JP2772687B2 - 電離真空計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は10^-9Pa以下の極高真空領域の圧力を測定す
ることができる電離真空計に関するものである。

（従来の技術） 電離真空計は、圧力をＰ、フィラメントからの電子電
流をI_e、電離真空計係数をＳとおくと、イオンコレクタ
に流れこむイオン電流I_sは次式で示される。

I_s＝Ｓ・Ｐ・I_e ……（１） このような式で示される電離真空計において、圧力Ｐ
の低下に対応してイオン電流I_sが減少し、イオン電流I_s
が雑音信号I_nと等しくなったとき（I_s＝I_n）の圧力を測
定限界圧力P_uと呼んでいる。

したがって、極高真空領域での圧力測定を可能にする
ためには、雑音信号I_nを減少させることが重要である。

そこで、雑音信号I_nの原因となるものを列挙すると、 熱電子がグリッドを叩いたときに発生するＸ線がイオ
ンコレクタより放射させる光電子による電流I_x、 動作中の温度上昇に起因する電流I_th、 フィラメント物質が蒸発してその蒸気がイオン化され
ることによるイオン電流I_k、 熱電子がグリッドの表面を叩いたときにグリッド表面
に吸着していた気体を中性粒子又はイオンの状態で放出
することによる電流I_{de s} などがある。

したがって、雑音信号I_nは次式で示される。

I_n＝I_x＋I_th＋I_k＋I_{de s} ……（２） しかしながら、従来の電離真空計においては、は、雑
音信号I_nの中でも、特にI_xの占める割合が大きく、最も
大きな雑音源になっていたから、I_x以外の雑音を無視し
て、I_nが近似的に次式で示されるものと広く考えられて
来た。

I_n＝I_x ……（３） このI_xは、Ｘ線光電流発生係数をＹとすると、次式で
示される。

I_x＝Ｙ・I_e ……（４） そこで、測定限界圧力P_uのときには、I_s＝I_xの状態に
なっていると考えると、上記（１）式及び（４）式よ
り、次式が成立する。

Ｓ・P_u・I_e＝Ｙ・I_e ……（５） （５）式を変形すると、次式で示されるようになる。

P_u＝Y/S ……（６） この（６）式にしたがえば、P_uを引き下げるために
は、Ｙを小さくすることと、Ｓを大きくすることとが同
等に重要であることになる。

そこで、従来は、まず、Ｙの値を小さくするために、
例えば、Redheadが作成した第３図に示されるエキスト
ラクター真空計が開発された。このエキストラクター真
空計は、グリッド（Ｘ線発生部）１とイオンコレクタ２
との間にＸ線に対する遮蔽板３を置き、この遮蔽板３の
穴からイオンだけをイオンコレクタ２側に引き出して測
定するものである。なお、図において、４はフィラメン
ト、５はイオンリフレクタである。

しかしながら、上記エキストラクター真空計で圧力を
測定しようとした場合、動作中の温度上昇に起因する電
流I_thの影響が生じる。即ち、真空計の動作中、電極温
度の上昇による電極およびその周辺からの脱ガスのため
に、圧力が上昇し、10^-9Pa以下の極高真空領域での圧力
の測定が困難になる傾向があった。また、グリッド１表
面から中性粒子やイオンが放出されることによる雑音信
号I_{de s}やフィラメント物質が蒸発してその蒸気がイオ
ン化されることによる雑音信号I_Kなども測定を妨害して
いる可能性が大きかった。

このことは、先に（２）式から（３）式に進むとき
に、I_x以外の雑音を無視したことが、極高真空の測定に
おいて正しくなかったことを示している。即ち、（６）
式において、Ｙを小さくすることと、Ｓを大きくするこ
とは本当は同等ではなく、Ｙを小さくするだけでは不十
分なのである。

以上のことを換言すると、次のように言うこともでき
る。即ち、Ｙを小さくすると、（４）式から明らかなよ
うにI_xが減少し、（２）式におけるI_xを小さくすること
ができるが、I_xをある程度より小さくすると、I_th、
I_k、I_{de s}などの影響が目だつようになり、I_nは全体と
して減少しなくなる。そのためにＹを小さくするだけで
はP_uを引き下げることができないのである。

