KR102082168B1 - 압력을 측정하는 이온화 게이지 및 이를 이용한 압력 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

고압에서 작동할 때 스퍼터링 결과로 생기는 증착들의 위치를 조절하는 동안 압력을 측정하는 이온화 게이지는, 전자를 방출하는 하나 이상의 전자 소스 및 이온화 용적을 한정하는 애노드를 포함한다. 가스 압력 출력을 제공하기 위해 이온화 게이지는 이온화 용적 내에서 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이에 충돌들에 의해 형성된 이온들을 수집하는 콜렉터 전극을 또한 포함한다. 콜렉터 전극 및 외피 표면에서 스퍼터링된 원자 플럭스(atom flux)에 대한 전자 소스의 노출을 최소화하도록 전자 소스는 이온화 용적 단부에 위치될 수 있다. 대안적으로, 이온화 게이지는 이온화 용적의 외부에 제 1 쉐이드를 포함할 수 있으며, 제 1 쉐이드는 전자 소스와 컬렉터 전극 사이에 위치되고, 외피에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스 상에 증착하는 것을 억제하도록 제 2 쉐이드는 선택적으로 외피와 전자 소스 사이에 위치된다.

Description

압력을 측정하는 이온화 게이지 및 이를 이용한 압력 측정 방법 {THE IONIZATION GAUGE TO MEASURE PRESSURE AND THE METHOD OF MEASURING PRESSURE WITH THE SAME}
본 출원은 2012년 2월 8일 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/596,470호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시들은 본 출원에 인용에 의해 포함된다.
이온화 게이지들, 더 구체적으로 베이어드-알퍼트(Bayard-Alpert; BA) 이온화 게이지들은 매우 낮은 압력들을 측정하기 위한 가장 일반적인 비-자성 수단들이다. 게이지들은 전세계적으로 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 게이지들은 1952년에 미국 특허 번호 2,605,431호로 개시되었으며, 이 특허는 이 전체가 인용에 의해 본 출원에 포함된다. 전형적인 이온화 게이지는 전자 소스(electron source), 애노드(anode) 및 이온 콜렉터 전극(ion collector electrode)을 포함한다. BA 이온화 게이지에 대해, 전자 소스는 원통형 애노드 스크린(cylindrical anode screen)에 의해 한정되는 이온화 공간 또는 애노드 용적의 외부에 위치된다. 이온 콜렉터 전극은 애노드 용적(anode volume) 내에 배치된다. 전자들은 전자 소스로부터 애노드를 통해 그리고 애노드로 이동하며, 애노드를 통해 전후로 순환하고, 결과적으로 애노드 내에 혹은 애노드 가까이에 유지된다.
그것들의 이동에 있어서, 전자들은 압력을 측정하고자 하는 대기를 구성하는 가스의 분자들 및 원자들과 충돌한다. 전자들과 가스 사이의 이러한 접촉은 이온을 생성한다. 이온들은 보통 지면에 연결된 이온 콜렉터 전극에 유인된다. 대기 내의 가스의 압력은 이온과 전자 전류로부터 공식 P=(1/S)(Iion/Ielectron)에 의해 계산될 수 있고, 여기서 S는 1/Torr의 단위에 의한 계수이고 특정 게이지 기하학적 형상(gauge geometry), 전기적 파라미터들 및 압력 범위의 특징이다.
유순한 환경에서 게이지가 작동될 때, 전형적인 이온화 게이지의 작동 수명시간은 대략 10년이다. 그러나 매우 높은 압력에서 또는 전자 소스의 방출 특성들을 열화시키는 가스 타입들에서의 작동 중에 이러한 동일한 게이지 및 전자 소스들(캐소드들)은 수분 또는 수시간 내에 고장난다. 스퍼터링(sputtering)은 10-4 Torr 초과와 같은 고압에서 이온화 게이지를 작동할 때에 문제가 된다. 이것은 이온화하는 더 많은 가스가 존재하기 때문에, 높은 압력에서의 문제이다. 이러한 스퍼터링은 이온들과 이온화 게이지의 구성요소들 사이의 높은 에너지 충돌들에 의해 야기된다. 높은 에너지를 갖는 이온들은 이온화 게이지의 콜렉터 포스트(collector post)를 형성하는 텅스텐 물질과 충돌할 수 있다. 이러한 충돌들은 원자들이 콜렉터 포스트로부터 토출되게 하고 현저한 내부 운동 에너지들에 의해 외피 표면들을 감싸게 한다. 토출되는 물질들은 스퍼터링된 표면들의 기준선 내의 다른 표면들로 자유롭게 이동할 수 있으며, 캐소드를 코팅하는 것에 의해 또는 게이지의 피드-스루(feed-through) 절연체들의 코팅에 의해 게이지 고장을 야기할 수 있으며, 이는 전기적인 누전을 초래한다.
