TWI725180B - 具備多個陰極之冷陰極離子化真空計 - Google Patents

Abstract

一種冷陰極離子化真空計包括多個陰極，其提供不同的間距於該等陰極和一陽極之間。該等多個陰極允許在更寬大的壓力範圍內的壓力測量。一具有較大的間距的第一陰極可根據湯森放電(Townsend discharge)來提供電流；而一具有較小的間距的第二陰極可根據在較高的壓力的湯森放電以及在更高的壓力的白仙定律(Paschen's Law)放電這兩者來提供電流。在該第二陰極上的一特徵構造可支持白仙定律放電。該等陰極之間的大電阻和一對電源供應器的回程(return)讓輸出輪廓的控制能夠擴大具有精確反應的壓力範圍並避免輸出最小值。壓力測量值可基於來自各個陰極之根據該個別陰極的輸出的電流在該寬大的壓力測量範圍內被獲得。該等多個陰極亦可提供避開各個陰極的電流輸出中被發現的中斷處(discontinuity)的測量值。

Description

具備多個陰極之冷陰極離子化真空計 〔相關申請案〕

本申請案請求2016年5月2日提申之美國暫時申請案第62/330,308號的權利。該申請案的全部教示藉此參照而被併入本文中。

本發明係有關於一種具備多個陰極之冷陰極離子化真空計。

冷陰極離子化真空計(CCIG)是習知的。三種習知的CCIG包括了正常的(不可顛倒的)磁控管式真空計、反磁控管式真空計、及飛利普(或潘寧)真空計。所有這些類型的真空計具有至少兩個在一排空的的圍體內的電極(即，陽極和陰極)，該排空的圍體被連接至待測量的真空。一高的DC電壓位勢差(voltage potential difference)被施加於該陽極電極和該陰極電極之間以產生一電場於該等電極之間。一磁場沿著垂直於該電場的該 等電極的軸線被施加，用以延長自由電子路徑以支持一純的電子電漿，在該電子電漿中，電子與分子及電子碰撞以產生離子。該離子移動至該陰極電極，用以將放電電流保持在一穩態的數值，該穩態的數值的放電電流是壓力的函數。

CCIG藉由首先將其真空計圍體內的分子及原子離子化，然後測量所產生的離子電流來提供一真空系統總壓力的間接測量值。該被測得的離子電流和該真空計圍體內部的氣體密度及氣體總壓力直接相關，即，隨著該真空系統內部的壓力下降，該被測得的離子電流亦隨之下降。特定氣體的校準曲線提供了根據離子電流測量值來計算總壓力的能力。

描述於本文中的CCIG依靠反磁控管原理。該真空計是圓柱形對稱。在該陽極銷(其位在軸線上)和該陰極圓柱形圍體之間的一大的電壓位勢差(即，徑向電場)提供能量給電子用以讓離子化事件發生。一跨軸線的磁場提供了在該圍體內部維持一純淨的電子電漿所需之長的電子軌道路徑長度。該放電電流是和該系統內的壓力成正比之被測得的量值。

該放電是透過突崩式離子化過程來建立，其通常係開始於一被釋放到該真空計的離子化體積內的單一電子。用於釋放一電子的該過程可包括一場發射事件或宇宙射線離子化過程。該突崩過程(avalanche process)依靠用於電子軌道的該長的路徑長度，其導致每一電子的許 多離子化過程。每一離子化過程釋出一離子以及一額外的電子，其被加入到該放電中。當離子和該陰極內壁碰撞時，額外的電子亦內釋放至該放電中，藉以對總放電作出貢獻。該交叉的電場和磁場的結果是，一純淨的電子電漿被建立成為該陽極周圍的鞘。電子密度和壓力實質無關。中性氣體分子的離子化主要是發生在該壓力固定不變的電子鞘內部。所有被產生的離子都被電場引導至該陰極且受到很小的磁場干擾。所獲得的離子電流很單純地和該感測器內部的電子密度及氣體總壓力相關。

示於圖1A中之Brucker等人的美國專利申請案第14/500,820號、美國專利公開案第2015/0091579號的雙反磁控管包括兩個被保持成一磁鐵組件的磁鐵115a，115b，這兩個磁鐵具有彼此相反的磁極。該雙反磁控管提供最大磁場的一些特徵，因而提供最大的真空計靈敏度。大的真空計靈敏度是必要的，用以能夠在極高真空(UHV)程度(即，壓力小於約10^-9托耳(Torr)且小至10^-11托耳)讀取可靠的壓力。美國專利申請案第14/500,820號的全部內容藉此參照被併於本文中。

在反磁控管式的CCIG中，一小的漏電流經由該真空計的內表面直接從陽極110流到陰極120是可能的，且一俗稱“護環”的存在可收集此漏電流並藉以防止漏電流到達陰極電極且被真空計本身偵測到。為了要實施此功能，該護環與該陰極電極被電隔離且通常相對於該陰極電極被保持在一小的正電壓位勢差。

如圖1A、1B及1C所示，一CCIG 100包括一饋通(feedthrough)101，其包括一護環連接102，其提供和一護環電極140的電連接，這將於下文中描述。在該護環連接102內，一陽極護環絕緣體106提供電絕緣於一延長的陽極電極110的陽極連接110a周圍。該護環電極140被連接至一啟動器裝置150，其將於下文中描述。該護環連接102被一陰極護環絕緣體103連接至一焊接表面104，其被接縫焊接至一單片凸緣組件105，其將於下文中描述。如圖1Aa及1B中所示，該單片凸緣組件105包括外凸緣105a及內凸緣105b。內凸緣105b包圍一陰極電極120，其沿著該陽極電極110的長度圍繞該陽極電極並形成一放電空間130於該陽極電極110和該陰極電極120之間。一遮板(其如圖1A所示有兩個隔板170和180，其分別具有孔洞175及185)被連接至該陰極電極120。

如上文提到的，一跨軸磁場提供在該放電空間130內部維持放電所需之電子軌道路徑長度。該磁場係由該磁鐵組件115所產生，如圖1A及1B所示。該磁鐵組件115包括一鐵磁間隔件114。該磁鐵組件115亦可在其最接近該護環140的端部包括一鋁(或其它非磁性材料)間隔件113，用以調整放電離該護環140的位置。

該導電護環140被插設在該陰極電極120和該陽極電極110之間且在該陽極電極110的底部附近以收集漏電流，如果在該真空計100的操作期間導電沉積物長 時間累積在該陰極護環絕緣體103外露於該放電空間130中的表面上的話，漏電流傾向於流動在該陽極電極110和該陰極電極120之間。

一放電啟動器裝置150被設置在該護環電極140之上並與之電連接。如圖1B所示，該啟動器裝置150具有多個尖端160(有3個尖端以剖面圓柱對稱圖被顯示在圖1B中)朝向陽極110並形成一間隙於該等尖端160和陽極110之間。介於該等尖端和陽極之間的該間隙可在約500微米至約2500微米的範圍內。該間隙被建構成使得當一電壓位勢差被建構在該啟動器裝置150和該陽極110之間時，該場發射電流在正常的操作期間是在約1皮安培(pA)至約10pA的範圍之內。該場發射電流的大小取決於數個參數，譬如像是電壓位勢差、該間隙的大小、在該動器裝置上的尖端的數目、及製造該啟動器裝置的材料種類。在該CCIG的操作期間，介於該啟動器裝置和該陽極之間的該電壓位勢差可以在約0.4仟伏(kV)至約6kV的範圍內，例如，3.5kV。此電壓位勢差藉由從尖端160到陽極的場發射來產生電子，藉以提供一些電子種子於該放電體積130內以觸發用於累積該放電的突崩過程。非必要地，介於該啟動器裝置和該陽極之間的電壓位勢差可被建構成在該真空計的啟動期間從約3.5kV被提高至約5kV，用以藉由暫時地提高供應至陽極電極的高電壓供應偏壓來提高場發射電流，直到一放電被放電電流的突然增加偵測到為止。

