JP2008170175A - Method for estimating degree of vacuum - Google Patents
Method for estimating degree of vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008170175A JP2008170175A JP2007001351A JP2007001351A JP2008170175A JP 2008170175 A JP2008170175 A JP 2008170175A JP 2007001351 A JP2007001351 A JP 2007001351A JP 2007001351 A JP2007001351 A JP 2007001351A JP 2008170175 A JP2008170175 A JP 2008170175A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vacuum
- cathode
- electron emission
- degree
- emission current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、真空引きされた真空容器内の真空度を推定する方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating the degree of vacuum in a vacuum vessel that has been evacuated.
従来、高真空あるいは超高真空の真空容器内の真空度を推定(計測)するために、一般に、熱陰極電離真空計が使用されている(例えば特許文献1、2を参照)。この熱陰極電離真空計は、基本的には、熱陰極から放出した電子によって真空容器内の残留ガスをイオン化して、そのイオン電流を計測し、そのイオン電流の値から真空容器内の真空度を計測するものである。
しかしながら、熱陰極電離真空計は、真空容器内の残留ガスの種類に対する依存度が高く、真空容器内の残留ガスの種類が不明な場合には、真空度を適切に計測することが困難となる。また、熱陰極の焼損や消耗が生じやすく、取り扱いや保守点検に手間がかかると共に、ランニングコストも高価なものとなりやすい。さらに、熱陰極電離真空計では、超高真空の真空度を計測するためには、高価なBA型の真空計を使用しなければならず、手軽に超高真空の真空度を計測することができないものとなっていた。 However, the hot cathode ionization vacuum gauge is highly dependent on the type of residual gas in the vacuum vessel, and it is difficult to appropriately measure the degree of vacuum when the type of residual gas in the vacuum vessel is unknown. . In addition, the hot cathode is likely to be burned out and consumed, and it is troublesome to handle and maintain, and the running cost tends to be expensive. Furthermore, in the hot cathode ionization vacuum gauge, in order to measure the ultra-high vacuum degree, an expensive BA type vacuum gauge must be used, and the ultra-high vacuum degree can be easily measured. It was impossible.
なお、電離真空計には、冷陰極型のものもあるが、これは、磁場を生成する手段が必要となって、大型なものとなりやすいと共に、真空度の計測精度が比較的低いという不都合がある。 Some ionization vacuum gauges are of the cold cathode type, but this requires a means for generating a magnetic field, which tends to be large and has a disadvantage that the measurement accuracy of the degree of vacuum is relatively low. is there.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、高真空あるいは超高真空の真空容器内の真空度を、高価あるいは大型な装置を必要とせずに、簡易な手法で推定できる真空度推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and the degree of vacuum can be estimated by a simple method without requiring an expensive or large-sized apparatus, without requiring an expensive or large-sized apparatus. It aims to provide a method.
本願の発明者は、真空容器内に冷陰極電界放出方式で電子を放出させるための陰極を設け、この陰極の温度を一定に保持した状態で、冷陰極電界放出方式によって電子を放出させた。そして、このとき、その放出させた電子の電流量(陰極から単位時間当たりに放出される電子数に応じて該陰極などに流れる電流)である電子放出電流を経時的に逐次計測した。その結果、本願の発明者は、次のことを知見した。 The inventor of the present application provided a cathode for emitting electrons by a cold cathode field emission method in a vacuum vessel, and emitted electrons by the cold cathode field emission method while keeping the temperature of the cathode constant. At this time, the electron emission current, which is the amount of current of the emitted electrons (current flowing through the cathode according to the number of electrons emitted per unit time from the cathode), was sequentially measured over time. As a result, the inventors of the present application have found the following.
すなわち、詳細な説明は後述するが、真空容器内の残留ガスの分子または原子が陰極の電子放出部に対する物理的吸着と、これに続く離脱(物理的吸着の解除)とを起こすことに起因して、前記電子放出電流は、瞬時的なスパイク状の変動を生じる。この場合、電子放出電流の値は、真空容器内の残留ガスの分子または原子の個数(あるいは真空容器内の残留ガスの密度)に依存した頻度でスパイク状の変動を生じる。そして、特に、仕事関数の値が比較的高い材質(例えば4.5eV以上の仕事関数を有する材質)で陰極が構成されている場合には、電子放出電流の値の変動の形態は、残留ガスの種類に対する依存性が低く、真空度に対する依存性が顕著に現れる。従って、この電子放出電流の値の変動の形態は、真空容器内の真空度と密接な相関性を有する。 That is, although a detailed description will be given later, this is because molecules or atoms of the residual gas in the vacuum vessel cause physical adsorption to the electron emission portion of the cathode and subsequent desorption (release of physical adsorption). Thus, the electron emission current causes instantaneous spike-like fluctuations. In this case, the value of the electron emission current fluctuates with a frequency depending on the number of molecules or atoms of the residual gas in the vacuum chamber (or the density of the residual gas in the vacuum chamber). In particular, when the cathode is made of a material having a relatively high work function value (for example, a material having a work function of 4.5 eV or more), the variation in the value of the electron emission current is a residual gas. Dependence on the kind of is low, and dependence on the degree of vacuum appears remarkably. Therefore, the form of fluctuation of the electron emission current value has a close correlation with the degree of vacuum in the vacuum vessel.