따라서, 상기에 언급한 문제들을 최소화하거나 또는 제거하는 이온화 게이지 디자인에 대한 필요가 존재한다.
열 필라멘트(hot filament)와 같은 전자 소스의 코팅은 도 1에 도시된, 평행한 배열로 서로 나란히 있는 필라멘트 및 콜렉터 구조물들의 일반적인 배열에 의해 촉진되며, 이러한 배열은 종종, 콜렉터 표면을 향하는 커다란 표면적의 필라멘트를 가진다. 본 이온화 게이지는 스퍼터링된 원자들이 콜렉터로부터 게이지 내부의 전자 소스로의 직선 경로들을 찾는 것을 억제함으로 인해 필라멘트 방출 효율에 대한 자체-스퍼터링의 영향을 최소화한다.
높은 압력에서 작동할 때 스퍼터링으로 초래되는 증착의 위치를 조정하는 동안 압력을 측정할 수 있는 이온화 게이지가 제공된다. 이온화 게이지는 전자들이 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는 이온화 용적을 한정하는 메쉬 그리드(mesh grid)를 포함하는 애노드 구조물(anode structure)을 포함한다. 메쉬 그리드는 원통형 메쉬 그리드(cylindrical mesh grid)일 수 있다. 그리드의 단부는 이온화 용적의 단부들을 한정한다. 이온화 게이지는 또한 전자를 방출하는 열 캐소드 전자 소스(hot cathode electron source)를 포함한다. 전자 소스는 이온화 용적의 단부에 위치될 수 있다. 가스 압력 출력을 제공하기 위해, 이온화 게이지는 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌에 의해 형성된 이온들을 수집하는 콜렉터 전극을 더 포함한다. 콜렉터 전극은 콜렉터 축을 따라 이온화 용적을 통해 연장하며, 콜렉터 축은 이온화 용적의 단부들을 통해 연장한다. 대안적으로, 열 캐소드 전자 소스는 콜렉터 전극에 나란히 위치되는 리본형 필라멘트일 수 있으며, 콜렉터를 향하는 필라멘트의 표면적이 최소화되도록 리본형 필라멘트는 콜렉터 전극에 대해서 약 90°로 지향되는 평평한 표면을 가진다.
또 다른 대안에서, 이온화 게이지는 전자들이 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는 이온화 용적을 한정하는 메쉬 그리드 및 전자들을 방출하는 전자 소스를 포함하는 애노드 구조물을 포함할 수 있다. 메쉬 그리드는 원통형 메쉬 그리드일 수 있다. 가스 압력 출력을 제공하기 위하여, 이온화 게이지는 또한 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌에 의해 형성된 이온들을 수집하기 위한 제 1 콜렉터 전극(first collector electrode)을 포함한다. 이온화 게이지는 이온화 용적의 외부에 있는 제 1 쉐이드(first shade)를 더 포함하며, 제 1 쉐이드는 전자 소스와 제 1 콜렉터 전극 사이에 위치된다. 제 1 콜렉터 전극과 전자 소스 중 하나는 애노드 구조물 내부에 위치되며, 제 1 콜렉터 전극과 전자 소스 중 다른 하나는 애노드 구조물 외부에 위치된다. 전자들을 방출하는 소스가 애노드 구조물 외부에 위치되고 제 1 콜렉터 전극이 애노드 구조물 내부에 위치되면, 이 때에는 이온화 용적은 애노드 구조물 내부에 있을 수 있으며, 선택적으로 이온화 게이지는 애노드 구조물 내부에 위치되는 제 2 콜렉터 전극을 더 포함할 수 있다. 추가적인 선택으로서, 이온화 게이지는 애노드 구조물 외부의 제 1 쉐이드와 애노드 구조물 사이에 위치되는 제 3 콜렉터 전극을 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 전자를 방출하는 소스는 애노드 구조물 내부에 위치될 수 있으며, 제 1 콜렉터 전극은 애노드 구조물 외부에 위치될 수 있다. 전자 소스는 열 캐소드(hot cathode) 또는 마이크로채널 플레이트(microchannel plate)일 수 있다.
이온화 게이지는 전자 소스, 애노드 및 제 1 콜렉터 전극을 둘러싸는 외피(envelop)를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 외피에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스 상에 증착하는 것이 억제되도록, 제 2 쉐이드는 외피와 전자 소스 사이에 위치될 수 있다.
