冷陰極電離真空計及び圧力測定方法
【課題】強酸化性ガスやその他の膜生成ガスなどカソード汚染ガスを含む圧力被測定環境において、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度に圧力を測定すること。
【解決手段】カソード２ａ、２ｂから熱電子放出を起こさないような温度にカソード２ａ、２ｂを加熱し、該アノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、かつアノード１とカソード２ａ、２ｂの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、真空容器１２内の圧力を測定することを特徴とする。
【解決手段】カソード２ａ、２ｂから熱電子放出を起こさないような温度にカソード２ａ、２ｂを加熱し、該アノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、かつアノード１とカソード２ａ、２ｂの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、真空容器１２内の圧力を測定することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置内の圧力（真空度）を測定する冷陰極電離真空計及び該冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁場を用いる冷陰極電離真空計は基本的にアノードとカソードの２電極で構成される放電現象を利用する真空計で、カソードを略室温で用いることから冷陰極型電離真空計と称される。図７に示すようなペニング型のもの、図８に示すようなマグネトロン型のもの、また図９に示すような逆マグネトロン型のもの等が知られている。
【０００３】
図７、図８、図９に示した冷陰極電離真空計は、真空容器Ｃ内に種々の形状のアノードＡと、カソードＫとを備え、更にアノードＡに接続される直流電源と、アノードＡの軸に沿う磁場Ｂを形成する手段とを備えている。
【０００４】
このような冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法では、アノードＡとカソードＫの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを形成してアノードＡとカソードＫとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器Ｃ内の圧力を測定する。即ち、アノードＡとカソードＫとで画定される空間で電界放出や宇宙線などの原因で電子が発生すると、電子はカソードＫからアノードＡに向かって加速されるが、電界と磁界が存在するために電子はローレンツ力を受けて、すぐにはアノードＡに到達せず、空間内で螺旋運動して、長い距離を移動する。その結果、空間内の残留ガスと衝突して残留ガスをイオン化する確率が増し、カソードＫとアノードＡの間に持続放電が発生する。放電電流は空間の残留ガス分子の数に依存するので、放電電流を測定することによって空間内の圧力、ひいては真空計とつながっている被測定真空容器内の圧力を知ることができる。
【０００５】
上記冷陰極電離真空計は、熱陰極電離真空計であるベアード−アルパート（ＢＡ）型真空計と異なり、いずれも熱電子を放出する熱陰極フィラメントを持たないため、計測中にフィラメントが切れる心配がなく、スパッターや真空蒸着の製造工場や長期間運転される加速器など過酷な条件や長期安定性を求められる分野では不可欠な真空計となっている。
【特許文献１】特開平６−２６９６７号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７１１号公報
【特許文献３】特開２０００−３９３７５号公報（特許３７４６３７６号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、冷陰極電離真空計は、以下に説明するように、大気開放などを繰り返した場合、或いは汚染物質分子を含むガス組成の環境で使用した場合、電離真空計の感度が徐々に低下し、正確な圧力測定ができなくなる問題が生じる。
【０００７】
即ち、最近の真空装置では、真空モータ、ソレノイド、位置検出計など有機絶縁物で製作された電気部品が真空装置内に取り付けられるため、有機絶縁物、例えばシリコンゴムなどからはシロキサン、有機機械部品からは熱可塑性樹脂の可塑剤として添加されるフタル酸、アジピン酸などが蒸気となって放出され、真空計を汚染する。図７、図８、或いは図９に示す冷陰極電離真空計を用いた場合、最悪１日程度で放電が停止してしまうような問題が発生する。汚染分子が電離真空計内に飛び込むと、その汚染分子は電子衝撃を受けて分解、イオン化し、陽イオンとなってカソードＫに到達する。カソードＫに到達した汚染物質（分解分子）は電子を受け取って中性になるが、ラジカル状態にあるから次々と飛び込んでくる汚染物質同士と重合反応を起こし高分子化してカソードＫ表面に堆積し、電気を通しにくい被膜を形成する。このため、後から飛来する陽イオンはカソードＫに流れ込みにくくなり、これにより感度が低下する。更にその被膜が厚くなると、最悪の場合、その被膜により放電が停止ししたり、放電が起動しないなどの問題が発生する。
【０００８】
このような問題が発生すると、真空計としての機能は失われるため、真空装置を使う量産工場では、製造される製品にバラツキが発生したり、不良品が出たりするなど、大問題が発生してしまう。これを避けるために、現在は電離真空計の測定子を定期的に交換して使用するなどしているが、手間もコストもかかる。また、頻繁に測定子の交換を行ったとしても、感度の低下は連続して起こるので、交換直後だけが正しい圧力を示し、それ以降は常に低い圧力を示すようになり正しい圧力を測定できなくなる。
【０００９】
また、従来の図７、図８、及び図９の冷陰極電離真空計のカソードＫを構成する材料は、通常金属で製作されているため、汚染物質が強酸化性のガス分子（例えば酸素、オゾン、ハロゲン、ハロゲン化物）であった場合、カソードＫは容易に酸化されてしまい、金属酸化物の被膜が形成されてしまう。金属酸化膜は通常は不導体であることが多く、これにより放電が停止してしまう。従って、このような環境では、従来の冷陰極電離真空計により圧力計測を行うことは不可能であった。
【００１０】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、強酸化性ガスやその他の膜生成ガスなどカソード汚染ガスを含む圧力被測定環境において、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度に圧力を測定することができる冷陰極電離真空計を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、第１の発明は、冷陰極電離真空計に係り、真空容器と、前記真空容器内に設けられたアノードと、前記真空容器内に設けられたカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備え、前記真空容器内の圧力を測定する冷陰極電離真空計であって、前記圧力の測定中、前記カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内で前記カソードを加熱する手段を備えたことを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の冷陰極電離真空計に係り、前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とし、
第３の発明は、第１又は第２の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードの加熱は、前記カソードに接続された電力供給源によって行われ、該電力供給源により前記カソードに電力を供給することにより、前記カソード自身の抵抗に該電力を消費させて前記カソード自身を発熱させることを特徴とし、
第４の発明は、第３の発明の冷陰極電離真空計に係り、前記電力供給源より前記電力を連続的に供給し、又は前記電力を断続的に供給することを特徴とし、
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードを構成する材料は、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一であることを特徴とし、
第６の発明は、第１乃至第４の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードを構成する材料は導電性セラミック、電気伝導性酸化物又は黒鉛で構成されていることを特徴とし、
第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記冷陰極電離真空計は、ペニング型、マグネトロン型、或いは逆マグネトロン型のいずれか一である
第８の発明は、圧力測定方法に係り、真空容器と、前記真空容器内のアノードと、前記真空容器内のカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備えた冷陰極電離真空計を用い、該カソードから熱電子放出を起こさない温度に前記カソードを加熱し、該アノードと該カソードの間に直流電圧を印加し、かつ該アノードと該カソードの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、前記真空容器内の圧力を測定することを特徴とし、
第９の発明は、第８の発明の圧力測定方法に係り、前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とし、
第１０の発明は、第８又は第９の発明のいずれか一の圧力測定方法に係り、前記放電を発生させる前に、前記カソードを予備加熱することを特徴とし、
第１１の発明は、第１０の発明の圧力測定方法に係り、前記カソードを予備加熱するため、前記カソードに断続的に電力を印加することを特徴とし、
第１２の発明は、第８乃至第１０の発明のいずれか一の圧力測定方法に係り、前記放電の起動のため、前記圧力測定時の温度よりも高い温度で前記カソードを加熱することを特徴とし、
第１３の発明は、第１２の発明の圧力測定方法に係り、前記起動用放電を発生させるため、前記カソードに断続的に電力を印加して前記カソードを加熱することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷陰極電離真空計においては、真空容器内にアノードとカソードとを備え、さらに、圧力の測定中、カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内でカソードを加熱する手段を備えている。
【００１３】
本発明では、元々熱電子を放出するためにカソードを加熱せず、カソードに到達した汚染物質を除くためにカソードを加熱している。これにより、カソード表面に汚染物質による高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００１４】
