JP3069975B2

JP3069975B2 - 電離真空計

Info

Publication number: JP3069975B2
Application number: JP3254552A
Authority: JP
Inventors: 信治大迫; 俊雄菊池; 若雄渡邊
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: US5602441A; KR960009353B1; JPH0566170A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電離真空計に関するも
ので、特に改良されたＢ−Ａ型電離真空計の測定子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】電離真空計は、ほとんどの高真空、超高
真空装置の圧力測定に広く用いられている。この真空計
は、電子を放出するフィラメント、フィラメントに対し
正電位にバイアスされたグリッド、およびフィラメント
に対して負電位にバイアスされたイオンコレクターを有
する。フィラメントを発した電子はグリッドの正電界に
よって加速されグリッドに集められるが、この電子の一
部は気体分子と衝突してイオンを生じる。このイオンは
イオンコレクターの負電位によって引きつけられて集め
られ、イオン電流として外部に接続された電流計により
電流値が計測され圧力に換算される。

【０００３】電離真空計の中でも、Ｂ−Ａ型真空計と呼
ばれる測定子は（以下単に真空計と称す）、図２に示す
ような構造を有する。この真空計は上記フィラメント、
グリッド、およびイオンコレクターが円筒状に配置さ
れ、円筒の中心軸に沿って針状のイオンコレクター２
３、その外側にイオンコレクターを取り囲むようにコイ
ル状に巻かれたグリッド２２、グリッドの外側にはフィ
ラメント２１が配置される。更に、高圧力側の測定範囲
を広げた改良された真空計においては、フィラメントの
外側にフィラメントを囲むように補助電極２４が置かれ
ている。また、これらの電極全体を囲み大気圧から隔絶
する容器１１は通常ガラスが用いられるが、容器壁の電
位を安定化するためにガラスの内面に接地された金属膜
のコーティング２５が施されることもある。ガラス製の
容器１１の側面には、圧力を測定したい真空容器と繋げ
る為の通気管１２が取りつけられている。

【０００４】各電極の電位配置を電極部断面の模式図と
共に図３に示す。これらの電位は真空計の外部の制御電
源３１によって与えられる。イオンコレクター２３、補
助電極２４および容器内面の金属膜コーティング２５は
接地電位に保たれる。これに対しフィラメント２１は正
電位にバイアスされグリッド２２は更に高い電位に保た
れる。フィラメント−グリッド間の電位差は、多くの気
体のイオン化効率が最大となる１５０Ｖ程度に設定され
るのが通常である。フィラメント２１を発した熱電子
は、グリッド２２の電位に引かれてグリッド２２の方向
に加速されながら移動するが、グリッド格子を行き過ぎ
るとイオンコレクター２３の作る逆電界によって減速さ
れ押し戻される。このようにしてグリッド２２の格子の
周りを電子が周回しながら振動し、一部の電子が気体分
子に衝突してイオンを生じる。このイオンはイオンコレ
クター２３の負電界に引かれてイオンコレクターに集め
られ、外部に接続された制御電源３１内で電流値が測定
され、圧力に換算される。この圧力への換算において電
子電流の測定値が用いられるが１０^-3Torr以上の比較的
高い圧力領域においては気体分子の密度が高いためにイ
オンの発生頻度が多く、イオンがフィラメントの負電位
に引かれてフィラメントに入射するために電子電流の測
定値に大幅な誤差を生じて測定が不可能になる。これを
防止する目的でフィラメント２１の近傍により低い電位
の補助電極２４を設けてイオンがフィラメントに入射す
る比率を小さくし、通常の真空計に比べて測定可能の圧
力範囲を２桁高い１×１０^-1Torrまで改善したワイドレ
ンジ型真空計が、特にスパッタリング時の圧力測定など
に使用されている。また、ガラス容器の内面のコーティ
ング２５はやはり高い圧力の測定時において生成したイ
オンがガラス壁に捕えられて内面を帯電させることを防
ぎ、真空計内部の電位を安定化させる目的のものであ
る。

