JP2540073B2 - Vacuum gauge - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、気体の電離現象を利用した真空計に関
し、特に、電場と磁場が交差した空間で回転電子電流を
生じさせ、これによって気体の電離を増加させる形式
（以下、交差電磁界形という。）の真空計に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a vacuum gauge utilizing the ionization phenomenon of gas, and more particularly, it produces a rotating electron current in a space where an electric field and a magnetic field intersect with each other, thereby generating a rotating electron current. The present invention relates to a vacuum gauge of a type that increases ionization (hereinafter referred to as a crossed electromagnetic field type).
［従来の技術］ 真空計には実に多数の方式が知られている。その中で
も、熱陰極電離真空計が最も信頼性が高いものとされ、
最も多く用いられている。しかし、通常の熱陰極電離真
空計は、「真空計の単位体積当たりに発生するイオン電
流」（以下、感度という。）が小さいのが欠点であり、
圧力が極度に低くなると、イオン電流がきわめて小さく
なってしまい、軟Ｘ線による光電流が無視できなくな
る。したがって、熱陰極電離真空計は、この軟Ｘ線によ
る測定限界のために、10-10Torr以下の圧力では測定が
困難になってくる。[Prior Art] A large number of vacuum gauges are known. Among them, the hot cathode ionization vacuum gauge is the most reliable,
Most commonly used. However, the conventional hot cathode ionization vacuum gauge is disadvantageous in that "the ion current generated per unit volume of the vacuum gauge" (hereinafter referred to as sensitivity) is small,
When the pressure becomes extremely low, the ion current becomes extremely small, and the photocurrent due to the soft X-ray cannot be ignored. Therefore, the hot cathode ionization vacuum gauge becomes difficult to measure at a pressure of 10 -10 Torr or less due to the measurement limit by the soft X-ray.
一方で、交差電磁界形の冷陰極電離真空計が知られて
いる。たとえば、ペニング真空計、マグネトロン真空計
などである。このタイプの真空計は、イオン電流が大き
く取れる（感度が高い）ので、微小電流を測定する必要
がなく、真空計電源が安価で済む。しかし、精度が低い
のが欠点であり、粗い測定にしか用いられていない。On the other hand, a crossed electromagnetic field type cold cathode ionization vacuum gauge is known. For example, a Penning vacuum gauge and a magnetron vacuum gauge. This type of vacuum gauge can obtain a large ion current (high sensitivity), so that it is not necessary to measure a minute current, and a vacuum gauge power supply can be inexpensive. However, it has a drawback of low accuracy and is used only for rough measurements.
［発明が解決しようとする課題］ 上述した、交差電磁界形の冷陰極電離真空計は、圧力
とイオン電流（放電電流ともいう）との関係が完全には
比例せず、また、理論面が明解でないことから、精度が
低いとされている。本発明者らの考えでは、従来の冷陰
極電離真空計は、イオン電流は測定しているが、このイ
オン電流を作るもとになる回転電子電流（熱陰極電離真
空計の陽極電流に相当する）については測定していない
ために、精度が低いと推測される。すなわち、回転電子
電流とイオン電流との比に基づいて圧力測定をおこなっ
ていないために、信頼性が乏しいと思われる。[Problems to be Solved by the Invention] In the above-mentioned crossed electromagnetic field type cold cathode ionization vacuum gauge, the relationship between pressure and ion current (also referred to as discharge current) is not completely proportional, and the theoretical aspect is The accuracy is low because it is not clear. According to the idea of the present inventors, the conventional cold cathode ionization vacuum gauge measures the ion current, but the rotating electron current (corresponding to the anode current of the hot cathode ionization vacuum gauge) is a source of the ion current. ) Is not measured, it is assumed that the accuracy is low. That is, since the pressure measurement is not performed based on the ratio of the rotating electron current to the ion current, the reliability is considered to be poor.
ところで、以下の文献には、上述の回転電子電流の測
定についての記載が見られる。By the way, in the following documents, there is a description about the above-mentioned measurement of the rotating electron current.
Journal of Applied Physics,33［６］（1962）（米
国）,W.Knauer,「低圧におけるペニング放電のメカニズ
ム」p.2093−2099 この文献では、回転電子電流を間接的に測定できるよ
うに、ペニング放電管の周囲にセンサコイルを巻いてい
る。そして、ペニング放電を断続的にオン・オフするこ
とによって、回転電子電流を断続させ、この断続によっ
てセンサコイルに誘起する電流を測定している。この誘
起電流の値から回転電子電流を求めている。Journal of Applied Physics, 33 [6] (1962) (USA), W. Knauer, "Mechanism of Penning discharge at low pressure" p.2093-2099 In this paper, Penning is used to measure the rotating electron current indirectly. A sensor coil is wound around the discharge tube. Then, the rotating electron current is intermittently turned on and off by intermittently turning on and off the Penning discharge, and the current induced in the sensor coil by this interruption is measured. The rotating electron current is obtained from the value of this induced current.
本発明者らは、この文献をヒントにして、交差電磁界
形の電離真空計の改良を試み、回転電子電流を定常的に
測定して、これとイオン電流との比を求めることによっ
て圧力測定をおこなう真空計を開発した。The inventors of the present invention tried to improve the crossed electromagnetic field type ionization vacuum gauge by taking this document as a hint, measure the rotating electron current constantly, and obtain the ratio between this and the ion current to measure the pressure. We have developed a vacuum gauge for performing.
したがって、この発明の目的は、交差電磁界形の電離
真空計の特徴である高い感度（大きなイオン電流）を維
持しつつ、回転電子電流を測定することによってこのタ
イプの真空計の高精度化を図ることにある。Therefore, an object of the present invention is to improve the precision of this type vacuum gauge by measuring the rotating electron current while maintaining the high sensitivity (large ionic current) which is a characteristic of the crossed electromagnetic field type ionization vacuum gauge. It is to plan.
