JPWO2011040625A1 - イオン源を有する真空計測装置 - Google Patents

Abstract

真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、グリッドの外側に引き出されたイオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換する形式の真空計測装置において、グリッド（１０）は、格子状の筒体で、そのイオン放出口（１１）は、グリッド（１０）の側面に沿って縦長に開口されている。また、公知のイオン源又は上記改良されたイオン源を用いた真空計測装置において、特定のイオンを捕捉する第１イオンコレクタ（４０）と、これ以外のイオンを捕捉する第２イオンコレクタ（５０）とを備え、これらの第１第２イオンコレクタの電流の合算電流から、前記イオン源のガス分子密度を求めると共に、前記合算電流に占める第１イオンコレクタ（４０）の電流の割合から、前記ガス分子密度に対する前記特定のイオンのガス分子密度の比率を求める。また、前記第１及び第２イオンコレクタの構造を改良した。

Description

本発明は、イオン源を有する電離真空計及び質量分析計等の真空計測装置に関するものである。

真空装置内に残留するガス密度（圧力）を測定する従来の真空計測装置全体の構成図を図１８に、イオン源を含む測定子部を図１９に示す。また図１９は、イオン抽出型電離真空計（エクストラクター型真空計）と称される電離真空計の測定子部でもある。
図１８及び図１９において、測定子２’中のイオンビームを発生する部分であるイオン源３’は、グリッド１０’と電子源２０とイオン引き出し電極３０’の３電極で構成される。グリッド１０’と電子源２０の２電極だけをイオン源と称する場合もあるが、イオン引き出し電極３０’が無いとイオンビームが形成できないため、本案ではグリッド１０’と電子源２０’とイオン引き出し電極３０’の３電極構成をイオン源３’と称する。
図１９はこのイオン源３’に、イオンビームを捕らえるイオンコレクタ４０’が加えられ、電離真空計の測定子（図１８の符号２’）を構成しており、この測定子部は真空装置（図示せず）に接続して用いられる。また、図１８において、イオン源３’は大気側に置かれたイオン源コントローラ２００’で制御される。イオンコレクタ４０’で捕らえられたイオンビームは、同じく大気側置かれた電流計２０１’で電流Ｉとして計測され、電流Ｉは演算回路２０２’によって圧力Ｐに変換され表示器２０３’で表示される。
尚、図１９に示したエクストラクタ型真空計の測定子の場合は、イオンコレクタ４０’は針状の場合もある。
この電子回路を含む全体を真空計測装置１’と称し、図１８はその中の電離真空計の一例である。また、図１９において、イオン源３’のイオン引き出し電極３０’とイオンコレクタ４０’の間に四重極電極や磁界偏向型質量分析部（図示せず）を配置して構成すれば、質量分析計やヘリウムリークディテクタ等の別形式の真空計測装置になる。
図１９に示した従来型のイオン源３’部は、真空装置（図示せず）に連通状態で接続されるパイプ状の真空容器８’の内部に配置される。イオン源３’部を構成する従来型のグリッド１０’は、上底面の部分Ｂが金網で塞がれ、下底面Ｃは金網が無く開口状態であるのが一般的である。グリッド１０’の下底面Ｃの外側（Ｚ軸の下側）には、中央に小孔の開いたイオン引き出し電極３０’が配置されるが、この電極の電位は、通常グランド電位（０Ｖ）に置くことから、パイプ状真空容器８’と連続的に繋げて形成している場合も多い（特許文献１）。

特開平０７−２９４４８７号公報 特開平０８−２３３６７７号公報 特開平０３−１３１７３５号公報

電離真空計及び質量分析計等の真空計測装置は測定器であるから、精度、安定性などの信頼性が重要である。これら精度や安定性の向上のためには、グリッドの内側に生成したイオンをイオンビームとして引き出した時のイオン引き出し電極３０’の小穴３１’のイオン通過効率が高くなければならない。
しかし、図１８，１９に示した、電離真空計や質量分析計等の真空計測装置に用いられている従来型のイオン源３’は、イオンビームの通過効率が悪く、感度の低下を招き易く、精度、安定性などの信頼性が損なわれてしまう問題が発生している。特にグリッドの表面に電子が衝突することによって発生する軟Ｘ線や電子刺激脱離イオン（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ，以下、「ＥＳＤイオン」という。）が、電離真空計や質量分析計の中のコレクタに入射するとノイズ信号となって計測されるため、計測の信頼性を低めてしまう。
これらのノイズを減らすためには、イオン引き出し電極３０’の小孔３１’をできるだけ小さくすれば良いが、これはイオンの通過効率も低くなり、精度や安定性が低下する。このイオンビーム通過効率の低下は、イオンビーム中のイオンの間に大きなエネルギーに差が存在することにより、小孔３１’を通過するとき、イオンビームを絞り切れずイオン引き出し電極３０’に衝突してしまうためである。イオンビーム強度（感度）を向上させるためには、イオン引き出し電極３０’の小孔３１’の穴径は大きくしなければならない。そうすると今度は軟Ｘ線やＥＳＤイオン等のノイズが多くなる。このようなことから現在では、１０^−９Ｐａ以下の真空を高精度で測れる電離真空計及び質量分析計等の真空計測装置は知られていない。
また、図１９において、ＥＳＤイオンを多く含むＡ−Ｂ間で生成するイオンと、Ａ−Ｃ間で生成する生成する気相イオンとでは、得られるイオンビーム１００’の間に運動エネルギーの差があるので、エネルギー分析器を用いると、ＥＳＤイオンノイズは分別することができる。この例として円筒鏡型のエネルギー分析器を入れた形式の電離真空計（特許文献２）が開示されている。
しかし、この形式のエネルギー分析器は、ＥＳＤイオンと気相イオンの分離はできても、エネルギー分析器の外筒電極で軟Ｘ線が容易に反射される構造であり、反射した軟Ｘ線を減らすことは難しい。このため、エネルギー分析器の出入口の小孔を小さくして軟Ｘ線の侵入を減らす必要が生じて、イオンの透過効率が極めて悪い。グリッド１０’で発生している全イオン量の１／１０程度しかイオンコレクタに達しないため、１０^−９Ｐａ以下の真空を測定しようとすると感度不足でイオン電流の測定精度が悪くなる。
さらに別の事例としては、イオンビームのイオン透過効率を向上するために、イオンビームの角度収差と速度収差がゼロになる偏向角２５０度〜２６０度の共軸円筒型分析器を組み込んだ、イオン抽出型電離真空計の真空計測装置が提案されている（特許文献３）。イオンエネルギーの分散があっても、２５５度偏向すると一点に収束する性質を利用して感度の向上を狙ったものである。
しかし、この形式のエネルギー分析器は、円筒同軸であるため、円筒の軸方向に広がるイオンビームに対する収束性は無く、また、図１９に示したグリッドのイオン源３’を用いているので、グリッドの中心軸と、エネルギー分析器の軸が９０度ずれて交差する形になる。そのため、イオンビームは軸方向には発散してしまい、この分析器を用いることの効果は半減してしまっている。この方式で構成される電離真空計であるところの真空計測装置は、非常に大型の装置で、実用的な設計ができるには至っていない。
上述したように、図１９に示した従来型のイオン源３’を用いた真空計測装置の問題を、エクストラクタ型電離真空計を例にして説明したが、この問題は質量分析計等、別の真空計測装置においても同様に起こる。従来型イオン源のこの問題は、得られるイオンビームのエネルギー分散が大きく、イオンビームが絞れないのでイオン引き出し電極３０’のイオンの通過効率（感度）が落ちること、さらにはグリッドの表面で起こる電子衝撃による軟Ｘ線やＥＳＤイオンのノイズが混入し易いことで、１０^−９Ｐａ以下の真空計測が困難になる問題が起こる。
イオンビームのエネルギー分散を小さくし、さらに軟Ｘ線やＥＳＤイオンのノイズがイオンビームに入り難い構造のイオン源を案出し、ひいてはそれを搭載した１０^−９Ｐａ以下の真空を高精度で計測できる電離真空計や質量分析計等の真空計測装置を提供する必要がある。
さらに、従来型のイオン源を用いた電離真空計や質量分析計等の真空計測装置においては、電離真空計、質量分析計、ヘリウムリークディテクタ（一種のヘリウムガス専用質量分析計）の３つの機能を全て合わせ持つ多機能な真空計測装置はまだ提案されていない。
四重極型質量分析計においては、全圧測定機能（電離真空計の機能）を持たせ方法も工夫されてはいるが、全圧１０^−９Ｐａ以下まで測定可能な真空計測装置はまだ市場には知られていない。
本発明は、このような現状に鑑み、イオン源から得られるイオンビームを用いて形成されるイオン抽出型電離真空計、質量分析計及びリークディテクタを含む真空計測装置において、高精度な電離真空計（全圧測定機能）を持ちながら、特定なガス成分をも分析検出できる質量分析機能を合わせ持った多機能な電離真空計、質量分析計、リークディテクタ等の真空計測装置を提案するものである。

