JPH0372940B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は真空計に関し、特に広範囲の圧力レン
ジにわたり使用される電離真空計に関する。

従来の技術、および本発明が解決しようとする問
題点 電離真空計が一般に知られている。このような
電離真空計は、電子の発生源（カソード）、活動
的な電子を提出するための加速用電極（アノー
ド）、および、真空計内で気体分子または原子に
衝突する電子によつて形成されたイオンを収集す
る収集電極（コレクタ）を具備している。真空計
内（電子衝突によつて電離されやすい気体におい
て）で形成された正イオンの数は、真空計内にお
ける気体の分子濃度に正比例する。しかしなが
ら、真空計内における望ましくない外部電流の発
生は、それは気体圧力に無関係であるが、超高真
空の測定に実際上の限界を与える傾向がある。

望ましくない外部電流は、主としていわゆるＸ
線効果によつて生じる。電子によるアノードの衝
突は軟Ｘ線を発生させる。軟Ｘ線はコレクタを照
射し、それによりコレクタ内のイオン電流に付加
される光電子電流を発生させる。光電子電流とイ
オン電流は、イオン電流測定回路において相互に
識別できない。このため、光電子電流は、それを
越えては意味のあるイオン電流測定が行えなくな
る実際上の最低限界をつくる。

一般には、Ｘ線効果が数オーダ十分に減じら
れ、少なくとも10^-10トルの圧力測定が可能であ
り、また特別の対策を施した場合にはさらに低い
圧力の測定が可能である真空計が知られている。
このような真空計は、一般に「バヤード・アルパ
ート（BA）式真空計）として参照されており、
バヤードの米国特許No.2605431（1952年７月29日発
行）に開示されている。またビルその他の米国特
許No.4307323（1981年12月22日発行）も参照でき
る。BA式真空計は広範に利用されている。しか
しながら、低圧力真空計の校正は非常に費用がか
かり、また時間がかかる作業であるため、ほとん
どのBA式トランスジユーサは製作されたものと
して使用され、典型的には使用前に校正を受ける
ことはない。このため、真空計感度は使用に際し
て高い再現性と安定性をもつことが非常に望まれ
る。

残念なことに、商業的に入手可能なBA式真空
計の感度は再現性もなければ、安定性もない傾向
がある。商業的に入手可能な典型的なBA式真空
計は、製造業者によつて指定された感度の公称値
から感度において実質的な差を示すことが知られ
ている。ケー・イー・マツククルーとシー・アー
ル・チルホードの「真空科学技術誌」18994
（1981）を参照。同じ真空計組立体における感度
は動作が１つのフイラメントから他のフイラメン
トに切り換えられたときに異なる傾向があるとい
うことも知られている。さらに、典型的なBA式
真空計の感度は、真空中に置かれたとき例えば
100動作時間で多くて−1.4％づつドリフトする傾
向があるということも注目されている。またさら
に、真空計を大気中に短時間さらしてそれから真
空中で動作させたときには感度における変化（上
限で25％）が生じる。ケー・エフ・ポールターと
シー・エム・シユトンの「真空」31147（1981）を
参照。

18ケ月期間で良くて±２％の再現性と安定性の
感度を示す電離真空計が製作されている。しかし
ながら、これらのトランスジユーサは、精密で複
雑なそして高価な装置であつて、一般的な使用に
は適さず、非常に低い圧力の測定は不可能であ
る。ケー・エフ・ポールターその他の「真空科学
技術誌」17679（1980）を参照。

多くの計器パラメータにおける変化は、特に、
所与の一定圧力と一定放出電流に対するイオン電
流における変動（計器毎に、および同じ計器では
使用毎）を生じさせる傾向があることが分かつて
いる。計器パラメータとしては、(a)イオンを発生
する効果のある電子電流、(b)電離エネルギー、(c)
総電子経路長、および、または(d)イオン収集効率
などがある。

従来形の真空計における電界は真空計内の場所
毎に変化する。したがつて、１つの電子が得る電
離エネルギーは該電子の特定の軌道、および該軌
道に沿つた電子の瞬間的位置の両方に依存する。
しかしながら、周知のように、カソードの異なる
部分から放出された電子はBA式真空計内におい
て非常に異なつた軌道をとる。電子経路は、カソ
ード上のどの位置から、およびどの方向に電子が
放出されたかによつて非常に変化する。例えば、
エル・ジー・ピタウエイの「J.Phys.D.Appl.
Phys.」３ 1113（1970）を参照。

自立型電極が電離真空計において一枚に使用さ
れている。例としては、ピタウエイの米国特許
3742344（1978年６月26日発行）、およびヘルゲラ
ンドその他の米国特許3839655（1974年10月１日発
行）、およびピー・エー・レドヘツドの「真空科
学技術誌」３ 173（1966）に述べられている。こ
のような電極構造は、しかしながら、使用に際し
てクリープやたるみを生じやすい。従来形の真空
計での電極幾何学における一見無視できる変化
は、これは例えば小さな製造許容誤差、または電
極のクリープやたるみによるものであるが、伝達
される電子の数に大きな変化を与え、イオン収集
容積内における電子軌道（したがつて総電子経路
長）に大きな影響を与える。