［課題を解決するための手段と作用］ 上述の目的を達成するために、この出願の第一発明に
係る真空計は、次の特徴を備えている。まず、この真空
計は、交差電磁界形の電離真空計を構成する要素とし
て、従来と同様に、陰極と、陽極と、陰極と陽極とで作
られた電場と交差するような磁場を形成する磁場形成手
段と、回転電子によって電離したイオンを収集するイオ
ンコレクタとを備えている。さらに、この発明では、特
に採用した新しい要素として、電場と磁場の作用によっ
て生じる回転電子電流を測定する手段を備えている。そ
して、この測定手段によって得られた回転電子電流とイ
オンコレクタ電流との比を求めることによって圧力を測
定している。[Means and Actions for Solving the Problem] In order to achieve the above object, the vacuum gauge according to the first invention of the present application has the following features. First, this vacuum gauge forms a magnetic field that intersects with an electric field created by a cathode, an anode, and a cathode and an anode, as in the conventional case, as an element constituting a crossed electromagnetic field type ionization vacuum gauge. It is provided with a magnetic field forming means and an ion collector for collecting ions ionized by rotating electrons. Furthermore, the present invention includes, as a particularly adopted new element, means for measuring a rotating electron current generated by the action of an electric field and a magnetic field. Then, the pressure is measured by obtaining the ratio of the rotating electron current and the ion collector current obtained by the measuring means.
イオンコレクタ電流に加えて回転電子電流をも測定す
る理由は次の通りである。気体分子が多ければ多いほ
ど、これが電離してできるイオンが多くなり、これがイ
オンコレクタに流入する。従来の冷陰極電離真空計は、
このイオンコレクタ電流を測定して圧力を求めていた。
しかし、気体分子を電離させる原因である回転電子電流
は常に一定とは限らず、回転電子電流が変動すれば、同
じ圧力でもイオンコレクタ電流が変化することになる。
これに対して、この発明では、回転電子電流とイオンコ
レクタ電流との比から圧力を求めているので、イオンコ
レクタ電流だけに基づいて圧力を求める場合と比較し
て、圧力測定の精度は、飛躍的に向上する。すなわち、
この発明は、交差電磁界形の真空計の信頼度をＢ−Ａゲ
ージと同程度に向上させることができるもので、しか
も、感度は従来の交差電磁界形と同程度に維持できる。The reason for measuring the rotating electron current in addition to the ion collector current is as follows. The more gas molecules there are, the more ions that are ionized by them, which flow into the ion collector. The conventional cold cathode ionization vacuum gauge is
This ion collector current was measured to find the pressure.
However, the rotating electron current that causes ionization of gas molecules is not always constant, and if the rotating electron current fluctuates, the ion collector current will change even at the same pressure.
On the other hand, in the present invention, since the pressure is obtained from the ratio of the rotating electron current and the ion collector current, the accuracy of pressure measurement is significantly higher than that in the case where the pressure is obtained only based on the ion collector current. Improve. That is,
According to the present invention, the reliability of the crossed electromagnetic field type vacuum gauge can be improved to the same level as that of the BA gauge, and the sensitivity can be maintained to the same level as the conventional crossed electromagnetic field type.
なお、この発明において、「回転電子電流を測定す
る」とは、回転電子電流を直接測定することだけでな
く、回転電子電流に依存する物理量を測定することによ
って回転電子電流を間接的に測定することも含む。In the present invention, "measuring the rotating electron current" means not only directly measuring the rotating electron current but also indirectly measuring the rotating electron current by measuring a physical quantity that depends on the rotating electron current. Including that.
この出願の第二発明に係る真空計は、上述の第一発明
の特徴に加えて、回転電子電流を一定に制御して、この
ときのイオンコレクタ電流を測定することによって圧力
を求めている。たとえば、回転電子電流の測定結果を、
陽極電圧にフィーフドバックしたり、あるいは、磁場設
定手段としての電磁石に流す電流にフィードバックした
りして、回転電子電流を一定に保つことができる。回転
電子電流を一定に保てば、より高精度の圧力測定が期待
できる。In addition to the characteristics of the first invention described above, the vacuum gauge according to the second invention of this application determines the pressure by controlling the rotating electron current to a constant value and measuring the ion collector current at this time. For example, the measurement result of the rotating electron current is
The rotating electron current can be kept constant by feeding back to the anode voltage or feeding back to the current flowing in the electromagnet as the magnetic field setting means. If the rotating electron current is kept constant, more accurate pressure measurement can be expected.
この出願の第三発明に係る真空計では、直流分と交流
分とからなる電圧を陰極と陽極との間に印加している。
従来の冷陰極電離真空計では、数千ボルトの直流だけを
印加していたが、この第三発明では、これに交流分を加
えている。交流分を加えたことにより、電極間電圧が周
期的に変動し、これに伴って回転電子電流の大きさも変
動する。変動する回転電子電流は、電磁誘導作用によっ
て検出できる。すなわち、交流分を追加することによっ
て、「回転電子電流を測定する手段」として電磁誘導現
象を利用できるようになる。In the vacuum gauge according to the third invention of this application, a voltage composed of a direct current component and an alternating current component is applied between the cathode and the anode.
In the conventional cold cathode ionization vacuum gauge, only a direct current of several thousand volts is applied, but in the third invention, an alternating current component is added to this. By applying the alternating current component, the voltage between the electrodes periodically fluctuates, and the magnitude of the rotating electron current also fluctuates accordingly. The fluctuating rotating electron current can be detected by electromagnetic induction. That is, by adding the AC component, the electromagnetic induction phenomenon can be used as "a means for measuring the rotating electron current".
［実施例］ 次に、この発明の実施例を図面を参照して説明する。[Embodiment] Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例は次の順序で説明する。 The embodiments will be described in the following order.
