JPH02142050A - 熱陰極型電離真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業−にの利用分野） 本発明は真空装置内の圧力を測定する熱陰極型電離真空
計に関し、更に詳しくは、ガス放出を低減させると共に
イオンコレクターの浴びる軟Ｘ線量の低減化を図った熱
陰極電離真空計に関するものである。

（従来の技術及び問題点） 従来、Ｉｎ”’Ｐａ（約１０−’Ｔｏｒｒ）以下の超高
真空の圧力測定は、ベアード・アルバート（ＢＡと略称
）型電離真空計が用いられて来た。このＢＡ型電離真空
計は高融点金属線材を円筒状格子に形成した陽極に対し
て、陽極の中心軸上に針状イオンコレクターを配置し、
陽極の外側には熱陰極を配置した三極構造になっている
。この電極構成において、熱陰極と陽極間に電子電流を
流すことにより、電子の一部を陽極を中心に熱陰極とイ
オンコレクター間で振動させ、この振動電子によって真
空中の残留気体分子を衝撃してイオン化し、生成したイ
オンをイオンコレクターに補足して電流として取り出し
、このイオン電流値より圧力を求める。ところが熱陰極
より飛び出した振動電子は振動を繰り返すうちに陽極に
衝突しくこれが前記電子電流に相当する）、この衝突に
よって陽極からは絶えず軟Ｘ線が放射される。ところが
前記イオンコレクターがこの軟Ｘ線を浴びると光電子を
放出するため、前記イオン電流と同じ方向の光電子電流
がイオンコレクターに生じることになる。このため圧力
が低くなってイオンコレクターに流入するイオン電流が
無くなったとしても、電流値はこの光電子電流値以下に
下がらないため、ＢＡ型電離真空計を用いての圧力測定
には限界があり、その限界圧力は１０−＠Ｐａ（約１０
−目Ｔｏｒｒ）であった。この圧力測定限界を改善しさ
らに低い圧力を測定可能にするためには、イオンコレク
ターからの光電流を減らさなければならない。ＢＡ型真
空計が発明されて以来、この光電流を減らす工夫が種々
なされて来た。その中で成功を納め実用化された真空計
は陽極と熱陰極で構成されるイオン生成空間とイオンコ
レクターの配置されているイオン収集空間とをドーナツ
状のシールドと称する遮蔽板の電極で分離し、陽極から
の軟Ｘ線照射１を極端に少なくした型式のエクストラク
ター型真空計とヘルマー型真空計である。この型式は軟
Ｘ線は直進するが、イオンは適当な電界によってその飛
行軌道を曲げることができることを利用して、イオンコ
レクターの浴びる軟Ｘ１ｆｆｉを減らす方法である。シ
ールド電極を通過した後のイオンの収集法は、旦イオン
リフレクタ−と称する半球型のイオン反射電極で反射さ
せて細い針の先端に収束させる方法と、イオンビームを
静電偏向して陽極から見えない位置に板状イオンコレク
ターを配置して受け、更にサプレッサーと称する金網の
電極でイオンコレクターの光電子電流を抑制する方法と
がある。

前者がエクストラクター型真空計でありＸ線限界は約１
０−”Ｐａ、後者がヘルマー型真空計でＸ線限界は約７
ＸＩＯ−”Ｐａで前者より多少低い圧力測定が可能であ
る。最も低い圧力測定は後者の改良型で、陽極を含む総
ての電極を大型にして感度を上げ、１０−”Ｐａ台のＸ
線限界を達成している。現在、商品化されている最も低
い圧力測定可能な真空計は前者のエクストラクター型真
空計だけで、後者は一旦商品化されたが現在は生産中止
となってしまった。その最も大きな理由は、真空計自身
の放出するガスで正確な圧力測定が出来ないことにある
。