このため、従来形装置においては、電子の軌道
はカソードの発生点に依存し、カソードから放出
される電子のパターンが変化すると、総電子経路
長および真空計内の電離効果が変化する。残念な
ことに、周知のように、加熱されたカソードから
の放出パターンは、汚れによるカソード表面の仕
事関数における局所的な変化によつて、放出面の
放出率における変化によつて、およびカソード温
度によつて大きな影響を受ける。例えば、トリア
被覆耐熱性金属カソードが電離真空計において一
般に使用されている。耐熱性金属基体からの被覆
のクラツクや粉砕は、放出パターンにおける大き
な変化を生じさせる比較的大きな局所的温度変化
につながり得る。また、純粋な耐熱性金属カソー
ドにおける結晶形成は、放出パターンに大きな影
響を与え得る仕事関数における局所的な変化を生
じさせることが可能である。

カソードからアノードへの放出された電子流の
発散を制御する試みがなされている。例えば、特
別の電極がこの目的のためにカソードの後方に配
置された。このような真空計はピー・エー・レド
ヘツドの米国特許No.3743876（1973年７月３日発
行）に述べられている。

非再現的で非安定的な従来形真空計の感度につ
いての付加的な原因が注目されている。電子管装
置の技術分野において周知であるように、電子は
カソードに対して正電位に保たれたグリツド線に
おいて優先的に集束される。このため、BA式真
空計においてグリツドを通り抜けて伝達される電
子の量は、グリツドの幾何学的透過率から概算さ
れるものよりも少ない。経験的な観察によれば、
幾何学的透過率85％のグリツドを通り抜けて伝達
されるのは入射電子の50％以下である。

加えるに、従来形の真空計におけるイオン収集
容積は再現的でもなければ安定的でもない傾向が
ある。イオン収集容積は、計器アノード内の容積
であり、該計器アノード内においては初速度ゼロ
の正イオンが吸引されイオンコレクタによつて収
集される。例えばBA式真空計のような、開放グ
リツドを使用している従来形の真空計において
は、電界は開放グリツドを通つて漏洩する。した
がつて、グリツド付近で形成されたイオンは、該
イオンをイオンコレクタに向けさせる電気力より
はむしろ、該イオンをグリツド容積の外に向けさ
せる電気力を受ける。グリツド容積内へのこの電
界の漏洩は、イオンコレクタによつて正イオンが
収集される容積をかなり減少させる。従来形のグ
リツド電極が完全に再現的であり使用に際して安
定であれば、イオン収集容積が減少されることは
単に感度の減少をもたらすだけである。しかしな
がら、従来形の真空計におけるグリツドは故意に
壊れやすく、グリツド、したがつて真空計感度は
再現性もなければ安定性もない。

このため、従来形の真空計は再現性と安定性の
ある計器感度を有していない傾向がある。放出パ
ターンはカソード毎に変化し、個々のカソードに
関してさえも、長時間の使用および空気すなわち
酸素への露出により変化する。このため、電子軌
道が変化し、経路長の変化および感度の変化を生
ずる。グリツドおよび対称的なカソードの使用は
真空計を制御不能なパラメータでの小さな変化に
対してひどく敏感にする。放出パターンは本質的
に制御不能であり、従来形の真空計における製造
許容誤差、クリープおよびたるみは経済的に減少
させることができない。

発明の要約 本発明は高圧力と低圧力の双方に適応可能な安
価な電離真空計であつて、再現性および安定性の
ある感度を示すものを提供する。

本発明の１つの態様によれば、カソードおよび
アノードは、カソードから放出された各電子に関
して該電子の各々の軌道の対応する点において実
質的に同じ静電界を提供する。

本発明の他の態様によれば、放出された全電子
はイオン収集容積の外側に配置されたエミツタ
（カソード）からイオン収集容積内に入射され、
全電子はイオン収集容積を捕獲される前にただ１
度だけ横切る。イオン収集容積はアノード容積の
比較的大きな部分であり、計器毎に容易に再現で
きる。

本発明の他の態様によれば、真空計の感度は、
カソードの放出パターンにおける変化およびカソ
ード位置における予想される変動に本質的に依存
しない。カソードから電子コレクタへの電子経路
長、イオン収集容積内における電子経路長、およ
び電子電離能力はカソード上の電子発生点に依存
しない。さらに、真空計は真空システムにおける
活動的な粒子に対する電界の存在によつて不利な
影響を受けない。

本発明のさらなる態様によれば、イオン収集容
積に入射した電子はアノード容積を退出し（気体
分子がないときに）、アノード容積の外側にイオ
ンコレクタから見えないように配置された表面に
収集される。このため、Ｘ線のイオンコレクタ上
への照射は本質的に除去される。

本発明のさらに他の態様によれば、真空計のカ
ソードはどの取付け位置においても自己支持であ
り、加熱されたときに所定の放出位置に自動的に
移動する。

実施例 本発明の典型的な実施例が添付図面を参照しつ
つ以下に説明される。これらの添付図面におい
て、同じ参照付号は同じ構成要素を示している。

第１図および第２図を参照するに、本発明によ
る真空計組立体１０は、カソード１２、アノード
１４、イオンコレクタ１６、および各保護リング
電極１８を具備する。必要であれば、真空計組立
体１０は適当な真空包囲体の内に配置されること
が可能である。真空包囲体２０は適当には金属で
形成されるか、あるいは内面に堆積された例えば
すず酸化物のような導電性被覆を有するガラスで
形成される。包囲体２０は好適には接地電位に保
たれる。代わりに、真空計組立体１０は「裸」の
真空計として、周知のように、協力装置により提
供されている適当な真空封込めをともなつて使用
されることが可能である。

