KR20190003669A - 다수의 캐소드를 갖는 냉음극 이온화 진공 게이지 - Google Patents

다수의 캐소드를 갖는 냉음극 이온화 진공 게이지 Download PDF

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Abstract

냉음극 이온화 게이지는 캐소드들과 애노드 사이에 상이한 간격들을 제공하는 다수의 캐소드를 포함한다. 다수의 캐소드는 더 넓은 범위들의 압력에 걸친 압력 측정들을 가능하게 한다. 더 큰 간격을 갖는 제1 캐소드는 타운센드 방전에 기반하여 전류를 제공할 수 있는데 반해; 더 작은 간격을 갖는 제2 캐소드는 더 높은 압력들에서의 타운센드 방전 그리고 훨씬 더 높은 압력들에서의 파셴의 법칙 방전 둘 다에 기반하여 전류를 제공할 수 있다. 제2 캐소드 상의 특징부는 파셴의 법칙 방전을 지원할 수 있다. 캐소드들과 전원 공급기로의 귀로 사이의 큰 저항들은 출력 프로파일들의 제어가 정확한 응답들을 갖는 압력 범위들을 확장시키고 출력 최소치들을 피하는 것을 가능하게 한다. 압력 측정들은 넓은 압력 범위의 측정을 통해 캐소드들의 출력들에 의존하는 각각의 캐소드로부터의 전류들에 기반하여 행해질 수 있다. 다수의 캐소드는 각각의 캐소드의 전류 출력들에서 볼 수 있는 불연속점들을 피하는 측정들을 제공할 수도 있다.

Description

다수의 캐소드를 갖는 냉음극 이온화 진공 게이지
본 출원은 2016년 5월 2일자로 출원된 미국 가출원 제 62/330,308호의 이익을 주장한다. 위의 출원의 전체 교시들은 참조로 본원에 포함된다.
냉음극 이온화 진공 게이지(CCIG)가 널리 알려져 있다. 3가지의 통상적으로 알려진 CCIG는 정상(비반전) 마그네트론 타입 게이지, 반전 마그네트론 타입 게이지, 및 Philips(또는 Penning) 게이지를 포함한다. 이러한 타입의 게이지들 모두는 측정될 진공에 연결되는 진공 비자기 인벨로프(envelope)에서 적어도 2개의 전극(즉, 애노드 및 캐소드)을 갖는다. 높은 직류 전압 전위차가 전극들 사이에서 전계를 생성하도록 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 인가된다. 자계는 이온을 생성하기 위해 전자가 분자 및 원자와 충돌하는 순수 전자 플라스마를 지속시키도록 자유 전자 경로를 연장하기 위해 전계에 수직인 전극의 축을 따라 인가된다. 이온은 압력의 함수인 정상 상태값으로 방전 전류를 유지하도록 캐소드 전극으로 이동한다.
CCIG는 CCIG의 진공 게이지 인벨로프 내부의 기체 분자 및 원자를 우선 이온화하고 그 다음 결과로서 생기는 이온 전류를 측정함으로써 진공 시스템 총압력의 간접적 측정을 제공한다. 측정된 이온 전류는 게이지 인벨로프 내부의 기체 밀도 및 기체 총압력과 직접 관련되며, 즉 진공 시스템 내부의 압력이 감소함에 따라, 측정된 이온 전류가 감소한다. 기체 특정 교정 곡선은 이온 전류 측정에 기반하여 총압력을 계산하는 능력을 제공한다.
본원에 설명하는 CCIG는 반전 마그네트론 원리에 의존한다. 게이지는 원주 대칭이다. 애노드 핀(축에 위치됨)과 캐소드 원주형 인벨로프 사이의 큰 전압 전위 기울기(즉, 방사상 전계)는 이온화 이벤트가 일어날 전자에 에너지를 제공한다. 교차된 축 자계는 인벨로프 내부에 순수 전자 플라스마를 유지하는데 필요한 긴 전자 궤적 경로 길이를 제공한다. 방전 전류는 시스템에서의 압력에 비례하는 측정된 양이다.
방전은 단일 전자가 게이지의 이온화 체적으로 방출되는 것과 함께 일반적으로 시작하는 애벌란시(avalanche) 이온화 과정을 통해 확립된다. 전자를 방출시키는데 원인이 있는 과정은 전계 방사 이벤트 또는 우주선 이온화 과정을 포함할 수 있다. 애벌란시 과정은 전자 당 많은 이온화 과정을 야기하는 전자 궤적에 대한 긴 경로 길이에 의존한다. 각각의 이온화 과정은 이온뿐만 아니라 방전부로 추가되는 부가 전자를 방출한다. 이온이 벽 내부의 캐소드와 충돌함에 따라, 부가 전자는 또한 방전부로 방출되어, 총전하에 기여한다. 교차된 전계 및 자계의 결과로서, 순수 전자 플라스마는 애노드 주변의 시스로서 구축된다. 전자 밀도는 대부분 압력과 관계 없다. 중성 기체 분자의 이온화는 대부분 압력 불변 전자 시스 내부에서 일어난다. 생성되는 모든 이온은 전계에 의해 그리고 자계의 영향 거의 없이 캐소드로 지향된다. 결과로서 생기는 이온 전류는 단순히 전자 밀도 및 센서 내부의 기체의 총압력과 관련된다.
도 1a에 도시된 Brucker, 외에의 미국 특허 출원 제 14/500,820호인, 미국 특허 공개 제 2015/0091579호의 이중 반전 마그네트론 설계는 자석 어셈블리에 함께 수용되는 2개의 자석(115a, 115b)을 포함하며, 2개의 자석은 서로에 대향하는 2개의 자석의 자극을 갖는다. 이중 반전 마그네트론은 최대 자계들 중 일부의 특징을 이루고, 결과적으로 이용 가능한 최대 게이지 감도를 제공한다. 큰 게이지 감도는 초고진공(UHV) 레벨에서 신뢰성이 높은 압력(즉, 대략 10-9 Torr 미만이고 10-11 Torr 만큼 낮은 압력)을 판독할 수 있는데 필요하다. 미국 특허 출원 제 14/500,820호는 그 전체가 참조로 포함된다.
반전 마그네트론 타입의 CCIG에서, 애노드(110)로부터 게이지의 내부면들을 통하여 캐소드(120)로 작은 누설 전류가 직접 흐르는 것이 가능하고, 이른바 “가드 링”의 존재가 이러한 누설 전류를 수집하고 그것에 의해 이러한 누설 전류가 캐소드 전극에 도달하고 게이지 그 자체에 의해 검출되는 것을 방지할 수 있다는 것이 알려져 있다. 이러한 기능을 수행하기 위해, 가드 링은 캐소드 전극으로부터 전기적으로 격리되고 캐소드 전극에 대하여 작은 양전압 전위차로 통상적으로 유지된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, CCIG(100)는 후술하는 가드 링 전극(140)에 전기 연결을 제공하는 가드 링 연결부(102)를 포함하는 피드스루(101)를 포함한다. 가드 링 연결부(102) 내부에서, 애노드 가드 링 절연체(106)는 애노드 연결부(110a) 주변의 전기 절연을 연장된 애노드 전극(110)까지 제공한다. 가드 링 전극(140)은 스타터 디바이스(150)에 연결되며, 이를 후술한다. 가드 링 연결부(102)는 캐소드-가드 링 절연체(103)에 의해 용접면(104)에 연결되며, 용접면(104)은 모놀리식 플랜지 어셈블리(105)에 시임 용접된다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 모놀리식 플랜지 어셈블리(105)는 외부 플랜지(105a) 및 내부 플랜지(105b)를 포함한다. 내부 플랜지(105b)는 애노드 전극(110)의 길이를 따라 애노드 전극(110)을 둘러싸고 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(120) 사이에 방전 공간(130)을 형성하는 캐소드 전극(120)을 밀봉한다. 개구부들(175 및 185)을 갖는 2개의 칸막이(170 및 180)로서의 도 1a에 도시된 배플은 각각 캐소드 전극(120)에 연결된다.
앞서 논의된 바와 같이, 교차된 축 자계는 방전 공간(130) 내부의 방전을 유지하는데 필요한 전자 궤적 경로 길이를 제공한다. 자계는 도 1a 및 도 1b에 도시된 자석 어셈블리(115)에 의해 생성된다. 자석 어셈블리(115)는 강자성 스페이서(114)를 포함한다. 자석 어셈블리(115)는 가드 링(140)에서 멀리 전기 방전부의 위치를 조정하도록 가드 링(140)에 가장 근접한 자석 어셈블리의 말미에 알루미늄(또는 다른 비자기 재료) 스페이서(113)를 포함할 수도 있다.
전기 전도성 가드 링 전극(140)은 전기 전도성 침전물이 진공 게이지(100)의 작동 동안 방전 공간(130)에 노출되는 캐소드-가드 링 절연체(103)의 표면 상에 시간이 지남에 따라 누적되면, 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(120) 사이에서 달리 흐르는 경향이 있을 누설 전류를 수집하기 위해 애노드 전극(110)의 베이스 주변의 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(110) 사이에 개재된다.
