JPH0810171B2 - 電離真空計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電流制御の点に改良を加えた熱フィラメン
トを用いた電離真空計に関する。

（従来の技術） 電離真空計は一般的には10^-3Torr台の中真空領域から
10^-10Torr台の超高真空領域に渡る広範囲の圧力領域で
の計測に用いられている。前記の圧力領域をカバーする
真空計としては、現在のところ電離真空計が最も簡便で
多用されている。気体分子の電離手段としては、熱フィ
ラメントを利用するもの、放電を利用するものなどが、
熱フィラメントタイプが多く用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） 電離真空計の測定原理について簡単に図を用いて説明
すると、第３図はＢ−Ａ型電離真空計球の電極構成と駆
動電源を示す図である。

開口端が被測定真空装置Ａに連結されたガラス管より
なる電離真空計球１の内部には、熱フィラメント２、集
電子電極としてのグリッド３、集イオン電極としてのイ
オンコレクター４が配置されている。電離真空計球１内
の気体部子５は、熱フィラメント２から放出される電子
６によってイオン化され、イオンコレクター４に集めら
れる。

このときの圧力Ｐと、熱フィラメント２から放出され
る電子の電流（以下、熱電子放出電流）I₁と、イオンが
イオンコレクター４に流入することによりイオンコレク
ター４に流れる電流（以下、イオンコレクター電流）I_c
との間には、比例係数をＳとして次式の成立することが
知られている。

Ｐ＝（1/S）×（I_c/I₁） このＳの感度係数と呼ばれ、電離真空計固有の定数と
考えられるため、熱電子放出電流I₁を一定に制御するこ
とによって、圧力Ｐはイオンコレクター電流I_cを測定し
それに比例する量として求めることが出来る。

圧力Ｐの測定範囲は、熱フィラメント２とガスとの反
応による熱フィラメント２の消耗が著しくなく、かつ、
圧力Ｐとイオンコレクター電流I_cが比例関係にある圧力
範囲に限定される。高圧力領域では、圧力_Ｐとイオンコ
レクター電流I_cの直線関係が失われて、第５図の曲線の
ような現象を示すことはよく知られており、これは次の
ように説明されている。第３図で、熱フィラメント２を
発した電子６は最終的に全てグリッド３に流れ込むが、
この電子６に途中で衝突した気体分子は、同数のイオン
７と電子６′とに分離され、電子６′はグリッド３に収
集されI₂となる。イオン７の大部分はイオンコレクター
４に流入してイオンコレクター電流I_cとなり、一部は熱
フィラメント２に集められ、I₂−I_cとなる。この過程
は、第４図の各電極ボテンシャルからも理解される。

ただしこの第４図のV_fはフィラメント電位、V_gはグリ
ッド電位、V_cはイオンコレクター電位である。

第２図は、第１図に示す従来の電離真空計の回路の概
略を示す図である。第２図に示すように、熱フィラメン
ト２には、交流電源よりなるフィラメント電源が接続さ
れて交流電力が印加されるようになっている。フィラメ
ント電源の接続回路には、熱フィラメント２に所定のフ
ィラメント電位を供給する補助直流電源15の一端が接続
されている。補助直流電源15の他端は検出抵抗13を介し
て接地されている。一方、フィラメント電源の接続回路
には、定電流制御を行う制御器14が設けられており、検
出抵抗13で検出された電流に従ってこの制御器14が負帰
還制御される。

具体的に説明すると、熱フィラメント２には、フィラ
メント電源により印加された交流電圧に、補助直流電源
15が供給する電位が重畳して印加されるようになってい
る。この場合、熱フィラメント２に流れる電流のうちの
直流分の電流は、熱フィラメント２から放出される電子
による熱電子放出電流I₁と、熱フィラメント２に流入す
るイオンによる電流I₂−I_cとの和である。第２図から分
かる通り、これらの直流分の電流は、検出抵抗13を通し
て流れてアースに流れる。この際検出抵抗13には流れた
電流に応じた電圧が生じ、この電圧が検出されて前述の
制御器14の負帰還制御に利用される。尚、グリッド３に
はグリッド用直流電源16による電位が供給されている。

第２図に示す従来の電離真空計では、検出抵抗13を通
って流れる熱フィラメント２の直流分の電流（電子の放
出及びイオンの流入による電流なので、以下、エミッシ
ョン電流I_efと呼ぶ）を一定にするよう制御器14が制御
される。つまり、検出抵抗13でエミッション電流I_efを
検出し、これが一定になるようにサイリスター等で構成
された制御器14を負帰還制御する。