本発明は、実施例で用いた符号を付して記すと、以下の通りである。
本願第１請求項に記載した発明は、真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換する形式の真空計測装置において、
前記グリッド（１０）は、前記電子源から放射された電子が通過可能な格子状の筒体であると共に、前記イオン放出口（１１）は、前記グリッド（１０）の側面に沿って縦長に開口されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第２請求項に記載した発明は、前記請求項１において、前記グリッド（１０）は、横幅に対し縦幅が大きく形成されている、円状、楕円状、角状等の筒体であることを特徴とする真空計測装置である。
本願第３請求項に記載した発明は、前記請求項１において、前記イオン放出口（１１）は、開口の縦長さが前記グリッド（１０）の側面の縦長さと等しい又はほぼ等しく形成されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第４請求項に記載した発明は、前記請求項１において、前記イオン引き出し電極（３０）は、イオンビーム（１００）が通過するイオンビーム通過スリット（３１）を備え、このイオンビーム通過スリット（３１）は、前記イオン放出口（１１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオン放出口（１１）及び前記イオンビーム通過スリット（３１）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第５請求項に記載した発明は、前記請求項４において、前記イオンコレクタ（４０）は、前記イオンビーム通過スリット（３１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオンビーム通過スリット（３１）及び前記イオンコレクタ（４０）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第６請求項に記載した発明は、前記請求項１〜５のいずれか記載の真空計測装置において、前記変換された前記電流信号の電流強度から、前記真空装置内のガス分子密度を測定することを特徴とする真空計測装置である。
本願第７請求項に記載した発明は、前記請求項６において、イオン源（３）とイオンコレクタ（４０）の間には、静電的にイオンビームを偏向することのできる偏向電極（３８）を配置するものであって、グリッド（１０）の筒体の軸と、前記偏向電極（３８）の軸とを、並行になるように配置したことを特徴とする真空計測装置である。
本願第８請求項に記載した発明は、真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換し、前記変換された前記電流信号の電流強度から、前記真空装置内のガス分子密度を測定する真空計測装置において、
イオン源（３）とイオンコレクタ（４０）の間には、静電的にイオンビームを偏向することのできる偏向電極（３８）を配置するものであって、グリッド（１０）の筒体の軸と、前記偏向電極（３８）の軸とを、並行になるように配置したことを特徴とする真空計測装置である。
本願第９請求項に記載した発明は、真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換する形式の真空計測装置において、
前記引き出されたイオンビーム（１００）を、磁界空間に導き、前記イオンが前記磁界空間を進行する際に発生するローレンツ力にて前記イオンを質量対電荷比に応じて分離するようにし、
前記イオンコレクタは、分離した前記イオンのうち特定のイオンが集束する位置に配置された第１イオンコレクタ（４０）と、前記特定のイオン以外のイオンを捕捉する第２イオンコレクタ（５０）とを備え、
前記第１イオンコレクタ（４０）の電流と前記第２イオンコレクタ（５０）の電流との合算電流から、前記イオン源のガス分子密度を求めるとともに、前記合算電流に占める前記第１イオンコレクタ（４０）の電流の割合から、前記ガス分子密度に対する前記特定のイオンのガス分子密度の比率を求めるようにしたことを特徴とする真空計測装置である。
本願第１０請求項に記載した発明は、前記請求項９において、前記第２イオンコレクタ（５０）は、前記特定のイオン以外のイオンを捕捉する面が、前記特定のイオンのイオンビームが描く軌道を囲むように立体的に設けられていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第１１請求項に記載した発明は、前記請求項９又は１０において、前記グリッド（１０）は、前記電子源から放射された電子が通過可能な格子状の筒体であると共に、前記イオン放出口（１１）は、前記グリッド（１０）の側面に沿って縦長に開口されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第１２請求項に記載した発明は、前記請求項１１において、前記グリッド（１０）は、横幅に対し縦幅が大きく形成されている、円状、楕円状、角状等の筒体であることを特徴とする真空計測装置である。
本願第１３請求項に記載した発明は、前記請求項１１において、前記イオン放出口（１１）は、開口の縦長さが前記グリッド（１０）の側面の縦長さと等しい又はほぼ等しく形成されていることを特徴とする請求項１０記載の真空計測装置である。
本願第１４請求項に記載した発明は、前記請求項１１において、前記イオン引き出し電極（３０）は、イオンビーム（１００）が通過するイオンビーム通過スリット（３１）を備え、このイオンビーム通過スリット（３１）は、前記イオン放出口（１１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオン放出口（１１）及び前記イオンビーム通過スリット（３１）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置である。
本願第１５請求項に記載した発明は、前記請求項９又は１４において、前記イオンコレクタ（４０）は、前記イオンビーム通過スリット（３１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオンビーム通過スリット（３１）及び前記イオンコレクタ（４０）は、当該イオンビームの軌道に対応する箇所に、間隔を置いて配置されていることを特徴とする真空計測装置である。

本発明に係るグリッドは、その側面にイオンビームを放出する縦長のイオン放出口を設けており、イオン源で得られるイオンビームは帯状であるため、これを用いて静電偏向イオン抽出型電離真空計や磁界偏向型質量分析計等の真空計測装置を製作すれば、従来の下底面を開口したグリッド具備のイオン源を搭載した電離真空計や質量分析計等の真空計測装置に比べて、イオンのエネルギー分散が小さくなる。そのため、イオン抽出型の静電偏向型の電離真空計においては、筒状グリッドのＺ軸に軸を合わせた構造の円筒状エネルギー分析器（扇形偏向電極）に適合性の良い真空計を設計できるメリットが生じ、イオンの通過確率を高める設計を行うことが可能になる。
また、磁界を使った質量分析計の真空計測装置に本発明のイオン源を適応すれば、筒状グリッドのＺ軸と並行の磁力線の磁界（Ｚ軸方向にビームの広がりを持たない）に、イオンビームを直角に投射することが可能になり、イオンの質量分析部の設計が容易となり、同じくイオンビームの強度を高めることが可能な磁界偏向型質量分析計やリークディテクタを兼ね備えた電離真空計等の真空計測装置を提供することができる。
さらに、軟Ｘ線発生とＥＳＤイオンの生成は、筒体を呈するグリッドの上下底面で起こり、横方向に引き出される帯状イオンビーム方向とは直角で方向が９０度異なるので、得られる帯状のイオンビームの中に両ノイズとも入りにくく、Ｘ線限界が飛躍的に改善され、さらにはＥＳＤイオンノイズの少ないイオン源を搭載した、電離真空計と質量分析計の両方の機能を兼ね備えた真空計測装置を提供することが可能になる。
また、本発明の真空計測装置では、特定ガスの分子（原子）密度の比率が求められるようにしたガス比率測定可能な電離真空計的質量分析計となるから、真空装置には高価な質量分析計やリークディテクタ等の装着が不要になる。電離真空計で極高真空の圧力を測定する場合でも、従来のエネルギー分析器搭載型では除去できない中性ＥＳＤであるＣＯの誤差や軟Ｘ線の効果の程度を知りながら真の圧力（水素）を測定することが可能になるので、より精度の高い１０^−９Ｐａ以下の圧力測定が可能になる。
また、特定ガス検出を窒素原子のｍ／ｅ＝１４に設定しておけば、真空装置にリークが起こった場合、大気を構成している窒素ガスが特定ガスであるｍ／ｅ＝１４の上昇となって現れ、全圧対特定ガスの比率から、リークを生じていることがいち早く知ることができる大気リークモニターとして、活用することが可能になる。
さらに、真空装置に生じたリークの場所を探査する場合は、特定ガスがヘリウムイオンと合致するように、グリッド電位又は磁界の強さを変更すれば、ヘリウムリークディテクタとして動作させることができる。また特定ガスの設定を水分子（ｍ／ｅ＝１８又はｍ／ｅ＝１７）に設定しておけば、真空装置内の水の分圧を常時モニタできる水分計として真空計測装置を活用することができる。
また、磁界の強さを強力に変更して、グリッドの電位を下げてやれば、ｍ／ｅ＞１００以上の特定ガス分子モニタできる真空計測装置としても活用できる。
このように、本発明によれば、これまでの電離真空計だけでは不可能であった、質量分析できる多機能な電離真空計を兼ね備えた真空計測装置を提供することができ、真空を使う工業生産界に対してコスト低減対策を普及させることが可能になる。

