JP2007024849A - 多極型冷陰極電離真空計 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス放出が少なく、丈夫な陰極をもつ電離真空計を提供することを目的とした。
【解決手段】熱陰極電離真空計（例．熱陰極Ｂ−Ａ型電離真空計）における熱陰極を，カ−ボンナノチューブによる冷陰極に置き換えた。図中の１は容器で、５は金属円筒の内面にカーボンナノチュウブが固定されている陰極、４は電子放出を促す引出し電極である。また３は集電子電極、２は集イオン電極、および６は導入電極である。
【選択図】図１

Description

特許の属する技術分野

本発明は、冷陰極を電子発生源とする冷陰極型電離真空計に属するものである。

大気から隔絶した容器内に、電子放出源と、放出電子を集電する集電子電極、および電子の集電過程において生じる陽イオンを集電する集イオン電極を持つ真空計には、Ｂ−Ａ型熱陰極穹離真空計と三極管型熱陰極電離真空計がある。いずれも容器は接続管を持ち、測定すべき真空槽と同一気圧下におかれるように構成されている。また、容器下部には容器と絶縁され、かつ内部各電極と電気的に接続されている導入電極があり、気密を保ちながら外部に突き出し、制御器に接続されるようになっている。これらの熱陰極を持つ真空計は、熱陰極の発熱により容器内に収納してある各電極の温度を上昇させ、電極からの吸着ガスの放出が起きる。このとき被測定真空槽との間に圧力差を生じることと、熱陰極は構造上衝撃に弱く、気圧の高い範囲で使用するときはイリジウム等の高価な線材を使用しなければならない等の欠点を持つ。

本発明が解決しようとしている課題

各種欠点を持つ熱陰極電離真空計に対し、丈夫で安定した冷陰極をもつ電離真空計の開発を目的とした。

課題を解決するための手段

電子放出源をカーボンナノチューブにすることで解決した。

カーボンナノチューブはｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅの綴りからＣＮＴと略記されていることが多いので、以下の記述においてもＣＮＴを用いる。ＣＮＴに電界を加えたとき電子放出の起こる現象は、１０年程以前より一般的に知られている。これらの結果はＣＮＴを電子放出源とすれば、丈夫で安定した真空計の陰極になることを示唆している。ＣＮＴを金属体上に固定し、冷陰極として集電子電極に向けて電子を放出させる場合、ＣＮＴの近傍に補助電極を置けば、集電子電極の電圧を低くしても大きなエミッション電流が得られる。補助電極をゲート、電子引出し電極、または引出し電極と呼ぶが、以下に於いては引き出し電極と呼ぶ。

一般に真空中を飛翔する電子に磁界をかけたとき、電子流は円運動し残留気体と衝突する機会が増加する。本発明のＢ−Ａ型電離真空計、および三極管型電離真空計の電子放射方向は特に全周に亘るため、飛翔電子のすべてが磁界の影響を受ける。また容器に金属を用いるときは外径も２０〜３０ｍｍで真空計を構成することができるため、容器外周に磁石を装着しても容器中心部の磁界は強力となり、感度を増加させることは容易である。

本発明の真空計は以下の４種類である。以下に記述する電極はすべて金属製である。またメッシュは図による表示が難しいので単なる平板で示してある。

１．冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計：図１は縦断面図、図２は横断面図である。容器１の内部中央部に針状の集イオン電極２をおき、その周囲に向かって順に螺旋状の集電子電極３、メッシュによる引出し電極４、ＣＮＴを内面に固定した金属円筒の陰極５を置く。螺旋状の集電子電極は、これに通電し、脱ガス時の熱源に使用することも出来る。

２．ヌードタイプ冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計：容器を用いず金属円筒の内面にＣＮＴを固定し、容器と陰極を兼用する。その構成を図３の縦断面図、図４の横断面図に示した。真空計の中心部に向かって、メッシュによる引出し電極４、螺旋状の集電子電極３、および針状の集イオン電極２を置く構成は図１の場合と変わらない。