この場合、定電流されるエミッション電流I_efは、前
述の通り電離に有効に関与する熱電子放出電流I₁と、熱
フィラメントに流入するイオンによる電流I₂−I_cの和で
表され、 I_ef＝I₁＋I₂−I_cとなる。

圧力が低い領域では生成されるイオンの量が電子に比
して圧倒的に少ないので、I₁》I₂,I_cとなり、I_ef≒I₁で
ある。このため、I_efを一定に制御することでI₁が一定
であるとみなすことができ、前掲の式に従って圧力測定
が可能となる。しかし、圧力が高くなると、生成イオン
の数が熱電子放出電流に比して無視出来なくなり、I_ef
中のI₂の量が相対的に大きくなる。I_efは前述の通り定
電流制御されているため、結果的にI₁が相対的に小さく
なる。その結果、電子によってイオン化される気体分子
の量も少なくなり、イオンコレクター電流I_cも減少して
いく。

そこで従来電離真空計の電源部17では圧力Ｐと電流I_c
とが比例関係にあるとみなせる範囲の上限付近にて熱フ
ィラメント２の加熱を自動的に停止させて、熱フィラメ
ントの保護および測定の中止を行っていた。その回路は
概念的には第２図で説明される。即ち、電離真空計１に
より電離されたイオン７は、イオンコレクター４に集め
られ、それによって生じたイオンコレクター電流はエレ
クトロメータ８にて増幅される。この出力は、一つの圧
力メータ９にて圧力値として表示され、同時に、比較器
10によって、予め圧力上限値に対応して設けられた基準
電圧11と比較され、圧力上限P_maxに達すると、比較器10
が作動し、フィラメントスイッチ12をオフしている。

（従来技術の問題点） しかしながら、上記従来の電離真空計球１および電源
部17には次のような欠点がある。

即ち、電離真空計の圧力Ｐと、イオンコレクター電流
I_cの間には第５図に見られる基本特性があるため、測定
上限圧力P_thより十分高い圧力P₁にて熱フィラメントを
点灯させた場合に、（フィラメントの消耗による断線が
ない場合には）、実際の圧力がP₁であるにもかかわら
ず、あたかも別の低圧力P₂であるような表示をしてしま
うことがあった。即ち例えば、実際の圧力P₁が数10Torr
の時に熱フィラメント２を点灯させると比較器10が作動
せず、熱フィラメント２の停止判断が出来ないため測定
は継続され、誤った圧力表示を与えてしまうことがあっ
た（例えばP₂として10^-3〜10^-4Torr台を表示したりす
る。） このようなことが発生すると、真空中でのプロセス作
業に重大な影響を及ぼし、且つ、熱フィラメント断線の
原因ともなる。

（発明の目的） 本発明は、上記問題を解決し、圧力上限を越えた圧力
領域では熱フィラメントの保護回路が必ず作動し、信頼
性のある圧力測定と熱フィラメント保護が可能となるよ
うな電離真空計の提供を目的とする。

（発明の構成） 本発明は、熱フィラメントにフィラメント電源から電
力を供給し、熱フィラメントから放出された電子が測定
空間に存在する気体分子をイオン化させ、このイオン化
による電流を検出して測定空間の真空圧力を測定する電
離真空計であって、 熱フィラメントから放出される電子及び熱フィラメン
トに流入するイオンによって流れるエミッション電流を
検出し、このエミッション電流が一定になるように前記
熱フィラメントへの電力供給を制御する電離真空計にお
いて、 前記フィラメント電源によって電力供給される熱フィ
ラメントの通電電流をモニターする電流モニター手段
と、測定空間の圧力が所定の値よりも高くなることによ
って熱フィラメントの通電電流が所定の値以下になった
のを当該電流モニター手段からの信号で検出して前記熱
フィラメントへの電力供給を停止させる手段とを備えた
電離真空計によって前記目的を達成したものである。

（作用） 上記構成にかかる本願発明の電離真空計においては、
測定空間の圧力が所定の値よりも高い場合、熱フィラメ
ントの通電電流が所定の値以下になり、これを電流モニ
ター手段が検出する。この電流モニター手段の検出によ
って、熱フィラメントへの電力供給が停止される。

（実施例） 第１図は本発明の実施例の電離真空計の回路の概略を
示す図である。１は電離真空計球であり、真空容器Ａに
接続されている。２は熱フィメント、３はグリッド、４
はイオンコレクター、５は電離真空計球１内の気体分
子、６は熱電子放出により放出された電子、７は電離さ
れたイオンである。イオン７は、イオンコレクター４に
より集められイオンコレクター電流となる。イオンコレ
クター電流は、エレクロメータ８で増幅される。エレク
トロメータ８により増幅された信号は、圧力値として圧
力メータ９に表示されるが、それに平行して比較器10に
入力される。また熱フィラメント２側のエミッション電
流I_efは検出抵抗13により検出され、制御器14によってI
_efは一定となるよう制御されている。15はフィラメント
電位を供給する直流電源、16はグリッド電位を供給する
グリッド用直流電源、17は電源部である。