방전 스타터 디바이스(150)는 가드 링 전극(140)을 통해 배치되고 이것과 전기적 연결된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 스타터 디바이스(150)는 애노드(110) 쪽으로 지향되고 팁(160)과 애노드(110) 사이에 갭을 형성하는 복수의 팁(160)(3개의 팁이 도 1b에 도시된 단면 원주형 대칭적 도면에 도시됨)을 갖는다. 팁과 애노드 사이의 갭은 대략 500 ㎛ 내지 대략 2500 ㎛의 범위일 수 있다. 갭은 스타터 디바이스(150)와 애노드(110) 사이의 전압 전위차가 확립될 때, 정상 작동 동안의 전계 방사 전류가 대략 1 피코암페어(㎀) 내지 대략 10 ㎀의 범위이도록 구성된다. 전계 방사 전류 규모는 전압 전위차, 갭의 크기, 스타터 디바이스 상의 지점의 수, 및 스타터 디바이스가 만들어지는 재료의 타입과 같은 수개의 파라미터에 따른다. CCIG의 작동 동안 스타터 디바이스와 애노드 사이의 전압 전위차는 대략 0.4 킬로볼트(㎸) 내지 대략 6 ㎸의 범위, 예를 들어 대략 3.5 ㎸일 수 있다. 이러한 전압 전위차는 예리한 팁(160)으로부터 애노드로의 전계 방사에 의해 전자를 생성하여, 방전을 증강하는데 원인이 있는 애벌란시 과정을 트리거하기 위해 방전 체적(130)으로 일부 전자를 시딩(seeding)한다. 선택적으로, 스타터 디바이스와 애노드 사이의 전압 전위차는 게이지의 시동 동안 대략 3.5 ㎸에서 대략 5 ㎸로 증가되도록 구성될 수 있어, 방전 전류의 급작스러운 증가에 의해 방전이 검출될 때까지, 애노드 전극에 대한 높은 전압 공급 바이어스를 순간적으로 증가시킴으로써 전계 방사 전류를 증가시킨다.
도 1c의 전자 제어기에 도시된 바와 같이, 제한 저항기(410)가 애노드 전극(110)과 높은 전압 전원 공급기(430)(HVPS) 사이에 배치된다. 제한 저항기(410)의 역할은 방전 체적(130)을 통해 흐를 수 있는 방전 전류의 양에 상한을 두고 진공 게이지의 수명을 연장시키는 것이다. 제한 저항기(410)의 결과로서, 애노드 전극(110)에 존재하고 전압계(420)에 의해 측정되는 실제 높은 전압 바이어스는 일반적으로 HVPS(430)에 의해 전해지는 전압보다 더 작다. 실제로, HVPS(430)의 출력이 모든 압력에서 일정하게 유지되더라도 이온 전류가 압력과 함께 증가함에 따라, 애노드 전압은 감소한다. 본원에 설명하는 진공 게이지에서, 25 메가옴(㏁) 제한 저항기(410)는 이하의 수가지의 이점: 1. HVPS가 내부 HVPS 구성 요소와의 우발적인 접촉의 경우에 개인에게 전할 수 있는 전류의 양에 대한 안전 제한치, 2. 저항기의 선택이 1 x 10-6 Torr를 넘는 더 높은 압력 범위로 압력 곡선 불연속점을 이동시킴, 및 3. 애노드 전압이 3.5 ㎸로 설정될 때, 125 ㎂의 방전 전류에 대한 상한을 제공하도록 선택되었다. CCIG 제어기의 프로세서(490)는 프로세서가 압력에 따른 방전 임피던스(Z)를 계산하기 위해 전압계(420)로 애노드 전압(V) 그리고 전류계(460)로 방전 전류(ID)를 연속적으로 측정하는 동안, HVPS(430)의 출력이 전체 압력 범위에 걸쳐 일정한 것을 보장한다. 프로세서는 또한 전류 누설을 모니터링하기 위해 계량기(470)로 가드 링 전류를 측정한다. 이러한 회로 구성으로, 2개의 독립된 전류 루프는 애노드 피드스루에서의 누설 전류가 방전 전류 임피던스 측정에 의존하는 압력 측정에서의 임의의 부정확성을 야기하지 않는다는 것을 보장한다.
CCIG는 전형적으로 10-2 Torr 미만의 낮은 압력 범위에서의 작동에 제한된다. 기압(760 Torr) 만큼 높게 확장되는 범위에 걸친 압력을 측정하기 위해, CCIG는 열 전도성 또는 격막식 게이지와 같은 상이한 기술을 사용하는 압력 게이지와 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, CCIG는 제2 캐소드가 구비되고 압력은 캐소드들 각각에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 결정된다. 상이한 치수들 및 전기 연결부들로, 상이한 전위 기울기들이 공통 애노드와 독립된 캐소드들 사이에서 얻어진다.
통상적 CCIG들에서와 같이, 자석은 자유 전자 경로들을 연장하고 따라서 애노드와 제1 캐소드 사이의 플라스마 및 제1 캐소드로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 지속시키기 위해 적어도 애노드와 제1 캐소드 사이의 제1 간격을 통해 자계를 인가한다. 그러한 전기 방전은 타운센드 방전으로 알려져 있다. 캐소드로부터 측정된 전류는 전형적으로 10-2 Torr 미만과 같은 낮은 압력들 내지 10-11 Torr만큼 낮은 압력들에서의 압력 측정을 가능하게 한다.
제1 캐소드로부터 전기적으로 격리되고 제1 간격 미만의 제2 간격만큼 애노드로부터 이격되는 제2 캐소드는 제1 간격에서의 플라스마 형성에 필요한 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서의 전기 방전 및 압력 측정을 가능하게 한다. 전기 제어기는 낮은 압력들에서의 적어도 애노드와 제1 캐소드 사이의 플라스마 방전 및 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서의 애노드와 제2 캐소드 사이의 전기 방전으로 이온화를 생성하기 위해 애노드와 제1 및 제2 캐소드들 각각 사이에 전압을 인가한다. 애노드와 제2 캐소드 사이의 전기 방전은 더 높은 압력들에서를 제외하고는 제1 캐소드의 타운센드 방전과 유사한 타운센드 방전을 포함할 수도 있다. 이는 대안적으로, 그리고 바람직하게는 부가적으로, 애노드와 캐소드 사이의 브레이크다운으로의 파셴의 법칙 방전을 가능하게 한다. 제어기는 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 둘 다에 기반하여 압력을 결정한다.
제어기는 또한 애노드 전압을 측정하고, 애노드와 캐소드들 각각 사이의 임피던스들을 컴퓨팅하고, 그러한 임피던스들에 기반하여 압력을 결정할 수 있다.
개시된 실시예들에서, 각각의 캐소드는 애노드를 둘러싸고 원주형이며, 상이한 간격들은 원주형 캐소드들의 각각의 반경에 의해 결정된다. 예를 들어, 전계를 달리하기 위해 제2 캐소드의 개구부에서 테이퍼(taper)가 제공될 수 있다. 개시된 실시예들에서, 2개의 원주형 캐소드가 제공될 뿐만 아니라, 부가 측정을 위해 부가 간격들을 제공하는 부가 캐소드들이 제공될 수도 있다.
전형적인 이온화 게이지에서, 캐소드는 대략 25 ㎜의 길이를 따라 대략 10 밀리미터(㎜)의 애노드로부터의 간격을 제공하고, 유사한 치수들이 제1 캐소드에 적절하다. 표준 설계에 기반하여, 애노드와 캐소드 사이의 간격, 그리고 따라서 개시된 실시예들에서의 제1 간격은 5 내지 15 ㎜의 범위에 있고, 제1 캐소드는 애노드를 따라 15 내지 40 ㎜의 범위의 자석 내부의 유효 길이를 갖는다. 애노드와 제2 캐소드 사이의 더 작은 간격은 더 높은 압력들에서 이온 생성 플라스마를 지속시키기 위해 일반적으로 1.0 내지 5.0 ㎜의 범위, 예를 들어, 2.4 ㎜이어야 한다. 제2 캐소드는 타운센드 방전을 지속시키기 위해 적어도 대략 6.0 ㎜의 길이를 가져야 한다. 너무 큰 게이지를 방지하기 위해, 제2 캐소드 길이는 애노드를 따라 24 ㎜ 미만이어야 한다. 개시된 실시예에서, 제2 캐소드는 길이가 대략 16 ㎜이다.
제1 및 제2 캐소드들은 서로 및 접지로부터 캐소드들을 전기적으로 격리하는 중합체 하우징에서 세팅될 수 있다.
애노드를 따라 연장되는 제2의 더 작은 캐소드에서의 타운센드 방전으로부터 측정될 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 압력들을 측정하기 위해, 특징부에서 애노드와 캐소드 사이에 더 좁은 갭을 확립하도록, 특징부가 애노드 쪽으로 지향되는 제2 캐소드 상에 제공될 수 있다. 그러한 특징부는 기압에 접근하는 높은 압력들에서 파셴의 법칙에 따른 브레이크다운으로의 전기 방전을 가능하게 한다. 애노드와 특징부 사이의 적절한 갭은 0.3 내지 1.0 ㎜의 범위이며, 바람직한 갭은 대략 3 ㎸의 애노드 전압으로 대략 0.6 ㎜이다. 최적의 갭은 전압 의존적이고, 표준 CCIG들의 애노드 전압들은 대략 2 ㎸ 내지 6 ㎸의 범위이다. 더 높은 전압들로, 바람직한 범위의 상한에서의 갭이 사용될 가능성이 있을 것이다. 파셴의 법칙 전기 방전으로 작동하는 캐소드의 경우, 임의의 특정 전압에서의 갭은 전류 응답의 압력과의 기울기를 결정한다. 갭이 큰 경우, 전류 응답이 압력 범위에서 매우 제한되거나 아크 방전이 브레이킹다운하여 압력 측정을 방해할 것이며; 갭이 작은 경우, 전류 및 임피던스 응답이 더 낮은 기울기 규모를 갖고, 감도가 낮아지고 측정 오류가 증가할 것이다.
