CN1965219A

CN1965219A - 电离真空计

Info

Publication number: CN1965219A
Application number: CNA200580007960XA
Authority: CN
Inventors: 保罗·C·阿诺德; 保罗·M·拉特
Original assignee: Brooks Automation Inc
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2007-05-16
Also published as: EP1725847A2; KR20060131979A; JP2007529096A

Abstract

一种用于将电子源与气体分子相隔离的电离真空计，所述的电离真空计包括用于产生电子的电子源，用于收集由于电子和气体分子的撞击而形成的离子的集电极，以及用于将电子源与气体分子相隔离的电子窗体。电离真空计能够带有限定极板空间的极板，以及可以将电子保留在极板区域内。电离真空计能够带有多个电子源和/或集电极。所述的集电极能够被安置在极板空间的内部或极板空间的外部。电离真空计能够带有质量过滤器，所述的质量过滤器用于基于质荷比分开离子。电离真空计可以是能够测量压力的Bayard－Alpert型或是能够测量气体类型的残余气体分析仪。

Description

电离真空计

相关申请

本申请是申请日为2004年5月12日，申请号为10/799,446美国申请(其为申请在2004年2月9日，申请号为10/782,368的后续申请的一部分)的后续申请，其全部教导在此被并入作为参考。

背景技术

电离真空计，更具体地说是Bayard-Alpert(BA)电离真空计，是最普通的测量非常低的压力的非磁性装置，并且由于1952年的美国第2,605,431号专利的公开，已经在全世界范围内得到广泛的应用。

典型的电离真空计包括电子源、极板、还有离子集电极。对于BA真空计，所述的电子源被径向地置于由极板所限定的电离空间(极板空间)的外部。所述的离子集电极被安置在极板空间的内部。电子从电子源朝向并穿过极板行进，并且最终被极板收集。然而，在它们的行进中，电子撞击气体的分子和原子，构成气压(其压力将被测量)并且生成离子。所述的离子通过在极板内部的电场被附着在离子集电极上。在气压内的气体的压力能够根据公式P＝(1/S)(离子/电子)以及其中的离子和电子电流而被计算出来，其中S是1/torr单位的常量并且其特征是具体的真空几何学和电参数。

发明内容

当真空计处于良性的环境下使用时，典型的电离真空计的操作寿命大约是10年。然而，如果在非常高的压力或者在能够退化电子源的发射特性的气体类型中使用，这些相同的真空计和电子源(灯丝)在数分钟或小时中就可以失效。这种导致操作寿命降低的灯丝干扰的实施例在从覆在灯丝上的氧化物层的电子发射性能的衰变到暴露在水汽中的范围内变化。所覆的氧化物的衰变显著地减少了由灯丝所产生的电子的数量，以及暴露在水汽中导致钨丝完全地燃尽。

残余气体分析仪(RGA)是电离真空计，测定现存气体的类型和显示每种气体成份的部分压力，所述的部分压力也可以遵从于整个气体压力的计算。RGA测量现存离子的质荷比并将所述的比例转换成信号。然而，RGA测量额外的信号峰值，所述的峰值对于正在被检测的气体种类来说全部都是虚假的。这些峰值形成本底谱线图，所述的本底谱线图在高真空的较低压力范围内在量级上是显著的。通过一些原子和/或分子与灯丝材料的相互作用导致这样的虚假的光谱，因此形成其它的最开始没有在气相中的混合物。

提供一种电离真空计，所述的电离真空计具有用于生成电子的电子源，用于收集在电子和气体分子之间的碰撞而形成的离子的集电极，还有用于将电子源与气体分子相互隔离的电子窗体。电离真空计能够带有极板，所述的极板限定极板空间并且将电子保留在极板的区域内。电离真空计能够具有多个电子源和/或集电极。所述的集电极(或多个)能够被安置在极板空间内或者极板空间的外部。电离真空计能够具有质量过滤器，所述的质量过滤器用于基于质荷比分开离子。电离真空计可以是测量压力的Bayard-Alpert型或者是也可以测定气体类型的残余气体分析仪。

加速电极被安置于电子源(或多个)和电子窗的之间用以加速电子使其具有能够允许电子穿过电子窗体被传递的能量。减速电极被安置于电子窗体和集电极(或多个)的之间以减速电子使其具有预期的由电子和气体分子之间的撞击而形成的能量分布。限定极板空间的极板置于减速电极(或多个)和集电极(或多个)之间。多个集电极能够被安置于极板空间内。质量过滤器置于减速电极(或多个)和集电极(或多个)之间。

