KR20060131979A - An ionization gauge - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 2004년 2월 19일자로 출원된 제 10/782,368호의 부분 연속 출원인 2004년 3월 12일자로 출원된 미국 특허 제 10/799,446호의 연속 출원이며, 모든 내용은 본원에 참조로 통합된다.This application is a continuation of US Patent No. 10 / 799,446, filed Mar. 12, 2004, filed March 12, 2004, filed February 19, 2004, all of which is hereby incorporated by reference in its entirety.
이온화 게이지들, 더욱 상세하게는 베야르-앨퍼트(BA: Bayard-Alpert) 이온화 게이지들은 매우 낮은 압력을 측정하는 가장 일반적인 비자성 수단들이며, 1952년의 미국 특허 제 2,605,431호에 발표된 이래로 세계적으로 광범위하게 사용되어 왔다.Ionization gauges, more specifically Bayard-Alpert (BA) ionization gauges, are the most common nonmagnetic means of measuring very low pressures and have been available worldwide since published in US Patent No. 2,605,431 in 1952. It has been used extensively.
일반적인 이온화 게이지는 전자 소스, 애노드 및 이온 콜렉터 애노드를 포함한다. BA 게이지에 있어서, 전자 소스는 애노드에 의하여 한정되는 이온화 공간(애노드 볼륨)의 외측에 방사상 위치된다. 이온 콜렉터 전극은 애노드 볼륨내에 배치된다. 전자들은 전자 소스로부터 상기 애노드를 향하여 그리고 상기 애노드를 통과하여 이동하고, 결국 상기 애노드에 의하여 수집된다. 그러나, 그들의 이동에 있어서, 전자들은 기체의 분자 및 원자들과 충돌하고, 그 압력이 측정되는 공기를 조성하며, 이온들을 생성한다. 이온들은 애노드 내부에 전기장(electric field)에 의하여 이온 콜렉터 전극에 끌어당겨진다. 대기 내의 기체의 압력은 식 P=(1/S)(Iion/Ielectron)에 의하여 이온 및 전자 전류(current)들로부터 계산될 수 있으며, 여기서, S는 1/torr의 단위를 사용하는 상수이고 특정 게이지 구조 및 전기 파라미터들의 특정이다.Common ionization gauges include electron sources, anodes and ion collector anodes. In the BA gauge, the electron source is located radially outside of the ionization space (anode volume) defined by the anode. The ion collector electrode is disposed in the anode volume. Electrons move from the electron source towards and through the anode and are eventually collected by the anode. However, in their movement, electrons collide with molecules and atoms of the gas, form air whose pressure is measured, and generate ions. Ions are attracted to the ion collector electrode by an electric field inside the anode. The pressure of the gas in the atmosphere can be calculated from the ionic and electron currents by the equation P = (1 / S) (Iion / Ielectron), where S is a constant using units of 1 / torr and is specific Gauge structure and electrical parameters.
일반적인 이온화 게이지의 수명은 게이지가 양호한 환경에서 동작될 때 대략 10년이다. 그러나, 이러한 동일한 게이지들과 전극 소스들(필라멘트들)은 너무 높은 압력에서 또는 전극 소스의 방출 특성을 저하시키는 기체 종류들에서 작동될 때 실패한다. 이러한 필라멘트 상호작용들의 예들은..수증기에 노출되는 필라민트상에 산화물 코팅의 전자 방출 특성들의 저하로 인해 감소된 동작 수명을 유도한다. 산화물 코팅의 저하는 필라멘트에 의해 생성된 전자들의 갯수를 현저히 감소시키고, 수증기의 노출은 텅스텐 필라멘트의 완전 연소를 초래한다.The lifetime of a typical ionization gauge is approximately 10 years when the gauge is operated in a good environment. However, these same gauges and electrode sources (filaments) fail when operated at too high pressure or in gas types that degrade the emission characteristics of the electrode source. Examples of such filament interactions lead to reduced operating life due to the degradation of the electron emission characteristics of the oxide coating on the filament exposed to water vapor. Degradation of the oxide coating significantly reduces the number of electrons produced by the filaments, and exposure of water vapor leads to complete combustion of the tungsten filaments.