イ．第１実施例（熱陰極マグネトロン形） ロ．第２実施例（冷陰極マグネトロン形） ハ．電極の各種の変更例 ニ．第３実施例（ペニング形） ホ．マイクロ波による回転電子電流の測定 ヘ．放射光による回転電子電流の測定 ト．プローブによる回転電子電流の測定 イ．第１実施例（熱陰極マグネトロン形） 第１図は、この発明の第１実施例の構成図であり、ゲ
ージ球の部分は縦断面図を示している。第２図は第１図
のII−II線断面図である。I. First embodiment (hot cathode magnetron type) b. Second embodiment (cold cathode magnetron type) c. Various examples of electrode changes d. Third embodiment (Penning type) e. Measurement of rotating electron current by microwave f. Measurement of rotating electron current by synchrotron radiation. Measurement of rotating electron current by probe a. First Embodiment (Hot Cathode Magnetron Type) FIG. 1 is a configuration diagram of the first embodiment of the present invention, in which a gauge ball portion is a longitudinal sectional view. FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
なお、マグネトロン真空計は冷陰極が一般的である
が、熱陰極タイプのものも、以下の文献から公知であ
る。The magnetron vacuum gauge is generally a cold cathode, but a hot cathode type is also known from the following documents.
「真空」、第９巻第２号（昭41）中尾、“マグネトロン
・ゲージの特性"p.49−59 第１図において、陰極10は、熱陰極フィラメント11と
リード線12、13とからなり、リード線13の大部分は絶縁
膜14で被覆されている。絶縁膜14は、リード線13の表面
から電子が放出するのを防止したり、リード線が他の部
品と接触したりするのを防止しており、これらに基づく
暗電流の発生を防いでいる。陽極20は、円筒状の陽極電
極21とリード線22とからなる。この実施例では、陽極電
極21の直径が18mm、長さが24mmである。陽極電極21の中
心には、上述の熱陰極フィラメント11が配置されてい
る。"Vacuum", Vol. 9, No. 2 (Sho 41), Nakao, "Characteristics of magnetron gauge" p.49-59 In Fig. 1, a cathode 10 comprises a hot cathode filament 11 and lead wires 12 and 13. Most of the lead wire 13 is covered with an insulating film 14. The insulating film 14 prevents electrons from being emitted from the surface of the lead wire 13 and prevents the lead wire from coming into contact with other components, and prevents the generation of dark current based on these. . The anode 20 includes a cylindrical anode electrode 21 and a lead wire 22. In this embodiment, the anode electrode 21 has a diameter of 18 mm and a length of 24 mm. At the center of the anode electrode 21, the above-mentioned hot cathode filament 11 is arranged.
イオンコレクタ50は、円板状のイオンコレクタ電極51
とリード線52とからなる。イオンコレクタ電極51は、陽
極電極21の軸方向の一端の近傍に、陽極電極21の軸線と
垂直に配置されている。The ion collector 50 is a disk-shaped ion collector electrode 51.
And lead wire 52. The ion collector electrode 51 is arranged near one end of the anode electrode 21 in the axial direction and perpendicular to the axis of the anode electrode 21.
以上の熱陰極フィラメント11と陽極電極21とイオンコ
レクタ電極51は、ガラス製の容器60の内部に収納されて
いる。容器60は、計測管61と接続管62とからなる。接続
管62は、圧力を測定すべき真空室などに取り付けられ
る。シールド63は、多数の孔の開いた金属部品で、イオ
ンコレクタ電極51に対向して配置されている。このシー
ルド63は、後述する回転電子の散逸を防ぐもので、負の
電位が印加される。多数の孔を開けてあるのは、コンダ
クタンスを確保するためである。The hot cathode filament 11, the anode electrode 21, and the ion collector electrode 51 described above are housed inside a glass container 60. The container 60 includes a measuring pipe 61 and a connecting pipe 62. The connecting pipe 62 is attached to a vacuum chamber or the like where pressure should be measured. The shield 63 is a metal component having a large number of holes and is arranged so as to face the ion collector electrode 51. The shield 63 prevents dissipation of rotating electrons, which will be described later, and is applied with a negative potential. The large number of holes are provided to ensure the conductance.
容器60の周囲には磁場設定手段30が配置されている。
磁場設定手段30は、二つの円筒状の永久磁石31とその間
のヨーク32とからなる。永久磁石31の作る磁場は、熱陰
極フィラメント11と陽極電極21との間の空間27では、陽
極電極21の軸線方向に向いている。一方、この電極間空
間27では、電場は陽極電極21の半径方向に向いている。
したがって、電場と磁場は電極間空間27で直交してい
る。この実施例では、永久磁石31の作る磁場の強さは、
熱陰極フィラメント11のところで2500ガウスになってい
る。The magnetic field setting means 30 is arranged around the container 60.
The magnetic field setting means 30 is composed of two cylindrical permanent magnets 31 and a yoke 32 between them. The magnetic field generated by the permanent magnet 31 is directed in the axial direction of the anode electrode 21 in the space 27 between the hot cathode filament 11 and the anode electrode 21. On the other hand, in the inter-electrode space 27, the electric field is directed in the radial direction of the anode electrode 21.
Therefore, the electric field and the magnetic field are orthogonal to each other in the inter-electrode space 27. In this embodiment, the strength of the magnetic field created by the permanent magnet 31 is
It is 2500 gauss at the hot cathode filament 11.
ヨーク32の内面と二つの永久磁石とに挾まれた凹所33
には、センサコイル41が収容されている。センサコイル
41は、後述する回転電子電流の強度を測定するためのも
ので、2000ターン巻かれている。A recess 33 sandwiched between the inner surface of the yoke 32 and the two permanent magnets 33
The sensor coil 41 is housed in. Sensor coil
Reference numeral 41 is for measuring the intensity of a rotating electron current, which will be described later, and is wound 2000 turns.