이온화 게이지를 이용한 압력 측정 방법은 이온화 용적의 단부에 위치되는 열 캐소드 전자 소스로부터 전자들을 방출하는 단계를 포함하며, 애노드 구조물 내부에서 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는 전자들은 이온화 용적을 한정하는 원통형 메쉬 그리드를 포함한다. 상기 방법은 가스 압력 출력을 제공하기 위하여 콜렉터 전극 상에서 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성된 이온들을 수집하는 단계를 더 포함한다. 콜렉터 전극은 콜렉터 축을 따라 이온화 용적을 통해 연장하며, 콜렉터 축은 이온화 용적의 단부들을 통해 연장한다. 압력은 약 10-1 Torr와 약 10-4 Torr 사이의 범위일 수 있다.
대안적으로, 방출하는 단계를 이온화 게이지를 이용한 압력 측정 방법은 전자 소스로부터 전자들을 방출하는 단계를 포함하며, 전자들은 이온화 용적을 한정하는 메쉬 그리드를 포함하는 애노드 구조물 내부에서 가스 분자들 및 원자들과 충돌한다. 메쉬 그리드는 원통형 메쉬 그리드일 수 있다. 상기 방법은 전자 소스와 제 1 콜렉터 전극 사이에서 이온화 용적 외부에 위치하는 제 1 쉐이드를 더 포함하며, 제 1 콜렉터 전극과 전자 소스 중 하나는 애노드 구조물 내부에 위치되며, 제 1 콜렉터 전극과 전자 소스 중 다른 하나는 애노드 구조물 외부에 위치된다. 상기 방법은 또한 가스 압력 출력을 제공하기 위해 제 1 콜렉터 전극 상에서 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 단계를 포함한다. 전자들을 방출하는 소스가 애노드 구조물 외부에 위치되고 제 1 콜렉터 전극이 애노드 구조물 내부에 위치된다면, 선택적으로, 상기 방법은 애노드 구조물 내부에 제 2 콜렉터 전극을 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가적인 선택으로서, 상기 방법은 애노드 구조물 외부의, 제 1 쉐이드와 애노드 구조물 사이에 위치하는 제 3 콜렉터 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 외피에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스 상에 증착하는 것을 억제하도록, 외피에 의해 전자 소스, 애노드 구조물 및 콜렉터 전극(들)을 둘러싸고 외피와 전자 소스 사이에 제 2 쉐이드를 위치시키는 단계를 더 포함한다.
본 이온화 게이지는 콜렉터 전극 및 외피 표면에서 스퍼터링되는 원자 플럭스(atom flux)에 대한 전자 소스의 노출을 최소화하는 것을 포함하는 많은 이점들을 가진다.
앞서 말한 것은 동일 참조 부호들이 상이한 도면들 전반에 걸쳐 동일한 부분들을 지칭하는 첨부된 도면들에서 도시되는 바와 같이, 후속하는 본 발명의 예시적인 실시예들의 더 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 도면들은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니며, 대신에 본 발명의 실시예들을 도시할 때 강조되었다.
도 1은 종래 기술의 일반화된 이온화 게이지의 개략도이다.
도 2는 이온화 용적의 단부에 위치되는 전자 소스를 가지는 본 발명의 이온화 게이지의 개략도이다.
도 3a는 이온화 용적을 감싸는 외피를 갖는 도 2에서 도시된 이온화 게이지의 횡단면도이다.
도 3b는 도 3a에서 도시된 이온화 게이지 내의 가상 전자 경로들의 예시이다.
도 4a는 전자 소스와 콜렉터 전극 사이에 쉐이드를 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 측면도이다.
도 4b는 전자 소스와 콜렉터 전극 사이에 쉐이드를 가지며, 두 개의 콜렉터 전극들로 형성되는 콜렉터 전극을 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 측면도이다.
도 5a는 전자 소스와 콜렉터 전극 사이에 쉐이드를 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 평면도이다.
도 5b는 전자 소스와 콜렉터 전극 사이에 쉐이드를 가지며, 두 개의 콜렉터 전극들로 형성되는 콜렉터 전극을 갖는 본 발명의 이온화 게이지 평면도이다.
도 5c는 전자 소스와 콜렉터 전극 사이에 쉐이드를 가지며, 전자 소스의 평면에 평행한 평면 내로 지향되는 두 개의 콜렉터 전극들로 형성되는 콜렉터 전극을 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 평면도이다.
도 5d는 이중의 루프 전자 소스를 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 측면도이다.