如圖1C的電子控制器所示，一限制電阻410被置於該陽極電極110和該高電壓電源供應器430(HVPS)之間。該限制電阻410的角色是要給予流經該放電體積130的該放電電流的量一上限值並延長該真空計的使用壽命。該限制電阻410所造成的結果是存在於該陽極電極110處且被電壓計420測得之實際的高電壓偏壓大致上小於該HVPS 430所提供的電壓。事實上，即使是HVPS 430的輸出在所有壓力下都保持固定不變，陽極電壓在該離子電流隨著壓力而增加時亦隨之增加。在描述於本文中的真空計中，一25百萬歐姆(MΩ)的限制電阻410被選取以提供數項好處：1.在意外和HVPS構件接觸時對該HVPS可提供至個別構件的電流量有一安全極限值，2.電阻的選擇將壓力曲線中斷處(discontinuity)移動至約1x10^-6托耳的一更高的壓力範圍，3.當陽極電壓被設定為3.5kV時有一125微安培之用於該放電電流的上限值。該CCIG控制器的處理器490在該處理器用該電壓計420持續地測量該陽極電壓V以及用安培計460測量放電電流I_D的同時，該處理器確保該HVPS 430的輸出在整個壓力範圍內都是固定不變，用以以壓力函數來計算放電阻抗Z。該處理器亦用電流計470測量護環電流以監測漏電量。藉此電路構造，兩個獨立的電流迴路確保了在陽極饋通的漏電流不會在壓力測量時造成任何的不正確性，其取決於放電電流阻抗測量值。

CCIG典型地限制在低於10^-2托耳的低壓力範 圍內的操作。為了要測量擴大至高達大氣壓力(760托耳)的範圍的壓力，該等CCIG會和使用不同技術(譬如導熱性)的壓力計或隔膜真空計相結合。

根據本發明，一種CCIG被提供一第二陰極且壓力係根據流到每一陰極之被測得的電流來決定。藉由不同的尺寸和電連接，不同的電位梯度(electric potential gradient)可在該共同的陽極和獨立的陰極之間被獲得。

如同在傳統的CCIG中般地，一磁鐵經由介於該陽極和該第一陰極之間的至少一第一間距施加一磁場以加長自由電子路徑並維持一電漿於該陽極和該第一陰極之間且一生成的離子電流(resultant ion current)流入到該第一陰極中。此放電被稱為湯森放電(Townsend discharge)。從該陰極測得的電流典型地允許低壓力(譬如，10^-2托耳)到低至10^-11托耳的壓力的壓力測量。

一和該第一陰極電隔離且和該陽極相隔一比該第一間距小的第二間距的第二陰極使得放電和壓力測量能夠在比用於電漿生成所需的低壓還高的壓力下於該第一間距內實施。該電子控制器施加電壓於該陽極和該第一陰極與該第二陰極的每一者之間，用以產生在該低壓下至少介於該陽極和該第一陰極之間有電漿放電以及在高於該低壓的壓力下介於該陽極和該第二陰極之間有電子放電的離子化。介於該陽極和該第二陰極之間的該電子放電亦可包 括一類似於該第一陰極的湯森放電，但是在更高的壓力下。或者，較佳地是額外地，在該陽極和該陰極之間有崩潰(breakdown)時可允許白仙定律放電。該控制器根據被測得之流至該第一陰極的電流以及根據被測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力。

該控制器可額外地測量陽極電壓、計算介於該陽極和每一陰極之間的阻抗、及根據這些阻抗決定壓力。

被被揭露的實施例中，每一陰極包圍該陽極且是圓筒形，該不同的間距是由圓筒形陰極的各別的半徑來決定。一推拔件例如可被設置在該第二陰極的開口處以改變該電場。在被揭露的實施例中，只有兩個圓筒形陰極被提供，但亦可提供額外的陰極，其用於提供額外的測量之額外的間距。

在典型的離子化真空計中，該陰極在一約25mm的長度上提供一離該陽極約10公釐(mm)的間距，且類似的尺寸對於該第一陰極而言亦是適合的。基於標準設計，介於陽極和陰極之間的間距以及在上文中提及的第一間距是在5至15mm的範圍內，且該第一陰極具有一在該磁鐵內部沿著該陽極之範圍在15至40mm之內的有效長度。介於該陽極和該第二陰極之間的該較小的間距通常應在1.0至5.0mm的範圍內，譬如是2.4mm，用以支持在較高壓力之產生離子的電漿。該第二陰極應具有至少約6.0mm的長度以支持湯森放電。為了要防止尺寸過大 的真空計，該第二陰極在沿著該陽極的方向上的長度應小於24mm。在被揭露的實施例中，該第二陰極約16mm長。

該第一及第二陰極可被設置在一聚合物殼體內，該殼體和該等陰極以及地極被電隔離。

為了要測量比湯森放電在沿著該陽極方向延伸較短的該第二陰極所能測得的壓力更高的壓力，一特徵構造可被提供在該第二陰極上並朝向該陽極，用以在該特徵構造處建立一較窄的間距於該陽極和該陰極之間。該特徵構造允許根據白仙定律在接近大氣壓力的高壓下進行帶有崩潰的放電。介於該陽極和該特徵構造之間的該間距是在0.3至1.0mm的範圍內，在陽極電壓約3kV時的較佳間距是約0.6mm。該最佳間距與電壓相關，且標準CCIG的陽極電壓範圍是從約2kV至6kV。電壓更高時，一在該較佳範圍的較高數值一端的間距將被使用。對於用白仙定律放電來操作的陰極而言，在任何特定電壓的間距決定電流相關於壓力的反應的斜率。當該間距很大時，在壓力範圍內的電流反應是很有限的或者該電弧放電將會崩潰以阻斷壓力測量；當該間距很小時，該電流及阻抗反應具有一較低的斜率大小，靈敏度降低且測量誤差將會提高。

該白仙定律放電特徵構造可以是一圓盤，在該圓盤內有一孔洞以形成該間距。或者，該特徵構造可以是一具有一或多個尖點的圓盤，尖點係從該圓盤朝向陽極延伸。該特徵構造可以是一或多根從該陰極圓筒朝內延伸 的銷。在一實施例中，該特徵構造是一從該陰極的外部被插入的螺紋銷並允許介於該陽極和該銷的底端之間的間距的調整。該特徵構造亦可以在該陽極上朝向該陰極。