このとき、温度範囲の下限を２００℃としている。カソードを昇温し、特にカソードの表面温度を２００℃以上に昇温することにより、カソードに到達した汚染物質を、カソード表面から速やかに離脱させることができる。
【００１５】
また、カソードの加熱温度の上限は、カソードから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、ベアード−アルパート（ＢＡ）型電離真空計の熱陰極フィラメントの加熱温度（１１００℃以上）に比べて、低い（１０００℃以下）。しかも、ペニング型の場合、カソードは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。また、マグネトロン型や逆マグネトロン型においてもカソードは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００１６】
更に、カソードの加熱温度の上限が、カソードから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソードから熱電子が放出されることが無く、従って、通常のアノードとカソードの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００１７】
また、カソードの構成材料として、酸化物焼結体などの電気伝導性酸化物や導電性セラミックを用いることにより、酸素やオゾンなどの酸化性ガス中で動作させたとしても、酸化物で構成されたカソードの酸化は進行しない。即ち、これまでの金属製のカソードを備えた冷陰極電離真空計を用いては、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止によって圧力計測が不可能であった圧力被測定雰囲気中でも、酸化物焼結体などの電気伝導性酸化物又は導電性セラミックを用いることにより、酸化物の生成による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００１８】
また、カソードの構成材料として、黒鉛を用いた場合はハロゲンガスやハロゲン化合物の汚染ガスとの反応が起こりにくく、長期間に渡って信頼性の高い安定な圧力測定が可能である。
【００１９】
本発明の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法においては、放電を発生させる前に、カソードを予備加熱している。
【００２０】
ところで、圧力測定前にカソード表面に汚染物質が形成されていた場合、放電開始が困難になることや感度が低下することが考えられる。このような場合、本発明の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法のように、放電開始前に圧力測定中の温度よりも高い温度でカソードを予備加熱して、圧力測定前にカソード表面から汚染物質を除去することにより、放電を確実に起こさせるとともに、感度の低下を防止して、より安定で、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００２１】
また、アノードとカソードの間に直流電圧を印加し、かつアノードとカソードの間の空間に磁場を形成するとともに圧力測定時の温度よりも高い温度でカソードを加熱することにより起動用の初期放電を発生させ、その後に、放電を持続しつつ、カソードの表面温度を２００℃以上で、かつカソードから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保ち、真空容器内の圧力測定を開始している。
【００２２】
圧力測定前にカソード表面が汚染されていた場合、汚染が大量であった場合、或いは圧力が低い場合など、放電開始が困難になること、或いは放電中に放電停止が起こることも予想される。この場合、好ましくはパルス状の比較的大きい電力を印加してカソードを加熱することによりカソードからガスが放出され、これによりカソード周辺の圧力を増大させることができるため放電が起きやすくなる。このように起動用の放電を起こさせてから、放電を持続しつつ、真空容器内の圧力測定を開始するようにすることで、広範囲な圧力測定環境において容易に、かつ確実に放電を起こさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るペニング型の冷陰極電離真空計を示す模式斜視図である。
【００２５】
冷陰極電離真空計が収納される一点鎖線で示した真空容器１２は、フランジ部（図示せず）を介して、矢印１３の方向にある内部圧力が測定される真空容器（被測定真空容器）のフランジに取り付けられる。
【００２６】
図１に示すペニング型の冷陰極電離真空計では、真空容器１２内に、円筒状のアノード１が配置され、円筒状のアノード１の上部及び下部両方に円筒の開口端に対向し、覆い被さるようにそれぞれ円板状のカソード２ａ、２ｂが配置されている。
【００２７】
アノード１は、リード線５を介して高圧電流導入端子７に接続され、さらにこの高圧電流導入端子７を介して直流電源９の正側の出力端子に接続されている。この場合、高圧電流導入端子７は真空容器壁８に形成された貫通穴を通して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。また、直流電源９の負側の出力端子は放電電流を計測するための電流計１０を介して接地されている。アノード１には直流電源９により通常２乃至５kVの正の直流電圧が印加される。
【００２８】
上部のカソード２ａは一端が加熱用電源（加熱手段）１１に接続され、下部のカソード２ｂは一端が接地されている。さらに、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂの他端同士は接続導線３によって相互に接続されている。
【００２９】
なお、上部のカソード２ａと加熱用電源１１の間、及び下部のカソード２ｂと接地の間の詳細な接続は、次のようになっている。即ち、上部のカソード２ａはリード線４ａを介して電流導入端子６に接続され、更にこの電流導入端子６を介して加熱用電源（加熱手段）１１の一端子に接続されている。電流導入端子６は真空容器壁８に形成された絶縁された貫通穴を通して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。また、下部のカソード２ｂは、リード線４ｂを介して、接地された真空容器壁８に接続されている。
【００３０】
カソード２ａ、２ｂは比較的抵抗の高い導電材料が用いられる。そのような導電材料として、例えば、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一や、酸化レニウム焼結体のような電気導電性酸化物や、黒鉛のような非金属の電気伝導体などを用いることができる。
【００３１】
以上のように、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂは加熱用電源１１に対して直列接続されており、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂに加熱用電源１１から交流電力が供給されることにより、カソード２ａ、２ｂの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ａ、２ｂ自身が発熱する。
【００３２】
さらに、図示してはいないが、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂから熱電子の放出が起こらないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御するマイコンなど制御装置（制御手段）を備えている。なお、マイコンなどの制御装置によらなくても手動で加熱用電源１１による加熱を制御することもできる。
【００３３】
加熱する温度の下限を２００℃とする理由は、発明者として本願発明者を含む特開２０００−３９３７５号公報（特許３７４６３７６号）に記載されているように、本発明者の実証に基づく。即ち、超高真空の圧力を測定する際、超高真空領域の残留ガス分子（水素と一酸化炭素）が熱陰極電離真空計のグリッド電極に吸着することによって誤差が発生するが、グリッド電極を昇温させることによって吸着分子を減らすことが可能であることが分かった。この場合、特に２００℃を越えたあたりから６００℃にかけて、誤差となる残留ガス分子の吸着が減少している。従って、金属表面上で、汚染物質の吸着を抑える温度を２００℃以上に設定することが重要であり、これは、熱陰極電離真空計のグリッド電極に限らず、本発明における冷陰極電離真空計を構成するカソードにも適用できるものである。
【００３４】
この冷陰極電離真空計では、さらに、真空容器１２の外側に円筒状のアノード１の中心軸方向（符号Ｂ方向）に磁場を形成するように磁石（図示せず）が配置されている。
【００３５】
上記冷陰極電離真空計においては、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１とカソード２ａ、２ｂとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００３６】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る冷陰極電離真空計においては、真空容器１２内にアノード１とカソード２ａ、２ｂとを備え、さらに、カソード２ａ、２ｂを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００３７】
このような装置構成により、カソード２ａ、２ｂを昇温し、特にカソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上の温度範囲内に昇温することにより、カソード２ａ、２ｂに到達した汚染物質及び汚染物質イオンを、カソード２ａ、２ｂ表面から速やかに離脱させることができる。これにより、カソード２ａ、２ｂ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００３８】
また、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限は、カソード２ａ、２ｂから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、ベアード−アルパート（ＢＡ）型電離真空計の熱陰極フィラメントの加熱温度（１１００℃以上）に比べて、低い（１０００℃以下）。しかも、カソード２ａ、２ｂは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。
【００３９】