【０００５】以上の従来の真空計の典型的な形状と寸法
は、以下の通りである。ガラス容器１１は直径５０〜６
０mm、長さ１００〜１５０mm程度の円筒形状のものが用
いられる。フィラメント２１は長さ４０〜５０mmの直線
上、コイル状或いはヘアピン状に加工されたものなどが
用いられている。グリッド２２は線径１mm程度のタング
ステン線などを直径１５〜２５mm、長さ２０〜３０mm、
巻きのピッチ３mm程度のコイル状に整形したものが一般
的に用いられる。これは、コイルの両端から通電を行な
うことによりグリッド自身及び周囲の加熱ガス出しを行
うためである。グリッドをコイル状にせずに電子衝撃加
熱方式を通電加熱の代わりに用いてガス出しを行う方式
の真空計もあるが、この方式の場合はグリッドの加熱ガ
ス出しを行っている間はグリッド電位や電子電流が通常
測定時とは異なるモードで動作しているので圧力の測定
が行えないという欠点があるために、超高真空の測定を
重視した実験装置の用途以外では望ましくない。

【０００６】イオンコレクター２３は通常、直径０．２
mm程度、長さ４０〜５０mm程度のタングステン線などで
作られる。補助電極はＲ５mm〜Ｒ１０mm、長さはフィラ
メントの長さよりも多少長めの半円筒状に加工された金
属板が通常用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、電離真
空計でもＢ−Ａ型電離真空計は性能的には完成された技
術であり、広く圧力測定に使用されている。しかしなが
ら、従来の電離真空計の測定子は容器がガラス製である
ために、破損の危険性のある場所への取り付けが出来
ず、装置の設計に制約を生じていた。また、メンテナン
ス作業時に誤って工具や身体の一部を当てて破損して、
真空チャンバー内を大気暴露してしまう危険性があっ
た。これを避けるためにカバーなどで真空計全体を覆う
こともあるが、狭い場所への取り付けが困難であり、近
年益々複雑化し、様々な部品類が所狭しと取り付けられ
るようになってきている真空装置には、多くの不都合が
生じてきている。この問題を解決し、破損の危険性の無
い真空計を得るために、ガラスに変えて金属容器内に組
み込まれた真空計が使用されることもあるが、従来のこ
の種の金属容器封入型の真空計ではフィラメントの輻射
熱が金属容器に吸収されて温度が高くなり、容器壁から
のガス放出が多くなるため、通常容器壁を水冷するなど
の手段を用いなければ到達圧力が悪く、正常な圧力測定
が行えないものであった。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明はこの問題を解決
し、ガス放出を小さく抑え、また測定範囲を損なうこと
がなく、かつ丈夫な電離真空計を提供することを目的と
する。

【０００９】上記の目的を達成するために、本発明によ
る電離真空計は、６〜２０mm²の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３mmの金属線を材料
として直径５〜７mm、長さ１５〜２０mmで両端部から通
電可能なコイル状に加工されたグリッドと、グリッドの
コイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極と、これ
らの電極全体を取り囲むフィラメント電位以下の電位に
保たれた金属製容器を備え、フィラメント、グリッドお
よびイオンコレクター電極をＢ−Ａ型電離真空計の電極
配置にしたことを特徴としている。

【００１０】前記グリッドのコイルの巻きのピッチは、
１．５〜２．５mmの範囲とするのが望ましい。また、フ
ィラメントとグリッドの距離は２〜４mmの範囲、金属製
容器の内径は２０〜３０mmの範囲とするのが望ましく、
フィラメントと金属容器の内壁は８mmを越えない距離の
間隔を保つのが望ましい。

【００１１】前記グリッドの金属線は、タングステン、
モリブデン等の高融点金属の線材を使用する。

【００１２】

【作用】本発明の電離真空計の構造によって以下に説明
するようにガス放出の影響が少なく、１０^-9Torr台の超
高真空までの測定が可能で、かつ高圧領域は１×１０^-1
Torrまで測定が可能な真空計が実現できる。また、容器
は金属製容器であるので破損のおそれを無くすることが
できる。