介於每一陰極和一連接至提供電壓給該陽極的電源供應器的回程(return)之間約500仟歐姆(kΩ)的大電阻可降低在輸出反應中的波動(隨機雜訊及振盪)。進一步的雜訊降低是藉由該陰極和該電源供應器回程之間至少百萬歐姆(MΩ)的阻抗來獲得。為了要改善該電流和阻抗反應的斜率，避開陡峭反應以及平緩反應這兩者，耦接至該第二陰極的阻抗比耦接至該第一陰極的阻抗大了至少一個量級。在一實施例中，大於1.5MΩ的電阻被耦接至該第一陰極且大於30MΩ的電阻被耦接至該第二陰極。該等阻抗的至少一者，特別是該第二陰極阻抗，可由一可變電阻來提供。

如之前提到的，不只是依賴該等陰極電流，陽極電壓亦被用來計算出阻抗測量值。不同的演算法可被選用，用以提供壓力輸出。該演算法可根據阻抗測量值來選擇，且該演算法可讓阻抗測量值作為其輸出。該演算法可用儲存在查找表中之預先計算的數據來加以處理。

壓力可據來自該第一及第二陰極的每一者在不同的壓力範圍的電子輸出來決定，這些壓力範圍包括不相鄰的壓力範圍，在這些範圍內壓力是根據陰極輸出來決定。例如，壓力可根據該第一陰極在第一低壓範圍的輸出來決定、可根據該第二陰極在一比該第一壓力範圍高的第 二壓力範圍的輸出來決定、可根據該第一陰極在一比該第一及第二壓力範圍高的第三壓力範圍的輸出來決定、及可根據該第二陰極在一比該第一、第二及第三壓力範圍高的第四壓力範圍的輸出來決定。

在一擴大的壓力範圍內的較佳操作中，在低壓力，至少一湯森電漿放電被支持於該陽極和該第一陰極之間、在高於該等低壓力的壓力，至少一湯森放電或白仙定律崩潰放電被支持於該陽極和該第二陰極之間。該崩潰放電可被支持在該第二陰極的一特徵構造處。

在一測量壓力的方法中，一磁場被施加至一介於陽極和陰極之間的第一空間。在低壓力，電子被釋入到該第一空間中，用以在該第一空間內產生湯森電漿放電且離子電流至該第一陰極。在高於該等低壓力的壓力，放電被產生在一第二陰極和該陽極之間以產生流至該第二陰極的電。壓力係根據被測得之流至該第一陰的電流及被測得之流至該第二陰極的電流。介於該第二陰極和該陽極之間的放電可以是湯森電漿放電或白仙定律崩潰放電，或者它在不同的壓力範圍可這些放電的每一者。

在另一測量壓力的方法中，電子被釋入到該第一空間中，用以在該第一空間內產生電漿放電且流至該第一陰極的離子電流、產生一具有第一中斷處之相關於該第一陰極的壓力的電流反應。電子被釋入到該第二空間中，用以在該第二空間內產生電漿放電且流至該第二陰極的離子電流、產生一具有第二中斷處之相關於該第二陰極 的壓力的電流反應。壓力係根據被測得之流至該第一陰極的電流以及被測得之流至該第二陰極的電流來決定。壓力是根據經由包括該第二中斷處的壓力被測得之流至該第一陰極的電流以及根據經由包括該第一中斷處的壓力被測得之流至該第二陰極的電流。

115a‧‧‧磁鐵

115b‧‧‧磁鐵

110‧‧‧陽極(電極)

120‧‧‧陰極(電極)

101‧‧‧饋通

102‧‧‧護環連接

140‧‧‧護環電極

106‧‧‧護環絕緣體

110a‧‧‧陽極連接

103‧‧‧陰極護環絕緣體

150‧‧‧啟動器裝置

104‧‧‧焊接表面

105‧‧‧單片凸緣組件

105a‧‧‧外凸緣

105b‧‧‧內凸緣

115‧‧‧磁鐵組件

130‧‧‧放電空間

170‧‧‧隔板

180‧‧‧隔板

175‧‧‧孔洞

185‧‧‧孔洞

114‧‧‧鐵磁間隔件

113‧‧‧鋁間隔件

160‧‧‧尖端

410‧‧‧限制電阻

430‧‧‧高電壓電源供應器

420‧‧‧電壓計

460‧‧‧安培計

470‧‧‧電流計

402‧‧‧陽極

404‧‧‧陰極(大的陰極)

406‧‧‧陰極(小的陰極)

420‧‧‧凸緣

405‧‧‧磁鐵組件

408‧‧‧絕緣體

411‧‧‧聚合物殼體

414‧‧‧電極

416‧‧‧推拔件

502‧‧‧大陰極電流

504‧‧‧小陰極電流

506‧‧‧組合的電流

508‧‧‧陽極電壓

418‧‧‧螺紋式陰極銷

602‧‧‧孔

604‧‧‧圓盤

606‧‧‧尖端

608‧‧‧圓盤

610‧‧‧旋鈕

612‧‧‧銷

702‧‧‧大直徑陰極

704‧‧‧小直徑陰極

706‧‧‧聚合物殼體

708‧‧‧電極

709‧‧‧電極

710‧‧‧凸緣

714‧‧‧磁鐵

716‧‧‧特徵構造

R1‧‧‧電流限制電阻

R2‧‧‧分壓器

R3‧‧‧分壓器

V3‧‧‧電壓感測器

R5‧‧‧電流感測器

V2‧‧‧電壓感測器

R4‧‧‧電流感測電阻

802‧‧‧處理器

RS‧‧‧電阻

RL‧‧‧電阻

1202‧‧‧陰極套筒

1204‧‧‧陰極套筒

1205‧‧‧殼體

1206‧‧‧陽極

1208‧‧‧環形磁鐵

1210‧‧‧環形磁鐵

490‧‧‧處理器

圖1A例示一本發明可應用於其上之先前技術的CCIG。

圖1B是圖1A的真空計的陽極和啟動含的放大立體圖。

圖1C例示和圖1A的真空計相關的電子控制器。

圖2例示當圖1A-C的真空計根據本發明被修改時從該陰極和該護環輸出的電流輸出。

圖3例示圖1A的真空計的經過修改的控制。

圖4是一體現本發明之經過修改的CCIG的縱剖面圖。

圖5例示圖4的真空計的電流及電壓輸出。

圖6A-6E例示被用來誘發白仙定律放電的陰極特徵構造的其它形式。

圖7例示本發明的較佳實施例。

圖8例示與本發明的數個實施例一起使用的電子控制器。

圖9A及B例示用不同的陰極電阻根據電流及陽極電壓透過一寬的壓力測量值範圍的阻抗測量值，且圖9B例示一被使用在決定壓力的演算法中的線圖。

圖10A及B例示處理器802用來從圖9B的阻抗測量決定壓力的處理。

圖11例示本發明避開一真空計輸出中的中斷處的其它的用途。

圖12例示本發明被特別設計來避開必連續處的其它實施例。

圖13A是一類似於圖9B但用於一具有不同輸出特性的裝置的阻抗測量值的線圖；及圖13B是一用於具有圖13A的特性的裝置之類似於圖10B的流程圖。

下文是本發明的示範性實施例的描述。本文所參考的所有專利、公開的申請案及參考資料的教示都藉由參照而被併於本文中。

顯示於美國專利申請案第2015/0091579號中的真空計可用一電子控制器來修改，該電子控制器藉由在該陽極維持高的電壓以及修改偵測器的電子器件(尤其是，處理器490)來在高達1托耳或甚至是760托耳的較高的壓力下操作該真空計，用以不只依賴陰極電流還依賴流經該護環的電流。