更に、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限が、カソード２ａ、２ｂから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソード２ａ、２ｂから熱電子が放出されることが無く、従って、アノード１とカソード２ａ、２ｂの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。なお、カソード２ａ、２ｂの温度を上げて熱電子を放出した場合は、電子レンジに使用されているようなマグネトロン発振器のようなマイクロ波発生現象が起こるとともに、熱陰極マグネトロン真空計のような熱陰極型電離真空計になってしまう。
【００４０】
また、カソード２ａ、２ｂの構成材料として、酸化物焼結体などの電気導電性酸化物や導電性セラミックを用いることにより、酸素やオゾンなどの酸化性ガス中で動作させたとしても、酸化物であるカソードの酸化は進行しない。即ち、これまでの金属製のカソードを備えた冷陰極電離真空計を用いては、酸化物の形成による感度の低下、及び放電停止によって圧力計測が不可能であった圧力被測定雰囲気中でも、酸化物焼結体などの導電性セラミックを用いることにより、酸化物の形成による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００４１】
また、カソード２ａ、２ｂの構成材料として、黒鉛を用いた場合はハロゲンガスやハロゲン化合物の汚染ガスとの反応が起こりにくく、長期間に渡って信頼性の高い安定な圧力測定が可能である。
【００４２】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るペニング型の例陰極電離真空計の別の構成を示す模式斜視図である。
【００４３】
図２の構成において、図１の構成と相違する点は、カソード２ｃ、２ｄと、カソード２ｃ、２ｄ同士を直列接続する接続導体３ａとが、一枚の金属板を逆コの字状に曲げて、一体的に形成されていることである。
【００４４】
その他の構成については、図１と同じであり、図２において、図１の構成要素と同じ構成要素は図１と同じ符号で示す。
【００４５】
この実施形態のペニング型の冷陰極電離真空計においても、第１の実施形態と同じように、上部のカソード２ｃ及び下部のカソード２ｄは加熱用電源１１に対して直列接続されており、上部のカソード２ｃ及び下部のカソード２ｄには加熱用電源１１から交流電力が供給され、これにより、カソード２ｃ、２ｄの電気抵抗により電力が消費されて、カソード２ｃ、２ｄ自身が発熱する。
【００４６】
この実施形態においても、第１の実施形態と同じように、カソード２ｃ、２ｄを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｃ、２ｄの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えているため、圧力測定中に、カソード２ｃ、２ｄ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になる。これにより、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００４７】
また、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｃ、２ｄは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。
【００４８】
さらに、カソード２ｃ、２ｄから熱電子が放出されることが無いため、アノード１とカソード２ｃ、２ｄの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００４９】
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係るマグネトロン型の冷陰極電離真空計の構成を示す模式斜視図である。
【００５０】
図３に示すマグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、一点鎖線で示された真空容器１２内に、円筒の両側開放端が絞られた形状のアノード１ａが配置され、円筒状アノード１ａの中心軸上に棒状のカソード２ｅが配置されている。
【００５１】
アノード１ａは、リード線５及び高圧電流導入端子７を介して直流電源９の正側に接続されている。直流電源９の負側は電流計１０を介して接地されている。高圧電流導入端子７は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。アノード１ａには直流電源９により通常２乃至５ｋＶの正の直流電圧が印加される。
【００５２】
棒状のカソード２ｅは上端でリード線４ａ及び電流導入端子６を介して加熱用電源１１に接続され、その下端でリード線４ｂを介して、接地された真空容器１２の容器壁８に接続されている。電流導入端子６は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。カソード２ｅに加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｅの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｅ自身が発熱する。
【００５３】
また、第１の実施形態と同様な構成の制御装置を有する。
【００５４】
また、真空容器１２の外側には円筒状のアノード１ａの軸方向に磁場を形成する磁石（図示せず）が配置され、符号Ｂ方向の磁力線を形成している。
【００５５】
上記冷陰極電離真空計においても、カソード２ｅの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｅから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１ａとカソード２ｅの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１ａとカソード２ｅとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００５６】
以上のように、この実施形態においても、第１の実施形態と同じように、真空容器１２内にアノード１ａとカソード２ｅとを備え、さらに、カソード２ｅを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｅの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｅが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００５７】
これにより、圧力測定中、カソード２ｅ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することができるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００５８】
また、カソード２ｅの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｅは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００５９】
さらに、カソード２ｅから熱電子が放出されることが無いため、アノード１ａとカソード２ｅの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００６０】
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係るマグネトロン型の冷陰極電離真空計の別の構成を示す模式斜視図である。
【００６１】
図４の構成において、図３の構成と相違する点は、棒状カソード２ｆがヘアピン構造となっていることである。その端はリード線４ａ、４ｂを介して真空壁８の外部と接続されている。その外部接続構成は図３と同じ構成になっている。図４において、図３の構成要素と同じ構成要素は図３と同じ符号で示す。更に、その他の構成は図１の実施例と実質的に同じ構成となっている。
【００６２】
この構成の真空計は、リード線４ａ、４ｂ、５の３本全てを磁力線Ｂと平行な方向（図４における縦軸方向）で真空壁の側にだけ向かわせて構成することが可能であるため、円筒状の永久磁石で軸方向に着磁した中心に、円筒状の真空壁を挿入した、特開平１０−１９７１１号公報の図１４に類似の構成の電離真空計とすることができる。
【００６３】
以上の構成により、カソード２ｆには加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｆの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｆ自身が発熱する。
【００６４】
以上のように、この実施形態においては、第１の実施形態と同じように、カソード２ｆを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｆの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００６５】
これにより、カソード２ｆ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるため、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００６６】
また、カソード２ｆの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｆは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００６７】
さらに、カソード２ｆから熱電子が放出されることが無いため、アノード１ａとカソード２ｆの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を測定することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００６８】
（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態に係る逆マグネトロン型の電離真空計の構成を示す模式斜視図である。
【００６９】
図５に示すように、この実施形態の逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、真空容器１２内に、棒状のアノード１ｂを中心にして棒状でスパイラル状のカソード２ｇが配置されている。この実施形態の逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、図３、４のマグネトロン型の電離真空計とアノードとカソードの電極配置が逆転しており、逆マグネトロン型電離真空計と称される所以である。
【００７０】
棒状のアノード１ｂには、リード線５及び高圧電流導入端子７を介して直流電源９が接続されている。また、直流電源９の負側は電流計１０を介して接地されている。高圧電流導入端子７は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。アノード１ｂには直流電源９から通常２乃至５ｋＶの正の直流電圧が印加される。