파셴의 법칙 방전 특징부는 갭을 형성하도록 디스크 내에 홀을 갖는 디스크일 수 있다. 대안적으로, 특징부는 디스크로부터 애노드 쪽으로 연장되는 하나 이상의 지점을 갖는 디스크일 수 있다. 특징부는 캐소드 원주로부터 내측으로 연장되는 하나 이상의 핀일 수 있다. 일 실시예에서, 특징부는 캐소드의 외부로부터 삽입되고 애노드와 핀의 하단 단부 사이의 갭의 조정을 가능하게 하는 나사산이 있는 핀이다. 특징부는 캐소드 쪽으로 지향되는 애노드 상에 있을 수도 있다.
각각의 캐소드와 애노드에 전압을 공급하는 전원 공급기로의 귀로 사이의 대략 500 킬로옴(㏀)의 큰 저항들은 출력 응답에서의 변동들(랜덤 잡음 및 발진들)을 감소시킨다. 캐소드와 전원 공급기 귀로 사이의 적어도 1 메가옴(㏁)의 임피던스들로 추가 잡음 감소가 얻어진다. 가파른 응답들 및 평탄한 응답들 둘 다를 피하는 전류 및 임피던스 응답의 기울기를 개선하기 위해, 제2 캐소드에 결합되는 임피던스는 적어도 제1 캐소드에 결합되는 규모보다 더 큰 규모의 정도이다. 일 실시예에서, 1.5 ㏁ 초과의 저항이 제1 캐소드에 결합되고 30 ㏁ 초과의 저항이 제2 캐소드에 결합된다. 임피던스들 중 적어도 하나, 특히 제2 캐소드 임피던스가 가변 저항에 의해 제공될 수 있다.
주목된 바와 같이, 캐소드 전류들에만 의존하는 것보다는 오히려, 애노드 전압이 임피던스 측정치들을 컴퓨팅하는데 사용될 수도 있다. 상이한 알고리즘들이 압력 출력을 제공하도록 선택될 수 있다. 알고리즘은 임피던스 측정치들에 기반하여 선택될 수 있고, 알고리즘들은 알고리즘들의 입력들로서 임피던스 측정치들을 가질 수 있다. 알고리즘들은 룩업 테이블들에 저장되는 미리 컴퓨팅된 데이터를 사용하여 처리될 수 있다.
압력은 압력이 제1 캐소드 출력에 기반하여 결정되는 인접해 있지 않은 압력의 범위들을 포함하는 별개의 압력의 범위에 걸쳐 제1 및 제2 캐소드들 각각으로부터의 전기 출력들에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 압력은 제1 낮은 압력 범위에 대한 제1 캐소드의 출력에 기반하고, 제1 압력 범위보다 더 높은 제2 압력 범위에 걸친 제2 캐소드의 출력에 기반하고, 제1 및 제2 압력 범위들보다 더 높은 제3 압력 범위에 걸친 제1 캐소드의 출력에 기반하고, 제1, 제2 및 제3 압력 범위들보다 더 높은 제4 압력 범위에 걸친 제2 캐소드의 출력에 기반할 수 있다.
확장된 압력 범위에 걸친 바람직한 작동에서, 적어도 타운센드 플라스마 방전이 낮은 압력들에서 애노드와 제1 캐소드 사이에서 지원되고, 적어도 타운센드 방전 또는 파셴의 법칙 브레이크다운 방전이 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서 애노드와 제2 캐소드 사이에서 지원된다. 브레이크다운 방전은 제2 캐소드의 특징부에서 지원될 수 있다.
압력을 측정하는 방법에서, 자계가 애노드와 제1 캐소드 사이의 제1 공간에 인가된다. 낮은 압력들에서, 전자들이 제1 공간에서의 타운센드 플라스마 방전 및 제1 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 제1 공간으로 방출된다. 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서, 전기 방전이 제2 캐소드에 대한 전류 흐름을 생성하기 위해 제2 캐소드와 애노드 사이에 생성된다. 압력은 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반한다. 제2 캐소드와 애노드 사이의 전기 방전은 타운센드 플라스마 방전 또는 파셴의 법칙 브레이크다운 방전일 수 있거나, 상이한 압력의 범위들에 걸쳐 그러한 방전들 각각을 포함할 수 있다.
압력을 측정하는 대안적인 방법에서, 전자들은 제1 공간에서의 플라스마 방전 및 제1 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 제1 공간으로 방출되며, 제1 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제1 불연속점을 갖는다. 전자들은 제2 공간에서의 플라스마 방전 및 제2 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 제2 공간으로 방출되며, 제2 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제2 불연속점을 갖는다. 압력은 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 결정된다. 압력은 제2 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하고 제1 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반한다.
도 1a는 본 발명이 적용될 수 있는 종래 기술 CCIG를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 게이지의 애노드 및 스타터 링의 확대 사시도이다.
도 1c는 도 1a의 게이지와 연관된 전기 제어기를 도시한다.
도 2는 도 1a 내지 도 1c의 게이지가 본 발명에 따라 변경될 때, 캐소드 및 가드 링으로부터의 전류 출력들을 도시한다.
도 3은 도 1a의 게이지의 변경된 제어를 도시한다.
도 4는 본 발명을 구현하는 변경된 CCIG의 종 단면도이다.
도 5는 도 4의 게이지의 전류 및 전압 출력들을 도시한다.
도 6a 내지 도 6e는 파셴의 법칙 방전을 유도하는데 사용되는 캐소드 특징부들의 대안적인 형태들을 도시한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 수가지의 실시예와 함께 사용될 전기 제어기를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 광범위한 압력 측정을 통한 캐소드 전류들 및 애노드 전압에 기반한 상이한 캐소드 저항기들로의 임피던스 측정치들을 도시하고, 도 9b는 압력을 결정하는 알고리즘에 사용되는 도표를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 도 9b의 임피던스 측정치들로부터 압력을 결정하기 위한 프로세서(802)에 의한 처리를 도시한다.
도 11은 게이지 출력에서 불연속점들을 피하는 본 발명의 대안적인 사용을 도시한다.
도 12는 불연속점들의 회피를 가능하게 하도록 특히 설계되는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 13a는 디바이스가 상이한 출력 특성들을 갖는 것을 제외하고는 도 9b와 유사한 임피던스 측정치들의 도표이고; 도 13b는 디바이스가 도 13a의 특성들을 갖는 것을 제외하고는 도 10b와 유사한 흐름도이다.
본 발명의 예시적 실시예들의 설명이 뒤따른다. 본원에 인용되는 모든 특허, 공개된 출원 및 참조의 교시들은 그 전체가 참조로 포함된다.
미국 특허 출원 제 2015/0091579호에 도시된 게이지가 더 높은 압력들에서 애노드 상에 높은 전압을 유지하고 캐소드 전류뿐만 아니라 가드 링을 통한 전류에도 의존하도록 검출기 전자 기기, 상세하게는, 프로세서(490)를 변경함으로써 1 Torr만큼 높은 그러한 더 높은 압력들 또는 심지어 760 Torr의 기압에서 게이지를 작동시키는 전자 제어기로 변경될 수 있다고 판단되었다.
도 2는 그러한 설계에서의 캐소드 전류뿐만 아니라 이제 제2 캐소드로서 기능하는 가드 링의 전류를 도시한다. 통상적인 게이지의 작동에서, 압력은 곡선(200)으로부터 결정되고, 애노드 전압은 201에서의 대략 10-2 Torr보다 더 높은 압력에서 턴 오프될 것이다. 그러한 압력을 넘어, 전류 출력(202)은 더 신뢰성이 낮게 되도록 평탄해지고, 대략 1 Torr에서, 빠르게 강하한다(204). 가드 링 전류는 매우 낮고 누설 전류를 모니터링하는데만 사용되었다. 그러나, 게이지의 작동이 도 2에 도시된 바와 같이 더 높은 압력들에서 유지되면, 캐소드 전류가 하강함에 따라, 가드 링 전류가 206에서 상승하는 것을 알 수 있다. 따라서 더 높은 압력들에서, 가드 링 전류가 압력의 지표로서 사용될 수 있다. 대략 10 Torr에서, 가드 링 전류가 208에서 하강하기 시작하는 것을 알 수 있다. 1 Torr 내지 1 x 103 Torr에 걸쳐 가드 링 전류만을 보는 것은 애매모호함을 야기할 것이다. 예를 들어, 80 마이크로암페어(㎂)의 전류는 8 Torr 또는 100 Torr 초과를 나타낼 것이다. 그러나 또한 캐소드 전류를 모니터링함으로써, 그러한 높은 압력들에서도, 가드 링 전류가 흐르고 있는 피크의 측부를 인지할 것이다.