カソード１２は薄い平らな条帯、またはリボン
の形式の熱電子エミツタからなる。平らな条帯
は、放出面をアノード１０に向けて、約180゜また
はそれ以下の弧に沿い、一般的には真空計組立体
１０の軸と同心的に配置される。各々の支持部材
（図示しない）が弧の各端部に配置されてカソー
ド１２を組立体１０に対して固着する。アノード
１４に対応するカソード１２の配置は同心的であ
り、このことは第７図および第８図に関連して後
に詳細に説明される。カソード１２は、周知のよ
うに、バツテリ１３（例えば＋30V）によつて真
空包囲体２０に対して適当にバイアスされて、放
出された電子が接地された包囲体に到達するのに
不十分なエネルギーとなるようにする。適当なカ
ソードヒータ電源３０はカソード１２の加熱用信
号を供給する。放出制御回路（図示しない）は、
カソードヒータ電源３０を制御して一定の放出を
確実化するように典型的に使用される。このよう
な放出制御回路は、典型的にはカソード１２とア
ノード１４との間の制御ループにおける総電流を
監視し、そしてカソード温度をそれに応じて変え
る。

カソード１２の平らなリボン形状は、計器軸に
垂直あるいは水平のいずれかに配置されたカソー
ド１２の大きな安定性を提供する。カソードの弧
の約100゜以上が支持されておらず、リボンがしわ
または他の欠陥を有することなく注意深く形成さ
れている場合には、カソードのたるみ、またはク
リープは最小であり、真空計の軸の配置に関係な
くなる。それゆえ、カソード１２は取付け位置に
おいて本発明に自己支持である。

アノード１４は、本発明によれば、閉じられた
円筒形の対称な電極からなり、該電極は本質的に
密閉された内部容積１４ａを規定しており、一般
には平らな底板２２、および半球状のドーム形頂
部２４を含んでいる。アノード１４の半球状ドー
ム形頂部は、電子軌道の最大曲率点、例えば、第
４図に関連して後にさらに詳しく説明されるよう
に、電子流がアノードの軸に交差する点に中心が
置かれた一定の半径を有している。入射スリツト
２６はアノード１４の壁にカソード１２と一列整
列して形成される。入射スリツト２６の幅は、で
きる限り小さく、が一方でカソードから放出され
た全電子がスリツトを介して内部アノード容積１
４ａ内へ集束することが可能であるように選定さ
れる。周知のように、アノード１４はバツテリ１
５（例えば＋180V）によつて適当にバイアスさ
れてカソードから放出された電子をアノードに向
けて加速する。

保護リング１８はカソード１２に適当に電気的
に接続された電極であり、アノード１４の形状に
従つた形状を有し、カソード１２の上側と下側に
配置されてカソード１２から放出された全電子を
アノード入射スリツトを介し内部アノード容積１
４ａ内に集束するための電磁界を発生することに
協力する。集束の条件は公知の電磁界理論を利用
することによつてたやすく決定することが可能で
ある。これに関しては、スパンゲンベルクの「真
空管」、マクグラウヒル、ニユーヨーク、「電界の
決定」ニユーヨーク：1948年、第５章、が参照さ
れる。特に、電子線軌道の計算技法が利用される
ことが可能であり、該計算技法は、電子顕微鏡、
陰極線管、イメージ増倍管、質量分析器などの設
計において周知である。

保護リング１８は好適にはカソード１２の中央
点に電気的に接続されるが、後に述べるように、
カソードの両端に接続されることも可能である。
カソード１２に対する保護リングの配置は後に第
６図に関連してさらに詳しく述べる。

イオンコレクタ１６は比較的に小面積の電極で
あり、種々の機能、すなわち、カソード１２から
の電子流をアノード容積１４ａ内で一直線にする
こと、電子流イオンコレクタ電極１６からアノー
ド１４のドーム形の上側部分２４に向けて偏向す
ること、電子流との相互作用によりアノード容積
内で形成された正イオンを収集することに利用さ
れる。イオンコレクタは適当には円形板である
が、例えば第１２図に示されるようなリング形、
あるいは網形や直線形（図示しない）のような形
状をとることも可能である。イオンコレクタ１６
は、適当にはアノード１４の底板２２における小
孔を通過する導線に接続されて接地電位に接続さ
れる。

イオンコレクタ１６はアノード底板内の中心に
適当に配置され、その表面は一般的にはアノード
底板２２に平行である。しかしながら、イオンコ
レクタ１６は、第９図および第１０図に関連して
後に説明されるように、底板２２から半径状に片
寄つたり、あるいは傾斜したりすることも可能で
ある。

作動においては、適当な信号がカソードヒータ
電源３０から、真空包囲体２０内に導かれる各導
線を介してカソード１２に供給され、電子の熱電
子放出を生じさせる。カソード１２、アノード１
４、保護リング１８、および真空包囲体２０によ
つて生成される電界は、放出された全電子をアノ
ード入射スリツト２６を介してアノード容積内に
本質的に集束するための電磁界を発生することに
協力する。

前述したように、カソード１２（および保護リ
ング１８）の弧形状の放出面は、アノード１４に
同心的であり、またアノード１４のまわりを部分
的に取り囲んでいる。したがつて、カソード１２
の全部分はアノード１４から等距離である。この
ように、カソード１２とアノード１４との間の静
電界は円筒形状の対称的なものであり、カソード
上の所与の軸位置に沿つて放出された全電子はカ
ソードとアノードとの間の同じ軌道内を本質的に
伝わる。さらに、実質的に同じ静電界が、カソー
ドから放出された各電子によつて該電子の各々の
軌道における対応する点で経験される。