３．冷陰極三極管型電離真空計：図５は横断面図である。容器１の内部中心部に、外面にＣＮＴを固定した金属円筒の陰極５を置き、その周囲に向かって順にメッシュによる引出し電極４、螺旋状の集電子電極３、円筒状の集イオン電極７を置く。中心部に置く陰極は円筒ではなく円柱にしてもよい。

４．冷陰極平行板型電離真空計：各電極のすべてを平板上にし真空計を構成する。図６はその横断面図である。図中の８は平板陰極、９は平板状メッシュによる引出し電極、１０は平板状メッシュによる集電子電極、１１は平板集イオン電極である。

各真空計と磁界との関係：上記各真空計に磁界を加えるには容器に磁石を用いる方法と、図７に示したように容器の外周に磁石１２を設置する方法がある。冷陰極三極管型電離真空計の場合には、外側にＣＮＴを固定した中央部の陰極、または集イオン電極に磁石を用いることもできる。すべての磁石の磁界方向は容器の軸方向と一致する。

冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計を以後単にＢ−Ａ型真空計、冷陰極三極管型電離真空計を三極管型真空計、および冷陰極平行板型電離真空計を平行板型真空計と呼ぶこともある。これらの真空計は陰極のＣＮＴ面に対し、引き出し電極、集電子電極、および集イオン電極を置く順は変わらず、従って動作原理も等しく次の通りである。

電子放出の行われる陰極に対し、引出し電極と集イオン電極は正電位にバイアスされ、集イオン電極は負にバイアスされている。これらの構成から、引出し電極の電界により陰極から放出された電子は引き出し電極に引かれるが、電極が金網状であるため電子の一部は引出し電極に捕捉され、他のものは加速されながら集電子電極に向かう。集電子電極に向かった電子は、集電子電極を通り過ぎると、集イオン電極の作る逆電界により減速され押し戻される。このようにして集電子電極の周りを電子は振動運動をしながら気体分子と衝突し、イオンを生じる。このイオンは正の電荷を持つため、負電位にバイアスされている集イオン電極に集められ、外部に接続された電流増幅回路に流入し、電流値により圧力に換算され、真空計としての機能を持つ。

引出し電極の開口率の影響：開口率が大きいとき目は粗くなり、開口率が小さいときは目は密になる。上述した引出し電極の開口率を小さくしたとき、陰極より放出された電子の多くは引出し電極電流となり、エミッションは少なくなる。このとき引出し電極の電圧を調整すればエミッション電流は微細に調整できる。

引出し電極の開口率を大きくすると、陰極より放出される電子の引出し電極に流れる電流が小さく、エミッション電流は多くなる。このとき引出し電極の電圧を加減しても、エミッション電流を微細に調整できない。引出し電極の電流を少なくし、かつエミッション電流を微細にコントロールするには、エミッション電流が多くなれば、引出し電極の電子放出の行われない域値以下に引出し電極電圧を下げ、エミッション電流が少なくなれば再び引出し電圧を上げ、陰極より電子放出の行われる電圧に戻す方法がある。この方法をとるときエミッション電流は微細に調節できるが電流は脈流状になる。開口率を更に大きくする場合には、引出し電極が円筒状のものでは螺旋状のものも使用できる。

引出し電極と集電子電極の中間に開口率の大きい制御電極を置き、この電極の負電位のバイアスを加減し、エミッション電流を制御する方法もある。図８は図３のヌードタイプＢ−Ａ型真空計に、制御電極１３を設置した横断面図である。エミッション電流を微細に調節できるが、真空計の構造が複雑になる。

