此分离并且与来自所监测腔室的气体的其他成分分离。

在进一步的相关实施方式中，真空计可以包括阴极旋转联接器。电控致动器可以联接于所述阴极旋转联接器的。离子束偏转器，诸如平行板对或弯曲板对，可以位于所述源开孔与所述检测器之间。偏转器电源可以电连接于所述离子束偏转器，以在所述离子束偏转器的偏转器板对之间创建静电场。所述偏转器电源可以被电连接成(i)相对于所述离子偏转器的第二偏转器板的地电压，向所述离子束偏转器的第一偏转器板提供正偏转器偏置电压，或(ii)相对于所述第二偏转器板的地电压，向所述第一偏转器板提供负偏转器偏置电压，或(iii)向所述第一偏转器板提供第一偏转器偏置电压，并向所述第二偏转器板提供第二偏转器偏置电压。

在其他相关实施方式中，偏转器控制电路可以被构造成向所述偏转器电源提供偏转器控制信号。所述偏转器控制电路可以被构造成改变所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器改变所述离子的所发射部分的经移位的离子成分的偏转。所述偏转器控制电路可以被构造成基于以下项来改变所述偏转器电源的电压：(i)电压随时间的三角形锯齿变化，或(ii)对经移位的离子成分的相对于其他离子成分的峰宽度和时间位置进行控制的电压波形。所述偏转器控制电路可以被构造成扫描所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器偏转多个离子成分，所述多个离子成分随着所述偏转器电源的电压被扫描而要由所述检测器依次检测到。所述偏转器控制电路可以被构造成扫描所述偏转器电源的电压，以允许检测所述多个离子成分的质谱。所述离子成分中的一种可以是残留气体；并且真空计可以还包括残留气体部分压力测量电路，所述残留气体部分压力测量电路被构造成基于由所述检测器产生的电流来确定残留气体部分压力。所述离子成分中的一种可以是水；并且真空计可以还包括水部分压力测量电路，所述水部分压力测量电路被构造成基于由所述检测器产生的电流来确定水部分压力。所述离子成分中的一种可以是氦；并且真空计可以还包括氦部分压力测量电路，所述氦部分压力测量电路被构造成基于由所述检测器检测到的氦产生的电流来确定氦部分压力。自动基线校正电路可以被构造成执行氦部分压力的基线校正。所述离子成分中的一种可以是氢。

在进一步的相关实施方式中，所述偏转器控制电路可以被构造成控制所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器引导具有不同能量和共同离子成分质量的经移位的离子成分穿过所述检测器的检测器开孔会聚。所述真空计可以还包括：阴极旋转联接器；和致动器，所述致动器被构造成使用所述阴极旋转联接器来使阴极电极组件旋转，从而具有不同能量的经移位的离子成分在所述偏转器电源的电压下被引导至检测器，所述偏转器电源的电压使具有不同能量的经移位的离子成分穿过所述检测器的所述检测器开孔会聚。要会聚的具有不同能量的经移位的离子成分可以包括水离子成分，以及可以包括残留气体离子成分。所述偏转器控制电路可以被构造成随着所述阳极电极的电压改变而改变所述偏转器电源的电压，以使在所述经移位的离子成分相对于其他离子成分在检测器处的时间位置不随着所述阳极电极的所述电压改变而改变的情况下，所述离子束偏转器将所述经移位的离子成分引导至所述检测器。真空计可以还包括高通离子能量过滤器，所述高通离子能量过滤器被构造成仅允许能量高于期望阈值能量的离子被检测到。高能量过滤器控制电路可以被构造成与所述阳极电极的电压成比例地减小所述高通离子能量过滤器的偏置电压。

在进一步的相关实施方式中，部分压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，可以提供来自所监测腔室的气体的部分压力的指示；并且部分压力确定电路可以被构造成至少基于由离子电流测量电路所测量的、由在所述检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流来确定来自所监测腔室的气体的部分压力。真空计可以被包括在模块化单元中，所述模块化单元包括：总压力显示器，所述总压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，提供来自所监测腔室的气体的总压力的指示；部分压力显示器，所述部分压力显示器与离子电流测量电路电连接，提供来自所监测腔室的气体的部分压力的指示；和所述离子电流测量电路。真空计可以还包括：水部分压力显示器，所述水部分压力显示器与离子电流测量电路电连接，提供对来自所监测腔室的气体中水的部分压力的指示；并且可以包括：水百分比显示器，所述水百分比显示器提供所监测腔室中的气体的水百分比的指示。水百分比确定电路可以被构造成至少基于以下各项来确定所述水百分比：(i)由所述离子电流测量电路测量的、在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流，(ii)由所述离子电流测量电路测量的、由在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流，以及(iii)所述源开孔的截面积与所述阴极电极组件的暴露于所述气体离子中的部分的表面积的比。真空计可以还包括：残留气体与水之比显示器，所述残留气体与水比显示器提供来自所监测腔室的水的部分压力与来自所监测腔室的残留气体的部分压力之比的指示；和残留气体与水之比确定电路，所述残留气体与水之比确定电路被构造成至少基于由所述离子电流测量电路测量的、由在所述检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流来确定水的部分压力与残留气体的部分压力之比。磁体组件可以关于与所述电场交叉的轴线是径向对称的。

在进一步的相关实施方式中，离子电流测量电路可以包括离子电流测量电路，离子电流测量电路电连接成测量在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流以及由在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流。所述离子电流测量电路可以包括复用器，复用器可以被电连接成接收多个离子电流信号，所述多个离子电流信号包括来自在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的第一离子电流信号，以及由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流的第二离子电流信号。所述离子电流测量电路可以包括：被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的第一离子电流测量电路；以及被电连接成测量由在所述检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流的第二离子电流测量电路。所述离子电流测量电路可以包括被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的第一电流计，以及被电连接成测量由在所述检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流的第二电流计。所述倒磁控管冷阴极电离真空计可以还包括双信号泄漏检测电路，所述双信号泄漏检测电路被构造成确定同时发生以下两种情况：(i)由所述离子电流测量电路测量的、在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的减少，以及(ii)由所述离子电流测量电路测量的、由在所述检测器接收到经移位的离子成分而产生的电流的增加。双信号泄漏检测显示器可以包括基于由所述双信号泄漏检测电路确定的所述同时发生针对泄漏的压力数据的指示。

在其他相关实施方式中，倒磁控管冷阴极电离真空计可以还包括围绕所述检测器的一段的检测器屏蔽件，所述检测器屏蔽件包括检测器开孔。真空计可以包括围绕或覆盖所述检测器开孔的能量过滤器栅。检测器屏蔽件电连接器可以电连接在所述检测器屏蔽件与向所述检测器屏蔽件施加偏置电压的电压源之间。真空计可以还包括检测器屏蔽件旋转联接器并且可以还包括检测器旋转联接器。由检测器屏蔽件围绕了一段的检测器可以包括法拉第收集器，所述法拉第收集器可以包括法拉第杯，所述法拉第杯包括侧屏蔽件。检测器屏蔽件可以接地。真空计可以还包括磁体旋转联接器。

在进一步的其他实施方式中，磁场扩展组件可以被定位成沿从所述源开孔向所述检测器纵向延伸的方向扩展所述磁场。所述磁场扩展组件可以包括磁体，所述磁体被定位成增加所述磁体组件与所述检测器之间的所述磁场；并且可以包括磁轭，所述磁轭围绕了在所述源开孔和所述检测器之间延伸的通道的外部的至少一部分。所述磁体组件可以包括单体磁体，所述单体磁体在所述阴极组件上延伸并且在从所述源开孔向所述检测器纵向延伸的方向上延伸。

在另一相关实施方式中，倒磁控管冷阴极电离真空计可以包括组合计的一部分，所述组合计还包括高压力总压力传感器，所述高压力总压力传感器被连接成当来自所监测腔室的气体的总压力大于阈值总压力时，测量所述总压力，并且所述倒磁控管冷阴极电离真空计可以被连接成当来自所监测腔室的气体的所述总压力小于所述高压力总压力传感器的所述阈值总压力时，测量所述总压力。所述高压力总压力传感器可以包括皮拉尼总压力传感器，或皮拉尼计与压电差分压力传感器的组合，并且其中，所述阈值总压力可以是以下之一：约10^-4托，或约10^-5托。

在根据本发明的另一实施方式中，提供了一种倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括：阳极电极；和阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，并且被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场。磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场、位于所述阴极电极组件中的开口被定位成允许气体从所监测腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速。位于所述阴极电极组件中的源开孔被定位成将气体离子中的一部分发射出所述阴极电极组件。磁体组件被定位成基于所述气体离子的质荷比在角度上移位所述离子的所发射部分。检测器被定位成用于检测所述离子的所发射部分的经移位的离子成分；离子电流测量电路被电连接成测量由在所述检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流。进气通道被定位成使所述气体从所监测腔室向所述阴极电极组件中的所述开口流动，其中，所述离子的所发射部分在进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。

在进一步的相关实施方式中，经移位的离子成分可以包括与来自所监测腔室的所述气体的其他成分分离的氦离子。

在根据本发明的另一实施方式中，提供了一种倒磁控管冷阴极电离源。所述电离源包括：阳极电极；阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，并且被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场；以及磁体组件，所述磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场。位于阴极电极组件中的开口被定位成允许气体从腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速。位于阴极电极组件中的源开孔被定位成将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件。磁扇区、四极质量过滤器、飞行时间质谱仪、离子阱或射频动态离子阱被定位成接收从所述源开孔发出的所述气体离子。

在进一步的相关实施方式中，进气通道可以被定位成使气体从所监测腔室流到所述阴极电极组件中的开口，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。电离源可以还包括：离子电流测量电路，所述离子电流测量电路被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流。总压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，可以提供来自所述腔室的气体的总压力的指示。

在根据本发明的另一实施方式中，提供了一种测量所监测腔室内的气体的总压力和部分压力的方法。该方法包括以下步骤：在倒磁控管冷阴极电离真空计的阳极电极与阴极电极组件之间施加电压，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，以在所述阴极电极组件和所述阳极电极之间的放电空间中创建电场。使用磁体组件限定与所述电场交叉的磁场。允许气体通过所述阴极电极组件中的开口从所监测腔室进入所述放电空间，从而在放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速。通过所述阴极电极组件中的源开孔将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件。使用磁体组件，基于所述气体离子的质荷比，使所述离子的所发射部分在角度上移位。使用检测器检测离子的所发射部分的经移位的离子成分。使用离子电流测量电路测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流。基于由所述离子电流测量电路测量的总电流，显示来自所监测腔室的气体的总压力的指示。使用所述离子电流测量电路测量由在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流；并且基于由所述离子电流测量电路测量的、由在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流，显示来自所监测腔室的气体的部分压力的指示。

在进一步的相关实施方式中，所述方法可以还包括与在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流无关地保持所述阳极电极的恒定电压。所述方法可以还包括执行高通离子能量过滤，以仅允许所述离子的所发射部分中的能量高于期望阈值能量的离子到达所述检测器；或者执行低通离子能量过滤，以仅允许所述离子的所发射部分中的能量低于期望阈值能量的离子到达所述检测器。所述方法可以还包括诊断包括所监测腔室的真空系统，所述方法还包括使用所述离子电流测量电路来测量由在所述检测器处接收到水离子成分而产生的电流，以及使用所述离子电流测量电路来测量由在所述检测器处接收到残留气体离子成分而产生的电流。

附图说明

通过下面对示例实施方式的更具体描述，如在附图中所示，前述内容将显而易见，在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在例示实施方式上。

图1是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的截面投影图。

图2A是图1的倒磁控管冷阴极电离真空计的截面顶视图。

图2B是图1的倒磁控管冷阴极电离真空计的投影图。

图3是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，其在进气通道中有离子逆流，并且其具有侧安装的检测器。

图4是根据本发明的实施方式的具有中部安装的检测器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图5是根据本发明的实施方式的具有两个侧安装的检测器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图6是根据本发明的实施方式的具有两个源开孔和两个侧安装的检测器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图7是根据本发明的实施方式的具有单个法拉第收集器检测器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图8是根据本发明的实施方式的具有法拉第收集器阵列的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图9是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，其中进气通道是与离子检测通道分开的通道。

图10是根据本发明的实施方式的使用低通离子能量过滤器和高通能量过滤器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图11A是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，其例示了可以使用的示例尺寸。

图11B是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的磁体组件和电极组件的示意性截面侧视图，其例示了可以使用的示例尺寸。

图12是根据本发明的实施方式的测量总阳极电流和检测到的离子电流的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性电气图。

图13A是例示在根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中从电子放电等离子体产生离子的示意图。

图13B是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中的圆筒形磁体组件的示意图。

图14是根据本发明的实施方式的使用扁圆筒形磁体的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。

图15是例示确定可用于根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中的源开孔的截面积与阴极电极组件的暴露于气体离子的一部分的表面积之比的示意图。

图16是根据本发明的实施方式的使用源开孔栅的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。

图17是根据本发明的实施方式的使用通量控制电路的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。

图18是根据本发明的实施方式的与磁扇区一起使用的倒磁控管冷阴极电离源的示意图。

图19是根据本发明的实施方式的与四极质量过滤器一起使用的倒磁控管冷阴极电离源的示意图。

图20A是根据本发明的实施方式的具有径向指向的细长源开孔的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图，图20B是其投影图。

图21是根据本发明的实施方式的具有离子束偏转器的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。

图22A是倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，其以组合图的形式例示了离子成分的分离，并且图22B是根据本发明的实施方式的按成分分离的离子成分的示意性顶视图。

图23A是倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，并且图23B是根据本发明的实施方式的电极组件和磁体组件的示意性侧视图，示出了在阴极电极组件外部延伸的外部磁场。

图24是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦的总气体压力响应的图。

图25是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦的总压力灵敏度相对于阳极直径的图。

图26是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦的部分压力灵敏度相对于阳极尺寸的图。

图27是示出归一化电流(以对数标度)相对于基准压力的曲线图，其可以用于根据本发明的倒磁控管冷阴极电离真空计的校准曲线。

图28是示出通过根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的残留气体(包括水)、氦和氢离子成分的角分辨率的曲线图。

图29是例示根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中的阳极电压和电流限制电阻器的示意性电气图。

图30是根据本发明的实施方式的与倒磁控管冷阴极电离真空计一起使用的控制单元的示意性电气图。

图31A是根据本发明的实施方式的显示组件的示意性框图。

图31B是根据本发明的实施方式的处理板的示意性框图。

图32是根据本发明的实施方式的总压力电流和部分压力电流的曲线图，其例示了使用双信号泄漏检测电路。

图33是根据本发明的实施方式的包括检测器屏蔽件的倒磁控管冷阴极电离真空计的垂直截面图。

图34是图33的根据本发明的实施方式的真空计的透明投影图，其包括检测器屏蔽件。

图35是图33和图34的根据本发明的实施方式的包括检测器屏蔽件的真空计的透明垂直截面图。

图36是图33至图35的根据本发明的实施方式的真空计的水平半截面图。

图37是图33至图36的根据本发明的实施方式的真空计的通过阳极电连接截取的水平半截面图。

图38是图33至图37的根据本发明的实施方式的真空计的顶视图，其例示了检测器屏蔽件的旋转联接，并且图39是其仰视图。

图40和图41是示出使用根据本发明的实施方式的真空计将水与其他残留气体分离的曲线图。

图42和图43是示出根据本发明的实施方式的真空计的总压力灵敏度的曲线图。

图44是示出使用残留气体分析器(RGA)与根据本发明的实施方式的真空计进行的泄漏检测的比较的曲线图。

图45是示出根据本发明的实施方式的真空计的部件的示例尺寸的垂直截面图。

图46是示出根据本发明的实施方式的磁场扩展组件的垂直截面图，该磁场扩展组件被定位成在从源开孔朝向检测器纵向延伸的方向上扩展磁场。

图47和图48是具有空气泄漏的概念性真空系统和具有氦泄漏的概念性真空系统的示意图，其在根据本发明的实施方式的以下推导中使用，该推导是使用双信号泄漏检测技术的概念性基础。