圖2顯示以此方式設計的陰極電流以及該護 環的電流，該護環現在如一第二陰極般地作用。在該真空計的一般的操作中，壓力是從曲線200來決定的，且該陽極電壓將在高於約10^-2托耳的201被關掉。在該壓力之上，電流輸出202平坦化，用以變得較不可靠，且在約1托耳的204處快速地下降。該護環電流極低且只被用來監測漏電流。然而，如果該真空計的操作被保持自如圖2所示的較高的壓力的話，則該護環電流可在該陰極電流下降時在206被看見。因此，在較高的壓力處，護環電流可被用作為壓力的標示物。可被看見的是，在約10托耳處，該護環電流在208開始下降。只看超過1托耳至1x10³托耳的護環電流將得到含糊不明確的結果。例如，80微安培(μA)的電流會顯示為8托耳或者超過100托耳。然而，藉由亦監測該陰極電流，即使是內些較高的壓力，吾人將知道該護環電流是流動在該波峰的哪一側。

因為該被援引的專利申請案並不是被設計來用於高壓操作，所以它在介於10^-2至1托耳的平坦範圍仍缺精確度且在峰值護環電流處監測護環電流有困難，但它確實提供了在無需一額外的壓力計(譬如，一電阻或隔膜壓力計)下在一非常寬的壓力範圍測量壓力的機會。該主要陰極的湯森放電轉變至用於護環內提高的電流的該啟動器(starter)底下的護環的區域。在該護環峰值之後，白仙定律崩潰可能會發生在啟動器尖端160，該處與該陽極之間的間距小許多(即，0.676mm)。

上述真空計在寬的壓力範圍的操作可如圖3 所示。和先前技術的真空計不同的是，高的電壓在302於一包括高於10^-2托耳且較佳地高於1托耳或甚至高至大氣壓力的寬的壓力範圍被施加至該陽極。來自該陰極的電流在304被偵測且來自該護環的電流在306被偵測。非必要地，陽極位勢(anode potential)亦可在308被偵測。在310，來自陰極的電流、來自該護環的電流及該陽極位勢被處理以決定壓力。以前，來自護環的電流只被用來監測漏電流。如上文的描述所顯示的，該處理並不單單是將電流(譬如，陰極電流)轉變成壓力。相反地，多個電流必須被監測且必需根據這些電流決定使用哪一個電流來提供壓力。該護環電流可顯示出該陰極電流是在該肘拐點204的右邊，用以將高壓力測量值與低壓力測量值加以區別。或者，該護環電流本身可被用來提供在肘拐點206上方的壓力測量值。雖然只有電流被示出，但陽極電壓也可被使用，或者阻抗可用該陽極電壓和電流計算出來，且阻抗可被用來顯示壓力。

圖4例示一經過修改的真空計結構以支援該寬大的壓力範圍的CCIG的使用。和揭露於美國專利申請案第2015/0091579號中的真空計一樣，該CCIG包括一陽極402，其軸向地延伸至一圓筒形的陰極(其亦被稱為陰極罩)404內。而且，該陰極被磁鐵組件405包圍以支持一自由電子電漿。和先前技術的真空計設計不同之處在於，此真空計包括一額外的陰極圓筒406，其和陰極404串接並在靠近該真空計口部及凸緣420處包圍該陽極 402。然而，該陰極406的直徑較小，用以提供一較小的間距於該陰極和該陽極之間以及一不同的電場梯度的結果。這兩個陰極被一絕緣體408隔離。在此實施例中，這兩個陰極被該磁鐵組件405包圍。該真空計的一非必要的修改為根據MKS儀器公司於2016年1月13日提申的PCT專利申請案US 2016/013219號中所揭露的方法使用一聚合物殼體411，該申請案的內容藉此參照被併於本文中。該陰極結構可在該殼體411的模製作業期間被設置在該殼體411內，其中電極402和414延伸穿過該聚合物殼體各自到達大的陰極404及小的陰極406。

已被發現的是，湯森電漿在低壓力時位在該大的陰極404內，但在高壓力時則移入較小的陰極406中。一位在該陰極406的口部的推拔件416可支持從大陰極到小陰極的電漿轉換。

圖5例示在10^-6托耳至10³托耳的寬大的壓力範圍內的大陰極電流502、小陰極電流504、組合的電流506及陽極電壓508。在冷陽極離子化真空計設計中包含兩個室允許一合理的放電電流在一寬的壓力範圍內被輸送，當被測量的壓力提高時，分子密度亦隨之提高，這造成分子與分子之間碰撞的平均自由路徑被顯著地縮短。使用具有不同幾何形狀的兩個室可讓每一室被最適化，用以為該被預期的分子碰撞及平均自由路徑輸送一可偵測到的放電電流。輸送電流通過氣體媒介物的機制產生電漿，且已被觀察到的是，特定的壓力(在10~200托耳範圍內) 造成電漿變成不穩定(震盪且隨機波動)，這造成很大地變動的阻抗，而這則造成放電電流變動很大。這讓使用即時的放電電流測量值來決定被測量的壓力變得困難。因為被使用在CCIG上的電壓供應配備了一電流限制電阻，已被發現的是，在此電流限制電阻之後測量該電壓提供一更穩定的手段來決定在該裝置內的放電電流。這不需要一靈敏的測量電路來精確地解析該被輸送的電流，且不需要下游處理或過濾以補償在該電漿中的不穩定性。因為該被測量的電壓相當地高(其範圍從數百至數千伏)，所以此測量電路的設計無需具有測量低電流(其典型地為微安培範圍的電流)所要求的精確度。

該真空計的操作將如圖3所示，除了一被設計用於該功能的第二陰極406取代在步驟306中的護環。

圖4的CCIG包括多個陰極；兩個陰極具有一供應該高的電壓之共同的陽極。每一陰極在一壓力範圍偵測到的個別電流讓吾人能夠使用這些電流作為決定何時從一測量計畫切換至另一測量計畫的手段。這兩個測量計畫係使用電流或電阻來推導出電壓或只使用陽極電壓來推導出電壓。來自每一陰極的個別的電流提供吾人能夠偵測出是在低壓力範圍(<0.1托耳)或在高壓力範圍(>0.1托耳)的能力。

當該被測量的壓力在提高中或在降低中時，被輸送至這兩個陰極的電流將被測量，且一演算法將被用來決定應使用從該第一陰極或該第二陰極測量到的數值 (其可以是電壓或電流)來作為計算該被測量的壓力的基礎。在一設計中，在低壓力(低於0.1托耳)時，總電流或電流總合(因為有來自兩個陰極的一些流)可被用作為計算該被測量的壓力的基礎，且在約0.1托耳及更高的壓力時，該被測量的電流只切換至該較小的陰極，且吾人改變至測量陽極電壓，因為電流相對於壓力的反應具有很小的斜率且具有很低的靈敏度。所以，藉由偵測在每一陰極中的電流的量值，吾人可決定是在哪個壓力範圍內，因此可決定應使用電流或電壓來計算壓力。