【００１３】フィラメントから発する輻射熱を低減する
為に本発明の真空計では、フィラメントの面積を一般的
な従来の真空計の約1/20に減少させている。同一温度に
おいては輻射熱はフィラメントの面積に比例して減少す
るので、これにより大幅な輻射熱の低減が可能となる。
電離真空計においては、気体分子を電離するために通常
数１０μＡから数ｍＡの電子電流をフィラメントから取
出さねばならないので、フィラメントの面積の減少によ
る電子電流の減少を補うためにフィラメントをより高い
温度で動作させる必要がある。一般に熱陰極フィラメン
トの単位面積から発する電子電流の強度は、フィラメン
トの温度を上げると急激に増加する。一方、フィラメン
トの単位面積から発する輻射熱もフィラメントの温度と
共に増加するが、一般的なフィラメントの動作温度であ
る１０００℃から３０００℃近辺の温度領域では放出電
子電流の増加の方が輻射熱の増加よりもけた違いに大き
い。従って、温度の増加を考慮に入れても約1/10程度の
輻射熱の減少が実現できる。面積をこれ以上更に小さく
して温度を上げることは、輻射熱を更に減らす効果を生
むが、フィラメント材料の蒸発速度を早め、フィラメン
トの寿命を縮めるため実用的でない。発明者らの研究に
よれば、有効面積６mm²は、このフィラメント寿命の観
点から臨界的な値である。２０mm²は輻射熱の観点から
臨界的な値である。また、フィラメントとグリッドの間
隔を４mm以下にすることによって、フィラメントとグリ
ッド間の電位勾配を大きくすることができ、これによっ
てフィラメントからの電子放出を助け、フィラメント温
度の増大の必要性を抑える働きをする。このフィラメン
ト−グリッド間距離を２mm以下にすることは製造を困難
にすると共に、真空計の感度が２mm以下の距離では急激
に低下することが発明者らの研究によって明らかになっ
た為、望ましくない。

【００１４】本発明の真空計においては、ガス放出を低
減するために更に電極全体の体積を小さくしている。グ
リッドは０．１〜０．３mm程度の太さのタングステンあ
るいはモリブデンなどの高融点金属の線材を直径５〜７
mm、長さ１５〜２０mm、巻きのピッチ２〜３mmで両端部
から通電可能なコイル状に加工したものを用いる。この
グリッドは従来の典型的な真空計に比べて質量で約1/10
0 、表面積で約1/20であり、大幅にガス放出の低減が可
能である。グリッドを全体に小さくしたことによって、
真空計の感度に影響を与えるグリッドの囲む体積は約1/
20に減少するが、本発明の真空計においては、この感度
低下を避けるために以下のような構造の工夫がされてい
る。

【００１５】グリッドの直径（コイルの）を小さくし
たことによって、グリッド中心軸に沿って配置され、グ
リッドに対しマイナスの電位にバイアスされたイオンコ
レクターとグリッドで作られるイオン収集電界の強度が
増している。

【００１６】グリッドの直径に対する長さの比率を高
めて、イオンがグリッドの上下端より外部へ散逸するの
を防ぎ、イオンコレクターの収集効率を高めている。

【００１７】前述したように、フィラメントの動作温
度を高めて小さなフィラメントにも拘らず、通常の真空
計と同程度の電子電流を放出できるようにしている。

【００１８】グリッドコイルの巻線のピッチも感度に
影響を与えるが、発明者らの研究ではこの大きさのグリ
ッドにおいては１．５〜２．５mmのピッチが最適である
ことが確認された。

【００１９】これらにより真空計としての感度は、従来
の真空計の1/2 程度にしか低下しない。

【００２０】本発明の真空計において、上記の各電極を
囲む金属容器の形状も特性に影響を与える重要な要素で
ある。この金属容器は本真空計においては接地電位に保
たれ、グリッドと本金属容器との間に同軸状の円筒電界
を形成し、グリッドと金属容器の間に位置し、それらの
中間の電位を持つフィラメントから発する電子をグリッ
ド側に押し戻し、電子がグリッドを中心として周囲を振
動しながら周回して効率良く気体分子をイオン化するよ
うに作用する。従来の真空計においてもガラス容器の内
面に金属膜のコーティングがなされ、接地電位に保たれ
る場合もあるが、グリッドと金属コーティング膜の距離
は通常１５mm〜２５mm程度である。本発明の真空計にお
いては、グリッド径の縮小、フィラメント−グリッド間
距離の縮小に対応してグリッド内外の電位勾配が滑らか
になるように金属容器の内径を小さくしている（約２４
mm）。また、金属容器の内径も小さくし、接地電位の金
属容器壁とフィラメントの距離を８mm以内に近づけるこ
とによって、ワイドレンジ型の電離真空計におけるフィ
ラメントへのイオン入射防止用の補助電極（図２におけ
る２４）の役目を、本真空計の金属容器壁が兼ねること
ができ、これによって高い圧力側の測定範囲を１×１０
^-1Torrまで延長することができる。