잔여 기체 분석기(RGA: residual gas analyzer)들은 존재하는 기체의 종류를 판단하고 또한 전체 기체 압력의 계산을 위해 응할 수 있는 각 기체 종류 성분의 부분 압력을 나타내는 이온화 게이지들이다. RGA들은 존재하는 이온들의 질량 대 전하 비(mass-to-volume ratio)를 측정하고 이 비를 신호로 변환한다. 그러나, RGA는 감지되는 기체 종류에 대해 완전히 위조의 부가적인 신호 피크치들을 측정한다. 이러한 피크치들은 극도의 진공의 낮은 압력 범위에서 크기에 있어 중요한 배경 스펙트럼을 형성한다. 이러한 위조 스펙트럼은 필라멘트의 재료를 갖는 몇몇 원자들 및/또는 분자들의 상호작용에 의해 야기되고, 따라서 애초에 기체가 아닌 상태에서 다른 화합물들을 형성한다.Residual gas analyzers (RGA) are ionization gauges that indicate the partial pressure of each gaseous component that can be determined to determine the type of gas present and to calculate the total gas pressure. RGAs measure the mass-to-volume ratio of ions present and convert them into signals. However, the RGA measures additional signal peaks that are completely counterfeit for the type of gas being sensed. These peaks form an important background spectrum in size in the low pressure range of extreme vacuum. This counterfeit spectrum is caused by the interaction of several atoms and / or molecules with the material of the filament, thus forming other compounds in the first non-gas state.
본 명세서에서는 전자들을 발생시키는 전자 소스, 전극들과 기체 분자들 간에 충돌에 의하여 형성되는 이온들을 수집하기 위한 콜렉터 전극 및 기체 분자들로부터 전자 소스를 고립시키는 전자 윈도우를 갖는 이온화 게이지가 제공된다. 이온화 게이지는 애노드 볼륨을 한정하고, 애노드의 일 영역에 전자들을 수용하는 애노드를 가질 수 있다. 이온화 게이지는 다수의 전자 소스들 및/또는 콜렉터 전극들을 가질 수 있다. 콜렉터 전극(들)은 애노드 볼륨 내에 또는 바깥에 위치할 수 있다. 이온화 게이지는 질량 대 전하 비에 기반한 이온들의 분리를 위하여 질량 필터를 가질 수 있다. 이온화 게이지는 베야드-앨퍼트 타입 또는 압력 또는 기체 타입으로 판단되는 잔여 기체 분석기일 수 있다.Provided herein is an ionization gauge having an electron source for generating electrons, a collector electrode for collecting ions formed by collision between electrodes and gas molecules and an electron window for isolating the electron source from gas molecules. The ionization gauge can define an anode volume and have an anode that accepts electrons in one region of the anode. The ionization gauge can have multiple electron sources and / or collector electrodes. The collector electrode (s) may be located within or outside the anode volume. The ionization gauge may have a mass filter for separation of ions based on mass to charge ratio. The ionization gauge may be a yard-alert type or residual gas analyzer judged to be pressure or gas type.
가속 전극은 전자들을 전자들이 전자 윈도우를 통하여 전달될 수 있도록 하는 에너지로 가속시키기 위하여 전자 소스(들)과 전자 윈도우 간에 위치할 수 있다. 감속 전극은 전자를 전자들과 기체 분자들간의 충돌에 의하여 이온 구성을 허락하는 희망하는 에너지 분포로 감속하기 위하여 전자 윈도우와 콜렉터 전극(들) 사이에 위치할 수 있다. 애노드 볼륨을 한정하는 애노드는 감속 전극(들)과 콜렉터 전극(들) 사이에 있을 수 있다. 다수의 콜렉터 전극들은 애노드 볼륨 내에 있을 수 있다. 질량 필터는 감속 전극(들)과 콜렉터 전극(들) 사이에 있을 수 있다.The accelerating electrode can be positioned between the electron source (s) and the electron window to accelerate the electrons to energy that allows electrons to pass through the electron window. The deceleration electrode may be located between the electron window and the collector electrode (s) to decelerate electrons to a desired energy distribution that allows ion composition by collisions between electrons and gas molecules. The anode defining the anode volume may be between the deceleration electrode (s) and the collector electrode (s). Multiple collector electrodes can be in the anode volume. The mass filter may be between the deceleration electrode (s) and the collector electrode (s).