本実施例では、フィラメント通電電流I_fをモニターす
る電流モニター手段としてフィラメント通電電流検出機
構19が設けられている。フィラメント通電電流I_fは、交
流電源よりなるフィラメント電源によって熱フィラメン
ト２に通電される電流の実際の大きさのことである。

圧力が高くなると、上記フィラメント通電電流検出機
構19により検出されるフィラメント通電電流が小さくな
り、これが所定の値以下になると、圧力上限を越えたと
判断して熱フィラメント２への電力供給を停止するよう
構成されている。

圧力上昇によってフィラメント通電電流I_fが低下する
理由は、第３図により説明される。即ち第３図におい
て、熱フィラメント２から放出される電子と熱フィラメ
ント２に流入するイオンとによって流れるエミッション
電流I_efは I_ef＝I₁＋I₂−I_c＝CONST となりこれが一定値になるように制御されている。前述
のように、低圧側ではI_ef≒I₁であるが、圧力が増加し
ていくと熱フィラメント２に流れ込むイオンの量が増加
し、I₂−I_cが増加する。I_efは定電流制御されているの
で、I₂−I_cの増加に伴い、相対的に熱電子放出電流I₁が
減少する。この場合、熱電子放出電流I₁はフィラメント
加熱のためのフィラメント通電電流I_fの関数であるか
ら、熱電子放出電流I₁の減少に伴い、必要なフィラメン
ト電流電流I_fも減少する。つまり、圧力上昇によってI₂
−I_cが増加した場合、制御器14は、I_efを一定に保つた
めフィラメント通電電流I_fを減少させて熱電子放出電流
I₁が少なくなるよう制御するのである。

電力供給を停止する手段について説明すると、フィラ
メント通電電流検出機構19は、上記フィラメント通電電
流I_fを検出するとともにこれを基準電圧21と比較する。

比較器10は、フィラメント通電電流検出機構19で得ら
れた結果は、論理和回路22に入る。そして比較器10,フ
ィラメント通電電流検出機構19の何れかが動作すると、
フィラメントスイッチ12がオフとなり、熱フィラメント
２への電力供給が停止されるようになっている。

論理回路22への入力は比較器19の単独入力でも問題は
ない。

（発明の効果） 本発明によれば、電離真空計の圧力上限値以上の圧力
領域では熱フィラメントの点灯が停止され、圧力の誤表
示をなくするとともに、信頼性のある圧力測定が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の電離真空計の回路の概略を
示す図。 第２図は、従来の電離真空計の回路の概略を示す図。 第３図は、Ｂ−Ａ型電離真空計球の電極構成と駆動電源
示す図。 第４図は、各電極ボテンシャルの図。 第５図は、圧力とイオンコレクター電流の関係を示すグ
ラフ。 第６図は、真空圧力の圧力上限値付近における判別の
図。 Ａは真空容器、１は電離真空計球、２は熱フィラメン
ト、３は集電子電極としてのグリッド、４は集イオン電
極としてのイオンコレクター、５は気体分子、６は熱電
子、７は電離されたイオン、８はエレクトロメータ、９
は圧力メータ、10は比較器、12はフィラメントスイッ
チ、13は検出抵抗、14は制御器、15はフィラメント電位
を供給する補助直流電源、16はグリッド電位を供給する
グリッド用直流電源、17は電源部、19はフィラメント通
電電流検出機構、21は基準電圧、22は論理和回路であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱フィラメントにフィラメント電源から電
   力を供給し、熱フィラメントから放出された電子が測定
   空間に存在する気体分子をイオン化させ、このイオ化に
   よる電流を検出して測定空間の真空圧力を測定する電離
   真空計であって、 熱フィラメントから放出される電子及び熱フィラメント
   に流入するイオンによって流れるエミッション電流を検
   出し、このエミッション電流が一定になるように前記熱
   フィラメントへの電力供給を制御する電離真空計におい
   て、 前記フィラメント電源によって電力供給される熱フィラ
   メントの通電電流をモニターする電流モニター手段と、
   測定空間の圧力が所定の値よりも高くなることによって
   熱フィラメントの通電電流が所定の値以下になったのを
   当該電流モニター手段からの信号で検出して前記フィラ
   メントへの電力供給を停止させる手段とを備えたことを
   特徴とする電離真空計。