JPS63198840A - 熱陰極電離真空計 - 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） この発明はイオンコレクターの浴びる軟Ｘ線量を少なく
して、Ｘ線による圧力測定の下限を大幅に向上させた熱
陰極電離真空計に関するものである。

（従来の技術及び問題点）） 従来、ｔｏ−５ｐａ（約１Ｏ−７Ｔｏｒｒ）以下の超高
真空の圧力測定は、ベアード・アルバート（ＢＡと略称
）型電離真空計が用いられて来た。このＢＡ型電離真空
計は高融点金属線材を円筒状格子に形成した陽極に対し
、陽極の中心軸上に針状イオンコレクターを配置し、陽
極の外側には熱陰極を配置した三極構造となフている。

この電極構成において、熱陰極と陽極間に電子電流を流
すことにより、電子の一部を陽極を中心に熱陰極とイオ
ンコレクター間で振動させ、この振動電子によって真空
中の残留気体分子を衝撃してイオン化し、生成したイオ
ンをイオンコレクターに捕捉して電流として取り出し、
このイオン電流値より圧力を求める。ところが熱陰極よ
り飛び出した振動電子は振動を繰り返すうちに陽極に衝
突しくこれが前記電子電流に相当する）、この衝突によ
って陽極からはたえず軟Ｘ線が放射される。ところが前
記イオンコレクターがこの軟Ｘ線を浴びると光電子を放
出するため、前記イオン電流と同じ方向の光電子電流が
イオン収集電極に生じることになる。このため圧力が低
くなってイオンコレクターに流入するイオン電流が無く
なったとしても、電流値はこの光電子電流値以下に下ら
ないため、ＢＡ型電離真空計を用いての圧力測定には限
界があった。その限界圧カバｌＯ〜１０　　Ｐａ　（＝
ｌＯ−”　〜１０−”Ｔｏｒｒ）　であフた。

従ってこの圧力測定下限を改善するには、イオンコレク
ターからの光電流を減らさなければならない。光電流を
減らすには針状イオンコレクターの線径および長さを短
くして軟Ｘ線を浴びる表面積を減らすことが考えられる
が、イオンコレクターを小さくするとイオンの収集効率
が小さくなり、真空計としての感度が小さくなる問題が
あった。このため通常用いられるＢＡ型電離真空計の陽
極は直径１０〜２５ｍｍ、長さ４０〜５０ｍｍ位の円筒
格子状に対して、イオンコレクターは、機械的支持強度
限界まで細くしたとしても１００ｐ１位が限度であった
。その結果このＢＡ型電離真空計の軟Ｘ線による圧力測
定の下限は前記のように１０−８〜１Ｏ−９Ｐａ　（約
１０”　〜１０−”　Ｔｏｒｒ）であった。

このＢＡ型電離真空計のＸ線限界を打破するために開発
された手段の一つとして球状陽極を用いた電離真空計が
ある（特公昭５８−１５０５１号）　　この電離真空計
は、陽極をメツシュ材を成型して球面状に近似させ、こ
の陽極の外側に熱陰極を配置すると共に、陽極の中心軸
上には針状のイオンコレクターを配置した三極構造を有
する。この電極構成ではイオン化に寄与する電子の軌道
は陽極で囲まれる球状空間の中心に向うため、前記球状
空間の中心部における電子密度およびイオン密度が高く
なりイオン収集効率を高くすることが可能となり、極細
の針状イオンコレクターを用いたとしても、感度の低下
を来たさないというのがその理由である。

しかし、実際、この球状陽極電離真空計において、針状
イオンコレクターの線径を支持強度限界ギリギリの３０
μｓ位のタングステン線に変えて測定を行ってみるとそ
のＸ線限界は１０”Ｔｏｒｒ台で、ＢＡ型電離真空計の
Ｘ線限界を越えないことがわかった。この球状陽極電離
真空計の実際のＸ線限界が、理論通りにならなかったの
は次の理由による。即ち球状陽極は円筒状ＢＡ型陽極に
比べて、縦方向に極端に短いため熱陰極から飛び出して
陽極の内外に振動する電子は、ＢＡ型陽極では円筒の側
面の内外即ち針状イオンコレクターと直角の方向に振動
するのに対し、球状陽極では側面が球面になるが由に電
子を横向きに引き付ける力が弱くなり、電子の撮動は縦
方向に即ち針状イオンコレクターに平行な方向になる。