가속 전극은 전자 소스(들)과 가속 전극 사이에 전위차가 100 볼트 내지 10,000 볼트 범위인 전위에서 유지된다. 전자 윈도우는 가속 전극 전위와 동등한 전위에 있다. 감속 전극은 전자 윈도우와 감속 전극 간의 전위차가 0 볼트 내지 10,000 볼트 범위에 있도록 하는 전위에서 유지된다. 외부 콜렉터 전극은 매우 짧은 평균 자유 행정(mean free path)들의 높은 압력 상태를 위한 전자들과 기체 분자들 사이에 충돌에 의하여 형성되는 이온들을 수집하기 위하여 전자 윈도우와 감속 전극 사이에 있을 수 있다. 이온화 게이지는 다수의 외부 콜렉터 전극들, 가속 전극들 및 감속 전극들을 포함할 수 있다.The accelerating electrode is maintained at a potential with a potential difference between the electron source (s) and the accelerating electrode ranging from 100 volts to 10,000 volts. The electron window is at a potential equal to the acceleration electrode potential. The deceleration electrode is maintained at a potential such that the potential difference between the electron window and the deceleration electrode is in the range of 0 volts to 10,000 volts. The outer collector electrode may be between the electron window and the deceleration electrode to collect ions formed by collisions between electrons and gas molecules for high pressure states of very short mean free paths. The ionization gauge can include a plurality of external collector electrodes, acceleration electrodes and deceleration electrodes.
차폐부는 차폐부와 무관한 전위가 차폐된 볼륨내에 전하 분포를 어지럽히지 않도록 차폐된 볼륨을 한정할 수 있다. 차폐부는 차폐된 볼륨으로 기체 분자들의 전달을 허용하기 위하여 적어도 부분적으로 개방된다. 차폐된 볼륨은 전자 소스(들), 콜렉터 전극(들) 및 전자 윈도우를 수용한다. 차폐부는 기준 전위(reference potential)에서 유지되고, 여기서 기준 전위는 그라운드 전위(ground potential)일 수 있다.The shield may define the shielded volume such that a potential independent of the shield does not disturb the charge distribution within the shielded volume. The shield is at least partially open to allow delivery of gas molecules to the shielded volume. The shielded volume houses the electron source (s), collector electrode (s) and electron window. The shield is maintained at a reference potential, where the reference potential can be a ground potential.
앞서 말한 것과 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 본 발명의 바람직한 실시예들의 보다 상세한 설명으로부터 명확해질 것이고, 첨부 도면들에서 다른 도면들을 통하여 같은 도면 부호로 도시되는 부분은 동일한 부분으로 간주한다. 도면들은 반드시 비율화될 필요는 없으며, 본 발명의 원칙을 설명함에 따라서 강조하고 싶은 부분을 강조할 수 있다.The foregoing and other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments of the present invention, wherein like reference numerals refer to like elements throughout the different figures of the accompanying drawings in which: FIG. do. The drawings do not necessarily need to be scaled, and may highlight areas of interest in describing the principles of the invention.
도 1은 본 발명의 일반화된 이온화 게이지의 개략도이고;1 is a schematic diagram of a generalized ionization gauge of the present invention;
도 2a는 도 1의 논-누드(non-nude)형 이온화 게이지의 상세한 개략도이고;FIG. 2A is a detailed schematic diagram of the non-nude type ionization gauge of FIG. 1; FIG.