加速电极具有电势，这样在电子源(或多个)和加速电极之间的电势差在100伏特到10,000伏特之间的范围内。电子窗体的电势与加速电极电势相等。减速电极具有电势上，这样在电子窗和减速电极之间的电势差在0伏特和10,000伏特之间的范围内。外部集电极能够被安置于电子窗体和减速电极之间，用于为非常短的平均自由行程的高压状况收集由电子和气体分子之间的碰撞而形成的离子。电离真空计包括多个外部集电极、加速电极、和减速电极。

屏蔽能够限定被屏蔽的空间，这样屏蔽的外部电势不会扰乱在被屏蔽的空间内部的电荷的分布。所述的屏蔽至少部分是打开的用以允许气体分子传递到被屏蔽的空间。所述的被屏蔽的空间覆盖电子源(或多个)、集电极(或多个)、和电子窗体。屏蔽具有参考电势，其中所述的参考电势是大地电势。

附图说明

通过接下来的结合附图对本发明的优选的实施方案进行更加具体的描述，本发明的前面的和其它的目标、特征和优势将会变得更加的明显。在附图中，相同的参考数字指向分布在不同的图中的相同的部分。附图没有按照比例所绘制，强调的重点在于本发明的原理。

图1是本发明的没有显著特点的电离真空计的示意图；

图2A是图1中的有修饰的类型的电离真空计的详细示意图；

图2B是图2A的另一个实施方案的详细示意图；以及

图3是本发明的残余气体分析仪的示意图。

具体实施方式

下面所描述的是本发明的优选的实施方案。

通常，如示图1所示，本发明的一个电离真空计100带有隔离室110和测量室120。隔离室包含至少一个电子源140和至少一个加速电极150。测量室120包含至少一个减速电极170、极板180、和至少一个集电极190。两个室110、120被隔离材料130所分开，所述的隔离材料阻止测量室120内的气体的分子和原子进入隔离室110并使电子源140衰变。隔离材料130具有电子窗体160，所述的电子窗体允许电子从隔离室110被传递到测量室120中。尽管如图所示的电离真空计带有极板180和集电极190，但是这些部件不是在下面要描述的本发明所有的实施方案中都是必须的。在一个实施方案中，电离真空计100是Bayard-Alpert型真空计。

图2A示出实施本发明的特定的有装饰类型的电离真空计200。尽管所示的是有装饰类型的真空计，但是人们应该理解的是，非装饰类型的电离真空计利用本发明的原理也可以被实施。电离真空计200具有与上面所描述的带有接下来的附加物的电离真空计100(图1)相类似的部件。电离真空计200被安置在管205内部，在其末端225打开用以允许气体分子和原子经过屏蔽220进入测量室120。屏蔽220和管205形成屏蔽空间。为了非常短的平均自由形成的高压测量，至少加入一个可选择的外部集电极210。

图2B示出图2A中所示的本发明的另一个实施方案。多个集电极190’被安置在极板空间185内。多个集电极190’有效地抑制电子接近极板支撑柱(没有示出)并且因此防止在柱上过早地收集电子。因此，电子路径长度比较现有技术的相同尺寸的真空计来说显著地增加。在极板空间185内增加电子路径长度的增加是非常值得期待的，这是因为路径长度增加的部分增加了产生离子的速率，并且借此增加真空计的灵敏性能。多个集电极在美国专利第6,025,723号、第6,046,456号、和第6,198,105号中被示出。所述的专利作为整体被并入本文作为参考。

在操作中，气体分子和原子经过部分开口的屏蔽220进入测量室120。屏蔽220阻止屏蔽外部的电势干扰测量室120中的电荷的分布。屏蔽220具有参考电势。在一个实施方案中，参考电势是大地电势。

电子源(或多个)(举例来说，灯丝)140在隔离室110中产生电子(由电子光束208所表示)。电子用于电离测量室120中的气体分子。灯丝140的几何形状可以是线性带状物、直线金属丝、直的带状物、弯曲的带状物、U字型金属丝或任何其它在技术领域内已知的形状。在一个实施方案中，灯丝140通过来自电子发射稳定器(没有示出)的电流被持续地加热到炽热。热离子式的或者其它的所发射的电子被加速电极150加速用以使其具有允许电子经过电子窗体160被传递的能量。加速电极150以某一电势而操作这样在电子源和加速电极之间的电势差在100伏特到10,000伏特之间的范围内，这要取决于用于电子窗体的材料的尺寸、厚度以及形状。在一个实施方案中，加速电极150的电势差维持在电子源(或多个)到大约1000伏特之间。电子窗可以由铝制得，诸如像J.R.Young1956年1月的Journal of Applied Physics中的“Penetration of Electrons and Ions”所揭示的那样(其全部在此被并入作为参考)。