【００７１】
棒状でスパイラル状のカソード２ｇの上端はリード線４ａ及び電流導入端子６を介して加熱用電源１１に接続され、その下端はリード線４ｂを介して、接地された真空容器１２の容器壁８に接続されている。電流導入端子６は容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。カソード２ｇには加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｇの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｇ自身が発熱する。
【００７２】
また、第１の実施形態と同様な構成の制御装置を有する。
【００７３】
さらに、真空容器１２の外側には円筒状のアノード１ｂの軸方向に磁場を形成する磁石（図示せず）が配置され、符号Ｂ方向の磁力線を形成している。
【００７４】
上記冷陰極電離真空計においても、カソード２ｇの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｇから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１ｂとカソード２ｇの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１ａとカソード２ｇとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００７５】
以上のように、この実施形態においても、カソード２ｇの表面温度を２００℃以上の温度範囲内に昇温することにより、カソード２ｇに到達した汚染物質を、カソード２ｇ表面から速やかに離脱させることができる。これにより、カソード２ｇ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することができるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００７６】
また、カソード２ｇの加熱温度の上限は、カソード２ｇから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、熱陰極フィラメントに比べて低く、しかも、カソード２ｆは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００７７】
さらに、カソード２ｇの加熱温度の上限は、カソード２ｇから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソード２ｇから熱電子が放出されることが無く、従って、アノード１ａとカソード２ｇの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を測定することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００７８】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態に係る、上記冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法について説明する。図６は、本実施形態である、上記冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法を示すフローチャートである。
【００７９】
図１及び図２の実施形態の場合、円筒状アノード１と板状のカソード（２ａ、２ｂ）、（２ｃ、２ｄ）で挟まれた空間に、電界と磁界を発生させる。また、図３と図４の実施形態の場合、円筒状アノード１ａと棒状カソード２ｅまたはヘアピン形状カソード２ｆで挟まれた空間に、電界と磁界を発生させる。さらに、図５に示す実施形態の場合、スパイラル状カソード２ｇと棒状アノード１ｂで挟まれた空間に電界と磁界を発生させる。これにより、何れもその空間で放電が起こるようになっている。
【００８０】
以下では、これらのうち、代表して、図１に示すペニング型の電離真空計を用いた圧力測定方法について説明する。
【００８１】
図６に示すように、まず、カソード２ａ、２ｂに、カソード２ａ、２ｂを加熱するための加熱用電源１１を接続する。
【００８２】
次いで、真空容器１２の外側に磁石（図示せず）を配置し、アノードとカソードとで画定される空間であって円筒状のアノード１の中心軸方向に磁場を形成する。図１では、磁力線が下から上に向く方向（符号Ｂ方向）である。なお、磁場の形成は、ここでは行わず次の工程である予備加熱の工程の後に行ってもよい。
【００８３】
次に、加熱用電源１１から交流電力を供給して、カソード２ａ、２ｂを予備加熱する。この場合、カソード２ａ、２ｂ自身の抵抗による電力消費によりカソード２ａ、２ｂ自身が発熱する。このときの温度は、放電を発生させて圧力を測定するときの温度よりも高くても低くてもよく、カソード表面から汚染物質を除去できればよい。
【００８４】
ところで、圧力測定前の電離真空計のカソード２ａ、２ｂ表面に汚染物質（高分子絶縁膜又は酸化物）が形成されている場合、放電開始が困難になることや感度が低下することが考えられる。このような場合、圧力測定前にカソードを予備加熱してカソード表面から汚染物質等を除去することにより、放電を確実に起こさせるとともに、感度の低下を防止して、より安定で、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００８５】
次に、アノード１とカソード２ａ、２ｂとで画定される空間に磁場を形成した状態で、パルス状の比較的大きい電力をカソードに印加してカソードを加熱し、かつアノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、起動用の放電を起こさせる。この場合、加熱温度は、圧力測定中の加熱温度よりも高くても低くてもよいが、高い方が望ましい。
【００８６】
ところで、カソード２ａ、２ｂ表面に汚染物質が形成されていた場合、汚染が大量であった場合、或いは圧力が低い場合など、放電開始が困難になること、又は放電中に放電停止が起こることも予想される。この場合、好ましくはパルス状の比較的大きい電力を印加してカソード２ａ、２ｂを加熱して放電が起きやすくすることが望ましい。これは、カソード２ａ、２ｂが加熱されると、カソード２ａ、２ｂからガスが放出されるため、カソード２ａ、２ｂ周辺の圧力が増大し、放電が起きやすくなるためである。
【００８７】
アノード１とカソード２ａ、２ｂによって画定される空間で電界放出や宇宙線などの原因で電子が発生すると、発生した電子はカソード２ａ、２ｂからアノード１に向かって加速されるが、磁界が存在するためローレンツ力を受けて、すぐにはアノード１に到達せず、空間内で螺旋運動して、長い距離を飛行する。その結果、電子が空間内の残留ガスと衝突して、残留ガスをイオン化する確率が増し、カソード２ａ、２ｂとアノード１との間に持続放電が発生する。
【００８８】
このように起動用の放電を起こさせてから、放電を持続しつつ、真空容器内の圧力測定を開始するようにすることで、広範囲な圧力測定環境において容易に、かつ確実に放電を起こさせることができる。
【００８９】
起動用の放電が発生した後、その放電を持続しつつ、加熱用電源１１の電圧を適切に選び、カソード２ａ、２ｂを加熱する。このとき、カソード２ａ、２ｂの表面温度が２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂからの熱電子放出が起こらないような温度範囲内に保持する。カソード２ａ、２ｂの構成材料として、上記金属又は合金を用いた場合、温度を２００℃から１０００℃の間に、好ましくは５００〜６００℃に保持する。
【００９０】
この温度を維持し、持続放電を維持して、真空容器１２内の圧力測定を開始する。なお、この場合、加熱用電源１１は接地電位なので、加熱状態を保ってもカソード２ａ、２ｂとアノード１の間の空間内の放電状態を乱すことは無い。なお、放電維持中に放電の停止が起こった場合はパルス電力印加によるパルス昇温によりカソード２ａ、２ｂを一時的に１０００℃程度で数秒間保持することにより放電を再起動させることが可能である。
【００９１】
加熱用電源１１によりカソード２ａ、２ｂ表面を２００℃以上に昇温しているので、持続放電を維持して真空容器内の圧力測定中に、真空計内に汚染物分子が飛び込んで来てもカソード２ａ、２ｂ表面には汚染物分子が付着しない。
【００９２】
以下に、カソード２ａ、２ｂ表面に汚染物分子が付着しない理由についてより詳しく説明する。真空容器１２内に昇華温度が４００℃の汚染物質の気体分子が飛来することが予想される場合、加熱用電源１１の電力を調整してカソード２ａ、２ｂの温度を略５００℃程度まで昇温しておく。カソード２ａ、２ｂに到達した汚染物質イオンは電子を受け取って中性分子となるが、カソード２ａ、２ｂを昇温しているため、カソード２ａ、２ｂの表面上から速やかに蒸発して飛び去り、その結果、カソード２ａ、２ｂ表面上に重合反応による高分子膜が形成されるのを防止することができる。
【００９３】
以上のように、本発明の実施形態の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法においては、圧力測定中にカソード２ａ、２ｂ表面上に重合反応による高分子膜が形成されるのを防止することができるため、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００９４】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００９５】
例えば、上記実施形態では、交流電力を供給する加熱用電源１１を用いて交流電力を供給しているが、直流電力を供給する加熱用電源を用いて直流電力を供給してもよい。
【００９６】
また、上記第６の実施形態では、予備加熱と起動用放電のための加熱をともに行っているが、予備加熱だけでもよいし、起動用放電のための加熱だけでもよいし、或いは両方行わなくてもよい。
【００９７】
また、予備加熱は、連続的に電力を加えてもよいし、断続的（パルス的）に電力を加えてもよい。
【００９８】