そこで、低いP_uを得る手段として、（６）式における
Ｓを大きくする場合を考察する。すると、この場合には
（１）式から明らかなように、同一強度の信号I_sを得る
ために必要とされるI_eが小さいのである。すると、
（４）式から明らかなようにI_xは少なく、この点では
（４）式が示すようにＹが小さい場合と同様である。し
かし、同じようにI_xが少ないといっても、この場合に
は、必要な熱電子の量I_eが少ないのであるから、単に、
I_xが小さくなるだけでなく、I_th、I_k、I_{de s}などがすべ
て小さくなり、確実にP_uを小さくすることが出来るので
ある。したがって、極高真空で測定できる真空計は、Ｓ
の大きな真空計でなければならない。

この事情は、従来、充分に確認されていたわけではな
いが、従来においてＳを大きくする真空計の研究が行な
われたことがある。Ｓを大きくする電離真空計として、
例えば、第４図に示されるラファティの電離真空計があ
る。このラファティの電離真空計は、永久磁石６による
磁界によって、電子をフィラメント７の周辺で長く周回
運動させ、電子の飛行距離を長くしたものである。な
お、図において、８はアノード、９はイオンコレクタ
ー、10はシールドである。

上記のようにラファティの電離真空計は、磁界を利用
しているが、磁界の利用は精密な実験に適さない。極高
真空を利用する真空装置は、精密な実験を行うときに使
用される場合が大部分であるから、ラファティの電離真
空計は極高真空を利用する真空装置には適していない問
題がある。

そこで、磁界を利用せず、Ｓを大きくした電離真空計
としては、第５図に示されるオービトロン型電離真空計
がある。このオービトロン型電離真空計は、アース電位
となった円筒状のイオンコレクター11の中心軸上に細い
針状のアノード12があり、両者の中間にフィラメント13
が設けられている。したがって、フィラメント13より出
た電子は、アノード12の方向に引かれるが、最初からま
っすぐアノード12の方向に進んだもの以外はアノード12
のそばを通りすぎ、アノード12の周辺を非常に長く飛び
回るようになり、Ｓの値を大きくすることが可能とな
る。だが、このオービトロン型電離真空計は、イオンコ
レクター11が大きな立体角でアノード12を取り囲んでい
るため、Ｙの値も大きくなる。

このようにオービトロン型電離真空計は、Ｓの値が大
きいが、Ｙの値も大きいので、（６）式より、P_uはそれ
ほど下がらず、極高真空領域での圧力測定には適してい
ない。

（発明が解決しようとする課題） 従来の電離真空計は、上記のように極高真空領域での
圧力測定に適していない問題があった。極高真空の測定
できる真空計は、Ｙの値が小さいだけでなく、Ｓが大き
いことが重要である。その理由をさらに詳しく述べると
以下の通りである。

Ｙの値が小さいだけの真空計では、I_xが減少するだけ
で、I_thを始めとする他の雑音を減少できないため、極
高真空領域での圧力測定ができない。ところが、Ｓの大
きい真空計においては、同一の信号I_sを得るために必要
な熱電子の量I_eが小さいために、I_xをはじめ、I_th、
I_k、I_{de s}などの雑音がすべて減少し、そのためにI_sとI
_nの関係が改善されて測定限界圧力P_uが引き下げられる
のである。

この理由をさらにのべると、逆に、Ｓの小さい真空計
の場合、多量の熱電子を使用する必要があるために熱発
生が大きくてI_thが大きく、また陽極をたたく電子数が
多いために強力なＸ線が発生してそれが強い雑音I_xを発
生させ、さらに陰極物質の蒸発による雑音I_k、陽極から
の吸着気体の脱離によるI_{de s}などが大きくなる。即
ち、（２）式に示されたさまざまな雑音の影響は、Ｓが
小さい時に厳しくなり、Ｓを大きくすることによってす
べて減少させることができる。

