JP5284079B2 - 冷陰極圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は低圧もしくは分圧を測定するための冷陰極圧力センサに関する。

冷陰極圧力センサはペニング、マグネトロンまたは反転されたマグネトロン圧力測定セルでありかつ有利には専ら、気圧もしくは分圧を測定するために高真空領域に使用される。冷陰極圧力センサは、テストガスをケーシングに導入するテストガス入口を備えている気密のケーシングを有している。ケーシングにおいて高電圧が印加されると陽極と陰極との間で冷陰極放電が形成され、その際燃焼する放電中のイオン電流はケーシング内のテストガス素粒子密度にほぼ比例している。冷陰極放電の期間に、陽極の領域において多くの小さな電子リング流が流れる。リング流の電子はケーシング中の気体分子と衝突する。電子衝突により、気体分子および原子はイオン化されて、これらは陰極に飛んで、そこで再び電子を受け取る。ここに生成される電圧パルスが、粒子密度、すなわちケーシング中のテストガスの圧力に対する尺度として用いられる。

ケーシングにおいて電子がぶつかってイオン化されかつ生成されたイオンが陰極に衝突すると２次電子が生成され、２次電子はケーシング中にリング状の流れを作り出す。電子密度が上昇するに従って、クーロンの反発に基づいてリング流からの減衰レートは増加するので、ケーシング中に一定のリング流が生じる。一定のリング流の形成は通例、何分の一秒かの期間に行われ、かつ「点弧」と呼ばれる。

ケーシング中の気圧が非常に低い場合、電子と気体粒子との衝突の確率は場合によっては、生成された２次電子が電子消失を補償することができない程度に低い。この場合、偶然にケーシング中の１次電子の数が点弧をトリガするに十分になるまでは一定のリング流は形成されない。

この理由から、ペニングの放電の点弧のために場合によっては、放射源が設けられるかもしくは使用される。ＵＳ−Ａ５１５７３３３号から、ケーシングに放射源が配置されていて、該放射源により放電がスタートされるようになっている冷陰極圧力センサが公知である。放射源は光子を生成し、これにより金属−陰極の光効果により電子が発生される。金属の場合、電子の光電効果による放出仕事は数電子ボルト、例えばしばしば使用される陰極−金属チタンの場合には４．３３ｅＶである。それ故に光効果のために点弧用放射は２８７ｎｍの波長を有していなければならないが、これはＵＶ放射に当たり、生成は煩雑である。ＵＶ放射源はケーシング内に配置されている。その理由は、ＵＶ光に対して十分に透過であり、にも拘わらず気密である適当な安価なケーシング用材料が存在しないからである。しかしケーシング内に放射源を配置することは比較的煩雑である。というのは、電気的な線路をケーシング壁を通してガイドしなければならず、しかも現実には放射源の冷却が可能ではないからである。

これらに鑑みて本発明の課題は、簡単化された点弧装置を備えた冷陰極圧力センサを提供することである。

この課題は本発明により請求項１の構成によって解決される。

本発明の冷陰極圧力センサではケーシングは少なくとも部分的に、ガラス、有利にはクォーツガラスから成っている。放射源はケーシングの内部ではなく、外部に配置されておりかつケーシングのガラスを通って金属陰極を放射する。放射源は実質的に、３５０ｎｍより長くかつ１４００ｎｍより短い波長の放射を放射する。実験の結果、所定の前提条件下で陰極の金属に光効果により光子をトリガするのに、ＵＶ放射のエネルギーより僅かな光子エネルギーの放射でも適していることが分かっている。このために陰極の当該領域における場の強さ（電界強度）Ｅは少なくとも数ｋＶ／ｃｍになければならない。強い電界により光電効果による電子の放出確率は、ＵＶ放射よりエネルギーの僅かな放射、ひいては３５０ｎｍより長い波長を有する放射源を放電の点弧のために使用することができる程度にまで増加する。生じる電界強度は著しく大きく選択されてはないならい。というのは、そうしなければと、電界効果により放出される電子により、圧力測定の結果が歪みを受けるやもしれないからである。

