JP5038361B2 - 真空計 - Google Patents

Description

本発明は、真空計に関し、特に静電界のサドルフィールドに制限する電離真空計に関する。

現代技術の高速発展に伴って、多くの高技術領域（例えば、宇宙空間のアナロジー、超電導技術、核融合反応、超低温、大型粒子加速器の技術など）において十分な真空の環境が重要となってくるので、超真空領域に関する超真空計の研究が必要となっている。

従来の技術において、高真空と超高真空の測定を行う時、Ｘ線による光電流と電子誘導による脱離反応の原因で、真空計の測定範囲の下限が制限されるという問題がある。この問題を解決するための方法の一つとして、成分を分離させて収集するという方法が提案された。非特許文献１に記載されている電離真空計は、シャッターをコレクタの前に設置して、Ｘ線の一部を通さないようにし、電子誘導による脱離イオンをコレクタに到達させないようにするものである。この方法により、真空計の測定の下限が１０^-13Ｔｏｒｒまで下回った。図１に示すように、この電離真空計１０は、一端が閉鎖して他端が開放する籠型のグリッド１２と、グリッド１２の上端である閉鎖端の中心に設置された変調グリッド１１と、フィラメント１３と、前記籠型のグリッド１２の開口端に設置され、中心に円形の開口を開設した遮蔽板１４と、閉ざした側が前記円形の開口に対向して鉢形をしたイオン反射体１５と、鉢形をしたイオン反射体１５の底部に設置され、尖端を前記円形の開口に合わせたコレクタ１６と、を含んで構成される。

前記電離真空計１０は籠型のグリッド１２の電圧が零になるように変調グリッド１１を制御して、フィラメント１３からの電子が籠型のグリッド１２にガス分子とぶつかって成すイオン流は、負電圧に接続した遮蔽板１４で引きつけて円形の開口から鉢形のイオン反射体１５に入り、イオン反射体１５の電位機能と協働させてコレクタ１６に受け取らせる。前記電離真空計１０は、マスキング板１４をコレクタ１６の前に設置して、一部のＸ線を遮蔽し、同時に電子誘導によって脱離したイオンがコレクタに受け取られないようにする。しかし、この高真空測定装置は測定の下限が10^-13Ｔｏｒｒにとどまり、構成が複雑であるので、宇宙技術、超低温や大型粒子加速器などのようなより高真空の場合や、または密閉容器に利用することは不適切である。

特許文献１において、超低吸排気率の微電離高真空計２０が掲載されている。図２に示すように、この微電離高真空計２０は金属ハウジング２１と、陶器芯柱２７と、イオンコレクタ２６と、陽極環リング２２と、電子発射モジュール２４と、を含んで構成される。金属ハウジング２１の一端は陶器芯柱２７に溶接して密封され、他端は測定しようとする部分に接続する。イオンコレクタ２６と電子発射モジュール２４は、陽極環に対して同軸で非対称的に金属ハウジングの内側に設置される。電子発射モジュール２４はフィラメント２４１と反射極２４２を含む。前記微電離高真空計２０は体積が小さく、構成が簡単で、エネルギーの消耗が低く、感度が高まるという長所があるので、より広く応用されている。しかし、このような電離真空計はＸ線本底と電子誘導による脱離イオンを遮蔽しないので、測定の下限の低下が限られる。

前記を鑑み、前記課題を解決して感度を高める真空計を提供することが必要となる。

中国特許第ＣＮ９６２０９３９８．Ｘ号明細書

「真空技術の科学基礎」、国防出版社、１９８７年

従来技術の課題を解決するために、本発明はさらに感度を高められる真空計を提供することを目的とする。

前記目的を実現するために、本発明にかかわる真空計は陰極ユニットと、陽極環と、遮蔽極と、イオン引出し極と、反射極と、コレクタと、を含む。前記遮蔽極は一端が前記陰極ユニットに対応し、他端が前記イオン引出し極に対応する。前記イオン引出し極の中心にイオン引出し穴を設置する。前記反射極は曲面に構成され、この曲面構成により遮蔽極のイオン引出し極に近い一方側を囲んでいる。前記コレクタは反射極の曲面構成の底部に設置され、且つイオン引出し穴に向ける。前記陽極環は遮蔽極の内部に固定されている。