次に、この真空計の電気的な構成を説明する。 Next, the electrical configuration of this vacuum gauge will be described.
陰極10と陽極20の間には、直流電源23と交流電源24が
直列に接続され、陰極10側が接地されている。直流電源
23の出力電圧は２〜2.5kV程度であり、交流電源24の出
力電圧は振幅（最大ピークと最小ピークの差）で１〜2k
V程度である。そして、合計電圧は、最大電圧が約3kV
で、最小電圧が0V以上（好ましくは500V以上）になるよ
うにしている。交流の周波数は特に制限はないが、10〜
1000Hzを利用できる。A DC power supply 23 and an AC power supply 24 are connected in series between the cathode 10 and the anode 20, and the cathode 10 side is grounded. DC power supply
The output voltage of 23 is about 2 to 2.5 kV, and the output voltage of AC power supply 24 is 1 to 2 k in amplitude (difference between the maximum peak and the minimum peak).
It is about V. And the total voltage is about 3kV maximum
Therefore, the minimum voltage is set to 0 V or higher (preferably 500 V or higher). The frequency of alternating current is not particularly limited, but is 10 to
1000Hz is available.
陽極20と電源23、24との間には、切替えスイッチ25が
あって、他の電源26に切り替えることもできるようにな
っている。たとえば、10-4Torr以上の高い圧力の場合
は、他の電源26として低電力低電圧電源を利用すること
ができる。A changeover switch 25 is provided between the anode 20 and the power supplies 23 and 24 so that it can be switched to another power supply 26. For example, for high pressures of 10 -4 Torr or more, a low power, low voltage power supply can be used as the other power supply 26.
陰極10の二つのリード線12、13の間には、フィラメン
ト加熱電源15があって、熱陰極フィラメント11には数ボ
ルトの直流電圧が印加される。A filament heating power source 15 is provided between the two lead wires 12 and 13 of the cathode 10, and a DC voltage of several volts is applied to the hot cathode filament 11.
イオンコレクタ50には、直流電源54によって、０〜マ
イナス100V程度の負の電圧が印加される。A DC power supply 54 applies a negative voltage of about 0 to −100 V to the ion collector 50.
センサコイル41の二つのリード線は、バンドパスフィ
ルタ42を通過してから互いに接続され、ループを構成し
ている。このループには電流計42が挿入される。バンド
パスフィルタ43は、センサコイルの出力電流のうち、陽
極に印加する交流の周波数と異なる周波数のノイズを除
去するためのものである。The two lead wires of the sensor coil 41 are connected to each other after passing through the bandpass filter 42 to form a loop. An ammeter 42 is inserted in this loop. The bandpass filter 43 is for removing noise having a frequency different from the frequency of the alternating current applied to the anode in the output current of the sensor coil.
次に、この真空計の動作を説明する。 Next, the operation of this vacuum gauge will be described.
陽極電極21と熱陰極フィラメント11との間には、第４
図に示すような陽極電圧を印加する。陽極電圧の最大値
は3kV、最小値は1kVである。印加電圧の直流分は2kVで
あり、交流分の振幅も2kVである。交流分の周波数は300
Hzである。イオンコレクタ電極51にはマイナス100Vを印
加する。熱陰極フィラメント11の両端には5Vを印加す
る。シールド63はマイナス100Vにしておく。Between the anode electrode 21 and the hot cathode filament 11, a fourth
An anode voltage as shown in the figure is applied. The maximum value of the anode voltage is 3 kV and the minimum value is 1 kV. The direct current component of the applied voltage is 2 kV, and the amplitude of the alternating current component is also 2 kV. Frequency of AC component is 300
Hz. Minus 100 V is applied to the ion collector electrode 51. 5V is applied to both ends of the hot cathode filament 11. Keep the shield 63 at -100V.
以上の条件で、この真空計を動作させると、まず、熱
陰極フィラメント11から熱電子が飛び出し、陽極電極21
に向かう。しかし、磁場の作用によって電子の軌跡は曲
げられ、第２図に示すような回転運動17を生じる。これ
により、電子は陽極電極21に到達する前に、きわめて長
い距離を回転運動し、その途中で気体分子に衝突してこ
れを電離する。このような現象により、電極間空間27に
は電子密度の高い放電が起こる。電子は陽極電極21に到
達しにくくなり、陽極電流は通常のＢ−Ａゲージと比較
してきわめて小さくなる。したがって、電子が陽極電極
に衝突する際に生じる軟Ｘ線も少なくなり、軟Ｘ線によ
る測定限界がＢ−Ａゲージよりも低圧領域に移る。気体
分子の電離によって生じたイオンの多くはイオンコレク
タ電極51に集まり、これがイオンコレクタ電流Icとして
電流計53で検出される。このイオンコレクタ電流の値
は、同程度の大きさの従来のＢ−Ａゲージと比較して10
00倍程度の大きさになる。したがって、微小電流を測定
しなくて済み、イオンコレクタ電流を測定するための回
路がきわめて安価になる。When this vacuum gauge is operated under the above conditions, first, thermoelectrons fly out from the hot cathode filament 11 and the anode electrode 21
Head to. However, the trajectory of the electrons is bent by the action of the magnetic field, resulting in the rotational movement 17 as shown in FIG. As a result, the electrons make a rotational movement over an extremely long distance before reaching the anode electrode 21, colliding with gas molecules in the middle thereof and ionizing them. Due to such a phenomenon, a discharge having a high electron density occurs in the inter-electrode space 27. It becomes difficult for the electrons to reach the anode electrode 21, and the anode current becomes extremely small as compared with a normal BA gauge. Therefore, the soft X-rays generated when the electrons collide with the anode electrode are reduced, and the measurement limit by the soft X-rays moves to a lower pressure region than that of the BA gauge. Most of the ions generated by the ionization of gas molecules are collected at the ion collector electrode 51, and this is detected by the ammeter 53 as the ion collector current Ic. The value of this ion collector current is 10 compared to the conventional BA gauge of the same size.