有數個重要的點要考量：

1.有獨立的陰極罩電流要考量，且圖5顯示小的及大的罩電流具有它們自身與壓力相關聯的特性。

2.亦有可用於測量值的陽極電壓。

3.該等陰極電流可被個別地使用，以決定壓力範圍及/或亦可被加總以改善該測量值的直線性及/或靈敏度。

4.該等電流和電壓可被結合以提供放電阻抗。

圖4亦例示該真空計的結構的另一修改，用以支持在接近大氣壓的高壓力下的白仙定律放電。特徵構造418在此例子中是一在該小的陰極406的內表面內的陰極銷，可能是一固定螺釘的形式，用以提供一小的間距於該陰極406和該陽極402之間。較佳的間距是在0.3至1.0mm的範圍內。

CCIG的上壓力範圍測量值(1~760托耳)會有在低於1托耳的壓力時所沒有的技術挑戰：與壓力相關 聯的模式改變、變動的放電行為以及非湯森式放電特性。導致顯著不穩定的一項因素是在整個高壓陰極罩上的局部化放電的位置移動。此有螺紋的陰極銷特徵構造提供一個控制在該白仙定律電弧放電區域內的電漿位置的方式，其消除空間位置及所造成的電流和電壓突峰(spike)的不穩定性，如果該放電被允許繞著該陰極移動的話。這亦給予吾人一種藉由調整介於該陽極和陰極之間的間距及電壓來將操作電場設置在該陽極和該陰極銷之間的方法，用以確保有足夠的位勢梯度來一直在大氣壓或甚至大於1大氣壓操作。

在壓力介於約1托耳至760托耳時，該CCIG電漿放電傾向於從一均勻的輝光(glow)(湯森放電)變成跳在陰極罩內部空間內到處跳躍之小的受限的電光(bolt)(電弧放電區域)。沒有描述於此揭露內容中的特徵構造，該電光放電在該陰極罩周圍持續地改變位置。該陰極銷的目標是要控制該放電的空間位置且在此過程中將空間變動減至最小。

該等電光的空間變動造成陽極電壓和陰極電流突峰及/或振盪的結果。將該放電的大的空間變動的影響減至最小可讓電流和電壓平順，以造出一具有用於分析之簡單的訊號輸出之更可重現的裝置。

該陰極銷-陽極間距被用來是定並建立在高的壓力的崩潰電壓。該崩潰電壓被描述為最小電壓，在此電壓時一放電電流被偵測。對於氮氣而言，在崩潰電壓對介 於0.1和10托耳之間的壓力的線圖(plot)上有一最小值。為了要讓真空計在白仙定律範圍內的高壓適當地操作，吾人必須一直在高於崩潰電壓的電壓操作以具有一可推導出壓力的訊號。該陰極銷-陽極間距被設定成使得放電自然地首先發生在該陰極銷和該陽極之間，因為該間距是這兩者之間最短的路徑。

該螺紋式陰極銷允許對介於該陽極和該陰極之間的距離作小調整。當一被適當地設計且設置的特徵構造被使用時，電弧位置即被固定，放電振盪的大小即被減小。該電弧是肉眼可見。

在高壓區域時，該局部化的電弧放電會因為噴濺而在該陽極表面以及尤其是在陰極表面這兩者上造成嚴重的磨損。這是為什麼要考慮其它建構材料的原因。穩定該電弧位置有助於將訊號變動最小化，並將噴濺損害集中在單一點上。用於陰極銷的建造材料的選擇值得仔細地考慮，因為它對於讀數的長期穩定性具有直接的影響。來自於陰極特徵構造的噴濺可藉由使用已知之用於陰極特徵構造的濺射機(sputter)硬化材料(譬如，銥、鈦、鎢或這些材料的合金)來將其減至最小。增加幾何特徵至該特徵構造亦可補償磨損並延長壽命。

噴濺損傷亦可在高壓時藉由調整陽極電壓來降低，用以將負載循環(duty cycle)從連續(100%)降低至較小一些的比率(<100%)。這允許陽極材在放電事件之間冷卻並防止陽極表面熔化。

在較高的壓力時，該電弧放電選擇性地落在該陰極銷所提供的最短路徑上，該組徑具有最大的位勢梯度。在由湯森式放電(它是空間均勻的放電)所主導的較低的壓力時，該陰極銷對於放電將具有很小微擾或沒有微擾(perturbation)。藉由控制該電弧，吾人可限制或降低吾人在此壓力區域所見到的電流及電壓突峰；控制該最小距離可控制崩潰電壓及放電的位置。控制電弧發生的地點和發生的壓力可以將操作穩定並將噴濺最小化。而且，它可以允許一較大直徑的高壓陰極罩以提高在中間壓力範圍的靈敏度。在較高的壓力時，放電係嚴格地被靜電所驅動，且磁場對於它們的行為具有很小的影響。

一螺紋式陰極銷418可在圖6E的端視圖中被看到。用來保持一適當的間距於該小的陰極406和該陽極之間的其它的陰極特徵構造包括在圖6A所示的圓盤604中的孔602、及在圖6B的圓盤608中的尖端606、及在圖6C中的銷612。圖6D例示從該小直徑的陰極406的壁突伸出的旋鈕610。

該真空計的較佳實施例被示於圖7中。在此處，一大直徑的陰極702和一小直徑的陰極704被模製成一在陽極707周圍的聚合物殼體706，其中該殼體提供這兩個陰極之間的隔絕。電極708延伸至該小直徑的陰極704，且電極709延伸至該大直徑的陰極702。或者，每一陰極都可延伸穿過該殼體706的一側。磁鐵714只包圍該大直徑的陰極，因為在支撐該小直徑的陰極內的湯森放 電方面，磁場是較不重要的。一凸緣710被形成在該真空計的一開口端，該開口端將被耦合至一壓力將被監測的室。

圖7亦提供特定的尺寸及較佳的尺寸範圍。對於每一尺寸而言，實際的尺寸以公釐為單位被提供在括號內。以英吋為單位的實際尺寸被提供於括號的下方，且以公釐為單位之較佳的尺寸被提供在其下方。該大的陰極的長度是一有效長度，其為該磁鐵714內且曝露於氣體環境中的長度。雖然該陰極圓筒702延伸超過該磁鐵，但該帶有離子化現象的電漿主要被侷限在該磁鐵內部的區域內。該小的陰極的有效長度(其不在該磁鐵內)是其整個長度。對於該高壓區域(即，陰極在其內操作的區域)而言，將該磁鐵延伸超過該陰極將具有很小的效果。來自磁鐵714的磁場將延伸至該空間中，但來自圍繞該陰極的額外磁鐵的額外的磁場將不會是有效的。

該白仙定律特徵構造716是屬於圖6A中所示的類型並提供一範圍在0.3至1.0mm內(尤其是，0.6mm(0.024英吋))的間距。圖6B-E的其它特徵構造的任何一者亦可被使用。如前所述，該特徵構造716支持在接近大氣壓力的壓力下的電弧放電。該特徵構造被設置成指向該第二陰極704的遠端，用以讓該陰極的嘴部開放以用於電漿放電，但該特徵構造可被設置成朝向該陰極的近開口端。為了模製的目的，該特徵構造係如圖所示地位在遠端。