従来技術と比べて、本発明にかかわるサドルフィールドによる真空計は、次の長所がある。
１．遮蔽極とイオン引出し極は半密閉の円筒形に構成される。アナログ計算の結果により、電子はこのような領域において発振しやすいので、高い感度を実現できる。
２．イオン反射極を増設して、より多くのイオンがコレクタに達して、さらに高感度を実現するようにする。
３．イオン引出し極は大部分のＸ線と電子誘導脱離によるイオンを遮蔽するので、真空計の測定の下限を、より高い真空度を実現するように延伸することができる。

従来の電離真空計の一部の断面を示す図である。 従来のサドルフィールド電離真空計を示す図である。 本発明にかかわる第一実施形態の真空計の構成を示す図である。 本発明にかかわる第二実施形態の真空計の構成を示す図である。

以下、本発明について図面と具体実施形態を参照して詳しく説明する。

図３に示すように、本発明の第一実施形態にかかわる真空計３０は、陰極ユニット３１と、陽極環３３と、遮蔽極３２と、イオン引出し極３４と、反射極３５と、コレクタ３６と、を含む。前記遮蔽極３２は両端が開設され、その一端が前記陰極ユニット３１に対応し、他端が前記イオン引出し極３４に対応する円筒形のような構成である。前記イオン引出し極３４は中心にイオン引出し穴３４１が開設される。前記反射極３５は曲面に構成され、この曲面構成は遮蔽極３２がイオン引出し極３４に近い一方側を囲むように設置される。前記コレクタ３６は前記反射極３５の曲面構成の底部に設置され、且つイオン引出し穴３４１に向ける。前記陽極環３３は遮蔽極３２の内部に固定されている。

前記陰極ユニット３１は通常の熱陰極電子源を利用し、フィラメント３１２と複数の支持棒３１４を含む。フィラメント３１２は外部電圧に接続し、電流が流れると、熱くなって発射した電子が前記遮蔽極３２に入る。

前記円筒形の遮蔽極３２は、直径が１８ｍｍで、長さが１８ｍｍである。前記陽極環３３は支持棒（図示せず）を介して前記遮蔽極３２の内部に固定され、且つ引き出し線を利用して外部の電圧に接続される。対称のサドルフィールドを形成するためには、前記陽極環３３を遮蔽極３２の中央に設置することが好ましい。前記陽極環３３と遮蔽極３２の間は電気絶縁の状態に保持する。前記陽極環３３は直径が９ｍｍで、より細い金属線を曲げて形成されるものである。本実施形態において、陽極環３３は直径が２００μｍの細い金属線からなるものである。

前記イオン引出し極３４は遮蔽極３２の端部に対応する円形の構成であり、遮蔽極３２と電気絶縁の状態に保持する。Ｘ線と電子誘導による脱離イオンを遮蔽し、十分なイオンがコレクタ３６に達するようにし、サドルフィールドにおける電子の発振に影響されないことを確保する場合、実際に応じてイオン引出し穴の直径の寸法を設計することができる。

前記反射極３５は半球面に形成され、直径が遮蔽極３２と同じ１８ｍｍである。前記半球面の構成において、イオン引出し穴３４１を中心として、反射極３５の半球面はイオン引出し極３４に近い遮蔽極３２の一方側を囲む。さらに、反射極３５とイオン引出し極３４の間は電気絶縁の状態に保持する。

前記反射極３５の半球面の底部に小さいスリット（図示せず）を開設する。これは、前記コレクタ３６を設置するためである。前記コレクタ３６は細い金属線で、本実施形態に採用された金属線の直径は２００μｍである。前記コレクタ３６の大部分は反射極３５から形成された空間に収容され、その先端がイオン引出し穴３４１に合う。反射極３５とコレクタ３６の間には電気絶縁の状態に保持する。