そこで、本発明の真空度推定方法は、真空引きされた真空容器内の真空度を推定する真空度推定方法であって、前記真空容器内に配置された陰極から冷陰極電界放出方式により電子を放出させ、この時に該陰極から放出される電子の電流量である電子放出電流を少なくとも所定時間の期間分、逐次計測する処理を、前記陰極の温度をあらかじめ定めた所定温度に保持した状態で実行するステップと、その計測された前記所定時間の期間分の電子放出電流の値の時系列データに基づいて前記真空容器内の真空度を推定するステップとを備えることを特徴とする(第1発明)。 Therefore, the vacuum degree estimation method of the present invention is a vacuum degree estimation method for estimating the degree of vacuum in a vacuum vessel that has been evacuated, and electrons are emitted from the cathode disposed in the vacuum vessel by a cold cathode field emission method. A process of sequentially measuring the electron emission current, which is the amount of electrons emitted from the cathode at this time, for at least a predetermined time period is performed while maintaining the cathode temperature at a predetermined temperature. And a step of estimating the degree of vacuum in the vacuum vessel based on time-series data of the measured electron emission current values for the predetermined time period (first invention) ).
この第1発明において、前記したように、陰極の温度を一定の温度に保持した状態での電子放出電流の値の変動の形態は、真空容器内の真空度と密接な相関性を有する。そして、前記所定時間の期間分の電子放出電流の値を計測して得られる該電子放出電流の計測値の時系列データによって、陰極の温度を一定の温度に保持した状態での電子放出電流の値の変動の形態を把握できる。従って、当該電子放出電流の値の時系列データに基づいて真空容器内の真空度を推定することができる。また、真空度が超高真空のように極めて高い真空度であっても、前記所定時間を十分に長い適切な時間に適切に設定しておけば、その時間の期間内で当該高い真空度に対応した電子放出電流の値の変動を捉えることが可能であるので、当該高い真空度を推定することもできる。 In the first invention, as described above, the variation of the value of the electron emission current in the state where the temperature of the cathode is maintained at a constant temperature has a close correlation with the degree of vacuum in the vacuum vessel. Then, according to the time-series data of the measured value of the electron emission current obtained by measuring the value of the electron emission current for the predetermined time period, the electron emission current in a state where the cathode temperature is maintained at a constant temperature. The form of value fluctuation can be grasped. Therefore, the degree of vacuum in the vacuum vessel can be estimated based on the time series data of the value of the electron emission current. Further, even if the degree of vacuum is extremely high such as an ultra-high vacuum, if the predetermined time is appropriately set to a sufficiently long appropriate time, the high degree of vacuum is maintained within the time period. Since it is possible to capture the variation in the value of the corresponding electron emission current, it is possible to estimate the high degree of vacuum.
このように第1発明によれば、真空容器内に配置した陰極の温度をあらかじめ定めた所定の温度に保持した状態で、冷陰極電界放出方式による陰極からの電子の放出を行いながら、電子放出電流を所定時間の期間分、逐次計測するという極めて簡単な処理を行なうだけで、その計測された電子放出電流の値の時系列データに基づいて、残留ガスの種類に依存することなく、真空容器内の真空度を推定できる。また、その真空度が高真空あるいは超高真空であっても、その真空度を推定できる。このため、高真空あるいは超高真空の真空容器内の真空度を、高価あるいは大型な装置を必要とせずに、簡易な手法で推定できる。また、陰極からの電子の放出を冷陰極電界放出方式で行なうので、熱陰極に比べて陰極の寿命を高めることができ、ひいては、ランニングコストを低減できる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, the electron emission from the cathode by the cold cathode field emission method is performed while keeping the temperature of the cathode arranged in the vacuum vessel at a predetermined temperature. By simply performing a very simple process of sequentially measuring the current for a predetermined time period, the vacuum vessel can be used without depending on the type of residual gas based on the time-series data of the measured electron emission current value. The degree of vacuum inside can be estimated. Even if the degree of vacuum is high vacuum or ultra-high vacuum, the degree of vacuum can be estimated. For this reason, the degree of vacuum in a high-vacuum or ultrahigh-vacuum vacuum vessel can be estimated by a simple method without requiring an expensive or large-sized apparatus. Further, since electrons are emitted from the cathode by the cold cathode field emission method, the life of the cathode can be increased as compared with the hot cathode, and the running cost can be reduced.
この第1発明では、前記真空度を推定するステップは、より具体的には、例えば、前記計測された所定時間の期間分の電子放出電流の値の時系列データに基づいて、単位時間当たりに前記陰極への物理的吸着を起こした残留ガスの分子または原子の個数を推定するステップを備えることによって、その推定した個数に基づいて前記真空容器内の真空度を推定することができる(第2発明)。 In the first aspect of the invention, more specifically, the step of estimating the degree of vacuum includes, for example, per unit time based on time-series data of the value of the electron emission current for the measured predetermined time period. By providing a step of estimating the number of molecules or atoms of residual gas that has caused physical adsorption on the cathode, the degree of vacuum in the vacuum vessel can be estimated based on the estimated number (second). invention).