また、起動用放電のための加熱は、断続的（パルス的）に電力を加えて行っているが、連続的に電力を加えて行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、真空技術が不可欠な半導体産業、各種薄膜の成膜産業、表面分析機器、電子顕微鏡などの各種商品開発、生産技術、更には加速器科学など基礎研究部門等に用いられる真空装置の圧力計測に使用される冷陰極電離真空計及び圧力測定方法において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施形態であるペニング型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態であるペニング型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図３】本発明の第３の実施形態であるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図４】本発明の第４の実施形態であるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図５】本発明の第５の実施形態である逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施形態である冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法を示すフローチャートである。
【図７】従来技術によるペニング型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【図８】従来技術によるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【図９】従来技術による逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１ａ、１ｂ アノード
２ａ〜２ｇ カソード
３ カソード間の接続導線
３ａ カソード間の接続導体
４ａ、４ｂ カソードのリード線
５ アノードのリード線
６ 電流導入端子
７ 高圧電流導入端子
８ 真空計を形成する真空容器壁
９ 高圧直流電源
１０ 微少電流計
１１ 加熱用電源
１２ 真空計の真空容器
１３ 被真空測定真空容器への接続関係を示す矢印
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置内の圧力（真空度）を測定する冷陰極電離真空計及び該冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁場を用いる冷陰極電離真空計は基本的にアノードとカソードの２電極で構成される放電現象を利用する真空計で、カソードを略室温で用いることから冷陰極型電離真空計と称される。図７に示すようなペニング型のもの、図８に示すようなマグネトロン型のもの、また図９に示すような逆マグネトロン型のもの等が知られている。
【０００３】
図７、図８、図９に示した冷陰極電離真空計は、真空容器Ｃ内に種々の形状のアノードＡと、カソードＫとを備え、更にアノードＡに接続される直流電源と、アノードＡの軸に沿う磁場Ｂを形成する手段とを備えている。
【０００４】
このような冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法では、アノードＡとカソードＫの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを形成してアノードＡとカソードＫとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器Ｃ内の圧力を測定する。即ち、アノードＡとカソードＫとで画定される空間で電界放出や宇宙線などの原因で電子が発生すると、電子はカソードＫからアノードＡに向かって加速されるが、電界と磁界が存在するために電子はローレンツ力を受けて、すぐにはアノードＡに到達せず、空間内で螺旋運動して、長い距離を移動する。その結果、空間内の残留ガスと衝突して残留ガスをイオン化する確率が増し、カソードＫとアノードＡの間に持続放電が発生する。放電電流は空間の残留ガス分子の数に依存するので、放電電流を測定することによって空間内の圧力、ひいては真空計とつながっている被測定真空容器内の圧力を知ることができる。
【０００５】
上記冷陰極電離真空計は、熱陰極電離真空計であるベアード−アルパート（ＢＡ）型真空計と異なり、いずれも熱電子を放出する熱陰極フィラメントを持たないため、計測中にフィラメントが切れる心配がなく、スパッターや真空蒸着の製造工場や長期間運転される加速器など過酷な条件や長期安定性を求められる分野では不可欠な真空計となっている。
【特許文献１】特開平６−２６９６７号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７１１号公報
【特許文献３】特開２０００−３９３７５号公報（特許３７４６３７６号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、冷陰極電離真空計は、以下に説明するように、大気開放などを繰り返した場合、或いは汚染物質分子を含むガス組成の環境で使用した場合、電離真空計の感度が徐々に低下し、正確な圧力測定ができなくなる問題が生じる。
【０００７】
即ち、最近の真空装置では、真空モータ、ソレノイド、位置検出計など有機絶縁物で製作された電気部品が真空装置内に取り付けられるため、有機絶縁物、例えばシリコンゴムなどからはシロキサン、有機機械部品からは熱可塑性樹脂の可塑剤として添加されるフタル酸、アジピン酸などが蒸気となって放出され、真空計を汚染する。図７、図８、或いは図９に示す冷陰極電離真空計を用いた場合、最悪１日程度で放電が停止してしまうような問題が発生する。汚染分子が電離真空計内に飛び込むと、その汚染分子は電子衝撃を受けて分解、イオン化し、陽イオンとなってカソードＫに到達する。カソードＫに到達した汚染物質（分解分子）は電子を受け取って中性になるが、ラジカル状態にあるから次々と飛び込んでくる汚染物質同士と重合反応を起こし高分子化してカソードＫ表面に堆積し、電気を通しにくい被膜を形成する。このため、後から飛来する陽イオンはカソードＫに流れ込みにくくなり、これにより感度が低下する。更にその被膜が厚くなると、最悪の場合、その被膜により放電が停止ししたり、放電が起動しないなどの問題が発生する。
【０００８】
このような問題が発生すると、真空計としての機能は失われるため、真空装置を使う量産工場では、製造される製品にバラツキが発生したり、不良品が出たりするなど、大問題が発生してしまう。これを避けるために、現在は電離真空計の測定子を定期的に交換して使用するなどしているが、手間もコストもかかる。また、頻繁に測定子の交換を行ったとしても、感度の低下は連続して起こるので、交換直後だけが正しい圧力を示し、それ以降は常に低い圧力を示すようになり正しい圧力を測定できなくなる。
【０００９】
また、従来の図７、図８、及び図９の冷陰極電離真空計のカソードＫを構成する材料は、通常金属で製作されているため、汚染物質が強酸化性のガス分子（例えば酸素、オゾン、ハロゲン、ハロゲン化物）であった場合、カソードＫは容易に酸化されてしまい、金属酸化物の被膜が形成されてしまう。金属酸化膜は通常は不導体であることが多く、これにより放電が停止してしまう。従って、このような環境では、従来の冷陰極電離真空計により圧力計測を行うことは不可能であった。
【００１０】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、強酸化性ガスやその他の膜生成ガスなどカソード汚染ガスを含む圧力被測定環境において、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度に圧力を測定することができる冷陰極電離真空計を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、第１の発明は、冷陰極電離真空計に係り、真空容器と、前記真空容器内に設けられたアノードと、前記真空容器内に設けられたカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備え、前記真空容器内の圧力を測定する冷陰極電離真空計であって、前記圧力の測定中、前記カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内で前記カソードを加熱する手段を備えたことを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の冷陰極電離真空計に係り、前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とし、
第３の発明は、第１又は第２の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードの加熱は、前記カソードに接続された電力供給源によって行われ、該電力供給源により前記カソードに電力を供給することにより、前記カソード自身の抵抗に該電力を消費させて前記カソード自身を発熱させることを特徴とし、
第４の発明は、第３の発明の冷陰極電離真空計に係り、前記電力供給源より前記電力を連続的に供給し、又は前記電力を断続的に供給することを特徴とし、
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードを構成する材料は、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一であることを特徴とし、
第６の発明は、第１乃至第４の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記カソードを構成する材料は導電性セラミック、電気伝導性酸化物又は黒鉛で構成されていることを特徴とし、
第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れか一の冷陰極電離真空計に係り、前記冷陰極電離真空計は、ペニング型、マグネトロン型、或いは逆マグネトロン型のいずれか一である
第８の発明は、圧力測定方法に係り、真空容器と、前記真空容器内のアノードと、前記真空容器内のカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備えた冷陰極電離真空計を用い、該カソードから熱電子放出を起こさない温度に前記カソードを加熱し、該アノードと該カソードの間に直流電圧を印加し、かつ該アノードと該カソードの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、前記真空容器内の圧力を測定することを特徴とし、
第９の発明は、第８の発明の圧力測定方法に係り、前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とし、
第１０の発明は、第８又は第９の発明のいずれか一の圧力測定方法に係り、前記放電を発生させる前に、前記カソードを予備加熱することを特徴とし、
第１１の発明は、第１０の発明の圧力測定方法に係り、前記カソードを予備加熱するため、前記カソードに断続的に電力を印加することを特徴とし、
第１２の発明は、第８乃至第１０の発明のいずれか一の圧力測定方法に係り、前記放電の起動のため、前記圧力測定時の温度よりも高い温度で前記カソードを加熱することを特徴とし、