前記陽極環３３と、イオン引出し極３４と、反射極３５とは全て遮蔽極３２の軸線を中心に対称となるように設置される。

前記真空計３０は、電子がよく遮蔽極３２に入るために、さらに遮蔽極３２と熱陰極ユニット３１の間に電子引出し極３７を設置する。前記電子引出し極３７は遮蔽極３２のポートに対応する円形を構成するもので、その中心に電子引出し穴３７１を開設し、遮蔽極３２と電気絶縁の状態に保持する。前記電子引出し穴３７１と前記イオン引出し穴３４１の直径は同じである。

真空計３０に対する電位の設定は、遮蔽極３２の電位Ｖｇを接地し、陽極環３３の電位Ｖａを１０００Ｖにし、コレクタ３６の電位Ｖｃを０にし、コレクタ３６がイオンを捕集するために反射極３５を正電位Ｖｒに設定し、電子がコレクタ３６に発射されないように熱陰極ユニット３１を正電位にし、電子引出し極３７とイオン引出し極３４の電位は実際に応じて最大の感度を実現するように設定する。効率的な作動状態のために、真空計の作業状況によって他の電位に調整を行うことが理解できる。

本発明にかかわる真空計３０が動作するとき、まず、熱陰極ユニット３１が電子を発射して、電子が電子引出し穴３７１を通して遮蔽極３２に入る。前記陽極環３３が高電圧に接続されると、遮蔽極３２の内部に対称のサドルフィールドが形成される。電子はサドルフィールドに何回も発振され、ガス分子にぶつかって電離させて、イオン流を形成する。アナログ計算の結果により、電子が円筒形の遮蔽極３２で発振しやすく、より高感度を実現できる。イオン流はコレクタ３６のイオン引出し穴３４１から流れ、反射極３５の電位の協力で、コレクタ３６で捕集され、コレクタ３６の電流信号に変換される。この電流の大きさが真空度に正比例するので、真空度を表示できる。

図４に示すように、本発明の第二実施形態にかかわる真空計４０は、冷陰極ユニット４１と、遮蔽極４２と、陽極環４３と、イオン引出し極４４と、反射極４５と、コレクタ４６と、を含む。前記遮蔽極４２は両端が開設された円筒形に形成し、その一端が前記冷陰極ユニット４１に対応し、他端が前記イオン引出し極４４に対応する。前記イオン引出し極４４は中心にイオン引出し穴４４１が開設される。前記反射極４５は曲面に構成され、この曲面を介して遮蔽極４２のイオン引出し極４４に近い一方側を囲んでいる。前記コレクタ４６は前記曲面構成の底部に設置され、イオン引出し穴４４１に向ける。前記陽極環４３は遮蔽極４２の内部に固定されている。

第二実施形態にかかわる真空計４０は第一実施形態にかかわる真空計３０と比べて、熱陰極ユニット３１を冷陰極ユニット４１に代えている点だけが異なる。前記冷陰極ユニット４１は基板（図示せず）と、この基板に形成された電界放出アレイ４１８と、この電界放出アレイ４１８に対応するグリッド４１６と、を含む。前記電界放出アレイ４１８は針状先端材料（例えば、各種金属先端材料、非金属先端材料、化合物先端材料、電界放出に適用する各種のナノパイプ、ナノビーム形の構成など）又はフィルム（例えば、ダイヤモンドフィルムなど）を素材として利用する。グリッド４１６は穴のような構成（例えば、金属環、金属穴又は金属網）を利用できる。前記冷陰極ユニット４１の電界放出アレイ４１８は電子引出し穴４７１に合う。また、前記冷陰極ユニット４１はグリッド４１６を含まない場合、電子引出し極の中心穴は網状に構成される。

前記真空計４０には電子がよく遮蔽極４２に入るために、さらに遮蔽極４２と熱陰極ユニット４１の間に電子引出し極４７を設置する。前記電子引出し極４７は遮蔽極４２のポートに対応する円形を構成するもので、その中心に電子引出し穴４７１を開設し、遮蔽極４２と電気絶縁の状態に保持する。前記電子引出し穴４７１と前記イオン引出し穴４４１の直径は同じである。

