JP2022521225A - イオン化装置を備えたガス検知器 - Google Patents
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Abstract
【課題】イオン化装置を備えた改良されたガス検知器の提供【解決手段】検出対象のガスに応じてイオンを生成し、捕捉器で当該イオンにより生成された電流を受けるイオン化装置（１２）と、上記電流から電気測定電位を生じる電気測定抵抗（１６）を備えた測定装置（１４）と、を備え、上記測定抵抗は、電気遮蔽抵抗ＲＴにより少なくとも一部が囲まれており、上記測定抵抗及び上記遮蔽抵抗の互いに対向する領域には、上記測定抵抗の長手方向に、最大でも２５％の偏差で同一電位が印加される、ガス検知器（１０）。【選択図】図２
Description
本発明は、検知対象のガス種別に応じてイオンを生成し、当該イオンに応じて電位を生じる、イオン化装置(Ionisiervorrichtung)を備えたガス検知器に関する。
上記イオン化装置として、分圧を測定するためのセクターフィールド質量分析計若しくは四重極質量分析計、又は全圧を測定するためのイオン化真空計などの質量分析計がある。このようなイオン化装置は、特定のガス種別に応じてイオンを生成するように設計される。上記イオンによって生じたイオン電流は、捕捉器によって受け取られる。
測定可能な測定電位をイオン電流から生成する測定装置を使用して、上記生成されたイオン電流を測定する。このため、上記測定装置は、例えばオペアンプを有する電流増幅器を備えて上記イオン電流を増幅する。測定可能な電気測定電位は、例えばオペアンプのフィードバックにおいて上記増幅された電流から電気測定抵抗により生成される。
高速真空用途では、頻繁に使用される低電流領域において、上記電流増幅器は、信号チェーンの中で最も遅いリンクである。本発明によれば、この不都合が回避される。
また、電子増倍管を用いて上記イオン電流を増幅する構成が知られている。これにより、応答時間は短縮されるが、安定性が低下する。
特に、従来は、小さな電流で高オーム抵抗を用いる必要があり、このような抵抗は周囲に対して大きな静電容量を有する。上記測定抵抗の周囲が接地電位に接続されている場合、信号がジャンプした際に増加が生じる。一方、上記測定抵抗の周囲の一部が上記電流増幅器の出力信号上にあると、当該出力信号はゆっくりと増加する。
上記イオンから生じた電流の測定用に従来使用される測定抵抗は、上記測定信号中のノイズ成分を低く抑えるために、およそ５００ギガオームの範囲の高い抵抗を有している。高オームの測定抵抗は、望ましくない寄生浮遊容量（parasitaere Streukapazitaeten）を生じる。
本発明はイオン化装置を備えた改良されたガス検知器を提供することを目的とする。
本発明に係るガス検知器は請求項１に記載の特徴により定義される。
本発明に係るガス検知器は、上記タイプのイオン化装置を備える。本発明によれば、上記測定抵抗は、電気遮蔽抵抗(elektrischen Schirmwiderstand)により少なくとも一部が囲まれており、上記測定抵抗及び上記遮蔽抵抗の互いに対向する領域には、上記測定抵抗の長手方向に、最大２５％の偏差で(bis auf eine Abweichung von maximal 25%)、同一電位が印加される。その結果、上記測定抵抗に亘って生じる電圧降下と同等又はほぼ同一の電圧降下が上記遮蔽抵抗に亘って生じる。これにより、寄生浮遊容量には電流が存在しなくなる。
上記測定抵抗及び上記電気遮蔽抵抗は共に、互いに対向する外側端部を有しており、各外側端部は上記各抵抗の電気的接触に用いられる。上記測定抵抗の２つの端部には、上記遮蔽抵抗の対応する端部とほぼ同一の電位が印加される。言い換えれば、これは、上記測定抵抗の第１の端部には、概ね、つまり、最大２５％の偏差で、上記遮蔽抵抗の第１の端部と同一の電位が印加されることを意味する。上記測定抵抗の第２の端部には、最大２５％の偏差で、上記遮蔽抵抗の第２の端部と同一の電位が印加される。その結果、空間的に分布した態様で、上記測定抵抗及び上記遮蔽抵抗に亘って同一の電位降下が生じることになる。