用於此實施例中的磁鐵約為800或900高斯，其係在500~1100高斯的較佳範圍內。

圖8例示用於任何實施例中的真空計的控制器電路。如同在先前技術電路中一樣地，供應至陽極的電力是從一電源供應器P經由一電流限制電阻R1被供應至陽極，該電流限制電阻可以是一高阻值(如，30MΩ)的電阻。供應該陽極的電壓是由電壓感測器V1來感測，該電壓感測器被耦接至分壓器R2，R3並接地。或者，該陽極電壓可從該電源供應器P的電壓輸出以及橫跨電組R1被測得之電壓降來決定。來自該大的陰極702和電極709的電流是用一電壓感測器V3來偵測，該電壓感測器被耦接跨越電流感測器電阻R5，其例如是約50kΩ。來自該小的陰極以及其電極708的電流是用一電壓感測器V2來偵測，該電壓感測器被耦接跨越電流感測電阻R4，其例如亦是約50kΩ。一處理器802控制該電源供應器、改變任何可變電阻、及接收該等被感測的訊號。它亦輸出壓力讀數，其將參考圖10來描述。

在此電路中特別重要的是，耦接至該小的陰極704的額外的電阻RS以及耦接至該大的陰極702的電阻RL。在一最初的設計中，RL和RS兩者都是使用523kΩ的電阻用以將來自該等陰極的輸出中的雜訊消除掉，並過濾掉振盪。然而，藉由超過1MΩ的大的阻值，相關於壓力的電流輸出的形狀可被控制，用以提供更為精確的壓力讀數。詳言之，耦接至該小的陰極的電阻RS被提高至 30MΩ，而RL的阻值被提高至1.27或2.07MΩ。藉由在該小的陰極的該極高的電阻，更多電流被推入到該大的陰極中以提高在高於1托耳的高壓力時的斜率量值。為了允許隨著改變的條件(譬如，不同的氣體種類)來動態地控制壓力反應，該等電阻RL及RS，尤其是RS，可以是可變電阻。

圖9A及9B例示用於圖7的裝置的每一陰極之用圖8的電路計算成陽極電壓對陰極電流的比率之輸出阻抗。圖9A是用於每一者都是523kΩ的RS及RL。圖9B是用於1.27MΩ的RL及30MΩ的RS。陰極阻值的調整可將個別電流及阻抗的局部最小值的點移位，用以產生一感測器，其在被感測的訊號內沒有壓力無法以適當的精確度被解析及被顯示的區域。

五個不同的操作區域可在圖9B中被顯示出。在低於10^-2托耳的低壓時，該真空計很像標準的CCIG是用大的陰極的湯森電漿放電來操作。在仍然是低壓之介於10^-2至約1托耳的區域內，該大的陰極的湯森電漿放電係使用電阻RS及RL來予以擴延。在約1托耳至約35托耳的區域中，在小的陰極中的電漿活動增加(阻抗下降)，電漿從該大的陰極移轉至該小的陰極。在此處，該大的陰極的阻抗測量值隨著小的陰極的阻抗下降而開始提高。當該轉變持續從約35托耳到約89托耳時，該小的陰極的電漿開始關掉且當該大的陰極的電流持續減小而造成阻抗時，電流移至該崩潰電壓所造成的電流。最後，在壓力高 於約89托耳至約大氣壓力(760托耳)時，該電流放電是跨越設置在該小的陰極上的額外的特徵構造所提供的小間距的白仙定律電弧放電。

圖9B的演算法的處理可如圖3所示，但在步驟306中偵測到的電流是被設計用於該功能的該第二陰極的電流。圖10A例示一更詳細的處理。在1020，陽極電壓在一大的壓力範圍被施加。第一陰極的電流在1022被偵測，第二陰極的電流在1024被偵測。陽極電壓在1026被偵測。用來處理電流及位置以決定壓力的該步驟310的一更加詳細的描述被提供在1028、1030及1032中。在1028，該陰極電流和該陽極位置被處理以決定各個陰極的阻抗。在1030，這些阻抗中的一者被選取以根據該壓力區域進行進一步的處理。如圖9B所示，以實線顯示的阻抗被選取以用於四個壓力區域的每一個壓力區域。在1032，該被選取的阻抗被轉變成壓力。在一實施例中，選取及轉變步驟1030及1032係如圖10B所示地被實施。

圖10B例示用於存取四個不同的查找表的控制器處理器邏輯，用以將大的陰極的阻抗或小的陰極的阻抗轉變成輸出壓力。該四個查找表對應於圖9B的四條實線的阻抗線圖且係根據大及小的陰極的阻抗來選取。如圖9B所示，在對應於該標準CCIG和擴延的標準CCIG的低壓力時，壓力係根據大的陰極的阻抗來決定。在此壓力區域中，決定方塊1002將處理器導引至1010的查找表1。然後，在約0.5到35托耳的較小的陰極電漿活動的區域 內，該系統依循小的陰極阻抗而切換，用以決定壓力。決定方塊1004將處理器導引至1012的查找表2。然後，為了要避免在約35至89托耳的該小的陰極阻抗內見到最小值，該系統在1006切換回來，用以依循在查找表3內的該大的陰極的阻抗來在1014決定壓力。最後，當該大的陰極的阻抗接近其峰值時，該系統切換回來，用以依循在1016的查找表4內的該小的陰極阻抗。因此，如圖10B中所見，透過每一數據樣本，該系統走過決定方塊1002，1004，1006及1008以決定要用在1010、1012、1014或1016中的哪一個查找表來指認用於該數據樣本的壓力。在每一查找之後或如果該決定樹無法指認出一查找表的話，則該系統移動至下一個樣本。

雖然該處理已藉由從低壓移動至大氣壓為例接以描述，但將被理解的是，任何數據樣本都可將該處理導引至任何查找表而無需考慮任何壓力歷史。

圖11例示具備上文剛剛描述的寬大的壓力範圍設計或具備更多傳統的壓力範圍(如，低於10-2托耳)之該多陰極的另一個用途。CCIG通常在其輸出中具有中斷處(discontinuity)。例如，一具有單一陰極的真空計可具有一依循曲線1102的阻抗，其顯示在1104有一中斷處。在該中斷處，提供精確的壓力讀數是困難的。藉由使用兩個陰，一具有依循路徑1106的阻抗反應的第二陰極例如在1108有一中斷處，該中斷處可在決定壓力時被避開。在低壓力時，該壓力可用沿著曲線1100的大的陰極 所提供阻抗來決定。該大的陰極將被用於高於該中斷處1108發生的壓力之上的壓力。然而，在低於該中斷處1104將會因該大的陰極而發生的壓力的一些壓力，該系統將在1114轉變成依賴沿著曲線1112之小的陰極的阻抗輸出。因此，該等中斷處可被避開。

前面被例示的雙陰極實施例可被用來避開中斷處。另一實施例被示於圖12中。兩個電隔絕的陰極套筒1202及1204例如可如之前描述地被安裝在聚合物材料的殼體1205內。該等陰極包圍陽極1206的中心。每一陰極有一各自的環形磁鐵1208，1210包圍它。該等磁鐵可以是處在排斥或“對抗(bucking)”的狀態中，使得兩個分開的放電區域被產生，每一陰極有一個。藉由改變在該等陰極內的阻值、改變一個陰極相對於另一個陰極的實體尺寸、及改變磁場，中斷處可被移動至不同的壓力範圍。藉由知道每一陰極的反應，中斷處可藉由讓圖11的轉換1114發生在一預定的壓力而被避開。或者，藉由查看這兩個分開的陰極的電流的比率，即可決定何時會出現一中斷。在此例子中，另一陰極電流被用來報知壓力。這主要是一定會有一參考壓力，且輪流地會有一者是該參考壓力。