도 6a는 외피, 전자 소스와 콜렉터 전극들 사이의 제 1 쉐이드, 외피와 전자 소스 사이의 제 2 쉐이드, 애노드 구조물 내부의 제 2 콜렉터 전극 및 애노드 구조물 외부의 제 3 콜렉터 전극을 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 측면도이다.
도 6b는 외피, 전자 소스와 콜렉터 전극들 사이의 제 1 쉐이드, 외피와 전자 소스 사이의 제 2 쉐이드, 애노드 구조물 외부의 콜렉터 전극을 갖는 본 발명의 이온화 게이지 측면도이다.
도 7은 전자 소스와 콜렉터 전극 사이의 제 1 쉐이드 및 외피와 전자 소스 사이의 제 2 쉐이드를 갖는 본 발명의 이온화 게이지의 평면도이다.
상기에 언급한 대로, 열 필라멘트와 같은 전자 소스(105)의 코팅은 도 1에서 도시하는 평행한 배열로 서로 나란한 필라멘트(105) 및 콜렉터 전극(110) 구조물들의 통상적인 배열에 의해 촉진되며, 이러한 경우에 보통 필라멘트(105)의 커다란 표면적은 콜렉터 전극(110)의 표면을 향한다
본 발명의 예시적인 실시예들의 설명이 후속한다.
도 2에서 도시된 하나의 실시예에 있어서, 본 발명의 이온화 게이지(100)는 전자들이 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는 이온화 용적(121)을 한정하고, 포스트(112, 114)들 주위의 원통형 와이어 그리드(120)를 포함하는 애노드 구조물을 가진다. 두 개의 단부 그리드들(111a, 111b)은 이온화 용적(121)의 단부들을 한정한다. 열 캐소드 전자 소스(105)는 전자들(125) 방출하며, 전자 소스(105)는 이온화 용적(121)의 단부에 위치된다. 가스 압력 출력을 제공하기 위하여, 콜렉터 전극(110)은 전자들(125)과 가스 분자들 및 원자들 사이에 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집한다. 콜렉터 전극(110)은 이온화 용적(120)을 통해 콜렉터 축을 따라 연장하며, 콜렉터 축은 이온화 용적(121)의 단부들을 통해 연장한다. 이온화 용적(121)의 다른 단부에서, 열 캐소드 전자 소스(105)로부터 콜렉터 전극(110) 및 지지 포스트들(112, 114)은 단부 그리드(111b)로부터 아래 방향으로 변위되는 솔리드 디스크(116)을 통해 돌출한다. 전자 소스(105)는 예를 들어 도 2에서 도시된 것처럼 가열된 캐소드 필라멘트나 또는 디스크 캐소드 열전자 발생기[예를 들어, 뉴햄프셔 윌튼 소재의 킴벌 피직스 사(社)(Kimball Physics, Inc., Wiltion, NH)]일 수 있다.
전자 소스(105)를 포함하는 이온화 게이지(100)의 상부 부분의 횡단면도는 도 3a 와 도 3b에서 개략적으로 묘사된다. 이온화 게이지(100)는 전자의 일정한 흐름에 의한 측정 챔버(117) 내의 가스 분자들 및 원자들의 이온화에 기초를 둔다. 도 3b에서 도시된 음전하 전자들(125)은 (오직 도 3b의 좌측 상에 도시되고, 비록 전자들은 유사하게 우측 상에 존재하지만) 예를 들어 열 캐소드(105)로부터 적절히 조절된 선택가능한 속도로 방출되며, 양으로 대전된 애노드(120) 쪽으로 발산되거나 가속될 수 있다. 전자들(125)은 애노드(120)로 들어가 이를 통과하고, 그 후에 애노드(120)을 통해 전후로 순환한다. 단부 그리드들(111a, 111b)상의 전위 바이어스(potential bias) 때문에 전자들(125)은 이 때에 애노드(121)의 이온화 용적 내에 부분적으로 유지된다. 이러한 공간에 있어서, 그리드 와이어(120) 또는 단부 그리드들(111a 또는 111b)과의 충돌 전에 양전하 이온들을 제조하기 위해 전자들(125)은 가스 분자들 및 원자들과 충돌한다. 저압 작동 중에 상당한 이온화는 오직 애노드(120)에서만 일어나며, 따라서 애노드(120) 내의 용적(121)은 이온화 용적(121)이라고 지칭된다. 수집을 위한 충분한 이온화가 일어날 때, 특히 고압 작동(예를 들어, 약 10-4Torr 초과)중 일부의 이온화는 이온화 용적(121) 외부에서 일어날 수 있다. 이온들은 이온 콜렉터 전극(110)에 의해 수집된다. 콜렉터 전극(110)은 양으로 대전된 애노드(120)에 대하여 음의 값을 가지는 거의 접지 전위이다. 그러나, 이 배열은 제한적이지 않고, 콜렉터 전극(110)은 애노드(120)에 대해서 다양한 전위 차이들을 가질 수 있다. 여기서 이것의 전체가 참고로 포함되는 미국 특허 2011/0062961 A1로 공개된 출원 번호 12/860,050을 참고한다. 애노드 전압 및 전자 발산 전류에 대한 일정한 캐소드에서, 양이온들이 형성되는 속도는 게이지(100) 내의 가스의 밀도와 관련된다. 도 2를 되돌아 보면, 콜렉터 전극(110)으로부터의 이 신호는 모든 압력 판독들에 대해 압력 단위들로 교정되는 전류계(135)에 의해 검출된다.