도 2b는 도 2a의 또다른 실시예의 상세한 개략도이며;FIG. 2B is a detailed schematic diagram of another embodiment of FIG. 2A;
도 3은 본 발명의 일반화된 질량 분석기의 개략도이다.3 is a schematic representation of a generalized mass spectrometer of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예들의 설명은 다음과 같다.Description of the preferred embodiments of the present invention is as follows.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 본 발명의 하나의 이온화 게이지(100)는 절연 챔버(110) 및 측정 챔버(120)를 갖는다. 절연 챔버는 적어도 하나의 전자 소스(140)와 적어도 하나의 가속 전극(150)을 포함한다. 측정 챔버(120)는 적어도 하나의 감속 전극(170), 애노드(180) 및 적어도 하나의 콜렉터 전극(190)을 포함한다. 두 개의 챔버들(110, 120)은 측정 챔버(120) 내에 기체의 분자들과 원자들이 절연 챔버(110)로 유입되고 전자 소스(140)(들)를 저하시키는 것을 방지하는 절연 재료(130)에 의하여 분리된다. 절연 재료(130)는 전자들이 절연 챔버(110)로부터 측정 챔버(120)로 전달되도록 하는 전자 윈도우(160)를 갖는다. 이온화 게이지(100)는 애노드(180) 및 콜렉터 전극(190)과 함께 도시되지만, 이러한 구성들은 아래 설명되는 바와 같이 본 발명의 모든 실시예들에서 반드시 필요한 것은 아니다. 일 실시예에서, 이온화 게이지(100)는 베야르-앨퍼트 형 게이지이다.As shown in FIG. 1, generally one
도 2a는 본 발명을 구체화시키는 특정한 논-누드형 이온화 게이지(200)를 도시한다. 논-누드형(non-nude type) 게이지가 도시되지만, 본 발명의 원칙을 이용하여 누드형 이온화 게이지를 구체화될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 이온화 게이지(200)는 다음의 부가물을 갖는 상기 설명된 이온화 게이지(100)(도 1)와 유사한 구성을 가진다. 이온화 게이지(200)는 기체의 분자들 및 원자들을 차폐부(220)를 통하여 측정 챔버(120)로 유입하기 위하여 일단(225)에서 개방하는 튜브(205)에 수용된다. 차폐부(220) 및 튜브(205)는 차폐 볼륨을 형성한다. 매우 짧 은 평균 자유 행정의 높은 압력 측정들을 위하여 적어도 하나의 선택적 외부 콜렉터 전극(210)이 부가된다.2A illustrates a particular non-nude
도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 다수의 콜렉트 전극들(190')은 애노드 볼륨(185) 내에 위치된다. 복수의 콜렉터 전극들(190')은 애노드 지지 포스트(post)들(미도시)에 접근하는 전자들을 효과적으로 억제하고, 따라서 이러한 포스트들 상에 전자들의 때 이른 수집을 방지한다. 따라서, 전자 경로 길이(electron path length)는 동일한 크기의 종래 게이지들의 그것과 비교하여 현저히 증가된다. 전자들의 경로 길이를 증가시키는 것은 경로 길이의 이러한 부분은 생성된 이온들의 비를 증가시키고, 따라서, 비례하여 게이지 민감도를 증가시키므로, 애노드 볼륨(185) 내부에 전자들의 경로 길이를 증가시키는 것이 매우 바람직하다. 다수의 콜렉터 전극들이 미국 특허 제 6,025,723호; 6,046,456호; 및 6,198,105호에 도시되고, 모든 내용은 본원 발명에 참조로 통합된다.FIG. 2B shows another embodiment of the invention shown in FIG. 2A. A plurality of
동작에 있어서, 기체의 분자들 및 원자들은 부분 개방 차폐부(220)를 통하여 측정 챔버(120)로 유입된다. 차폐부(220)는 차폐부(220)와 무관한 전위들이 측정 챔버(120) 내부에 전하 분포를 어지럽게 하는 것을 방지한다. 차폐부(220)는 기준 전위에서 유지된다. 일 실시예에서, 기준 전위는 그라운드 전위이다.In operation, molecules and atoms of the gas enter the