すなわち、前記したように陰極への残留ガスの分子または原子の物理的吸着とこれに続く離脱とに起因して、前記電子放出電流のスパイク状の変動が発生し、そのスパイク状の部分が前記所定時間の期間分の電子放出電流の値の時系列データに含まれる。そして、詳細な説明は後述するが、このスパイク状の部分における電子放出電流の変動量は、陰極に対して物理的吸着を起こした残留ガスの分子または原子の個数に応じたものとなる。このため、前記所定時間の期間分の電子放出電流の値の時系列データに基づいて、単位時間当たりに前記陰極への物理的吸着を起こした残留ガスの分子または原子の個数を推定することが可能である。さらに、真空容器内の真空度が高いほど、該真空容器内に存在する残留ガスの分子または原子の総個数が少ないので、真空容器内の残留ガスの分子または原子が陰極に対する物理的吸着を起こす頻度(確率)が低くなる。 That is, as described above, due to the physical adsorption of molecules or atoms of residual gas to the cathode and subsequent desorption, spike-like fluctuations of the electron emission current occur, and the spike-like portion is It is included in the time-series data of the value of the electron emission current for a predetermined time period. Although detailed description will be given later, the fluctuation amount of the electron emission current in the spike-like portion depends on the number of molecules or atoms of the residual gas that has caused physical adsorption on the cathode. Therefore, it is possible to estimate the number of molecules or atoms of the residual gas that has caused physical adsorption to the cathode per unit time based on the time-series data of the value of the electron emission current for the predetermined time period. Is possible. Further, the higher the degree of vacuum in the vacuum vessel, the smaller the total number of residual gas molecules or atoms present in the vacuum vessel, so that the residual gas molecules or atoms in the vacuum vessel cause physical adsorption to the cathode. The frequency (probability) is low.
従って、単位時間当たりに前記陰極への物理的吸着を起こした残留ガスの分子または原子の個数は、真空容器内の真空度が高いほど、少なくなる。このため、単位時間当たりに前記陰極への物理的吸着を起こした残留ガスの分子または原子の個数を推定することによって、その推定した個数に基づいて真空容器内の真空度を適切に推定することができる。 Therefore, the number of molecules or atoms of the residual gas that has physically adsorbed to the cathode per unit time decreases as the degree of vacuum in the vacuum vessel increases. For this reason, by estimating the number of molecules or atoms of residual gas that has caused physical adsorption to the cathode per unit time, the degree of vacuum in the vacuum vessel can be estimated appropriately based on the estimated number. Can do.
なお、本発明においては、前記陰極の材質は、いわゆる仕事関数の値が比較的高い材質(例えば4.5eV以上の仕事関数を有する材質)を用いることが好ましく、その材質としては、例えばカーボン系の材質や金(Au)、タングステン(W)、レニウム(Re)、ニッケル(Ni)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)などが挙げられる。 In the present invention, it is preferable to use a material having a relatively high work function value (for example, a material having a work function of 4.5 eV or more) as the material of the cathode. And gold (Au), tungsten (W), rhenium (Re), nickel (Ni), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), and the like.
本発明の一実施形態を図1〜図4を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本実施形態の残留ガス判別方法に使用する装置の概略構成を示す図、図2および図3は図1の装置を使用して計測される電子放出電流を例示するグラフ、図4(a),(b)は真空容器内の真空度を推定する手法を説明するための図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus used in the residual gas discrimination method of the present embodiment, FIGS. 2 and 3 are graphs illustrating an electron emission current measured using the apparatus of FIG. (a), (b) is a figure for demonstrating the method of estimating the vacuum degree in a vacuum vessel.
図1を参照して、1は真空引きされた真空容器である。この真空容器1の内部には、加熱用フィラメント2、陰極3、引出し電極(陽極)4およびファラデーカップ5が収容されている。真空容器1の材質は例えば石英ガラス、無酸素銅、又はステンレスである。
Referring to FIG. 1, reference numeral 1 denotes a vacuum container that is evacuated. Inside the vacuum vessel 1, a heating filament 2, a
加熱用フィラメント2は、その両端部が、それぞれ真空容器1の一端部(図では下端部)に装着された金属製(導電性)の保持部材6a,6bに導通して保持されている。本実施形態では、加熱用フィラメント2は、タングステン(W)から成る。そして、保持部材6a,6bには、真空容器1の外部に設けられた加熱用直流電源7の正極および負極がそれぞれ接続されている。これにより、加熱用フィラメント2には加熱用直流電源7から通電可能とされ、その通電によって該フィラメント2が発熱するようになっている。
Both ends of the heating filament 2 are conductively held by metal (conductive) holding
この場合、加熱用直流電源7は、加熱用フィラメント2に通電する電流値を可変的に設定可能な電源であり、例えば0〜2Aの範囲で、該電流値を変更可能とされている。これにより、該フィラメント2の発熱温度を調整可能としている。なお、加熱用直流電源7の出力電圧の範囲は、例えば0〜5Vである。 In this case, the heating DC power source 7 is a power source capable of variably setting a current value to be supplied to the heating filament 2, and the current value can be changed in a range of 0 to 2A, for example. Thereby, the heat generation temperature of the filament 2 can be adjusted. In addition, the range of the output voltage of the direct current power supply 7 for a heating is 0-5V, for example.