The size is about 00 times. Therefore, it is not necessary to measure a minute current, and a circuit for measuring the ion collector current becomes extremely inexpensive.
陽極電圧は第４図に示すように変動しているので、回
転電子電流の強度もこれにつれて変動する。回転電子電
流が変動すると、センサコイル41を貫く磁束密度が変化
し、センサコイル41には交流電流が誘起される。この誘
起電流は電流計42で検出される。回転電子電流の変動割
合は、回転電子電流の強度に比例するので、誘起電流の
大きさを求めることによって回転電子電流Irを求めるこ
とができる。Since the anode voltage fluctuates as shown in FIG. 4, the intensity of the rotating electron current also fluctuates accordingly. When the rotating electron current fluctuates, the magnetic flux density penetrating the sensor coil 41 changes, and an alternating current is induced in the sensor coil 41. This induced current is detected by the ammeter 42. Since the variation rate of the rotating electron current is proportional to the intensity of the rotating electron current, the rotating electron current Ir can be obtained by obtaining the magnitude of the induced current.
ゲージ球内部の圧力をＰ、真空計の感度係数をＳとす
ると、圧力Ｐは次式で求めることができる。When the pressure inside the gauge sphere is P and the sensitivity coefficient of the vacuum gauge is S, the pressure P can be obtained by the following equation.
Ｐ＝（1/S）（Ic/Ir） ここで、測定例を挙げると、上述の動作条件で、圧力
が１〜10-6Torrの窒素ガスの場合について、イオンコレ
クタ電流Ic＝10μＡ、回転電子電流Ir＝460mAを得た。
これを上式に代入すると、感度係数Ｓ＝24が得られる。
圧力Ｐと電流比（Ic/Ir）とは直線関係にあることが実
験的に確かめられたので、以後、IcとIrとを求めてこれ
を上式に代入すれば、圧力Ｐを求めることができる。第
３図は、このときの圧力Ｐとイオンコレクタ電流Icとの
関係を示す。P = (1 / S) (Ic / Ir) Here, as an example of measurement, in the case of nitrogen gas having a pressure of 1 to 10 −6 Torr under the above operating conditions, the ion collector current Ic = 10 μA, rotation An electron current Ir = 460 mA was obtained.
By substituting this into the above equation, the sensitivity coefficient S = 24 is obtained.
Since it was experimentally confirmed that the pressure P and the current ratio (Ic / Ir) have a linear relationship, the pressure P can be obtained by obtaining Ic and Ir and substituting them in the above equation. it can. FIG. 3 shows the relationship between the pressure P and the ion collector current Ic at this time.
次に、この真空計の別の動作方法を説明する。上述の
動作方法では、回転電子電流を測定しているだけである
が、さらに進んで、回転電子電流を一定に制御すること
もできる。そのためには、いくつかの方法がある。第一
の方法は、電流計42の出力を直流電源23にフィードバッ
クして、電流計42の出力が一定になるように陽極電圧を
変化させる方法である。第二の方法は、電流計42の出力
を熱陰極フィラメント電源54の電圧にフィードバックす
る方法である。第三の方法は、永久磁石31の代わりに電
磁石を用いて、電流計42の出力を、電磁石に流す電流に
フィードバックして磁場の強さを変化させる方法であ
る。Next, another operation method of this vacuum gauge will be described. In the above operating method, only the rotating electron current is measured, but it is possible to further proceed to control the rotating electron current at a constant level. There are several ways to do this. The first method is to feed back the output of the ammeter 42 to the DC power supply 23 and change the anode voltage so that the output of the ammeter 42 becomes constant. The second method is to feed back the output of the ammeter 42 to the voltage of the hot cathode filament power supply 54. The third method is to use an electromagnet instead of the permanent magnet 31, and feed back the output of the ammeter 42 to the current flowing through the electromagnet to change the strength of the magnetic field.
このようにして、イオンコレクタ電流と回転電子電流
との比を測定するだけでなく、回転電子電流を一定に制
御することで、より高精度の圧力測定が可能になる。In this way, not only the ratio of the ion collector current to the rotating electron current is measured but also the rotating electron current is controlled to be constant, so that more accurate pressure measurement becomes possible.
上述のいずれの動作方法においても、10-4Torr以上の
圧力を測定しようとする場合は、切替えスイッチ25によ
って陽極電圧源を低電圧電源26に切り替えて、陽極電極
21に100V程度の電圧を印加するのが好ましい。In any of the above operating methods, when trying to measure a pressure of 10 -4 Torr or more, the anode voltage source is switched to the low voltage power source 26 by the changeover switch 25, and the anode electrode
It is preferable to apply a voltage of about 100 V to 21.
なお、回転電子電流を測定するためには、上述のセン
サコイル41の代わりに、熱陰極フィラメント11を含むル
ープを利用してもよい。すなわち、リード線12、フィラ
メント11、リード線13からなるループに、電流計18とバ
ンドパスフィルタ19とを挿入する。このループには、回
転電子電流によって誘起される交流電流が流れるので、
この誘起電流を電流計18で測定することによって、回転
電子電流を求めることができる。バンドパスフィルタ19
の役割は上述のバンドパスフィルタ43と同じである。In addition, in order to measure the rotating electron current, a loop including the hot cathode filament 11 may be used instead of the sensor coil 41 described above. That is, the ammeter 18 and the bandpass filter 19 are inserted in the loop composed of the lead wire 12, the filament 11, and the lead wire 13. Since an alternating current induced by a rotating electron current flows in this loop,
The rotating electron current can be obtained by measuring the induced current with the ammeter 18. Bandpass filter 19
Has the same role as the bandpass filter 43 described above.