图49是根据本发明的实施方式的真空计的示意性投影图，该真空计使用离子束偏转器来偏转将由检测器检测的离子成分。

图50是图49的根据本发明的实施方式的真空计的示意性投影图，其将不同的离子成分偏转到检测器。

图51是图50的根据本发明的实施方式的真空计的顶视图。

图52是根据本发明的实施方式的通过扫描真空计中的偏转器板上的电压而生成的全频谱范围的曲线图。

图53是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的侧视图。

图54是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的顶视图。

图55是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的投影图。

图56是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的顶视图。

图57是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的投影图。

图58是根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的顶视图。

图59是真空计的部件的示意图，并且图60是示出根据本发明的实施方式的示例尺寸的截面图。图60是图59的真空计的沿着图59的线A-A的截面图。

图61是根据本发明的实施方式的真空计的投影，该真空计包括在阴极电极组件上方延伸并且在从源开孔朝向检测器纵向延伸的方向上延伸的单体磁体。

图62是例示将磁轭与根据本发明的实施方式的真空计一起使用的示意图。

图63是例示在根据本发明的实施方式的真空计中使用偏转器进行离子成分的能量会聚的示意图。

图64是根据本发明的实施方式的电气控制电路的示意图。

图65是在图64的根据本发明的实施方式的电气控制电路中使用的处理器的示意性框图。

图66是根据本发明的实施方式的偏转器控制电路的示意性框图。

图67是根据本发明的实施方式的阳极电压控制电路的示意性框图。

图68是根据本发明的实施方式的由抽空诊断处理器实现的处理流程的示例的示意图。

图69是系统的示意性框图，其中根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计是组合计的一部分。

具体实施方式

以下是示例实施方式的描述。

根据本发明的实施方式，具有倒磁控管电极设计的总压力冷阴极电离计能够同时检测和测量高真空系统中的总气体压力以及诸如氢气、氦气以及水的一种或更多种气体的部分压力。冷阴极电离计包括具有倒磁控管放电的冷电离源，以在不需要热阴极的情况下产生纯电子等离子体并通过电子与气体分子的冲击而产生离子。冷阴极电离计可用于真空系统故障排除，氦泄漏检测、水百分比确定以及以下所述的其他用途。另外，冷电离源可用作磁扇区、四极质量过滤器和以下所述其他系统的源。

图1是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计1000的截面投影图。图2A是图1的真空计1000的截面顶视图，并且图2B是其顶视图。

参照图1、图2A和图2B的实施方式，真空计1000包括阳极电极1002和围绕阳极电极1002的一段的阴极电极组件1004。阴极电极组件1004可以是例如圆筒形的，并且可以完全或部分地围绕阳极电极1002的一段。另选地，可以将非圆筒形的形状用于阴极电极组件1004，例如方形。阴极电极组件1004可以是单个阴极电极，或者可以由两个或更多个阴极电极部分(例如两个半圆筒)形成，它们一起形成阴极电极组件1004。阴极电极组件1004被定位成当在阳极电极1002和阴极电极组件1004之间施加电压时，在阴极电极组件1004和阳极电极1002之间的放电空间1005中创建电场。虽然在图1中分别示出了两个分开的地绝缘馈通1024和1026用于阳极电极1002和阴极电极组件1004，应当理解，电极1002和1004不需要都是地绝缘的，并且电馈通连接1024和1026可以经由单个馈通点进入真空组件，而不是从两侧。电馈通1024和1026可包括螺纹金属连接器1165以连接到阳极电极1002和阴极电极组件1004中的每一方，以及绝缘体1167(诸如由例如PEEK聚合物制成的塑料绝缘体，或者例如Vespel玻璃或陶瓷(诸如氧化铝))，包含内部孔1168，通过该内部孔1168可以将导线连接到阳极电极1002和阴极电极组件1004中的每一方。

继续图1、图2A和图2B的实施方式，磁体组件1006被定位成限定与电场交叉的磁场，从而磁场和电场处于交叉场结构，其中电场线垂直于磁场线。例如，在图1中，电场可以在阳极电极1002和阴极电极组件1004之间沿径向方向1007a延伸，而磁场在磁体组件1006的两个平板磁体1006a和1006b之间垂直地延伸，从而磁场在垂直于电场的方向1007b上延伸。虽然示出了平板磁体1006a和1006b，但是应当理解，可以使用其他形状的磁体来提供交叉场磁场。阴极电极组件1004中的开口1008被定位成允许气体从所监测腔室(未示出)进入放电空间1005，从而在放电空间1005中形成气体离子以利用电场在朝着阴极电极组件1004的方向加速。例如，法兰1009可用于附接到来自所监测腔室(未示出)的气体的源，从而使气体行进通过进气通道1028并进入阴极电极组件1004中的开口1008。阴极电极组件1004中的源开孔1010被定位成从阴极电极组件1004中发射出在放电空间1005中形成的气体离子的一部分。参照图1、图2A和图2B，由两个源开孔板1011(其中在图1的截面图中示出了其中一个，而在图2B中示出了两个)之间的垂直狭缝形成源开孔1010，但是可以理解。可以使用源开孔1010的各种不同的可能形状。

磁体组件1006被定位成基于气体离子的质荷比，例如通过限定与径向方向1007a交叉的横向方向1007b上的磁场，来使离子的所发射部分在角度上移位。检测器1012被定位成检测离子的所发射部分的经移位的离子成分，其可以是经移位的离子成分的分开的离子流，例如氦、氢、水或分子量高于水的一种或更多种残留气体(例如氮气)的分开的离子流。如本文所用，“残留气体”是分子量高于水的离子成分。检测器1012可以例如包括离子屏蔽件1018(见图2A)，检测器开孔1020(见图2A)和法拉第收集器1022(见图2A)。如下面进一步讨论的，离子电流测量电路(其可以例如包括第一电流测量电路12014，见图12)被电连接成测量在阳极电极1002和阴极电极组件1004之间流动的总电流I_total(见图12)。如下面所讨论的，该总电流I_total被用于确定所监测腔室内的气体的总压力。另外，如下面进一步讨论的，离子电流测量电路(其可以例如包括第二电流测量电路12016，见图12)被电连接成测量由在检测器1012接收到经移位的离子而产生的电流I_signal。如下面所讨论的，来自检测器1012的该电流I_signal被用于确定所监测腔室中的气体的部分压力，例如氦、氢、水或氮的部分压力。这样，真空计既可以用作总压力计，又可以用作氦、氢、水或氮等成分的部分压力计。

图3是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计3000的示意性顶视图，其具有在进气通道3028中的离子的逆流以及侧安装的检测器3012。进气通道3028被定位成使气体从所监测腔室(未示出)流到阴极电极组件3004中的开口1008(见图1)。从阴极电极组件3004发射出的离子部分3030沿与进气通道3028中的来自所监测腔室的气体的流动方向3034相反的方向3032行进。检测器3012被定位在进气通道3028的侧边缘。另选地，如图4的实施方式中所示，检测器4012可以定位在进气通道4028的中部。返回到图3的实施方式，真空计3000可以包括静电屏蔽栅3036，诸如以相对于阳极电压的地电压偏置的接地栅网。静电屏蔽栅3036位于源开孔3010和检测器3012之间。静电屏蔽栅3036可帮助在阴极电极组件和检测器开孔3020之间提供无电场的区域。如果没有静电屏蔽栅3036，则施加到检测器开孔3020的偏置电压的变化会导致离子轨迹变化，并影响通过检测器开孔3020的离子束的耦合，使用静电屏蔽栅3036可以减轻或消除这种影响。如图3所示，经移位的离子成分3038被引导通过检测器开孔3020，并产生电流I⁺ _He，该电流I⁺ _He被测量以确定离子成分3038的部分压力，诸如氦的部分压力。

如图4的实施方式中所示，经移位的离子成分4038基于它们的质荷比被分离成不同的离子流，随着其远离源开孔4010行进，它们彼此之间的发散越来越大。与离子运动方向交叉的磁场根据右手法则对离子施加力。在图4中，例如，经移位的离子成分4038a由氢离子构成，4038b由氦离子构成，4038c由水离子构成，并且4038d由残留气体构成。从图4中可以看出，检测器4012被定位成检测到期望的经移位的离子成分4038b(在此为氦)。另外，根据本文的实施方式，源开孔4010的角度(例如，相对于进气通道的中轴线)可以同样地被调节，使得期望的经移位的离子成分4038b被检测到。

如图5的实施方式中所示，真空计5000可以包括超过一个检测器5012a、5012b，该超过一个检测器5012a、5012b中的每个检测器被定位成检测离子的所发射部分的超过一个不同的经移位的离子成分5038a-d中的不同的一个离子成分。例如，在图5中，一个检测器5012a被定位成检测氦离子5038b，从而生成电流I⁺ _He以允许测量氦的部分压力，而另一检测器5012b被定位成检测水离子5038c，从而生成电流I⁺ _H20以允许测量水的部分压力。在图5中，两个检测器5012a、5012b均安装在进气通道5028的侧部，但是其中一个或更多个也可以安装在中部。

如图6的实施方式中所示，真空计6000可包括超过一个源开孔6010a、6010b和超过一个检测器6012a、6012b。在这种情况下，每个源开孔6010a、6010b将从源开孔6010a、6010b发射的经移位的离子成分分离成不同的离子流。例如，源开孔6010a将发射的离子分离为氢6038a、氦6038b、水6038c和残留气体6038d的经移位的离子成分6038a-d；而源开孔6010b将其发射的离子分离为氢6038e、氦6038f、水6038g和残留气体6038h的经移位的离子成分6038e-h。基于不同的发射离子流，可以将多个检测器6012a、6012b定位成检测不同的离子成分，从而可以根据超过一种气体的部分压力的测量结果生成电流。例如，在图6中，示出了将水的流6038c引导至检测器6012a从而产生电流I⁺ _H2O以允许测量水的部分压力。而将流6038f引导至检测器6012b从而生成电流I⁺ _He以允许测量氦的部分压力。在图6中，两个检测器6012a、6012b都安装在进气通道6028的侧部，但是其中一个或更多个也可以安装在中部。在根据本发明的实施方式中，经移位的离子成分6038可包括以下中的至少一种：氦离子、氢离子、水离子和诸如氮离子和氧离子这样的残留气体离子。经移位的离子成分6038可包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的氦离子。经移位的离子成分6038可包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的水离子；或可包含经移位的氦离子和经移位的水离子两者，每一者是彼此分离的并且与来自所监测腔室的气体的其他成分分离。

如图7的实施方式中所示，真空计7000可以包括具有法拉第收集器7022的检测器7012。检测器包括离子屏蔽件7018、检测器开孔7020(在这里和在本文中的其他附图中，该检测器开孔被称为检测器狭缝，虽然将可以理解的是，可以使用其他形状的检测器开孔)和法拉第收集器7022。本文讨论的法拉第收集器可以被设计为平板，以降低成本，但是可以使用法拉第杯来获得性能改善。法拉第杯可以捕获由离子碰撞而得到的二次电子，从而对离子电流提供较线性的响应。在图7中，仅使用了单个法拉第收集器7022。

另选地，如图8的实施方式中所示，真空计8000还可以包括法拉第收集器阵列8040形式的超过一个检测器。在此，从源开孔8010发射的离子流8030可以穿过静电屏蔽栅8036(诸如以相对于阳极电压的地电压偏置的接地栅网)，然后穿过处于相对于阳极电压的偏置电压的能量过滤器栅8042，然后到达法拉第收集器阵列8040。静电屏蔽栅8036可提供与图3的静电屏蔽栅3036类似的优点。能量过滤器栅8042通过处于相对于阳极电压的偏置电压而可以被用于高能量过滤，其对法拉第收集器阵列8040施加高通离子能量过滤，从而提供与下面的图11A的项目11054描述的单个检测器的高通离子能量过滤类似的作用。本文中教导的其他真空计也可以使用位于源开孔和检测器之间的能量过滤器栅8042，而不管是否使用了法拉第收集器阵列8040。法拉第收集器阵列8040可以例如包括电介质基板8044，诸如陶瓷，以及形成法拉第收集器的金属条带8046。金属条带8046可以例如为约0.025英寸厚并且被约0.01英寸的间隙隔开。在另一示例中，法拉第收集器阵列可以通过在金属条带8046之间(例如，厚度为约0.025英寸)增加例如约0.010英寸的宽度的空气间隙来实现，这可以避免相邻收集器之间的串扰。使用对法拉第收集器的电连接8048，在阵列8040中的每个法拉第收集器处接收的离子电流然后可以被馈送到复用器30124(参见下面的图30)。在另一实施方式中，代替法拉第收集器或除法拉第收集器之外，检测器8040可以包括电子倍增器。电子倍增器可以提供诸如增强的检测极限和较快的数据采集速率等优势。

如图9的实施方式中所示，在另选几何中，进气通道9028可以是与离子检测通道9050分开的通道，使得从阴极电极组件9004发射出的离子部分9030沿流方向9032行进，与图3的实施方式的逆流结构相反，该流方向大致平行于进气通道9028中的来自所监测腔室的气体的流方向9034或与之成另一角度。在平行流的另一另选几何中，气体入口可以在阴极电极组件9004处或附近，从而进入的气体以与发射离子向检测器行进的相同方向9032上从源流向检测器，而不是使气流与所发射的离子成分逆流。然而，平行流构造的潜在缺点是阴极电极组件9004和/或阳极电极本身可以对进入的气体流提供低的电导势垒，从而需要较大的进气连接。而且，如果阴极定位在气流与检测器之间，则存在电导限制，该电导限制会使泵出检测器变得困难。如果在检测器处有放气，则该区域中的压力将增加并影响装置的性能。通过使较小的检测器在到达阴极的途中，其保持良好的抽吸状态，即具有高电导率(请注意，该装置是从所连接的腔室中的真空通过法兰1009抽吸的，见图1)。这是有利的，因为较高的压力会通过中性离子碰撞影响经移位的离子束。

图10是根据本发明的实施方式的使用低通离子能量过滤器10052的倒磁控管冷阴极电离真空计10000的示意性顶视图。从阴极电极组件10004发射出的离子流10030既包括低能量离子又包括高能量离子，从而其总离子电流等于低能量离子电流I_LE加上高能量离子电流I_HE。离子流10030(或其经角度移位的部分，注意图10被简化为省略了离子成分的角移位)行进通过检测器开孔10020。低通离子能量过滤器10052被构造成仅允许能量低于要检测的期望阈值能量的离子。例如，低通离子能量过滤器10052可包括检测器的电压偏置偏转器板10056和收集器板10058。具有低于由偏转器板10056上的电压偏置V_HE确定的阈值的能量的离子10060被偏转到收集板10058，从而检测到低能量离子电流I_LE。偏转器板10056可以垂直于(未示出)离子的所发射部分的检测到的离子成分的束10030的路径；或者，如图10所示，收集器板10058可以相对于束10030的路径成一定角度，其中收集器板10058偏离经移位的离子成分的束10030的轴线(即，包括收集器板10058的至少一部分，其被定位成收集经偏转的离子10060)。离子电流测量电路(例如可以包括低能量离子电流测量电路10016a和高能量离子电流测量电路10016b(例如可以分别是电流计))被电连接成测量来自低能量离子的离子电流I_LE和来自高能量离子的离子电流I_HE。