放射源をケーシングの外側に配置することにより、ケーシング壁内を電気的な線路を通す必要はなくなりかつ、放射源の冷却の要求から場合により生じる問題もなくなる。この形式の冷陰極圧力センサの構造は単純でしかも安価に実現可能である。

ケーシングは少なくとも部分的にガラスから成っている。ガラスケーシングは真空技術的な特性のためケーシング材料として申し分なく適しておりしかも頻繁に使用される。ガラスは更に、ＵＶ光からのものより長い波長を有する放射に対して大幅に透過である。

有利には陰極の、陽極の最も近くにあるエッジの曲率半径ｒ_０および陽極と陰極との間の電圧Ｕ_ＡＫは、電界強度Ｅが陰極の、陽極の最も近くにある領域において１０ｋＶ／ｃｍより大きくかつ１ＧＶ／ｃｍより小さく選択されている。電界強度Ｅが１０ｋＶ／ｃｍより大きい場合、光効果に対して必要な光子エネルギーは既に、点弧のために非ＵＶ放射源で十分であるところまで低減される。

有利な実施形態によれば、陰極の、陽極の最も近くにあるエッジの曲率半径ｒ_０は０．１ｍｍより短い。曲率半径ｒ_０が０．１ｍｍより短ければ既に、陽極と陰極の間に数ｋＶの電圧Ｕ_ＡＫをかければ、陰極金属に光効果をトリガするために、４ｅＶより僅かな放射エネルギーを有する放射源の使用を可能にする電界強度が実現される。

殊に、陽極に最も隣接している陰極のエッジの曲率半径ｒ_０は０．０５ｍｍより小さくてよい。

有利には放射源から放出される放射の波長λは４００ｎｍより長く、有利には５００ｎｍより長くかつ、特別有利には６００ｎｍより長い。放射源の放射出力は少なくも１ｍＶであればよい。放射源として閃光放電ランプ、またはグローランプが適しているが、特別適しているのは発光ダイオードである。赤色発光ダイオードを用いた実験の結果分かっているのは、該発光ダイオードにより生成される光子エネルギーは光効果をトリガするには通例は十分であることである。「白色」発光ダイオードは成分に比較的波長の短い「青色」放射を有しており、ここから不都合な状況においても、光効果に十分な光子エネルギーを取り出すことができる。

発光ダイオードは簡単な手段で安価に作動されしかも高い寿命を有している。

有利な実施形態によれば、陽極はリングとして形成されかつ陰極は陽極リングの軸方向の２つのプレートによって形成される。択一的に陰極は、陽極リングに軸方向に配置されているロッドとして実現されていてもよい。いずれにせよ放射源の放射は陰極に対してもしくは陰極の、陽極に最も隣接しているエッジに直接配向していなければならない。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図には、本発明の、ペニング測定セルとして実現されている冷陰極圧力センサが示されている。このセンサには気密のガラスケーシングと該ケーシングの外側に配置されている放射源とを備えている。

図において、一体構成のガラスケーシング１２と、円筒形状の陽極１４と、２つの実質的にプレート形状の金属陰極１６，１７と、テストガス入口１８と、ケーシング１２の外部にある放射源１２と、ケーシング１２の外部にある制御および測定装置２２とを有している冷陰極圧力センサ１０が図示されている。

ケーシング１２は、可視領域の放射をほぼ通し、良好な気密性および無視できる程度の気体放出度を有しているクオーツガラスから成っている。ケーシング１２は実質的に直方体である。テストガス入口１８は気体選択的でありかつ例えば、低分子気体だけを透過する加熱可能なシリコンディスクとして実現されている。

陽極１４は円筒形でありかつ特殊鋼から成っている。２つの陰極１６，１７は平行なチタン薄板から成っている。チタン薄板の下側の端部はプレート２９によって連結されているので、全体溶いて直角のＵ字形の幾何学形態（ジオメトリー）が成り立っている。一方のチタン薄板陰極１６には、平行な比較的短い稜形式のエッジ薄板３０が配属されている。これは連結プレート２９から垂直に突出している。これにより形成される溝にゲッター材料２４が存在している。エッジ薄板３０は陽極に最も近い陰極エッジ２８を有している。

