JP3396726B2 - 電離真空計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空計に関し、特
に高真空から超高真空の圧力を測定可能な電離真空計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】高真空から超高真空の圧力測定を可能と
するものとして電離真空計が知られている。電離真空計
は、加熱したフィラメントから放出された熱電子を加速
し、気体分子と衝突させた場合に生じるイオンを捕集す
る。捕集されるイオンの生成量は、気体分子の密度と比
例するので、このイオン生成量に基づいて圧力測定が可
能となる。

【０００３】古くから知られている三極型電離真空計に
おいては、測定圧力に限界が生じるＸ線効果という問題
がある。熱電子がこれを加速するグリッドに衝突した際
には、軟Ｘ線が放射されるが、軟Ｘ線により発生する残
留電流は、イオンを捕集して生じるイオン電流と区別で
きない。イオンの数が少ない超高真空を測定する場合に
おいては、イオン電流に対する残留電流の影響が大きく
なり、正確な測定が困難になる。

【０００４】このような背景から、ＢＡ(Bayard-Alper
t)型電離真空計が発明され、超高真空を測定する場合に
使用されている。ＢＡ型電離真空計においては、イオン
コレクタ電極は線状に形成され、グリッドの中に配置さ
れる。この線状のイオンコレクタ電極により、軟Ｘ線の
被照射面積は極めて小さくなり、Ｘ線効果による残留電
流の影響が少なく、これによって１０^-8Ｐａまでの超高
真空における圧力測定が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方で、ＢＡ型電離真
空計において、イオンコレクタ電極は、フィラメントの
電位に対し負電位にあるので、フィラメントから放出さ
れる電子は、イオンコレクタ電極と反発して、その軌道
が修正される。この結果、以下のような問題が生じる。

【０００６】(１)ＢＡ型電離真空計では、一般に上下に
開放された螺旋状のグリッドが用いられるが、上記イオ
ンコレクタ電極に対する電子の反発により、電子の一部
はグリッドの上下方向に軌道修正され、グリッド外に拡
散してしまう。このためフィラメントから放出される電
子の数に対し、生成されるイオン量が少なく、測定感度
が必ずしも良好でない。この場合に、グリッドの上下を
閉塞して電子の拡散を制限する方法もあるが、グリッド
の設計、製造が難しく、コストの上昇を招く。

【０００７】(２)イオンコレクタ電極に対する電子の反
発により、イオンコレクタ電極の近傍におけるイオンの
生成効率が悪く、したがってイオンが捕集されにくい。

【０００８】一方、特開平１１−７２４０６号公報に
は、グリッド内に２本のイオンコレクタ電極を分離して
配置したＢＡ型電離真空計が開示されている。この種の
ＢＡ型電離真空計においては、上記(２)に示した問題は
解決できるものの、依然として上記(１)に示した電子の
グリッド外への拡散の問題は避けられない。

【０００９】また、上記ＢＡ型電離真空計においては、
各イオンコレクタ電極をあまり細く形成すると、形状の
安定性がなくなり、測定の信頼性が低下するので、これ
らをあまり細くすることができない。この結果、イオン
コレクタ電極に対する電子の衝突の確率が高まり、Ｘ線
効果の影響が無視できないものとなる。

【００１０】従って本発明の目的は、イオンコレクタ電
極の形状を工夫することにより、フィラメントから放出
される電子が、開放グリッドから外に出る量を抑え、こ
れによって圧力測定の感度を向上させた電離真空計を提
供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、形状が安定し
たイオンコレクタ電極を備え、これによって測定の信頼
性を向上させた電離真空計を提供することにある。

【００１２】さらに、本発明の他の目的は、イオンコレ
クタ電極の形状を工夫することにより、開放グリッド内
における電子の軌道をより長くすることができる電離真
空計を提供することにある。

【００１３】さらに、本発明の他の目的は、従来型のＢ
Ａ電離真空計の設計を大幅に変えることなく、上記各目
的を達成する電離真空計を提供することにより、そのコ
ストを抑え、また従来のＢＡ型電離真空計で用いられて
いるコントローラの使用を可能にする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電離真空計
は、陽極体積を形成する開放グリッドと、前記陽極体積
の外側に配置される電子源と、前記陽極体積内に配置さ
れるイオンコレクタを備える。本発明において、イオン
コレクタは、ループ状に形成され、該ループで形成され
る面が前記電子源に向けられている。

