JP2007033422A - Ｃｎｔ冷陰極電離真空計 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス放出が少ない冷陰極を使用し、丈夫で安価な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、最小限の電極数で真空計を構成した。図中の１は容器で、４は金属円筒の内面にカーボンナノチュウブを固定した陰極、３は集電子電極、２は集イオン電極、および５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型熱陰極電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。

上述の欠点を、電子放出源にカーボンナノチューブを用い解決を計ったものもある。（参考書類１）この方法は、エミッション電流を安定化する為に電極数を多くしたため、真空計の構造が複雑になり、高価になった。

カーボンナノチューブ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。近時、この原理を用いて映像機器の試作も行われていることから、カーボンナノチューブは序々に能率的で、安定した冷陰極に成長しつつある。

なお、本願発明に関連する参考書類１をあげる。これは本願発明者が先日、提出したものである。特許願：提出日、２００５年７月１５日：発明の名称、多極型冷陰極電離真空計：特許出願人、株式会社 東洋電子研究所

本発明が解決しようとしている課題

安価で丈夫な冷陰極をもつ、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

電子放出源にカーボンナノチューブを用い、電極構造を単純化することで解決した。

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。

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、ＣＮＴを内面に固定した金属円筒の陰極４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．変形冷陰極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、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。陰極を兼ねた容器の場合、単純な金属円筒ではなく、形状もやや大きくなることから、容器に直接ＣＮＴを固定する方法は作業性が悪い。そのためＣＮＴを内面に固定した金属円筒を用意し、これを容器の内面に沿って保持し陰極にしてもよい。

陰極の保持には円筒外周に３〜４枚の板バネを装着する方法、ステンレス鋼のスプリングコイルを利用する方法など、各種あるが何れも導電体であることから、容器内面にＣＮＴを固定したものと電気的に等しい。

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６を置き、その周囲に向かって順に、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状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、ＣＮＴに対面する９は平板状メッシュによる集電子電極、１０は平板集イオン電極である。図６では、各電極は容器の中心軸に平行して設置してあるが、各電極を容器中心軸に対し９０度の角度で設置してもよい。

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、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、集電子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、集電子電極の電界により陰極から放出された電子は、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。

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７により、真空計を電子管１１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は集電子電極、１０は集イオン電極、１２は接続管で真空槽に取りつけられている。

図７の構成において、エミッション電流を一定にするには、陰極からアースに向かって流れる電流を利用する方法がある。この回路は図８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１３、およびエミッション電流制御器１４を介して、集電子電極にフィードバックする。即ち、ミッション電流が多くなれば反転増幅器１３、およびエミッション電流制御器１４により集電子電極の電圧を低くし、エミッション電流が少なくなれば、集電子電極の電圧を高くするので、エミッション電流は一定になる。

陰極の電位を固定し、集電子電極に流れる電流のみを利用する方法もある。この場合には、図９の回路を用いる。また変形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１０のように集イオン電極を負電位にバイアスする。

ＣＮＴに加える電界を徐々に強くすると、ある程度に達したとき、初めてＣＮＴから電子放出が始まる。此の時の電界の強さを域値と呼べば、域値以上に電界を強くすれば電子放出は増加するが、真空計の場合には、電極間の沿面放電等の傷害も出ることが予想されるので、余り電界を強くすることは出来ない。また、一般に真空度の変化に対応し、一定のエミッション電流を得るためには、圧力の高い範囲では数拾パーセントの電力を増加させる必要がある。このような理由から、図８．図９、図１０によってエミッション電流の安定化を図ったとき、直流では対応出来ず、パルス波にすることもある。これらの波形の選定は希望するエミッション電流値、電極配置、およびＣＮＴの特性によって決まる。パルス波により平均的に一定のエミッション電流値が得られるならば、この波形の選択も真空度計測上において意義がある。エミッション電流をパルス波で使用し、陰極に加わる電界を域地以下にする場合にも、集電子電極の電圧は零にせず、１００Ｖ程度の電圧を保持するよう設計する。その理由は集電子電極による、陽イオンの吸収を防ぐ為である。

容器が金属の場合は容器下端を、フランジを取り付けられる構造にし、容器下端とフランジを、Ｏリング等を介在させ結合する方法をとることも出来る。フランジに取り付けたハーメチックシールに各電極を取り付ければ、何らかの理由で容器内が汚損されたとき、フランジを容器から取り外し、電極を点検し、不良部品の交換が可能になる。特に変形ＢーＡ型真空計の場合には、ＣＮＴを固定した陰極は容器内に装着されており、取り外しも出来ることから、非常に簡単にすむ。各電極より容器が最も高価であるが、電極が不良になれば、従来は容器ごと廃棄されていた。上述の方法により容器が再利用できれば、物資の節約になり、真空計利用者にとっても補充費が安価になり有益である。

本発明の真空計は冷陰極であり、容器内に熱の発生源が無い。その為、ピラニ真空計、熱伝対真空計等の圧力の、高い範囲を計測するセンサーを容器内に組み込むことが出来る。このとき真空計は、大気から高真空までの広い範囲を、連続的に計測することが可能になる。

図１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。また導入電極には容器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。

金属円筒内面に奥行５０ｍｍ、面積約３５ｃｍ^２のＣＮＴを固定し、陰極とし、ＣＮＴより約２ｍｍの距離をおいて、集電子電極を置いてある。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１６ｍｍ、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。

電気回路は図９の回路を用いた。集電子電極電圧は５００〜２５００Ｖ、陰極の固定電圧は３０Ｖ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、０．３ｍＡ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。感度は約０．０６Ｐａ^−１であった。

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、または横方向でもよい。上述の実施例の場合は、容器は金属を使用した。しかし本発明の内、変形Ｂ−Ａ型真空計以外の容器は、総てガラス容器でも金属容器でもよい。

ＣＮＴの種類によっては、得られるエミッション電流は１０倍程度の差がある。電子放出率の良いものを使用し、電流を一定にすることが、今後の重要な課題である。

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。また電極数が少ないので安価な真空計を提供できた。

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。 変形冷陰極Ｂ−Ａ型電離真空計の縦断面図である。 図３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。 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。 陰極電流による、エミッション電流安定化回路図である。 集電子電極電流による、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．陰極
５．導入電極群
６．円筒状陰極
７．円筒状集イオン電極
８．平板陰極
９．平板状集電子電極
１０．平板集イオン電極
１１．電離真空計の各電極の動作を表示した電子管
１２．接続管
１３．反転増幅器
１４．エミッション電流制御器

Claims (5)

1. 被測定真空槽に取り付けられるようにした真空計容器内に、冷陰極、電界を加えて、冷陰極より電子放出を促し、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−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、カーボンナノチューブを固定した陰極、メッシュ状集電子電極、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。

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