ＢＡ型真空計を含め、１０−’Ｐａ以下の圧力測定に使
用される超高真空計は総て圧力測定に先立って電極の脱
ガスと称する操作が行われ、測定時の真空計からのガス
放出を最小にされる。脱ガス操作にはいろいろの方法が
あるが最も効果的な方法は、熱陰極からの電子電流を増
し、高い電圧で電極を衝撃して電極の温度を１０００’
Ｃ以上に加熱する方法で、電子ボンバード法と称し最も
多く使用されている。ＢＡ型真空計の主電極はカゴ状陽
極なので電極の表面積も小さく、イオンコレクターも針
なので、この電子ボンバードに必要な電力は僅かであり
、電極を非常に効率良く脱ガスすることが出来る。しか
し、板状のシールド電極とイオンリフレクタ−電極を有
するエクストラクター型真空計や、シールド電極の外に
二つの偏向電極、サプレッサー電極、板状イオンコレク
ター電極を有するヘルマー型真空計は、ＢＡ型に比べて
その表面積は桁違いに大きく、総ての電極をこの電子ボ
ンバード法で脱ガスすることは不可能である。そこでシ
ールド電極で遮る形式の真空計は、外側の大気圧側から
真空計全体（一般には真空装置全体）をヒータで加熱す
る方法の脱ガス操作が行われる。しかし、大気中で真空
装置の加熱できる最高温度はステンレス製の装置で４５
０°Ｃ１アルミ合金製の装置で１５０’ｃ止まりであり
、また外部の真空壁からでは真空の断熱効果のため、真
空中に配置される電極までは十分に熱が伝わらないので
、脱ガスは不完全になる。従って、圧力測定時に測定子
を室温に戻しても、電子ボンバード操作の行えなかった
部分からのガス放出は非常に大きい。即ち、熱陰極から
の熱輻射と熱陰極の支持金属からの熱伝導によって電極
は室温に比べ以外と高い温度に上昇しており、更に電流
導入真空端子も伝導熱による温度上昇が起こるので、ガ
ス放出は非常に長い期間にわたって続くことになる。ガ
ス放出速度は温度上昇によって指数関数的に増加するの
でｌｏ−１Ｐａ以下の極高真空領域ではこれらの電極か
らの放出ガスが無視出来なくなり、真空計が真空装置内
の最大のガス放出源となてしまい、正確な圧力測定がで
きなくなっている。特に改良型のヘルマー型真空計は最
も低い圧力を測定出来る可能性があるにもかかわらず（
Ｘ線限界の測定は真空計を小型の真空装置に取り付け、
この装置全体をあらかじめ別の大型の真空炉に入れ、真
空中で９５（１’ｃまで加熱するという特別の方法で脱
ガス操作で行われてから測定したので実際にはこのよう
な加熱法は取れず実用性は乏しい）商品されなかったし
、商品化されたヘルマー型真空計もガス放出が問題で商
品としての価値が無くなり生産中止となってしまった。

このようにガス放出が問題になるのは、電子源に熱陰極
を用いている結果であるが、安定性が良く、高感度が得
られることではこの熱陰極型電子源に取って変われる冷
陰極型電子源はまだ開発されるには至っていない。従っ
て、現在はどうしてもこの熱陰極型電離真空計の発展に
頼らざるを得ない。

近年、チタニウムサブリメーションポンプ、ターボ分子
ポンプ、クライオポンプなど真空排気装置の著しい進歩
、アルミ合金の極高真空容器構造材の開発などによって
１０−■Ｐａ台の極高真空作成が容易になってきたのに
もかかわらず、測定可能な商品化されている真空計はＸ
線限界２Ｘ１０−′。Ｐａのエクストラクター型真空計
だけで、これ以下の圧力測定可能な極高真空計の出現が
学術研究の分野は勿論、産業界でも強く望まれている。

（課題を解決するための手段） しかるにこの発明は、このような現状を鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところはイオン化空間と
イオン収集空間とを真空壁と連続する真空容器構造材の
一部を延長介入せしめて一部開口部を残して分！＃遮蔽
し、少なくとも陽極と熱陰極の電極を電気絶縁材を介し
て前記真空容器構造材上に保持させることによって、陽
極及び熱陰極の支持部を伝導して来る熱を最短距離で外
気に接する真空壁に逃がして放熱することによってイオ
ン化空間の温度上昇を最小に押さえてイオン収集空間の
温度を路外気温に保ち、さらに陽極で発生する軟Ｘ線の
イオン収集空間への侵入のみならず熱陰極からの輻射熱
の侵入も防いでイオン収集空間に配置される電極の温度
−上昇を押さえてガス放出を無くし、熱陰極を用いなが
らも極高真空の圧力測定を高精度で行えるようにするも
のである。即ち、従来は使用に先立って総ての電極の温
度をできるだけ高温にしてガスを放出させたのに対して
、本発明の熱陰極電離型真空計は視点を変えて、輻射熱
で温度上昇する陽極は電子ボンバードによって１０００
°Ｃ以上の高温脱ガスを行うが、シールド電極を含めイ
オン収集空間に配置される総ての電極は、熱陰極からの
輻射熱、熱伝導の影響を受けない構造にし、あらかじめ
高温の脱ガス操作を行わなかったとしても、使用時に出
来る限り低い温度（略室温）に抑えることによってガス
放出を最小にしようというものである。また、小型であ
りながらｔｏ−’″ＰａＰａ以下限界を達成するために
イオン収集空間に配置されるイオンビームの偏向電極に
、軟Ｘ線を乱反射させるための溝を多数形成し、陽極か
ら一回の反射だけで入射してくる軟Ｘ線を無くし、サプ
レッサー電極とイオンコレクター電極で発生する光電子
電流を最小にしてＸ線限界ｌＯ１″Ｐａ以下を達成しよ
うとするものである。