ここで振動電子が球状陽極の外側から前記陽極に向う方
向は常に求心的であるから、針状イオンコレクターに平
行に振動することは、イオンコレクター近傍にそれだけ
多くのイオンが生成されることになり、イオン収集効率
が高くなり感度が高められることになる。これが球状陽
極電離真空計が高感度となる理由である。しかし反面、
球状陽極の針状イオンコレクターを通す孔附近の格子部
分には、縦方向に振動する電子が非常に沢山衝突するこ
とになり、しいてはこの部分から沢山の軟Ｘ線が発生す
ることになる。ところが前記陽極格子の孔は、イオンコ
レクターに最も近い位置にあるから、ここで発生する軟
Ｘ線はイオンコレクターへの入射確率が高く、イオンコ
レクターの根元附近からの光電子放出は想像以上に多い
。このため例え針状イオンコレクターの線径をＢＡ型針
状イオンコレクターの線径の１／１０以下である１５戸
以下にし、長さも１７６以下にして表面積を１／９０以
下に理論上できると考えても、単位面積当りに放出され
る光電子は１００倍位まで上昇することになり、結果と
して球状陽極型電離真空計は、ＢＡ型電離真空計のＸ線
限界−ｔｏ−１１Ｔｏｒｒを越えることはできなかった
。またこの前記陽極格子の針状イオンコレクターを通す
孔附近の電子衝突の多さは電子′ａ撃撃方ガス加熱時直
接観察することができる。即ち熱陰極からこの球状陽極
へ１００ｍＡ位の電子を５００ｖ位の電圧で加速衝撃し
てやると、球状陽極は赤色に加熱される様子を真空壁の
ガラス窓を通して観察することができる。ところがこの
球状陽極の加熱時の色の付き方は均一でなく、針状イオ
ンコレクターを通る孔附近と、その針の先端の反対側に
当る球状陽極の天頂部分だけが３〜５ｍｍ位のスポット
状に明るく輝くように加熱される。このことはこの陽極
の孔の附近に特別多くの電子か衝突していることを物語
フている。これに対してＢＡ型電離真空計に同じ電子衝
撃を行ってみた場合は、このような均一な加熱のされ方
はしない。

以上述べたような理由によって、球状陽極電離真空計は
高感度：小型化を達成できたにもかかわらず、本来目的
としたＸ線限界の改善には計算通りには行かず、従来の
ＢＡ型電離真空計のＸ線限界を越えることはできず、工
業製品として生産されるには至らなかったものである。

（問題点を解決するための手段） 然るにこの発明は、このような現状を鑑みなされたもの
であって、真空系内に配置した熱陰極および陽極間に電
子電流を流し該電子電流を形成する電子が空間を飛行中
に気体分子を衝撃して作る陽イオンをイオンコレクター
に収集して取り出した電流値から該真空系内のガス圧力
を測定する測定子において、イオンコレクターを点状に
近似せしめて陽極内側に配置すると共に、陽極の外側に
熱陰極を配置したことにより、球状陽極の最大欠点を克
服し、球状陽極の高感度を巧みに生かし、従来のＢＡ型
真空計のＸ線限界を２桁以上も改善することができるよ
うにしたものである。