图11A是倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，并且图11B是根据本发明的实施方式的磁体组件和电极组件的示意性截面侧视图(通过穿过阳极的中心的垂直线)，每个图例示了可以使用的示例尺寸。应当理解，在根据本发明的实施方式中可以使用各种不同的可能的尺寸。例如，另一示例实施方式的尺寸在下面关于图59和图60示出。图11A和图11B的实施方式可用于例如从残留气体中分离氦；而图59和图60的实施方式可用于例如将多种成分彼此分离，包括氢、氦、水以及一种或更多种不同的残留气体。在图11A的示例中，阳极电极11002可以具有例如约0.25英寸到约0.5英寸之间的直径(外径)，例如约0.4英寸；以及例如约0.5英寸的高度。阴极电极组件11004可以例如具有约0.85英寸到约1.5英寸之间的内径，例如约0.89英寸；以及基于阴极电极的厚度的相应外径(例如对于约0.89英寸内径，约1英寸的外径)；以及约1英寸的高度。源开孔11010可以例如具有介于约0.005英寸到约0.02英寸之间的宽度，例如约0.007英寸。检测器开孔11020可以例如具有在约0.01英寸到约0.03英寸之间的宽度，例如约0.025英寸的宽度。源开孔11010可以例如定位在距检测器11012约1英寸至约2英寸之间的飞行路径距离11064，例如约1.6英寸。阳极电极11002与阴极电极组件11004之间的间隙可以例如大于约0.25英寸。可以使用不同的尺寸。例如，较高分辨率的装置可以具有增长的装置长度，具有增大了的飞行路径距离

在图11A的实施方式中，通过向检测器的开孔11020施加偏置电压V_HE实现了高通能量过滤器11054，从而检测到高能量离子电流I_HE。高通离子能量过滤器11054被构造成仅允许具有高于期望阈值能量的能量的离子被检测到。例如，高通离子能量过滤器11054可包括将偏置电压V_HE施加到检测器的开孔的电压源，从而检测到高能量离子电流I_HE。将理解的是，低通离子能量过滤器10052(参见图10)可以单独使用，高通离子能量过滤器11054(参见图11A)也可以单独使用，或者两者可以一起使用。在实施方式中，在高通离子能量过滤器和低通离子能量过滤器之间进行选择时，可以通过冷阴极磁控管放电中离子能量的分布来驱动选择。已经发现能量分布从对于小直径的阳极而言向高能量离子(靠近阳极生成)到对于大直径的阳极而言向低能量离子(靠近阴极形成)而改变。可以针对每种源设计执行能量分布的测量，然后可以将结果用于在低通离子能量过滤与高通离子能量过滤之间进行选择，以及选择要用于所选过滤模式的适当能量阈值。

参照图11B的实施方式，磁体组件11006可以例如以在磁场中心处约600高斯至约1500高斯之间的磁场强度例如约950高斯的场强度施加磁场。磁体组件11006可以例如包括两个平板磁体11006a和11006b，其尺寸例如是直径约2英寸，厚度约0.25英寸，间隔约2英寸，并且包括约0.25英寸的中心孔。虽然图11B中未示出，但是阳极电极和阴极电极组件可以由例如延伸穿过磁体组件11006中的孔的电极来支撑。

为了提供改善的离子成分的分辨率，根据本发明的实施方式可以例如使用等于离子成分束在检测器开孔处的空间分布的半高宽的检测器开孔宽度。另外，源开孔的尺寸可被设置为具有小于待解析的离子成分在源开孔和检测器之间的距离上的角展开的角展开。

图12是根据本发明的实施方式的测量总阳极电流和检测到的离子电流的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性电气图。阴极电极组件12004处于地电势，保护环120066也处于地电势。阳极电极12002被偏置在阳极电压V_anode。离子电流测量电路12170包括第一离子电流测量电路12014，第一离子电流测量电路12014被电连接成测量在阳极电极12002与阴极电极组件12004之间流动的总电流I_total。例如，在图12中，第一离子电流测量电路12014可以是被连接以测量流过阳极电极12002的总电流的电流计，该总电流等于在阳极电极12002与阴极电极组件12004之间流动的总电流。另选地，可以连接电流计以测量从阴极电极组件12004流向地的总电流，这同样将测量到等于在阳极电极12002与阴极电极组件12004之间流动的总电流的电流。如以下所讨论的，该总电流为I_total用于确定所监测腔室中气体的总压力。离子电流测量电路12170包括第二离子电流测量电路12016，该第二离子电流测量电路12016被电连接成测量由在检测器12012处接收到经移位的离子成分12030而产生的电流I_signal。例如，第二离子电流测量电路12016可以是被连接成测量由检测器12012接收到经移位的离子成分12030而产生的电流I_signal的电流计。如以下所讨论的，来自检测器12012的电流I_signal用于确定气体在所监测的腔室中的部分压力，例如氦、氢、水或氮的部分压力。如本文所使用的，应当理解，“离子电流测量电路”可以使用单独的第一离子电流测量电路和第二离子电流测量电路来实现，诸如分别用作第一离子电流测量电路和第二离子电流测量电路的第一电流计和第二电流计；或者使用执行第一离子电流测量电路和第二离子电流测量电路的功能的单个离子电流测量电路来实现；或者使用一个或更多个不同离子电流测量电路的组件的任意组合来实现以共同执行第一离子电流测量电路和第二离子电流测量电路的功能，或离子电流测量电路的功能。例如，可以将两个电流I_total和I_signal馈入单个离子电流测量电路，该离子电流测量电路可以同时或在不同时间提供对两个电流的测量，从而执行离子电流测量电路的作用。在一个示例中，可以使用复用器来将不同的离子电流信号馈入公共电流测量通道，其中复用器对离子电流信号进行排序，并为每个离子电流信号提供特定的索引。在下文进一步讨论的另一示例中，参照图30，离子电流测量电路12170可以例如包括：针对总离子电流的电流-电压转换器，在阳极处的I2V I_T(Anode)30120a或在阴极处的I2V I_T(cathode)30120b(见图30)；用于部分压力电流的电流-电压转换器30122，I2V I_PP；以及模数转换器和复用器30124。复用器30124(见图30)可以例如被电连接成接收来自在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流的第一离子电流信号I_T，以及来自检测器接收到经移位的离子成分而产生的电流的第二离子电流信号I_PP。应当理解，离子电流测量电路12170的其他结构可以被电连接成测量在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流，并且被电连接成测量由在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流。

图13A是例示在根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中从电子放电等离子体产生离子的示意图。在此，在存在交叉磁场的情况下，当将阳极电极13002偏执到电压+HV时，产生纯电子等离子体13068,从而循环电子e^-13070与气体分子M 13072碰撞，得到从气体的电离中产生一定量的气体离子M⁺13074。由于在阳极电极13002yu阴极电极组件13004之间创建的电场，气体离子13004又在朝向阴极电极组件13004的方向上径向地加速。在图13A中，注意，示出了圆筒形磁体组件13006，但是应当理解，当使用磁体的其他结构时，例如在阴极电极组件13004的顶部和底部定位的一对平板磁体(诸如以上的图11B)，类似的考虑也适用。

在图13A的实施方式的操作中，由于离子比纯电子等离子体中的电子重得多，所以不能防止离子在磁场的作用下接近阴极，而由于磁场的作用而使电子在进动时不能到达阳极。重得多的离子仅经历横向移位，这不会阻止它们在形成后立即以及在跟随电场之后到达阴极。电子等离子体13068是与压力无关的，并且从气体分子产生离子的且离子形成速率与气体密度成比例。因为纯电子等离子体13068中的电子密度几乎完全不依赖于压力，因此可以得出结论，离子形成的速率与气体部分压力严格相关，或更准确地说，与电离区域中的气体密度严格相关。

图13B是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中的圆筒形磁体组件13006的示意图。在此，在圆筒形磁体组件130006中形成侧狭缝13010或源开孔13010的其他形状，这使得能够从源开孔13010发射离子带13076，其形状最初将依赖于源开孔13010的形状。

图14是根据本发明的实施方式的使用扁圆筒环磁体14006a和14006b的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。这里，扁圆筒磁体14006a和14006b仅定位在阴极电极组件14004的一部分上，虽然在其他实施方式中，磁体也可以完整地定位在阴极电极组件14004的上方和下方，如图11B所示。由于在阳极电极14002和阴极电极组件14004之间创建的电场，气体离子14074在朝向阴极电极组件14004的方向上被加速，并且气体离子的一部分通过源开孔14010离开，并且最终到达源检测器14012。可以使用圆形源开孔14010(在此例如直径为0.078英寸，虽然可以使用其他尺寸)，或者可以使用其他形状的源开孔14010。可以例如包括离子电流测量电路14016(例如电流计)的离子电流测量电路被电连接成测量由在检测器14012处接收到气体离子14074而产生的电流I_signal。

在根据本发明的实施方式中，磁体组件(诸如图1的磁体组件1006)可以是对称的，例如，通过包括径向对称的磁体组件。如下面进一步讨论的，这可以例如帮助减少或避免不连续。如本文所用，当磁体组件绕轴线旋转任何量时，如果磁体组件的外观不变，则磁体组件是“径向对称的”，该轴线例如垂直于阳极电极与阴极电极组件之间的电场线对准。例如，可以使用圆筒形磁体组件，一对径向对称的圆筒形设计的平板磁体或其他径向对称的形状，其磁场线以及径向对称的轴线以交叉场结构与电场对准。

图15是例示确定可用在根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离中的源开孔的截面积与阴极电极组件的暴露于气体离子的一部分的表面积之比的示意图。在图15中示出了该比是基于使用圆形源开孔15010的半径简单而估计的其面积，以及阴极电极组件15004的圆筒的部分15078的展开表面来确定的，该展开表面的面积是基于其直径和该部分的高度来确定的。将理解的是，该比率的确定将基于源开孔15010的形状和阴极电极组件15004的暴露于气体离子的该部分15078的形状而变化。

根据本发明的实施方式，在图15中确定的比可以用于执行各种测量，并且基于这些测量以自动方式进行后续确定。具体地，对于离开源开孔15010的离子的电流I_signal，以及在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流I_total，证明比I_signal/I_total是常数，不随着阳极电压的压力而变化，并且其等于图15中确定的比。也就是说，I_signal/I_total等于源开孔的截面积与阴极电极组件的暴露于气体离子的该部分的表面积的比。这是因为比I_signal/I_total完全由倒磁控管离子源设计的几何因素决定，即，在放电空间中创建的，离开离子源开孔的离子的比例将完全依赖于源开孔的面积与暴露于总离子通量的面积的比。因此，在图15中确定的几何比可以用于知道比I_signal/I_total，该比在执行各种测量以及基于那些测量以自动方式进行的随后确定中是有用的。作为一个示例，该比与阳极电压和压力无关，并且是由几何定义的事实表明，如果测量到总阳极(或阴极)电流，则可以准确地知道离子束中的离子电流的量。另外，例如，使用该比可以执行质量分离器吞吐量和检测器效率的校准。

图16是根据本发明的实施方式的使用源开孔栅16080的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。此处，示出了磁场B 16082和电场E 16084的交叉场结构。由气体分子与纯电子等离子体16068碰撞产生的离子16074朝着源开孔16010加速。源开孔栅16080(例如可以是接地的栅)可以覆盖源开孔16010并且用于提供较圆柱形地均匀的电场。

图17是根据本发明的实施方式的使用通量控制电路17086的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图。通量控制检测器17088被定位成收集离子17030的所发射部分的一部分。通量反馈电路17090构造成基于从通量控制检测器17088接收到的电流(诸如由电流计17094测量到的电流I_s)调节高电压电源17092，该高电压电源17092被电连接成向阳极电极供电。这样，可以将源发射的离子的通量控制到期望程度。例如，在将基于上述真空计的源的原理的倒磁控管冷阴极电离源用作用于磁扇区(见图18)、残留气体分析器(RGA)的源的情况下或在涉及离子源的其他设置中，通量控制电路17086可以有用。

图18是根据本发明的实施方式的与磁扇区18096一起使用的倒磁控管冷阴极电离源的示意图。在此，基于上述真空计的源的原理，使用冷阴极电离源18098生成被引导到磁扇区18096的离子。离子可以被减速或会聚并被引导通过一个或更多个能量开孔18100。检测器18012，例如法拉第杯或其他检测器，可以被定位在磁扇区18096的与冷阴极电离源18098的源开孔18010相反的另一侧。电流可以由静电计或电荷放大器18102测量。在磁扇区18096内，基于离子的质荷比，将离子分离成成分流18038，例如氢离子成分流、氦离子成分流和水离子成分流。

图19是根据本发明的实施方式的与四极质量过滤器一起使用的倒磁控管冷阴极电离源的示意图。以类似于图18的实施方式的方式，基于上述真空计的源的原理，使用冷阴极电离源19098生成被引导到四极质量过滤器19104中的离子。四极质量过滤器对于进入过滤器组件的离子的方向和速度扩散不严格。由根据本发明的实施方式的磁体组件造成的离子的小的横向移位不足以减小通过四极过滤器的离子通过量。离子可被减速或会聚并被引导通过一个或更多个能量开孔19100。检测器19012(诸如法拉第杯或其他检测器)可以被定位在四极质量过滤器19104的与冷阴极电离源19098的离子源开孔19010相反的另一侧。

在根据本发明的其他实施方式中，冷阴极电离源19098的源开孔19010可以例如被定位成将气体离子发射到飞行时间质谱仪、离子阱或射频动态离子阱(代替图19的四极质量过滤器19104)，或用作针对其他目的的离子源。冷阴极电离源19098可与或者不与离子电流测量电路一起使用，离子电流测量电路测量部分压力或总压力中的一者或两者。但是，添加冷阴极电离源19098确实带来了报告总压力的有用功能，这对诸如磁扇区、四极质量过滤器和其他装置之类的装置可以是有用的添加。例如，将这种冷源与四极质谱仪一起使用可以提供以下优点：如果已知总电流，则可以知道被喷射的离子通量。换句话说，测量总压力电流可以提供进入四极质谱仪的离子通量的量度，从而可以检查装置灵敏度或质谱仪通量的漂移。例如，这可以消除对带有磁扇区质谱仪的单独且独立的总压力计的使用的需求。如果使用冷阴极电离源18098或19098将离子发射到磁扇区、四极质量过滤器、飞行时间质谱仪、离子阱、射频动态离子阱或作为针对其他目的的离子源，可以不需要磁体组件在角度上移位所发射的离子，并且可以潜在地使用比真空计中小的磁体。这样的装置的焦点可以集中在每托压力产生的离子灵敏度上，而离子的分离是通过其他方式进行的，例如在磁扇区或其他装置本身中。

图20A是根据本发明的实施方式的具有径向定向的细长源开孔的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性侧视图，图20B是其投影图。此处，离子通过沿径向方向伸长的源开孔20010发射，源开孔20010例如在磁体组件20006a和20006b的两个圆筒部分之间，可以通过非磁性隔片将其分开。可以使用源开孔20010的其他构造。例如，源开孔可以是孔，或在垂直于磁场方向的方向上或平行于磁场方向的方向上延伸的细长狭缝；可以使用轴向伸长或径向伸长的带状离子束。

图21是根据本发明的实施方式的具有离子束偏转器21106的倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图。这里，离子束偏转器21106，诸如平行板对21106a和21106b，定位在源开孔21010与检测器开孔21020之间。如下文将进一步描述的，这种离子束偏转器21106可用于使离子束21030偏转，并执行能量会聚，例如以允许改善针对离子束21030中离子成分的信号。

图22A是倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，以组合图的形式例示了离子成分的分离，并且图22B是根据本发明的实施方式的按照成分分离的离子成分的示意性顶视图。在此，经移位的离子成分22038基于其质荷比而分离成不同的离子流，随着离子流远离源开孔22010，它们彼此之间的发散越来越大。例如，经移位的离子成分22038a由氢离子构成，经移位的离子成分22038b由氦离子构成，而经移位的离子成分22038c由氮离子构成。确定检测器22012的位置，并且确定源开孔22010的角度，从而检测到期望的经移位的离子成分22038b(在此为氦)。在图22A的组合图以及图22B的单独图中，可以看到基于氢22038a、氦22038b和氮22038c的相对质荷比进行成分22038a-c的分离，其中，基于这些成分的质荷比，氢22038a从源开孔22010的方向在角度上被最大移位，然后是氦22038b，然后是氮22038c。