【００１５】フィラメントから放出される電子は、これ
に対し正電位にされたグリッドに引かれ、その隙間から
陽極体積内に至る。ここで、陽極体積内において、電子
はイオンコレクタと反発し、その軌道は修正されるが、
イオンコレクタがループ状をなしているため、多くの電
子は該反発力によって、該ループ内に集束するよう軌道
修正される。ループ内を通過する多くの電子は、グリッ
ドの反対面側に至り、一旦陽極体積の外に出るが、これ
にまた引かれて陽極体積内に戻り、今度は、イオンコレ
クタのループの反対面側からここを通過する。電子はこ
の飛行を繰り返す過程において、陽極体積内の気体分子
と衝突し、イオンを生成する。ここで、多くのイオンは
前記イオンコレクタのループ内の空間で生成されるた
め、その周囲に配置された該ループ状イオンコレクタに
よるイオンの捕集効率は極めて高いものとなる。また、
前記イオンコレクタ電極のループによる電子の集束の効
果は、その飛行経路長さを増大させ、陽極体積内の電子
密度、延いては生成されるイオン密度を増大する。

【００１６】この場合において、前記開放グリッドが、
好ましくは筒状に形成され、より好ましくは楕円円筒状
に形成され、前記イオンコレクタが、該楕円の長軸を含
む面内に配置される。

【００１７】また、本発明においては、前記電子源が、
前記楕円円筒状の開放グリッドの長軸を径とする円内に
配置されていることが好ましい。

【００１８】また、前記開放グリッドが、螺旋コイル状
に形成されていることが好ましい。 本発明において
は、前記イオンコレクタが、前記開放グリッドの軸方向
に縦長のループ状を有することが好ましい。

【００１９】また、前記開放グリッドの軸方向における
前記イオンコレクタの端部が、前記開放グリッドで形成
される陽極体積内に納められていることが好ましい。

【００２０】前記イオンコレクタは、好ましくは方形状
のループに形成されるが、円形又は楕円形であっても良
い。

【００２１】また、前記イオンコレクタの軸径は、０．
２０ｍｍ以下であることが好ましい。

【００２２】好適な本発明の実施形態において、前記電
子源は、前記開放グリッドの軸方向に沿う線状に形成さ
れ、前記ループ状のイオンコレクタの幅方向における略
中央に配置される。

【００２３】本発明の電離真空計はまた、前記開放グリ
ッド、前記電子源及び前記イオンコレクタを収容すると
共に、これらを支承する外囲体を備えて構成することが
できる。

【００２４】この場合において、前記外囲体がガラスか
らなる電離真空計であって、前記開放グリッド及び前記
電子源の外側を覆うアース電極を更に備えることができ
る。

【００２５】また、前記イオンコレクタは、前記外囲体
に垂下支持されることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
沿って説明する。図１〜図３は、本発明の一実施形態に
係るガラス包囲型電離真空計を示す図であり、それぞ
れ、その一部を破断した斜視図、その平断面図、及びそ
の側断面図を示している。これら図において、電離真空
計１０は、グリッド１２、フィラメント１４、イオンコ
レクタ電極１６及びアース電極１８を備えており、その
周囲はガラス製の外囲器２０によって覆われている。

【００２７】グリッド１２は、タングステン又はモリブ
デン等の材料からなる金属細線を螺旋円筒状にして形成
され、その上下が開放された開放グリッドである。グリ
ッド１２は、その電極端子２２から印加される電圧によ
って、フィラメント１４から放出される電子よりも高い
電位（例えば、１８０Ｖ）に維持される。該電位によっ
て、グリッド１２の内部には陽極体積が形成され、ここ
でフィラメント１４からの電子が加速される。グリッド
１２内で加速される電子は、該空間内に存在する気体分
子と衝突しイオンを生成する。好適な実施形態におい
て、グリッド１２は、図２で明らかなように、楕円円筒
状を有している。後述するように、グリッド１２を楕円
状にすることによって、フィラメント１４とイオンコレ
クタ電極１６との距離を近づけることができる。

【００２８】フィラメント１４は、グリッド１２で形成
される陽極体積の外側に配置されている。フィラメント
１４は、タングステンやイリジウム等の材料からなる金
属細線をヘアピン線状に加工してなり、その上下端は電
極端子２４に繋がれると共にこれによって支持されてい
る。電極端子２４からフィラメント１４に所定の電圧
（例えば、４５Ｖ）を印加することにより、フィラメン
ト１４の軸線に沿って電子が放出され、グリッド１２内
へ引き込まれる。図２で示すように、好適な実施形態で
フィラメント１４は、前記グリッド１２の楕円の短軸の
延長線上に配置されると共に、その長軸を径とする円内
に位置している。グリッド１２を楕円状とし、フィラメ
ント１４を前記円内に位置させることによって、フィラ
メント１４とイオンコレクタ電極１６との距離を近づけ
ることができると共に、電離真空計の外形寸法を小さく
することができる利点がある。一つの実施例において、
フィラメント１４は、直径０．１２５ｍｍ程の、トリア
コートイリジウムである。