図１は本発明の実施例に係り、グリッドとイオン引き出し電極及びイオンコレクタで形成されたイオン源を備えるイオン抽出型電離真空計の測定子の説明図である。
図２は本発明の実施例に係り、グリッドの構造の実施４例を羅列したものである。
図３は本発明の実施例に係り、イオン源から得られるイオンビームを静電偏向させる場合の偏向角２３０度の円筒状扇型偏向電極の一実施例を示したものである。
図４は本発明の実施例に係り、図１の発明に図３の発明を組み合わせてイオン抽出型大偏向角電離真空計を形成した場合の、帯状イオンビーム軌道を立体的に示した測定子の原理説明図である。
図５は本発明の実施例に係り、図４の測定子を用いて構成される電離真空計であるところの、電子回路を含めた真空計測装置である。
図６は本発明の実施例に係り、図３と図４を組み合わせて、実験調査に用いたイオン抽出型大偏向角電離真空計の測定子の断面図である。
図７は本発明の実施例に係り、図６に示した測定子で、偏向電極の電位に対するイオンコレクタのイオン電流変化である。
図８は本発明の実施例に係り、特定ガス比率測定の可能な真空計測装置に用いられる測定子の斜視説明図である。
図９は本発明の実施例に係り、図８の原理説明のための断面図である。
図１０は本発明の実施例に係り、第２イオンコレクタの展開例である。
図１１は本発明の実施例に係り、第２イオンコレクタの板材を曲げて形成した展開例である。
図１２は本発明の実施例に係り、図９の測定子を制御する電子回路を含めて構成される真空計測装置の全体図である。
図１３は本発明の実施例に係り、実態調査に用いた、図９に基づいて製作された測定子の断面図である。
図１４は本発明の実施例に係り、ｈは実態調査に用いた測定子のコの字型ヨーク付マグネットの装着状態を示す説明図であり、ｉは交換用コの字ヨーク付弱磁界マグネットを示す説明図である。
図１５は、実態調査に用いた測定子の第１イオンコレクタと第２イオンコレクタのヘリウム圧力に対するイオン電流特性である。
図１６は、実態調査に用いた測定子の第１イオンコレクタを、窒素原子イオンに合わせた場合の、窒素圧力に対する第１と第２のコレクタのイオン電流特性である。
図１７は、実態調査に用いた測定子の第１イオンコレクタを、水素分子イオンに合わせた場合の、水素分子圧力に対する第１と第２のコレクタのイオン電流特性である。
図１８は従来例に係り、図１９の測定子を制御する電子回路を含めて構成された、イオン抽出型電離真空計であるところの真空計測装置の全体図である。
図１９は従来例に係り、グリッドとフィラメントとイオン引き出し電極で構成された、イオン源を用いて構成されたイオン抽出型電離真空計の測定子の構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。
図１に示す本実施例の測定子は、真空計測装置の一部であり、真空装置（図示は省略）に連通状態で接続された真空容器の内部に配置される。イオン源部３はグリッド１０と電子源２０とを備え、電子源から放射された電子をグリッド１０の内外にて振動させて振動電子とし、グリッド１０内に飛来する気体分子を振動電子によってイオン化し、気体分子をイオン化してなるイオンを、グリッド１０に設けられたイオン放出口１１からイオン引き出し電極３０によってグリッドの外側にイオンビーム１００として引き出し、イオンビーム１００をイオンコレクタ４０で捕らえて電流信号に変換し、電流信号の電流強度から真空装置内の、即ちイオン源部３のガス分子密度を測定する電離真空計である。
グリッド１０は、電子源から放射された電子が通過可能な格子状の筒体であると共に、イオン放出口１１は、グリッド１０の側面に沿って縦長に開口されている。イオン放出口１１の長さは、グリッド１０の側面の長さと等しく又はほぼ等しくなっている。
イオン引き出し電極３０は、イオンビーム１００を通過するイオンビーム通過スリット３１を備え、イオンビーム通過スリット３１は、イオン放出口１１と同形状又はほぼ同形状とし、イオン放出口１１及びイオンビーム通過スリット３１は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向している。
また、イオンコレクタ４０は、イオンビーム通過スリット３１と同形状又はほぼ同形状とし、イオンビーム通過スリット３１及びイオンコレクタ４０は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向している。
図１に示すこのグリッド１０としては、線径φ０．２ｍｍ程度の白金クラッドモリブデン線を長さ３０ｍｍ程度に切って、３ｍｍ等間隔で同材料の線径０．５ｍｍの直径２０ｍｍリングの円周上に１８本並べて溶接したものを採用している。イオンビームのイオン放出口１１は、縦長略３０ｍｍ、幅約９ｍｍとなっている。また、グリッド１０の上下底面には、同じ線材を円周上に溶接するとよい。イオンが上下底面から逃げないように塞ぐためである。
本発明の基本的な考え方は、イオンビームを引き出すイオン放出口１１をグリッド１０の側面に沿って縦長状に開口することであるから、グリッドの形状は図２のｃ〜ｆのように、側面沿って開口部が設けられていれば、筒体の断面は円、六角、四角形以上のいかなる多角形状であってもよい。筒の長さを筒の太さに比べて長くした場合は、上下底面が塞がれていない形状のｆのような形状であっても同じ帯状イオンビームを形成できるので本発明に含まれる。
また、金網の網目径や格子の幅目に対する開口部の幅は、目幅の２倍以上あれば、最大は筒直径まで（半円になる）の幅であればいかなる寸法でもよい。
また、図１の実施例では、本実施例のグリッド１０に組み合わされるイオン引き出し電極３０は板材で示してあるが、これは板材に限られずに、真空壁と連続する材料の中に削り込んだ（図６参照）構造であってもよい。
また、本実施例のイオン源に組み合わされるイオンコレクタ４０も、板状電極で示してあるが、このイオンコレクタ４０は板材に限られずに、帯状イオンビーム１００を捕らえられる構造の電極であれば、いかなる構造であってもよい。
図１に示した実施例に使用される電子源２０の例としては、線径０．１２７ｍｍのイリジウム線に酸化イットリウムを電着した酸化物コーテングの熱陰極フィラメント等が用いられる。また、この電子源は熱陰極フィラメントに限らず、冷陰極マルチエミッター電子源などと組み合わせてもよい。さらに、図１では電子源の配置はグリッド１０の側面に配置してあるが、これらの電子源はグリッドの側面に限らず、グリッド１０の上下底面に配置してもよい。このような構成のグリッド１０とイオンコレクタ４０の間に縦長形状のイオン引き出し電極３０を配置して、グリッド１０の外周面に発生するイオンがイオンコレクタ４０に入射しないように製作して配置すれば、どのような形状のグリッドと電子源の組み合わせであってもよい。
図３は、帯状イオンビーム１００をイオン引き出し電極３０からイオンコレクタ４０へ静電的に誘導するイオンビーム偏向電極３８の一実施例を示したものである。
また、図４は、静電偏向、即ち図３に示すイオンビーム偏向電極３８を配置した場合におけるイオンビームの偏向の様子を示したものである（イオンビーム偏向電極３８は図示せず）。イオンビーム通過スリット３１及びイオンコレクタ４０は、イオンビーム偏向電極３８にて誘導されるイオンビーム１０１の進行方向を基準として対向している。