電子は入射スリツト２６を介してアノード容積
１４ａ内に入り、第３図に概略的に示されるよう
に、アノード容積１４ａを本質的に直径状に横切
つて伝わる。或る電子は接線に沿う速度をもつて
放出され、したがつてアノードの中央を通過しな
い。しかしながら、アノード容積１４ａは閉じら
れているため、電子はアノード容積から退出する
ことができず、全ての電子は、アノード容積を一
回横断した後に、アノードの内側面に収集され
る。このように、放出された全電子はイオン収集
容積をただ一度だけ横断する。

カソードヒータ３０（第１図）によつて供給さ
れるAC電圧がカソードとアノードの間の電界内
に瞬間的な非対称を発生させることが注目され
る。しかしながら、そのような非対称は１サイク
ルにわたつて平均化され、カソードとアノードの
間の平均電界はごくわずかの軸集束成分を除いて
全くの放射状になる。特に、放出された全電子が
アノード容積１４ａに確実に入射されるようにな
かんずく保護リング１８によつて提供された集束
界は、カソード１２上の異なる軸位置から放出さ
れた電子の経路長にわずかな差を生じさせる。こ
の効果は幅の狭いカソードについては最小であ
り、また、後に説明されるように、幅のより広い
カソードについてはイオンコレクタ１６の平行効
果によつて、およびアノード１４の頂部２４の半
球形状によつて最小にされる。

第４図を参照するに、イオンコレクタ１６は、
電子流をアノード容積内で上向きに（イオンコレ
クタ１６から離れて）偏向し平行にして電子が半
球状ドーム面２４の特定の「電子捕獲」領域２４
ａ上に衝突するように、形成され、配置され、か
つアノード１４に対してバイアスされる。前述し
たように、アノード１４の半球状ドーム形頂部２
４は、電子流がアノードの軸と交差する点を中心
とした一定半径を有している。イオンコレクタ１
６は、アノード容積内の電界が電子ビームを上向
きにその初期軌道から変位させて電子がアノード
の軸上で最大曲率の点を有する軌道に従うよう
に、配置される。例えば、円筒状アノード上の点
「ａ」に衝突したはずの電子ビームは、アノード
容積内の電界によつて上向きに偏向されて、電子
が実際にはアノード上の点「ｂ」に衝突するよう
にする。アノードの頂部２４の半球形状は電子に
一層均一な経路長を与える。例えば、半球状ドー
ム２４上の点「ｂ」および「ｃ」に衝突する電子
についての電極容積内での経路長は、純粋な円筒
状アノード上の点「ｄ」および「ｅ」に衝突する
であろう。電子についての経路長よりも、より近
い値である。このように、半球状ドーム２４およ
びイオンコレクタ１６は、イオン収集容積を通る
電子に対して一定の経路長を与えることに協力す
る。

電子の経路長がカソード１２上の全ての放出位
置に関して本質的に一定であるために、カソード
からの放出パターンにおける変化は、真空計組立
体１０の動作に本質的に影響を与えないことが注
目されるべきである。また、電界の対称性のため
に、放出された全電子はその軌道内の対応する位
置においてほぼ同じ運動エネルギーと電離能力を
示す。したがつて、イオン収集容積内における放
出された全電子の累積した総経路長はカソード上
の電子の発生点に依存しない。したがつて、真空
計組立体１０の感度はカソード１２の放出パター
ンにおける変化によつて本質的に影響されない。

さらに、閉じられたアノード容積１４ａは、従
来形の真空計によるよりも、比例した一層大きな
イオン収集容積を提供する。外部の電磁界は、閉
じられたアノード容積１４ａ内に漏洩することが
許されない。したがつて、真空計組立体１０にお
けるイオン収集容積はアノード容積の比較的に大
きい部分である。真空計組立体１０において提供
される一層大きなイオン収集容積直径は、イオン
収集容積内で一層長い電子経路長を提供し、それ
により電子の電離能力を増大する。加えるに、イ
オン収集容積がより大きいため、アノード容積内
で形成されるイオンのより多くがイオンコレクタ
１６によつて収集される。このように、真空計組
立体１０は、等しいアノード容積を有する従来形
の真空計で得られるよりも、相当に高い感度を提
供する。

本質的に閉じられたアノード容積内におけるイ
オン収集容積は、従来形のグリツド型真空計にお
けるイオン収集容積に比べると、たやすく完全に
再現でき、かつ安定したものであることがまた注
目されるべきである。

カソード／アノード／コレクタの外形は、カソ
ードから放出された各電子に関しては該電子の
各々の軌道における対応する点で同じ静電解を実
質的に提供する外形であれば利用することが可能
であるということが認識されるべきである。例え
ば、円筒状アノードの軸に平行に配置された直線
状カソードが、軸アノード入射スリツト（同じく
アノード軸に平行に配置される）を経て電子を集
束するようにカソードに平行に配置された保護リ
ングとともに、アノード軸と平行に該アノード軸
から半径状に片寄つて配置された１以上の直線針
金状コレクタと協力して利用されることが可能で
ある。

直線針金状コレクタは、電子ビームを横向き
（すなわち半径方向）に変位させて電子がアノー
ドの軸上で最大曲率点を有する軌道に従うよう
に、配置されることが可能である。電子は、この
ように、半球状ドーム部分よりはむしろ、アノー
ドの円筒側壁の湾曲した部分に適当に衝突する。
このような構成は収集容積を通る電子に対して一
定の経路長を提供する。