【００２１】上記の構成の電離真空計測定子において、
フィラメントを点火し、数１０μＡから数ｍＡのエミッ
ション電流をフィラメントから発生させるのに必要な電
力は通常の大きさの電離真空計測定子に比べ数十分の一
に減少する。このために金属容器を用いてもガス放出の
影響無しに、１０^-9Torrまでの超高真空の測定が可能で
ある。また、通常より小さな体積の電離空間にも拘ら
ず、大きな電位勾配によって電離を行う電子の空間密度
が大きく、また、イオンコレクターのイオン収集効率が
大きいために真空計としての感度が大きく保たれる。さ
らに、フィラメントの背後にフィラメントよりも低い電
位の金属壁が近接して置かれているために、この金属容
器壁がイオンがフィラメントに流れ込んで実エミッショ
ン電流を減少させるのを防止する補助電極の役割を果
し、高圧力側の測定限界が伸び１×１０^-1Torrまでの測
定が可能となる。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の一実施例である。

【００２３】１０はＳＵＳ３０４などの金属でできた円
筒状の容器であり、フィラメント２１およびグリッド２
２との距離を適切に保って電子軌道を最適化するため
に、ほぼ２４mmの内径を持ち、接地ケーブルあるいは測
定子の取りつけられる真空容器を通じてアース電位に保
たれる。

【００２４】図上で容器１０の上方には、真空容器との
接続用に排気管１２が設けられている。排気管１２の端
部には接続フランジ１３が設けてあり、真空容器との接
続ができるようになっている。接続フランジ１３を設け
ることなく、排気管１２をＯリングシールの機構によっ
て真空装置に接続するようにしても良い。

【００２５】容器１０の底からは、絶縁体２６によって
絶縁された複数のピンが容器内に導入され、真空計の各
電極の支持と動作電圧の印加が行われる。

【００２６】円筒状容器１０のほぼ中心軸状には太さ約
０．２mmのタングステン製のイオンコレクター２３がグ
リッド２２のコイルのほぼ上端面まで突き出るようにピ
ン３３に取りつけられる。

【００２７】このイオンコレクター２３を取り囲んで表
面に白金がコーティングされた太さ約０．２mmのモリブ
デン線でコイル状に作られたグリッド２２が、ピン３２
ａおよびピン３２ｂで支持され、ピン３２ａ、３２ｂの
間に電流を流すことによって圧力測定を中断することな
くグリッド２２の加熱が行えるようになっている。

【００２８】グリッド２２の外側には、太さ約０．２mm
のトリアコートイリジウム線を高さ約１２mmのヘアピン
状に加工したフィラメント２１がグリッド２２からの距
離が２．５mmの位置にピン３１ａ、３１ｂに支持されて
取りつけられている。このフィラメント２１の表面積は
約１５mm²であり、上述した効果によってこのフィラメ
ント２１を数ｍＡの電子電流で動作させたときの輻射熱
は約２Ｗであり、これは通常の真空計の1/10程度の値で
あり、輻射熱による温度上昇に起因する容器１０からの
ガス放出を軽減できる。このフィラメント２１と金属容
器１０の内壁の間隔は約６．５mmであり、高圧力領域に
おいて多量に発生するイオンがフィラメント２１に流れ
込み電子電流の正確な測定ひいては圧力の測定を妨げる
のを有効に防止することができる。

【００２９】この真空計の底部の絶縁体２６に平行にシ
ールド２７が設けられる。これはフィラメント２１やグ
リッド２２からの蒸発物などで絶縁体２６の表面が汚染
され、ピン間の絶縁に影響するのを防止するためと、イ
オンコレクター２３の導入端子ピン３３にグリッド２２
からのＸ線が照射して生じるＸ線残留電流による低圧力
側の測定誤差（測定下限圧力を上昇させる）を防ぐため
及びグリッド２２の下端部の電位を安定化させる役割を
持っている。

【００３０】以上の構造の真空計を、グリッド電位１８
０Ｖ、フィラメント電位４５Ｖ、イオンコレクター及び
金属容器を接地電位で動作させた場合１０^-9Torrから１
×１０^-1Torrの範囲で一定の感度約６Torr^-1が得られ、
また金属容器の表面温度は約４０℃であり、到達圧力は
約１×１０^-9Torrであった。また、この真空計の容積は
約１０ccであり、従来のガラス製真空計の約1/20の大き
さである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガス放出
が小さく高真空（低圧力）の測定が可能であり、また、
感度や高圧力側の測定範囲を損なわないまま、従来のガ
ラス製の容器で構成した真空計の約1/20程度の大きさの
丈夫な金属製のＢ−Ａ型真空計が提供できる効果があ
る。