图23A是倒磁控管冷阴极电离真空计的示意性顶视图，并且图23B是根据本发明的实施方式的电极组件和磁体组件的示意性侧视图，示出了在阴极电极组件外部延伸的外部磁场。此处，磁场边界23108用于指示阴极电极组件23004外部的连续强磁场。例如，可以通过使用比阴极电极组件23004大的磁体组件23006直径来创建该磁场(例如，在图23A和图23B中为2英寸对1英寸)，从而该磁场以一定的强度延伸达阴极电极组件23004外部一定距离，以在阴极电极组件23004外部创建外部磁场。用于促进离子成分流的角度分离，以允许分离离子成分。磁体组件23006可包括平板磁体，该平板磁体被定位成限定与电场交叉的磁场和在阴极电极组件23004外部的外部磁场。其他磁结构可用于产生外部磁场，包括通过使用铁磁部件以扩展磁体组件23006的磁场。例如，对于圆筒形磁体组件，在圆筒形磁体外部的边缘场可以将磁场在圆筒形阴极组件外部扩展。在一些版本中，磁体组件可以包括一个组件以限定与电场交叉的磁场和在阴极电极组件外部的外部磁场两者。另选地，磁性组件的单独的组件或诸如铁磁延伸部或附加磁体这样的附加组件可以用于增强、扩展或调谐阴极电极组件外部的外部磁场。

图24是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦的总压力响应的图。放电空间内氦的总压力(以托为单位)在横轴示出，而总测量离子电流(以微安为单位)在纵轴上示出。图24的曲线具有没有压力不连续性的理想特性，从而基于测得的电流可以获得唯一的压力读数。根据本发明的实施方式，由离子电流测量电路测量的、在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流可以例如包括来自所监测腔室的气体的总压力的每托大于1安培(A/Torr)的电流。测得的来自所监测腔室的气体的总压力可以例如包括在10^-9托到10^-2托之间的压力，诸如在10^-8托到10^-3托之间的总压力。由离子电流测量电路测量的部分压力例如可以在10^-8托到2乘以10^-5托之间。由离子电流测量电路测量的电流可以例如包括大于来自所监测腔室的气体的气体成分的部分压力的每托10^-4安培/托(A/Torr)的电流。由离子电流测量电路测量的电流可以例如包括大于来自所监测腔室的气体的氦气成分的部分压力的每托2.5乘以10^-4安培(A/Torr)的电流。来自所监测腔室的气体可以例如包括大于10^-4托的总氦压力。在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流可以例如小于约200微安，诸如小于约175微安。

图25是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦气的总压力灵敏度相对于阳极直径的图。在纵轴上示出了针对纯氦气的总压力灵敏度，单位为安培每托，并且在横轴上示出了以英寸为单位的阳极直径。阳极直径的增加(此处示出为阳极直径在大于0.1英寸到超过0.5英寸之间)趋于增加对氦气的总压力敏感性。但是，太大的阳极会导致总压力响应不连续。根据本发明的实施方式，希望对氦气的总压力灵敏度至少为每托1安培。

图26是根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对氦的部分压力灵敏度相对于阳极尺寸的图。在纵轴上示出了氦部分压力灵敏度，单位为安培每托，并且在横轴上以英寸为单位示出了阳极尺寸。阳极直径的增加(此处示出为阳极直径在大于0.1英寸到超过0.5英寸之间)趋于增加对氦的部分压力敏感性。

图27是示出归一化电流(以对数标度)相对于基准压力的示例的图，其是可以用作根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计的校准曲线的一种曲线类型。总压力确定电路30142(见图30)可以被构造成基于特定校准曲线或标称校准曲线来确定来自所监测腔室的气体的总压力，该特定校准曲线或标称校准曲线将来自所监测腔室的气体的总压力与由离子电流测量电路测量的总电流关联。在此，“特定校准曲线”是特定于单个真空计的将压力与电流关联的校准曲线，而“标称校准曲线”是在一组或某种类型的真空计上概括的将压力与电流关联的校准曲线。

图28是示出由根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计对残留气体离子成分(包括水)、氦离子成分和氢离子成分的角分辨率的曲线图。在横轴上示出了源开孔相对于进气通道的中轴线的角度(以度为单位)，在纵轴上以纳安为单位示出了检测到的部分压力电流。对于图28的频谱，使用了以源中心磁体，其依赖于在磁体直径外部的边缘磁场。可以看到残留气体峰28110(包括水和氮)、氦峰28112和氢峰28114之间的分辨率。基于检测器的位置或超过一个检测器的位置，这些峰中的一个或更多个峰可以被检测到，以测量这些气体成分中的一种或更多种的部分压力。

图29是例示根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计中的阳极电压和电流限制电阻器的示意性电气图。电流限制电路(诸如电流限制电阻器29114)用于限制流经阳极电极29002的总压力电流I_T。例如，可以使用7.5MΩ电阻器或其他阻值R_L。施加高电压电源电压V_PS，并在阳极获得电压V_a。阳极电压控制电路29164可以被构造成与在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流无关地保持阳极电极的恒定电压。例如，可以由阳极电压控制电路29164基于电源电压减去限制电阻器上的电压降，即基于关系V_A＝V_PS–R_L(I_T)，来设置施加至阳极的阳极电压V_A，其中V_PS是高电压阳极电源电压，R_L是电流限制电阻器的电阻值，并且I_T是总压力电流(例如通过阳极)。在没有电流限制电阻器的情况下，针对超过10^-4托的压力的总离子电流可能很大，以至于可能在相对较短的时间内损坏传感器。因此，根据本发明的实施方式，将通过阳极电极的电流限制为例如小于约200微安，例如小于约175微安的电流，可以延长寿命。

图30是与根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计一起使用的控制单元的示意性电气图。总电流I_T，即从阳极到阴极的总离子电流，与来自所监测腔室的气体的总压力成比例，并且可以例如通过使用查找表来确定总压力。总电流I_T的范围可以例如在约10nA至250μA之间。总电流I_T可以例如由针对总离子电流的电流-电压转换器测量，在阳极处的I2V I_T(阳极)30120a，或在阴极处的I2V I_T(阴极)30120b。部分压力电流I_PP是来自检测器30012(诸如法拉第杯收集器)的部分压力电流，其与来自所监测腔室的气体的部分压力成比例，并且可以例如使用该线性关系或使用查找表来确定。部分压力电流I_PP可以例如在约10pA到约100nA之间的范围内。具有电阻值R_L(诸如7.5MΩ电阻器或其他值)的总电流限制电阻器30114用于限制通过阳极电极30002的电流。电压V_PS是阳极高电压电源30116的电压，并且可以例如在0V至约2500V之间，具有约250微安的最大电流。在工作中，电压V_PS可以例如被构造成以约500V至约2000V之间的电压对阳极电极进行偏置。电压V_Slit由检测器偏置电源30118施加，并且可以例如在0V至约1000V之间，具有为10微安的电流。维持低于约2500V的阳极电压可以例如简化空气-真空电气馈通的设计和材料选择。典型的阳极电压可以是例如约1600V。当使用高通离子能量过滤器(诸如图11中的11054)时，检测器偏置电压(诸如用于检测器偏置电源30118的电压V_Slit)可以相对于阳极电压进行设置。例如，当阳极电压为约1600V时，可以使用约600V的检测器开孔电压V_Slit来对检测器进行偏置，并且例如对于V_Slit和阳极电压的其他值，可以使用600对1600的类似比例来缩放V_Slit与阳极电压的比。例如使用阳极电压控制电路29164(见图29)，可以基于关系V_A＝V_PS–R_L(I_T)来设置施加到阳极电极30002的阳极电压V_A，其中V_PS、R_L和I_T如上。针对总离子电流的电流-电压转换器30120a，I2V I_T(阳极)，例如，可以承载约10nA至约250μA的电流。针对部分压力电流的电流-电压转换器30122I2V I_PP可以例如承载约1pA至约100mA的电流。模数转换器和复用器A2D+MPLX 30124模拟信号转换为数字信号并对其进行复用，包括V_PS、V_Slit、V_A、I_T和I_PP。诸如扬声器之类的音频输出装置30126可以例如具有与来自所监测腔室的部分压力或氦气泄漏率成比例的拍频。人输入/输出接口30128可以例如包括：按钮HV开关30130，其接通到阳极和检测器开孔的高电压(例如，默认是压力测量和总压力)；按钮TP/LDQ 30132，用于设置阳极电压以使束在检测器开孔上居中；按钮LD零30134，其将部分压力测量信号归零，以消除基线偏移信号。输入/输出部件30136可以例如包括计算机接口，诸如到计算机显示器和控制器程序的接口。处理板30138可以包含与输入/输出接口30128、显示器30140、音频输出30126、阳极电压电源30116、模数转换器和复用器30124、检测器偏置电源30118，针对总离子电流的电流-电压转换器30120a和用于部分压力电流的电流-电压转换器30122通信并对其进行控制的处理器。

图31A和图31B是根据本发明的实施方式的显示器31140和处理板31138的示意性框图。在图31A中，该显示器包括总压力显示器31150，该总压力显示器31150指示来自所监测腔室的气体的总压力；部分压力显示器31152，该部分压力显示器31152提供来自所监测腔室的气体的部分压力的指示，该部分压力可以例如是氦部分压力。显示器31150和31152间接地与离子电流测量电路电连接，例如经由图30中的电路。显示器31140还可以包括水部分压力显示器31154，以显示来自所监测腔室的气体中水的部分压力；并且可以包括水百分比显示器31156，以提供对所监测腔室中的气体的水百分比的指示。应当理解，可以显示其他成分部分压力，诸如残留气体部分压力。显示器31140还可以包括残留气体与水之比显示器31158，其提供来自所监测腔室的水的部分压力与腔室中所有残留气体的部分压力之和之比的指示。此外，显示器31140可以包括双信号泄漏检测显示器31170，其基于由双信号泄漏检测电路31166做出的确定来提供泄漏的指示，如下面进一步描述的。这些显示器同样间接地与离子电流测量电路电连接，例如经由图30中的电路。

在图31B中，处理板31138包括总压力确定电路31142，该总压力确定电路31142被构造成至少基于由第一电流测量元件测量的总电流来确定来自所监测腔室的气体的总压力。例如，电路31142可以包括查找表31144，该查找表31144实现将测量的电流与总压力关联的校准曲线。处理板31138还包括部分压力确定电路31146，该部分压力确定电路31146至少基于第二电流测量元件所测量的电流来确定来自所监测腔室的气体的部分压力。例如，电路31146可以包括查找表31148，该查找表31148实现将测量的电流与部分压力关联的校准曲线。水百分比确定电路31160可以被构造成至少基于以下项来确定水百分比：(i)由离子电流测量电路测量的总电流，(ii)由离子电流测量电路测量的部分压力电流，和(iii)源开孔的截面积与阴极电极组件的暴露于气体离子的部分的表面积之比(如关于图15所例示)。残留气体与水之比确定电路31162可以被构造成至少基于由离子电流测量电路测量的部分压力电流来确定水的部分压力与残留气体的部分压力之比。水部分压力测量回路31164可以以与部分压力回路31146类似的方式实现，例如包括其自身的LUT。双信号泄漏检测电路31166可以被构造成确定同时发生以下两种情况：(i)由离子电流测量电路测量的、在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流的减少，和(ii)由离子电流测量电路测量的、由于在检测器处接收到经移位的离子成分而产生的电流增加。为了这样做，双泄漏检测电路31166可以例如包括LUT 31168，以存储指示这种压力随时间减小和增大的数据，或者基于其组合得到的结果。

图32是根据本发明的实施方式的总压力电流和部分压力电流的曲线图，其例示了双信号泄漏检测电路31166(图31B)的使用。双信号泄漏检测电路31166(图31B)可以例如使用基于总压力降低的电流和基于部分压力增加的电流两者，同时在具有泄漏的真空系统周围喷氦来检测泄漏。根据本发明的实施方式从通常的真空系统泄漏获得总压力和部分压力中的互补信号。例如，当在泄漏点附近喷氦时，存在总压力降低和部分压力增加两者。这种双重响应在泄漏检测上提供了较高的置信度，并有助于用户忽略可能不是实际泄漏引起的其他信号瞬变来源。市场上大多数电离计在显示中都没有泄漏检测过程中监测总压力变化所需的分辨率。大多数这种市售的总压力传感器具有一个小数点的压力分辨率，这不足以仅通过仅观察总压力显示来提供小泄漏的检测。即，总压力计在显示中没有足够的分辨率来检测大的总压力值之间的通常小的差异，在诸如氦之类的气体被喷到小的泄漏点周围时发生该差异。

参照图32，例示了根据本发明的实施方式的双信号泄漏检测的构思。例如，当真空系统有对空气的泄漏时，空气通过该泄漏进入，并阻止系统达到其极限压力。真空系统的完整性受损，并且无法达到极限压力。当在泄漏周围喷氦时，全部或部分空气将被氦气代替。由于氦比空气轻(氮与氧的比为80％对20％，即N₂/O₂::80/20％)，因此氦的泄漏量比替换空气的泄漏量高了质量平方根的比，即2.7倍。但是，氦的电离效率也比空气低5.5倍。这意味着，当氦替代空气时，从电离表中读取的总压力下降了5.5/2.7倍，即下降了约两倍。因此，随着空气从泄漏处进入，气体被氦气完全或部分替代，并且预期总压力读数会下降。在另一方面，随着氦通过相同的泄漏处流入系统，氦部分压力信号随着源中可用氦的增加而增加。总压力降低和部分压力增加的这种组合可以用来明确地或以增加的置信度来指示系统中存在泄漏。图32示出了曲线图，其示意性地例示了随着在泄漏喷氦，总压力(顶部迹线)减小而部分压力(底部迹线)增大。

根据本发明的实施方式，双信号泄漏检测电路31166(见图31B)和诸如LUT31168之类的协作存储器，或者本文教导的超过一个其他处理器或电路组合地用于使用在处理器中编码的指令来实现双信号检测过程。这样的过程可以例如包括当总压力信号和部分压力信号均支持泄漏的存在时确认泄漏检测。这两个信号也可以组合在一起，总压力降低和部分压力增加提供较大的泄漏检测信号，并具有改善了的信噪比。在一个示例中，当用户准备好执行泄漏检查时，总压力和部分压力数据测量值将归零。在将氦喷在泄漏处之后，使用一个通道(总压力或部分压力)或两者组合来检测泄漏。当将两者组合时，差异信号幅度例如可以相加，并相乘。处理器可以针对符号和幅度分析其推导(即，将漂移与实际泄漏分开)。在另一示例中，可以对信号进行互相关，并且由处理器对互相关信号进行分析。由于这两个信号在时间上是相同的，但符号相反，因此在发生泄漏时它们将很好地相关，而任何噪声都不会通过相关测试。

接下来提供根据本发明的实施方式的推导，其展示了对于具有空气泄漏的真空系统，用较轻的氦气在进气点处代替空气造成了腔室内的总压力增加，但由于氦相对于氮/氧的电离效率降低，电离报告的压力下降。还示出了，在总压力下降与部分压力增加之间存在固定比。该推导估计出氦的部分压力增加与电离计指示压力的相应下降之间有3.3倍比率。这是用于已针对氮气进行校准(与氧气相同的校准)以及针对氦气进行了校准的部分压力的电离计。根据该推导得出的结论是，在用纯氦气泄漏代替了空气泄漏的系统中，总压下降与部分压力增加之间存在可预测的关系。

参照图47和图48进行根据本发明的实施方式的推导。

图47示出了具有空气泄露的真空系统。S是抽升速度，单位为升/秒。Qo_utgas是从腔室的壁中的分子放气速率，单位为托升/秒。Q_Air是通过泄漏点进入腔室的空气分子流量，单位为托升/秒。

腔室中的总压力等于：

图48示出了具有氦泄漏(相同泄漏)的真空系统。这里，腔室内的总压力等于：

在Qo_utgas和S保持不变的情况下，

对于空气和氦气的质量，分别为30和4amu的M_air和M_He获得：

QHe＝2.7*QAir (4)

和：

压力变化(实际总压力)由下式得出：

结论是，随着空气被氦气替代，腔室内的压力会随着氦气通过泄漏较快扩散而增加。氦气给腔室提供了附加的压力，其由下式给出：

接下来，确定测得的总压力(电离计)。电离计测量和报告的压力由实际气体压力与气体的电离效率(IEG)的乘积确定，相对于等于1的氮气。这里，IEG空气等于1，IEG He等于0.18。执行“间接”压力测量。