制御および測定装置２２は陽極１４と陰極１６との間の作動電圧Ｕ_ＡＫの生成、陽極１４と陰極１６との間の電流の測定並びに放射源２０の制御のために用いられる。

圧力が１０^−９〜１０^−１０を下回っていると、点弧確率は、点弧を外部から起こさなければならないほど低い。

金属における電子の放出確率Ｄは次のように計算される：

上式中
Ｕ：金属中の電子の放出仕事、
Ｅ：金属の前で作用する電界強度、
Ｗ：金属表面に衝突する光子のエネルギー、
ｍ_ｅ：電子の質量、
ｈバー：プランクの作用量子。

陽極１４と陰極１６，１７との間の電圧は約３ｋＶである。陰極薄板３０の陽極に最も近いエッジ２８の曲率半径ｒ_０は約１０μｍである。そのことから結果的に、陽極に最も近いエッジ２８に１０００〜１００００ｋＶ／ｃｍの電界強度が生じる。

放射源２０として、実質的に４００ｎｍ乃至１３００ｎｍの波長λの光子を放出する「白色」発光ダイオードが用いられる。放射源は約０．１Ｗの電力を有しており、これは秒当たり１０^１７個の光子に相応する。放射源２０は点弧を働かせるために、１ｍＷの最小電力を有していなければならない。この電力より下方では著しく遅延された点弧しか生じないし、この電力の上方では点弧過程は短縮される。

説明しそして実証されている例では、比較的強い電界が発生されるとＵＶ放射より上側の波長の点弧放射を使用できることが示されている。ようやくこれにより、点弧放射源をケーシングの外側に配置するのが可能になる。というのは、ケーシング材料として有利なガラスはＵＶ放射を吸収するが、波長の長い放射を殆ど妨げずに透過させるからである。

このような仕方で、ケーシングの外部に簡単でかつ安価な点弧装置が実現される。

本発明の冷陰極圧力センサの実施例の概略図

Claims (8)

1. テストガス入口（１８）を備えている気密のケーシング（１２）を備え、
   該ケーシング（１２）に、陽極（１４）および陰極（１６，１７）を備え、かつ
   冷陰極放電の点弧のための、前記陰極に配向されている放射源としての発光ダイオード（２０）を備えている
   冷陰極圧力センサ（１０）において、
   前記ケーシング（１２）は少なくとも部分的にガラスから形成されており、
   前記発光ダイオード（２０）は前記ケーシング（１２）の外部に配置されておりかつケーシングガラスを通って前記陰極（１６，１７）を放射し、かつ
   前記発光ダイオード（２０）は、５００ｎｍより長いが１４００ｎｍより短い波長λの放射を放射する
   ことを特徴とする冷陰極圧力センサ。
2. 前記陰極のうち前記陽極に最も近いエッジ（２８）の曲率半径ｒ_０および前記陽極（１４）と前記陰極（１６，１７）との間の電圧Ｕ_ＡＫは、電界強度（Ｅ）が前記陰極（１６，１７）のエッジ（２８）の領域において１０ｋＶ／ｃｍより大きくかつ１ＧＶ／ｃｍより小さくなるように選択されている
   請求項１記載の冷陰極圧力センサ。
3. 前記陰極（１６，１７）のうち前記陽極に最も近いエッジ（２８）の前記曲率半径ｒ_０は０．１ｍｍより小さい
   請求項２記載の冷陰極圧力センサ。
4. 前記陰極（１６，１７）のうち前記陽極に最も近いエッジ（２８）の前記曲率半径ｒ_０は０．０５ｍｍより小さい
   請求項２記載の冷陰極圧力センサ。
5. 前記発光ダイオード（２０）は６００ｎｍより長い波長の放射を放射する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の冷陰極圧力センサ。
6. 前記発光ダイオード（２０）の放射電力は１ｍＷより大きい
   請求項１から５までのいずれか１項記載の冷陰極圧力センサ。
7. 前記陽極（１４）はリングとして実現されておりかつ前記陰極（１６，１７）は該リング陽極（１４）の軸方向の２つのプレートとして実現されている
   請求項１から６までのいずれか１項記載の冷陰極圧力センサ。
8. 前記ケーシングガラスはクオーツガラスである
   請求項１から７までのいずれか１項記載の冷陰極圧力センサ（１０）。

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