エミッション電流の安定化：熱陰極型電離真空計においてエミッション電流を一定にする理由は、陰極から集電子電極に向かう電子流を一定にし、そのときに残留気体と衝突する機会の多少によって圧力を計測するためである。熱陰極の場合のエミッション電流の安定化は、陰極に流れる電流を加減すれば容易に一定化できる。ＣＮＴを陰極にする場合も同様に、集電子電極に流入する電流を一定にする必要性は同じだが、動作原理が違うため、異なった回路になる。以下にエミッション電流の安定化回路の数例を記す。

本発明のＢ−Ａ型真空計と三極管型真空計および平行板型真空計は動作原理が等しいことから、すべてを同一の電子管として表示することができ、またエミッション電流安定化回路も同一の回路を用いることができる。図９により、真空計を電子管１４によって表示した。図中の番号は図６の平行板電極の番号によって表示した。図中の８はＣＮＴによる陰極、９は電子引出し電極、１０は集電子電極、１１は集イオン電極、１５は接続管で真空槽に取りつけられている。

図９の構成において、陰極から電子引出し電極、および集電子電極に向かって流れる電子数の比が、残留気体の圧力差に関係なく、常に一定であるならば、電子引出し電極と、集電子電極から陰極に向かって流れる電流を、常に一定にするよう構成すればよい。この回路は図１０のように陰極に流れる電流を抵抗に流し、接地点との間に生じる電圧を反転増幅器１６、およびエミッション電流制御器１７を介して、引出し電極にフィードバックする。このときエミッション電流は一定になる。

引出し電極に流れる電流に関係なく、集電子電極に流れる電流を一定にする場合には、図１１の回路を用いる。陰極電圧を固定にし集電子電極に流れる電流、即ちエミッション電流が多くなれば反転増幅器１６、およびエミッション電流制御器１７により引き出し電極の電圧を低くし、エミッション電流が少なくなれば引き出し電極の電圧を高くする。このようにしてエミッション電流を一定にする。ヌードタイプＢ−Ａ型真空計の場合は、陰極が容器で接地されているため、図１２のように集イオン電極を負電位にバイアスする。

図３に示した容器と陰極を兼ねた、ヌードタイプの冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計の縦断面図により実施例を述べる。周囲はＳＵＳ３０４のステンレス金属でできた円筒状の容器である。外径２７ｍｍ内径２５ｍｍで、上部はフランジ、またはφ１５かφ１８の円筒状の接続管によって、真空槽に接続できるようになっている。容器の下端には、絶縁物によって絶縁された複数の導入電極をもつハーメチックシールを取り付け、容器の内部の気密が保たれている。また導入電極には円筒内部の各電極が固定され、電気的に容器外部に導かれている。

容器内面に奥行５０ｍｍ面積４０ｃｍ^２のＣＮＴを置ぎ、ＣＮＴより０．２〜１ｍｍの距離をおいて、開口率８０％のメッシュ状引出し電極を置いてある。円筒中央の集イオン電極は径０．２ｍｍのタングステン線である。その周囲に置く集電子電極は、内径１４ｍｍ、ピッチ１〜３ｍｍ、径０．３ｍｍのタングステン線である。各電極の長さはＣＮＴと同様に高さは約５０ｍｍ程度にした。円筒内面のＣＮＴは、円筒内面に銀ペーストを薄く塗り、その上にＣＮＴを置いた。この作業の後に真空雰囲気中で３００℃の熱処理をし、揮発性物質を蒸発させＣＮＴを固定した。

電気回路は図１２の回路を用いた。引出し電極電圧は２００〜１２００Ｖ、集電子電極電圧２００〜１０００Ｖ、集イオン電極バイアス電圧−２０Ｖである。以上の構成において真空中で計測すると、集電子電極電流０．３〜１ｍＡを得た。この値はＣＮＴを陰極に用いた電離真空計が、充分実用に供されることを示している。感度は０．０８Ｐａ^−１程度であった。また磁石により磁界を加えると感度は約１．５倍になった。

