JPH02218933A - 真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

［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、１０−１°Ｔ　ｏｒｒ以下の圧力では
測定が困難になってくる。

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。

［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。

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。

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｌ’　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｌ
ｃｓ、　３３　［（ｆ］　（１９６２）（米国）　、　
Ｗ、　Ｋｎａｕｅｒ。

「低圧におけるペニング放電のメカニズム」９、２０９
３−２０９９ 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。

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。

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。

［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。

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。

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■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。

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。

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。

［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。

実施例は次の順序で説明する。

第１実施例（熱陰極マグネトロン形） 第２実施例（冷陰極マグネトロン形） 電極の各種の変更例 第３実施例（ペニング形） マイクロ波による回転電子電流の測定 放射光による回転電子電流の測定 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■−■線断面
図である。

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。

「真空」、第９巻第２号（昭４１）中足、“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。

イオンコレクタ５０は、円板状のイオンコレクタ電極５
１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２
１の軸線と垂直に配置されている。

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。多数の孔を開けであるのは、コン
ダクタンスを確保するためである。

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。

ヨーク３２の内面と二つの永久磁石とに挾まれた凹所３
３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。

次に、この真空計の電気的な構成を説明する。

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１〜２ｋＶ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０７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。

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−’Ｔｏｒｒ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。

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。

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。

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
ズを除去するだめのものである。

次に、この真空計の動作を説明する。

陽極電極２１と熱陰極フィラメント１１との面には、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３００Ｈｚ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。

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２
１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ＢＡゲージと比較して１０００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。

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、誘起電流の太きさを求めることによって回転電子
電流１ｒを求めることができる。

ゲージ球内部の圧力をＰ１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。

Ｐ＝　　（１／Ｓ）　　（Ｉ　ｃ／Ｉ　　ｒ）ここで、
測定例を挙げると、上述の動作条件で、圧力がＩ　Ｘ　
１０−’Ｔｏｒｒの窒素ガスの場合について、イオンコ
レクタ電流１ｃｍ１０μＡ１回転電子電流１　ｒ＝４６
０ｍＡを得た。これを上式に代入すると、感度係数５−
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１ｃとの関係を示す。

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。

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。

上述のいずれの動作方法においても、１Ｏ−４Ｔ　ｏｒ
ｒ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。

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。

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。

口、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。

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、電離のち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。

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。

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１
３も不要になる。１０−’Ｔｏｒｒ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、３００〜１０００ｖにする。

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。

第５図には、永久磁石３１１の隣りにセンサコイル４１
１を配置した例が示しであるが、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。

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。

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。

第７図は、スリット２８を形成した円筒状の陽極電極２
１１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。

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。

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。

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１６４．１６５を設けである。

二、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。

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。

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。

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。

へ、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１
４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。

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。

なお、第１４図と第１５図では、容器の外側の磁場設定
手段は省略しである。

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
ところでは絶縁液８１９３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の取り付は位置は、必要に応じて図
示以外の位置にすることもできる。

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。

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。

［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。

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。

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、電磁誘導現象を利用してこの回転電子電流
を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の構成図、 第２図は第１図の■−■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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）前記回転電子電流を一定に制御して、前記イオン
   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。
3. （３）直流分と交流分とからなる電圧を陰極と陽極との
   間に印加することを特徴とする請求項１記載の真空計。