인용된 특허 출원의 게이지가 높은 압력 작동을 위해 설계되지 않았으므로, 인용된 특허 출원의 게이지는 10-2 Torr와 1 Torr 사이의 평탄한 영역에서의 정확성이 여전히 결여되고 피크 가드 링 전류에서 가드 링 전류를 모니터링하는데 어려움을 부여하지만, 인용된 특허 출원의 게이지는 저항 또는 격막식 게이지와 같은 부가 게이지에 대한 필요 없이 훨씬 더 넓은 압력 범위를 통한 압력을 측정하는 기회를 제공한다. 주캐소드의 타운센드 방전이 가드 링에서 증가된 전류에 대해 스타터 바로 아래의 가드 링의 영역으로 전이할 가능성이 크다. 가드 링 전류 피크 후에, 파셴의 법칙 브레이크다운이 애노드에 대한 갭이 (0.676 ㎜로) 훨씬 더 짧은 스타터 팁들(160)에서 일어날 공산이 있다.
넓은 압력 범위를 통한 상술한 게이지의 작동이 도 3에 도시된 바와 같을 수 있다. 이전 게이지와 달리, 10-2 Torr 초과의 그리고 바람직하게는 1 Torr 초과의 또는 심지어 기압만큼 높은 압력들을 포함하는 넓은 압력 범위를 통해 높은 전압이 302에서 애노드에 인가된다. 캐소드로부터의 전류가 304에서 검출되고 가드 링으로부터의 전류가 306에서 검출된다. 선택적으로, 애노드 퍼텐셜이 308에서 검출될 수도 있다. 310에서, 캐소드로부터의 전류, 가드 링으로부터의 전류, 및 가능하게는 애노드 퍼텐셜이 처리되어 압력을 결정한다. 앞서, 가드 링으로부터의 전류는 누설 전류를 모니터링하는데만 사용되었다. 위의 설명이 나타내는 바와 같이, 처리는 단순히 캐소드 전류와 같은 전류로부터 압력으로의 변환이 아니다. 오히려, 다수의 전류가 모니터링되어야 하고 그러한 전류들에 기반하여 압력을 제공하기 위해 어느 전류를 사용할지에 관한 결정들이 필요하다. 상승하는 가드 링 전류는 캐소드 전류가 높은 압력 측정들을 낮은 압력 측정들과 구별하는 204에서의 엘보우(elbow)의 우측에 있는 것을 나타낼 수 있다. 대안적으로, 가드 링 전류 그 자체는 엘보우(206)를 넘는 압력 측정을 제공하는데 사용될 수 있다. 전류들만이 도시되지만, 애노드 전압이 사용될 수 있거나, 임피던스들이 애노드 전압 및 전류들을 사용하여 계산될 수 있고, 임피던스가 압력을 나타내는데 사용될 수 있다.
도 4는 넓은 압력 범위 CCIG의 구현을 지원하는 변경된 게이지 구조를 도시한다. 미국 특허 출원 제 2015/0091579호에 개시된 게이지에서와 같이, CCIG는 원주형 캐소드(또한 캐소드 케이지로 지칭됨)(404)로 축 방향으로 연장되는 애노드(402)를 포함한다. 또한, 캐소드는 자유 전자 플라스마를 지속시키도록 자석 어셈블리(405)에 의해 둘러 싸여진다. 이전 게이지 설계와 별개로, 이러한 게이지는 캐소드(404)와 함께 연속적으로 있고 게이지 및 플랜지(420)의 마우스(mouth)에 원위의 애노드(402)를 둘러싸는 부가 캐소드 원주(406)를 포함한다. 그러나, 캐소드(406)는 더 작은 직경이어서 캐소드와 애노드 사이에 감소된 간격 및 결과로서 생기는 상이한 전계 기울기를 제공한다. 2개의 캐소드는 절연체(408)에 의해 격리된다. 이러한 실시예에서, 캐소드들 둘 다는 자석 어셈블리(405)에 의해 둘러 싸여진다. 게이지의 선택적 변형이 MKS Instruments Inc.에 의한 2016년 1월 13일자로 출원된 PCT 출원 미국 제 2016/013219호에 개시된 접근법에 따른 중합체 하우징(411)의 사용이고, 그 전체가 참조로 본원에 포함된다. 캐소드 구조체는 중합체 하우징을 통해 각각의 큰 캐소드(404) 및 작은 캐소드(406)로 연장되는 전극들(402 및 414)과 함께 하우징(411)의 몰딩 작업에서 하우징(411) 내에 세팅될 수 있다.
타운센드 플라스마가 낮은 압력들에서는 큰 캐소드(404)에 있지만, 더 높은 압력들에서 더 작은 캐소드(406)로 이동한다는 것이 밝혀졌다. 작은 캐소드(406)의 마우스에서의 테이퍼(416)는 큰 캐소드에서 작은 캐소드로의 플라스마 전이를 지원할 수 있다.
도 5는 10-6 Torr 내지 103 Torr의 넓은 압력 범위에 걸친 큰 캐소드 전류(502), 작은 캐소드 전류(504), 결합된 전류들(506) 및 애노드 전압(508)을 도시한다. 냉양극 이온화 게이지 설계에 2개의 챔버를 포함하는 것은 타당한 방전 전류가 넓은 범위의 압력들에서 전해지는 것을 가능하게 한다. 측정되는 압력이 증가함에 따라, 분자 밀도가 또한 증가하며, 이는 분자 충돌들 사이의 평균 자유 경로가 상당히 감소되게 한다. 상이한 기하학적 구조들을 갖는 2개의 챔버를 활용하는 것은 예상된 분자 밀도 및 평균 자유 경로에 대해 검출 가능한 방전 전류를 전하도록 각각이 최적화되는 것을 가능하게 한다. 기체 매체를 통한 전류 전달의 메커니즘은 플라스마의 생성이고, 플라스마가 불안정해지게 하는(발진들 및 랜덤 변동들) 특정 압력들(10 내지 200 Torr 범위)이 있다는 것이 관측되었으며, 이는 그 때 방전 전류가 폭넓게 달라지게 하는 폭넓게 가변인 겉보기 임피던스를 야기한다. 이는 측정된 압력을 결정하기 위해 방전 전류의 즉각적인 측정치를 이용하는 것을 어렵게 한다. CCIG 상에서 사용되는 전압 공급기가 전류 제한 저항기가 구비되기 때문에, 이러한 전류 제한 저항기 이후의 전압을 측정하는 것이 디바이스에 존재하는 방전 전류를 결정하는데 더 안정된 수단을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 이는 전해지는 전류를 정확히 분석하기 위한 민감한 측정 회로, 및 플라스마에서의 불안정성들을 보정하기 위한 다운스트림 처리 또는 필터링에 대한 필요를 제거한다. 측정된 전압이 상당히 높아, 수백 내지 수천 볼트의 범위이므로, 이러한 측정 회로의 설계는 통상적으로 존재하는 낮은 레벨의, 마이크로암페어 범위 전류들을 측정하는데 필요한 정밀성을 가질 필요가 없다.
게이지의 작동은 그러한 기능을 위해 설계된 제2 캐소드(406)가 단계(306)에서 가드 링을 대체한다는 것을 제외하면 도 3에 도시된 바와 같을 것이다.
도 4의 CCIG는 복수의 캐소드를 포함하며; 캐소드들 둘 다는 높은 전압을 공급하는 공통 애노드를 갖는다. 일정 압력 범위에 걸쳐 각각의 캐소드로부터 검출되는 별도의 전류들은 하나의 측정 방식에서 다른 측정 방식으로 언제 전환할 지를 결정하는 수단으로서 이들을 사용하는 것을 가능하게 하였다. 2가지의 측정 방식은 압력을 추정하기 위해 전류 또는 저항, 또는 압력을 추정하기 위해 애노드 전압만을 사용하는 것이다. 각각의 캐소드로부터의 별도의 전류들은 낮은 압력 영역(< 0.1 Torr)에 있는지 아니면 높은 압력 영역(> 0.1 Torr)에 있는지를 검출하는 능력을 가능하게 한다.
측정되는 압력이 증가하고 있거나 감소하고 있을 때, 캐소드들 둘 다로 전해지는 전류가 측정될 것이고, 알고리즘이 제1 캐소드 또는 제2 캐소드로부터 측정된 값(전압 또는 전류일 수 있음)이 측정된 압력을 계산하는 기반으로서 사용될지 여부를 판단하는데 사용될 것이다. 한가지의 설계에서, 낮은 압력(0.1 Torr 미만)에서, (캐소드들 둘 다로부터 일부 전류를 가짐에 따른) 총 또는 합계 전류가 측정된 압력을 계산하는 기반으로서 사용될 수 있고, 대략 0.1 Torr 이상에서, 압력에 대한 전류 응답이 거의 기울기를 갖지 않고 낮은 감도를 가지므로, 측정된 전류는 더 작은 캐소드로만 전환되고, 애노드 전압의 측정으로 변경한다. 따라서 각각의 캐소드에서의 전류의 규모를 검출함으로써, 어느 압력 범위에 있는지, 그리고 따라서, 압력을 계산하기 위해 전류를 사용할지 아니면 전압을 사용할지를 판단할 수 있다.
수가지의 중요한 고려할 점이 있다:
1. 고려할 독립된 캐소드 케이지 전류들이 있고, 도 5는 작고 큰 케이지 전류들이 그것들 자체의 압력 의존 특성들을 갖는다는 것을 나타낸다.
2. 또한 측정을 위해 이용 가능한 애노드 전압이 있다.
3. 캐소드 전류들은 압력 범위를 결정하기 위해 개별적으로 사용되고/되거나 또한 측정의 선형성 및/또는 감도를 개선하기 위해 합산될 수 있다.