【００２９】イオンコレクタ電極１６は、グリッド１２
で形成される陽極体積内に配置され、その形状はループ
状をなしている。図に示す実施形態において、イオンコ
レクタ電極１６は、上下及び左右の辺で構成される縦長
長方形状を有している。もっとも、円形或いは楕円形状
のループによってイオンコレクタ電極１６を構成しても
良い。ループ状イオンコレクタ電極１６は、その上辺に
測定端子２６をスポット溶接その他の方法で接合し、こ
れを介して外囲器２０に垂下支承されている。測定端子
２６は、外囲器２０の上方からその外部へ引き出され、
図示しない電流計に接続される。イオンコレクタ電極１
６は、外囲器２０と同じ接地電位にされる。これによっ
てイオンコレクタ電極１６に接続された電流計は、該電
極に捕集されたイオンによってここに流れるイオン電流
を計測する。一般的な計測ユニットにより、前記電流値
に基づいて陽極体積内の圧力が測定される。

【００３０】ループ状イオンコレクタ電極１６は、図１
及び図２で示されるように、そのループで形成される面
が、楕円状のグリッド１２の長軸を含む面内に位置する
よう配置される。すなわち、ループ状イオンコレクタ電
極１６は、該ループで形成される面が、フィラメント１
４に向けられている。実施形態において、フィラメント
１４は、ループ状イオンコレクタ電極１６の幅方向にお
ける略中央に位置する。このような配置構成において、
フィラメント１４から放出され、グリッド１２内に引き
込まれる電子の多くは、ループ状イオンコレクタ電極１
６のループの内側を通過する。ループ状イオンコレクタ
電極１６の作用的側面については、後述する。ループ状
イオンコレクタ電極１６は、例えば、直径０．１８ｍｍ
程の、白金を被覆したモリブデン等の線材をループ状に
することで形成でき、その縦径は２０ｍｍ程、横径は１
２ｍｍ程である。ループ状のイオンコレクタ電極は、そ
の型崩れが起き難く、またこれを垂下支持することによ
って、外囲器２０内で安定してその形状を保持できる。
イオンコレクタ電極の安定した形状は、その高度な測定
信頼性を保証する。

【００３１】アース電極１８は円筒状をなし、外囲器２
０内で前記グリッド１２、フィラメント１４及びイオン
コレクタ電極１６の周囲を覆う。アース電極１８は、電
極端子２８を介して所定電位（例えば、接地電位）に維
持され、外囲器２０に対しイオンが付着することによる
測定への影響を抑える。

【００３２】外囲器２０は、コバールガラスなどから好
ましくは円筒状に形成される。外囲器２０に備えられた
配管３０を介して、電離真空計１０は真空チャンバーと
接続され、それと同一の真空度を保ち、該真空チャンバ
ー内の圧力測定を可能とする。。

【００３３】次に、本発明に係るループ状イオンコレク
タ電極を備えた電離真空計における、機能的側面につい
て説明する。図４は、線状のイオンコレクタ電極を有す
る従来構造の電離真空計（同図（Ａ））と、ループ状イ
オンコレクタ電極を有する本発明に係る電離真空計（同
図（Ｂ））の電子の軌道の違いを説明するための概念図
である。

【００３４】同図（Ａ）に示す従来型の電離真空計４０
においては、螺旋状のグリッド４１の中央に線状のイオ
ンコレクタ電極４２が備えられている。フィラメント４
３から放出される電子は、これに対し正電位にされたグ
リッド４１に引かれ、その隙間から陽極体積４４内外を
飛行する。しかしながら、陽極体積４４内において、電
子はフィラメント４３に対し負電位にされたイオンコレ
クタ電極４２と反発するため、その軌道が修正される。
その結果、イオンコレクタ電極４２の近傍における電子
の密度が下がって、この近傍で気体分子と衝突する確率
が低下すると共に、電子の飛行距離を短くする。また、
前記イオンコレクタ電極４２の反発力によって、電子の
一部はグリッド４１の開放された上下の領域から陽極体
積外へ出てしまい、イオン生成に寄与しなくなる。これ
らのことから、イオンコレクタ電極４２によるイオンの
捕集効率が悪くなり、測定感度に限界が生じる。