図３に示すイオンビーム偏向電極３８は、その中心軸からみて周長方向の両端部の角度が１８０度から２７０度の範囲（図例は２３０度）の扇形円筒形状を呈する部材であり、グリッド１０に対し、互いに軸が並行となるように配置される。また、このイオンビーム偏向電極３８は、格子状に設けられた単極の偏向電極である。イオンビーム偏向電極３８の長さは、グリッド１０と等しい又はほぼ等しく、その側面には、細長四角の窓を多数設けてある。この窓によると、グリッド１０から入射してくるＸ線の反射を低減しつつイオンビームを偏向させることができる。即ち、イオン引き出し電極３０のイオンビーム通過スリット３１を囲む形でイオンビーム偏向電極３８を配置すれば、イオンビーム偏向電極３８の表面を滑らすように帯状のイオンビームを所定の角度まで偏向することができ、偏向した位置に配置した板状のイオンコレクタ４０でＸ線が低減された帯状のイオンビームを捕捉することが可能になる。図４中の１０１は、イオンビーム偏向電極３８によって偏向されたイオンビームの軌道を示している。
この実施例の特徴は、イオンビーム偏向電極３８を正の電位でイオンビーム１００を反射するように偏向させるため、共軸２円筒エネルギー分析器の様に外側円筒を正、内側円筒を負にする二電極構成にする必要は無いことである。このためこのイオンビーム偏向電極３８を、グリッド１０の側面にイオン放出口１１を設けて該イオン放出口１１にイオン引き出し、電極３０のイオンビーム通過スリット３１を隣接したイオン源に適応すれば、グリッド１０の軸と偏向電極３８の軸は並行になり、Ｚ軸方向へのイオンビーム１０１の広がりを抑えた、小型で簡単な構造の真空計測装置を提供することができる。
図５は、図３と図４を組み合わせた測定子２を制御するための電子回路を含んだ電離真空計１を示す。イオン源部３は制御電源２００でグリッド１０、フィラメント２０に電位を与え、一定な電子が流される。コレクタ４０に流れ込んだイオンビームは、電流計２０１で電流Ｉ_ｉとして計測され、演算回路２０２で圧力Ｐに変換され、表示器２０３で表示される。
図６に示した実施例は測定子の断面図である。金属製のバルク材３５を備え、バルク材３５は、グリッド１０及び電子源２０が配置されたイオン化空間と、イオンコレクタが配置された空間とを備え、イオンビーム通過スリット３１を介して連通されている。具体的には、側面にイオン放出口１１を設けたグリッド１０に電子源２０としてヘアピン状のフィラメントを組み合わせたイオン源をバルク材３５の内部に削り込んだ空間に配置すると共に、バルク材３５の中に設けた縦長のスリットをイオン引き出し電極３０のイオンビーム通過スリットとしている。イオン源で発生する帯状のイオンビームは、イオンビーム通過スリット３１を通過後イオンビーム偏向電極３８により２３０度まで円軌道で偏向される。従って、２３０度回転した位置にイオンコレクタ４０を配置すれば、大偏向角イオン抽出型電離真空計であるところの真空計測装置を提供することが可能になる。
図７は、図５と図６の構成の電離真空計の真空計測装置において、フィラメン電位を１００Ｖ、グリッド電位を２２０Ｖに設定しておいて、扇型偏向電極３８の電圧Ｖ_Ｄを変化させたときのイオン電流Ｉ_ｉの変化を示したものである。本実施例のグリッド１０を用いた帯状イオンビームの得られるイオン源では、ＥＳＤイオンが入りにくいことに加え、ＥＳＤの発生し難い白金イリジウム合金製であるから、図７の結果にはＥＳＤイオンによるピークが全く現れなかった。気相ピークの最大値はＶ_Ｄ＝１４４Ｖにあり、電子電流をＩ_ｉ＝１〜３ｍＡの間で変化させてもその位置のズレはわずかである。この結果は電子の空間電荷による電界の歪み効果が非常に小さいこと示しており、イオンのエネルギー分散が小さいことを意味しており、本実施例の大偏向角イオン抽出型電離真空計が安定な真空計として動作することが可能である。
また、扇形偏向電極３８に、＋３５０Ｖの高い電圧を印加すると、イオンビーム１０１は全くイオンコレクタ４０に到達できないカットオフ状態になり、本実施例でのＸ線限界を求めることができる。１０^−７Ｐａ台で求めた残留電流はＩ_ｉ＝１×１０^−１５Ａであったことから、本真空計のＸ線限界はＩ_ｉ＝ＳＰＩ_ｅの式を使って＜１×１０^−１１Ｐａと見積もることができた。ここでＳは感度係数と称される比例常数であり、本試験から得られた値はＳ＝３．７×１０^−２Ｐａ^−１であった。このＸ線限界値は現在市場に流通している、イオン抽出型電離真空計（エクストラクタ型真空計）より約１／５０以下まで低く、本発明により１×１０^−１１Ｐａの極高真空まで測れる電離真空計が提供できたことになる。
図６の実施例の大きさは、直径７０ｍｍのコンフラットフランジに組み込んである。本サイズのフランジ内に組み込んだ電離真空計で、Ｘ線限界を１０^−１１Ｐａ台まで向上できたのは、数々の発明が組み合わされて、これらの相乗効果が発揮されたからに外ならない。
次に、本発明のイオン源を、磁界偏向型質量分析計やリークディテクタなどの真空計測装置に適応した場合の測定子の一実施例を、図８に立体的模式図で示す。
図８の測定子部は、磁界偏向型質量分析計であり、リークディテクタとしても活用でき、全圧をも精度高く測れる電離真空計でもある真空計測装置である。イオン源３から得られる帯状イオンビーム１００を、イオンビームの進行方向と直交する向きの磁界空間（ＮＳ）に前記イオンビームを導き、イオンが磁界空間を進行する際に発生するローレンツ力にてイオンを質量対電荷比ｍ／ｅに応じて分離するものである。イオンコレクタとしては、分離したイオンのうち特定のイオンが集束する位置に配置された第１イオンコレクタ４０（特定イオン専用コレクタ）と、特定のイオン以外のイオンを捕捉する第２イオンコレクタ５０（集積イオンコレクタ）とを備えている。そして、第１イオンコレクタ４０の電流と第２イオンコレクタ５０の電流との合算電流から、真空装置（イオン源３）のガス分子密度（圧力）を求めるとともに、合算電流に占める第１イオンコレクタ４０の電流の割合から、ガス分子密度（圧力）に対する特定のイオンのガス分子密度（圧力）の比率を求める構成となっている。
図８の測定子の断面図を図９に示す。本実施例の場合、電子を放出するフィラメント２０はリボン状で、グリッド１０の上底面の中心に配置されている。このフィラメントはグリッド１０の直径より小さい曲率のギリシャ文字のΩ型フィラメントに形成し、リボン状フィラメントの位置に配置してもよい。
この状態でフィラメントからグリッドに向かって数ｍＡの電子を放射すると、上底面の格子を通過し該グリッドに流れ込む。フィラメントをグリッドの上底面に配置する理由は、円筒グリッドの軸と平行な漏れ磁界が存在することにより、円筒外周からは電子投入が難しいためである。これにより、円筒グリッド１０の中心付近を螺旋運動しながら効率よく上下運動させることができ、該グリッドの中心軸上に気体イオンを発生させることができる。
グリッド１０側面にはイオン引き出し電極３０が配置されており、グリッド１０のイオン放射口１１からイオンビーム１００となってイオン引き出し電極３０上のスリット３１を通過する。ここで特筆すべきことは、該グリッド１０に設けられたイオン放出口１１は、円筒グリッドの側面に開口されたスリット状であるため、得られるイオンビーム１００は帯状であり、円筒グリッド１０の軸方向へのイオンの広がりを基本的に持たないことである。即ち軸方向への広がりを持たない分、帯状イオンビームはエネルギーの揃っていることになる。該グリッド１０は格子状であるため、ガスの透過性も良好であり、電子衝撃によるグリッド１０の脱ガス操作も可能であるから、グリッド１０の両底面から発生する軟Ｘ線のＥＳＤイオンのイオンビーム１００への混入を最小にすることができる。