전자 소스(들)(예를 들어, 필라멘트들)(140)는 절연 챔버(110) 내부에 전자들(전자 빔(208)에 의해 표시되는)을 생성한다. 이러한 전자들은 측정 챔버(120)에서 기체 분자들을 이온화하는데 사용된다. 필라멘트(140)의 기하학적 형상은 선형 리본, 선형 와이어(wire), 직선형 리본, 곡선형 리본, 직선형 와이어, U자형 와 이어, 또는 동일 기술분야에 알려진 어떤 다른 형상일 수 있다. 일 실시예에서, 필라멘트(140)는 방출 조정기(emission regulator)(미도시)로부터의 전류를 이용하여 백열등을 저항성 가열한다. 열전자적으로, 또는 다른 방법으로, 방출된 전자들은 가속 전극들(150)에 의하여 전자들이 전자 윈도우(160)를 통하여 전달될 수 있도록 하는 에너지까지 가속된다. 가속 전극들(150)은 전자 소스와 가속 전극들 간의 전위차가 그 크기, 두께 및 전자 윈도우에 사용된 재료의 종류에 따라 100볼트 내지 10,000 볼트 범위인 전위에서 동작한다. 일 실시예에서, 가속 전극들(150)은 1,000볼트 정도의 전자 소스(들)로부터의 전위차에서 유지된다. 전자 윈도우는 1956년 1월, J.R. Young, "Penetration of Electrons and Ions," Journal of Applied Physics에 설명된 바와 같이 알루미늄으로 만들어질 수 있으며, 모든 내용은 본원 발명에 참조로 통합된다.The electron source (s) (eg, filaments) 140 generate electrons (represented by the electron beam 208) inside the insulating
전자들은 전자들이 전자 윈도우(160)를 통하여 전달된 후 이온화가 허용되도록 원하는 레벨까지 제어된 전자 에너지를 가져야 한다. 이온화는 1962년, Saul Dushman, Scientific Foundations of Vacuum Technique에 설명된 바에 따라 공칭 설계 에너지보다 높은 에너지 스프레드 또는 낮은 에너지 스프레드 상에서 발생한다. 이온 구성은 일반적으로 질소에 대하여 150 전자 볼트 정도에 전자 에너지에서 발생한다. 따라서, 전자의 에너지는 이온화를 허용하는 감속 전극들(170)에 의하여 수정된다. 감속 전극들(170)은 전자 윈도우와 감속 전극들 간의 전위차가 그 크기, 두께 및 전자 윈도우의 종류 그리고 압력 측정의 종류에 의해 요구되는 입사 전자 에너지에 따라 100볼트 내지 10,000 볼트 범위인 전위에서 동작한다. 예를 들어, 도 2a 및 2B에 도시된 바와 같이, 감속 전극들(170)은 그들이 약 150 전자 볼트의 에너지를 이용하여 애노드 그리드(180)에 도달하도록 전자 에너지를 감소시키는 전위에서 유지된다.The electrons must have a controlled electron energy to the desired level so that ionization is allowed after the electrons are delivered through the
애노드 그리드(180)는 애노드 볼륨(185)을 한정하고 그라운드에 관련하여 양(positive)의 180 볼트로 충전된다(charged). 애노드 그리드(180)는 와이어 메쉬(mesh)로 만들어지거나 또는 전자들이 애노드 그리드(180)에 유입되고 빠져나가도록 하는 것과 같은 디자인일 수 있다. 대부분의 전자들은 애노드 그리드(180)를 직접 공격하지 않지만, 애노드 그리드(180)를 통과하고, 그들이 전자 충돌 이온화를 통하여 이온들을 생성하는 애노드 볼륨(185)으로 이동한다. 애노드 그리드(180)를 공격하지 않거나 어떤 분자들도 이온화하는 전자들은 애노드 그리드(180)와 튜브(205) 간의 영역으로 애노드 볼륨(15)을 통과한다. 튜브(205)와 애노드 그리드(180) 간에 생성된 전기장으로 인하여, 감속하고 그리드(180)를 향하여 다시 재가속하는 전자들이 있다. 전자들은 이러한 방식으로 전자들이 애노드 그리드(180)에 의하여 수집되거나 또는 다른 표면상으로 분실될 때까지 순환을 계속한다. 전자들의 다수의 통과(pass)는 단일 통과 구조들에 비하여 전류의 이온화 효율을 증가시킨다.