陰極3は、加熱用フィラメント2に固着され、該フィラメント2に導通されている。本実施形態では、陰極3は、カーボン系の材質から成り、その先端部(電子放出部)がカーボン・ナノ・チューブ(CNT)等により構成されている。そして、陰極3は、加熱用フィラメント2にカーボンペースト等を介して接着されている。この場合、陰極3は、加熱用フィラメント2の熱が伝達されるので、加熱用直流電源7から該フィラメント2に通電する電流値を調整することによって、陰極3の温度を変更可能とされている。
The
また、陰極3には、前記保持部材6a,6bのうちの一方、例えば保持部材6bを介して直流高圧電源8の負極に接続されている。該直流高圧電源8は、真空容器1の外部に設けられており、その正極が接地されている。従って、陰極3には、直流高圧電源8から、接地部に対して負の高電圧が印加されるようになっている。該直流高圧電源8の出力電圧(接地部に対する陰極3の印加電圧)の大きさは例えば5kV程度の一定値とされている。
The
ファラデーカップ5は、陰極3から放出される電子を捕捉するものであり、真空容器1の他端部(図では上端部)に陰極3と対向して固設されている。このファラデーカップ5は、真空容器1の外部に設けられた電流計9を介して接地部に接続されている。これより、ファラデーカップ9で捕捉された電子数に応じた電流が電流計9に流れるようになっている。この場合、電流計9として、ピコオーダの電流を検出可能なもの(ピコアンメータ)が用いられている。そして、該電流計9の検出出力が真空容器1の外部に設けられたデータ処理器10に入力されるようになっている。このデータ処理器10は、電流計9の検出出力が示す電流の計測値の時系列データを記録し、その時系列データの解析や表示などを行なうものである。
The Faraday cup 5 captures electrons emitted from the
引出し電極4は、導電性の板状部材から成り、陰極3とファラデーカップ5との間に配置されている。なお、引出し電極4は、図示しないホルダーを介して真空容器1に保持されている。この引出し電極4には、陰極3の軸線上で貫通穴4aが開設されている。該貫通穴4aは、陰極3から放出される電子をファラデーカップ5に向かって通過させるものである。
The extraction electrode 4 is made of a conductive plate member and is disposed between the
また、引出し電極4には、真空容器1の外部に設けられた直流高圧電源11の負極が接続されている。該直流高圧電源11は、その正極が接地部に接地されている。これにより、引出し電極4には、直流高圧電源11から、接地部に対して負の高電圧が印加されるようになっている。この場合、直流高圧電源11の出力電圧(接地部に対する引出し電極4の印加電圧)の大きさは、前記陰極3側の直流高圧電源8の出力電圧の大きさよりも小さく、例えば2kV程度の一定値とされている。従って、本実施形態では、引出し電極4と陰極3との間には、直流高圧電源8,11の協働によって、3kV程度の一定の高電圧が印加されるようになっている。なお、引出し電極4と陰極3との間に単一の直流高圧電源から一定の高電圧を印加するようにしてもよい。
The extraction electrode 4 is connected to a negative electrode of a DC high-voltage power supply 11 provided outside the vacuum vessel 1. The DC high-voltage power supply 11 has its positive electrode grounded to the grounding part. As a result, a negative high voltage is applied to the extraction electrode 4 from the DC high-voltage power supply 11 with respect to the ground portion. In this case, the output voltage of the DC high-voltage power supply 11 (the voltage applied to the extraction electrode 4 with respect to the ground portion) is smaller than the output voltage of the DC high-voltage power supply 8 on the
以上のように構成された装置では、直流高圧電源8,11からそれぞれ陰極3、引出し電極4に電圧を付与し、該陰極3と引出し電極4との間に高電圧を印加すると、冷陰極電界放出方式によって、陰極3の先端部から電子が放出される。そして、この放出された電子の一部は、引出し電極4の貫通穴4aを通過して、ファラデーカップ5で補足される。このとき、ファラデーカップ5と接地部との間で電流計9を介して電流が流れ、その電流が電流計9で検出される。さらに、この電流計9の検出出力がデータ処理器10に入力されることとなる。なお、電流計9で検出される電流は、陰極3から単位時間当たりに放出される電子数にほぼ比例する。従って、電流計9で検出される電流は、本発明における電子放出電流に相当する。そこで、電流計9で検出される電流を以下、電子放出電流という。
In the apparatus configured as described above, when a voltage is applied to the
また、加熱用直流電源7からフィラメント2に通電する電流値を調整することによって、陰極3の温度を種々様々の値に変更することができる。
Further, the temperature of the
なお、上記のようにファラデーカップ5を使用して電子放出電流を検出する代わりに、例えば、前記直流高圧電源8から陰極3に流れる電流を電子放出電流として検出するようにしてもよい。また、本実施形態では、加熱用フィラメント2に通電する電流値を変更可能とし、ひいては、陰極3の温度を変更可能としているが、該陰極3の温度があらかじめ定めた1つの所定の温度に保持されるような、一定の電流を加熱用フィラメント2に通電するようにしてもよい。
Instead of detecting the electron emission current using the Faraday cup 5 as described above, for example, a current flowing from the DC high voltage power supply 8 to the
次に、以上説明した装置を使用して、真空容器1内の真空度の推定を行なう手法を説明する。 Next, a method for estimating the degree of vacuum in the vacuum vessel 1 using the apparatus described above will be described.