使用したＣＮＴの中には、非常に電子放出率の高いものもあった。そのような時、実施例に記述した方法の、ＣＮＴを容器内面の全域に固定する必要はなく、ＣＮＴを帯状に固定した。固定する方向は、縦方向、または横方向、即ちリング状方向にした。縦方向の場合は等しい間隔で数本置いた。リング状の場合はＣＮＴを固定する帯の幅と本数で調節した。

上述の実施例の場合は、容器は金属に限定されるが、本発明による他のものはガラス容器でも金属容器でもよい。近年カーボンナノチューブは様々な方面での利用が進み、一部では実用化され、電子放出率は更に良いものが開発されている。今後それらのカーボンナノチューブを使用するとき本発明の真空計の感度も飛躍的に増大することが期待される。

発明の効果

熱陰極の代りに丈夫な冷陰極を用いたため、大気で電源を加えても焼損しないことから、圧力の高い低真空領域での使用が可能になった。また磁石を用いたとき電子の走行距離が延長し、生成される陽イオン数が増加することから、圧力の低い高真空領域におけるイオン電流が増加し、増幅回路の設計が容易になった。

本発明の冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計の縦断面図である。 図１の横断面図である。 本発明のヌードタイプ冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計の縦断面図である。 本発明のヌードタイプ冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計の横断面図である。 本発明の冷陰極三極管型電離真空計の横断面図である。 本発明の冷陰極平行板型電離真空計の縦断面図である。 真空計容器に円筒形磁石を装着した正面図である。 図３による真空計に、制御電極を置いた横断面図である。 本発明の各種冷陰極真空計における各電極の働きを、電子管により表示した図である。 陰極電流を基準にしたエミッション電流安定化回路図である。 集電子電極電流を基準にしたエミッション電流安定化回路図である。 陰極を接地したときのエミッション電流安定化回路図である。

符号の説明

１．容器
２．針状集イオン電極
３．集電子電極
４．引出し電極
５．陰極
６．導入電極群
７．円筒状集イオン電極
８．平板陰極
９．平板状引出し電極
１０．平板状集電子電極
１１．平板集イオン電極
１２．円筒磁石
１３．制御電極
１４．電離真空計の各電極の動作を表示した電子管
１５．接続管
１６．反転増幅器
１７．エミッション電流制御器

Claims (8)

1. 被測定真空容器に取り付けられる真空計容器内に、冷陰極、電界を加えて、冷陰極より電子放出を促す引出し電極、引出された電子を加速する集電子電極、および電子飛翔中に生じる陽イオンを集電する集イオン電極の諸電極を備えた電離真空計において陰極をカーボンナノチューブを用いて構成したことを特徴とする電離真空計。
2. 真空計容器内に、金属円筒内面にカーボンナノチューブを固定し、これを陰極とし、熱陰極Ｂ−Ａ型電離真空計と等しい動作状態においたことを特徴とした請求項１に記載の電離真空計。
3. 真空計容器内に、金属円筒外面にカーボンナノチューブを固定し、これを陰極とし、熱陰極三極管型電離真空計と等しい動作状態においたことを特徴とした請求項１に記載の電離真空計。
4. 金属円筒内面にカーボンナノチューブを固定し、これを陰極にすると共に、このカーボンナノチューブを固定した金属円筒を真空計容器としたことを特徴とした請求項２の電離真空計。
5. 真空計容器内に、平板状の各電極である、カーボンナノチューブを固定した陰極、引出し電極、集電子電極、集イオン電極を、順に平行させて設置し、構成したことを特徴とした請求項１の電離真空計。
6. 真空計容器内の、引出し電極と集電子電極の中間に、負電位のバイアス電圧を印加した電極を設置し、これをエミッション電流をコントロールするための制御電極とした請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５の電離真空計。
7. 陰極、集イオン電極を磁石によって構成したことを特徴とした請求項１の電離真空計。
8. 容器外周に磁石を設置したことを特徴とする請求項１の電離真空計。

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