4. 전류들 및 전압들은 방전 임피던스들을 제공하도록 결합될 수 있다.
도 4는 또한 기압에 접근하는 더 높은 압력들에서 파셴의 법칙 방전을 지원하기 위한 게이지의 구조의 다른 변형을 도시한다. 이러한 경우에, 특징부(418)는 캐소드(406)와 애노드(402) 사이에 작은 간격을 제공하는 작은 캐소드(406)의 내부면 내에, 가능하게는 고정 나사의 형태의 캐소드 핀이다. 바람직한 간격은 0.3 내지 1.0 ㎜의 범위이다.
CCIG들에 대한 더 위의 압력 범위 측정(1 내지 760 Torr)은 1 Torr 미만의 압력들에서 존재하지 않는 기술적 난제들: 압력 의존 모드 변화, 진동 방전 작용 및 비타운센드 방전 특성들을 제공한다. 상당한 불안정성을 야기하는 한가지 문제는 높은 압력 캐소드 케이지 전체에 걸쳐 국부화된 방전의 위치의 이동이다. 이러한 나사산이 있는 캐소드 핀 특징부는 방전이 캐소드 주변에서 이동하는 것이 가능해지면, 발생하는 공간적 위치에서의 불안정성들, 및 전류 및 전압 스파이크(spike)들을 제거하는 파셴의 법칙 아크 방전 영역에서 플라스마의 위치를 제어하는 한가지 방식을 제공한다. 이는 또한 1 기압까지에서 그리고 심지어 1 기압 초과에서 항상 작동하기에 충분한 전위 기울기를 보장하도록 애노드와 캐소드 사이의 갭 및 전압을 조정함으로써 애노드와 캐소드 핀 사이의 작동적 전계를 설정하는 방법을 부여한다.
대략 1 내지 760 Torr의 압력들에서, CCIG 플라스마 방전은 균일한 글로(타운센드 방전)로부터 캐소드 케이지 내부 체적 내부로 점핑 어라운드(jumping around)하는 작은 한정된 볼트들(아크 방전 영역)로 이동하는 경향이 있다. 본 발명에 설명하는 특징부가 없으면, 볼트 방전은 캐소드 케이지 주변에서 연속적으로 위치를 변화시킨다. 캐소드 핀의 목적은 방전의 공간적 위치를 제어하는 것이고 과정에서 공간적 변동들을 최소화하는 것이다.
볼트들의 공간적 변동들은 애노드 전압 및 캐소드 전류에서의 스파이크들 및/또는 발진들을 야기한다. 방전의 큰 공간적 변동들의 영향들을 최소화하는 것은 전류 및 전압을 완만하게 하여, 분석하기에 단순한 신호 출력을 갖는 보다 재현 가능한 디바이스를 만든다.
캐소드 핀 - 애노드 간격은 더 높은 압력들에서의 브레이크다운 전압을 설정하고 확립하는데 사용된다. 브레이크다운 전압은 방전 전류가 검출되는 최소 전압으로서 설명된다. 질소의 경우, 0.1 내지 10 Torr의 압력에 대하여 브레이크다운 전압의 도표에서의 최소치가 있다. 파셴의 법칙 영역에서의 높은 압력들에서 적절하게 작동하는 게이지의 경우, 압력을 이끌어 낼 신호를 갖도록 브레이크다운 전압을 초과하여 항상 작동시켜야 한다. 캐소드 핀 - 애노드 간격은 둘 사이에서 가장 짧은 경로이므로, 방전이 캐소드 핀과 애노드 사이에서 먼저 자연적으로 일어나도록 설정된다.
나사산이 있는 캐소드 핀은 애노드와 캐소드 사이의 거리에 대한 작은 조정들을 가능하게 한다. 적절하게 설계되고 위치된 특징부가 사용될 때, 아크 위치가 고정되고, 방전 발진의 양이 감소된다. 아크는 맨 눈에 가시적이다.
높은 압력 영역에서, 국부화된 아크 방전은 애노드 표면 및 특히 캐소드 표면 둘 다 상에 스퍼터링으로 인해 심각한 웨어를 야기할 수 있다. 이것이 구성의 대안적인 재료들이 고려되었던 이유이다. 아크 위치를 안정화시키는 것은 신호 변동을 최소화하는 것을 돕고, 단일 스팟 상에 스퍼터링 손상을 집중시킨다. 캐소드 핀에 대한 구성의 재료의 선택은 표시 도수들의 장기간 안정성에 직접적인 영향을 줌에 따라, 신중히 고려할 만하다. 캐소드 특징부로부터의 스퍼터링은 이리듐, 티타늄, 텅스텐 또는 이러한 재료들의 합금들과 같은 캐소드 특징부에 대한 알려진 스퍼터 경화 재료를 사용함으로써 최소화될 수 있다. 또한 특징부에 기하학적 특징부들을 추가하는 것은 웨어를 보상하고 수명을 연장시킬 수 있다.
스퍼터링 손상은 지속적인 것(100%)에서 일부 더 작은 부분(< 100%)으로 사용률을 감소시키기 위해 애노드 전압을 조절함으로써 높은 압력에서 완화될 수도 있다. 이는 애노드 재료가 방전 이벤트들 사이에서 냉각되는 것을 가능하게 하고 애노드 표면의 용융을 방지한다.
더 높은 압력들에서, 아크 방전은 캐소드 핀에 의해 제공되는 가장 짧은 경로가 최고 전위 기울기를 갖는 경로이므로, 이것 상에서 선택적으로 쏠린다. 공간적으로 균일한 타운센드 타입 방전에 의해 좌우되는 더 낮은 압력들에서, 캐소드 핀은 방전 상에서 거의 동요를 갖지 않을 것이다. 아크들을 제어함으로써, 이러한 압력 영역에서 보이는 전류 및 전압 스파이크들을 제한하거나 감소시킬 수 있으며; 최소 거리를 제어하는 것은 방전의 브레이크다운 전압 및 위치를 제어한다. 어디서 그리고 무슨 전압에서 아크들이 일어나는지를 제어하는 것은 안정된 작동 및 최소 스퍼터링을 가능하게 한다. 또한, 이는 중간 압력 범위에서의 증가된 감도를 위한 더 큰 직경 높은 압력 캐소드 케이지를 가능하게 한다. 더 높은 압력들에서, 방전들은 정전기들에 의해 엄격하게 구동되고, 자계들은 정전기들의 작용에 거의 영향을 주지 않는다.
나사산이 있는 캐소드 핀(418)을 도 6e의 단면도에서 볼 수 있다. 작은 캐소드(406)와 애노드 사이에 적절한 갭을 유지하는 다른 캐소드 특징부들은 도 6a에서 디스크(604) 내에 홀(602), 그리고 도 6b에서 디스크(608)에 팁들(606), 그리고 도 6c에서 핀(612)을 포함하였다. 도 6d는 작은 직경 캐소드(406)의 벽으로부터 돌출되는 너브들(610)을 도시한다.
게이지의 바람직한 실시예가 도 7에 도시된다. 여기서, 큰 직경 캐소드(702) 및 작은 직경 캐소드(704)는 애노드(707) 주변의 중합체 하우징(706)으로 몰딩되며, 상기 하우징은 2개의 캐소드 사이에 격리를 제공한다. 전극(708)은 작은 직경 캐소드(704)로 연장되고, 전극(709)은 큰 직경 캐소드로 연장된다. 대안적으로, 어느 하나의 전극이 하우징(706)의 측부를 통해 연장될 수 있다. 자석(714)은 자계가 더 작은 직경 캐소드에서의 타운센드 방전을 지원하는데 덜 중대하므로, 큰 직경 캐소드만을 둘러싼다. 플랜지(710)는 압력들이 모니터링되어야 할 챔버에 결합되도록 게이지의 개방 단부에서 형성된다.
도 7은 또한 특정 치수들 및 바람직한 범위들의 치수들을 제공한다. 각각의 치수의 경우, 밀리미터 단위의 실제 치수가 괄호로 제공된다. 인치 단위의 실제 치수가 그 아래에 제공되고, 밀리미터 단위의 바람직한 범위가 그 아래에 제공된다. 큰 캐소드의 길이는 자석(714) 내의 길이이고 기체 환경에 노출되는 유효 길이이다. 캐소드 원주(702)가 자석 너머 연장되더라도, 이온화를 갖는 플라스마는 자석 내부의 영역에 주로 제한된다. 자석 내에 있지 않은 작은 캐소드의 유효 길이는 작은 캐소드의 전체 길이이다. 그러한 캐소드가 작동하는 높은 압력 영역의 경우, 캐소드에 걸쳐 자석을 연장시키는 것은 거의 영향을 갖지 않을 것이다. 자석(714)으로부터의 자계가 그러한 공간으로 연장될 것이지만, 캐소드를 둘러싸는 부가 자석들로의 부가 자계는 유효하지 않을 것이다.
파셴의 법칙 특징부(716)는 도 6a에 도시된 타입이고 0.3 내지 1.0 ㎜의 범위, 상세하게는 0.6 ㎜(.024 인치)의 갭을 제공한다. 도 6b 내지 도 6e의 다른 특징부들 중 임의의 것이 사용될 수도 있다. 앞서와 같이, 특징부(716)는 기압에 접근하는 압력들에서의 아크 방전을 지원한다. 상기 특징부는 제2 캐소드(704)의 원위 단부 쪽으로 위치되어 플라스마 방전을 위해 개방되는 캐소드의 마우스를 남기지만, 상기 특징부는 캐소드의 근위 개방 단부 쪽으로 위치될 수 있다. 몰딩을 위해, 상기 특징부는 도시된 바와 같이 원위 단부에 있다.