도 2에서 도시하는 실시예에 있어서, 콜렉터 전극(110)으로부터 스퍼터링된, 통상적으로 콜렉터 전극(110)과 직각을 이루는 경로를 따라 토출되는(ejected) 원자들은 필라멘트(105) 상에 증착될 것 같지 않는데, 왜냐하면 도 1에서 도시된 배열과 비교하여, 필라멘트(105)가 이온화 용적(121)의 단부에 위치되고, 콜렉터 전극(110)에 직각인 기준선에서 벗어나 위치되며, 더 이상 콜렉터 전극(110)에 나란히 있지 않기 때문이다. 도 2에서 기하학적 형상으로 도시된 전자 소스(105)로서 열 캐소드 필라멘트의 사용은 이온화 게이지(100)의 고압 작동을 가능하게 한다.
대안적으로, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 5b에서 도시하는 것처럼, 제 1 쉐이드(115)는 스퍼터링된 콜렉터 원자들의 영향들로부터 노출된 필라멘트 표면들을 효율적으로 차폐하기 위해 전자 소스(105)와 콜렉터 전극(110) 사이에 위치될 수 있다. 전기장들은 전자 소스(105)에 의해 제조된 전자들을 상기 쉐이드(115)의 주변 및 이온화 용적(120) 내부로 유도한다. 전자 소스는 예를 들어 도 4a 및 도 4b에서 도시된 것 같이 열 캐소드 또는 마이크로채널 플레이트(microchannel plate)일 수 있다. 마이크로채널 플레이트에 대해서는 여기에 그것의 전체를 인용에 의해 포함되는 미국 2011/0234233 A1로서 공개된 출원 번호 12/808,983을 참조한다. 열 캐소드(105)는 도 4a 및 도 4b에서 단일 루프로써 도시된 원통형 필라멘트일 수 있으며, 또는 필라멘트는 [쉐이드(115)가 명확함을 위해 도시되지 않은] 도 5d에서 도시된 것과 같이 이중(double) 루프일 수 있으며, 또는 도 5a, 도 5b 및 도 5c에서 평면도들로 도시된 리본형 필라멘트일 수 있으며, 리본형 필라멘트(105)는 콜렉터 전극(110)에 대하여 약 90°로 지향된 평평한 표면을 가지고 있어, 콜렉터 전극(110)을 향하는 필라멘트(105)의 표면적은 최소화된다. 콜렉터 전극(110) 및 전자 소스(105)중 하나는 애노드 구조물(120) 내부에 위치될 수 있으며, 콜렉터 전극(110)및 전자 소스(105) 중 다른 하나는 애노드 구조물(120) 외부에 위치할 수 있다. 도 6a에 도시된 것과 같이, 전자들을 방출하는 소스(105)는 애노드 구조물(120)의 외부에 위치되며, 콜렉터 전극(110)은 애노드 구조물(120) 내부에 위치되고, 따라서 이온화 게이지(200)는 애노드 구조물(120) 내부에 위치된 제 1 콜렉터 전극(110a) 및 제 2 콜렉터 전극(110b)를 포함할 수 있고, 측정 챔버(117) 내에 형성된 매우 짧은 평균 자유 경로(mean free path) 이온들에 대한 고압 측정들을 위해 제 3 콜렉터 전극(210)은 애노드 구조물(120) 외부에, 제 1 쉐이드(115)와 애노드 구조물(120) 사이에 선택적으로 위치된다. 대안적으로, 이온화 게이지(200)는 애노드 구조물(120) 내부에 위치되는 하나의 콜렉터 전극(110) 및 애노드 구조물(120) 외부에 위치되는 제 3 콜렉터 전극(210)을 도 6b에서 도시된 것과 같이 포함할 수 있다. 여기서, 제 3 콜렉터 전극(210)은 애노드 구조물(120)에 의해 한정된 이온화 용적의 외부에 있으나, 고압에서 이온화는 이 주요한 이온화 용적 외부에서 또한 일어난다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에서의 실시예는 이온화 게이지(100)의 누드 구성(nude configuration)으로서, 즉 둘러싸는 게이지 외피가 없는 도시된다. 상기에서 언급한 도 6a, 도 6b 및 도 6b에서 도시된 이온화 게이지의 평면도를 도시하는 도 7에서 도시된 것처럼, 외피(205)를 갖는 논-누드 타입(non-nude type) 이온화 게이지들이 또한 가능한 것을 또한 보여준다. 약 10-4 Torr보다 더 큰 압력에서, 필라멘트(105)로부터 방출된 전자들은 애노드(120)으로 가는 도중 가스의 원자들 또는 분자들과 충돌의 높은 확률을 가진다. 애노드(120) 외부에서 이온들이 형성될 때, 그들은 통상적으로 스테인리스 스틸(stainless steel)로 만들어진 외피(205) 쪽으로 가속되며, 이 때 스테인리스 스틸의 스퍼터링이 가능하다. 