この場合、上記測定抵抗の一方の端部を上記遮蔽抵抗の一方の端部に電気的に接続し、当該２つの端部に同一電位が印加されるようにすることが好ましい。そして、上記測定抵抗及び上記遮蔽抵抗のそれぞれの他方の端部は、最大２５％の偏差で、接地電位とすることができる。上記最大２５％の偏差は、例えば、下記事実に基づき得る。上記測定抵抗のそれぞれの端部はオペアンプの入力側を介して接地へと接続されるため、上記測定抵抗の関連接続と接地電位との間において上記オペアンプの入力電圧に対応する電位差による降下が依然として生じることになる。
上記遮蔽抵抗の抵抗値は上記測定抵抗の抵抗値より低くすべきである。例えば、上記遮蔽抵抗の抵抗値は最大１メガオームとすることができ、上記測定抵抗の抵抗値は１００ギガオームより大きくすることができる。この場合、上記遮蔽抵抗は低い抵抗値で設計され、これ自体で発生する浮遊容量は無視できるものである。
上記遮蔽抵抗において上記測定抵抗と同一の電圧降下をもたらすために、上記遮蔽抵抗の寸法を上記測定抵抗の寸法と同様とすると好適である。典型的には、上記測定抵抗は、その長さがその高さ及び幅よりも大きい形態で、細長いものである。好ましくは、上記遮蔽抵抗の全長は、上記測定抵抗の長さよりも大きい。この場合、上記遮蔽抵抗の、上記測定抵抗を越えて突出する部分は、同一電位を有する。
上記遮蔽抵抗は、上記測定抵抗を囲むように当該測定抵抗に対して押し込んだ円筒とすることができる。上記円筒状の遮蔽抵抗は、所望の幾何学的寸法に加えて所望の低オーム抵抗値を実現するために、例えば、カーボンチューブとすることができる。
別案として、上記遮蔽抵抗は複数の導電体のチェーンとして形成し、当該複数の導電体はそれぞれ上記測定抵抗を少なくとも一部囲むものとすることができる。低オーム個別抵抗が隣接する導電体間に配置される。上記チェーンの第１の端部は、上記測定抵抗の第１の端部と同一の電位を有する。一方、上記チェーンの反対側の第２の端部は前記測定抵抗の反対側の第２の端部と同一の電位を有する。上記遮蔽抵抗の、上記測定抵抗を越えて突出する部分は、上記測定抵抗のそれぞれの端部と同電位を有する。好ましくは、上記個別抵抗は、それぞれ最大１００キロオームの抵抗値を有する。
上記導電体はそれぞれ上記測定抵抗の周囲で湾曲した又は屈曲した部分を有すると好適である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図１に示すように、ガス検知器１０は、イオン化装置(Ionisiervorrichtung)１２及び測定装置(Messvorrichtung)１４を有する。上記イオン化装置は質量分析計とすることができる。上記測定装置の構成を図２においてさらに詳しく示す。
測定装置１４は、測定抵抗(Messwiderstand)１６と共に、測定電流を増幅するオペアンプ(Operationsverstaerker)（図２において不図示）を有する。本例では、測定抵抗１６は、楕円形の断面を有する円筒形状の細長い構成要素である。上記測定抵抗の長さは、幅及び高さよりも大きい。上記測定抵抗の第１の先端部１８及びその反対側の第２の先端部２０は、上記オペアンプに電気的に接続され、測定抵抗１６の下方で導電体を介して面２２上に支持されている。
測定抵抗１６に隣接して、複数の導電体２２ａ～２２ｆ、２４からなる電気遮蔽抵抗(Schirmwiderstand)ＲＴが形成されており、低オーム個別抵抗(niederohmige Einzelwiderstaende)ＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３、ＲＴ４、ＲＴ５が、隣接する導電体２４間に配置され、当該導電体２４に電気的に接続されている。導電体２４はそれぞれ垂直に突出するピン柱（Stiftpfosten）として設計され、測定抵抗１６を挟んだ両側で２列２６、２８に配置されている。上記２列２６、２８は直線状であり、互いに平行で、測定抵抗１６から等距離の位置で測定抵抗１６に対して平行に配置される。対向する導電体２４同士は電気的に接続され、導電体２４により複数の導電体対のチェーンが形成される。上記チェーンの一方の端部３０は、測定抵抗１６の一方の端部１８と同一の電位を有する。上記測定抵抗は端部１８で測定電流を受けなければならないので、測定抵抗は部分領域２２ａとは電気的に接続されていない。上記チェーンの反対側の他方の端部３２は、測定抵抗１６の他方の端部２０と同一の電位を有する。