【００３５】一方、同図（Ｂ）に示す本発明に係る電離
真空計４５においては、螺旋状のグリッド４６内にルー
プ状のイオンコレクタ電極４７が、そのループ面をフィ
ラメント４８に向けて配置されている。フィラメント４
８から放出される電子は、これに対し正電位にされたグ
リッド４６に引かれ、その隙間から陽極体積４９内に至
る。ここで、陽極体積４９内において、電子はイオンコ
レクタ電極４７と反発し、その軌道は修正されるが、イ
オンコレクタ電極４７がループ状をなしているため、多
くの電子は該反発力によって、該ループ内に集束するよ
う軌道修正される。ループ内を通過する多くの電子は、
グリッド４６の反対面側に至り、一旦陽極体積４９の外
に出るが、これにまた引かれて陽極体積内に戻り、今度
は、イオンコレクタ電極４７のループの反対面側からこ
こを通過する。電子はこの飛行を繰り返す過程におい
て、陽極体積４９内の気体分子と衝突し、イオンを生成
する。ここで、多くのイオンは前記イオンコレクタ電極
４７のループ内の空間で生成されるため、その周囲に配
置された該ループ状イオンコレクタ電極４７によるイオ
ンの捕集効率は極めて高いものとなる。また、前記イオ
ンコレクタ電極４７のループによる電子の集束の効果
は、その飛行経路長さを増大させ、陽極体積４９内の電
子密度、延いては生成されるイオン密度を増大する。以
上の結果、電離真空計の測定感度が向上し、より高い真
空度の測定が可能となる。

【００３６】図５〜図７は、本発明の他の実施形態に係
るメタル包囲型電離真空計を示した図であり、それぞ
れ、その内部を透過して示した斜視図、その平断面図、
及びその側断面図を示している。これら図において、電
離真空計５０は、グリッド５２、フィラメント５４、イ
オンコレクタ電極５６を備えており、その周囲は金属製
の外囲器５８によって覆われている。

【００３７】グリッド５２は、基本的には先の実施形態
におけるものと同様で、金属細線を螺旋状にした楕円円
筒状の開放グリッドである。フィラメント５４は、グリ
ッド５２で形成される陽極体積の外側に配置されてお
り、本実施形態においては、２本（１本は他方が断線し
た場合の予備用）が備えられている。先の実施形態の場
合と同様、図６で明らかなように、フィラメント５４
は、前記グリッド５２の楕円の長軸を径とする円内に位
置している。

【００３８】イオンコレクタ電極５６は、グリッド５２
で形成される陽極体積内に配置され、その形状は長方形
のループ状をなしている。本実施形態においてループ状
イオンコレクタ電極５６は、その下辺に測定端子６０を
接合し、これを介して外囲器５８に支承されている。先
の実施形態と同様に、ループ状イオンコレクタ電極５６
は、そのループで形成される面が、楕円状のグリッド５
２の長軸を含む面内に位置するよう配置され、フィラメ
ント５４に向けられている。本実施形態に係る電離真空
計５０においても、フィラメント５４から放出されグリ
ッド５２内に引き込まれる電子の多くは、それが中央に
集められるように集束し、ループ状イオンコレクタ電極
５６のループの内側を通過する。前記作用により、電子
軌道が延長されると共に、ループ状イオンコレクタ電極
５６内でイオンが生成され、測定に寄与する。

【００３９】以上、本発明の実施形態を図面に沿って説
明した。本発明の適用範囲は前記実施形態に示された事
項に限定されず、特許請求の範囲の記載に基づいて種々
の変更又は改良が可能である。前記各実施形態において
は、ガラス又は金属からなる外囲器を備えた電離真空計
を示したが、外囲器を有さない電離真空計においても本
発明を適用することができる。また、前記実施形態では
グリッドを楕円円筒状とすることによって、フィラメン
トとループ状イオンコレクタ電極との距離を近づけ、こ
れによってフィラメントからの電子が該ループ内に導か
れやすいように構成しているが、グリッドが真円状の構
成を有する電離真空計においても、本発明の利点を享受
できることは明らかである。