從上面的例子可看出來的是，磁場可用許多不同的方式來建立。例如，圖1A例示只包圍該大的陰極的雙磁鐵。圖4例示一包圍兩個陰極的磁鐵組件。圖7例示只包圍該大的陰極的單一磁鐵。圖12例示包圍分開的 陰極之分開的磁鐵。此配置亦可被用來擴大壓力範圍。將被瞭解的是，其它的配置亦是可行的。

圖13A提供一類似圖9B的線圖，但其係用於一具有不同輸出特性的裝置。小的陰極的阻抗被顯示為虛線，且大的陰極的阻抗被顯示為實線。圖13B例示一類似於圖10B的流程圖，但該裝置則是具有圖13A的特性。如之前所述，在低壓力時，一用於大的陰極的查找表被用來提供壓力讀數。在決定方塊1302，如果該大的陰極的阻抗被判定為大於在該小的陰極的阻抗大於8E8時的該小的陰極的阻抗，或者如果該大的陰極的阻抗小於該小的陰極且該小的陰極的阻抗仍保持高於2.0E8的話，則具有大的陰極的阻抗的該查找表被用於圖13A中所有低於1318的壓力。如果該決定方塊1302的條件沒有被符合的話，則小的陰極的阻抗在決定方塊1306被發現是大於該大的陰極的阻抗，然後用於小的陰極的查找表在1308被用來提供壓力讀數。因此，小的陰極的輸出被用在圖13A的1318和1320之間的壓力。

如果決定方塊1302及1306的條件沒有被符合的話，則決定方塊1310將判斷該大的陰極的阻抗是否小於3.0E9。如果是的話，則該大的陰極的查找表在1312被用於圖13A介於1320和1322之間的壓力。最後，如果決定方塊1302、1306及1310的條件沒有被符合的話，則小的陰極的查找表在1314被用於高於1322的壓力。

一但壓力經由該等查找表中的一者決定，下 一個數據樣本在1316被收集以進行圖13B的評估。

雖然本發明已參考其示範性實施例被特別地顯示及描述，但熟習此技藝者將瞭解的是，在形式和細節上的各種改變可在不偏離隨附的申請專利範圍所涵蓋之本發明的範圍下被達成。

1202‧‧‧陰極套筒

1204‧‧‧陰極套筒

1205‧‧‧殼體

1206‧‧‧陽極

1208‧‧‧環形磁鐵

1210‧‧‧環形磁鐵

Claims (41)