イオン引き出し電極３０のスリット３１を通過した帯状イオンビーム１００は、磁界空間Ｍ（図９の砂地模様）に入り、ローレンツ力を受けて円軌道１０１を描き、１８０度回転したｄ点に集束する。この集束する位置には、帯状イオンビームを捕らえる板状の第１イオンコレクタ４０が配置されている。ここで重要なことは、スリット３１を抜けた帯状イオンビームのうち、第１イオンコレクタ４０に到達できないイオンは、図８の第２イオンコレクタ５０（斜線を施した）に全て衝突する。図８では該第２イオンコレクタ５０の構造とイオンビームの関係を理解しやすくするために、コレクタを形成する５枚の板のうち、板５４，５５，５６の３枚を切り離して示してある。
第２イオンコレクタ５０は、特定のイオン以外のイオンを捕捉する面が、特定のイオンのイオンビームが描く軌道を囲むように立体的に設けられている。具体的には、中空箱形で１面が無面の５面体板材で構成されている。
また、第１イオンコレクタ４０の特定のイオンを捕捉する面と、第２イオンコレクタ５０の特定のイオン以外のイオンを捕捉する面とは、特定のイオンのイオンビームの進行方向に対し、間隔が設けられている。即ち、第１イオンコレクタ４０及び第２イオンコレクタ５０の各面は、同一平面を避けて段違いに設けられている。
尚、真空装置のガス分子密度を求める場合の実用的な構成として、第２イオンコレクタ５０は、少なくとも、二酸化炭素イオン、及び特定のイオンを除く二酸化炭素イオンよりも質量の小さい全てのイオンを捕捉することが望ましい。特に、図示した第２イオンコレクタ５０は、より望ましい構成として、特定のイオンを除く全てのイオンを捕捉するものとなっている。
イオンコレクタ４０は、第２イオンコレクタ５０に開けられたスリットの外側に配置され、１８０度偏向してきた特定イオンがスリット５１を通過して、第１イオンコレクタ４０に入射できるように配置されているが、第１イオンコレクタ４０は、スリット３１と略比例する縦長の窓を第２イオンコレクタ５０の板５２の直前に配置して、スリット５１を省略してもよい。即ち、第１イオンコレクタと第２イオンコレクタの面が同一平面を避けて配置することにより、第１イオンコレクタで捕捉できなかったイオンを漏れなく第２イオンコレクタで捕捉可能になる。
図９を用いて本例の基本的原理を説明する。
イオン源３で生成される帯状イオンビーム１００の中の特定イオンを、軌道１０１を通って第１イオンコレクタ４０に入射させるようにするには、次式（１）に合致するように特定イオンの原子質量ｍ、グリッド電位Ｅ（ボルト），磁界の強さＭ（ガウス）、ビーム軌道の回転半径Ｒ（センチメートル）を決定すればよい。
Ｒ＝１４４√Ｅ√ｍ÷Ｍ …式（１）
スリット３１を出るとき、特定イオンのビームに多少広がりが有ったとしても、ビームは半径Ｒの軌道１０１を描いてｄ点に集束するから、そこに配置されている第１イオンコレクタ４０に入射し、該第１イオンコレクタ４０には特定イオンだけの電流が流れる。
特定イオンビームの中のエネルギーの大きいイオンは軌道１０２を通過し、１８０度偏向されてｅ点に集束し、これは第２イオンコレクタ５０の板５２に捕捉される。特定イオンビーム中のエネルギーの小さいイオンは、軌道１０３を通過し、１８０度偏向されてｃ点に集束し、同じく第２イオンコレクタ５０の板５２に捕捉される。
これに対して、特定イオンより質量の小さいイオンは、式（１）に従って半径Ｒの軌道１０４を描きｂに集束し、同じく第２イオンコレクタ５０の板５２に捕捉される。さらに小さい質量の場合は軌道１０５を描き、ａに集束し、同じく第２イオンコレクタ５０の板５２に捕捉される。
また、特定イオンより質量の大きいイオンのイオンビームは、発散した状態でｆの地点で第２イオンコレクタ５０の板５４に捕捉される。スリット３１を通過した帯状イオンビームは図９の紙面の裏表方向にも多少ビームは広がるが、この広がった部分のイオンは、図８の第２イオンコレクタ５０の板５３及び板５５に捕捉される。
さらに質量が大きく、イオンビームの半径Ｒが直線に近い場合は、第２イオンコレクタ５０の板５４の長さを図９の板５７の位置まで延ばした形状にすれば、このイオンも第２イオンコレクタ５０に衝突させることができる。即ち、図９に示したように、スリット３１を出た帯状イオンビームは、第１イオンコレクタ４０に到達するイオン以外は、イオンビームのエネルギーの差異があっても、特定イオン以外の質量のイオンであっても、その全てが第２イオンコレクタ５０で捕捉し、電流に変換できる構成になっていれば、図８、図９に示した構成の５面箱形以外の、図１０に示したｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑのような、いかなる形状の第２イオンコレクタであってもよい。これらは、第１イオンコレクタに集束するイオンビームが磁界の作用により、ローレンツ力を受けて発散から収束するまでのイオンビーム展開空間の一部又は全部を一体的に囲んでいながら、第１イオンコレクタのイオンビームの軌道を妨げない大きさと構造を有する中空状のものとなっていれば、いかなる形状であってもよい。
また、図１１のように、イオンビームの紙面の裏表方向の広がりを十分カバー可能な金属の板を立体的に、アルファベット大文字のＴ字型に形成したｓや折り曲げてＬ字型のｔにしたもの、カタカナ文字のコの字に折り曲げたｕ形状のようにして、１００％ではないが、より多くの第１イオンコレクタで捕捉できないイオンを取り込む立体的な第２イオンコレクタであってもよい。
上述したように、図８及び図９に示したイオンビーム１００の進行方向と直交する向きの磁界空間にイオンビームを導き、イオンが磁界中を進行するとき発生するローレンツ力によって、特定ガスの質量に対応したイオンだけが集束する位置に第１イオンコレクタ４０を配置し、さらには該磁界によって分散及び集束される特定イオン以外のイオンを捕捉できる大きさと形状を備えた第２イオンコレクタ５０を併設配置して分散及び集束するイオンを捕らえ、該第１イオンコレクタ４０の電流Ｉ_１と該第２イオンコレクタ５０の電流Ｉ_２を求め合算すれば、イオンビーム１００のイオン電流Ｉ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２と完全に一致することになり、精度の高い全圧測定可能な電離真空計の真空計測装置を提供できることになる。
前記合算電流Ｉ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２に対する第１イオンコレクタ４０から得られる電流Ｉ_１は、全圧に対する特定イオンの割合を示すことになる。
図１２は、図９の測定子を用いて構成された電子回路を含めた真空計測装置１の全体図であり、測定子２より得られる第１コレクタからの電流Ｉ_１と第２のコレクタからの電流Ｉ_２との演算過程を示したものである。Ｉ_１とＩ_２は演算回路２０６で常時合算電流Ｉ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２と割合Ｉ_１／（Ｉ_１＋Ｉ_２）が計算され、圧力表示器２０７ではＩ_Ｔに比例した形で圧力Ｐが、比率表示器２０８では全圧Ｉ_１＋Ｉ_２に対する特定ガスの比率（％）が表示できるようになる。
予め１００％特定ガスだけでＩ_１対Ｉ_２の割合を求めておけば、その分散比率はセンサー固有の常数として使用できるから、混合ガス中での特定イオンの比率も求めることが可能になる。
本発明者は、実施の形態に係るイオン抽出型電離真空計の性能調査を行った。以下に、その性能調査について言及する。