第１図の真空計は、ヌードゲージとして使用すること
もできる。すなわち、容器60を用いずに、被測定容器の
中に圧力測定部分だけを挿入する形式である。その場合
は、陽極電極21を中空容器とし、その外部または内部に
永久磁石31とセンサコイル41とを取り付ける。The vacuum gauge of FIG. 1 can also be used as a nude gauge. In other words, the container 60 is not used, and only the pressure measuring portion is inserted into the container to be measured. In that case, the anode electrode 21 is a hollow container, and the permanent magnet 31 and the sensor coil 41 are attached to the outside or inside thereof.
ロ．第２実施例（冷陰極マグネトロン形） 第５図は、冷陰極マグネトロン形の実施例のうち、主
としてその電極部分だけを示したゲージ球の縦断面図で
ある。この実施例では、上述の熱陰極フィラメントの代
わりに、冷陰極棒16を用いている。冷陰極の利点は、熱
陰極と比較して被測定系を乱さないことにある。すなわ
ち、被測定系の温度上昇を招くことがなく、またガス放
出も少ない。ただし、冷陰極は一般的に言って、熱陰極
と比較して放電の安定性が劣り、イオンコレクタ電流が
不安定になりやすい。B. Second Embodiment (Cold Cathode Magnetron Type) FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a gauge sphere mainly showing only the electrode portion of the cold cathode magnetron type embodiment. In this embodiment, a cold cathode rod 16 is used instead of the above-mentioned hot cathode filament. The advantage of the cold cathode is that it does not disturb the system to be measured as compared with the hot cathode. That is, the temperature of the system to be measured does not rise, and the gas emission is small. However, generally speaking, the cold cathode is inferior in discharge stability to the hot cathode and the ion collector current is likely to be unstable.
このような冷陰極マグネトロン形に、この発明を適用
すると、放電の不安定性に基づく信頼性の欠如が解消で
きる。すなわち、この発明では、イオンコレクタ電流に
加えて、電離のもととなる回転電子電流も測定している
ので、イオンコレクタ電流が不規則に変動したとして
も、イオンコレクタ電流と回転電子電流との比を求めれ
ば、このような変動は相殺できる。したがって、この発
明を利用すれば、冷陰極の利点を保ったまま、信頼性を
向上させることができる。When the present invention is applied to such a cold cathode magnetron type, lack of reliability due to instability of discharge can be solved. That is, in the present invention, in addition to the ion collector current, the rotating electron current that is the source of ionization is also measured. Therefore, even if the ion collector current fluctuates irregularly, If a ratio is obtained, such fluctuations can be offset. Therefore, by utilizing the present invention, the reliability can be improved while maintaining the advantages of the cold cathode.
以下、冷陰極マグネトロン形を採用した場合の相違点
を説明する。The differences when the cold cathode magnetron type is adopted will be described below.
電気的構成として、第１図と異なるところは、フィラ
メント電源15が要らないことであり、他端のリード線13
も不要になる、10-4Torr以上の圧力を測定するときは、
熱陰極形のように陽極電圧を100V程度まで下げずに、30
0〜1000Vにする。The electrical configuration is different from that of FIG. 1 in that the filament power supply 15 is not required, and the lead wire 13 at the other end is
Is also unnecessary, when measuring pressure of 10 -4 Torr or more,
Do not reduce the anode voltage to about 100 V, unlike the hot cathode type,
Set to 0 to 1000V.
冷陰極の場合は、放電が不安定になり易くて、センサ
コイルに誘起される電流にもいろいろなノイズが重畳さ
れている。したがって、第１図に示すバンドパスフィル
タ42は特に欠かせない。In the case of the cold cathode, the discharge is likely to be unstable, and various noises are superimposed on the current induced in the sensor coil. Therefore, the bandpass filter 42 shown in FIG. 1 is indispensable.
第５図には、永久磁石311の隣りにセンサコイル411を
配置した例が示してあるが、第１図のようなセンサコイ
ル41の配置でもよい。もちろん、第１図の熱陰極形で
も、第５図のようなセンサコイル411の配置を選択でき
る。結局、センサコイルは、回転電子電流とカップリン
グできればどこに配置してもよい。Although FIG. 5 shows an example in which the sensor coil 411 is arranged next to the permanent magnet 311, the sensor coil 41 may be arranged as shown in FIG. Of course, even in the hot cathode type shown in FIG. 1, the arrangement of the sensor coil 411 as shown in FIG. 5 can be selected. After all, the sensor coil may be located anywhere that it can couple with the rotating electron current.
ハ．電極の各種の変更例 第１図に示した陰極または陽極は、以下のように変更
することができる。C. Various Modifications of Electrodes The cathode or anode shown in FIG. 1 can be modified as follows.
第６図は、ヘアピン形の熱陰極フィラメント111を示
す。ただし、この陰極を用いた場合は、第１図の電流計
18を利用した回転電子電流の測定は出来ない。フィラメ
ント111を含むループでは、これを貫く磁束の変化割合
が極めて小さくなるからである。FIG. 6 shows a hairpin-shaped hot cathode filament 111. However, when this cathode is used, the ammeter of Fig. 1
The rotating electron current using 18 cannot be measured. This is because in the loop including the filament 111, the change rate of the magnetic flux passing through the loop is extremely small.
第７図は、スリット28を形成した円筒状の陽極電極21
1を示す。この陽極電極は、リード線を第７図に示すよ
うにループにすることによって、１ターンコイルの働き
をさせることができる。すなわち、回転電子電流によっ
てこの１ターンコイルに交流電流が誘起され、これを電
流計29で測定することによって回転電子電流を測定しよ
うとするものである。FIG. 7 shows a cylindrical anode electrode 21 having a slit 28 formed therein.