对于空气(假设水是排气成分)测得的总压力如下。

Pm，Air＝IEG，H2O*PH2O+IEG，Air*Pair (8)

对于氦气，假定排气水平不变：

由此可以得出：

并且假定IEG He为0.18，IEG空气为1，则得出以下结论：

因此，显示的压力的降低由下式给出：

由此得出的结论是，即使当氦气替代空气时腔室内的总压力增加，电离计所报告的测得压力也会因上述算式(15)给出的表达式而下降。

接下来，我们评估测得的部分压力。部分压力的增加是腔室内氦部分压力的直接报告：

结论是在泄漏处用氦气替代空气会造成总压力下降而部分压力上升：

从而：

每当系统中存在泄漏并且用氦气替代空气时，都必须满足算式(20)的条件。

因此，推导的一般结论是，我们预期测得的总压力下降与氦气部分压力增加之间存在数学相关。

实际上，根据本发明的实施方式，可以遵循以下过程。如果用户准备好测量氦泄漏，则该用户可以例如接入真空计的用户接口(例如按钮或键)，这实现有两个处理：(i)将氦的部分压力信号归零；(ii)测量总压力。随着用户开始喷氦气，系统(诸如双信号泄漏检测电路)现在同时寻找部分压力信号的增加和总压力的降低。为了使泄漏成为真正的泄漏，预期两种变化之间应该有可预测的比。以上推导示出了标称的预期。例如，随着用户绕着系统检查泄漏，这可以是比较两个瞬变的最小启动步骤。在使用这种技术时，可以例如认为只有在总压力下降、部分压力增加并且两种变化的比符合针对该系统的要求时才是发生了泄漏。依赖于在测量时针对系统的总校准和部分校准的准确性，可以对给定真空计的比进行定期重新校准，并且，为了可工作地实现这样的实施方式，应在首次使用系统之前进行工厂校准。应当指出，确切的比可以依赖于总压力和部分压力的校准的程度而改变，但是预期在使用根据本发明的这样的实施方式时，在两个测量结果的下降与上升之间将具有固定的比。

实施方式的双信号泄漏检测技术可以例如具有区分不是真正泄漏但可以原样出现的情况的优点。例如，假设腔室通过阀与包含氦气的单独腔室连接。阀门打开并允许氦气进入，但随后关闭。与关闭阀之前和之后相比，总压力和部分压力均下降，但变化不是由于泄漏引起的。这种情况可以通过使用本文教导的双信号泄漏检测技术来进行区分。

根据本发明的实施方式，真空计可以被包括在模块化单元中，该模块化单元包括真空计本身以及图12、图30、图31A和图31B以及图64至图67的电子、控制和显示部件中的任一个或全部。例如，模块化单元可包括总压力显示器31150、部分压力显示器31152(见图31A)和离子电流测量电路12170(见图12)中的一个或更多个，以及图64至图67的电路。

图33是根据本发明的实施方式的包括检测器屏蔽件的倒磁控管冷阴极电离真空计的垂直截面图。还将参考图34的透明投影图、图35的透明纵截面图、图36的水平半截面图、图37的水平半截面图来讨论该实施方式(其中半截面图是通过阳极电连接截取的)。

在图33至图37所例示的实施方式中，首先参照图33，倒磁控管冷阴极电离真空计还包括围绕检测器33012的一段的检测器屏蔽件33170。检测器屏蔽件33170可以例如是围绕除了暴露于通过形成在检测器屏蔽件33170中的检测器开孔33020的离子的部分之外，检测器的将暴露于从阴极电极组件33004发出的离子的一段的整个表面的圆筒形检测器屏蔽件。检测器屏蔽件33170可以同轴地围绕检测器33012。检测器开孔33020可以具有例如约0.025英寸的宽度，虽然应当理解，可以使用各种尺寸。检测器开孔33020的宽度可以例如基于所要求的灵敏度和质量分辨率来确定。检测器屏蔽件电连接器33172可以在检测器屏蔽件33170与向检测器屏蔽件33170施加偏置电压的电压源(图33中未示出)之间电连接，从而检测器屏蔽件33170以与本文其他地方教导的类似的方式是高通离子能量过滤器。检测器屏蔽件旋转联接器33174可以被包括在检测器屏蔽件33170的与倒磁控管冷阴极电离真空计的机械连接中。例如，在图33中，检测器屏蔽件旋转联接器33174机械地联接至检测器屏蔽件电连接器33172。检测器旋转联接器33176可以被包括在检测器33012的与倒磁控管冷阴极电离真空计的机械连接中。例如，在图33中，检测器旋转联接器33176机械地联接至检测器33012的对离子电流测量电路的检测器电连接33178。源开孔33010可以例如包括约0.010英寸的宽度，但是应当理解，可以使用其他尺寸。一段由被检测器屏蔽件33170围绕的检测器33012可以包括法拉第收集器。在一个实施方式中，这样的法拉第收集器可以包括法拉第杯，例如通过包括一个或更多个侧屏蔽件以形成法拉第收集器检测器33012的“杯”形。对法拉第收集器检测器33012的具有这种侧屏蔽件和杯形例如可以帮助收集二次电子并去除检测信号中的非线性。这种法拉第收集器可以实现低泄漏电流，诸如在毫微安范围内，这允许测量低氦部分压力信号。另外，在磁体组件33006的对倒磁控管冷阴极电离真空计的机械连接中可以包括磁体旋转联接器33182。阳极电引脚33024电连接于阳极电极30002，并且阴极电引脚33026电连接于阴极电极组件33004。例如，导体(未示出)可以从馈通连接器33026的阴极电引脚引到阴极电极组件33004，并且导体(未示出)可以从馈通连接器33024的阳极电引脚引到阳极电连接器34184(见图34)。绝缘体33025，诸如氧化铝陶瓷或塑料(例如，PEEK)绝缘体，可以例如围绕阳极电引脚33024。对阴极馈通连接器33026、阳极馈通连接器33024以及对检测器屏蔽件电连接33172和检测器电连接33178的连接可以例如使用BNC连接器(卡口尼尔-康纳曼连接器，它们是用于同轴电缆的快速连接/断开连接器)，也可以使用直接插入固定到传感器并且由外部盒子包围的印刷电路板上的连接器中的连接器引脚。在另一示例中，为了连接到阴极馈通连接器33026，可以使用SMB(超微型版本B)连接器。检测器屏蔽件电连接33172可以例如使用中等功率高电压连接器(或“MHV”连接器)进行，例如MDC Vacuum Products,LLC of Hayward,California,U.S.A销售的那些。可以使用例如1400V的阳极电压，以及例如450V的检测器屏蔽件偏置电压，从而检测器屏蔽件提供了高能量过滤。法拉第收集器(或其他检测器)可以例如通过其静电计连接而保持在地电势。

在图34的透明投影图中，并且在图35的垂直透明界面中的以相同的附图标记表示的部件35182、35174和35176中，示出了磁体旋转联接器34182、检测器屏蔽件旋转联接器34174和检测器旋转联接器34176。如图34所示，这些旋转联接器34182、34174和34176可以例如使用狭缝34186来形成，螺钉34188穿过狭缝34186延伸，并且螺钉34188在狭缝34186中旋转以使联接至旋转联接器的各个部件旋转。在板旋转时，可以使用O形圈密封件来保持真空。图38是图33至图37的顶视图，并且图39是其仰视图，进一步例示了检测器屏蔽件的旋转联接器38174、39174。使部件旋转的能力允许例如通过使部件相对于彼此旋转来对检测器开孔和检测器进行定相。磁体旋转联接器34182可以使用例如高达20度诸如16度的旋转，以允许离子成分的偏转角。在本发明的实施方式中，对于1250高斯的中心场，测量到11度的氦偏转。虽然本文中教导了旋转联接器，但是另选实施方式可以将此处示出的具有旋转联接器的部件中的一个或更多个部件保持为不具有旋转联接器的固定位置部件。

阳极电连接器36184在图36的水平半截面图以及图37的水平半截面图中进一步例示，其中半截面是通过阳极电连接器37184截取的。阳极电连接器37184可以例如包括高电压连接器引脚37184a(例如由

制造，

为Delaware,U.S.A.的CRS Holdings，Inc.的商标)，其直接电连接(例如，通过导体，未示出)到阳极电极33002(见图33)。高电压连接器引脚37184a例如被空气间隙37184b围绕，该空气间隙又被诸如氧化铝绝缘体或陶瓷绝缘体的绝缘体37184c围绕。封壳37184d，诸如SS304封壳，围绕阳极电连接器37184的外部，并且可以例如被TIG焊接到从真空计延伸的块。合适的阳极电连接器37184的示例是中功率高电压连接器(或“MHV”连接器)，例如由Hayward,California,U.S.A的MDC VacuumProducts,LLC销售的那些。

虽然这里讨论了各种形式的电连接，但是将理解的是，可以使用除了所例示的那些以外的其他形式。例如，阳极连接和阴极连接可以在真空计的同一侧进行，而不是彼此相对。在另一示例中，为了生产，信号电子板可以在真空计的一侧，高电压电子板可以在真空计的另一侧。

参照图45，该图是示出根据本发明的实施方式的真空计的部件的示例尺寸的垂直截面图。这些尺寸包括检测器开孔45020的高度45190(在此，例如，约0.490英寸)和源开孔45010的高度45192(在此，例如约0.820英寸)。然而，将理解的是可以使用其他尺寸。例如，除非真空计内有暴露的电介质表面，否则通常将使用比源开孔45010的长度大的检测器开孔45020的长度，因为离子成分束在离开源时发散。例如，在图60的实施方式中(下面)，源开孔的长度可以是约0.350英寸，而检测器开孔的长度可以是约0.400英寸。

图46是示出根据本发明的实施方式的磁场扩展组件46194的垂直截面图，该磁场扩展组件46194被定位成沿从源开孔46020向检测器46010纵向延伸的方向(由箭头46196指示)扩展磁场。在该实施方式中，磁场扩展组件46194可以例如提供朝着检测器46010行进的离子成分的附加分离，例如以提供分辨诸如氦气和残留气体的一种或更多种离子成分的附加能力。在该示例中，磁场扩展组件包括附接到磁体平台46197的永磁体46194。在一个实现方式中，永磁体46194是矩形磁体，N45级钕材料，其尺寸为长1.5英寸，宽0.75英寸，高度为0.125英寸至0.25英寸，虽然可以理解，可以使用各种不同的结构。

返回到图40和图41，这些图是示出使用根据本发明的实施方式的真空计将水与其他残留气体分离的曲线图。在这些图中，所有分子量高于水的残留气体都被包含在最大的峰中(虽然在图40中，对于该峰使用了简写标签“N2”，因为它是残留气体的主要成分)。在横轴上相对于进气通道的中轴线以度为单位表示了源开孔的角度，在纵轴上示出了以伏为单位的由线性皮安培计提供的检测到的部分压力电流。为了提供水的fujia分离，在实施方式中，可以增加总压力计中的磁场，或增加磁场扩展以帮助分离水，或进行两者。相对于图46描述了这种磁场扩展的示例。如果磁场增加太多，则可能导致不期望的不连续，因此图46的实施方式例如可以有助于帮助分离水。氦峰与其他峰的大量分离(在氦峰的每侧都有基线信号)允许氦信号的自动归零，这为自动氦感测和氦泄漏检测提供了优势。

对于图40的曲线图，磁体组件使用了直径为2英寸，厚度为0.375英寸，具有0.25英寸中心孔的两个磁体。冷阴极压力计的内部场为1250高斯。看到水离子成分(“H2O”)开始与其余的残留气体清晰地分离。阳极的电压为1200V，检测器的偏置电压为225V。

图41的曲线图示出了通过根据本发明的实施方式实现的水分辨谱的类似图。真空系统处于2x10^-6托的残留气体基本压力。加入了1x10^-5托的氦。阳极电压为1200V，检测器的偏置电压为225V。水开始与其他残留气体分离。氦与其余的残留气体中清晰地分辨。水左侧的峰是质量大于水的所有残留气体。

图42和图43是示出根据本发明的实施方式的真空计的总压力灵敏度的曲线图。在横轴上为以托为单位的压力，在纵轴上为以毫安为单位的电流。在图42中，示出了两条曲线，一条具有7.6兆欧姆的限制电阻器，而另一条没有限制电阻器。使用厚度为0.25英寸，直径为2英寸的磁体获得了950高斯的磁场。阳极电压为1400V，检测器偏置电压为470V。所获得的总压力灵敏度为3.5A/Torr。对于7.6兆欧姆限制电阻器，使用了130微安培最大电流。该图示出总压力灵敏度没有不连续。在图43中，使用了利用两英寸的直径，0.375英寸厚度的磁体得到的1450高斯的磁场。阳极电压为1400V，检测器偏置电压为470V。对于7.6兆欧姆的电流限制电阻器，使用了130微安培的最大电流为。虽然在8x10^-5托处存在不连续性，但总压力灵敏度为5.5安培/托。

在利用本发明的实施方式的实验中，已经获得了1x10^-10托标准偏差的部分压力电流噪声。假设每秒钟100升的泵，获得了1x10^-8托升/秒d泄漏检测极限。使用0.25英寸厚度的磁体进行的实验未在压力曲线中出现不连续，并且与标准冷阴极压力计的磁兼容良好。使用0.375英寸厚度的磁体进行的实验提高了部分压力灵敏度，具有上面提到的不连续性。

图44是示出使用残留气体分析器(RGA)与根据本发明的实施方式的真空计的泄漏检测的比较的曲线图。左侧两个图中的曲线是使用RGA获得的，而右侧两个图中的曲线是使用根据本发明的实施方式获得的，泄漏量为1x10^-8托。曲线的相似形状(纵轴上的以托为单位的压力相对于横轴上的时间)示出了本发明的实施方式具有与RGA相似的性能。在其他实验中，与当前生产中使用的RGA相比，通过本发明的实施方式，对于1×10^-10托的泄漏，获得了具有快速且准确的泄漏检测的相似性能。

图49是根据本发明的实施方式的真空计的示意性投影图，该真空计使用了离子束偏转器49106来偏转要由检测器检测的离子成分。离子束偏转器49106(诸如，平行板对49106a和49106b或弯曲板对)被定位在源开孔49010与检测器49012之间。这种离子束偏转器49106可用于使离子成分偏转，并进行能量会聚，这将在下面进一步讨论。

与本文先前的实施方式一样，经移位的离子成分49038被分成不同的离子成分，随着它们从源开孔49010进一步行进时，它们彼此越来越发散。在倒磁控管冷阴极放电电极构造中，阴极电极组件49004围绕阳极49002。轴向磁场(使用磁体组件创建，未在图49中示出)以阳极电极49002为中心，并通过向阳极电极49002施加高电压电势V_anode建立了径向电场。利用电场和磁场的交叉场结构(由电场的方向49007a和磁场的方向49007b指示)，在阳极电极49002周围建立了纯电子等离子体49068。进入纯电子等离子体49068的气体分子被进位电子电离并形成离子，这些离子立即被径向电场加速向阴极电极组件49004。源内部的磁场足够高(例如1kGauss)，可以使电子在严格的圆形轨迹中进动，但对较重的离子的影响较小，随着厘子向阴极电极组件4904飞行，它们的轨迹产生轻微的依赖于质量的磁偏转。源开孔49010，例如位于阴极壁上的垂直狭缝，允许一小束离子成分49038离开源。使用附加磁体(图49中未示出)，磁场被扩展到源开孔49010与检测器49012之间的飞行区域，从而增加了离子的依赖于质量的偏转成单独的离子成分49038b-d。较轻的离子比较重的离子偏转的多。例如，经移位的离子成分49038b由氦离子构成，49038c由水离子构成，49038d由残留气体如氮和氧构成。使用附加磁体对离子成分的这种增加的偏转可以例如允许将水离子与其余残留气体离子49038d分离。检测器49012包括金属法拉第收集器半圆筒49022，其产生与通过检测器开孔49020到达检测器49012的离子通量成比例的离子电流。该离子电流是到达检测器的离子成分49038d的部分压力电流I_PP。在图49中还示出了总压力电流I_T。