电子必须把它们的能量控制在期待的水平上，用以在电子已经被传递通过电子窗160后才发生电离。在能量上电离的发生展开既可能高于也可能低于额定设计能量，所述额定设计能量在1962年Saul Dushman中Scientific Foundations of VacuumTechnique(其全部在此被并入本文作为参考)描述。离子的形成典型地发生在大约用于氮的150电子伏特的电子能量上。因此，为了电离，电子的能量被减速电极170修正。减速电极170具有电势而操作，这样，在电子窗体和减速电极之间的电势差就会在0伏特到10,000伏特之间的范围内，这要取决于窗体的尺寸、厚度、和类型以及压力测量的类型所需要的相关的电子能量。举例来说，如图2A和2B所示，减速电极170维持在某个电势上，以减少电子的能量，这样电子以具有大约150电子伏特的能量到达极板栅极180。

极板栅极180限定极板空间185并且被充电成相对于大地的阳极电压180。极板栅极180可以由金属丝网或者类似的构思而制造，用以允许电子进出极板栅极180。大多数电子并不立即撞击极板栅极180，而是经过极板栅极180并且进入极板空间185中，在其中它们通过电子撞击电离从而产生离子。没有撞击极板栅极180或者没有电离任何分子的电子穿过极板空间185进入在极板栅极180和柱205之间的区域。由于在柱205和极板栅极180之间所产生的电场，所以电子减速并再加速重新返回极板栅极180。电子继续以这种方式循环，直至电子被极板栅极180所收集或者遗失到其它的表面上。电子的多次穿过相对于单一穿过的配置来说，增加了电子电流的电离效率。

离子，一旦通过电子撞击电离所产生，就趋向保持在极板栅极180的内部。在极板空间185内部形成的离子由在极板栅极180(具有相对于地正的电势)和集电极190(190’)(具有接近于大地电势的电势，例如，相对于极板电势的负)之间的电势差所产生的电场所指引。电场指引离子到集电极190(或多个)(190’)，在那里它们被收集用以提供用于测定气体压力的离子电流。在一些实施方案中，通过使用外部集电极210能够测量较高的压力，所述的集电极210非常接近窗体用以形成在非常靠近窗体的离子的捕获，即，由于在较高压中的短暂的平均自由行程，不是在极板内部。

图3示出实施本发明的残余气体分析仪(RGA)300，上面所描述的RGA300和电离真空计100，200实质上是相同的，除了图1，2A和2B中的极板栅极180和集电极190(190’)被质量过滤器310和离子检测器320所取代。

在操作中，气体分子和原子进入测量室120中。电子源(或多个)(例如，灯丝)140在隔离室110内产生电子。电子发射出来的热离子(或者从放射源或其它中通过场发射、光电效应、等离子抽取产生电子)被加速电子150所加速，使其具有可以允许电子被传递穿过电子窗体160的能量。电子被应用于电离测量室120中的气体分子和原子。

电子必须使其能量控制在合适的水平以允许在电子已经被传递穿过电子窗160后才发生电离。为了电离，电子的能量被减速电子170所修正。

离子进入质量过滤器310中，所述的质量过滤器310基于离子的质荷比(m/z)分开离子。质量过滤器310允许选定的离子移动到离子检测器320中。质量过滤器310基于离子的质荷比过滤离子。只有符合质量过滤器参数的离子才可以在给定的时间内穿过质量过滤器310。离子监测器320记录离子的数量，以及产生的信号与如上面所述的在每次给定时间内的离子总量成比例。所述的信号被报告给数据系统(没有示出)，所述的数据系统输出存在气体的类型。

虽然参考本发明优选的实施方案，本发明已经被具体地示出并被描述，但是本领域内的技术人员可以理解的是，在没有超过本发明的权利要求所要求的保护的范围内，本发明可以在形式及其细节上进行各种不同的修饰。

