(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グリッドとフィラメントと引出電極とを有するイオン生成部と、
円筒電極と、該円筒電極の入口側と出口側にそれぞれ配置されたフィルタ電極とを有するエネルギーフィルタ部と、
２次電子増倍機能があるイオンコレクタを有するイオン検出部とが設けられた電離真空計の、
前記フィラメントから放出された熱電子が残留ガスに衝突して気体イオンが生成され、前記熱電子が前記グリッドに入射して脱離イオンが放出され、
前記引出電極によって前記各イオンが引き出され、前記入口側のフィルタ電極を通って前記円筒電極内に進入するように構成された電離真空計であって、
前記円筒電極と前記フィルタ電極との間の電位関係を変更することで、
所定圧力以下の真空雰囲気では、前記エネルギーフィルタ部内を前記脱離イオンは通過させず、前記気体イオンを通過させて前記イオンコレクタに入射させ、増倍されたイオン電流を測定し、
他方、前記所定圧力以上の真空雰囲気では、前記エネルギーフィルタ部に前記気体イオンを捕集させ、流れるイオン電流を測定できるように構成されたことを特徴とする電離真空計。
【請求項２】
前記エネルギーフィルタ部で前記気体イオンを捕集する際、前記円筒電極の電位と前記フィルタ電極の電位とを調節し、前記円筒電極に前記脱離イオンを入射させ、前記フィルタ電極に前記気体イオンを入射させ、前記フィルタ電極に流れるイオン電流を測定できるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の電離真空計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電離真空計の技術分野にかかり、特に、極高真空領域の測定ができるエネルギーフィルタ型の電離真空計の測定圧力範囲の広帯域化の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空計には多数の種類のものがあり、真空雰囲気の圧力状態に応じ、最適な測定圧力範囲のものを選択して使用できるようになっている。
【０００３】
真空雰囲気を、その圧力で分ける場合、１０-5Ｐａ未満の圧力を高真空領域、それ以上の圧力を中真空領域と低真空領域と称されており、高真空領域での圧力測定には、一般に、電離真空計が用いられている。特に、１０-10Ｐａ以下の圧力の極高真空領域では、図５の符号１０１に示すような、エネルギーフィルタ型の電離真空計が用いられている。
【０００４】
この電離真空計１０１は、出願人が先に提案した構造のものであり(特開平８−２３６７７号)、イオン生成部１１０、エネルギーフィルター部１２０、イオン検出部１３０を有している。各部１１０、１２０、１３０は、測定対象の真空槽内に配置されており、真空槽外部に配置された電源に、真空雰囲気を維持した状態で接続されている。
【０００５】
イオン生成部１１０は、フィラメント１１１、グリッド１１２、引出電極１１３を有しており、エネルギーフィルタ部１２０は、円筒電極１２１、フィルタ電極１２２1、１２２2、邪魔板１２３を有している。また、イオン検出部１３０は、イオンコレクタ１３１と引出電極１３３を有している。
【０００６】
グリッド１１２は、導線が円筒形形状に組まれて構成されており、グリッド１１２、引出電極１３１、フィルタ電極１２２1、円筒電極１２１、フィルタ電極１２２2、引出電極１３３、イオンコレクタ１３１が、中心軸線を一致させてこの順に配置されている。
【０００７】
フィラメント１１１はグリッド１１２の側方に配置されており、グリッド１１２に正の電圧を印加すると共に、フィラメント１１１に通電して熱電子を放出させると、熱電子はグリッド１１２近傍で運動し、グリッド１１２内の残留ガスと衝突すると、その残留ガスが電離され、正電荷の気体イオンが生成される。
【０００８】
熱電子は、最終的にはグリッド１１２に入射するが、そのとき、グリッド１１２から軟Ｘ線が放射され、また、グリッド１１２の吸着ガスが励起脱離し、正電荷の脱離イオンとなって真空雰囲気中に放出される。
【０００９】
気体イオンと脱離イオンは、グリッド１１２より低電位の引出電極１１３によって引出孔１１４から引き出され、フィルタ孔１２４1を通って、軟Ｘ線と共に円筒電極１２１内に進入する。
【００１０】
円筒電極１２１には正電圧が、各フィルタ電極１２２1、１２２2には円筒電極１２１よりも低い電圧が印加されており、円筒電極１２１内に進入した気体イオンや脱離イオンは、フィルター電極１２２1、１２２2と円筒電極１２１の間の電位差によって形成される電界の影響を受け、イオンが有する運動エネルギーに応じた集束率で集束される。