導電体２４の導電体対(Leiterpaare)は、二重対(Doppelpaar)として配置されており、導電体２４の導電体対がそれぞれ測定抵抗１６の長手方向に接続されて二重対を形成する。隣接する部分領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ同士はそれぞれ上記個別抵抗ＲＴ１～ＲＴ５の１つを介して接続されている。各個別抵抗間で生じる電圧降下により、隣接する部分領域同士及びそれに対応する隣接する二重対の導電体２４同士は互いに異なる電位となる。
導電体２４は、測定抵抗１６をその側方の両側で遮蔽する。測定抵抗１６は、下方において、導電性の部分領域２２ａ～２２ｆにより遮蔽される。第１の実施形態では、図３に示すように、面２２とは反対側である測定抵抗１６の上側は遮蔽されていない。
測定抵抗１６の上側も遮蔽するために、図４に示す第２の実施形態の導電体２４はそれぞれ屈曲部（abgewinkelten Abschnitt）３４を有する。各導電体はこのようにＬ字状に形成される。同じ列２６又は２８の屈曲部３４は互いに平行に且つ同一方向に揃えられる。図４に示すように、異なる列２６、２８の導電体２４の端部３６同士は互いに揃えられる。異なる列２６、２８の導電体の端部３６間には小さい隙間３８が存在する。
図２において、上記導電体のピン柱は円柱状に形成される。これに限らず、導電体２４の他の形状として、例えば、導電部分面２２ａ～２２ｆの幅に対応する幅を有する平坦な壁片状(wandstueckartige)の要素としてもよい。好ましくは、列２６、２８の隣接する導電体２４及び隣接する部分領域の間には長手方向に、絶縁のための小さな隙間のみが存在し、導電体２４及び部分領域の平坦設計により大きな遮蔽が実現する。
これにより、列２６、２８の導電体はそれぞれ連続する湾曲した導電体で構成することができる。さらに、上記ピン柱の２列から、２本のピン柱はそれぞれ互いに長手方向に接続することができる。これにより、上記抵抗ＲＴの半分が必要となる。
図５の実施形態では、上記導電体２４の代わりに円筒４０として設計された遮蔽抵抗ＲＴが設けられ、当該遮蔽抵抗は測定抵抗１６を周方向に完全に囲んでいる。
図６は、図２に対応する第１の実施形態に係る測定装置１４の電気回路図を示す。遮蔽抵抗ＲＴの長さは測定抵抗１６の全長に相当する、又はそれを超えることが分かる。測定抵抗１６及び遮蔽抵抗ＲＴは、オペアンプＯＰのフィードバック経路の構成要素である。各個別抵抗ＲＴ１～ＲＴ５は数キロオームの範囲の抵抗値を有する。
実施形態では５つの個別抵抗からなる遮蔽抵抗ＲＴが示されている。当該個別抵抗の個数は一例に過ぎない。好ましくは、個別抵抗は隣接する各電気部分領域間に配置される。図２のように、ｎ番目毎の部分領域のみ個別抵抗を介して各隣接する部分領域に接続し、残りの隣接する部分領域同士は別途の抵抗無しで接続してもよい。
図２及び図６における実施形態では、全長が測定抵抗１６の長さよりも大きい遮蔽抵抗ＲＴを示している。これに限らず、遮蔽抵抗ＲＴの全長は測定抵抗１６の長さと同一としてもよい。この場合、対応するさらなる導電体２４の対を備えたさらなる部分領域を、測定抵抗１６の２つの先端部１８、２０を越えて突出する領域に配置することができる。上記追加の部分領域は電気的接続により同一電位とされる。
また、測定抵抗１６の各先端部１８、２０の電気的遮蔽（不図示）のため、例えば、各先端部１８、２０の領域に、垂直に突出する導電性の壁を形成してもよい。その場合、上記突出壁はそれぞれ対応する電気部分領域に接続され、又は当該部分領域と同一電位とされる。
Claims (14)
- 検出対象のガスに応じてイオンを生成し、捕捉器で前記イオンにより生成された電流を受けるイオン化装置（１２）と、
前記電流から電気測定電位を生じる電気測定抵抗（１６）を備えた測定装置（１４）と、を備え、
前記測定抵抗は、電気遮蔽抵抗ＲＴにより少なくとも一部が囲まれており、