高い感度を提供し高真空の測定に適応させるた
めに、イオンコレクタ１６が電子衝突領域から大
量のＸ線を捕捉しないことがまた重要である。し
たがつて、イオンコレクタ１６は、電子衝突領域
における幾何学的立体角にできるだけ小さく対す
るように面積が比較的に小さく作られるべきであ
る。これに関しては、1981年12月22日発行の、ビ
ルその他の米国特許No.4307323が参照される。し
かしながら、もしイオンコレクタ面積が小さくな
り過ぎると、形成される全部のイオンが収集され
ない。

例えば、N₂のような２価の分子の解離および
電離によつて形成された原子イオンは、比較的に
大きな運動エネルギー、および、付随して、イオ
ンコレクタ周囲での大きな角運動量を有すること
が可能である。したがつて、非常に小さい面積を
もつイオンコレクタがそのような高エネルギーイ
オンを収集することはありそうにもないことであ
る。経験上、直径0.2インチのコレクタは十分に
動作するが、直径0.05インチのものはＸ線の限度
を減小させはするが、形成された全てのイオンを
収集しない傾向があるということが知られてい
る。したがつて、イオンコレクタ面積におけるさ
らなる縮小を必要とすることなくＸ線の限度を減
小させることが要望される。

Ｘ線の発生は、電子が捕獲されるアノードの領
域（すなわち、Ｘ線の発生点）に関しての減少さ
れた面積に対するようにイオンコレクタを配置す
ることによつて、実際のイオンコレクタ面積を縮
小することなく、減小されることが可能である。
そのような技法の例が第９図および第１０図に概
略的に示される。第９図を参照するに、イオンコ
レクタ１６はアノード容積１４ａ内において中心
から外れて配置される。Ｘ線は余弦法則に従つて
放出されるため、Ｘ線はイオンコレクタにほとん
ど入射されず、低圧力の限界が達成されることが
可能である。加えるに、第１０図に示されるよう
に、イオンコレクタ１６は電子捕獲領域２４ａに
関してより小さな角度に対するためにアノード１
４の底板２２に関して傾斜されることが可能であ
る。

コレクタの金属部分に入射されるＸ線がわずか
となるように十分に透過的なイオンコレクタを使
用することもまた可能である。コレクタの開口網
を通過するＸ線は、Ｘ線電流に寄与せず、このた
め同じ面積の固体形コレクタによるよりも低い圧
力限界を達成することが可能である。さらに一層
小さいＸ線の制限は、第１１図および第１２図に
示されるような細い針金状のイオンコレクタを利
用することによつて達成されることが可能であ
る。第１２図に最もよく示されるように、イオン
コレクタ１６は、平面がアノード１４の底板２２
に一般的に平行な環状の外形に曲げられた細い針
金からなる。このような細い針金状イオンコレク
タ電極は、Ｘ線の衝突に対して非常に小さい露出
面積となるが、一方ではアノード容積１４ａ内で
必要な電子ビーム集束条件およびイオン収集条件
を提供する。

イオンコレクタ１６へのＸ線の衝突の減小は、
放出された電子の全部を閉じられたアノードに入
射させるがしかし該電子をアノード容積１４ａの
外側の面（該面に対してイオンコレクタとその支
持体が露出されない）で捕獲することによつても
達成されることが可能である。このような真空計
の構成の一例が第５図に示される。特に、出射ス
リツト５０がアノード１４のドーム部分２４にお
けるドーム２４の捕獲領域２４ａに対応する位置
に形成される。付加的な電極（例えば、真空包囲
体２０）がアノードに対して適当に位置されかつ
適当な電位に維持されたときには、退出した電子
は偏向されてアノードの外側面の領域２４ｂ（こ
れに対してイオンコレクタ１６は露出していな
い）に捕獲される。アノードの外側面で発生され
たＸ線５２がイオンコレクタ１６に衝突するよう
に偏向されることはほとんどありそうにもない。
このため、Ｘ線効果は適当な出射スリツトを使用
することによつて実質的に減小され、より低い圧
力の測定が可能になる。退出した電子を外側電極
表面に収集するために偏向する条件は、公知の電
子線軌道技法（電磁界理論）に従つて確立するこ
とが可能である。電子線軌道の計算技法は、電子
顕微鏡、陰極線管、イメージ増倍管、質量分析器
などの設計において周知である。電子線軌道技法
のさらなる説明のためには、スパンゲンベルクの
「真空管」が参照される。

前述したように、カソード１２、アノード１
４、イオンコレクタ１６および保護リング１８の
外形および相対的配置は、所与のアノードの寸法
に対して従来形のものよりもより一層高い感度の
真空計を提供し、それにより非常に低い圧力の測
定を可能にする。さらに、測定のより低い限界
は、Ｘ線効果を減小するためにアノード１４にお
いて出射スリツト５０を使用することによつて、
なおさらに減小されることが可能である。