일단 전자 충돌 이온화에 의하여 생성된 이온들은 애노드 그리드(180)내부에 머무는 경향이 있다. 애노드 볼륨(185) 내부에서 형성된 이온들은 (a)그라운드에 대하여 양인 전위에서의 애노드 그리드(180)와 (b)그라운드 전위 근처의 전위(즉, 애노드 전위에 대하여 음(negative)인)에서의 콜렉터 전극(들) 간의 전위차에 의하 여 생성된 전기장에 의하여 방향이 설정된다. 전기장은 이온들을 그들이 기체의 압력을 판단하기 위해 사용된 이온 전류를 제공하기 위하여 수집되는 콜렉터 전극(들)(190)로 향하게 한다. 몇몇 실시예들에서, 높은 압력은, 높은 압력에서 짧은 평균 자유 행정으로 인하여, 즉 애노드 내부가 아닌 윈도우에 매우 근접하게 형성된 이온들의 포획을 위한 윈도우에 매우 근접한 외부 콜렉터 전극(210)을 사용하여 측정될 수 있다.Once generated by electron bombardment ionization, the ions tend to stay inside the
도 3은 본 발명을 구체화하는 잔여 기체 분석기(RGA)(300)를 도시한다. 상기 설명된 RGA(300) 및 이온화 게이지들(100, 200)은 도 1, 2A 및 2B의 애노드 그리드(180) 및 콜렉터 전극(190)(190')가 질량 필터(310) 및 이온 검출부(320)에 의하여 교체되는 것을 제외하고는 근본적으로 동일하다.3 shows a residual gas analyzer (RGA) 300 embodying the present invention. The above-described
동작에 있어서, 기체의 분자들 및 원자들은 측정 챔버(120)로 유입된다. 전자 소스(들)(140)(예를 들어, 필라멘트들)는 절연 챔버(110) 내부에 전자들을 생성한다. 열전자적으로 방출된 전자들(또는 전계 방출, 광전자 방출, 플라즈마 방출을 통하여, 방사성 소스 또는 그외의 것들로부터 생성된 전자들)은 전자들이 전자 윈도우(160)를 통하여 전달되도록 하는 에너지까지 가속 전극들(150)에 의해 가속된다. 전자들은 측정 챔버(120)에서 기체 분자들 및 원자들을 이온화하는데 사용된다.In operation, molecules and atoms of gas enter the
전자들은 전자들이 전자 웬도우(160)를 통하여 전달된 후 발생하는 이온화를 위해 허용되는 적정 레벨로 제어된 에너지를 가져야한다. 전자들의 에너지는 이온화를 위해 허용된 감속 전극들(170)에 의하여 수정된다.The electrons should have a controlled level of energy that is acceptable for the ionization that occurs after the electrons are transferred through the electron wed 160. The energy of the electrons is modified by the slowing
이온들은 그들의 질량 대 전하 비(m/z)에 기반하여 이온들을 분리하는 질량 필터(310)로 유입된다. 질량 필터(310)는 선택된 이온들이 이온 검출부(320)로 이동하도록 한다. 이러한 질량 필터(310)는 그들의 질량 대 전하 비에 기반하여 이온들을 여과시킨다. 질량 필터 파라미터들과 매칭되는 이온들만이 주어진 시간에 질량 필터(310)를 통과된다. 이온 검출부(320)는 이온들을 카운트하고, 상기 기재된 바와 같이 각 주어진 시간에 이온들의 전체 갯수에 비례하는 신호가 발생한다. 이러한 신호는 존재하는 기체의 종류를 출력하는 데이터 시스템(미도시)에 기록된다.Ions enter the
본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 부분적으로 도시되고 기술되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 하기 청구항들에 의해 한정되는 본 발명의 관점에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described in part with respect to preferred embodiments thereof, those skilled in the art will recognize that the invention is without departing from the scope of the invention as defined by the following claims. It will be appreciated that can be modified.
Claims (46)
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