まず、真空度の推定手法の原理を説明する。陰極3の温度をある一定温度に保持した状態で、上記の如く冷陰極電界放出方式によって陰極3から電子を放出させ、このときに前記電子放出電流(単位時間当たりに陰極3から放出される電子数に応じた電流)を経時的に逐次計測すると、例えば図2あるいは図3のグラフで示すような計測データが得られる。なお、図2および図3の例では、陰極3の温度はそれぞれ300K、1203Kである。また、真空容器1内の真空度は5×10−6Torr(=6.7×10−4Pa)である。また、電子放出電流の計測のサンプリングタイムを10ms以下に設定している。また、図2および図3の電子放出電流の計測データは、400秒の期間における計測データである。
First, the principle of the method for estimating the degree of vacuum will be described. While maintaining the temperature of the
図2および図3に示すように、電子放出電流は、スパイク状の変動(揺らぎ)を生じる。これは、陰極3の電子放出部(本実施形態ではカーボン・ナノ・チューブ)に対して、真空容器1内の残留ガスの原子または分子の物理的吸着とこれに続く離脱とが瞬時的に発生することに起因して、陰極3の電子放出部の仕事関数がスパイク状に変化するためであると考えられる。なお、図2および図3の例では、陰極3への残留ガスの原子または分子の物理的吸着に起因する電子放出電流のスパイク状の変動以外のノイズ成分も含まれている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electron emission current causes spike-like fluctuations (fluctuations). This is because the physical adsorption of the atoms or molecules of the residual gas in the vacuum vessel 1 and subsequent detachment instantaneously occur with respect to the electron emission portion of the cathode 3 (carbon nano tube in this embodiment). This is probably because the work function of the electron emission portion of the
上記のように陰極3への残留ガスの物理的吸着に起因して電子放出電流が変動する現象についてさらに説明する。本実施形態では、陰極3の材質がカーボン系の材質であるので、その電子放出部に残留ガスの物理的吸着が生じていない状態(以下、ガス未吸着状態という)での該電子放出部の仕事関数が比較的高い。その仕事関数の値は、4.5eV程度である。そして、このようにガス未吸着状態での仕事関数が比較的高い材質で陰極3の電子放出部が構成されている場合には、残留ガスの種類によらずに、該残留ガスの陰極3への物理的吸着に起因して、該陰極3の電子放出部の仕事関数がガス未吸着状態よりも減少し、ひいては、陰極3から電子が放出し易くなって、電子放出電流が増加する傾向がある。
The phenomenon in which the electron emission current fluctuates due to the physical adsorption of the residual gas on the
また、陰極3への残留ガスの分子または原子の物理的吸着を起こしている該分子または原子の個数(以下、単に残留ガスの吸着個数という)が多いほど、陰極3の電子放出部の仕事関数の減少量(ガス未吸着状態での仕事関数の値からの減少量)が大きくなる。このため、陰極3への残留ガスの吸着個数が多いほど、電子放出電流の増加量(ガス未吸着状態での電子放出電流の値からの増加量)が大きくなる。このように電子放出電流が残留ガスの陰極3への物理的吸着に起因して変化する現象は、定量的には次式(1)により表現される。
The work function of the electron emission portion of the
I(n)=i0+η・n ……(1)
なお、I(n)は陰極3の電子放出部への残留ガスの吸着個数がn個である場合の電子放出電流の値、i0はガス未吸着状態での電子放出電流の値、ηは電子放出部への残留ガスの吸着個数の1個あたりの電子放出電流の増加量である。
I (n) = i0 + η · n (1)
Here, I (n) is the value of the electron emission current when the number of residual gases adsorbed to the electron emission portion of the
従って、電子放出電流の変動は、原理的には、例えば図4(a),(b)に示すように生じると考えられる。これらの図4(a),(b)は電子放出電流にノイズ成分が混入しない、ガス未吸着状態での電子放出電流の値i0が正確に一定値に保持される、陰極3の温度が正確に一定値に保持されるなどの理想的な条件下での電子放出電流の変動(陰極3への残留ガスの物理的吸着に起因する変動)を概念的に示すものである。この場合、図4(a)は、真空容器1の真空度が比較的高い場合における電子放出電流の変動を示し、図4(b)は、真空容器1の真空度が比較的低い場合における電子放出電流の変動を示している。また、図4(a),(b)におけるスパイク状の部分の高さ(スパイク状の部分の電子放出電流の変化量)が残留ガスの吸着個数に対応している。すなわち、電子放出電流のピーク値がI1,I2,I3,I4であるスパイク状の部分は、それぞれ、陰極3への残留ガスの瞬時的な吸着個数が1個、2個、3個、4個である場合に対応している。
Therefore, in principle, the fluctuation of the electron emission current is considered to occur as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), for example. 4 (a) and 4 (b) show that the noise component is not mixed in the electron emission current, the value i0 of the electron emission current in the gas non-adsorbed state is accurately maintained at a constant value, and the temperature of the