第１３の発明は、第１２の発明の圧力測定方法に係り、前記起動用放電を発生させるため、前記カソードに断続的に電力を印加して前記カソードを加熱することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷陰極電離真空計においては、真空容器内にアノードとカソードとを備え、さらに、圧力の測定中、カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内でカソードを加熱する手段を備えている。
【００１３】
本発明では、元々熱電子を放出するためにカソードを加熱せず、カソードに到達した汚染物質を除くためにカソードを加熱している。これにより、カソード表面に汚染物質による高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００１４】
このとき、温度範囲の下限を２００℃としている。カソードを昇温し、特にカソードの表面温度を２００℃以上に昇温することにより、カソードに到達した汚染物質を、カソード表面から速やかに離脱させることができる。
【００１５】
また、カソードの加熱温度の上限は、カソードから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、ベアード−アルパート（ＢＡ）型電離真空計の熱陰極フィラメントの加熱温度（１１００℃以上）に比べて、低い（１０００℃以下）。しかも、ペニング型の場合、カソードは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。また、マグネトロン型や逆マグネトロン型においてもカソードは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００１６】
更に、カソードの加熱温度の上限が、カソードから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソードから熱電子が放出されることが無く、従って、通常のアノードとカソードの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００１７】
また、カソードの構成材料として、酸化物焼結体などの電気伝導性酸化物や導電性セラミックを用いることにより、酸素やオゾンなどの酸化性ガス中で動作させたとしても、酸化物で構成されたカソードの酸化は進行しない。即ち、これまでの金属製のカソードを備えた冷陰極電離真空計を用いては、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止によって圧力計測が不可能であった圧力被測定雰囲気中でも、酸化物焼結体などの電気伝導性酸化物又は導電性セラミックを用いることにより、酸化物の生成による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００１８】
また、カソードの構成材料として、黒鉛を用いた場合はハロゲンガスやハロゲン化合物の汚染ガスとの反応が起こりにくく、長期間に渡って信頼性の高い安定な圧力測定が可能である。
【００１９】
本発明の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法においては、放電を発生させる前に、カソードを予備加熱している。
【００２０】
ところで、圧力測定前にカソード表面に汚染物質が形成されていた場合、放電開始が困難になることや感度が低下することが考えられる。このような場合、本発明の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法のように、放電開始前に圧力測定中の温度よりも高い温度でカソードを予備加熱して、圧力測定前にカソード表面から汚染物質を除去することにより、放電を確実に起こさせるとともに、感度の低下を防止して、より安定で、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００２１】
また、アノードとカソードの間に直流電圧を印加し、かつアノードとカソードの間の空間に磁場を形成するとともに圧力測定時の温度よりも高い温度でカソードを加熱することにより起動用の初期放電を発生させ、その後に、放電を持続しつつ、カソードの表面温度を２００℃以上で、かつカソードから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保ち、真空容器内の圧力測定を開始している。
【００２２】
圧力測定前にカソード表面が汚染されていた場合、汚染が大量であった場合、或いは圧力が低い場合など、放電開始が困難になること、或いは放電中に放電停止が起こることも予想される。この場合、好ましくはパルス状の比較的大きい電力を印加してカソードを加熱することによりカソードからガスが放出され、これによりカソード周辺の圧力を増大させることができるため放電が起きやすくなる。このように起動用の放電を起こさせてから、放電を持続しつつ、真空容器内の圧力測定を開始するようにすることで、広範囲な圧力測定環境において容易に、かつ確実に放電を起こさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るペニング型の冷陰極電離真空計を示す模式斜視図である。
【００２５】
冷陰極電離真空計が収納される一点鎖線で示した真空容器１２は、フランジ部（図示せず）を介して、矢印１３の方向にある内部圧力が測定される真空容器（被測定真空容器）のフランジに取り付けられる。
【００２６】
図１に示すペニング型の冷陰極電離真空計では、真空容器１２内に、円筒状のアノード１が配置され、円筒状のアノード１の上部及び下部両方に円筒の開口端に対向し、覆い被さるようにそれぞれ円板状のカソード２ａ、２ｂが配置されている。
【００２７】
アノード１は、リード線５を介して高圧電流導入端子７に接続され、さらにこの高圧電流導入端子７を介して直流電源９の正側の出力端子に接続されている。この場合、高圧電流導入端子７は真空容器壁８に形成された貫通穴を通して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。また、直流電源９の負側の出力端子は放電電流を計測するための電流計１０を介して接地されている。アノード１には直流電源９により通常２乃至５kVの正の直流電圧が印加される。
【００２８】
上部のカソード２ａは一端が加熱用電源（加熱手段）１１に接続され、下部のカソード２ｂは一端が接地されている。さらに、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂの他端同士は接続導線３によって相互に接続されている。
【００２９】
なお、上部のカソード２ａと加熱用電源１１の間、及び下部のカソード２ｂと接地の間の詳細な接続は、次のようになっている。即ち、上部のカソード２ａはリード線４ａを介して電流導入端子６に接続され、更にこの電流導入端子６を介して加熱用電源（加熱手段）１１の一端子に接続されている。電流導入端子６は真空容器壁８に形成された絶縁された貫通穴を通して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。また、下部のカソード２ｂは、リード線４ｂを介して、接地された真空容器壁８に接続されている。
【００３０】
カソード２ａ、２ｂは比較的抵抗の高い導電材料が用いられる。そのような導電材料として、例えば、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一や、酸化レニウム焼結体のような電気導電性酸化物や、黒鉛のような非金属の電気伝導体などを用いることができる。
【００３１】
以上のように、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂは加熱用電源１１に対して直列接続されており、上部のカソード２ａ及び下部のカソード２ｂに加熱用電源１１から交流電力が供給されることにより、カソード２ａ、２ｂの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ａ、２ｂ自身が発熱する。
【００３２】
さらに、図示してはいないが、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂから熱電子の放出が起こらないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御するマイコンなど制御装置（制御手段）を備えている。なお、マイコンなどの制御装置によらなくても手動で加熱用電源１１による加熱を制御することもできる。
【００３３】
加熱する温度の下限を２００℃とする理由は、発明者として本願発明者を含む特開２０００−３９３７５号公報（特許３７４６３７６号）に記載されているように、本発明者の実証に基づく。即ち、超高真空の圧力を測定する際、超高真空領域の残留ガス分子（水素と一酸化炭素）が熱陰極電離真空計のグリッド電極に吸着することによって誤差が発生するが、グリッド電極を昇温させることによって吸着分子を減らすことが可能であることが分かった。この場合、特に２００℃を越えたあたりから６００℃にかけて、誤差となる残留ガス分子の吸着が減少している。従って、金属表面上で、汚染物質の吸着を抑える温度を２００℃以上に設定することが重要であり、これは、熱陰極電離真空計のグリッド電極に限らず、本発明における冷陰極電離真空計を構成するカソードにも適用できるものである。
【００３４】
この冷陰極電離真空計では、さらに、真空容器１２の外側に円筒状のアノード１の中心軸方向（符号Ｂ方向）に磁場を形成するように磁石（図示せず）が配置されている。
【００３５】
上記冷陰極電離真空計においては、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１とカソード２ａ、２ｂとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００３６】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る冷陰極電離真空計においては、真空容器１２内にアノード１とカソード２ａ、２ｂとを備え、さらに、カソード２ａ、２ｂを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００３７】
このような装置構成により、カソード２ａ、２ｂを昇温し、特にカソード２ａ、２ｂの表面温度を２００℃以上の温度範囲内に昇温することにより、カソード２ａ、２ｂに到達した汚染物質及び汚染物質イオンを、カソード２ａ、２ｂ表面から速やかに離脱させることができる。これにより、カソード２ａ、２ｂ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００３８】
また、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限は、カソード２ａ、２ｂから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、ベアード−アルパート（ＢＡ）型電離真空計の熱陰極フィラメントの加熱温度（１１００℃以上）に比べて、低い（１０００℃以下）。しかも、カソード２ａ、２ｂは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。