（実施例） 以下本発明を第１図〜第５図に示した一実施例を用いて
説明すれば、ｌはアルミニウム合金製の両切りフランジ
で、イオン化空間とイオン収集空間を遮る真空壁と連続
する真空容器構造材の一部を延長介入せしめた遮蔽部２
は、従来のシールド電極に相当する。従ってこの遮蔽部
２は陽極４の内側に生成した陽イオンをイオン収集空間
側に加速する働きを持ち、イオンはフランジの中心軸よ
り３ｆｆｉＩＩ程軸オフの位置に中心を持つう・ソバ状
の開口部３に引き込まれる。開口部３は下方から−Ｌ方
に行くに従って順次拡開するように形成されている。

陽憾４は線径０．０５ｍｍ、　３０ｎｅｓｈのモリブデ
ン製の平織り金網を半球状にプレス形成して外経２４ｒ
ｍａ、内径２２ｍｍのリング５にスポット溶接して金網
の広がりを押さえた中空の帽子型電極で、リングの対向
する二カ所には幅ｌｌｌ１１ｍのリード線６．６′が溶
接されており、リード線６．６′は前記遮蔽部２に圧入
されたサファイヤの絶縁パイプ７に挿入されて、う、ツ
バ状開口部３に軸を一致させて固定されている。熱陰極
フィラメント８は線径０．１２５１１１１のレニウム線
を直径２２ｍｍのリング状に曲げ、酸化トリウムをＴ４
着した酸化物フィラメントで、対向する二点に溶接した
直径０．５ｍｍのタンタル線９でステンレス製の支゛５
で。

持ビン１０にナツトで押さえられている。該支持ビンｌ
Ｏは遮蔽部２に圧入されたサファイヤの絶縁バイブ１１
に挿入され、遮蔽部２の裏側のイオン成果空間側から別
のナツト１２で押さえられている。１３はグランド電位
に置かれる外側のイオンビーム偏向電極で、１４は負の
電位に置かれる内側の偏向電極である。偏向電極１３は
、第５図に示したような構造を有し、陽極４からの軟Ｘ
線が一回の鏡面反射でサプレッサー電極１５やイオンコ
レクター電極１６に直接入射しないようにするための乱
反射の溝１７が０．５ｆｆｉｍ間隔で多数刻んである。

偏向電極１３はアルミ合金製でステンレス裂のビスで遮
蔽部２に固定される。また偏向電極１３と１４及び金網
状のサプレッサー電極１５は二枚のサファイヤの板１８
で挟まれビスで互いに固定され電気的に絶縁されている
。偏向電極】４の断面は扇状でその角の開きは１２０°
である。イオンコレクター電極１６は直径１４ｍａ＋の
円柱を３０°の角度を付けて斜めに切ってあり、切った
而はサプレッサー電極Ｉ５に１ｍｍの間隔を置いて平行
に配置され、ミニフランジ１９に取り付けられた同軸の
電流導入真空端子２０に固定される。