これらの図4(a),(b)に示すように、真空容器1の真空度が高いほど(真空容器1内の残留ガスの分子または原子の総個数もしくは密度が少ないほど、あるいは、真空容器1内の全圧が小さいほど)、陰極3への残留ガスの物理的吸着に起因して電子放出電流が瞬時的にスパイク状に変化する頻度が低くなり、あるいは、陰極3への瞬時的な残留ガスの吸着個数が少なくなる確率が高まる。これは、真空度が高いほど、真空容器1内の残留ガスの分子または原子の個数が少ないので、陰極3と残留ガスの分子または原子が接触する確率が低いからである。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the higher the degree of vacuum of the vacuum vessel 1 (the lower the total number or density of molecules or atoms of the residual gas in the vacuum vessel 1, or the vacuum vessel The smaller the total pressure in 1), the lower the frequency at which the electron emission current instantaneously spikes due to the physical adsorption of the residual gas on the
補足すると、陰極3の温度が高いほど、該陰極3への残留ガスの物理的吸着が生じ難くなる。このため、陰極3への残留ガスの物理的吸着が生じる頻度、ひいては、電子放出電流のスパイク状の変動が生じる頻度は、真空容器1の真空度が同じであっても、陰極3の温度が高いほど、低くなる。換言すれば、陰極3の温度が高いほど、電子放出電流のスパイク状の変動が発生し難くなって、該電子放出電流が安定化する。この傾向は、前記図2および図3にも示されている。
Supplementally, as the temperature of the
以上のことから、陰極3の温度を一定に保持した状態で、陰極3への単位時間当たりの残留ガスの吸着個数を推定すれば、その個数は、真空容器1の全圧にほぼ比例し、真空容器1の真空度が高いほど、少なくなる。従って、その単位時間当たりの残留ガスの吸着個数を、真空度を推定するための指標として用いることができる。この場合、ある所定時間の期間(例えば60秒の期間)における電子放出電流の計測データ(時系列データ)から、陰極3への残留ガスの物理的吸着に起因するスパイク状の部分を抽出し、その各スパイク状部分における電子放出電流の変化量を基に、そのスパイク状部分に対応する残留ガスの吸着個数を推定することが可能である。さらに、当該所定時間の期間における各スパイク状部分に対応する残留ガスの吸着個数の総和を求めれば、単位時間当たりの残留ガスの吸着個数を推定することが可能である。これが、本実施形態において、真空容器1内の真空度を推定する手法の基本的な原理である。
From the above, if the number of residual gas adsorbed per unit time on the
以上説明した原理を踏まえて、本実施形態における真空容器1内の真空度の推定処理を以下に説明する。この処理は、以下に示す手順で実行される。
(手順1)まず、加熱用直流電源7から加熱用フィラメント2に一定の電流を通電することにより、陰極3の温度をある一定温度に制御する。この場合、制御すべき陰極3の温度(目標温度)は、あらかじめ定められ、例えば、1000Kとする。ここで、本実施形態では、フィラメント2に通電する電流の値と、陰極3の温度(定常状態での温度)との関係を表すデータ(以下、電流・温度データという)があらかじめ比色温度計や放射温度計を使用して実測されている。そして、陰極3の目標温度に対応する電流値を上記電流・温度データに基づいて決定する。さらにその決定した電流値の電流を加熱用フィラメント2に加熱用直流電源7から連続的に通電する。これにより、陰極3の温度をあらかじめ定めた目標温度に保持する。
(手順2)次いで、上記のように陰極3の温度を上記目標温度に保持した状態で、前記直流高圧電源8,11を動作させることにより、陰極3と引出し電極4との間に一定の高電圧(本実施形態では3kV程度)を印加し、陰極3から電子を放出させる。そして、この電子の放出を連続的に行いながら、前記電流計9の検出出力、すなわち、電子放出電流の計測値をあらかじめ定めた所定時間(例えば60秒)の期間分、データ処理部10に逐次取り込んで記録する。なお、この場合、所定時間は、基本的には、その時間の期間内で、陰極3への残留ガスの物理的吸着が複数回、発生し得るような長さの時間に設定しておけばよい。また、当該所定時間の期間には、陰極3からの電子の放出を開始した直後の期間を含めないようにしてもよい。
(手順3)次いで、前記手順2で得られた電子放出電流の計測値の時系列データの全体、あるいは、該時系列データのうちの一部の所定時間分の期間における時系列データから、陰極3への残留ガスの物理的吸着に起因して生じるスパイク状の部分を抽出する。この場合、例えば電子放出電流の計測値の時系列データにより表される電子放出電流の波形において、微分値が所定値以上となり、且つ、電子放出電流の変化量が所定値以上となる部分を、残留ガスの物理的吸着に起因して生じるスパイク状の部分として抽出すればよい。そして、その抽出した各スパイク状の部分における電流の変化量(スパイク状の部分のピーク値と、前記ガス未吸着状態での電子放出電流の値i0との差)を求め、その各スパイク状の部分の電流の変化量から、該スパイク状部分に対応する残留ガスの吸着個数を求める。なお、この場合、前記ガス未吸着状態での電子放出電流の値i0は、例えば電子放出電流の計測値の時系列データにローパス特性のフィルタリング処理を施すことで、求めることができる。また、残留ガスの吸着個数の1個当たりの電子放出電流の変化量(すなわち、前記式(1)のη)は、あらかじめ実験などを基に同定しておけばよい。
(手順4)次いで、上記の如く求めた各スパイク状部分に対応する残留ガスの吸着個数を加え合わせることにより、所定時間の期間における残留ガスの吸着個数の総和(総吸着個数)を求める。そして、その求めた総吸着個数を、当該期間の時間で除算することにより、陰極3への単位時間当たりの残留ガスの吸着個数が求められる。例えば、図4(a)の如くスパイク状部分が抽出された場合において、上記総吸着個数を求める期間を0〜60秒の期間とした場合、総吸着個数は3個となる。また、図4(b)の如くスパイク状部分が抽出された場合には、0〜60秒の期間における総吸着個数は、26個となる。従って、単位時間当たりの吸着個数は、図4(a)の例では、3/60個となり、図4(b)の例では、26/60個となる。なお、単位時間を1秒とする必要はなく、例えば60秒を単位時間としてもよい。この場合には、単位時間当たりの吸着個数は、図4(a)の例では、3個、図4(b)の例では26個となる。
Based on the principle described above, the process of estimating the degree of vacuum in the vacuum container 1 in this embodiment will be described below. This process is executed in the following procedure.