Indicates 1. This anode electrode can function as a one-turn coil by looping the lead wire as shown in FIG. That is, an alternating current is induced in the one-turn coil by the rotating electron current, and the rotating electron current is to be measured by measuring this with an ammeter 29.
第８図は、角形の陽極電極212を示し、これも１ター
ンコイルとして利用できる。FIG. 8 shows a square anode electrode 212, which can also be used as a one-turn coil.
第９図は、エンドプレート付き冷陰極マグネトロン形
の陰極構造を示す。冷陰極棒16には円板状のエンドプレ
ート161、162が固定されていて、これらが陽極電極21の
両端部近傍に配置される。FIG. 9 shows a cold cathode magnetron type cathode structure with an end plate. Disc-shaped end plates 161 and 162 are fixed to the cold cathode rod 16, and these are arranged near both ends of the anode electrode 21.
第10図は、逆マグネトロン形の電極構造を示す。すな
わち、円筒状の陰極電極163の中心に陽極棒213が配置さ
れる。図示の例では、放電空間以外への電子の拡散を防
ぐために、陰極電極163の両端にエンドプレート164、16
5を設けてある。FIG. 10 shows an inverse magnetron type electrode structure. That is, the anode rod 213 is arranged at the center of the cylindrical cathode electrode 163. In the illustrated example, the end plates 164, 16 are provided at both ends of the cathode electrode 163 in order to prevent the diffusion of electrons outside the discharge space.
5 is provided.
ニ．第３実施例（ペニング形） 第11図は、ペニング形の真空計にこの発明を適用した
ものである。円筒状の陽極電極21の両端部近傍には、円
板状の一対の陰極電極166、167が配置されている。陽極
と陰極との間に印加する電圧や、回転電子電流の測定方
法については、基本的には第１図の実施例と同じであ
る。D. Third Embodiment (Penning Type) FIG. 11 shows a Penning type vacuum gauge to which the present invention is applied. A pair of disk-shaped cathode electrodes 166 and 167 are arranged near both ends of the cylindrical anode electrode 21. The voltage applied between the anode and the cathode and the method of measuring the rotating electron current are basically the same as those in the embodiment of FIG.
ホ．マイクロ波による回転電子電流の測定 第12図と第13図は、回転電子電流を測定する別の手段
として、マイクロ波を検出する例を示す。これらの図で
は、冷陰極形の例を示すが、熱陰極の場合でも同様に利
用できる。E. Measurement of Rotating Electron Current by Microwave FIG. 12 and FIG. 13 show an example of detecting microwave as another means for measuring the rotating electron current. Although an example of a cold cathode type is shown in these drawings, the same can be applied to the case of a hot cathode.
第12図では、陽極電極21の一端の近傍に、マイクロ波
引出し電極70を配置している。マイクロ波引出し電極70
は、カップリングループ71と伝送線路72とからなる。発
生するマイクロ波の強度は回転電子電流に依存するの
で、このマイクロ波の強度を検出することによって、回
転電子電流を測定することができる。In FIG. 12, a microwave extraction electrode 70 is arranged near one end of the anode electrode 21. Microwave extraction electrode 70
Is composed of a coupling group 71 and a transmission line 72. Since the intensity of the generated microwave depends on the rotating electron current, the rotating electron current can be measured by detecting the intensity of the microwave.
第13図では陽極電極21にキャビティ214を設けて、そ
の内部にカップリングループ71を配置している。In FIG. 13, a cavity 214 is provided in the anode electrode 21, and a coupling group 71 is arranged inside it.
ヘ．放射光による回転電子電流の測定 第14図と第15図は、回転電子電流を測定する別の手段
として、放射光を検出する例を示す。第14図はゲージ球
の横断面図であり、第15図は第14図のXV−XV線断面図で
ある。磁場中で電子が回転すると電子は光を放出するの
で、放射光検出手段80で放射光の強度を測定すれば回転
電子電流を測定することができる。F. Measurement of Rotating Electron Current by Synchrotron Radiation FIGS. 14 and 15 show an example of detecting synchrotron radiation as another means for measuring the rotary electron current. 14 is a cross-sectional view of the gauge ball, and FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line XV-XV of FIG. Since the electrons emit light when the electrons rotate in the magnetic field, the rotating electron current can be measured by measuring the intensity of the emitted light by the emitted light detecting means 80.
陽極電極21には開口215が形成されていて、放電空間
で発生した放射光81は、開口215を通過する。この放射
光81は、感光部82に到達して電子流に変換されて検出さ
れる。感光部82は、二次電子放射板や二次電子増倍管な
どで構成される。An opening 215 is formed in the anode electrode 21, and the emitted light 81 generated in the discharge space passes through the opening 215. The emitted light 81 reaches the photosensitive section 82, is converted into an electron stream, and is detected. The photosensitive section 82 is composed of a secondary electron emission plate, a secondary electron multiplier tube, and the like.
なお、第14図と第15図では、容器の外側の磁場設定手
段は省略してある。In FIGS. 14 and 15, the magnetic field setting means outside the container is omitted.
ト．プローブによる回転電子電流の測定 第16図は、回転電子電流を測定する別の手段として、
プローブ90を利用する例を示す。陽極電極21には小さな
開口216が形成されていて、そこからプローブ電極91が
放電空間に挿入される。プローブ電極91は、放電空間以
外のところでは絶縁被覆93で覆われ、リード線92によっ
て外部の計器に接続される。このプローブ90の電流、電
位等を測定することによって回転電子電流を測定でき
る。プローブ90の取り付け位置は、必要に応じて図示以
外の位置にすることもできる。G. Measurement of rotating electron current with a probe Fig. 16 shows another means for measuring rotating electron current.
An example of using the probe 90 will be shown. A small opening 216 is formed in the anode electrode 21, and the probe electrode 91 is inserted into the discharge space from there. The probe electrode 91 is covered with an insulating coating 93 except for the discharge space, and is connected to an external instrument by a lead wire 92. The rotating electron current can be measured by measuring the current and potential of the probe 90. The mounting position of the probe 90 can be set to a position other than that shown in the drawings as required.