しかしながら、例えばスパツタリングなどのよ
うな或る適用のためには、低圧力とともに高圧力
を測定することが要求される。前述したように、
真空計組立体１０内の全ての放出された電子はカ
ソードからアノードへ同じ距離を伝搬する。この
ことはより高圧力の正確な測定を容易にする。高
圧力の測定は、カソードからアノードへの空間で
形成された正イオンが保護リング１８または真空
包囲体２０の壁に選択的に引き付けられるように
保護リング１８を配置することによつて、さらに
適応されることが可能である。そのような組立体
の一例が第６図に概略的に示される。気体の比較
的に高い圧力が包囲体２０に与えられると、重大
な数の正イオンがカソード１２とアノード１４の
入射スリツト２６との間の空間６０で形成され
る。このことは、カソード１２から放出された電
子が気体分子と反応してアノード空間１４ａに入
射する前にイオンを発生させるためである。アノ
ード空間の外側で発生されたイオンはアノードに
よつて反発され、カソードに吸引される。カソー
ドはイオンを収集し、該イオンはカソード放出制
御回路における電流に寄与する。放出制御回路は
カソードに到達する正イオンとカソードから放出
された負イオンとを識別することができないた
め、放出制御回路（図示しない）は、一定の「放
出」を維持するために、放出される電子の数を減
小させるようにカソード温度を下げる傾向があ
る。

カソード電位よりも低い電位を有する補助電極
であつてイオンの大部分が該補助電極に吸引され
るようにカソードの近くに配置されたものが提案
されている。エヌ・オーサコの「真空科学技術
誌」、20、1153（1982）が参照される。そのような
補助電極の使用は、従来のBA式真空計の直線レ
ンジを少なくとも等級を１オーダ拡張した。しか
しながら、補助電極は真空包囲体内への追加的供
給口（feed）を必要とし、また追加的な電圧源を
必要とする。

本発明の１つの態様によれば、アノード容積１
４ａの外側で発生されたイオンの効果は、保護リ
ング１８の間にある電極１２を片寄らせて電子ビ
ームがカソード１２とアノード入射スリツト２６
の間のビーム路に沿うシヤープな湾曲を示すよう
にすることによつて、無効にすることが可能であ
る。電子経路におけるそのようなシヤープな湾曲
は、空間６０において形成されたイオンの大部分
がカソードに達せずに真空包囲体２０の接地壁に
収集されるようにする。わずかな正イオンしかカ
ソード１２に収集されないため、放出電流は高圧
力に対して本質的に一定にとどまる。保護リング
１８に対するカソード１２の正確な位置は、伝統
的な電磁界理論の適用によつて、適当には周知の
電子線軌道の計算技法によつて決定される。

加えるに、保護リング１８は、空間６０の通過
する電子流の追加的な湾曲を提供するためにカソ
ード１２と異なる電位に置かれることが可能であ
る。そのような配置は、しかしながら、真空包囲
体２０内への追加的な供給口を必要とし、また一
般に使用されるものに加えての電圧源を必要とし
得る。

加えるに、カソード１２とアノード１４との間
の空間６０は最小にされることが要望される。し
かしながら、カソード１２とアノード１４との間
の間隔付けは、電磁界の決定、すなわち入口スリ
ツト２６を経る電子ビームを適当に一直線にし集
束させるための電子光学における１つのパラメー
タである。

保護リング１８の使用は、真空計組立体１０の
電子光学をカソード位置の変化に対して鈍感に
し、カソード位置調整を通常の製造許容誤差の範
囲内に校正することをたやすく可能にする。

第７図および第８図を参照しつつ、加熱による
カソード１２の膨張に適応する対策が述べられ
る。熱電子カソードは加熱時にかなり膨張する傾
向があるため、自立形（free−standing）カソー
ドが電離真空計においてよく利用される。（自立
形カソードの熱的膨張に適応するために小さな、
精巧な、高価なスプリングは必要でない。）前述
したように、カソード１２は、薄い平らな熱電子
リボンであり、円筒状の対称的なアノード１４と
同心であつて該アノードを部分的に取り囲んでい
る。カソード１２の放出面の全部分はアノード１
４から等距離であり、それによりカソード１２と
アノード１４の間に円筒状の対称な電界を提供す
る。アノード１４に同心的な、半径Ｒのカソード
１２の放出面の望ましい配置が第７図に実線で示
される。しかしながら、カソード１２が放出状態
に加熱されたときの熱的膨張はひずみおよびカソ
ード位置の変位を生じさせることが認識されなけ
ればならない。特に、カソード１２が加熱された
とき、カソード１２の端部における支持体構造
（図示しない）は吸熱部として作用し、そしてカ
ソード１２の中央部分ではカソード支持体付近の
端部よりも一層熱くなる。したがつて、中央部分
はその固さが一層失われる。端部は、冷たく固く
なつており、カソード１２の中央部分がより固く
ないために残留応力によつて外向きに拡張する傾
向がある。カソード１２は、加熱時に、第７図に
破線で誇張的に示されたような形状になる。この
ように、カソード１２は冷却時に所望の弧（実線
で示される。）に沿つて取り付けられると、加熱
時に、熱的膨張はカソードをゆがませて正しい位
置から外す。

したがつて、熱的膨張を補償するために、カソ
ード１２は、冷却時に取り付けられるときに、第
８図に実線で示されるように予めひずまされて取
り付けられる。特に、冷却時に取り付けられる時
に、カソードの端部は所望の弧の内側に配置さ
れ、第８図に実線で示されるように接線から弧へ
所定角θ変位される。カソード１２が加熱された
とき、カソードの端部は外向きに動き、カソード
１２は所望の弧（第８図に破線で示される）をお
びる。冷却アノード１４の端部が接線から片寄つ
ている角度θは、カソードリボンの幅、厚さ、お
よび材料の性質に依存する。厚さ0.002インチ、
幅0.0027インチのイリジウムリボンに対しては、
接線と冷却リボンカソードとの間の角度θは約7゜
である。