另外，在图49的实施方式中，离子束偏转器49106用于将离子成分49038b、49038c和49038d转向到检测器开孔49020中。而磁场将离子成分的轨迹向下弯曲(参照图51的顶视图)。参照图51，在偏转器板49106a和49106b之间的电场使离子成分的轨迹向上静电转向，假设“推动器”结构，其中，偏转器板49106b相对于接地的偏转器板49106a正偏置。在图49中，设定偏转器板49106a和49106b之间的电压差，从而检测残留气体成分49038d。在两个偏转器板49106a和49106b都接地的情况下，基于源开孔的角度和离子成分从磁场的偏转量，所有离子都会错过检测器开孔49020。但是，随着其中一个偏转器板(此处为推动器偏转器板49106b)的电压相对于另一偏转器板49106a(在此示例中接地)改变，离子成分49038b、49038c和49038d被向上(或者依赖于电压变化而向下)转向，从而允许不同的离子成分检测器开孔49020。在图49中，将推动器偏转器板49106b设置为使得残留气体离子成分49038d到达检测器开孔49020的电压。相反，在图50和图51(顶视图)中，增加了偏转器板49106b上的电压，从而使得不同的离子成分对检测器49020可用，在这种情况下，为水离子成分50038c(在图50中)和51038c(在图51中)。随着偏转器板49106b上的电压的进一步增加，氦离子成分49038b将到达检测器开孔49020并产生信号。因此，偏转器49106允许离子成分转向，从而可以将多个离子成分种类依次带到检测器49012。在图49至图51中，偏转器板49106b是推动器偏转器板，其被相对于接地的偏转器板49106a以正电压推扫。可以使用其他结构；例如，一个板相对于接地的另一个板可以处于负电压；或者两个板都可以以不同的电压偏置。在图49至图51的示例中，对于推动器偏转器板，基于由磁场引起的偏转，离子成分可以例如从源开孔49010中出来并朝着推动器偏转器板49106b飞行。在此示例中，在偏转器板49106a、49106b关闭的情况下，没有离子成分到达检测器开孔49020。当推动器偏转器板49106b电压以正电压推扫时，离子成分开始被推到检测器开孔49020。较重的离子首先进入检测器开孔49020，而较轻的离子成分需要较高的电压来扫动离子成分，以使较轻的离子成分到达检测器开孔49020。

扫描一个或两个偏转器板上的电压，诸如通过扫描推动器偏转器板49106b上的电压，并绘制离子成分信号(诸如部分压力电流)相比于偏转器板上的电压，允许生成实时质谱图，如图52所示。图52是通过扫描根据本发明的实施方式的真空计中的偏转器板上的电压产生的全频谱范围的曲线图。在纵轴上示出了由皮安表电流到电压转换器提供的以伏特为单位的检测到的部分压力电流，在横轴上示出了与偏转器板上的电压线性关联的(因为偏转器电压被锯齿波形推扫)以秒为单位的时间。在此示例中，将丙酮添加到所监测腔室中，并使用真空计进行分析。在实时质谱图中，分别生成了空气52110a、水52110b、氦52112、氢52114和丙酮52115的离子成分峰。

返回图49，检测器屏蔽件电连接器49172在检测器屏蔽件49170和向检测器屏蔽件49170施加检测器屏蔽件偏置电压的电压源49198之间电连接，从而检测器屏蔽件49170是高通离子能量过滤器。使用高通离子能量过滤器，只有能量高于检测器屏蔽件偏置电压的离子才能穿过检测器开孔49020的平面，其余离子被返回。增加检测器屏蔽件偏置电压使在偏转器电压扫描期间可以到达检测器49012的离子的能量分布或扩展变窄，从而随着电压增加而导致较窄的质量峰。

现在参考图53的侧视图、图54，图56和图58的顶视图以及图55和图57的投影图讨论根据本发明的实施方式的使用偏转器的真空计的部件。真空馈通54024、54026、54201、54023(见图54)和53205(见图53)为真空计的电极组件既提供了电连接又提供了结构支撑。可以使用标准真空组件来制造真空馈通，例如，由MDC Vacuum Products,LLC of Hayward,California,U.S.A.销售的那些真空组件。真空馈通包括阳极馈通54024、阴极馈通54026、偏转器板馈通54201、检测器过滤器馈通54203和检测器电流馈通53205(见图53)。虽然一个偏转器板54106b通过经由偏转器板馈通54201的电连接偏执，但是另一偏转器板58106a(见图58)被接地。在此，应当注意，偏转器板58106a(或图58的另一偏转器板58106b)不需要具有如在58106b处所示的薄板的几何，而是可以具有如在58106a处所示的块的几何。偏转器板或挡块58106a和58106b应该由不容易被电介质涂层覆盖的材料(例如不锈钢)制成，电介质涂层可能会导致不稳定的漂移；例如，如果氧化物钝化层引起不稳定的漂移，则铝可能不合适。检测器过滤器馈通54203(见图54)连接于检测器高能量过滤器54042，检测器高能量过滤器54042在这里被实现为过滤板。真空计还包括围绕法拉第收集器53022的至少一部分的接地的检测器屏蔽件53221(见图53)。接地的检测器屏蔽件57221(见图57)包括检测器开孔57020，离子成分穿过检测器高能量过滤器57042中的开孔57263到达该检测器开孔57020。在另选结构中，可以理解的是，检测器开孔57020可以在检测器高能量过滤器57042后面的检测器中，或者本身可以是检测器高能量过滤器57042中的开孔57263。能量过滤器栅(未示出)可以围绕或覆盖检测器开孔57020。此外，真空计可以包括阴极旋转联接器54207(图54)，该阴极旋转联接器可以联接于电控致动器54209，或联接于人工控制的执行器。致动器54209被构造成使用阴极旋转联接器54207来旋转阴极电极组件54004，这提供了调节源开孔55010(见图55)的旋转角度的能力。阴极旋转联接器54207(图54)可以例如包括旋转台55211(见图55)(还在图58中示出为58211)，之上安装阴极电极组件55004。致动器54209(见图54)包括杆54213，杆54213转动旋转台55211(图55)以调节源开孔55010(图55)的旋转角度。杆54213(见图54)在O形环密封件54215内旋转，随着阴极旋转被调节，该O形环密封件54215保持真空。在图54中，示出了杆54213穿过O形环密封件54215，并推动法兰54217，该法兰54217致动旋转台55211(图55)。随着杆54213的螺纹端54265旋转，结果是杆54213的端部的线性平移，该直线平移推动法兰54217以引起旋转台55211(图55)的旋转。当杆54213缩回时，旋转台55211受到来自弹簧56275(图56)的弹簧拉力而返回。

参照图56，示出了进气通道56028，通过该进气通道56028，来自所监测腔室的气体被引入真空计中。接地的检测器屏蔽件55221(见图55)的表面可以倾斜或以其他方式成形，以为通过进气通道56028(图56)的进入气体提供较开放的气体导入路径。在图56中还示出了板紧固件56267和真空计的外壳56269，外壳56269可以附接于接地的偏转器板56106a，接地的偏转器板56106a例如作为外壳56269的一部分。安装板56339可用于安装真空的除了偏转器板56106a之外的大多数组件，包括阳极电极、阴极电极组件、真空馈通和检测器组件。安装板56339可以例如用橡胶O形圈、用于超高真空的金属垫片密封，或者甚至焊接就位。将组件安装在安装板56339上可以提供解决测试和制造过程中的问题的能力，并为用户提供在现场维护真空计的能力。安装板56339和外壳56269可以例如由不锈钢制成，具有尽可能低的磁导率。示出了电绝缘体56271，其提供了推动器偏转器板56106b与检测器高能量过滤器56042的电绝缘。示出了在偏转器板馈通56201和检测器过滤器馈通56203的端部上的点焊推入式连接器56273。推入式连接器56273板的对齐，以及电连接。阴极电极组件56004的顶部中的开口56008使气体进入阴极电极组件56004的内部。如图57进一步示出，弹簧56275附接到阴极旋转台55211(图55)(见弹簧57275)。与致动器54209(图54)的推力相反，弹簧56275在阴极旋转台55211上提供拉力。参照图53，设置螺钉53277允许锁定旋转台以固定旋转角度。阴极旋转台也可以被点焊固定其位置。绝缘柱53279提供阴极电极组件53004的电绝缘，并且当在阴极电极组件处测量阳极到阴极电流时可以使用绝缘柱53279。另选地，例如当在阳极电极处测量阳极到阴极电流时，绝缘柱53279可以被省略。

参照图55，绝缘套55281为法拉第收集器55022提供机械支撑。在制造绝缘套55281和法拉第收集器55022时，期望通过向收集器提供足够的机械支撑并通过使法拉第收集器55022重量轻来消除法拉第收集器55022的振动。这减少了收集器测量的电流中高频交流电流分量的出现。源开孔55010可以例如具有约0.005英寸宽度、0.350英寸高度的尺寸。源55010的宽度影响真空计的最终质量分辨率。源开孔55010可以例如通过化学蚀刻来在0.0005英寸厚板金属上制造。

参照图57，电连接(例如电线，未示出)可以从阴极馈通57026的端部延伸到阴极电极组件57004，以完成与阴极电极组件57004的电连接。该电线可以盘绕以适应阴极电极组件57004的旋转。

图59是真空计的部件的示意图，并且图60是示出根据本发明的实施方式的一些示例尺寸的截面图。图60是图59的真空计的沿着图59的线A-A的截面图。参照图59，尺寸的一些示例如下：阳极电极59002与接地的检测器屏蔽件59221之间的长度为约2.020英寸；偏转器板59106a和59106b之间的距离为约0.635英寸；接地偏转器板59106a与从源开孔59010延伸到法拉第收集器59022的中轴线59219之间的距离为约0.470英寸；并且该中轴线59219与推动器偏转器板59106b之间的距离为约0.165英寸。参照图60，一些示例尺寸如下：阴极电极组件60004的高度为约0.750英寸；阳极电极60002的高度为约0.500英寸；阳极电极60002的顶部和底部与阴极电极组件60004之间的间隙高度约为0.125英寸；阴极电极组件60004的内径为约0.930英寸；阳极电极60002的外径为约0.400英寸；阳极电极60002与接地的检测器屏蔽件60221之间的长度为约2.020英寸；源开孔60010与接地的检测器屏蔽件60221之间的飞行路径的长度为约1.545英寸；源开孔60010和高能量过滤器60042之间的长度为约1.455英寸；检测器开孔的厚度为约0.005英寸；并且从源开孔60010到检测器电流馈通60205的距离为约1.743英寸。一些进一步的示例尺寸是：检测器开孔57020(见图53)可以具有约0.010英寸的宽度和0.400英寸的高度；并且源开孔60010的宽度可以为约0.005英寸，高度为约0.350英寸。应当理解，上述是示例尺寸，并且可以使用其他尺寸。

接下来讨论根据本发明的实施方式的用于磁场扩展组件的结构。如以上参照图46所讨论的，除了在阴极电极组件上方的磁体组件之外，还可以使用磁场扩展组件，诸如一个或更多个磁体46194，以沿从源开孔46020向着检测器46010纵向延伸的方向46196扩展磁场。磁场扩展组件46194可以被定位成增加磁体组件与检测器46010之间的磁场。这可以例如使水与真空系统中的其余残留气体分离。在没有磁场扩展组件46194的情况下，只有来自源的边缘磁场延伸到离子成分飞行路径中，真空计只能将轻气体(如氦气和氢气)与系统中的其余的残留气体分离。在一个示例中，利用磁场扩展组件46194，在源(阳极和阴极电极组件)的区域中的磁场可以为约1000高斯，而较接近检测器46010的磁场可以为约1300高斯。

在另一实施方式中，在图61中示出了：磁体组件可以包括单体磁体61225，其在阴极电极组件61004上延伸并且在从源开孔朝向检测器纵向延伸的方向上延伸(见图46的方向46196)。单体磁体61225的磁场可以例如整个为1k高斯，并且可以提供足够的离子成分分离，以看到水与其他残留气体分离。通过如图46所示在飞行路径中添加另一磁体或如图62所示添加磁轭或两者兼而有，可以获得飞行路径中的进一步的磁性强度，以进行额外的质量分离。在图在图61中，还示出了阴极手柄61341，其可以被致动(例如，使用千分尺)以旋转阴极电极组件61004。

图62是例示将磁轭62227与根据本发明的实施方式的真空计一起使用的示意图。磁轭62227围绕在源开孔与检测器之间延伸的通道62229的外部的至少一部分。磁轭62227可以增加贯穿离子成分的飞行路径的通量线的数量，从而增加飞行路径上的磁强度，这有助于质量分离。此外，磁轭62227可以减小真空计周围的外部磁场，这对于不干扰用户的其他装置或过程很有用。

图63是示出在根据本发明的实施方式的真空计中使用静电偏转器的离子成分的能量会聚能力的示意图。在能量会聚中，具有不同能量和共同离子成分质量的离子成分通过检测器的检测器开孔63020会聚。例如，共同离子成分的低能量离子63231和高能量离子63233，诸如低能量水离子和高能量水离子，可以通过检测器开孔63020会聚。在另一示例中，低能量残留气体离子和高能量残留气体离子可以通过检测器开孔63020会聚。为了执行这种能量会聚，偏转器控制电路(见图65中的65241)被构造成控制偏转器电源(见图64中的64235)的电压，以使离子束偏转器将具有不同能量和共同离子成分质量的离子成分63231和63233引导通过检测器开孔63020会聚。真空计可以包括阴极旋转联接器(见图54中的54207)和致动器54209，其被构造成旋转阴极电极组件，从而在偏转器电源(图64中的64235)的电压下，将具有不同能量的离子成分导向检测器开孔63020，使得不同能量的离子成分通过检测器开孔63020会聚。使用阴极旋转联接器54207旋转源开孔允许转动质谱图以包括针对残留气体峰的能量会聚，例如在25amu至35amu之间。在能量会聚的一种技术中，使用阴极旋转联接器54207来旋转源开孔，同时观察残留气体信号，例如在如图52中的质谱图中。当达到右旋转时，残留气体峰变窄和较高，这在能量会聚时应当发生。对于各个离子成分质量，偏转器电源都有特定电压来提供能量会聚。阴极旋转联接器54207可以用于旋转阴极电极组件，从而关注的离子成分的离子束在偏转器电源的电压下到达检测器开孔，关注的离子成分在该电压下也被能量会聚。在一个示例中，可以在真空计的制造期间使用阴极旋转联接器54207，然后将其设置在期望的旋转，例如，为水和残留气体中的一种或更多种提供能量会聚的旋转。

图64是根据本发明的实施方式的电气控制电路的示意图。电气控制电路包括阳极高电压电源64116、偏转器电源64235(诸如偏转器推动器高电压电源)、检测器高能量过滤器电源64118、模数转换器64124、处理器64138、数模转换器64237、直流电源64239、用于总压力离子电流的电流-电压转换器64120、用于部分压力离子电流的电流-电压转换器64122、以及继电器和数字输入/输出单元64128。阳极高电压电源64116经由阳极馈通64024连接于阳极电极600002。用于总压离子电流的电流-电压转换器64120经由阴极馈通64026连接于阴极电极组件64004。偏转器电源64235经由偏转器板馈通64201连接于偏转器板64106b(此处为推动器偏转器板)。检测器高能量过滤器电源64118经由检测器过滤器馈通64203连接于检测器高能量过滤器64042。用于部分压力离子电流的电流-电压转换器64122经由检测器电流馈通64205连接于法拉第收集器64022。虽然一个偏转器板64106b经由偏转器板馈通孔64201被对偏转器电源64235的电连接偏置，但是另一偏转器板64106a接地。处理器64138包括偏转器控制电路65241(见图65)，其经由其提供给数模转换器64237的数字偏转器控制信号来控制偏转器电源64235的操作，并且数模转换器64237使用该数字偏转器控制信号来向偏转器电源64235提供模拟控制。处理器64138还提供对从其他组件接收的信号的数字信号处理，以将数字信号提供给数模转换器64237，数字信号用于提供模拟输出64243，模拟输出可以例如包括总压力模拟输出、百分比水模拟输出以及氦(或其他成分)部分压力模拟输出。处理器64138还对从其他组件接收的信号进行数字信号处理，以向数字输入/输出单元64128提供数字报警64245，诸如目标基本压力报警、氦泄漏报警和抽空报警。提供了与处理器64138连接的远程显示器64140和音频输出64126。模数转换器64124可以还被连接成从高压力计(诸如皮拉尼计或皮拉尼压电计)接收模拟信号64255，如针对图69的组合计所描述的。