외피(205)로부터 스퍼터링되는 스테인리스 스틸의 구성요소 원자들의 일부는 필라멘트(105)의 뒤쪽 표면을 코팅한다. 압력이 계속 상승하여 약 10-1 Torr에 접근할 때, 이온화의 대부분은 애노드(120) 외부에서 일어나고, 스테인리스 스틸 벽면 스퍼터링은 필라멘트(105) 상에 증착되는 물질의 주요 소스가 된다. 필라멘트(105) 상의 결과적인 일반적인 증착 패턴은 외피(205)를 향하는 필라멘트(105) 쪽으로의 스테인리스 스틸 구성요소 원자들의 코팅 및 콜렉터 전극(110)에 향하는 필라멘트(105) 쪽으로의 텅스텐(tungsten)의 코팅이다. 도 6a, 도 6b 및 도 7은 구체적인 논-누드 타입 이온화 게이지(200)들을 도시하며, 여기서 제 2 쉐이드(119)는 외피(205)에서 스퍼터링된 원자들의 영향들로부터 전자 소스(105)를 차폐하는데 사용되며, 즉 외피(205)에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스(105) 상에 증착하는 것을 억제한다. 제 1 및 제 2 쉐이드들(115, 119)은 각각 예를 들어 스테인리스 스틸과 같은, 성형된 메탈 플레이트일 수 있다. 쉐이드들의 전기 전위는 캐소드 전위와 동일하거나 또는 캐소드 전위보다 약간 낮을 수 있으며, 따라서 상기에서 논의된 스퍼터링 문제들과는 무관하다.
상기에서 설명되고 도 2에서 도시된 이온화 게이지(100)을 이용한 압력 측정 방법은 이온화 용적(120)의 단부에 위치하는 열 캐소드 전자 소스(105)로부터 전자들을 방출하는 단계를 포함하며, 전자들은 이온화 용적(120)을 한정하는 원통형 메쉬 그리드(cylindrical mesh grid)를 포함하는 애노드 구조물 내부의 가스 분자들 및 원자들과 충돌한다. 상기 방법은 가스 압력 출력을 제공하기 위한 콜렉터 전극(110) 상의 전자들과 가스 분자들 및 원자들의 충돌로 형성된 이온들을 수집하는 단계를 더 포함한다. 콜렉터 전극(110)은 콜렉터 축에 따라 이온화 용적을 통해 연장하며, 콜렉터 축은 이온화 용적의 단부들을 통해 연장한다.
대안적으로, 상기에 설명되고 도 6a, 도6b 및 도 7에 도시된 이온화 게이지(200)를 이용한 압력 측정 방법은 전자 소스(105)로부터 전자들을 방출하는 단계를 포함하며, 전자들은 이온화 용적(120)을 한정하는 원통형 메쉬 그리드를 포함하는 애노드 구조물 내부의 가스 분자들 및 원자들과 충돌한다. 상기 방법은 이온화 용적의 외부에 위치하는, 전자 소스(105)와 콜렉터 전극(110) 사이에 제 1 쉐이드(115)를 위치시키는 단계를 더 포함하며, 콜렉터 전극(110) 및 전자 소스(105) 중 하나는 애노드 구조물(120) 내부에 위치되고, 콜렉터 전극(110) 및 전자 소스(105) 중 다른 하나는 애노드 구조물(120)의 외부에 위치되며, 그리고 가스 압력 출력을 제공하기 위해 콜렉터 전극(110) 상에서 전자들과 가스 분자 및 원자들 간의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 단계를 포함한다. 전자를 방출하는 소스(105)가 애노드 구조물(120) 외부에 위치되며 콜렉터 전극(110)이 애노드 구조물(120) 내부에 위치되면, 선택적으로, 상기 방법은 애노드 구조물(120) 내부에 제 1 및 제 2 콜렉터 전극(각각 110a, 110b)을 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 추가로 상기 방법은 애노드 구조물(120) 외부에 위치하는, 도 6a에 도시된 제 1 쉐이드(115)와 애노드 구조물(120) 사이에 제 3 쉐이드(210)를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 외피(205)에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스(105) 상에 증착하는 것이 억제되도록 상기 방법은 외피(205)와 전자 소스(105) 사이에 제 2 쉐이드(119)를 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 압력은 약 10-1 Torr와 약 10-4 Torr 사이의 범위에 있을 수 있다.