【００１１】
脱離イオンは高電圧が印加されたグリッド１１２表面から放出され、気体イオンと比べると高い運動エネルギーを持つため、集束率が低く、直進に近い状態で飛行し、円筒電極１２１の壁面や出口側のフィルタ電極１２２2と衝突する。
【００１２】
運動エネルギーの低い気体イオンは集束率が高く、フィルタ孔１２４2付近で焦点が結ばれると引出電極１３３によって引出孔１３４から引き出される。このように、エネルギーフィルタ部１２０は、気体イオンを通過させ、脱離イオンを通過させないフィルターの役目を果たしている。
【００１３】
円筒電極１２１中央位置には邪魔板１２３が配置されており、電界の影響を受けない軟Ｘ線は邪魔板１２３や円筒電極１２１の壁面に入射し、後方に位置するフィルタ孔１２４2には到達できない。
【００１４】
引出孔１３４から引き出された気体イオンは、負の高電圧が印加されたイオンコレクタ１３１に引き寄せられる。そのイオンコレクタ１３１は、２次電子増倍管で構成されており、正電荷の気体イオンがイオンコレクタ１３１に入射すると、入射イオンは２次電子増倍効果によって増幅され、発生するイオン電流値は、プリアンプ１３２を介して、図示しない後段の測定回路によって増幅された状態で検出され、真空槽内部の圧力が求められる。
【００１５】
上述のような構成により、この電離真空計１０１は、微少量の気体イオンによる微少なイオン電流を効率よく検出し、１０-11Ｐａ以下の極高真空雰囲気でも、正確な圧力測定を行えるようになっている。
【００１６】
しかしながら、イオンコレクタ１３１が２次電子増倍機能を有しているため、極高真空雰囲気よりも圧力が高く、イオンコレクタ１３１に多量の気体イオンが入射する場合には、２次電子増倍率が飽和し、イオンコレクタ１３１に流れるイオン電流値が圧力の大きさに比例しなくなり、圧力測定ができなくなってしまう。一般に、上述のような構成の電離真空計１０１では、ほぼ１０-6Ｐａが測定可能な圧力の上限となっている。
【００１７】
そこで従来技術でも対策が採られており、２次電子増倍機能のないＢ−Ａゲージ構造の電離真空計等を並設し、高真空雰囲気が極高真空領域にある場合は上記エネルギーフィルタ型の電離真空計１０１を動作させ、それよりも高い圧力領域にある場合は通常の電離真空計を動作させ、２台の電離真空計によって広帯域の圧力測定ができるようにしていた。
【００１８】
しかしながら、２台の電離真空計を設けると、両真空計の圧力表示値の不一致、コスト・保守・装置容積等、種々の点において不利であり、抜本的な解決が望まれている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、１台で極高真空領域を含む広い範囲の圧力測定ができる広帯域電離真空計を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、グリッドとフィラメントと引出電極とを有するイオン生成部と、円筒電極と、該円筒電極の入口側と出口側にそれぞれ配置されたフィルタ電極とを有するエネルギーフィルタ部と、２次電子増倍機能があるイオンコレクタを有するイオン検出部とが設けられた電離真空計の、前記フィラメントから放出された熱電子が残留ガスに衝突して気体イオンが生成され、前記熱電子が前記グリッドに入射して脱離イオンが放出され、前記引出電極によって前記各イオンが引き出され、前記入口側のフィルタ電極を通って前記円筒電極内に進入するように構成された電離真空計であって、前記円筒電極と前記フィルタ電極との間の電位関係を変更することで、所定圧力以下の真空雰囲気では、前記エネルギーフィルタ部内を前記脱離イオンは通過させず、前記気体イオンを通過させて前記イオンコレクタに入射させ、増倍されたイオン電流を測定し、他方、前記所定圧力以上の真空雰囲気では、前記エネルギーフィルタ部に前記気体イオンを捕集させ、流れるイオン電流を測定できるように構成されたことを特徴とする。
【００２１】
この場合、請求項２記載の発明のように、前記エネルギーフィルタ部で前記気体イオンを捕集する際、前記円筒電極の電位と前記フィルタ電極の電位とを調節し、前記円筒電極に前記脱離イオンを入射させ、前記フィルタ電極に前記気体イオンを入射させ、前記フィルタ電極に流れるイオン電流を測定できるように構成することができる。
【００２２】
上述の本発明の構成によれば、イオン生成部のフィラメントから放出された熱電子が残留ガスに衝突すると気体イオンが生成され、グリッドに入射すると脱離イオンが放出される。
【００２３】