偏转器电源64235被电连接成在离子束偏转器的偏转器板64106a和64106b之间创建静电场。虽然在图64中示出了推压器偏转器板64106b，应当理解，可以使用以下结构：(i)相对于第二偏转器板64106a的地电压，偏转器电源64235可以向第一偏转器板64106b提供正偏转器偏置电压，或者(ii)相对于第二偏转器板64106b的地电压，向第一偏转器板64106a提供负偏转器偏置电压，或者(iii)向第一偏转器板64106b提供第一偏转器偏置电压，并且向第二偏转器板64106a提供第二偏转器偏置电压。

偏转器控制电路65241(图65)可以被构造成改变偏转器电源64235的电压，以使偏转器64106a/b改变离子成分的偏转。偏转器控制电路65241(图65)可以被构造成基于(i)电压随时间的三角锯齿变化或(ii)用于相对于其他离子成分，控制经移位的离子成分的峰宽度和时间位置的电压波形，来改变偏转器电源64235的电压。应当理解，可以使用偏转器电源64235的其他变型；但是，也可以使用其他形式；例如，可以使用线性或非线性变化。偏转器电压也可以随着压力变化，以消除随时间的峰值移动。偏转器控制电路65241(图65)可以被构造成扫描偏转器电源64235的电压，以使随着偏转器电源64235的电压被扫描，偏转器64106a/b偏转要由检测器连续检测的多个离子成分。偏转器控制电路65241(图65)可以被构造成扫描偏转器电源64235的电压以允许检测多个离子成分的质谱(如例如在图52中)。偏转器控制电路65241(图65)可以被构造成随着阳极电极64002的电压变化而改变偏转器电源64235的电压，以使偏转器64106a/b将离子成分引导至检测器，而检测器上离子成分相对于其他离子成分的时间位置不随着阳极电极的电压改变而改变。在这方面，随着阳极电压降低，离子成分的能量降低，并且其对于磁偏转的曲率半径增加；因此，离子成分到达检测器所凭借的电场变化。因此，通过使用偏转器控制电路65241(图65)来调节偏转器电源64235的电压时间依赖性，偏转器可以使离子成分相对于其他离子成分在相同的时间位置处到达检测器，而与阳极电压无关。另外，随着阳极电压的下降，并且因此离子成分的能量减少，需要使用检测器高能量过滤器控制电路65295(参照图65)来调整检测器高能量过滤器电源64118的电压。

检测器高能量过滤器电源64118可以被构造成基于阳极电极64002的电压来改变检测器高能量过滤器64042的偏置电压。例如，处理器的检测器高能量过滤器控制电路65295(见图65)可以生成数字信号，该数字信号由数模转换器64237处理，其转而将模拟控制信号提供给检测器高能量过滤器电源64118，以改变检测器高能量过滤器64042的偏置电压。例如，随着阳极的电压下降，可以降低高能量过滤器64042的偏置电压，以维持针对离子成分的一致信号。

图65是根据本发明的实施方式在图64的电气控制电路中使用的处理器65138的示意性框图。处理器65138包括偏转器控制电路65241；检测器高能量过滤器控制电路65295；残留气体部分压力测量电路65247，该残留气体部分压力测量电路65247基于由检测器产生的电流来确定残留气体部分压力；水部分压力测量电路65164，该水部分压力测量电路65164被构造成基于由检测器产生的电流确定水部分压力；氦部分压力测量电路65251，该氦部分压力测量电路65251被构造成基于由检测器对氦的检测而产生的电流来确定氦部分压力；自动基线校正电路65253，该自动基线校正电路65253被构造成执行氦部分压力的基线校正；抽空诊断处理器65297，其操作参照图68进行描述。残留气体部分压力测量电路65247、水部分压力测量电路65164和氦部分压力测量电路65251可以例如以与部分压力电路31146(见图31)类似的方式实现，例如，对于部分压力电路31146，包括查找表(LUT)。在氦部分压力由氦部分压力测量电路65251确定之前，自动基线校正电路65253可以例如用于从质谱(参见图52)的氦峰中减去基线。

图66是根据本发明的实施方式的偏转器控制电路66241的示意性框图。偏转器控制电路66241可以例如包括锯齿电压处理器66283，该锯齿电压处理器66283产生偏转器电压随时间的三角锯齿变化。另选地，或附加地，偏转器控制电路66241可以包括峰宽度控制处理器66285，峰宽度控制处理器66285产生电压波形以相对于其他离子成分控制经移位的离子成分的峰宽度和时间位置。另选地，或附加地，偏转器控制电路66241可以包括偏转器电压扫描处理器66287，该偏转器电压扫描处理器66287扫描偏转器电源的电压以使要由检测器连续检测的多个离子成分偏转，例如以允许检测多个离子成分的质谱。另选地，或附加地，偏转器控制电路66241可以包括阳极电压偏转器控制处理器66289，该阳极电压偏转器控制处理器66289随着阳极的电压改变而改变偏转器电源的电压，例如通过随阳极电压线性地改变。

在另一实施方式中，阳极电压控制电路(见图29的29164)可以被构造成基于在阳极电极与阴极电极组件之间流动的总电流I_T来改变阳极电极29002的电压。为此目的，图67的阳极电压控制电路67164包括低电压设定电路67291和高电压设定电路67293。当随着总压力增加，阳极电压开始下降时(当使用电流限制电阻器时出现)，可以使用它们。在一个示例中，阳极高电压电源64116(参见图64)可以基于来自阳极电压控制电路67164的信号在两个不同的电压设定下工作，该阳极电压控制电路67164可以例如包括从低电压设定电路67291和阳极电压控制电路67164的高电压设定电路67293接收控制信号的组件。这里，这两个电压设定是针对与小于电子地存储的阈值压力(例如10^-5托)的总压力相对应的总电流I_T的低电压设定、以及针对大于电子地存储的阈值压力的压力的高电压设定。例如，低电压可以是1400V，而高电压设定可以是2000V或2500V。在另一版本中，可以在泄漏检测开始之前调节阳极高电压供应偏置，以提供与针对低电压工作而选择的阳极电压相同的阳极电压。

图68是根据本发明的实施方式的由抽空诊断处理器65297(图65)实现的处理流程的示例的示意图。在该处理流程中，用户将部件或样品68301装入所监测腔室，然后开始抽空68303。真空计(此处表示为VIS，真空完整性系统)启动，并且处理器65297进入抽空状态模式68305。在68307中，处理器65297确定是否已经达到目标基本压力。如果是，则在68309，可以提供抽空状态指示器以向用户指示此状态(例如，经由图64的远程显示器64140用绿色或其他颜色指示器)，并且真空工艺继续68311。如果否，则抽空状态指示器可以在68313向用户指示警告(例如，经由图64的远程显示器64140用黄色或其他颜色指示器)。处理器65297在68315确定水浓度是否符合预期。如果不是，则在68317处确定抽空是否有意外延迟。如果是，则在68319执行烘干程序。如果否，则在68307处再次确定是否达到目标基本压力。如果在68315处水的浓度是预期的，则处理器65297在68321处确定残留浓度是否在预期。如果是，则在68323处继续抽空，并且过程返回到步骤68307。如果否，则可以在68325将抽空状态指示器设置为报警状态(例如，通过图64的远程显示器64140用红色或其他颜色指示器)。处理器65297然后在68327进入氦泄漏检查模式。如果在68329处未找到，则由处理器65297进行内部污染的根本原因诊断68331，并且用户对腔室进行通风并清洁68332。如果发现氦气泄漏，则在68333发出氦气泄漏报警，例如，使用报警指示器64245(参见图64)或经由远程显示器64140。接下来，在68335，由处理器65297做出大气泄漏的根本原因诊断，并且用户在68337处找出泄漏并将其修复。在一个示例中，作为经验，可以通过将氦泄漏检测报警阈值设置为所监测腔室的目标基本压力的约27％来诊断氦泄漏。应当理解，处理器65297可以设置其他报警阈值。在图68的处理流程中，用户可定义的值包括：目标基本压力、水百分比阈值、残留部分压力阈值(抽空状态模式)、和氦部分压力阈值(氦检测模式)。

接下来讨论根据本发明的实施方式的压力、阳极电压、检测器开孔电压以及峰位置间的关系。

阳极电压直接影响装置的灵敏度。对于相同的压力，假设放电阻抗几乎不随阳极电压的变化而改变，则当阳极电压增加时，存在较高的总压力电流(I_T)。灵敏度随着阳极电压的增加而增加。但是，这种灵敏度的提高是以分辨率为代价的。阳极电压的增加导致分辨率降低。在一个示例中，阳极电压为Va＝1500V。这是可以用标准电子装置控制的电压，不需要极高的绝缘和间隙，并使用成本较低的绝缘体。阳极电压可以例如高达2500V。如上所述，在仪器工作期间，由于电流限制电阻器的作用，阳极电压不保持恒定，而是随着压力的增加而下降。这意味着离子的能量将随着压力而变化。因此，需要调节检测器能量过滤以确保离子仍到达法拉第收集器，例如使用检测器高能量过滤器控制电路65295(图65)。

使用偏转器控制电路66241(图66)，偏转器电压可以被推扫以提供低分辨率频谱，或者可以将其设置为固定值以进行单离子监测。在一个示例中，对于较短的偏转器板(例如1英寸长)，扫描条件可以为0V至700V；对于较长的偏转器板(例如1.5英寸长)，扫描条件可以为0V至500V。随着偏转器板被定位的越近或越长，偏转器的电压降低。所生成的质谱(如例如在图52中)可以例如示出部分压力电流读数(I_PP)相对于偏转器电压V_d绘制。对于2.5秒的标准扫描速率，例如，典型的峰宽度为100毫秒(水和杂质)至300毫秒(氦和氢)。随着带有电流限制电阻器的单元中阳极电压随压力变化，离子能量将变化，并且检测特定质量所要求的偏转器电压将也需要变化。但是，已经发现，随着阳极电压值的下降，该影响不会太大以至于离子从扫描中丢失。随着阳极电压的下降，离子确实移动，并且确实改变位置和宽度，但是这种影响是可以预测的，并且不严重影响分辨率。

在一个示例中，使用偏转器控制电路66241(图66)在2.5秒内在0V至500V之间扫描偏转器板。仔细优化了源开孔的旋转取向，以确保对于水和残留气体(诸如在30amu范围内)，偏转器不仅提供质量分离，而且还提供了附加的能量会聚，例如使用阴极旋转联接器54207(图54)。换句话说，仔细调节源开孔的旋转，从而水和残留气体以以下偏转器电压到达检测器，该偏转器电压也为这些离子提供了静电能量会聚。对于平行板，并非所有离子质量都在一次扫描期间经历能量会聚。如果对水的分辨率有较高的要求，则可以选择源开孔的方向，从而使水被能量会聚，即使氦和氢不被同样好地能量会聚。示例过程如下：开始扫描，并用等量的氮和水对系统加压。使用阴极旋转联接器54207(图54)改变源开孔的旋转取向，直到在氮峰(28amu)和水峰(18amu)之间看到最佳的谷分离为止。随着达到理想的能量会聚旋转角度，峰变得较尖，峰之间的谷较低，并且振幅较高。

检测器高能量过滤器64042(见图64)可以用于提高分辨率。在一个示例中，不同的检测器高能量过滤器电压可以用于不同的物种。为了分离水与残留气体，对于1500V的阳极电压，检测器高能量过滤器64042可以具有例如850V至1100V之间的偏置电压。这根据需要提供大量的能量过滤，以支持分辨水与残留所需的所要求的分辨能力。但是，这意味着随着阳极电压随压力的增加而下降，必须调节高能量过滤器电压以确保具有足够的灵敏度。当阳极电压随压力变化时，使用检测器高能量过滤器控制电路65295可以以与阳极电压成线性关系调节高能量过滤器电压值。在一个示例中，使用检测器高能量过滤器控制电路65295可以降低高能量过滤器电压，与阳极电压成比例地降低。任何压力下的阳极电压可以例如通过高能量过滤器控制电路65295计算为阳极高电压电源64116的电压减去电流限制电阻器两端的电压降。例如，如果阳极高电压电源的电压为1500V，并且检测器过滤器高电压电源64118在高真空下以800V启动，则将检测器过滤器高电压电源64118的电压被调节为：V_F＝(800/1500)*(1500-R_I*I_T)，其中V_F是检测器高电压电源64118的电压，R_I是电流限制电阻器的电阻，并且I_T是流过电流限制电阻器的总电流。

图69是系统的示意性框图，其中，根据本发明的实施方式的倒磁控管冷阴极电离真空计是组合计69257的一部分。组合计69257包括高压力总压力传感器69259，该高压力总压力传感器69259被连接成当总压力大于阈值总压力(诸如约10^-4托或约10^-5托)时测量来自所监测腔室69261的气体的总压力；以及倒磁控管冷阴极电离真空计69000，倒磁控管冷阴极电离真空计69000被连接成当总压力小于高压力总压力传感器的阈值压力时测量来自所监测腔室69261的气体的总压力。高压力总压力传感器可以例如包括皮拉尼总压力传感器，或者皮拉尼计和压电差分压力传感器的组合，并且阈值总压力可以例如是约约10^-4托或约10^-5托之一。在一个示例中，皮拉尼压电传感器的组合可以是MKS Instruments,Inc.,ofAndover,Massachusetts,U.S.A.出售的901P系列MicroPirani^TM/Piezo Load LockTransducer(压电负载锁定传感器)。可以由图64的模数转换器64124接收来自高压力总压力传感器的模拟信号64255。在这样的组合计中使用皮拉尼或组合皮拉尼压电总压力传感器69259可以例如允许真空计69000的工作跟随着从大气压力抽空。当所监测腔室69261的压力对于真空计69000开启而言是安全的时(该压力可以小于阈值总压力)，可以使用组合压力计69257的控制逻辑电路来开启真空计69000。皮拉尼或其他高压力总压力传感器69259也可以为真空计提供过压力保护。对于大泄漏的系统，基于氦的传导率比空气或污染物等常见残留气体的传导率大得多的构思，可以使用皮拉尼或其他高压力总压力传感器69259进行氦泄漏检测。

在根据本发明的另一实施方式中，在不基于阳极电极与阴极电极组件之间的总电流来确定总压力的情况下，使用了如本文教导的倒磁控管冷阴极电离真空计。相反，将真空计用于部分压力确定，诸如氦的部分压力，例如用于氦泄漏检测。在这样的实施方式中，使用进气通道是有利的，该进气通道被定位成使气体从所监测腔室流到阴极电极组件中的开口，其中，离子的所发射部分在进气通道中沿与来自所监测腔室的气流相反的方向行进，例如在图3的实施方式中示出。

在根据本发明的另一实施方式中，使用放电的阻抗作为压力的量度来确定总压力(同时仍至少部分地基于在阳极电极与阴极组件之间流动的总电流)。在这种情况下，测量阳极电压，以及从阳极到阴极的电流，并使用欧姆定律确定阻抗。使用阻抗例如可以提供以下优点：其不依赖于阳极电压，阳极电压可以由于限制电阻器而随压力而变化。