本発明は特に有利な電離真空計を提供するもの
であることが認識されるべきである。前述したよ
うに、カソード１２、アノード１４、保護リング
１８、および真空包囲体２０によつて発生された
電界は、カソード１２はら放出された電子の全て
をアノード入射スリツト２６を介してアノード容
積内に本質的に集束させる。これにより放出され
た全電子がアノード容積内において電離の発生に
利用される。従来形の真空計では、放出された電
子の50％ほどがアノード容積に入射せず、そのた
め電離の発生に利用されない。さらに、アノード
容積は比較的に密閉されているため、イオン収集
容積は、従来形の真空計と比較すると、アノード
容積の比較的に大部分となる。このため、所与の
アノード直径に対して、真空計組立体１０はより
大きなイオン収集容積を提供する。したがつて、
イオン収集容積内の電子経路長はより長くなり、
電離の可能性を増大し、加えるに、アノード内で
形成されたイオンのより多くはイオンコレクタに
よつて収集される。これにより、高感度が提供さ
れる。また、カソード１２およびアノード１４は
アノード１４から等距離にあるカソード１２の全
部分と同心的であるので、および、特に、イオン
コレクタ１６は電子をアノード１４のドーム形状
の上側部分２４は衝突するように偏光させるの
で、全電子は同じ軌道、経路長、および電離能力
を本質的に示す。このため、真空管組立体１０の
感度はカソードの放出パターンにおける変化によ
つて本質的に影響されない。さらに、イオン収集
容積はアノード容積の比較的に大部分であるた
め、本発明は、非常に小さな内部容積に対して高
感度の、低圧力のトランスジユーサを提供する。

真空計１０の閉じられたアノード容積内におけ
る全電子に与えられるほとんど一定の経路長は、
従来形の真空計において現れたアノード容積を通
る大いに異なる電子経路と対照されるべきであ
る。アノード軸における細い針金状のイオンコレ
クタを利用する従来形の真空計においては、アノ
ード容積内の電子経路は等級がほぼ１オーダだけ
異なり得る。ピー・エー・レドヘツドの「真空科
学技術誌」６ 848（1969）を参照。

また、真空計１０はカソード位置の変化に対し
て比較的に鈍感である。このことは従来形におけ
るカソード位置の非常な臨界性と対照されるべき
である。50％またはそれ以上の感度の変化は、従
来形においては千分の数インチだけのカソード位
置調整誤差によつて生じることが知られている。
さらに、薄いリボンカソード１２は最小のたるみ
またはクリープを示すのに対し、電離真空計にお
ける従来形の自立形カソードは、典型的な動作で
の広範囲の使用で、ひどくクリープし、たるむこ
とが知られている。

電離真空計１０は、イオン収集効率が開放形グ
リツドを利用した従来形真空計よりも増大される
ことにおいて、また有利である。開放後グリツド
はエネルギーを有するイオンがイオンコレクタに
よる収集を脱出する機会を与える。イオンの脱出
は真空計の感度を減少させる傾向がある。N₂の
ような２価の気体においては、発生されたイオン
の20％ほどが、従来形の真空計で一般に使用され
る開放形グリツド電極を通つて脱出するのに十分
なエネルギーを有する。

さらに、真空計組立体１０は、真空システムに
おけるエネルギーのある粒子および現存の電界に
対して本質的に鈍感であることにおいて、また特
に有利である。リング１８の間のカソード１２の
配置、および閉じられたアノード１４の使用は、
真空計組立体１０が内部で使用される真空システ
ムにおける妨害電界、並びに、例えばプラズマ加
工、スパツタリング、または電子ビーム蒸着など
に使用される真空システムにおいてしばしばある
イオンや電子などのようなエネルギーのある粒子
から、真空計組立体１０を効果的に遮へいする。
従来形の真空計の開放形グリツド構造は、一方
で、真空システム環境に対して非常に敏感であ
る。