이러한 실시예에서 사용되는 자석은 500 내지 1100 가우스의 바람직한 범위 내의 대략 800 또는 900 가우스이다.
도 8은 임의의 실시예에 사용되는 게이지에 대한 제어기 전자 기기를 도시한다. 이전 회로들에서와 같이, 전원 공급기(P)로부터 30 ㏁과 같은 높은 저항일 수 있는 전류 제한 저항기(R1)를 통해 애노드에 전력이 인가된다. 애노드에 인가되는 전압은 대지간 분압기(R2, R3)에 결합되는 전압 센서(V1)에 의해 감지된다. 대안적으로, 애노드 전압은 공급기(P)의 전압 출력 및 저항기(R1)에 걸쳐 감지된 전압 강하로부터 결정될 수 있다. 큰 캐소드(702) 및 전극(709)으로부터의 전류는, 예를 들어 대략 50 ㏀일 수 있는 전류 감지 저항기(R5)에 걸쳐 결합되는 전압 센서(V3)에 의해 검출된다. 작은 캐소드 및 작은 캐소드의 전극(708)으로부터의 전류는, 예를 들어 대략 50 ㏀일 수도 있는 전류 감지 저항기(R4)에 걸쳐 결합되는 전압 센서(V2)에 의해 감지될 수 있다. 프로세서(802)는 전원 공급기를 제어하고, 임의의 가변 저항을 달리 하고, 감지된 신호들을 수신한다. 프로세서(802)는 또한 도 10에 대하여 논의되는 바와 같이 압력 표시 도수들을 출력한다.
작은 캐소드(704)에 결합되는 부가 저항기들(RS) 및 큰 캐소드(702)에 결합되는 저항기(RL)가 이러한 회로에서 특히 중요하다. 초기 설계에서, 캐소드들로부터의 출력 신호들로부터 잡음을 제거하고, 발진들을 걸러내기 위해 RL 및 RS 둘 다에 대해 523 ㏀의 저항기들이 사용되었다. 그러나 1 ㏁ 초과의 훨씬 더 큰 저항들로, 압력에 대한 전류 출력들의 형상들이 훨씬 더 정확한 압력 표시 도수들을 제공하도록 제어될 수 있었다. 특히, 작은 캐소드에 대한 저항기(RS)는 30 ㏁으로 증가되었으며, 저항(RL)은 1.27 또는 2.04 ㏁으로 증가되었다. 작은 캐소드에서의 매우 높은 저항기로, 더 많은 전류가 큰 캐소드로 푸싱(pushing)되어 1 Torr 초과의 높은 압력들에서 기울기 규모를 증가시켰다. 상이한 기체 종류와 같은 달라지는 조건들로의 압력 응답의 동적 제어를 가능하게 하기 위해, 저항기들(RL 및 RS, 특히 RS)은 가변 저항기들일 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 회로를 사용하여 도 7의 디바이스의 각각의 캐소드에 대해 애노드 전압 대 캐소드 전류의 비율로서 컴퓨팅되는 출력 임피던스를 도시한다. 도 9a는 각각 523 ㏀의 RS 및 RL에 대한 것이다. 도 9b는 1.27 ㏁과 동등한 RL 및 30 ㏁과 동등한 RS에 대한 것이다. 캐소드 저항들의 조정은 또한 압력이 적합한 정확성으로 분석되고 표시될 수 없는 감지된 신호들에서의 영역 없는 센서를 생성하기 위해 각각의 전류 및 임피던스에서의 국부 최소치의 지점을 편이시키는 것을 가능하게 하였다.
5개의 별개의 작동 영역이 도 9b에서 식별될 수 있다. 10-2 Torr 미만의 낮은 압력들에서, 게이지는 표준 CCIG에서의 같이 더 큰 캐소드의 타운센드 플라스마 방전으로 대체로 작동한다. 10-2 내지 대략 1 Torr의 영역의 여전히 낮은 압력들에서, 타운센드 플라스마 방전으로의 큰 캐소드의 작동이 저항들(RS 및 RL)을 사용하여 연장되었다. 대략 1 Torr 내지 대략 35 Torr의 영역에서, 작은 캐소드에서의 플라스마 활동도가 증가하며(임피던스 강하), 플라스마는 큰 캐소드에서 작은 캐소드로 편이한다. 여기서, 작은 캐소드의 임피던스가 감소함에 따라, 큰 캐소드로부터의 임피던스 측정치가 증가하기 시작한다. 대략 35 Torr에서 대략 89 Torr로 전이가 계속됨에 따라, 작은 캐소드 플라스마는 턴 오프되기 시작하고, 큰 캐소드 전류가 계속해서 감소하여 높은 임피던스를 야기함에 따라, 전류는 브레이크다운 전압에 기인하는 작은 캐소드 플라스마로 이동한다. 최종적으로 대략 89 Torr 초과 내지 대략 기압인, 760 Torr의 압력들에서, 전류 방전은 작은 캐소드 상의 부가 특징부에 의해 제공되는 작은 갭에 걸친 파셴의 법칙 아크 방전이다.
도 9b의 알고리즘의 처리는 단계(306)에서 검출되는 전류가 그러한 기능을 위해 설계되는 제2 캐소드의 전류라는 것을 제외하고, 도 3에 도시된 바와 같을 수 있다. 도 10a은 더 상세한 과정을 도시한다. 애노드 전압이 큰 압력 범위를 통해 애노드에 인가된다(1020). 전류가 1022에서 제1 캐소드 및 1024에서 제2 캐소드로부터 검출된다. 애노드 전압이 1026에서 검출된다. 압력을 결정하기 위해 전류 및 퍼텐셜을 처리하는 단계(310)의 더 상세한 설명이 단계들(1028, 1030 및 1032)에서 제공된다. 1028에서, 캐소드 전류 및 애노드 퍼텐셜이 처리되어 각각의 캐소드의 임피던스들을 결정한다. 1030에서, 그러한 임피던스들 중 하나가 압력 영역에 따른 추가 처리를 위해 선택된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 실선들을 나타내는 임피던스가 4개의 압력 영역 각각에 대해 선택된다. 1032에서, 선택된 임피던스가 압력으로 변환된다. 일 실시예에서, 선택 및 변환 단계들(1030 및 1032)은 도 10b에서와 같이 수행된다.
도 10b는 큰 캐소드 임피던스 또는 작은 캐소드 임피던스를 출력 압력으로 변환하도록 4개의 별개의 룩업 테이블 각각에 액세스하는 제어기 프로세서 로직을 도시한다. 4개의 룩업 테이블은 도 9b의 임피던스 도표의 4개의 실선에 상응하고 크고 작은 캐소드들의 임피던스들에 따라 선택된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 표준 CCIG 및 확장된 표준 CCIG에 상응하는 낮은 압력들에서, 압력은 큰 캐소드의 임피던스에 기반하여 결정된다. 이러한 압력 영역에서, 결정 블록(1002)은 1010에서 프로세서를 룩업 테이블 1로 지향시킨다. 그 다음, 대략 0.5 내지 35 Torr의 더 작은 캐소드 플라스마 활동도의 영역에 걸쳐, 시스템은 압력을 결정하기 위해 작은 캐소드 임피던스를 추종하도록 전환된다. 결정 블록(1004)은 1012에서 프로세서를 테이블 2로 지향시킨다. 그 다음, 대략 35 내지 89 Torr의 작은 캐소드 임피던스에서 볼 수 있는 최소치를 피하기 위해, 시스템은 룩업 테이블 3에서 큰 캐소드의 임피던스를 추종하도록 1006에서 다시 전환되어 1014에서 압력을 결정한다. 결국, 큰 캐소드 임피던스가 큰 캐소드 임피던스의 피크에 접근함에 따라, 시스템은 1016에서 테이블 4에서 작은 캐소드 임피던스를 추종하도록 다시 전환된다. 따라서 도 10b로부터 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 데이터 샘플을 통해, 시스템은 1010, 1012, 1014 또는 1016에서 그러한 데이터 샘플에 대해 압력을 식별하는데 사용되는 룩업 테이블로 결정하도록 1002, 1004, 1006 및 1008의 결정 박스들을 통해 지난다. 각각의 검색 후에 또는 결정 트리(tree)가 룩업 테이블을 식별하지 못하면, 시스템은 다음 샘플로 이동한다.