(Procedure 1) First, a constant current is applied to the heating filament 2 from the heating DC power source 7 to control the temperature of the
(Procedure 2) Next, the DC high voltage power supplies 8 and 11 are operated in a state where the temperature of the
(Procedure 3) Next, from the entire time-series data of the measured values of the electron emission current obtained in the procedure 2 or a part of the time-series data for a predetermined time, the cathode A spike-like portion generated due to physical adsorption of residual gas to 3 is extracted. In this case, for example, in the waveform of the electron emission current represented by the time-series data of the measured value of the electron emission current, a portion where the differential value is equal to or greater than a predetermined value and the amount of change in the electron emission current is equal to or greater than the predetermined value, What is necessary is just to extract as a spike-like part resulting from the physical adsorption | suction of residual gas. Then, the amount of change in the current in each extracted spike-like part (difference between the peak value of the spike-like part and the value of the electron emission current i0 in the gas non-adsorbed state) is obtained, and each spike-like part is obtained. From the amount of change in the current of the portion, the number of residual gas adsorbed corresponding to the spike-like portion is obtained. In this case, the value i0 of the electron emission current in the gas non-adsorbed state can be obtained, for example, by subjecting the time series data of the measured value of the electron emission current to a low pass characteristic filtering process. Further, the amount of change in the electron emission current per one of the number of residual gas adsorbed (that is, η in the above formula (1)) may be identified based on experiments in advance.
(Procedure 4) Next, by adding together the number of adsorption of the residual gas corresponding to each spike-like portion obtained as described above, the total number of adsorption of the residual gas (total number of adsorption) in a predetermined time period is obtained. Then, by dividing the obtained total adsorption number by the time of the period, the adsorption number of the residual gas per unit time on the
補足すると、残留ガスの吸着個数の総和(総吸着個数)を求める期間の時間が長いほど、超高真空を含めて、より高い真空度の推定を行なうことが可能である。
(手順5)次いで、上記のように求めた陰極3への単位時間当たりの残留ガスの吸着個数を基に、真空度を推定する。すなわち、求められた残留ガスの吸着個数に、あらかじめ実験的に決定された比例定数を乗じることにより、真空容器1内の全圧を推定する。なお、比例定数は、陰極3の温度を前記目標温度に保持した状態に対応して、公知の真空計などを使用して実験的に決定された値である。これにより、真空容器1内の真空度が推定されることとなる。
Supplementally, the longer the period of time for obtaining the total number of adsorbed residual gases (total number of adsorbed), the higher the degree of vacuum, including ultra-high vacuum, can be estimated.
(Procedure 5) Next, the degree of vacuum is estimated based on the number of residual gases adsorbed per unit time to the
以上が、本実施形態における真空度の推定処理の詳細である。 The above is the detail of the estimation process of the vacuum degree in this embodiment.
このような処理によって、高価な装置や大型な装置、もしくは複雑な装置を必要とすることなく、安価で簡単な装置を使用しつつ、真空容器1内の真空度(高真空あるいは超高真空の真空度)を簡易な手法で推定できる。また、真空容器1内の残留ガスの種類に依存することなく、高真空あるいは超高真空の真空度を適切に推定できる。 With such a process, the degree of vacuum in the vacuum vessel 1 (high vacuum or ultra-high vacuum) can be used while using an inexpensive and simple device without requiring an expensive device, a large device, or a complicated device. The degree of vacuum) can be estimated by a simple method. Further, the degree of vacuum of high vacuum or ultra high vacuum can be appropriately estimated without depending on the type of residual gas in the vacuum vessel 1.