【００４０】

【発明の効果】以上如く本発明によれば、イオンコレク
タ電極をループ状に構成し、電子源からの電子が該ルー
プ内に集束するように構成したので、イオンコレクタ電
極の近傍におけるイオンの生成効率が高まり、また、電
子の飛行経路が長くなって、該領域における電子密度が
向上する。これによって、より高真空の圧力測定が可能
となる。

【００４１】また、本発明によれば、イオンコレクタ電
極はループ形状を有しているため、形状的に安定してお
り、これが測定の信頼性を向上させる。また、形状的に
安定していることから、イオンコレクタ電極を比較的細
い径の線から形成することができ、従って、従来のＢＡ
型電離真空計同様、Ｘ線効果の問題を最小限に抑えるこ
とができる。

【００４２】さらに、本発明によれば、従来型のＢＡ電
離真空計の設計を大幅に変えることなく、本発明に係る
電離真空計を製造することができ、これによって、その
製造コストが抑えられ、また従来のＢＡ型電離真空計で
用いられているコントローラの使用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るガラス包囲型電離真
空計を示す、その一部を破断した斜視図である。

【図２】図１の電離真空計の平断面図である。

【図３】図１の電離真空計の側断面図である。

【図４】図４は、線状のイオンコレクタ電極を有する従
来構造の電離真空計と、ループ状イオンコレクタ電極を
有する本発明に係る電離真空計の電子の軌道の違いを説
明するための概念図である。

【図５】本発明の他の実施形態に係るメタル包囲型電離
真空計を示す、その内部を透過して示した斜視図であ
る。

【図６】図５の電離真空計の平断面図である。

【図７】図５の電離真空計の側断面図である。

【符号の説明】

１０ 電離真空計 １２ グリッド １４ フィラメント １６ イオンコレクタ電極 １８ アース電極 ２０ 外囲器 ２２、２４、２８ 電極端子 ２６ 測定端子 ３０ 配管 ５０ 電離真空計 ５２ グリッド ５４ フィラメント ５６ イオンコレクタ電極 ５８ 外囲器 ６０ 測定端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 21/30 H01J 41/02

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極体積を形成する開放グリッドと、 前記陽極体積の外側に配置される電子源と、 前記陽極体積内に配置されるループ状のイオンコレクタ
   であって、該ループで形成される面が前記電子源に向け
   られているものと、を備えた電離真空計。
2. 【請求項２】 前記開放グリッドが、筒状に形成された
   請求項１に記載の電離真空計。
3. 【請求項３】 前記開放グリッドが楕円円筒状に形成さ
   れ、前記イオンコレクタが、該楕円の長軸を含む面内に
   配置されている請求項２に記載の電離真空計。
4. 【請求項４】 前記電子源が、前記楕円円筒状の開放グ
   リッドの長軸を径とする円内に配置されている請求項３
   に記載の電離真空計。
5. 【請求項５】 前記開放グリッドが、螺旋コイル状に形
   成された請求項２〜４の何れかに記載の電離真空計。
6. 【請求項６】 前記イオンコレクタが、前記開放グリッ
   ドの軸方向に縦長のループ状を有する請求項１〜５の何
   れかに記載の電離真空計。
7. 【請求項７】 前記開放グリッドの軸方向における前記
   イオンコレクタの端部が、前記開放グリッドで形成され
   る陽極体積内に納められている請求項１〜６の何れかに
   記載の電離真空計。
8. 【請求項８】 前記イオンコレクタが、方形状のループ
   に形成された請求項１〜７の何れかに記載の電離真空
   計。
9. 【請求項９】 前記イオンコレクタの軸径が、０．２０
   ｍｍ以下である請求項１〜８の何れかに記載の電離真空
   計。
10. 【請求項１０】 前記電子源が、前記開放グリッドの軸
    方向に沿う線状に形成された請求項１〜９の何れかに記
    載の電離真空計。
11. 【請求項１１】 前記電子源が、前記ループ状のイオン
    コレクタの幅方向における略中央に配置されている請求
    項１０に記載の電離真空計。
12. 【請求項１２】 前記開放グリッド、前記電子源及び前
    記イオンコレクタを収容すると共に、これらを支承する
    外囲体を更に備えた請求項１〜１２の何れかに記載の電
    離真空計。
13. 【請求項１３】 前記外囲体がガラスからなる電離真空
    計であって、前記開放グリッド及び前記電子源の外側を
    覆うアース電極を更に備える請求項１２に記載の電離真
    空計。
14. 【請求項１４】 前記イオンコレクタが、前記外囲体に
    垂下支持されている請求項１２又は１３に記載の電離真
    空計。