図９と図１０の実施の形態に基づいた特定ガス比率測定可能な電離真空計であるところの真空計測装置を、図１３のような構造の測定子として製作し、その性能調査を行った。筒状グリッド１０は白金（８０％）イリジウム（２０％）合金製で、厚さ０．１ｍｍの板からエッチングで制作した格子板を丸めて直径６ｍｍ高さ１２ｍｍの筒状にしてある。グリッドの上下底面も同じ金網で塞いだ、本発明図２のｄ構造のグリッドになっている。格子部分の電子の透過率は約７２％である。グリッド１０の側面に縦長に設けたイオン放出口の幅は３ｍｍ、高さはグリッド長と同じ１２ｍｍである。
フィラメント２０は幅０．７５ｍｍ厚さ０．０２５ｍｍのイリジウムリボンで、その上にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）の粉末を焼結した。該グリッドと該フィラメント構成されるイオン源は独立した真空端子を有するフランジ３３にマウントして測定子ボディ３５の横から独立して取り付けられて、容易にスペアと交換できるようになっている。測定子ボディは０．２％Ｂｅを含有した銅合金真空構造材で一体的に製作されており真空装置（図示せず）に図１３の矢印８０方向に取り付けることができる。銅合金製であるから、フィラメントからの輻射熱を反射し、吸収した熱は速やかに外壁に拡散し、測定子からのガス放出を小さくすることができ、圧力測定の精度を向上させることができる。
イオン引き出し電極３０は、該測定子ボディの中に一体的に削り込んで製作されている。スリット３１の幅は２ｍｍ、縦は１０ｍｍである。５枚のステンレス板を集合させて形成した第２イオンコレクタ５０の大きさは、図１３の図内の方向で縦２５ｍｍ横４０ｍｍ高さ１６ｍｍであり、電気絶縁されて測定子ボディの中に設けた独立した四角の真空空間に配置されている。
第２イオンコレクタ５０を形成している板上（図８の板５２）には、特定イオンの集束する位置に幅３ｍｍ高さ１５ｍｍのスリットが開いており、その裏には特定イオンの集束する位置に第１イオンコレクタ４０が配置されている。この第１イオンコレクタ４０と第２イオンコレクタ５０に接続する真空端子４１と５７は、独立したフランジ３４に接続されている。帯状イオンビームの射出スリット３１と集束部スリット５１の中心間の距離は３４ｍｍである。輻射熱を発するフィラメント２０と軟Ｘ線を発するグリッドは、イオン引き出し電極３０を挟んで、独立した真空空間に配置されているので、スリット３１を通過する分しか第２イオンコレクタ５０側に入らなく、自己ガス放出を最小にすると共に、軟Ｘ線はスリットを通過した上、第２イオンコレクタで反射した分しか第１イオンコレクタ４０に入射しない。これにより、軟Ｘ線による第１イオンコレクタの光電子流は１０^−１５Ａ以下まで小さくなる。
図１３の砂地模様の背景の部分Ｍには、一様な磁界を与えるためにコの字型の鉄ヨーク９０に、縦４０ｍｍ横４５ｍｍ厚さ５ｍｍの２枚のネオジウム合金製永久磁石９１を付け、該第２イオンコレクタを測定子真空容器３２の大気側から図１４のｈのように挟む様に配置してある。平均の磁界の強さＭは、約３２００ガウスである。
図１３の測定子を超高真空排気装置（図示せず）に矢印８０の方向に取り付け、ガスを導入しながら図１２の電子回路を用いて、その特性を調べた。その結果を図１５〜図１７に示す。
図１５は、到達真空１０^−９Ｐａの超高真空状態から純ヘリウムガスを真空装置に導入して徐々に圧力を上昇させた場合の超高真空計（ＢＡゲージ）の示す圧力に対する本例の特定ガス比率測定可能な電離真空計であるところの図１２の真空計測装置の第１イオンコレクタの出力電流Ｉ_１と、第２イオンコレクタの出力電流Ｉ_２との変化を調べたものである。圧力はＢＡゲージによる窒素換算圧で絶対圧ではないが同じ種類の電離真空計であるから、各種ガスに対する比感度係数はＢＡゲージにほぼ同じと考えてよい。
最初に測定子の動作条件を調べた。電子電流を２ｍＡ、電子エネルギー（フィラメント−グリッド間電圧）を１６０ｅＶに選んだ場合、フィラメント電位をＶ_ｆ＝１９５Ｖとした時、第１イオンコレクタ電流Ｉ_１が最大になった。式（１）にＥ＝３５５，ｍ＝４，Ｍ＝３２００の値を式（１）に代入してみると、Ｒ＝１．７ｃｍが得られ、スリット間の距離の３．４ｃｍの半分である１．７ｃｍに完全に一致した。
図１５において、測定時の到達真空３．６×１０^−８Ｐａでは、残留ガスの主成分が水素であったから、ヘリウムイオンだけが飛来するように設定された第１イオンコレクタには、水素イオンの飛来は無く、Ｉ_２＝１０^−１５Ａ台のバックグランドまで下がった（白丸）。このときの第２イオンコレクタの電流は２×１０^−１２Ａである（黒丸）。この状態からヘリウムガスの導入を始めると、第１イオンコレクタにヘリウムイオンが飛来するようになり、Ｉ_１は１０^−７Ｐａ付近から急激に電流が増大する（図１５のｓ部）。その後はＩ_１とＩ_２は共にヘリウムの圧力に比例する。圧力が高くなると、ヘリウムイオンビームは残留ガスのヘリウムに衝突散乱されるため、第１イオンコレクタに入れなくなり直線から外れて比例しなくなる。第２イオンコレクタの方は、散乱イオンも取り込めるので直線性は高圧の１０^−２Ｐａ台まで延びる。第２イオンコレクタの方は逆に圧力の低い方の１０^−７Ｐａ以下で非直線性が現れる。
しかし、本例の真空計においては、合算電流Ｉ_１＋Ｉ_２を使って全圧を求めるから、全圧計の感度係数Ｓ_Ｔとしては概略Ｓ_Ｔ＝Ｓ_１＋Ｓ_２＝４×１０^−２Ｐａ^−１となり、図１５の最上段（丸×印）のように、到達圧の３．６×１０^−８Ｐａから２×１０^−２Ｐａまで完全にＢＡゲージに比例するようになる。ここでＳ_１は第１コレクタの感度、Ｓ_２は第２コレクタの感度である。第１イオンコレクタに入射してくるヘリウムイオンの割合はＳ_１／（Ｓ_１＋Ｓ_２）＝１．５／４＝０．３７５であるから、Ｉ_１／０．３７５からヘリウムイオンビームの全電流強度が求められることになり、この値をさらにヘリウムの比感度係数で割ってやれば、全圧（ここでは１００％がヘリウムであるが）に対するヘリウムの割合を知ることができる。
図１６は、窒素原子Ｎ（ｍ＝１４）が第１イオンコレクタに入射するように電子エネルギーを８０ｅＶに、フィラメント電位を２１．４Ｖまで落とし、その状態で純窒素ガスを導入し、その時の両コレクタ電流の変化を調べたものである。到達真空付近（図１６のｕ）では同じく残留電流の主成分が水素であるため、第１イオンコレクタの電流Ｉ_１の特性は下方に湾曲している。しかし、窒素ガス（ｍ＝２８）圧が増して行くと、窒素原子（ｍ＝１４）だけが飛来するように設定してある第１イオンコレクタの電流Ｉ_１には、破片イオンの窒素原子イオンが入射するようになり、圧力に比例して増大してくる。勿論第２イオンコレクタの電流Ｉ_２は生成するＮ_２（ｍ＝２８）のメインイオンを全て捕らえられるので、得られる電流は約１桁大きい。ここで重要なことは、Ｎ_２（ｍ＝２８）の質量はＣＯ（ｍ＝２８）の質量と同じであるから、大気がリークしていたとしても真空装置に多く残留するＣＯと区別できず、第１イオンコレクタをｍ＝２８に設定しても感知できない。しかし、第１イオンコレクタをｍ＝１４が飛来するように設定しておけば、リークの有る場合はＩ_１の大きさが全圧を示すＩ_１＋Ｉ_２の値の主成分として測定されるので、リークによるＮであることを検知することが可能である。これは正に本例が、第１イオンコレクタと第２イオンコレクタとに分けてイオン電流を計測した上、合算電流Ｉ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２に基づいて圧力計算なされて表示されるからである。
真空装置にリークであった場合は、第１イオンコレクタにヘリウムイオンだけが飛来するようにグリッドバイアスＥ又は磁界の強さＭを変更して、プローブガスとしてヘリウムガスを大気側からスプレーすれば、リークの場所を簡単に探査することが可能である。