陽極４、扇型偏向電極１４、サプレッサー電極■５そし
て二本の熱陰極フィラメント１０．１０’の計五本のリ
ード線６（６だけ図示）はアルミ合金製フランジ２１に
取り付けられた多軸電流導入真空端子２２に１′ｒｌｆ
記の電極構成において熱陰極フィラメント８から放出さ
れた熱電子は、陽極４の内外に振動を繰り返すうちに、
陽極の半球面の電子に対する求心作用と、ラッパ状開口
部３の電子に対する振動方向の軸からの拡散を矯正する
働きによって、電子の振動方向は軸に平行に振動するよ
うになる。従って、軸］二に多くの陽イオンが生成され
、陽極の内側に生成されたイオンはグランド電位のラッ
パ状開口部３に向かって加速され、直径６＋ｓ＋の開口
がらイオンビームとなってイオン収集空間に放出される
。放出されたイオンビームは負の電位に置かれた扇型の
偏向電極１４とグランド電位に置がれた偏向電極１３と
の間に作られる電界の作用によって円弧の軌道を描き、
負の電位に置かれたサプレッサー電極１５に強引され、
網を通過してイオンコレクター電極１６に捕らえられ、
電流として真空端子２゜から取り出される。サプレッサ
ー電極Ｉ５、イオンコレクター電極１６の二電極は陽極
４から直視出来ない位置に配置されているので、問題と
なる軟Ｘ線は陽極から一直線で画電極に到達することは
出来ない。最低−度は外側の偏向電極１３に反射してか
ら到達することになるが、該偏向電極１３には直接反射
防止のための乱反射溝１７が多数刻み込まれているので
、実際に一回の反射だけで到達する軟ｘ　ｒｇは非常に
少ない。また、軟Ｘ線の金属表面での反射率は０１程度
と低いので数回も反射すれば殆ど減衰してしまうし、た
とえ軟Ｘ線がイオンコレクター電極１６に入射したとし
ても、光電子放出は負電位のサプレッサー電極１５によ
って押さえられるので、本発明のヘルマー贋電離真空計
のＸ線限界は、従来達成した最低圧１０−”Ｐａを確実
を越え、１０−”Ｐａ以下を達成できるものと予想され
る。

これに対して、熱陰極フィラメントを使用することによ
って発生するガス放出の問題は、次のようにして解決さ
れる。熱陰極フィラメント８の支持ビンｌＯを伝導して
来る多量の熱は、熱伝導性が良く電気絶縁性の高いサフ
ァイアのバイブ１１を通して最短距離で遮蔽部２に逃が
されるが、遮蔽部２は熱伝導性の非常に高いアルミ合金
製のフランジ１に連続しているので熱拡散が早く、真空
内壁は熱陰極フィラメントによる温度上昇が殆ど起こら
ない。電子ボンバードを止めて通常の使用時でも、陽極
４は熱陰極フィラメント８からの熱輻射によって温度上
昇するが、陽極４も同じくサファイアのバイブ７を通し
て熱が最短距離でフランジ１に逃がされる。電子ボンバ
ードは陽極に対して電圧５ｏｏｖ。

電子電流４に＾（２０１）の電力で行われ、１２００°
Ｃ以」二の高温で脱ガスされる。このとき熱陰極フィラ
メント８の加熱に必要な電力は３．６Ｖ、　２．２Ａ（
Ｓｔ）と高いので同時に熱陰極フィラメント８と支持ピ
ン１０．１０′の脱ガスも行われる。これに対して、圧
力測定時の電力は陽極４に対し”Ｃ１２０Ｖ、　２ｍＡ
（０，２４１）、熱陰極フィラメント８に対して２．３
Ｖ、　１．５＾（３，５１）と極端に小さくなるので、
陽極４、熱陰極フィラメント８、支持ビン１０、ｌＯ゛
の温度は低くなり、イオン化空間からのガス放出は無視
できる程度まで小さくなる。また、イオン収集空間に配
置される二つの偏向電極１３．１４とイオンコレクター
電極１６は、アルミ合金製で酸素ガス雰囲気で切削加工
（近年開発され実用化された特殊表面処理技術で最小の
ガス放出速度が得られる）されるので、室温に戻された
ときの放出ガスは無視出来るほど小さい。

また、電気絶縁板にはサファイヤが用いられ、サプレッ
サー電極１５も金メツキの細線メッンユが用いられるの
でこのガス放出も室温では無視出来る。

このように各部品にガス放出の最も小さい材料を選定し
、表面処理をすると共に、イオン収集空間に内蔵した予
備ヒータ２３を用いれば、真空装置全体のベータを行わ
なくとも測定子の脱ガスは簡単に行うことができ、圧力
測定時に真空計自体から放出されるガスは全く無視でき
るほどにまで小さくすることができるようになるので、
高精度の極高真空圧力測定が可能となる。

このようにこれまで不可能であった１０−”Ｐａ以下の
極高真空領域の圧力測定を高精度で行えるのは、取りも
直さずイオン化空間とイオン収果空１８ノとを真空壁と
連続する真空容器構造材の一部を延長介入せしめ一部開
口部を残して分離遮蔽し、陽極と熱陰極の電極を電気絶
縁材を介して前記真空容器構造材上に保持させると共に
、遮蔽部の一部開口部を通過したイオンビームを静電偏
向させるための電極に軟Ｘ線を乱反射させるための溝を
多数形成し、イオン収集空間に配置したことを特徴とす
る本発明がなされたからに外ならない。