種々の導体／接続が図面に単一の線として示さ
れるが、それらは限定的な意味で示されたもので
はなく、従来において理解されているように複数
の接続からなるものであることも可能であること
が理解されるであろう。さらに、上述の説明は本
発明の好ましい実施例についてのものであり、本
発明は図示の特定の形に限定されるものではな
い。添付の特許請求の範囲に述べられたような本
発明の精神を逸脱することなく、構成要素の配置
および設計において変形が行われることが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電離真空計の一実施例の
概略的な断面図、第２図は第１図に示された真空
計の上面図、第３図は第１図の真空計における電
子軌道の概略図、第４図は電子軌道の概略的な側
面図、第５図はアノードにおける出射スリツトの
相対的配置位置の概略図、第６図は保護リングお
よびカソードの相対的配置位置の概略図、第７図
は無補償のカソードの幾何学の概略図、第８図は
加熱時のカソードの幾何学の概略図、第９図およ
び第１０図はイオンコレクタの他の配置位置を示
す図、第１１図および第１２図は細い針金状のイ
オンコレクタの概略的な側面図および上面図であ
る。 １０…真空計組立体、１２…カソード、１４…
アノード、１６…イオンコレクタ、１８…保護リ
ング、２４…ドーム形頂部、２４ａ…電子捕獲領
域、２６…入射スリツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子を供給するためのカソード、規定された
   容積を通して該電子を加速するためのアノード、
   そして該容積内で形成されたイオンを収集するた
   め該容積内に配置されたコレクタ電極を含む形式
   の電離真空計を利用する圧力測定方法において、
   該方法は、 該容積を通した該カソードからの電子経路長
   が、基本的に該カソード上の該電子の発生点に依
   存しないように該カソードと該アノードを配置す
   るステツプから構成されることを特徴とする方
   法。 ２ さらに、該カソードと円筒状に対称な該アノ
   ードの間で電界を発生するステツプを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ さらに、該アノード内で実質的に閉じられた
   容積を規定し、そして該カソードからの電子を受
   信すべく配置された該アノードに開口領域を形成
   するステツプから成ることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ４ さらに、該アノードが円筒状に対称性を有す
   るように構築するステツプを含み、そしてそこで
   は該配置ステツプが該アノードと同心円をなす弧
   に沿つて該カソードの放出面を配置するステツプ
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ５ 電子を放出するためのカソード、一般的に該
   加速電極によつて規定される容積を通して該電子
   を加速するための加速電極、そして該電子と該容
   積内の気体間での相互作用によつて形成されたイ
   オンを収集するために該容積内に配置されたコレ
   クタ電極を含む形式の電離真空計を利用する圧力
   測定方法において、該方法は、 該電子のそれぞれの軌道において対応する点で
   該カソードから放出された各々の電子に関して実
   質的に同じ静電界が与えられるように、該加速電
   極と該カソードを配置するステツプから成ること
   を特徴とする方法。 ６ そこでは、該加速電極は、該容積を正確に規
   定する内部空洞を有する実質的に閉じられたアノ
   ード、そして該カソードから該円柱へ放出された
   電子を放出するように配置された開口から成り、
   そして該アノード空洞内部に該コレクタ電極を配
   置することを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の方法。 ７ そこでは、該カソードは電子放出面を含み、
   そして該電子放出面の全ての部分が該加速電極か
   ら等距離であるように該カソードを配置すること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の方法。 ８ 該カソードによつて放出され該容積に入る全
   ての電子に関しては該容積を通して該カソードか
   ら実質的に同じ電子経路長を確立することを特徴
   とする特許請求の範囲第５項記載の方法。 ９ そこでは、該カソードは平坦な放出面をもつ
   熱イオン材のリボンから成り、そして該アノード
   に面して該平坦な放出面を配置することを特徴と
   する特許請求の範囲第７項記載の方法。 １０ そこでは、該加速電極は円筒状に対称なア
   ノードであることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の方法。 １１ そこでは、該イオンコレクタは、該電子が
   該容積を通つて曲線経路を通過し、該経路は該ア
   ノードの軸で程最大曲率点を有するように該電子
   に反発するように適合されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１０項記載の方法。 １２ 該アノード入射スリツトを通して該電子を
   集束することを含む特許請求の範囲第６項記載の
   方法。 １３ 電離真空計を利用する圧力測定方法におい
   て、該方法は、 イオン収集容積を確立すること、 電子放出面を有する電子発生源を提供するこ
   と、 該電子の全てを該イオン収集容積へ実質的に集
   束すること、 該イオン収集容積の各々の該電子に関しては電
   子のそれぞれの軌道の対応する点で実質的に同じ
   静電界を与えること、そして 該電子と該容積内部の気体の間での相互作用に
   よつて形成されるイオンを収集するステツプから
   成ることを特徴とする方法。 １４ 該電界は少なくとも該電子発生源と該閉じ
   込め手段によつて作られることを特徴とする特許
   請求の範囲第１３項記載の方法。 １５ 該電界はさらに該イオン収集手段によつて
   作られることを特徴とする特許請求の範囲第１３
   項記載の方法。 １６ そこでは、該電子発生源、該閉じ込め手
   段、そして該イオン収集手段は各々電極から構築
   され、そして前記三つの電極だけが計測に利用さ
   れるように該集束に影響を与えるための手段を該
   電子発生源に電気的に接続することを特徴とする
   特許請求の範囲第１５項記載の方法。 １７ そこでは、イオン収集手段は電子と気体の
   間の該相互作用によつて形成されるイオンの一定
   割合を収集することを特徴とする特許請求の範囲
   第１３項記載の方法。 １８ 該イオン収集手段は実質的に該イオンの全
   てを収集することを特徴とする特許請求の範囲第
   １７項記載の方法。 １９ そこでは、該閉じ込め手段は該電子を該イ
   オン収集容積へ受け入れるため、その中に開口を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１３項
   記載の方法。 ２０ そこでは、イオンは該閉じ込め手段の外側
   で形成され、そして該電子発生源は多数の後に電
   子発生源で集められるイオンを減ずるように該集
   束手段に関して非対称に配置されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２１ そこでは、該電子発生源は伸張部分から成
   り、そして該集束手段は一対の伸張電極から成
   り、該電子発生源は該集束電極間にそして一方の
   電極は他のものより近くに配置されることを特徴
   とする特許請求の範囲第２０項記載の方法。 ２２ そこでは、該イオン収集容積を横切る該電
   子それぞれの多くの横断線が一定であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。 ２３ そこでは、該電子それぞれに対する該多く
   の横断線が一つであることを特徴とする特許請求
   の範囲第２２項記載の方法。 ２４ そこでは、該計測は対称軸を有し、そして
   少なくとも該電子発生源と該閉じ込め手段は該対
   称軸に関しては対称的に配置されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１３項記載の方法。 ２５ そこでは、該イオン収集手段はさらに対称
   軸に関して対称的に配置されることを特徴とする
   特許請求の範囲第２４項記載の方法。