ここで重要なことは、装置全体の圧力は、第１イオンコレクタの電流と第２イオンコレクタの合算電流Ｉ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２で、精度高く求められている状態で、リークの箇所にヘリウムが充満すると、本例の真空計測装置が示す全圧が、ヘリウムに対する比感度係数が低いため全圧指示値が下がり、逆に第１イオンコレクタ電流は急激に上昇する現象が起こり、リーク探査が簡単に行える。全圧が精度高く求められている状態なので、真空装置の排気ポンプの排気速度が分かっていれば、簡単にリークレートも求められることになり、これは正にリークディテクタと同じ機能を持つことになる。
図１７は、第１イオンコレクタに水素分子イオン（ｍ＝２）だけが飛来するように、Ｒ＝１．７，ｍ＝２，Ｍ＝３２００の値を式（１）に代入して、Ｅ＝７１０Ｖが得られることから、電子エネルギーを３５０Ｖ，フィラメント電位を３６０Ｖに選んで水素ガスを導入してＢＡゲージ指示圧に対する第２イオンコレクタ電流Ｉ_２と第１イオンコレクタ電流Ｉ_１の特性を調べたものである。残留ガスの主成分は水素ガスであるから、第１イオンコレクタの電流Ｉ_１は広い領域でＢＡゲージの指示圧に比例している。そして第２イオンコレクタの電流Ｉ_２も圧力の低い方に対しても１０^−８Ｐａまで直線性があり、高い方に対しては１０^−１ＰａまでＢＡゲージ圧力に対して直線性を持っている。圧力の低い部分において、まだ直線が僅かに下向きに外れているのは、これはＢＡゲージがＣＯの中性ＥＳＤやＸ線限界（２×１０^−９Ｐａ）の影響があるためと考えればＧの非直線性は説明できる。本調査に用いた真空計測装置の測定子の残留電流は１０^−１５Ａ以下であるから、Ｐ_Ｘ＝１０^−１５／（３×１０^−３）／（２×１０^−３）＝１．７×１０^−１０Ｐａまで第１イオンコレクタ電流Ｉ_１のイオン電流を測定することにより、水素圧力だけの測定が可能になったことを証明できたことになる。
図１７に示したデータは、磁界を代えないで３２００ガウスのまま、グリッドバイアスをＥ＝７１０Ｖまで増大させる方法で、水素分子イオンが第１イオンコレクタに飛来するように設定した。しかし、イオン源として安定な特性が得られるのは、電子エネルギーは１００〜２００ｅＶ程度であり、フィラメントバイアスも１００〜２００Ｖ程度であるから、ヘリウムリーク試験時と同じ条件で動作させた方が得策である。この場合は式（１）においてｍ＝４をｍ＝２とすればよいから、その結果としてＭ＝２２５７ガウスとなり、図１４のｉに示したような磁界の強さをＭ＝２２５７に合わせた別マグネットに交換すれば、最適バイアス条件で動作させることが可能になる。即ち、ヨーク付マグネットのセット９２，９３の入れ替えだけで、極高真空計測用、リーク検査用など自由に選択できるようになる。
水素分子（ｍ＝２）を第１イオンコレクタに飛来するように設定した場合は、水素分子より小さい質量のイオンは水素原子（ｍ＝１）イオンだけであり、直ぐ隣の質量の大きいイオンは、ＣＯから発生するダブル破片イオンのＣ^２＋（ｍ＝６）だけなので、図８及び図９のスリット５１の幅を大幅に広くすることが可能となり、水素分子に対するイオン電流Ｉ_１の感度を１０倍程度向上させることは容易と思われる。このようにすることにより、中性ＥＳＤのＣＯを完全に除去した１０^−１１Ｐａ台までの水素分圧を測定することが可能になる真空計測装置であるところの電離真空計を提供することが可能になる。
以上、実態に係わる本調査で明らかにしたように、本例の特定ガス比率測定可能な電離真空計である真空計測装置は、特定ガス分子の原子質量に合致するようにモニタしたいガスを選び、その他のガスのイオンを第２イオンコレクタに集めてやれば、精度の高い電離真空計として働かせながら、特定ガス専用の濃度モニタとして働かすことができる。真空装置と水は非常に深い関わりをもっており、工業生産で使用される真空装置や導入するガスの最も注意を払ってモニタされているのは水である。本例の特定ガス比率測定可能な電離真空計たる真空計測装置では、特定ガスに水（ｍ＝１８又は１７）を選んでやれば、水分計として真空装置内のバックグランドを観察し、工業における製造ガスの水含有の割合を常時モニタすることが可能になり、工業界の発展に大きく貢献できることになる。
本実施例の電離真空計は、上述した実施例に限らず様々な設計変更が可能であり、イオン源の構成や電極の構成等は、特に実施例のものに限られない。
例えば、上述した質量分析計たる真空計測装置において、第１のイオンコレクタと第２のイオンコレクタの合算電流から電離真空計としての機能を求め、合算電流に対する第１コレクタ電流の割合から、特定ガスの分圧を求める実施例では、グリッドのイオン放出口を該グリッド１０の筒状側面に沿って縦長に開口されているものを用いたが、グリッド１０のイオン放出口は従来型のもの、即ち筒状グリッドの円筒の一方の底面から引き出す構造のグリッドを用いたイオン源であってもよい。
また、第１イオンコレクタに入射するイオン以外のイオンビームを捕らえる第２イオンコレクタは、５面の板材で形成した箱形のものには限らず、図１０に示したように、一面を軌道半径に合わせて加工した半月状のｑ、スリット５１を設けないで第１イオンコレクタを該箱の中に配置したｍ、非常に質量の大きいイオンを確実に集積コレクタで捕捉できるようにした変形箱形のｎ、イオンの入射スリットと出射スリットの両スリットを設けた箱形ｏ、特定イオン軌道に合わせたｑ、散乱イオンを最小にして特定イオン検出感度を向上させた散乱防止板５９を配置したｒ、図１１に示したアルファベットのＴ字型や、Ｌ型、カタカナ文字のコの字のように、金属板を曲げて構成する等、第１イオンコレクタに捕捉されなかったイオンを捕捉できる形状と大きさを持つ第２イオンコレクタであれば、いかなる形状のものでもよい。
また、図９において、この第１イオンコレクタと第２イオンコレクタの捕捉するイオンの割合は、イオン源３を飛び出してイオン引き出し電極３０に形成されたスリット３１を通過したイオンビームＩ_ＴとＩ_Ｔ＝Ｉ_１＋Ｉ_２と完全に一致していなくても（例えば組立の精度やリーク電流、測定電気回路の精度等に起因する）、第１イオンコレクタと第２イオンコレクタの合算電流から真空装置内の圧力を測定し、Ｉ_１／（Ｉ_１＋Ｉ_２）から特定ガス分子のガス密度比を求める手段は全て本発明の範疇に含まれるものである。
また、各電極を真空装置に取り付ける測定子ボディ材として、ベリリウム銅合金フランジ構造材を用いた実施例を示したが、本測定子ボディの構成材はこの例に限られずに、ステンレス材やアルミニウム合金材等、他の真空構造材を用いてもよい。
また、図１２に示すような真空計測装置１において、第１イオンコレクタと第２イオンコレクタから得られるイオン電流を、絶対圧に換算する演算回路やマイクロコンピュータを組み込んだ電子回路で、ソフトウエアで補正して表示又は記録するようにしてもよい。このようにして、演算回路やマイクロコンピュータを組み込んで本発明の真空計測装置１を作動させる電子回路技術を構成することもできる。
また、第１イオンコレクタを複数箇所用意し、それぞれを独立に特定イオン電流を計測して、該複数箇所に捕捉されなかった、残りのイオンを第２イオンコレクタで捕捉して、複数のイオンのガス濃度の比率を求めることも可能である。
以上説明したように、本例の真空計測装置は、特定ガス比率測定機能を備えた電離真空計として極めて合理的に構成されたものである。尚、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図示説明したものに限定されないことは勿論である。