なお、以上の三種類の回転電子電流測定手段、すなわ
ち、マイクロ波、放射光、プローブのいずれかを用いる
場合は、第１図に示す交流電源24は必ずしも必要ない。
回転電子電流を変動させる必要がないからである。When any one of the above three types of rotating electron current measuring means, that is, microwave, synchrotron radiation, or probe is used, the AC power supply 24 shown in FIG. 1 is not always necessary.
This is because it is not necessary to change the rotating electron current.
各図に示したそれぞれの実施例、電極構造、回転電子
電流測定手段は、特に不都合がない限り、互いに組み合
わせて用いることができる。The respective embodiments, electrode structures, and rotating electron current measuring means shown in the respective drawings can be used in combination with each other unless there is a particular problem.
［発明の効果］ この出願の第一発明に係る真空計は、交差電磁界形の
真空計において回転電子電流を測定して、これとイオン
コレクタ電流との比を求めることによって、圧力を測定
している。したがって、次の効果がある。交差電磁界形
の従来の真空計は、感度は高いが、イオンコレクタ電流
だけを測定しているので測定精度に難点があったが、こ
の発明では、イオンコレクタ電流と回転電子電流との比
を用いているので、高い感度を維持しつつ測定精度が格
段に向上する。[Effects of the Invention] The vacuum gauge according to the first invention of the present application measures the pressure by measuring the rotating electron current in a crossed electromagnetic field type vacuum gauge and determining the ratio of this to the ion collector current. ing. Therefore, there are the following effects. Although the crossed electromagnetic field type conventional vacuum gauge has high sensitivity, it has a problem in measurement accuracy because it measures only the ion collector current.However, in the present invention, the ratio between the ion collector current and the rotating electron current is Since it is used, the measurement accuracy is significantly improved while maintaining high sensitivity.
この出願の第二発明に係る真空計は、第一発明の特徴
に加えて、回転電子電流を一定に制御しているので、測
定精度の向上がより期待できる。In addition to the features of the first invention, the vacuum gauge according to the second invention of this application controls the rotating electron current to be constant, so that improvement in measurement accuracy can be expected more.
この出願の第三発明に係る真空計は、第一発明の特徴
に加えて、直流分と交流分とからなる電圧を陰極と陽極
との間に印加している。したがって、回転電子電流が周
期的に変動し、電磁誘電現象を利用してこの回転電子電
流を測定できる。In addition to the features of the first invention, the vacuum gauge according to the third invention of this application applies a voltage composed of a DC component and an AC component between the cathode and the anode. Therefore, the rotating electron current fluctuates periodically, and this rotating electron current can be measured by utilizing the electromagnetic dielectric phenomenon.
第１図は第１実施例の構成図、 第２図は第１図のII−II線断面図、 第３図は第１実施例の圧力・イオンコレクタ電流曲線を
示すグラフ、 第４図は第１実施例の陽極電圧を示すグラフ、 第５図は第２実施例の要部断面図、 第６図から第10図までは陰極または陽極の各種の変更例
を示す説明図、 第11図は第３実施例の要部断面図、 第12図と第13図はマイクロ波検出手段の説明図、 第14図と第15図は放射光検出手段の説明図、 第16図はプローブの説明図である。 10……陰極 20……陽極 23……直流電源 24……交流電源 30……磁場設定手段 40……回転電子電流測定手段 50……イオンコレクタ1 is a configuration diagram of the first embodiment, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 1, FIG. 3 is a graph showing a pressure-ion collector current curve of the first embodiment, and FIG. FIG. 5 is a graph showing the anode voltage of the first embodiment, FIG. 5 is a sectional view of the essential parts of the second embodiment, and FIGS. 6 to 10 are explanatory views showing various modifications of the cathode or the anode. Is a sectional view of an essential part of the third embodiment, FIGS. 12 and 13 are illustrations of microwave detection means, FIGS. 14 and 15 are illustrations of radiation detection means, and FIG. 16 is description of probe. It is a figure. 10 …… Cathode 20 …… Anode 23 …… DC power supply 24 …… AC power supply 30 …… Magnetic field setting means 40 …… Rotating electron current measuring means 50 …… Ion collector
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 正彦 東京都府中市四谷５―８―１ 日電アネ ルバ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−156825（ＪＰ，Ａ) 特公 昭40−1436（ＪＰ，Ｂ１) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masahiko Kobayashi 5-8-1, Yotsuya, Fuchu-shi, Tokyo NIDEC ANELVA CORPORATION (56) References JP 55-156825 (JP, A) JP 40 -1436 (JP, B1)
Claims (3)
成する磁場設定手段と、 前記電場と前記磁場の作用によって生じる回転電子電流
を測定する手段と、 回転電子によって電離したイオンを収集するイオンコレ
クタ とを有し、前記回転電子電流とイオンコレクタ電流との
比を求めることによって圧力を測定することを特徴とす
る真空計。1. A cathode, an anode, a magnetic field setting means for forming a magnetic field that intersects an electric field formed by the cathode and the anode, and means for measuring a rotating electron current generated by the action of the electric field and the magnetic field. And an ion collector that collects ions ionized by rotating electrons, and the pressure is measured by determining the ratio of the rotating electron current to the ion collector current.
イオンコレクタ電流を測定することによって圧力を測定
することを特徴とする請求項１記載の真空計。2. The vacuum gauge according to claim 1, wherein the rotating electron current is controlled to be constant, and the pressure is measured by measuring the ion collector current.
極との間に印加することを特徴とする請求項１記載の真
空計。3. The vacuum gauge according to claim 1, wherein a voltage composed of a direct current component and an alternating current component is applied between the cathode and the anode.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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1989
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