（実施例） 以下本発明を第１図及び第２図に示した一実施例に基い
て説明すれば、１は陽極であって、該陽極１は線径約０
．１ｍｍの平織りの２０メツシユの金網材を直径約２４
ｍｍの椀型に成型したものを２個突き合わせると共に環
状鍔２を介し両者を一体化することにより、球面に近似
させた陽極構成となっている。そして上記陽極１の環状
鍔２下方には一部膨みを持たせ、２個突き合わせること
によって形成される直径約３ｍｍの小孔３を通して針状
コレクター４及びパイプ状シールド電極５を陽極１内に
臨ませである。パイプ状シールド電極５は外径的２ｍｍ
のタンタル金属パイプの先端を丸めて一旦閉じ、再び中
央に直径約０．７ｍｍの小孔６を開けたもので、その先
端部の該陽Ｖｉ壁からの侵入距離は約１．５ｍｍである
。針状イオンコレクター４は直径約０．１５＋ｎｎ＋の
タングステン金属線を電解腐食法によって先端に向って
順次細くし、その先端部の直径は約０．０３ｍｍで、前
記パイプ状シールド電極５の小孔６から突出距離は約Ｑ
、０５ｍｍに設定されている。そしてこの２つの電極構
成によって、針状イオンコレクター４の先端部が点状に
近似されて陽極内側に突出し、該突出部が点状のイオン
コレクター７となるものである。、８は線径約０．１５
ｍｍの酸化トリウムを含有させたタングステン線の熱陰
ｇ１（フィラメント）で、互いに１８０゛の位置で半円
弧のヘアピン状にした支持棒９に張設し前記陽極１の赤
道上に環状に配置される。尚、針状イオンコレクター４
とパイプ状シールド電極５を取り巻く太いパイプ１０は
、針状イオンコレクター４と同電位（アース電位）に置
かれて同軸真空導入電流端子１１に溶接される。同じく
支持棒９，１２も真空導入電流端子１１に溶接され、本
発明の熱陰極電離真空計を構成する。尚、第１図には新
たな電極としてイオン電流を変調するための変調電極１
３が点状イオンコレクター７から約５　ｍｍｆｌねた位
置に示しである。

さて、上記実施例の熱陰極電離真空計を用いて圧力を測
定するには、熱陰極フィラメント８に加熱電源を接続す
ると共に、熱陰極８と陽極１の間には所定の電子電流が
流れるように電子電流制御回路（図示せず）を接続する
。この場合の陽極１の熱陰極８に対する電位Ｕ９ｆ及び
熱陰極８のアース電位に対する電位Ｕずは、例えばＵ　
ｑｆ　＝　１１０　Ｖ及びＵｆ＝２００　Ｖである。ま
たパイプ状シールド電極５の電位は通常熱陰８ｉ８と同
じ電位に置かれる。さらに変調電極１３は通常は陽極電
位に置かれるが、変調を行う場合は変調電極電位をアー
ス電位に切り変える。

上記の動作条件において、熱陰極８から陽極１に向って
１ｍ＋八はどの電子電流を流してやると、熱電子の一部
は球面に近似させて形成した陽８ｉｆを境としてその内
外の空間を振動する。この振動によって球面内の残留気
体分子は衝窓され正イオンが生成される。

球面内の正イオンはパイプ状シールド電８ｉ５の先端に
向ってほぼ直線的に引かれて集められるが、この針状の
先端とパイプ状シールド電極５間には２００Ｖの強い電
界が掛けられているためほとんどのイオンはこの点状コ
レクター７に集束される。この針状イオンコレクター４
には同軸端子１１を介して真空系外に設けられた微小電
流増幅器（図示せず）に接続されており、イオン電流は
増巾され、その値はメータ等によって指示され、これよ
り圧力を求めるものである。

第３図は前記実施例から得られた結果を示すグラフで、
横軸に真空系の実際の圧力を、縦軸に前記実施例から得
られる点状イオンコレクター７のイオン電流値を示した
ものである。