Claims

1.一种电离真空计，包括：

电子源，用于产生电子；

集电极，用于收集由于电子和气体分子之间的撞击所形成的离子；以及

电子窗体，用于将电子源与气体分子相隔离。

2.根据权利要求1所述的电离真空计，进一步包括：

在电子源和电子窗体之间的加速电极，用以加速电子使其达到可以允许电子能够被传递穿过电子窗体的能量；以及

在电子窗体和集电极之间的减速电极，用以减速电子。

3.根据权利要求2所述的电离真空计，其中所述的加速电极包括多个加速电极。

4.根据权利要求2所述的电离真空计，其中所述的减速电极包括多个减速电极。

5.根据权利要求2所述的电离真空计，进一步包括限定极板空间的极板，所述的极板围绕在集电极周围。

6.根据权利要求5所述的电离真空计，其中所述的集电极包括多个集电极。

7.根据权利要求2所述的电离真空计，进一步包括在减速电极和集电极之间的质量过滤器。

8.根据权利要求2所述的电离真空计，其中加速电极保持电势，以致在电子源和加速电极之间的电势差的范围在100伏特到10,000伏特之间。

9.根据权利要求2所述的电离真空计，其中所述的减速电极保持电势，以致在电子窗体和减速电极之间的电势差在0伏特和10,000伏特之间的范围内。

10.根据权利要求2所述的电离真空计，进一步包括：

在电子窗体和减速电极之间的外部集电极。

11.根据权利要求10所述的电离真空计，其中所述的外部集电极包括多个外部集电极。

12.根据权利要求1所述的电离真空计，进一步包括：

限定被屏蔽的空间的屏蔽，所述的屏蔽至少部分打开用以允许气体分子传递到被屏蔽的空间中。

13.根据权利要求12所述的电离真空计，其中所述的被屏蔽的空间覆盖电子源、集电极、和电子窗体。

14.根据权利要求12所述的电离真空计，其中所述的屏蔽保持参考电势。

15.根据权利要求14所述的电离真空计，其中所述的参考电势是大地电势。

16.根据权利要求1所述的电离真空计，其中所述的真空计是压力真空计。

17.根据权利要求1所述的电离真空计，其中所述的真空计是Bayard-Alpert型的电离真空计。

18.根据权利要求1所述的电离真空计，其中所述的真空计是残余气体分析仪。

19.根据权利要求1所述的电离真空计，进一步包括限定极板空间的极板，所述的极板空间将电子保持在极板的区域内。

20.根据权利要求19所述的电离真空计，其中所述的集电极位于极板空间内。

21.根据权利要求20所述的电离真空计，其中所述的集电极在极板空间内包括多个集电极。

22.根据权利要求19所述的电离真空计，其中所述的集电极在极板空间的外面。

23.根据权利要求22所述的电离真空计，其中所述的集电极在极板空间的外面包括多个集电极。

24.根据权利要求1所述的电离真空计，进一步包括质量过滤器，所述的过滤器基于质荷比分开离子。

25.根据权利要求1所述的电离真空计，其中所述的电子源包括多个用于产生电子的电子源。

26.一种测量来自气体分子和原子的气体压力的方法，其包括的步骤有：

在电子源上产生电子；

将电子传递经过电子窗体，所述的电子窗体将电子源与气体分子相隔离；以及

在集电极上收集在电子与气体分子和原子之间的撞击所形成的离子。

27.权利要求26所述的方法，其中产生电子的步骤包括使用多个电子源产生电子。

28.根据权利要求26所述的方法，其中传递电子的步骤包括使用加速电极，加速电子使其达到能够允许电子被传递穿过电子窗体的能量。

29.根据权利要求28所述的方法，其中使用加速电极包括使用多个加速电极加速电子使其达到能够允许电子被传递穿过电子窗体的能量。

30.根据权利要求28所述的方法，其中加速电极保持电势，这样在电子源和加速电极之间的电势差保持在100伏特到10,000伏特之间。

31.根据权利要求26所述的方法，其中收集离子的步骤包括使用减速电极使电子减速。

32.根据权利要求31所述的方法，其中使用减速电极包括使用多个减速电极使电子减速。

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述的减速电极保持电势，这样在电子窗体和减速电极之间的电势差在0伏特和10,000伏特的范围内。

34.根据权利要求31所述的方法，进一步包括的步骤有：

在外部集电极上收集离子，所述的外部集电极在电子窗体和减速电极之间。

35.根据权利要求26所述的方法，进一步包括的步骤有：

使用屏蔽稳定灵敏度，所述的屏蔽限定被屏蔽的空间，屏蔽是至少部分打开的用以允许传递气体分子和原子进入被屏蔽的空间，这样屏蔽的外部电势就不会干扰在被屏蔽空间内的电荷的分布。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述的被屏蔽的空间覆盖电子源、集电极、和电子窗体。

37.根据权利要求35所述的方法，其中所述的屏蔽保持参考电势。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述的参考电势是大地电势。

39.根据权利要求26所述的方法，其中所述的被收集的离子被用来测量压力。

40.根据权利要求26所述的方法，其中所述的被收集的离子被用来测定气体类型。

41.根据权利要求26所述的方法，其中所述的集电极位于由极板所限定的极板空间内。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述的集电极在极板空间内包括多个集电极。

43.根据权利要求26所述的方法，其中所述的集电极在由极板所限定的极板空间的外面。

44.根据权利要求43所述的方法，其中所述的集电极在极板空间的外面包括多个集电极。

45.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使用质量过滤器，所述的质量过滤器基于质荷比分开离子。

46.一种电离真空计，包括：

用于产生电子的装置；

用于收集在来自电子源的电子与气体分子之间的撞击所形成的离子的装置；以及

隔离用于产生来自气体分子的电子装置的装置。