여기서 인용된 모든 특허들, 공개 출원들 및 참조 문헌들의 관련된 교시들은 이것들의 전체가 인용에 의해 포함된다.
이러한 발명은 그의 예시적인 실시예들을 참조하여 구체적으로 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 포함되는 발명의 범주로부터 벗어남 없이 형태 및 세부 사항들에 있어 다양한 변경들이 그 안에서 만들어질 수 있다는 것을 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (25)

  1. 전자들이 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는 이온화 용적(121)을 한정하는 그리드(120)를 포함하는 애노드 구조물;
    전자들을 방출하는 전자 소스(105);
    가스 압력 출력을 제공하기 위해서 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 제 1 콜렉터 전극(110); 및
    이온화 용적의 외부에 있는 제 1 쉐이드(115)로서, 제 1 쉐이드는 전자 소스(105)와 제 1 콜렉터 전극(110) 사이에 위치되어 제 1 콜렉터 전극으로부터 직선 경로들을 따라 스퍼터링된(sputtered) 원자들로부터 상기 전자 소스를 차폐하고(shield), 제 1 콜렉터 전극 및 전자 소스 중 하나는 애노드 구조물 내부에 위치되고, 제 1 콜렉터 전극 및 전자 소스 중 다른 하나는 애노드 구조물 외부에 위치되고, 제 1 쉐이드는 전자 소스의 전위와 동일하거나 전자 소스의 전위보다 낮은 전기 전위에 있고, 전자 소스로부터의 전자들은 쉐이드 주변 및 이온화 용적 내부로 전기장들에 의해 유도되는 것인, 제 1 쉐이드(115)를 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    그리드(120)는 원통형 그리드인,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전자들을 방출하는 전자 소스(105)는 열 캐소드(hot cathod)인,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 콜렉터 전극을 향하는 필라멘트의 표면적이 최소화되도록, 열 캐소드는 제 1 콜렉터 전극에 대해 90°로 지향되는 평평한 표면을 가지는 리본형 필라멘트인,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자를 방출하는 전자 소스(105)는 애노드 구조물(120) 외부에 위치되며, 제 1 콜렉터 전극(110)은 애노드 구조물 내부에 위치되고, 이온화 용적(121)은 애노드 구조물 내부에 있는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    애노드 구조물 내부에 위치되는 제 2 콜렉터 전극(110b)을 더 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    애노드 구조물 외부에서 제 1 쉐이드와 애노드 구조물 사이에 위치되는 제 3 콜렉터 전극(210)을 더 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자들을 방출하는 전자 소스(105)는 애노드 구조물 내부에 위치되고, 제 1 콜렉터 전극(110)은 애노드 구조물 외부에 위치되는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 소스, 애노드 및 제 1 콜렉터 전극을 둘러싸는 외피(205)를 더 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    외피에서 스퍼터링되는 원자들이 전자 소스 상에 증착하는 것을 억제하도록,외피와 전자 소스 사이에 위치되는 제 2 쉐이드(119)를 더 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  11. 길이 방향 축을 따라 연장되는 그리드(120)를 포함하는 연장된 애노드 구조물로서, 상기 그리드는 전자들이 가스 분자들 및 원자들에 충돌하는 이온화 용적(121)을 그리드 내에 한정하고, 상기 그리드의 대향하는 단부들이 이온화 용적의 대향하는 단부들을 한정하는 것인, 연장된 애노드 구조물;
    전자들을 이온화 용적 내로 방출하는 열 캐소드 전자 소스(105)로서, 상기 전자 소스는 이온화 용적(121)의 대향하는 단부들 중 하나에 위치되는 것인, 열 캐소드 전자 소스(105); 및
    가스 압력 출력을 제공하기 위해 상기 열 캐소드 전자 소스로부터 방출된 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 이온 콜렉터 전극(110)으로서, 이온 콜렉터 전극은 그리드의 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 이온 콜렉터 축을 따라 그리드 내에서 이온화 용적을 통해 연장하며, 상기 이온 콜렉터 축은 이온화 용적의 대향하는 단부들을 통해 연장하는 것인, 이온 콜렉터 전극(110)을 포함하는,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    그리드(120)는 원통형 그리드인,
    압력을 측정하는 이온화 게이지.