（１）式から明かなように、Ｓは陰極を出発した熱電
子が陽極に達するまでにイオンを発生させる確率であ
る。したがって、陰極を出発した電子が陽極に達するま
でに、イオン発生可能な空間の中を飛行する距離を長く
する方法が有効である。先にあげたラファティーの真空
計では、磁石を利用して電子にフィラメントの周辺で長
く周回運動をさせている。しかし、磁石を利用すること
が好ましくないことは既に述べた。オービトロン真空計
は、磁石を利用せずに、静電場の中で電子に周回運動を
させることに成功している。しかし、この場合には、適
当な静電場を形成させるための電極としてイオンコレク
ター電極が利用されている。そのため、イオンコレクタ
ーの形状は第５図のような陽極を囲む円筒形となって、
工夫の余地がなく、その結果、Ｙが大きくなって極極高
真空計としては不十分な性能となっている。

したがって、解決しようとする課題は下記のように整
理できる。（１）磁石を利用せずに静電場だけで、イオ
ン発生空間の中を、電子に長い距離を飛行させ、大きな
Ｓを得る。（２）電子のための静電場の形成にはイオン
コレクターを利用しないで、イオン発生空間で発生した
イオンをイオン発生空間の外に取り出してイオンコレク
ターに導く。このことによってイオンコレクターの形状
や配置に工夫の余地を残し、Ｙを小さくする。

この発明は、電子に周回運動ではなく往復運動をさせ
る方式を採用することによって、上記二つの課題を解決
し、10^-9Pa以下の極高真空領域での圧力を測定すること
の出来る電離真空計を提供することを目的とするもので
ある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明の電離真空計
は、陰極より電子を放出する電子銃部と、該電子銃部の
後方に、丸い穴を中心にもつ３枚以上の電極を所定の間
隔で同軸上に配列した電界形成部と、該電界形成部の後
方に配置したイオンコレクタ部とを有し、前記電界形成
部が、前記電子銃部の陰極と前記電界形成部を構成する
前記電極の中間電極である第１電極の穴との間で、前記
電子銃部の陰極より放出された電子を往復運動させて残
留気体分子と衝突させることによってイオンを発生させ
るイオン生成部と、前記第１電極の穴と前記イオンコレ
クタ部に最も近い電極である第２電極の穴との間で前記
イオン生成部で発生したイオンを収集しながら前記イオ
ンコレクタ部の方向に加速するイオン収集部とを有する
ことを特徴とするものである。

（作用） この発明において、電子銃部の陰極より飛び出した電
子は、イオン生成部において、往復運動しながら残留気
体分子と衝突してイオンを発生させるようになる。その
後、発生したイオンは、イオン収集部において、イオン
コレクタ部の方向に集められ、イオンコレクタ部で補集
されるようになる。

（実施例） 以下、この発明の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第１図及び第２図はこの発明の実施例を示しており、
同図において、フィラメントよりなる熱陰極21とウェー
ネルト電極22とで電子銃部23が形成され、電子銃部23の
熱陰極21は電子を放出するようになっており、熱陰極21
には＋50V程度のいわゆるバイアス電圧が印加され、ま
た、ウェーネルト電極22には0Vの電圧が印加されてい
る。電子銃部23の後方には丸い穴を中心にもつドーナツ
型の６個の電極24a、24b、24c、24d、24e、24fを所定の
間隔で同軸上に配列した電界形成部24が形成され、電極
24aにはV₁＝＋500V、電極24bにはV₂＝0V、電極24cにはV
₃＝＋300V、電極24dにはV₄＝＋40V、電極24eにはV₅＝＋
10V、電極24fにはV₆＝＋20Vの電圧がそれぞれ印加され
ている。そのため、電界形成部24の熱陰極21と、電界形
成部24を構成する上記電極の中の中間に位置する第１電
極である24dとの間は、熱陰極21より放出された電子を
この間で往復運動させて残留気体分子と衝突させること
によってイオンを発生させるイオン生成部になってい
る。また、上記第１電極である電極24dと、上記電極24f
との間は、上記イオン生成部で発生したイオンを収集し
ながら加速するイオン収集部になっている。電界形成部
24の後方には、イオンコレクタ部25が配置され、そこに
イオン収集部に導かれたイオンが補集されるようになっ
ている。