【００３９】
更に、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限が、カソード２ａ、２ｂから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソード２ａ、２ｂから熱電子が放出されることが無く、従って、アノード１とカソード２ａ、２ｂの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。なお、カソード２ａ、２ｂの温度を上げて熱電子を放出した場合は、電子レンジに使用されているようなマグネトロン発振器のようなマイクロ波発生現象が起こるとともに、熱陰極マグネトロン真空計のような熱陰極型電離真空計になってしまう。
【００４０】
また、カソード２ａ、２ｂの構成材料として、酸化物焼結体などの電気導電性酸化物や導電性セラミックを用いることにより、酸素やオゾンなどの酸化性ガス中で動作させたとしても、酸化物であるカソードの酸化は進行しない。即ち、これまでの金属製のカソードを備えた冷陰極電離真空計を用いては、酸化物の形成による感度の低下、及び放電停止によって圧力計測が不可能であった圧力被測定雰囲気中でも、酸化物焼結体などの導電性セラミックを用いることにより、酸化物の形成による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００４１】
また、カソード２ａ、２ｂの構成材料として、黒鉛を用いた場合はハロゲンガスやハロゲン化合物の汚染ガスとの反応が起こりにくく、長期間に渡って信頼性の高い安定な圧力測定が可能である。
【００４２】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るペニング型の例陰極電離真空計の別の構成を示す模式斜視図である。
【００４３】
図２の構成において、図１の構成と相違する点は、カソード２ｃ、２ｄと、カソード２ｃ、２ｄ同士を直列接続する接続導体３ａとが、一枚の金属板を逆コの字状に曲げて、一体的に形成されていることである。
【００４４】
その他の構成については、図１と同じであり、図２において、図１の構成要素と同じ構成要素は図１と同じ符号で示す。
【００４５】
この実施形態のペニング型の冷陰極電離真空計においても、第１の実施形態と同じように、上部のカソード２ｃ及び下部のカソード２ｄは加熱用電源１１に対して直列接続されており、上部のカソード２ｃ及び下部のカソード２ｄには加熱用電源１１から交流電力が供給され、これにより、カソード２ｃ、２ｄの電気抵抗により電力が消費されて、カソード２ｃ、２ｄ自身が発熱する。
【００４６】
この実施形態においても、第１の実施形態と同じように、カソード２ｃ、２ｄを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｃ、２ｄの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えているため、圧力測定中に、カソード２ｃ、２ｄ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になる。これにより、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００４７】
また、カソード２ａ、２ｂの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｃ、２ｄは板状であるため、昇温中に断線する心配は全くない。
【００４８】
さらに、カソード２ｃ、２ｄから熱電子が放出されることが無いため、アノード１とカソード２ｃ、２ｄの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００４９】
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係るマグネトロン型の冷陰極電離真空計の構成を示す模式斜視図である。
【００５０】
図３に示すマグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、一点鎖線で示された真空容器１２内に、円筒の両側開放端が絞られた形状のアノード１ａが配置され、円筒状アノード１ａの中心軸上に棒状のカソード２ｅが配置されている。
【００５１】
アノード１ａは、リード線５及び高圧電流導入端子７を介して直流電源９の正側に接続されている。直流電源９の負側は電流計１０を介して接地されている。高圧電流導入端子７は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。アノード１ａには直流電源９により通常２乃至５ｋＶの正の直流電圧が印加される。
【００５２】
棒状のカソード２ｅは上端でリード線４ａ及び電流導入端子６を介して加熱用電源１１に接続され、その下端でリード線４ｂを介して、接地された真空容器１２の容器壁８に接続されている。電流導入端子６は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。カソード２ｅに加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｅの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｅ自身が発熱する。
【００５３】
また、第１の実施形態と同様な構成の制御装置を有する。
【００５４】
また、真空容器１２の外側には円筒状のアノード１ａの軸方向に磁場を形成する磁石（図示せず）が配置され、符号Ｂ方向の磁力線を形成している。
【００５５】
上記冷陰極電離真空計においても、カソード２ｅの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｅから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１ａとカソード２ｅの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１ａとカソード２ｅとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００５６】
以上のように、この実施形態においても、第１の実施形態と同じように、真空容器１２内にアノード１ａとカソード２ｅとを備え、さらに、カソード２ｅを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｅの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｅが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００５７】
これにより、圧力測定中、カソード２ｅ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することができるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００５８】
また、カソード２ｅの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｅは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００５９】
さらに、カソード２ｅから熱電子が放出されることが無いため、アノード１ａとカソード２ｅの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を計測することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００６０】
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係るマグネトロン型の冷陰極電離真空計の別の構成を示す模式斜視図である。
【００６１】
図４の構成において、図３の構成と相違する点は、棒状カソード２ｆがヘアピン構造となっていることである。その端はリード線４ａ、４ｂを介して真空壁８の外部と接続されている。その外部接続構成は図３と同じ構成になっている。図４において、図３の構成要素と同じ構成要素は図３と同じ符号で示す。更に、その他の構成は図１の実施例と実質的に同じ構成となっている。
【００６２】
この構成の真空計は、リード線４ａ、４ｂ、５の３本全てを磁力線Ｂと平行な方向（図４における縦軸方向）で真空壁の側にだけ向かわせて構成することが可能であるため、円筒状の永久磁石で軸方向に着磁した中心に、円筒状の真空壁を挿入した、特開平１０−１９７１１号公報の図１４に類似の構成の電離真空計とすることができる。
【００６３】
以上の構成により、カソード２ｆには加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｆの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｆ自身が発熱する。
【００６４】
以上のように、この実施形態においては、第１の実施形態と同じように、カソード２ｆを加熱するための加熱用電源１１と、カソード２ｆの表面温度を２００℃以上で、かつカソードが熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保つように加熱用電源１１による加熱を制御する制御装置とを備えている。
【００６５】
これにより、カソード２ｆ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することが可能になるため、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００６６】
また、カソード２ｆの加熱温度の上限は、低く、しかも、カソード２ｆは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００６７】
さらに、カソード２ｆから熱電子が放出されることが無いため、アノード１ａとカソード２ｆの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を測定することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００６８】
（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態に係る逆マグネトロン型の電離真空計の構成を示す模式斜視図である。
【００６９】
図５に示すように、この実施形態の逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、真空容器１２内に、棒状のアノード１ｂを中心にして棒状でスパイラル状のカソード２ｇが配置されている。この実施形態の逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計においては、図３、４のマグネトロン型の電離真空計とアノードとカソードの電極配置が逆転しており、逆マグネトロン型電離真空計と称される所以である。