それらのイオンは正電荷であり、引出電極をグリッドより低電位にするとグリッド内から引き出され、フィルタ電極を通過して円筒電極内に進入する。円筒電極内に進入したイオンから脱離イオンを除去し、気体イオンの量を測定できれば、残留ガス密度、即ち圧力を測定できるが、真空雰囲気が極高真空領域にある場合は、気体イオン量は微少であり、イオン電流を直接測定することができない。
【００２４】
そこで本発明の電離真空計では、２次電子増倍管から成るイオンコレクタを用い、所定圧力以下の真空雰囲気では、エネルギーフィルタ部内で脱離イオンを除去し、気体イオンだけをイオンコレクタに入射させており、２次電子増倍作用によって増幅されたイオン電流を測定できるようにしている。
【００２５】
他方、上述のようなイオンコレクタでは、極高真空領域よりも圧力が高い場合(例えば１０-6Ｐａ以上の圧力)は、２次電子増倍率が飽和し、真のイオン電流量が求められなくなってしまう。この電離真空計では、真空雰囲気が所定圧力以上の領域にあり、気体イオンの量が多いときは、円筒電極とフィルタ電極との間の電位関係を変更してエネルギーフィルタ部に気体イオンを捕集させているので、イオン電流を直接測定し、圧力を求めることができる。
【００２６】
エネルギーフィルタ部によって気体イオンを捕集する際に、円筒電極に脱離イオンを入射させ、フィルタ電極に気体イオンを入射させ、捕集するようにすれば、フィルタ電極に流れるイオン電流には、軟Ｘ線や脱離イオンの影響による電流は含まれず、測定精度が向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の電離真空計１の概略構成図、図２は、そのブロック図である。この電離真空計１を構成する部材とその配置は、上述の電離真空計１０１と同様であり、イオン生成部１０、エネルギーフィルタ部２０、イオン検出部３０を有している。
【００２８】
イオン生成部１０は、フィラメント１１、グリッド１２、引出電極１３を有しており、エネルギーフィルタ部２０は、円筒電極２１、フィルタ電極２２1、２２2、邪魔板２３を有している。また、イオン検出部３０は、イオンコレクタ３１と引出電極３３を有している。
【００２９】
グリッド１２は導線が円筒メッシュ状に組まれて構成されており、また、引出電極１３、３３とフィルタ電極２２1、２２2は金属材料が円盤状に成形されて構成されている。イオンコレクタ３１は円錐形形状の２次電子増倍管によって構成されており、グリッド１２、引出電極１３、フィルタ電極２２1、円筒電極２１、フィルタ電極２２2、引出電極３３、イオンコレクタ３１の順に、中心軸線を一致させて配置されている。
【００３０】
フィラメント１１はグリッド１２の側方に配置されており、グリッド１２に正の電圧を印加し、フィラメント１１に通電して放出された熱電子は、グリッド１２に引き寄せられ、グリッド近傍で運動し、真空槽内の残留ガスと衝突するとイオンを生成させ、グリッド１２に入射すると、軟Ｘ線と脱離イオンを放出させる。
【００３１】
引出電極１３、３３の中央位置(中心軸線上の位置)には引出孔１４、３４がそれぞれ設けられており、同様に、フィルタ電極２２1、２２2の中央位置には、フィルタ孔２４1、２４2がそれぞれ設けられており、引出電極１３を接地電位に置くと気体イオンと脱離イオンは引出孔１４から引き出され、フィルタ孔２４1を通過して円筒電極２１内に進入する。
【００３２】
円筒電極２１内の中心軸線中央位置には、図示しない導線によって円筒電極２１から懸吊固定された邪魔板２３が配置されており、グリッド１２から放出され、引出孔１４とフィルタ孔２４1を通過して円筒電極２１内に侵入した軟Ｘ線のうち、中心軸線に対して平行な軟Ｘ線は、その邪魔板２３に入射する。円筒電極２１内に斜め方向から侵入し、邪魔板２３に入射しなかった軟Ｘ線は、円筒電極２１の内壁面に入射し、邪魔板２３後方のフィルタ孔２４2、引出孔３４に到達できない。
引出孔３４の後方には、イオンコレクタ３１が開口部を向けた状態で配置されているが、軟Ｘ線はイオンコレクタ３１内には入射できない。
【００３３】
真空槽の外部には、３個の電源Ｅ1〜Ｅ3と、スイッチＳＷと、電流計Ｍとが配置されており、円筒電極２１は電源Ｅ1に接続され、所望の大きさの正電圧を印加できるように構成されている。
【００３４】
２個のフィルタ電極２２1、２２2は、円筒電極２１外部の導線２９によって接続され、互いに同電位になるように構成されており、また、いずれか一方のフィルタ電極２２1にはスイッチＳＷが接続されている。そのスイッチＳＷを一方の接点に接続させると、フィルタ電極２２1、２２2と円筒電極２１とが、電源Ｅ2を介して電気的に接続され、フィルタ電極２２1、２２2と円筒電極２１との間に所望の大きさの電圧を印加できるように構成されている。
【００３５】