次に、作用について説明する。

電子銃部23の熱陰極21より放出された電子は、熱陰極
21と電極24aとの電位差によりおよそ500eV近くに加速さ
れ、電極の穴の軸の近傍を流れとなって電極24d方向に
進むが、次第に減速され、ついには停止する。その後、
停止した電子は反転し、今度は、熱陰極21の方向に流
れ、熱陰極21のごく近傍まで戻り、そして、停止し、再
び先の運動を繰り返すようになる。このようにして電子
が往復運動を繰り返している間に、残留気体分子と衝突
して、イオンが非常に高い確率で発生するようになる。
その後、発生したイオンは、イオン収集部において、収
集されながらイオンコレクタ部25の方向に導かれるよう
になる。そして最後にイオンコレクタ部25で補集される
ようになる。

なお、上記実施例では、熱陰極21を使用しているが、
この代わりに冷陰極を使用してもよい。また、各電極24
a、24b、24c、24d、24e、24fに印加される電圧は、上記
実施例に限定されることなく、電子に往復運動をさせた
り、あるいは、イオンを効率よく収集する。ことのでき
る値であれば、いかなる値であってもよい。更に、電極
の数は６個に限らず、いかなる数であってもよい。更に
その上、電極の形状は、上記実施例に限定されることな
く、例えば、短い円筒電極あるいは細い針金によって作
られた環状電極を同軸に配置したものであってもよい
し、これらの種類の電極を組み合わせて配置したもので
もよい。

（発明の効果） この発明は、電子銃部の陰極より放出された電子がイ
オン生成部において、往復運動しながら残留気体分子と
衝突してイオンを発生させるようになっているので、電
離真空計係数Ｓの値が大きくなる。そのため、従来の電
離真空計と比較すると、同等程度のイオン電流を得るた
めに必要な電子電流I_eの値が非常に少なくて充分であ
り、その結果、Ｘ線光電流I_x、動作中の温度上昇に起因
する雑音電流I_thなど、ほとんどすべての種類の雑音電
流が減少する。

限定限界圧力は雑音電流の総量I_nとイオン電流I_sが等
しくなる圧力であるから、ほとんどすべての種類の雑音
電流を残さず減らすことのできるこの発明によって、測
定限界圧力P_uの値が小さくなり、磁石を利用していない
こととも相まって、10^-9Pa以下の極高真空領域での、実
用的な圧力測定が可能になる。

更に、この発明は、イオンを、イオン収集部におい
て、収集しながらイオンコレクタ部の方向に導くように
しているので、イオンコレクタ部の手前に遮蔽板を置い
ているときには、その遮蔽板のイオン通過穴を小さくす
ることが出来るようになる。遮蔽板と兼用になった電極
の場合には、その電極のイオン通過穴を小さくすること
が出来るようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の実施例を示しており、第
１図は説明図、第２図は斜視図である。第３図は従来の
エキストラクター真空計の斜視図、第４図は従来のラフ
ァティの電離真空計の斜視図、第５図は従来のオービト
ロン型電離真空計の断面図である。 図中、 21……熱陰極 23……電子銃部 24……電界形成部 24a……電極 24b……電極 24c……電極 24d……電極 24e……電極 24f……電極 25……イオンコレクタ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 静雄 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真 空技術株式会社内 (56)参考文献 特公 昭49−5078（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭45−1596（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 21/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陰極より電子を放出する電子銃部と、 該電子銃部の後方に、丸い穴を中心にもつ３枚以上の電
   極を所定の間隔で同軸上に配列した電界形成部と、 該電界形成部の後方に配置したイオンコレクタ部とを有
   し、 前記電界形成部が、 前記電子銃部の陰極と前記電界形成部を構成する前記電
   極の中間電極である第１電極の穴との間で、前記電子銃
   部の陰極より放出された電子を往復運動させて残留気体
   分子と衝突させることによってイオンを発生させるイオ
   ン生成部と、 前記第１電極の穴と前記イオンコレクタ部に最も近い電
   極である第２電極の穴との間で前記イオン生成部で発生
   したイオンを収集しながら前記イオンコレクタ部の方向
   に加速するイオン収集部と を有することを特徴とする電離真空計。