なお、本実施形態では、真空容器1の真空度を推定するとき、陰極3の温度を1つの目標温度に保持した状態での電子放出電流の計測データを用いたが、陰極3の2つ以上の種類の目標温度にそれぞれ対応して得られる電子放出電流の計測データを用いてもよい。この場合には、例えば、陰極3の温度を各目標温度に保持した状態で、前記手順2と同じ処理によりそれぞれ得られる計測データから、各々、前記手順3〜5によって真空度を推定し、それらの真空度の平均値を真空容器1の実際の真空度として推定するようにすればよい。
In the present embodiment, when the degree of vacuum of the vacuum vessel 1 is estimated, the measurement data of the electron emission current in a state where the temperature of the
また、本実施形態では、陰極3の材質としてカーボン系の材質を使用したが、これ以外にも、金(Au)、タングステン(W)、レニウム(Re)、ニッケル(Ni)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)などの材質で陰極3を構成してもよい。
In the present embodiment, a carbon-based material is used as the material of the
1…真空容器、3…陰極。 1 ... vacuum container, 3 ... cathode.
Claims (2)
前記真空容器内に配置された陰極から冷陰極電界放出方式により電子を放出させ、この時に該陰極から放出される電子の電流量である電子放出電流を少なくとも所定時間の期間分、逐次計測する処理を、前記陰極の温度をあらかじめ定めた所定温度に保持した状態で実行するステップと、その計測された前記所定時間の期間分の電子放出電流の値の時系列データに基づいて前記真空容器内の真空度を推定するステップとを備えることを特徴とする真空度推定方法。 A vacuum level estimation method for estimating a vacuum level in a vacuumed vacuum container,
A process in which electrons are emitted from a cathode disposed in the vacuum vessel by a cold cathode field emission method, and an electron emission current, which is an amount of electrons emitted from the cathode at this time, is sequentially measured for at least a predetermined time period. In a state in which the temperature of the cathode is held at a predetermined temperature, and the time series data of the electron emission current values for the measured predetermined time period. And a step of estimating a degree of vacuum.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007001351A JP2008170175A (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Method for estimating degree of vacuum |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007001351A JP2008170175A (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Method for estimating degree of vacuum |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008170175A true JP2008170175A (en) | 2008-07-24 |
Family
ID=39698428
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007001351A Pending JP2008170175A (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Method for estimating degree of vacuum |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008170175A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012503199A (en) * | 2008-09-19 | 2012-02-02 | ブルックス オートメーション インコーポレイテッド | Ionization gauge to control emission current and bias voltage |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH042937A (en) * | 1990-04-20 | 1992-01-07 | Hitachi Ltd | Measuring method and apparatus of superhigh vacuum |
-
2007
- 2007-01-09 JP JP2007001351A patent/JP2008170175A/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH042937A (en) * | 1990-04-20 | 1992-01-07 | Hitachi Ltd | Measuring method and apparatus of superhigh vacuum |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012503199A (en) * | 2008-09-19 | 2012-02-02 | ブルックス オートメーション インコーポレイテッド | Ionization gauge to control emission current and bias voltage |
US8947098B2 (en) | 2008-09-19 | 2015-02-03 | Mks Instruments, Inc. | Ionization gauge with emission current and bias potential control |
US9383286B2 (en) | 2008-09-19 | 2016-07-05 | Mks Instruments, Inc. | Ionization gauge with emission current and bias potential control |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sheehan et al. | Emissive probes | |
Ehrlich | Kinetic and experimental basis of flash desorption | |
JP5127042B2 (en) | Ionization gauge | |
JP5054226B2 (en) | Oxygen detection method, air leak discrimination method, gas component detection device, and vacuum processing device | |
US7332714B2 (en) | Quadrupole mass spectrometer and vacuum device using the same | |
US8766542B2 (en) | Field-emission electron gun and method for controlling same | |
JP2017015738A (en) | Ionization vacuum gage and pressure measuring method | |
CN107993908B (en) | A kind of ion gauge and its application method based on field-transmitting cathode electron source | |
CN104995504B (en) | Discharge Ionization Current Detector | |
Leonhardt et al. | Plasma diagnostics in large area plasma processing system | |
JP4206598B2 (en) | Mass spectrometer | |
Ohno et al. | Influence of plasma resistance and fluctuation on probe characteristics in detached recombining plasmas | |
Knapp et al. | Carbon buckypaper field emission investigations | |
JP2008170175A (en) | Method for estimating degree of vacuum | |
JP4837572B2 (en) | Residual gas discrimination method | |
JP4932532B2 (en) | Method for detecting partial pressure of specific gas and quadrupole mass spectrometer | |
US10999918B2 (en) | X-ray tube and X-ray generation device | |
WO2015053300A1 (en) | Electron microscope | |
JP2009244073A (en) | Ionization type gas sensor | |
JPWO2020161795A1 (en) | Charged particle beam device | |
Mamontov et al. | Electrical properties of He-induced W" fuzz" within the pre-breakdown and breakdown regimes | |
JP3125002B2 (en) | Field emission vacuum gauge | |
Sougrati et al. | Gas counter for low temperature conversion electron Mössbauer spectroscopy experiments | |
JP5148104B2 (en) | Vacuum measuring method and vacuum gauge | |
JP5901142B2 (en) | Hydrogen or helium detector, hydrogen or helium detection method, and leak detector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091116 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20111124 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111129 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120321 |