在根据本发明的实施方式的使用中，真空计可以用于辅助对高真空系统进行故障排除。针对高真空系统操作的标准工作流程始于抽空。在抽空过程中，系统被密封(即，所有输入阀均已关闭)，并且随着时间的推移对压力进行监测，同时对系统进行抽气，以期在指定的时间内达到目标基本压力。如果确实在预期的时间内达到了目标压力，则验证了真空系统的完整性，然后可以开始工艺或实验。另一方面，如果在预期的时间后仍未达到目标压力，则将对真空系统的完整性进行检查。这种情况提供了例如可以使用根据本发明的实施方式的情形。根据本发明的实施方式的真空计允许真空系统拥有者立即诊断由比通常低的抽空引起的真空完整性问题的可能根本原因。使用根据本发明的实施方式的真空计，用户可以立即诊断缓慢的抽空是由系统中的空气泄露还是由水排气引起的(如果可以使用脱水选项)。如果问题确实是泄漏，则现在可以使用根据本发明的实施方式的真空计来找出泄漏源。如果未检测到泄漏，则真空用户将被引导到识别污染源并通过烘干来减少排气。根据本发明的实施方式的真空计因此可以用于辅助在真空系统完整性诊断期间去除猜测工作。

与现有的工作相反，总压力测量实施方式，除了测量部分压力外，还允许在约10^-9托到约10^-2托的整个压力范围内测量所监测腔室中的总压力，诸如在约10^-8托到约10^-3托之间的总压力，而现有的计在10^-6以上遇到不可预测的灵敏度变化，而这是高真空系统的重要压力范围。为了在整个压力范围上具有准确的压力测量，纯电子等离子体(见图13A中的13068)不应在工作过程中改变电子密度和/或形状。形状变化导致离子信号突然变化，称为不连续性。当存在于设计中时，不连续性会限制在大压力范围内测量总压力的能力。为了减少或防止不连续性，可以使用多种技术。例如，可以使用在整个体积上具有均匀磁化的高质量磁体。磁场可以可以保持小于或等于约1千高斯磁场强度。可以调节或调整磁体的旋转，以最大程度地减少不连续性。可以控制阳极电压(例如，使用图29的阳极电压控制电路29164)以避免不连续点。另外，使用对称磁体组件，例如径向对称的磁体组件，有助于减少或避免不连续性，以允许实施方式使用传感器以在整个压力范围内测量总压力。

根据本发明的实施方式可以用于高真空系统中。如本文所用，“高真空系统”是其中所监测腔室中的气体包括在约10^-9至和约10^-2托之间的压力的系统。

如本文所使用的，被指示为“约”给定数值的数量例如可以在给定数值的约10％之内，诸如在给定数值的约5％之内，在给定数值的约1％以内，或者可以等于给定数值。

可以使用一个或更多个计算机系统来实现上述方法和系统的部分，例如以允许自动实现本文所讨论的诊断和控制技术。例如，可以使用硬件，软件或其组合来实现技术。当以软件实施时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在一台计算机中提供还是在多台计算机中分发。

虽然已经具体地示出和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员将理解，根据本文的教导，本文的示例实施方式的特征可以组合。

本文引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导通过引用整体并入本文。

虽然已经具体地示出和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离保护范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (63)

1.一种倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括：

阳极电极；

阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，并且被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场；

磁体组件，所述磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场；

位于所述阴极电极组件中的开口，所述开口被定位成允许气体从所监测腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，所述气体离子在所述电场作用下朝着所述阴极电极组件的方向加速；

位于所述阴极电极组件中的源开孔，所述源开孔被定位成将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件；

所述磁体组件被定位成基于所述气体离子的质荷比在角度上移位所述离子的所发射部分；

检测器，所述检测器被定位成检测所述离子的所发射部分的经移位的离子成分；

离子电流测量电路，所述离子电流测量电路被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流，并且被电连接成测量由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流；以及

进气通道，所述进气通道被定位成使所述气体从所监测腔室流到所述阴极电极组件中的所述开口，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。

2.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括：

总压力显示器，所述总压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，并且包括来自所监测腔室的气体的总压力的指示；和

部分压力显示器，所述部分压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，并且包括来自所监测腔室的气体的部分压力的指示。

3.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的静电屏蔽栅。

4.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的能量过滤器栅。

5.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述检测器包括：

离子屏蔽件；

检测器开孔；和

法拉第收集器。

6.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述检测器包括电子倍增器。

7.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括：

电源；和

电流限制电路，所述电流限制电路电连接在所述电源与所述阳极电极之间。

8.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括：阳极电压控制电路，所述阳极电压控制电路被构造成与在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流无关地维持所述阳极电极的恒定电压。

9.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括：阳极电压控制电路，所述阳极电压控制电路被构造成基于在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流来改变所述阳极电极的电压。

10.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括磁场扩展组件，所述磁场扩展组件被定位成将所述磁场扩展到所述阴极电极组件的外部。

11.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括高通离子能量过滤器，所述高通离子能量过滤器被构造成仅允许能量高于期望阈值能量的离子被检测到。

12.根据权利要求11所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述高通离子能量过滤器包括向所述检测器施加偏置电压的电压源。

13.根据权利要求11所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括电压源，所述电压源被构造成基于所述阳极电极的电压来改变所述高通离子能量过滤器的偏置电压。

14.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括低通离子能量过滤器，所述低通离子能量过滤器被构造成仅允许能量低于期望阈值能量的离子被检测到。

15.根据权利要求14所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述低通离子能量过滤器包括：

电压偏置的偏转器板；和

所述检测器的收集板。

16.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述磁体组件包括平板磁体，所述平板磁体定位成限定与所述电场交叉的所述磁场和在所述阴极电极组件外部的外部磁场。

17.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括总压力确定电路，所述总压力确定电路至少基于在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流来确定来自所监测腔室的气体的总压力。

18.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的四极质量过滤器。

19.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述经移位的离子成分包括以下各项中的至少一项：氦离子、氢离子、水离子和残留气体离子。

20.根据权利要求19所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述经移位的离子成分包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的氦离子。

21.根据权利要求19所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述经移位的离子成分包括与来自所监测腔室的气体的其他成分分离的水离子。

22.根据权利要求19所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述经移位的离子成分包括经移位的氦离子和经移位的水离子两者，所述经移位的氦离子和所述经移位的水离子均彼此分离并且与来自所监测腔室的气体的其他成分分离。

23.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括阴极旋转联接器。

24.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括位于所述源开孔与所述检测器之间的离子束偏转器。

25.根据权利要求24所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述离子束偏转器包括平行板对。

26.根据权利要求24所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述离子束偏转器包括弯曲板对。

27.根据权利要求24所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括偏转器电源，所述偏转器电源电连接于所述离子束偏转器，以在所述离子束偏转器的偏转器板对之间创建静电场。

28.根据权利要求27所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器电源被电连接成(i)相对于所述离子束偏转器的第二偏转器板的地电压，向所述离子束偏转器的第一偏转器板提供正偏转器偏置电压，或(ii)相对于所述第二偏转器板的地电压，向所述第一偏转器板提供负偏转器偏置电压，或(iii)向所述第一偏转器板提供第一偏转器偏置电压，并向所述第二偏转器板提供第二偏转器偏置电压。

29.根据权利要求27所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括偏转器控制电路，所述偏转器控制电路被构造成向所述偏转器电源提供偏转器控制信号。

30.根据权利要求29所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成改变所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器改变所述离子的所发射部分的经移位的离子成分的偏转。

31.根据权利要求30所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成基于以下项来改变所述偏转器电源的电压：(i)电压随时间的三角形锯齿变化，或(ii)对经移位的离子成分的相对于其他离子成分的峰宽度和时间位置进行控制的电压波形。

32.根据权利要求30所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成扫描所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器偏转多个离子成分，所述多个离子成分随着所述偏转器电源的电压被扫描而要由所述检测器依次检测到。

33.根据权利要求32所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成扫描所述偏转器电源的电压，以允许检测所述多个离子成分的质谱。

34.根据权利要求32所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述离子成分中的一种是残留气体。

35.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括自动基线校正电路，所述自动基线校正电路被构造成执行氦部分压力的基线校正。

36.根据权利要求29所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成控制所述偏转器电源的电压，以使所述离子束偏转器引导具有不同能量和共同离子成分质量的经移位的离子成分穿过所述检测器的检测器开孔会聚。

37.根据权利要求36所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括：

阴极旋转联接器；和

致动器，所述致动器被构造成使用所述阴极旋转联接器来使阴极电极组件旋转，从而具有不同能量的经移位的离子成分在所述偏转器电源的电压下被引导至所述检测器，所述偏转器电源的电压使具有不同能量的经移位的离子成分穿过所述检测器的所述检测器开孔会聚。

38.根据权利要求29所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述偏转器控制电路被构造成随着所述阳极电极的电压改变而改变所述偏转器电源的电压，以使在所述经移位的离子成分相对于其他离子成分在检测器处的时间位置不随着所述阳极电极的所述电压改变而改变的情况下，所述离子束偏转器将所述经移位的离子成分引导至所述检测器。

39.根据权利要求24所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括阴极旋转联接器。

40.根据权利要求24所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括高通离子能量过滤器，所述高通离子能量过滤器被构造成仅允许能量高于期望阈值能量的离子被检测到。

41.根据权利要求40所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括高能量过滤器控制电路，所述高能量过滤器控制电路被构造成与所述阳极电极的电压成比例地减小所述高通离子能量过滤器的偏置电压。

42.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括：

部分压力显示器，所述部分压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，并且包括来自所监测腔室的气体的部分压力的指示；和

部分压力确定电路，所述部分压力确定电路被构造成至少基于由离子电流测量电路所测量的、由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流来确定来自所监测腔室的气体的部分压力。

43.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述倒磁控管冷阴极电离真空计被包括在模块化单元中，所述模块化单元包括：

总压力显示器，所述总压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，并且包括来自所监测腔室的气体的总压力的指示；

部分压力显示器，所述部分压力显示器与所述离子电流测量电路电连接，并且包括来自所监测腔室的气体的部分压力的指示；和

所述离子电流测量电路。

44.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述离子电流测量电路包括：被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的第一离子电流测量电路；以及被电连接成测量由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流的第二离子电流测量电路。

45.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括双信号泄漏检测电路，所述双信号泄漏检测电路被构造成确定同时发生以下两种情况：(i)由所述离子电流测量电路测量的、在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流的减少，以及(ii)由所述离子电流测量电路测量的、由在所述检测器接收到所述经移位的离子成分而产生的电流的增加。

46.根据权利要求45所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括双信号泄漏检测显示器，所述双信号泄漏检测显示器包括基于由所述双信号泄漏检测电路确定的所述同时发生针对泄漏的压力数据的指示。

47.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括围绕所述检测器的一段的检测器屏蔽件，所述检测器屏蔽件包括检测器开孔。

48.根据权利要求47所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括围绕或覆盖所述检测器开孔的能量过滤器栅。

49.根据权利要求47所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括检测器屏蔽件电连接器，该检测器屏蔽件电连接器电连接在所述检测器屏蔽件与向所述检测器屏蔽件施加偏置电压的电压源之间。

50.根据权利要求47所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述检测器屏蔽件接地。

51.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计还包括磁场扩展组件，所述磁场扩展组件被定位成沿从所述源开孔向所述检测器纵向延伸的方向扩展所述磁场。

52.根据权利要求51所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述磁场扩展组件包括磁体，所述磁体被定位成增加所述磁体组件与所述检测器之间的所述磁场。

53.根据权利要求51所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述磁场扩展组件包括磁轭，所述磁轭围绕了在所述源开孔和所述检测器之间延伸的通道的外部的至少一部分。

54.根据权利要求1所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括组合计的一部分，所述组合计还包括高压力总压力传感器，所述高压力总压力传感器被连接成当来自所监测腔室的气体的总压力大于阈值总压力时，测量所述总压力，并且其中所述倒磁控管冷阴极电离真空计被连接成当来自所监测腔室的气体的所述总压力小于所述高压力总压力传感器的所述阈值总压力时，测量所述总压力，

并且其中，所述高压力总压力传感器包括皮拉尼总压力传感器，或皮拉尼计与压电差分压力传感器的组合，并且其中，所述阈值总压力是以下之一：约10^-4托，或约10^-5托。

55.一种倒磁控管冷阴极电离真空计，所述倒磁控管冷阴极电离真空计包括：

阳极电极；

阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，并且被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场；

磁体组件，所述磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场；

位于所述阴极电极组件中的开口，所述开口被定位成允许气体从所监测腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速；

位于所述阴极电极组件中的源开孔，所述源开孔被定位成将气体离子中的一部分发射出所述阴极电极组件；

所述磁体组件，所述磁体组件被定位成基于所述气体离子的质荷比在角度上移位所述离子的所发射部分；

检测器，所述检测器被定位成用于检测所述离子的所发射部分的经移位的离子成分；

离子电流测量电路，所述离子电流测量电路被电连接成测量由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流；以及

进气通道，所述进气通道被定位成使所述气体从所监测腔室向所述阴极电极组件中的所述开口流动，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。

56.根据权利要求55所述的倒磁控管冷阴极电离真空计，其中，所述经移位的离子成分包括与来自所监测腔室的所述气体的其他成分分离的氦离子。

57.一种倒磁控管冷阴极电离源，所述倒磁控管冷阴极电离源包括：

阳极电极；

阴极电极组件，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，并且被定位成在所述阴极电极组件与所述阳极电极之间的放电空间中创建电场；

磁体组件，所述磁体组件被定位成限定与所述电场交叉的磁场；

位于所述阴极电极组件中的开口，所述开口被定位成允许气体从腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速；

位于所述阴极电极组件中的源开孔，所述源开孔被定位成将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件；

磁扇区、四极质量过滤器、飞行时间质谱仪、离子阱或射频动态离子阱，其被定位成接收从所述源开孔发出的所述气体离子；以及

进气通道，所述进气通道被定位成使气体从所述腔室流到所述阴极电极组件中的所述开口，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所述腔室的气体的流相反的方向行进。

58.根据权利要求57所述的倒磁控管冷阴极电离源，所述倒磁控管冷阴极电离源还包括：

离子电流测量电路，所述离子电流测量电路被电连接成测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流。

59.一种测量所监测腔室内的气体的总压力和部分压力的方法，该方法包括以下步骤：

在倒磁控管冷阴极电离真空计的阳极电极与阴极电极组件之间施加电压，所述阴极电极组件围绕所述阳极电极的一段，以在所述阴极电极组件和所述阳极电极之间的放电空间中创建电场；

使用磁体组件限定与所述电场交叉的磁场；

允许气体通过所述阴极电极组件中的开口从所监测腔室进入所述放电空间，从而在所述放电空间中形成气体离子，以在朝向所述阴极电极组件的方向上被所述电场加速；

通过所述阴极电极组件中的源开孔将所述气体离子的一部分发射出所述阴极电极组件；

使用所述磁体组件，基于所述气体离子的质荷比，使所述离子的所发射部分在角度上移位；

使用检测器检测所述离子的所发射部分的经移位的离子成分；

使用离子电流测量电路测量在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流；

基于由所述离子电流测量电路测量的总电流，显示来自所监测腔室的气体的总压力的指示；

使用所述离子电流测量电路测量由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流；

基于由所述离子电流测量电路测量的、由在所述检测器处接收到所述经移位的离子成分而产生的电流，显示来自所监测腔室的气体的部分压力的指示；并且

使所述气体通过进气通道从所监测腔室流到所述阴极电极组件中的所述开口，其中，所述离子的所发射部分在所述进气通道中沿与来自所监测腔室的气体的流相反的方向行进。

60.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括与在所述阳极电极与所述阴极电极组件之间流动的总电流无关地保持所述阳极电极的恒定电压。

61.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括执行高通离子能量过滤，以仅允许所述离子的所发射部分中的能量高于期望阈值能量的离子到达所述检测器。

62.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括执行低通离子能量过滤，以仅允许所述离子的所发射部分中的能量低于期望阈值能量的离子到达所述检测器。

63.根据权利要求59所述的方法，所述方法还包括诊断包括所监测腔室的真空系统，所述方法还包括使用所述离子电流测量电路来测量由在所述检测器处接收到水离子成分而产生的电流，以及使用所述离子电流测量电路来测量由在所述检测器处接收到残留气体离子成分而产生的电流。

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