상기 과정을 낮은 압력들에서 기압으로 바뀌는 것의 면에서 설명하였지만, 임의의 데이터 샘플이 임의의 압력 이력에 상관 없이 프로세서를 임의의 룩업 테이블로 지향시킬 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 11은 막 설명한 바와 같은 넓은 압력 범위 설계 또는 10-2 Torr 미만과 같은 보다 통상적인 압력 범위들로의 다수의 캐소드의 다른 사용을 도시한다. CCIG들은 흔히 CCIG들의 출력들에서 불연속점들을 갖는다. 예를 들어, 단일 캐소드를 갖는 게이지는 1104에서 불연속점을 나타내는, 곡선(1102)를 추종하는 임피던스를 가질 수 있다. 그러한 불연속점에서, 정확한 압력 표시 도수들을 제공하는 것은 어렵다. 제2의 캐소드가, 예를 들어 1108에서 불연속점을 갖는 경로(1106)를 추종하는 임피던스 응답을 갖는 2개의 캐소드를 사용함으로써, 불연속점들은 압력을 결정하는데 피해질 수 있다. 낮은 압력들에서, 압력은 라인(1110)을 따라 큰 캐소드에 의해 제공되는 임피던스들로부터 결정될 수 있다. 큰 캐소드는 불연속점(1108)이 일어나는 압력 초과의 압력들에 사용될 것이다. 그러나, 불연속점(1104)이 큰 캐소드에 대해 일어날 곳 미만의 일부 압력에서, 시스템은 라인(1112)을 따라 작은 캐소드 임피던스 출력에 의존하도록 1114에서 전이할 것이다. 결과적으로, 불연속점들이 피해진다.
앞서 예시된 이중 캐소드 실시예들은 불연속점들을 피하는데 활용될 수 있다. 다른 실시예가 도 12에 도시된다. 2개의 전기적으로 격리된 캐소드 슬리브(1202 및 1204)가, 예를 들어 상술한 바와 같은 중합체 재료의 하우징(1205)에 장착될 수 있다. 캐소드들은 애노드(1206)의 중심을 둘러싼다. 각각의 캐소드는 각각의 캐소드를 둘러싸는 각각의 링 자석(1208, 1210)을 갖는다. 자석들은 각각의 캐소드에 하나인 2개의 별도의 방전 영역이 생성되도록 반발 또는 “벅킹(bucking)” 조건에 있을 수 있다. 캐소드들에서의 저항을 변화시키고, 다른 캐소드에 대하여 하나의 캐소드의 물리적 크기를 변화시키고, 자계들을 변화시킴으로써, 불연속점들은 상이한 압력 범위들로 이동될 수 있다. 각각의 캐소드의 응답을 인지함으로써, 불연속점들은 미리 결정된 압력에서 도 11의 전이(114)를 행함으로써 피해질 수 있다. 대안적으로, 2개의 별도의 캐소드의 전류들의 비율을 고려함으로써, 불연속점이 존재할 때가 결정될 수 있다. 그러한 경우에, 다른 캐소드 전류가 압력을 보고하는데 사용된다. 이는 본질적으로 항상 기준 압력을 갖고 있지만, 기준인 것을 교대시키고 있다.
자계가 많은 상이한 접근법을 통해 확립될 수 있다는 점을 상기 예들로부터 알 수 있다. 예를 들어, 도 1a는 더 큰 캐소드만을 둘러싸는 이중 자석들을 도시한다. 도 4는 캐소드들 둘 다를 둘러싸는 자석 어셈블리를 도시한다. 도 7은 큰 캐소드만을 둘러싸는 단일 자석을 도시한다. 도 12는 별도의 캐소드들을 둘러싸는 별도의 자석들을 도시한다. 이러한 구성은 압력 범위를 확장시키는데 사용될 수도 있다. 다른 구성들이 또한 실현 가능하다는 점이 인지될 것이다.
도 13a는 디바이스가 상이한 출력 특성들을 갖는 것을 제외하고는 도 9b와 유사한 도표를 제공한다. 작은 캐소드의 임피던스들은 파선으로 도시되고, 큰 캐소드의 임피던스들은 실선으로 도시된다. 도 13b는 디바이스가 도 13a의 특성들을 갖는 것을 제외하고는 도 10b와 유사한 흐름도를 도시한다. 앞서와 같이 최저 압력들에서, 큰 캐소드에 대한 룩업 테이블이 압력 표시 도수를 제공하는데 사용된다. 결정 블록(1302)에서, 큰 캐소드의 임피던스가 8 E8보다 더 큰 작은 캐소드의 임피던스들에서 작은 캐소드의 임피던스보다 더 크다고 판단되거나, 큰 캐소드 임피던스가 작은 임피던스 미만이지만 작은 임피던스가 2.0 E8 초과로 유지되면, 큰 캐소드 임피던스들을 갖는 룩업 테이블이 압력을 결정하는데 사용된다. 따라서, 큰 캐소드 룩업 테이블은 도 13a에서 1318 아래의 모든 압력에 대해 사용된다. 결정 블록(1302)의 조건들이 충족되지 않지만, 작은 캐소드의 임피던스가 결정 블록(1306)에서 큰 캐소드의 임피던스보다 더 큰 것으로 밝혀지면, 그 때 작은 캐소드에 대한 룩업 테이블이 1308에서 압력 표시 도수들을 제공하는데 사용된다. 따라서, 작은 캐소드 출력이 도 13a에서 1318 및 1320에서의 압력들 사이에 사용된다.
결정 블록들(1302 및 1306)의 조건들이 충족되지 않으면, 그 때 결정 블록(1310)은 큰 캐소드 임피던스가 3.0 E9 미만인지 여부를 판단한다. 그렇다면, 큰 캐소드 룩업 테이블은 1312에서, 도 13a에서의 압력들(1320 및 1322) 사이에서 사용된다. 결국, 결정 블록들(1302, 1306 및 1310)의 조건들이 충족되지 않으면, 작은 캐소드 룩업 테이블이 1314에서 1322에서의 압력들 초과에서 사용된다.
압력이 룩업 테이블들 중 하나를 통해 결정되면, 다음 데이터 샘플이 도 13b에서와 같은 평가를 위해 1316에서 수집된다.
본 발명이 특히 본 발명의 예시적 실시예들을 참조하여 나타내어지고 설명되었지만, 형태 및 세부 사항들의 다양한 변경이 첨부된 청구항들에 의해 포함되는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 예시적 실시예들에 행해질 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (41)

  1. 애노드;
    낮은 압력들에서, 상기 애노드와 제1 캐소드 사이의 플라스마의 형성 및 제1 캐소드로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 가능하게 하기에 충분한 제1 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제1 캐소드;
    상기 제1 캐소드로부터 전기적으로 격리되고 상기 제1 간격 미만의 제2 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제2 캐소드로서, 상기 제2 간격은 상기 제1 간격에서의 플라스마 형성에 필요한 상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서의 전기 방전을 가능하게 하는 제2 캐소드;
    상기 플라스마를 지속시키도록 자유 전자 경로들을 연장하기 위해 적어도 상기 제1 간격을 통해 자계를 인가하는 자석;
    상기 낮은 압력들에서 적어도 상기 애노드와 상기 제1 캐소드 사이의 플라스마 방전 및 상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이의 전기 방전으로 이온화를 생성하기 위해 상기 애노드와 상기 제1 및 제2 캐소드들 각각 사이에 전압을 인가하는 전기 제어기로서, 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하는 전기 제어기를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름, 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 측정된 애노드 전압으로부터 제1 캐소드 임피던스 및 제2 캐소드 임피던스를 결정하고, 압력은 상기 제1 캐소드 임피던스 및 상기 제2 캐소드 임피던스에 기반하여 결정되는, 냉음극 이온화 게이지.
  3. 제2항에 있어서,
    압력은 압력이 상기 제1 캐소드 임피던스에 기반하여 결정되는 인접해 있지 않은 압력의 범위들을 포함하는 각각의 압력의 범위에 걸쳐 상기 제1 캐소드 임피던스 및 상기 제2 캐소드 임피던스에 기반하여 결정되는, 냉음극 이온화 게이지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캐소드들은 상기 애노드를 둘러싸는, 냉음극 이온화 게이지.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 캐소드는 상이한 간격들이 각각의 반경에 의해 결정되는 원주형인, 냉음극 이온화 게이지.