グラフ上の結果はほぼ４５°の傾きを示す直線であり電
離真空計としての第一の基本特性を満している。

他方前記実施例がＸ線限界の改善に本当に役立つかどう
かを調べたのが第４図に示したグラフ群である。このグ
ラフはベアードとアルバートが発明したＢＡ型電離真空
計のＸ線限界が１Ｏ−８Ｐａ（１０−１０Ｔｏｒｒ）附
近にあることを実験的に証明した歴史的方法（第６図の
参考図参照）と同じ方法で５示したものである。即ち横
軸に熱陰極と陽極間の電位差Ｕ９（を取るのに対して縦
軸にはイオンコレクターに流れる電流を取ってやると、
圧力の高いイオン電流が主成分を占でいる時は、グラフ
Ｇ１のようにＬ１９子＝１１０　Ｖに最大の山があり、
それ以上の電圧では右下りになる傾向がある。それに対
し圧力が低くなってイオン電流が少くなり、相対的に光
電子電流の割合が増してくると、光電子電流は電圧の約
２乗倍で増すことが知られているから、グラフはＧ３　
、Ｇ４に示したように右上りの傾向が現われてくる。さ
らに良い真空が得られイオン電流がほぼ写となり、光電
子電流だけとなった場合は、破線で示したグラフＧ５の
ような形となる。ところでこのＸ線限界の測定に用いた
真空系の到達圧力は７　ｘ　１０　　　Ｐａ　（５ｘ　
１０”　Ｔｏｒｒ）であフたから、この実施例のＸ線限
界を求めるには不十分である。そこで第１図に示した変
調電極１３を用いてイオン電流を変調することによって
Ｘ線限界を求めた。この変調電極１３は第５図に示した
ような特性を持っている。従ってこの変調電極１３をｔ
Ｊｍ　＝Ｕ　＋　＋　ｔＪ　９ｆ　＝３１０　Ｖの陽極
電位からＵ、、＝Ｏのアース電位に切り変えてやると、
イオン電流の９５％をこの変調電極１３に取り込んでし
まうことを意味している。

従って、　７　ｘ　１０”Ｐａの不十分な真空でもこの
変調室８ｉ１３を用いてイオン電流の９５％を除去する
ことにより点状コレクター７からの真の光電子電流の概
略値を知ることができる。第４図に示したグラフＧ４は
前記変調電極１３の電位をＵ□＝０のアース電位にして
得られたものである。これを見るとまだ直線にはなって
おらず、イオン電流成分が未だ残存していることを意味
している。そこでＵ　ｑｔ、　＝　７００〜８００■以
上ではほぼ直線と見なし逆算によってベアードとアルバ
ードが行った方法のグラフを描いてみたのが０５で示す
破線グラフである。

このグラフＧ５から電子電流１ｅ＝１ｍＡ″ＱＵ！３ｆ
＝１１０Ｖの正常電圧で用いる場合の点状イオンコレク
ター７に流れる電流１ｃは１Ｏ−１４Ａ以下であり、ま
た第３図のグラフからこの実施例の電離真空計の感度は
約０．４　Ｐａ−１（５３Ｔｏｒｒ−１）　ｃ）高感度
であるから、 Ｘ線限界Ｐｘは と概算できる。

これに対して従来のＢＡ型電離真空計では第４図の破線
のグラフＧ５の位置はＩ　ｃ　＝　１０”〜１０”　Ａ
の位置に現われるから、前記実施例のＸ線限界に対する
改善は約２桁向上したことになる。

さらに、前記実施例の変調電極１３は電位を陽極１から
アース電位に切り変えた時、点状イオンコレクター７に
流れ込むイオン電流の９５％を変調することができる。

これに対して従来のＢＡ型電離真空計の針状変調電極に
よる変調率は３０〜４０％であるから、前記実施例の変
調電極１３は変調率においても大幅な改善がなされたこ
とになる。

さらに特筆すべきことは前記実施例の電離真空計では、
イオンコレクター７が点状であり、また変調電極１３も
非常に短いため、２電極間の静電容量結合が無視でき、
変調に伴ってイオンコレクター回路に変調に伴う話導電
流が発生しないということである。このため速い周波数
での交流連続変調を行うことが可能となり、この変調に
よって、さらに１桁以上の測定限界の改善が可能となり
＝１０”Ｐａまでの圧力測定が可能となる画期的発明と
なったものである。

このように従来の電離真空計では測定できなかった１０
　　Ｐａ　（１０”Ｔｏｒｒ）以下の圧力を３桁以上も
向上させて＝　１Ｏ−１２Ｐａまでの圧力測定を可能な
らしめたのは、とりもなおさず、イオンコレクターを点
状に近似させて球状に近似させた陽極１内側に配置する
ために、パイプ形状シールド電極５の一端から針状電極
４の先端部の一部だけを突出させ、該針状電極５先端が
見掛は上点状イオンコレクター７を形成せしめると共に
、この点状コレクター７を球面状に近似せしめて形成し
た陽極１の一部開孔から該陽極内側に配置し、該陽極１
の外側には熱陰極フィラメント８を配置して少くとも画
電極構成を基本とする電離真空計を提供したことに外な
らない。