本発明は、真空技術が不可欠な半導体産業、各種薄膜の成膜産業、表面分析機器、電子顕微鏡などの各種商品開発、生産技術、更には加速器科学など基礎研究部門等使用される真空装置の、圧力と残留ガス分析に使用される電離真空計や質量分析計等の真空計測装置として好適に利用することが可能である。

１ 電離真空計
２ 測定子
３ イオン源
１０ グリッド
１１ イオン放出口
２０ 電子源
３０ イオン引き出し電極
３１ イオンビーム通過スリット
３８ 偏向電極
４０ イオンコレクタ
５０ 第２イオンコレクタ
１００ イオンビーム

Claims (15)

1. 真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換する形式の真空計測装置において、
   前記グリッド（１０）は、前記電子源から放射された電子が通過可能な格子状の筒体であると共に、前記イオン放出口（１１）は、前記グリッド（１０）の側面に沿って縦長に開口されていることを特徴とする真空計測装置。
2. 前記請求項１において、前記グリッド（１０）は、横幅に対し縦幅が大きく形成されている、円状、楕円状、角状等の筒体であることを特徴とする真空計測装置。
3. 前記請求項１において、前記イオン放出口（１１）は、開口の縦長さが前記グリッド（１０）の側面の縦長さと等しい又はほぼ等しく形成されていることを特徴とする真空計測装置。
4. 前記請求項１において、前記イオン引き出し電極（３０）は、イオンビーム（１００）が通過するイオンビーム通過スリット（３１）を備え、このイオンビーム通過スリット（３１）は、前記イオン放出口（１１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオン放出口（１１）及び前記イオンビーム通過スリット（３１）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置。
5. 前記請求項４において、前記イオンコレクタ（４０）は、前記イオンビーム通過スリット（３１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオンビーム通過スリット（３１）及び前記イオンコレクタ（４０）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置。
6. 前記請求項１〜５のいずれか記載の真空計測装置において、前記変換された前記電流信号の電流強度から、前記真空装置内のガス分子密度を測定することを特徴とする真空計測装置。
7. 前記請求項６において、イオン源（３）とイオンコレクタ（４０）の間には、静電的にイオンビームを偏向することのできる偏向電極（３８）を配置するものであって、グリッド（１０）の筒体の軸と、前記偏向電極（３８）の軸とを、並行になるように配置したことを特徴とする真空計測装置。
8. 真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換し、前記変換された前記電流信号の電流強度から、前記真空装置内のガス分子密度を測定する真空計測装置において、
   イオン源（３）とイオンコレクタ（４０）の間には、静電的にイオンビームを偏向することのできる偏向電極（３８）を配置するものであって、グリッド（１０）の筒体の軸と、前記偏向電極（３８）の軸とを、並行になるように配置したことを特徴とする真空計測装置。
9. 真空装置に連通状態で接続された真空容器の内部にグリッド（１０）と電子源（２０）とを備え、前記電子源から放射された電子が、前記グリッド（１０）の内外に振動することによって、前記グリッド（１０）内に飛来する気体分子をイオン化し、前記気体分子をイオン化してなるイオンを前記グリッド（１０）に設けられたイオン放出口（１１）から、イオン引き出し電極（３０）によって、前記グリッドの外側にイオンビーム（１００）として引き出し、前記イオンビーム（１００）をイオンコレクタ（４０）で捕らえて電流信号に変換する形式の真空計測装置において、
   前記引き出されたイオンビーム（１００）を、磁界空間に導き、前記イオンが前記磁界空間を進行する際に発生するローレンツ力にて前記イオンを質量対電荷比に応じて分離するようにし、
   前記イオンコレクタは、分離した前記イオンのうち特定のイオンが集束する位置に配置された第１イオンコレクタ（４０）と、前記特定のイオン以外のイオンを捕捉する第２イオンコレクタ（５０）とを備え、
   前記第１イオンコレクタ（４０）の電流と前記第２イオンコレクタ（５０）の電流との合算電流から、前記イオン源のガス分子密度を求めるとともに、前記合算電流に占める前記第１イオンコレクタ（４０）の電流の割合から、前記ガス分子密度に対する前記特定のイオンのガス分子密度の比率を求めるようにしたことを特徴とする真空計測装置。
10. 前記請求項９において、前記第２イオンコレクタ（５０）は、前記特定のイオン以外のイオンを捕捉する面が、前記特定のイオンのイオンビームが描く軌道を囲むように立体的に設けられていることを特徴とする真空計測装置。
11. 前記請求項９又は１０において、前記グリッド（１０）は、前記電子源から放射された電子が通過可能な格子状の筒体であると共に、前記イオン放出口（１１）は、前記グリッド（１０）の側面に沿って縦長に開口されていることを特徴とする真空計測装置。
12. 前記請求項１１において、前記グリッド（１０）は、横幅に対し縦幅が大きく形成されている、円状、楕円状、角状等の筒体であることを特徴とする真空計測装置。
13. 前記請求項１１において、前記イオン放出口（１１）は、開口の縦長さが前記グリッド（１０）の側面の縦長さと等しい又はほぼ等しく形成されていることを特徴とする請求項１０記載の真空計測装置。
14. 前記請求項１１において、前記イオン引き出し電極（３０）は、イオンビーム（１００）が通過するイオンビーム通過スリット（３１）を備え、このイオンビーム通過スリット（３１）は、前記イオン放出口（１１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオン放出口（１１）及び前記イオンビーム通過スリット（３１）は、間隔を置いて互いに形状が一致するように対向して配置されていることを特徴とする真空計測装置。
15. 前記請求項９又は１４において、前記イオンコレクタ（４０）は、前記イオンビーム通過スリット（３１）と同形状又はほぼ同形状に形成され、前記イオンビーム通過スリット（３１）及び前記イオンコレクタ（４０）は、当該イオンビームの軌道に対応する箇所に、間隔を置いて配置されていることを特徴とする真空計測装置。

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