前記測定抵抗及び前記遮蔽抵抗ＲＴの互いに対向する領域には、最大２５％の偏差で、同一電位が印加されることを特徴とする、ガス検知器（１０）。 - 請求項１に記載のガス検知器（１０）において、前記測定抵抗の２つの端部のうちの一方は、前記遮蔽抵抗ＲＴの２つの端部のうちの一方と電気的に接続され、これにより、当該端部同士が同一電位を有することを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項２に記載のガス検知器（１０）において、前記測定抵抗及び前記電気遮蔽抵抗ＲＴのそれぞれの他方の端部は、最大２５％の偏差で、接地電位となっていることを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項１～３のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記遮蔽抵抗
ＲＴは前記測定抵抗（１６）よりも低い抵抗値を有することを特徴とする、ガス検知器（１０）。 - 請求項１又は２に記載のガス検知器（１０）において、前記遮蔽抵抗ＲＴの抵抗値は、最大１メガオームであり、前記測定抵抗（１６）の抵抗値は１ギガオームより大きいことを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項１～５のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記測定抵抗
（１６）は、その長さがその高さ及び幅よりも大きい形態で細長くなっており、前記遮蔽抵抗ＲＴは少なくとも前記測定抵抗（１６）の前記長さの大部分を越えて延在することを特徴とする、ガス検知器（１０）。 - 請求項１～６のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記遮蔽抵抗ＲＴの長さは前記測定抵抗（１６）の前記長さよりも大きく、それぞれ異なる電位を有する前記遮蔽抵抗の部分は、前記測定抵抗（１６）のアクティブ領域と同じ長さであることを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項１～７のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記遮蔽抵抗
ＲＴは複数の導電体（２４）のチェーンとして形成され、当該複数の導電体（２４）はそれぞれ前記測定抵抗を少なくとも一部囲んでおり、
個別抵抗（ＲＴ１・・・ＲＴＮ）は隣接する前記導電体（２４）間に配置され、
前記チェーンの一方の端部（３０）は前記測定抵抗（１６）の一方の端部（１８）と同一の電位を有し、前記チェーンの他方の端部（３２）は前記測定抵抗の他方の端部（２０）と同一の電位を有することを特徴とする、ガス検知器（１０）。 - 請求項８に記載のガス検知器（１０）において、前記測定抵抗の下方の面（２２）の各導電部分面（２２ａ～２２ｆ）上で前記測定抵抗（１６）を挟んだ両側に、各々２つの導電体（２４）が対になって配置され、前記各導電部分面（２２ａ～２２ｆ）に電気的に接続されていることを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項８又は９に記載のガス検知器（１０）において、前記導電体（２４）はそれぞれピン柱として設計されることを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項８～１０のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記導電体（２４）はそれぞれ前記測定抵抗（１６）を挟んだ両側で突出することを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項８～１１のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記導電体（２４）はそれぞれ前記測定抵抗（１６）の周囲で湾曲した又は屈曲した部分（３４）を有することを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項１～１２のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、２つの隣接する導電体（２４）がそれぞれ電気的に互いに接続されて二重対をなすことを特徴とする、ガス検知器（１０）。
- 請求項１～１３のいずれか一項に記載のガス検知器（１０）において、前記遮蔽抵抗ＲＴは前記測定抵抗（１６）を囲む円筒（４０）として設計されることを特徴とする、ガス検知器（１０）。
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