尚、各電極の構成、材料及び電極の配置構成は図に示し
た実施例に限定されるものではない。

即ち点状に近似せしめるための２つの電極は、針状コレ
クターとパイプ形状電極に限られるものではなく、例え
ば線状コレクターとラッパ形状の組み合わせなどでもよ
く、要するにコレクターの一部をシールド電極から露出
させ、該露出部が、陽極１表面から見て点状に近似して
見なせるものならばいかなる組み合わせであワてもよい
。また球面状に近似させた陽極１は実施例の形状に限定
されるものではなく、線材で形成した複数の環体を球の
緯線に沿うように配置（従って異なる直径の環体を準備
する）したものや、同じ形状の複数の環体を球の経線に
沿うように配置して陽極を構成したもの、或いは線材を
スパイラルに巻き、その曲率を順次変化させて球面に近
似させて形成して陽極１を構成したものなど、中空で球
面に沿って格子が形成されているものなどいかなる形状
でもよい。

また実施例に示した熱陰極８は、イオンコレクター７を
球状陽極１の軸に見たとき、該陽極１の赤道（緯線上）
上に張設しであるが、これもこの構成に限ったものでは
なく、半環状又は環状の熱陰極フィラメント材を単数又
は複数本、球状陽極１の経線又は緯線上に張設して構成
したものでもよい。要するに、熱陰極８は球状陽極１の
表面上から電気的に絶縁されるならばいかなる配置構成
でもよい。特に、半環状、又は環状フィラメントを複数
本球状陽Ｆｉｔの天頂の位置で交叉させて、経線に沿っ
て配置したマルチフィラメントとすれば中心軸上を天頂
から下方の点状イオンコレクター７に向って飛び出す電
子が多くなることから、感度及びＸ線限界の向上にさら
に役立つことが予想される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の一部を切欠した斜視図、
第２図は同じく点状に近似させたイオンコレクターを構
成する針状コレクターとパイプ状シールドコレクタ一部
の拡大断面図、第３図は真空の圧力とイオンコレクター
に流れるイオン電流の関係を示す図、第４図は実施のＸ
線限界を求めた電子エネルギーＵ、ｆに対するイオンコ
レクター電流の関係を示すベアード・アルバートのプロ
ット図、第５図は実施例に示した針状シート変調電極の
特性曲線を示す図、第６図はＢＡ型電離真空計のＸ線限
界を示す図である。 １・・・球状陽極、２・・・環状鍔、３・・・小孔、４
・・・針状コレクター、５・・・パイプ状シールド電極
、６・・・小孔、７・・・点状イオンコレクター、８・
・・環状熱陰極フィラメント、９・・・支持棒、１０・
・・イオンコレクタ一部シールドパイプ、１１・・・同
軸真空導入電流端子、１２・・・支持棒、１３・・・針
状変調電極、Ｇ１・・・変調電極電位を陽極電位にセッ
トした場合のイオン電流特性、Ｇ２・・・変調電極電位
をアース電位にセットした場合のイオン電流特性、Ｇ３
・・・変調電極電位を陽極電位にセットした場合のイオ
ン電流と光電子電流の和の特性、Ｇ４・・・変調電極電
位をアース電位にセットした場合のイオン電流と光電子
電流の和の特性、Ｇ５・・・光電子電流だけになった場
合予想される特性（ベアード・アルバート・プロット）
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空系内に配置した熱陰極および陽極間に電子電
   流を流し該電子電流を形成する電子が空間を飛行中に気
   体分子を衝撃して作る陽イオンをイオンコレクターに収
   集して取り出した電流値から該真空系内のガス圧力を測
   定する測定子において、前記イオンコレクターを点状に
   近似せしめて陽極内側に配置すると共に、陽極の外側に
   熱陰極を配置したことを特徴とする熱陰極電離真空計。
2. （２）イオンコレクターは針状電極の先端部を、パイプ
   状電極の一端から突出させることによって点状に近似せ
   しめたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱
   陰極電離真空計。
3. （３）陽極を球面に近似させて形成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の熱陰極電離真空計。
4. （４）点状に近似せしめたイオンコレクターの近傍に、
   イオン電流を変調するための変調電極を配置したことを
   特徴とする熱陰極電離真空計。