  6. 제5항에 있어서,
    2개의 원주형 캐소드만을 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 제1 캐소드 사이의 상기 간격은 5 내지 15 밀리미터의 범위 내이고 상기 제1 캐소드는 상기 애노드를 따라 15 내지 40 밀리미터의 범위에서의 상기 자석을 따른 유효 길이를 갖는, 냉음극 이온화 게이지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이의 상기 간격은 1 내지 5 밀리미터의 범위에 있고 상기 제2 캐소드는 상기 애노드를 따라 6 내지 24 밀리미터의 범위의 길이를 갖는, 냉음극 이온화 게이지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 캐소드는 기압에 접근하는 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 상의 특징부 사이에 파셴의 법칙 방전을 가능하게 하도록 0.3 내지 1.0 밀리미터의 범위의 상기 애노드와 상기 특징부 사이에 좁은 갭을 확립하는 상기 애노드 쪽으로 지향되는 특징부를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 제어기는 상기 제1 캐소드와 상기 전원 공급기로의 귀로 사이의 적어도 1 메가옴의 임피던스 및 적어도 상기 제1 캐소드와 상기 전원 공급기로의 귀로 사이의 임피던스보다 더 큰 규모의 정도인 상기 제2 캐소드와 상기 전원 공급기로의 상기 귀로 사이의 임피던스를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이의 상기 간격은 1 내지 5 밀리미터의 범위에 있고 상기 제2 캐소드는 상기 애노드를 따라 6 내지 24 밀리미터의 범위의 길이를 갖는, 냉음극 이온화 게이지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 캐소드는 기압에 접근하는 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 상의 특징부 사이에 파셴의 법칙 방전을 가능하게 하도록 0.3 내지 1.0 밀리미터의 범위의 상기 애노드와 상기 특징부 사이에 좁은 갭을 확립하는 상기 애노드 쪽으로 지향되는 특징부를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캐소드들은 상기 제1 및 제2 캐소드들을 전기 절연하는 중합체 하우징에서 세팅되는, 냉음극 이온화 게이지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이의 상기 간격은 1 내지 5 밀리미터의 범위에 있고 상기 제2 캐소드는 상기 애노드를 따라 6 내지 24 밀리미터의 범위의 길이를 갖는, 냉음극 이온화 게이지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 캐소드는 상기 애노드와 특징부 사이에 파셴의 법칙 방전을 가능하게 하도록 상기 애노드와 특징부 사이에 좁은 갭을 확립하는 상기 애노드 쪽으로 지향되는 특징부를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 애노드와 상기 특징부 사이의 상기 갭은 0.3 내지 1.0 밀리미터의 범위에 있는, 냉음극 이온화 게이지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 특징부는 디스크이고 상기 갭은 상기 디스크 내의 홀에 형성되는, 냉음극 이온화 게이지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 특징부는 디스크이고 상기 갭은 상기 애노드와 상기 디스크로부터 연장되는 팁 사이에 형성되는, 냉음극 이온화 게이지.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 특징부는 핀인, 냉음극 이온화 게이지.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 특징부는 나사산이 있는 핀인, 냉음극 이온화 게이지.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 전기 제어기는 상기 제1 캐소드와 상기 전원 공급기로의 귀로 사이의 적어도 1 메가옴의 임피던스 및 적어도 상기 제1 캐소드와 상기 전원 공급기로의 귀로 사이의 임피던스보다 더 큰 규모의 정도인 상기 제2 캐소드와 상기 전원 공급기로의 상기 귀로 사이의 임피던스를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 전기 제어기는 각각의 캐소드와 전원 공급기로의 귀로 사이에 적어도 1 메가옴의 임피던스를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제2 캐소드로부터의 임피던스는 적어도 상기 제1 캐소드로부터의 임피던스보다 더 큰 규모의 정도인, 냉음극 이온화 게이지.
  24. 제22항에 있어서,
    임피던스들 중 적어도 하나는 가변 저항에 의해 제공되는, 냉음극 이온화 게이지.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 전기 제어기는 전기 측정치들에 기반하여 압력 출력을 제공하도록 복수의 알고리즘 중 하나를 선택하며, 상기 전기 제어기는 상기 애노드와 각각의 캐소드 사이의 임피던스 측정치들에 기반하여 상기 알고리즘을 선택하는, 냉음극 이온화 게이지.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 알고리즘들은 룩업 테이블들에 저장되는 미리 컴퓨팅된 데이터를 사용하여 처리되는, 냉음극 이온화 게이지.
  27. 제1항에 있어서,
    압력은 압력이 제1 캐소드 출력에 기반하여 결정되는 인접해 있지 않은 압력의 범위들을 포함하는 별개의 압력의 범위에 걸쳐 상기 제1 및 제2 캐소드들 각각으로부터의 전기 출력들에 기반하여 결정되는, 냉음극 이온화 게이지.
  28. 제27항에 있어서,
    압력은 제1 낮은 압력 범위에 대한 상기 제1 캐소드의 출력에 기반하고, 상기 제1 압력 범위보다 더 높은 제2 압력 범위에 걸친 상기 제2 캐소드의 출력에 기반하고, 상기 제1 및 제2 압력 범위들보다 더 높은 제3 압력 범위에 걸친 상기 제1 캐소드의 출력에 기반하고, 상기 제1, 제2 및 제3 압력 범위들보다 더 높은 제4 압력 범위에 걸친 상기 제2 캐소드의 출력에 기반하는, 냉음극 이온화 게이지.
  29. 제1항에 있어서,
    적어도 타운센드 플라스마 방전이 낮은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제1 캐소드 사이에서 지원되고, 적어도 브레이크다운 방전이 상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이에서 지원되는, 냉음극 이온화 게이지.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 타운센드 방전은 또한 상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이에서 지원되는, 냉음극 이온화 게이지.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 브레이크다운 방전은 상기 제2 캐소드의 특징부에서 지원되는, 냉음극 이온화 게이지.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 브레이크다운 방전은 상기 제2 캐소드와 상기 애노드 사이의 상기 간격을 감소시키는 상기 제2 캐소드 및 상기 애노드 중 하나의 특징부에서 지원되는, 냉음극 이온화 게이지.
  33. 제1항에 있어서,
    적어도 타운센드 플라스마 방전이 낮은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제1 캐소드 사이에서 지원되고, 적어도 타운센드 방전이 상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이에서 지원되는, 냉음극 이온화 게이지.
  34. 제1항에 있어서,
    각각의 캐소드는 원주형이어서, 상기 애노드를 둘러싸며, 상기 상이한 간격들은 각각의 반경에 의해 결정되며, 상기 캐소드들 중 적어도 하나는 내부면 직경에서 테이퍼링되는, 냉음극 이온화 게이지.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 제2 캐소드는 상기 애노드와 특징부 사이에 파셴의 법칙 방전을 가능하게 하도록 상기 애노드와 특징부 사이에 좁은 갭을 확립하는 상기 애노드 쪽으로 지향되는 특징부를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 특징부는 상기 제1 캐소드에 인접한 상기 제2 캐소드의 단부로부터 변위되는, 냉음극 이온화 게이지.
  37. 압력을 측정하는 방법으로서:
    애노드와 제1 캐소드 사이의 제1 공간에 자계를 인가하는 단계;
    낮은 압력들에서, 상기 제1 공간에서의 플라스마 방전 및 상기 제1 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 상기 제1 공간으로 전자들을 방출시키는 단계;
    상기 낮은 압력들보다 더 높은 압력들에서, 제2 캐소드에 대한 전류 흐름을 생성하기 위해 제2 캐소드와 상기 애노드 사이에 전기 방전을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  38. 애노드;
    상기 애노드와 제1 캐소드 사이의 플라스마의 형성 및 제1 캐소드들로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 가능하게 하기에 충분한 제1 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제1 캐소드로서, 상기 제1 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제1 불연속점을 갖는 제1 캐소드;
    상기 제1 캐소드로부터 전기적으로 격리되고 상기 제1 간격 미만의 제2 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제2 캐소드로서, 상기 제2 간격은 상기 애노드와 상기 제2 캐소드 사이의 플라스마의 형성 및 상기 제1 캐소드로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 가능하게 하기에 충분하며, 상기 제2 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제2 불연속점을 갖는 제2 캐소드;
    상기 플라스마를 지속시키도록 자유 전자 경로들을 연장하기 위해 상기 제1 및 제2 간격들을 통해 자계를 인가하는 자석;
    상기 애노드와 상기 제1 캐소드 및 상기 제2 캐소드 각각 사이의 플라스마 방전으로 이온화를 생성하기 위해 상기 애노드와 상기 제1 및 제2 캐소드들 각각 사이에 전압을 인가하는 전기 제어기로서, 상기 제2 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하고 상기 제1 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하는 전기 제어기를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지.
  39. 압력을 측정하는 방법으로서:
    애노드와 제1 캐소드 사이의 제1 공간에 자계를 인가하는 단계;
    상기 애노드와 제2 캐소드 사이의 제2 공간에 자계를 인가하는 단계;
    상기 제1 공간에서의 플라스마 방전 및 상기 제1 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 상기 제1 공간으로 전자들을 방출시키는 단계로서, 상기 제1 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제1 불연속점을 갖는 단계;
    상기 제2 공간에서의 플라스마 방전 및 상기 제2 캐소드에 대한 이온 흐름을 생성하기 위해 상기 제2 공간으로 전자들을 방출시키는 단계로서, 상기 제2 캐소드의 압력에 대한 전류 흐름 응답은 제2 불연속점을 갖는 단계;
    상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하는 단계로서, 압력은 상기 제2 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하고 상기 제1 불연속점을 포함하는 압력들을 통한 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하는 단계를 포함하는, 방법.
  40. 애노드;
    상기 애노드와 제1 캐소드 사이의 플라스마의 형성 및 제1 캐소드로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 가능하게 하기에 충분한 제1 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제1 캐소드;
    상기 제1 캐소드로부터 전기적으로 격리되고 상기 애노드와 제2 캐소드 사이의 플라스마의 형성 및 제2 캐소드로의 결과로서 생기는 이온 전류 흐름을 가능하게 하기에 충분한 상기 제1 간격 미만의 제2 간격만큼 상기 애노드로부터 이격되는 제2 캐소드;
    상기 플라스마를 지속시키도록 자유 전자 경로들을 연장하기 위해 상기 제1 및 제2 간격들을 통해 자계를 인가하는 자석;
    각각의 압력 범위에 걸쳐 상기 애노드와 상기 제1 캐소드 및 상기 제2 캐소드 사이의 플라스마 방전으로 이온화를 생성하기 위해 상기 애노드와 상기 제1 및 제2 캐소드들 각각 사이에 전압을 인가하는 전기 제어기로서, 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름에 기반하여 압력을 결정하는 전기 제어기를 포함하는, 냉음극 이온화 게이지
  41. 제40항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름, 상기 제2 캐소드에 대한 측정된 전류 흐름 및 측정된 애노드 전압으로부터 제1 캐소드 임피던스 및 제2 캐소드 임피던스를 결정하고, 압력은 상기 제1 캐소드 임피던스 및 상기 제2 캐소드 임피던스에 기반하여 결정되는, 냉음극 이온화 게이지.
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