尚、フランジ材はアルミ合金に限ったものではなく、ス
テンレス合金、銅合金など真空に使用される構造材であ
ればいかなるものであっても良く、電極の材料、形状も
実施例に限ったものではない。

また、真空計の形式もヘルマー型でなくエクストラクタ
ー型などいかなる形式であってもかまわない。要はイオ
ン化空間とイオン収集空間とを真空壁と連続する真空容
器構造材の一部で分離遮蔽されていればいかなる形式で
あっても良い。

（発明の効果） 上記したように本発明の熱陰極電離真空計は、真空系内
に配置した熱陰極及び陽極間に電子電流を流し該電子電
流を形成する電子が空間を飛行中に気体分子を衝撃して
作る陽イオンをイオンコレクターに収集して取り出した
電流値から該真空系内のガス圧力を測定する測定子にお
いて、イオン化空間とイオン収集空間とを真空壁と連続
する真空容器構造材の一部を延長介入せしめ、一部間１
１部を残して分離遮蔽し、少なくとも陽極と熱陰極の電
極を電気絶縁材を介して前１記真空容器構造材上に保持
させたものであるから、陽極及び熱陰極の支持部を伝導
して来る熱を最短距離で外気に接する真空壁に逃がして
放熱することによってイオン化空間の温度−り昇を最小
に押さえてイオン収集空間の温度を路外気温に保ち、さ
らに陽極で発生する軟Ｘ線のイオン収集空間への侵入の
みならず熱陰極からの輻射熱の侵入も防いでイオン収集
空間に配置される電極の温度上昇を押さえてガス放出を
無くし、熱陰極を用いながらも極高真空の圧力測定を高
精度で行うことが可能になった。また、遮蔽部の一部開
口部を通過したイオンビームを静電偏向させるための電
極に軟Ｘ線を乱反射させるための溝を多数形成し、該電
極をイオン収集空間に配置したことにより、陽極から一
回の反射だけで入射して（る軟Ｘ線を無くし、サプレッ
サー電極とイオンコレクター電極で発生する光電子電流
を最小にしてＸ線限界１０−　”　Ｐａ以下を達成する
ことができる等小型の熱陰極７Ｉ２？［離真空計であり
ながら、極めて有用な新規的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例で、真空装置に取り付けな
い状態での平面図、第２図は同実施例の電流導入真空端
子のフランジを取り外した状態での裏から見た平面図、
第３図は同実施例の真空計を真空装置に取り付けた状態
での断面図、第４図は同実施例の熱陰極フィラメント支
持部の拡大図、第５図は同実施例の外側の偏向電極の斜
視図である。ｌはアルミニウム合金製の両切りフランジ
、２はフランジ一体の遮蔽部、３は遮蔽部に形成したラ
ッパ状の開口部、４は半球状陽極、５は陽極の支持リン
グ、６．６′は支持リングに溶接されたリード線、７は
サファイヤの絶縁パイプ、８は熱陰極フィラメント、９
はタンタルのフィラメント支持線、ｌＯはステンレス製
の支持ビン、１１はサファイヤの絶縁パイプ、１２はナ
ツト、１３は外側の偏向電極で、１４は内側の偏向電極
、１５はサプレッサー電極、１６はイオンコレクター電
極、１７は乱反射の溝、１８はサファイヤの板、１９は
ミニフランジ、２０は同軸電流導入真空端子、２１はア
ルミ合金製フランジ、２２は多軸電流導入真空端子、２
３は予備ヒータ、２４はガス抜き穴、２５はガスケット
、２６はボルトネジ溝穴、２７は真空槽の真空計取り付
はフランジ、２８は真空槽である・

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空系内に配置した熱陰極及び陽極間に電子電流
   を流し該電子電流を形成する電子が空間を飛行中に気体
   分子を衝撃して作る陽イオンをイオンコレクターに収集
   して取り出した電流値から該真空系内のガス圧力を測定
   する測定子において、イオン化空間とイオン収集空間と
   を真空壁と連続する真空容器構造材の一部を延長介入せ
   しめ、一部開口部を残して分離遮蔽し、少なくとも陽極
   と熱陰極の電極を電気絶縁材を介して前記真空容器構造
   材上に保持させたことを特徴とする熱陰極型電離真空計
   。
2. （２）遮蔽部の一部開口部を通過したイオンビームを静
   電偏向させるための電極に軟Ｘ線を乱反射させるための
   溝を多数形成し、該電極をイオン収集空間に配置したこ
   とを特徴とする請求項第一項記載の熱陰極型電離真空計
   。