本発明にかかわる真空計４０が動作するとき、まず、冷陰極ユニット４１が電子を発射して、電子が電子引出し穴４７１を通して遮蔽極４２に入る。前記陽極環４３が高電圧に接続されると、遮蔽極４２の内部に対称のサドルフィールドが形成される。電子はサドルフィールドに何回も発振され、ガス分子にぶつかって電離させて、イオン流を形成する。アナログ計算の結果により、電子が円筒形の遮蔽極４２で発振しやすく、より高感度を実現できる。イオン流はコレクタ４６のイオン引出し穴４４１から流れ、反射極４５の電位の協力で、コレクタ４６で捕集され、コレクタ４６の電流信号に変換される。この電流の大きさが真空度と正比例するので、真空度を表示する。

本発明にかかわる真空計に電子引出し極を設置しない場合でも、同様に本発明の目的を実現できることが理解できる。本発明における遮蔽極の形状は円筒形に限らず、遮蔽極に電子を発振させられる対称な中空立体形状としてもよい。なお、前記実施形態にかかわる真空計の各部品は最良の寸法を採用しているが、該寸法は固定しなくてもよく、最良の作業状態を達するために具体的な状況によって変更することができる。電子引出し穴とイオン引出し穴の直径は実際に応じて変更される。特にイオン引出し穴は、サドルフィールドにおける電子の発振に影響されず、十分なイオンがコレクタに達することを考えて、合理的に設計する必要がある。

本発明にかかわる真空計の構成は通常のサドルフィールドと比べて、次の長所がある。
１．遮蔽極とイオン引出し極は半密閉の円筒形に構成される。アナログ計算の結果により、電子はこのような領域において発振しやすいので、高感度を実現できる。
２．イオン反射極を増設して、より多くのイオンがコレクタに達して、さらに高感度を実現するようにする。
３．イオン引出し極は大部分のＸ線と電子誘導脱離のイオンを遮蔽するので、真空計の測定の下限がをより高い真空度を実現するように延伸することができる。
４．陰極ユニット素子を冷陰極ユニット電子源とすると、さらに真空計の電子誘導による排気及びエネルギーの消耗を低下する。

本発明に係わる真空計は構成が簡単で、利用する電極が少ないので、多くの電子誘導による排気が生じず、超高真空領域に利用される。従って、従来の電離真空計の課題を解決できる。

３０、４０ 真空計
３２、４２ 遮蔽極
３４、４４ イオン引出し極
３６、４６ コレクタ
３１ 熱陰極ユニット
３３、４３ 陽極環
３５、４５ 反射極
３７、４７ 電子引出し穴
４１ 冷陰極ユニット
３１２ フィラメント
３１４ フィラメントの支持棒
３４１、４４１ イオン引出し穴

Claims (3)

1. 第一開口及び第二開口を備える遮蔽極と、
   前記第一開口に対向する陰極ユニットと、
   前記第二開口に対応するイオン引出し極と、
   前記イオン引出し極の中央に設置されたイオン引出し穴と、
   前記遮蔽極の第二開口を囲んで設置された反射極と、
   前記イオン引出し穴に対向して、前記反射極の中心に設置されたコレクタと、
   前記遮蔽極の中央に設置されている陽極環と、
   を含み、
   前記陰極ユニットから発射させた電子を、前記遮蔽極に入射させ、前記陽極環に電圧を印加して前記遮蔽極の内部に対称のサドルフィールドを形成し、前記サドルフィールドによって前記電子を発振させてガス分子にぶつけて電離させることでイオン流を形成し、前記イオン流を前記コレクタで捕集して電流信号に変換することを特徴とする真空計。
2. 前記陽極環の直径が２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の真空計。
3. 前記陽極環と、前記イオン引出し極と、前記反射極とは、全て前記遮蔽極の軸線を中心に対称となるように設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空計。

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