  13. 전자 소스(105)로부터 전자들을 방출하는 단계로서, 전자들은 이온화 용적(121)을 한정하는 원통형 그리드(120)를 포함하는 애노드 구조물 내부에서 가스 분자들 및 원자들과 충돌하는, 전자들을 방출하는 단계;
    제 1 콜렉터 전극으로부터 직선 경로들을 따라 스퍼터링된 원자들로부터 상기 전자 소스를 차폐하도록 이온화 용적(121)의 외부에서 전자 소스(105)와 제 1 콜렉터 전극(110) 사이에 제 1 쉐이드(115)를 위치시키는 단계로서, 제 1 콜렉터 전극 및 전자 소스 중 하나는 애노드 구조물 내부에 위치되고, 제 1 콜렉터 전극 및 전자 소스 중 다른 하나는 애노드 구조물 외부에 위치되며, 제 1 쉐이드는 전자 소스의 전위와 동일하거나 전자 소스의 전위보다 낮은 전기 전위에 있고, 전자 소스로부터의 전자들은 쉐이드 주변 및 이온화 용적 내부로 전기장들에 의해 유도되는 것인, 제 1 쉐이드를 위치시키는 단계; 및
    가스 압력 출력을 제공하기 위해 제 1 콜렉터 전극(110) 상에서 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 단계를 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 압력은 10-1 Torr와 10-4 Torr 사이의 범위에 있는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    전자를 방출하는 전자 소스(105)는 열 캐소드인,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 콜렉터 전극을 향하는 필라멘트의 표면적이 최소화되도록 열 캐소드는 제 1 콜렉터 전극에 대해 90°로 지향되는 평평한 표면을 갖는 리본형 필라멘트인,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    전자들을 방출하는 전자 소스는 마이크로채널 플레이트인,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    전자들을 방출하는 전자 소스(105)를 애노드 구조물(120) 외부에 위치시키고 제 1 콜렉터 전극(110)을 애노드 구조물 내부에 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 2 콜렉터 전극(110b)을 애노드 구조물 내부에 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    제 3 콜렉터 전극(210)을 애노드 구조물 외부의 제 1 쉐이드와 애노드 구조물 사이에 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    전자들을 방출하는 전자 소스(105)를 애노드 구조물 내부에 위치시키고 제 1 콜렉터 전극을 애노드 구조물 외부에 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  22. 제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외피(205)에 의해 전자 소스(105), 애노드 구조물, 및 제 1 콜렉터 전극(110)을 둘러싸는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    외피에서 스퍼터링된 원자들이 전자 소스 상에 증착하는 것을 억제하도록 외피와 전자 소스 사이에 제 2 쉐이드(119)를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  24. 이온화 용적(121)의 대향하는 단부들 중 하나에 위치되는 열 캐소드 전자 소스(105)로부터 전자들을 방출하는 단계로서, 그리드 내에 이온화 용적(121)을 한정하는 원통형 그리드(120)를 포함하는 연장된 애노드 구조물 내부에서 전자들이 가스 분자들 및 원자들과 충돌하고, 상기 원통형 그리드는 길이 방향 축을 따라 연장하고, 상기 원통형 그리드의 대향하는 단부들은 이온화 용적의 대향하는 단부들을 한정하는 것인, 전자들을 방출하는 단계; 및
    가스 압력 출력을 제공하기 위해 이온 콜렉터 전극(110) 상에서 열 캐소드 전자 소스로부터 방출된 전자들과 가스 분자들 및 원자들 사이의 충돌들에 의해 형성되는 이온들을 수집하는 단계로서, 이온 콜렉터 전극(110)은 그리드의 길이 방향 축에 실질적으로 평행한 이온 콜렉터 축을 따라 그리드 내에서 이온화 용적(121)을 통해 연장하며, 이온 콜렉터 축은 이온화 용적(121)의 대향하는 단부들을 통해 연장하는 것인, 이온들을 수집하는 단계를 포함하는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 압력은 10-1 Torr와 10-4 Torr 사이의 범위에 있는,
    이온화 게이지를 이용하는 압력 측정 방법.
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