【００３２】容器を金属製としたので、真空容器と接続
するための接続フランジも、通常の溶接技術で容易に取
付けることができ、ガラス製の接続管に対して接続フラ
ンジを設けるのに要するコストを省くことができるなど
の効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図であり、(a) は縦断
正面図、(b) は縦断側面図、(c) は横断面図である。

【図２】従来のガラス製真空計の構造を示す説明図であ
る。

【図３】図２に示した真空計の電極の電位配置を説明す
る図である。

【符号の説明】

１０金属製容器１１ガラス製容器１２真空装置への接続管１３接続フランジ２１フィラメント２２グリッド２３イオンコレクター２４補助電極２５ガラス内面金属膜コーティング２６絶縁体２７シールド３１制御電源３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ピン

フロントページの続き (56)参考文献実開昭56−28156（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 21/30 G01L 21/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】６〜２０ｍｍ²の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工されたグリッドと、グリ
ッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極がＢ−Ａ型電離真
空計の電極配置にしたことを特徴とするＢ−Ａ型電離真
空計。
【請求項２】グリッドのコイルの巻きのピッチが１．
５〜２．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１
記載の電離真空計。
【請求項３】フィラメントとグリッドの距離が２〜４
ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の電離
真空計。
【請求項４】フィラメントと金属製容器の内壁は、８
ｍｍを越えない距離の間隔を保ってあることを特徴とす
る請求項１記載の電離真空計。
【請求項５】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工され、コイルの巻きのピ
ッチが１．５〜２．５ｍｍの範囲であるグリッドと、グ
リッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極がＢ−Ａ型電離真
空計の電極配置にされていることを特徴とするＢ−Ａ型
電離真空計。
【請求項６】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工されたグリッドと、グリ
ッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極が、フィラメント
とグリッドの距離を２〜４ｍｍの範囲として、Ｂ−Ａ型
電離真空計の電極配置にされていることを特徴とするＢ
−Ａ型電離真空計。
【請求項７】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工されたグリッドと、グリ
ッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極がＢ−Ａ型電離真
空計の電極配置にされ、前記フィラメントと前記金属製
容器の内壁は、８ｍｍを越えない距離の間隔を保ってい
ることを特徴とするＢ−Ａ型電離真空計。
【請求項８】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工され、コイルの巻きのピ
ッチが１．５〜２．５ｍｍの範囲であるグリッドと、グ
リッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極が、フィラメント
とグリッドの距離を２〜４ｍｍの範囲として、Ｂ−Ａ型
電離真空計の電極配置にされていることを特徴とするＢ
−Ａ型電離真空計。
【請求項９】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有する
フィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を材
料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端部
から通電可能なコイル状に加工されたグリッドと、グリ
ッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電極
と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位以
下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメント、
グリッドおよびイオンコレクター電極が、フィラメント
とグリッドの距離を２〜４ｍｍの範囲として、Ｂ−Ａ型
電離真空計の電極配置にされ、前記フィラメントと前記
金属製容器の内壁は、８ｍｍを越えない距離の間隔を保
っていることを特徴とするＢ−Ａ型電離真空計。
【請求項１０】６〜２０ｍｍ ² の範囲の表面積を有す
るフィラメントと、太さ０．１〜０．３ｍｍの金属線を
材料として直径５〜７ｍｍ、長さ１５〜２０ｍｍで両端
部から通電可能なコイル状に加工され、コイルの巻きの
ピッチが１．５〜２．５ｍｍの範囲であるグリッドと、
グリッドのコイルとほぼ同じ長さのイオンコレクター電
極と、これらの電極全体を取り囲む、フィラメント電位
以下の電位に保たれた金属製容器を備え、フィラメン
ト、グリッドおよびイオンコレクター電極が、フィラメ
ントとグリッドの距離が２〜４ｍｍの範囲として、Ｂ−
Ａ型電離真空計の電極配置にされ、前記フィラメントと
前記金属製容器の内壁が８ｍｍを越えない距離の間隔を
保っていることを特徴とするＢ−Ａ型電離真空計。