また、スイッチＳＷを他方の接点に接続させると、フィルタ電極２２1、２２2は、電源Ｅ3を介してグラウンド電位に接続され、フィルタ電極２２1、２２2の電位を自由に設定できるように構成されている。その電源Ｅ3とスイッチＳＷとの間には電流計Ｍが接続され、電源Ｅ3に流れる電流を測定できるように構成されている。
【００３６】
いま、真空槽内の雰囲気が１０-12Ｐａ〜１０-6Ｐａ程度の圧力である場合、スイッチＳＷを前記一方の接点に接続し、電源Ｅ2を介して円筒電極２１とフィルタ電極２２1、２２2とを電気的に接続させる。
【００３７】
引出電極１３、３３を接地電位にし、高圧電源３５によってイオンコレクタ３１に負の高電圧を印加する。グリッド１２の電位を１１０Ｖ、円筒電極２１の電位を７５Ｖ、フィルタ電極２２1、２２2の電位を−１５０Ｖにした場合の円筒電極２１付近の電位状態を図３に示す。図３、及び図４の符号２８は、邪魔板２３を円筒電極２１内に懸吊固定しておくための導線を示している。
【００３８】
この図から分かるように、等電位曲面によって静電的な凸レンズが形成されており、円筒電極２１内に斜め方向から進入したイオンを中心軸線方向に曲げ、集束させられるように構成されている。
【００３９】
その集束の際、低エネルギーの気体イオンＥＤに対する集束率は高く、出口側のフィルタ孔２４2付近で焦点が結ばれる。他方、高エネルギーの脱離イオンＥＳＤの集束度は低いため、円筒電極２１の壁面や出口側のフィラメント電極２２2に衝突し、フィルタ孔２４2に到達できない。従って、引出電極３３によってフィルタ孔２４2、引出孔３４から引き出され、イオンコレクタ３１に入射するイオンは気体イオンＥＤだけとなり、気体イオンＥＤをイオンコレクタ３１の２次電子増倍機能によって増幅した状態で、プリアンプ３２を介して図示しない測定回路に出力され、イオン電流が測定されて圧力が求められる。
【００４０】
他方、真空槽内の雰囲気が１０-6Ｐａ以上の圧力である場合、高電圧源３５を停止させ、イオンコレクタ３１をグラウンド電位にすると共に、スイッチＳＷを前記他方の接点に接続し、フィルタ電極２２1、２２2を電流計Ｍを介して電源Ｅ3に接続させる。各電源Ｅ1〜Ｅ3の電圧を設定し、グリッド１２の電位を１１０Ｖ、引出電極１３、３３の電位を０Ｖ(グラウンド電位)、円筒電極２１の電位を１１４Ｖ、フィルタ電極２２1、２２2の電位を０Ｖ(電源Ｅ3の出力は０Ｖ)とした場合の等電位曲線を図４に示す。
【００４１】
入口側のフィルタ孔２４1近傍に形成された電場により、円筒電極２１内に進入したイオンのうち、気体イオンＥＤは押し戻され、入口側のフィルタ電極２２1に入射する。他方、気体イオンＥＤよりも高い運動エネルギーを持つ脱離イオンＥＳＤ(図４参照)は押し戻されずに円筒電極２１に衝突するため、電流計Ｍによって、気体イオンＥＤの入射によるイオン電流のみを直接測定することができる。
【００４２】
以上説明した電離真空計１では、真空槽内の圧力に応じてスイッチＳＷを切り替えたが、スイッチＳＷは機械的なスイッチに限定されるものではなく、また、切り替えは手動によると、自動によるとを問わない。
【００４３】
電源Ｅ1〜Ｅ3の接続状態は図２のブロック図に示したが、本発明はそれに限定されるものではない。要するに、２次電子増倍管によって構成されたイオンコレクタ３１が正常に動作できない比較的高い圧力範囲では、電極間の電位関係を変更し、エネルギーフィルタ２０内の電極で気体イオンＥＤを捕集できるものであればよい。その測定値には、軟Ｘ線や脱離イオンの影響がない方が望ましく、図２の例では、円筒電極２１で気体イオンＥＤを捕集することは望ましくない。
【００４４】
【発明の効果】
１台の電離真空計で極高真空領域を含む広い範囲の圧力を測定することができる。
２台の電離真空計を設ける必要がないので、真空装置のコスト削減・小型化に寄与できる。また、保守作業も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電離真空計の概略構成図
【図２】その動作を説明するためのブロック図
【図３】イオンコレクタを動作させるときの電位状態を説明するための図
【図４】イオンコレクタを動作させないときの電位状態を説明するための図
【図５】従来技術の電離真空計の動作を説明するためのブロック図
【符号の説明】
１……電離真空計
１０……イオン生成部
１２……グリッド
１３……引出電極
２０……エネルギーフィルタ部
２１……円筒電極
２２1、２２2……フィルタ電極
３０……イオン検出部
３１……イオンコレクタ
３３……引出電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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