1. 一種冷陰極離子化真空計，包含：一陽極；一第一陰極，其與該陽極相距一第一間距，該第一間距足以在低壓下形成一電漿於該陽極和該第一陰極之間以及形成一流入到該第一陰極之生成的離子電流；一第二陰極，其與該第一陰極被電隔離且和該陽極相距一小於該第一間距的第二間距，該第二間距讓電子放電可在比電漿形成在該第一間距內所需之低壓高的壓力下產生；一磁鐵，其施加一磁場穿過至少該第一間距，用以加長自由電子路徑以支持該電漿；一電子控制器，其施加電壓於該陽極和該第一及該第二陰極的每一者之間，用以產生在低壓下至少在該陽極和該第一陰極之間有電漿放電以及在高於該低壓的壓力下在該陽極和該第二陰極之間有電子放電之離子化，該電子控制器根據被測得之流至該第一陰極的電流以及根據被測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力。
2. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中該電子控制器由被測得之流至該第一陰極的電流、被測得之流至該第二陰極的電流、和被測得之陽極電壓來決定第一陰極阻抗及第二陰極阻抗，且壓力是根據該第一陰極阻抗和該第二陰極阻抗來決定。
3. 如申請專利範圍第2項之冷陰極離子化真空計， 其中壓力是在各別的壓力範圍內根據該第一陰極阻抗和該第二陰極阻抗來決定，該等各別的壓力範圍包括壓力係根據該第一陰極阻抗來決定之不相鄰的壓力範圍。
4. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中該第一及第二陰極包圍該陽極。
5. 如申請專利範圍第4項之冷陰極離子化真空計，其中每一陰極都是圓筒形，該等不同的間距是由各自的半徑來決定。
6. 如申請專利範圍第5項之冷陰極離子化真空計，其只包含兩個圓筒形陰極。
7. 如申請專利範圍第5項之冷陰極離子化真空計，其中介於該陽極和該第一陰極之間的該第一間距是在5至15公釐的範圍內且該第一陰極具有一沿著該磁鐵的有效長度，其是在沿著該陽極的15至40公釐的範圍內。
8. 如申請專利範圍第7項之冷陰極離子化真空計，其中介於該陽極和該第二陰極之間的該第二間距是在1至5公釐的範圍內且該第二陰極具有一長度是在沿著該陽極的6至24公釐的範圍內。
9. 如申請專利範圍第8項之冷陰極離子化真空計，其中該第二陰極包含一被朝向該陽極定向的特徵構造，其建立一範圍為0.3至1.0公釐之窄的間距於該陽極和該特徵構造之間，用以在接近大氣壓力的高的壓力讓白仙定律放電可發生在該陽極和該第二陰極上的該特徵構造之間。
10. 如申請專利範圍第9項之冷陰極離子化真空計， 其中該電子控制器包括一介於該第一陰極和一接至該電源供應器的回程(return)之間之至少百萬歐姆的阻抗及一介於該第二陰極和接至一電源供應器的該回程之間的阻抗，其比介於該第一陰極和接至該電源供應器的回程之間的該阻抗大了至少一個數量級。
11. 如申請專利範圍第5項之冷陰極離子化真空計，其中介於該陽極和該第二陰極之間的該第二間距是在1至5公釐的範圍內且該第二陰極具有一在沿著該陽極的6至24公釐的範圍內的長度。
12. 如申請專利範圍第11項之冷陰極離子化真空計，其中該第二陰極包含一被朝向該陽極定向的特徵構造，其建立一範圍為0.3至1.0公釐之窄的間距於該陽極和該特徵構造之間，用以在接近大氣壓力的高的壓力讓白仙定律放電可發生在該陽極和該第二陰極上的該特徵構造之間。
13. 如申請專利範圍第5項之冷陰極離子化真空計，其中該第一陰極和該第二陰極被設置在一聚合物殼體內，該殼體將該第一及該第二陰極電隔絕。
14. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中介於該陽極和該第二陰極之間的該第二間距是在1至5公釐的範圍內且該第二陰極具有一沿著該陽極在6至24公釐的範圍內的長度。
15. 如申請專利範圍第14項之冷陰極離子化真空計，其中該第二陰極包含一被朝向該陽極定向的特徵構 造，其建立一窄的間距於該陽極和該特徵構造之間，用以讓白仙定律放電可發生在該陽極和該特徵構造之間。
16. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中介於該陽極和該特徵構造之間的該間距是在0.3至1.0公釐的範圍內。
17. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中該特徵構造是一圓盤且該間距被形成為該圓盤內的一孔洞。
18. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中該特徵構造是一圓盤且該間距被形成在該陽極和一從該圓盤延伸出的尖端之間。
19. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中該特徵構造是一銷。
20. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中該特徵構造是一螺紋銷。
21. 如申請專利範圍第15項之冷陰極離子化真空計，其中該電子控制器包括一介於該第一陰極和一接至該電源供應器的回程(return)之間之至少百萬歐姆的阻抗及一介於該第二陰極和接至一電源供應器的該回程之間的阻抗，其比介於該第一陰極和接至該電源供應器的回程之間的該阻抗大了至少一個數量級。
22. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中該電子控制器包括一介於每一陰極和接至一電源供應器的回程之間至少百萬歐姆的阻抗。
23. 如申請專利範圍第22項之冷陰極離子化真空計，其中來自該第二陰極的該阻抗比來自該第一陰極的該阻抗大了至少一個數量級。
24. 如申請專利範圍第22項之冷陰極離子化真空計，其中該等阻抗的至少一者是由一可變電阻提供。
25. 如申請專利範圍第22項之冷陰極離子化真空計，其中該電子控制器根據電子測量值來選擇多個演算法中的一個演算法以提供壓力輸出，該電子控制器係根據介於該陽極和每一陰極之間的阻抗測量值來選擇演算法。
26. 如申請專利範圍第25項之冷陰極離子化真空計，其中該等演算法係使用儲存在查找表內的預先計算的數據來加以處理。
27. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中壓力係根據來自該第一及第二陰極的每一者在諸各別的壓力範圍內的電子輸出來決定，該等各別的壓力範圍包括壓力係根據該第一陰極輸出來決定之不相鄰的壓力範圍。
28. 如申請專利範圍第27項之冷陰極離子化真空計，其中該壓力是根據該第一陰極之用於一第一低壓範圍的輸出、根據該第二陰極在一高於該第一壓力範圍的第二壓力範圍內的輸出、根據該第一陰極在一高於該第一壓力範圍及該第二壓力範圍的第三壓力範圍內的輸出、以及根據該第二陰極在一高於該第一、第二、及第三壓力範圍的第四壓力範圍內的輸出。
29. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中至少一湯森電漿放電被支持在處於低壓力的該陽極和該第一陰極之間，且至少一崩潰放電被支持在處於高於該低壓的壓力的該陽極和該第二陰極之間。
30. 如申請專利範圍第29項之冷陰極離子化真空計，其中該湯森電漿放電亦被支持在處於高於該低壓的壓力的該陽極和該第二陰極之間。
31. 如申請專利範圍第29項之冷陰極離子化真空計，其中該崩潰放電被支持在該第二陰極的一特徵構造處。
32. 如申請專利範圍第29項之冷陰極離子化真空計，其中該崩潰放電被支持在該第二陰極和該陽極的至少一者的一特徵構造處，該特徵構造減小介於該第二陰極和該陽極之間的該第二間距。
33. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中至少一湯森電漿放電被支持在處於低壓力的該陽極和該第一陰極之間，且至少一湯森電漿放電被支持在處於高於該低壓的壓力的該陽極和該第二陰極之間。
34. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中每一陰極都是包圍該陽極的圓筒形、該等不同的間距係由各別的半徑來決定、該等陰極的至少一者的內表面直徑是漸減的(tapered)。
35. 如申請專利範圍第1項之冷陰極離子化真空計，其中該第二陰極包含一被朝向該陽極定向的特徵構造，其 建立一窄的間距於該陽極和該特徵構造之間，用以讓白仙定律放電可發生在該陽極和該特徵構造之間。
36. 如申請專利範圍第35項之冷陰極離子化真空計，其中該特徵構造從該第二陰極靠近該第一陰極的端部被移位。
37. 一種測量壓力的方法，包含：施加一磁場至一介於一陽極和一第一陰極之間的第一空間；在低壓下，將電子釋入到該第一空間中，用以在該第一空間內產生電漿放電以及流至該第一陰極的離子流；在高於該低壓的壓力下，產生電子放電於一第二陰極和該陽極之間以產生一流至該第二陰極的電流；及根據被測得之流至該第一陰極的電流以及根據被測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力。
38. 一種冷陰極離子化真空計，包含：一陽極；一第一陰極，其與該陽極相距一第一間距，該第一間距足以形成一電漿於該陽極和該第一陰極之間以及形成一流入到該第一陰極之生成的離子電流，一相關於該第一陰極的壓力的電流反應具有一第一中斷處(discontinuity)；一第二陰極，其與該第一陰極被電隔離且和該陽極相距一小於該第一間距的第二間距，該第二間距足以形成一電漿於該陽極和該第二陰極之間以及形成一流入到該第二 陰極之生成的離子電流，一相關於該第二陰極的壓力的電流反應具有一第二中斷處；一磁鐵，其施加一磁場穿過該第一及第二間距，用以加長自由電子路徑以支持該電漿；及一電子控制器，其施加電壓於該陽極和該第一及該第二陰極的每一者之間，用以產生在該陽極和該第一陰極與該第二陰極的每一者之間有電漿放電的離子化，該電子控制器根據在包括該第二中斷處的壓力中測得之流至該第一陰極的電流來決定壓力以及根據在包括該第一中斷處的壓力中測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力。
39. 一種測量壓力的方法，包含：施加一磁場至一介於一陽極和一第一陰極之間的第一空間；施加一磁場至一介於該陽極和一第二陰極之間的第二空間；將電子釋入到該第一空間中，用以在該第一空間內產生電漿放電以及流至該第一陰極的離子流，一相關於該第一陰極的壓力的電流反應具有一第一中斷處；將電子釋入到該第二空間中，用以在該第二空間內產生電漿以及流至該第二陰極的離子電流，一相關於該第二陰極的壓力的電流反應具有一第二中斷處；根據被測得之流至該第一陰極的電流以及根據被測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力，壓力係根據在包括該第二中斷處的壓力中測得之流至該第一陰極的電流以及 根據在包括該第一中斷處的壓力中測得之流至該第二陰極的電流。
40. 一種冷陰極離子化真空計，包含：一陽極；一第一陰極，其與該陽極相距一第一間距，該第一間距足以形成一電漿於該陽極和該第一陰極之間以及形成一流入到該第一陰極之生成的離子電流；一第二陰極，其與該第一陰極被電隔離且和該陽極相距一小於該第一間距的第二間距，該第二間距足以形成一電漿於該陽極和該第二陰極之間以及形成一流入到該第二陰極之生成的離子電流；一磁鐵，其施加一磁場穿過該第一及第二間距，用以加長自由電子路徑以支持該電漿；一電子控制器，其施加電壓於該陽極和該第一及該第二陰極的每一者之間，用以在各別的壓力範圍內產生在該陽極和該第一陰極與該第二陰極之間有電漿放電的離子化，該電子控制器根據被測得之流至該第一陰極的電流以及根據被測得之流至該第二陰極的電流來決定壓力。
41. 如申請專利範圍第40項之冷陰極離子化真空計，其中該電子控制器由被測得之流至該第一陰極的電流、被測得之流至該第二陰極的電流及被測得之陽極電壓來決定第一陰極阻抗及第二陰極阻抗，且壓力是根據該第一陰極阻抗和該第二陰極阻抗來決定。

Images