【００７０】
棒状のアノード１ｂには、リード線５及び高圧電流導入端子７を介して直流電源９が接続されている。また、直流電源９の負側は電流計１０を介して接地されている。高圧電流導入端子７は真空容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。アノード１ｂには直流電源９から通常２乃至５ｋＶの正の直流電圧が印加される。
【００７１】
棒状でスパイラル状のカソード２ｇの上端はリード線４ａ及び電流導入端子６を介して加熱用電源１１に接続され、その下端はリード線４ｂを介して、接地された真空容器１２の容器壁８に接続されている。電流導入端子６は容器壁８の絶縁された貫通穴を介して真空容器１２の内部から外部に引き出されている。カソード２ｇには加熱用電源１１から交流電力が供給されると、カソード２ｇの電気抵抗により電力が消費され、カソード２ｇ自身が発熱する。
【００７２】
また、第１の実施形態と同様な構成の制御装置を有する。
【００７３】
さらに、真空容器１２の外側には円筒状のアノード１ｂの軸方向に磁場を形成する磁石（図示せず）が配置され、符号Ｂ方向の磁力線を形成している。
【００７４】
上記冷陰極電離真空計においても、カソード２ｇの表面温度を２００℃以上で、かつカソード２ｇから熱電子放出を起こさないような温度範囲内に保った状態で、アノード１ｂとカソード２ｇの間に直流電圧を印加し、かつ磁場Ｂを利用してアノード１ａとカソード２ｇとで画定される空間に持続放電を発生させ、その放電電流を測定することによって真空容器１２内の圧力を測定する。
【００７５】
以上のように、この実施形態においても、カソード２ｇの表面温度を２００℃以上の温度範囲内に昇温することにより、カソード２ｇに到達した汚染物質を、カソード２ｇ表面から速やかに離脱させることができる。これにより、カソード２ｇ表面に高分子絶縁膜が形成されるのを防止することができるので、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００７６】
また、カソード２ｇの加熱温度の上限は、カソード２ｇから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、熱陰極フィラメントに比べて低く、しかも、カソード２ｆは棒状であり、熱陰極フィラメントに比べれば、１００倍以上太くすることが可能であるため、断線の心配はない。
【００７７】
さらに、カソード２ｇの加熱温度の上限は、カソード２ｇから熱電子が発生しない温度以下に抑えられているため、カソード２ｇから熱電子が放出されることが無く、従って、アノード１ａとカソード２ｇの２電極で構成される放電現象を擾乱せずに、放電電流を測定することが可能となる。これにより、汚染の影響を受けず、長期間にわたり安定で、信頼性の高い圧力測定を行うことが可能となる。
【００７８】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態に係る、上記冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法について説明する。図６は、本実施形態である、上記冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法を示すフローチャートである。
【００７９】
図１及び図２の実施形態の場合、円筒状アノード１と板状のカソード（２ａ、２ｂ）、（２ｃ、２ｄ）で挟まれた空間に、電界と磁界を発生させる。また、図３と図４の実施形態の場合、円筒状アノード１ａと棒状カソード２ｅまたはヘアピン形状カソード２ｆで挟まれた空間に、電界と磁界を発生させる。さらに、図５に示す実施形態の場合、スパイラル状カソード２ｇと棒状アノード１ｂで挟まれた空間に電界と磁界を発生させる。これにより、何れもその空間で放電が起こるようになっている。
【００８０】
以下では、これらのうち、代表して、図１に示すペニング型の電離真空計を用いた圧力測定方法について説明する。
【００８１】
図６に示すように、まず、カソード２ａ、２ｂに、カソード２ａ、２ｂを加熱するための加熱用電源１１を接続する。
【００８２】
次いで、真空容器１２の外側に磁石（図示せず）を配置し、アノードとカソードとで画定される空間であって円筒状のアノード１の中心軸方向に磁場を形成する。図１では、磁力線が下から上に向く方向（符号Ｂ方向）である。なお、磁場の形成は、ここでは行わず次の工程である予備加熱の工程の後に行ってもよい。
【００８３】
次に、加熱用電源１１から交流電力を供給して、カソード２ａ、２ｂを予備加熱する。この場合、カソード２ａ、２ｂ自身の抵抗による電力消費によりカソード２ａ、２ｂ自身が発熱する。このときの温度は、放電を発生させて圧力を測定するときの温度よりも高くても低くてもよく、カソード表面から汚染物質を除去できればよい。
【００８４】
ところで、圧力測定前の電離真空計のカソード２ａ、２ｂ表面に汚染物質（高分子絶縁膜又は酸化物）が形成されている場合、放電開始が困難になることや感度が低下することが考えられる。このような場合、圧力測定前にカソードを予備加熱してカソード表面から汚染物質等を除去することにより、放電を確実に起こさせるとともに、感度の低下を防止して、より安定で、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００８５】
次に、アノード１とカソード２ａ、２ｂとで画定される空間に磁場を形成した状態で、パルス状の比較的大きい電力をカソードに印加してカソードを加熱し、かつアノード１とカソード２ａ、２ｂの間に直流電圧を印加し、起動用の放電を起こさせる。この場合、加熱温度は、圧力測定中の加熱温度よりも高くても低くてもよいが、高い方が望ましい。
【００８６】
ところで、カソード２ａ、２ｂ表面に汚染物質が形成されていた場合、汚染が大量であった場合、或いは圧力が低い場合など、放電開始が困難になること、又は放電中に放電停止が起こることも予想される。この場合、好ましくはパルス状の比較的大きい電力を印加してカソード２ａ、２ｂを加熱して放電が起きやすくすることが望ましい。これは、カソード２ａ、２ｂが加熱されると、カソード２ａ、２ｂからガスが放出されるため、カソード２ａ、２ｂ周辺の圧力が増大し、放電が起きやすくなるためである。
【００８７】
アノード１とカソード２ａ、２ｂによって画定される空間で電界放出や宇宙線などの原因で電子が発生すると、発生した電子はカソード２ａ、２ｂからアノード１に向かって加速されるが、磁界が存在するためローレンツ力を受けて、すぐにはアノード１に到達せず、空間内で螺旋運動して、長い距離を飛行する。その結果、電子が空間内の残留ガスと衝突して、残留ガスをイオン化する確率が増し、カソード２ａ、２ｂとアノード１との間に持続放電が発生する。
【００８８】
このように起動用の放電を起こさせてから、放電を持続しつつ、真空容器内の圧力測定を開始するようにすることで、広範囲な圧力測定環境において容易に、かつ確実に放電を起こさせることができる。
【００８９】
起動用の放電が発生した後、その放電を持続しつつ、加熱用電源１１の電圧を適切に選び、カソード２ａ、２ｂを加熱する。このとき、カソード２ａ、２ｂの表面温度が２００℃以上で、かつカソード２ａ、２ｂからの熱電子放出が起こらないような温度範囲内に保持する。カソード２ａ、２ｂの構成材料として、上記金属又は合金を用いた場合、温度を２００℃から１０００℃の間に、好ましくは５００〜６００℃に保持する。
【００９０】
この温度を維持し、持続放電を維持して、真空容器１２内の圧力測定を開始する。なお、この場合、加熱用電源１１は接地電位なので、加熱状態を保ってもカソード２ａ、２ｂとアノード１の間の空間内の放電状態を乱すことは無い。なお、放電維持中に放電の停止が起こった場合はパルス電力印加によるパルス昇温によりカソード２ａ、２ｂを一時的に１０００℃程度で数秒間保持することにより放電を再起動させることが可能である。
【００９１】
加熱用電源１１によりカソード２ａ、２ｂ表面を２００℃以上に昇温しているので、持続放電を維持して真空容器内の圧力測定中に、真空計内に汚染物分子が飛び込んで来てもカソード２ａ、２ｂ表面には汚染物分子が付着しない。
【００９２】
以下に、カソード２ａ、２ｂ表面に汚染物分子が付着しない理由についてより詳しく説明する。真空容器１２内に昇華温度が４００℃の汚染物質の気体分子が飛来することが予想される場合、加熱用電源１１の電力を調整してカソード２ａ、２ｂの温度を略５００℃程度まで昇温しておく。カソード２ａ、２ｂに到達した汚染物質イオンは電子を受け取って中性分子となるが、カソード２ａ、２ｂを昇温しているため、カソード２ａ、２ｂの表面上から速やかに蒸発して飛び去り、その結果、カソード２ａ、２ｂ表面上に重合反応による高分子膜が形成されるのを防止することができる。
【００９３】
以上のように、本発明の実施形態の冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法においては、圧力測定中にカソード２ａ、２ｂ表面上に重合反応による高分子膜が形成されるのを防止することができるため、カソード汚染による感度の低下、及び放電停止を防止することによって、安定に、かつ高精度な圧力測定が可能になる。
【００９４】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００９５】
例えば、上記実施形態では、交流電力を供給する加熱用電源１１を用いて交流電力を供給しているが、直流電力を供給する加熱用電源を用いて直流電力を供給してもよい。
【００９６】
また、上記第６の実施形態では、予備加熱と起動用放電のための加熱をともに行っているが、予備加熱だけでもよいし、起動用放電のための加熱だけでもよいし、或いは両方行わなくてもよい。
【００９７】
また、予備加熱は、連続的に電力を加えてもよいし、断続的（パルス的）に電力を加えてもよい。
【００９８】
また、起動用放電のための加熱は、断続的（パルス的）に電力を加えて行っているが、連続的に電力を加えて行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、真空技術が不可欠な半導体産業、各種薄膜の成膜産業、表面分析機器、電子顕微鏡などの各種商品開発、生産技術、更には加速器科学など基礎研究部門等に用いられる真空装置の圧力計測に使用される冷陰極電離真空計及び圧力測定方法において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施形態であるペニング型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態であるペニング型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図３】本発明の第３の実施形態であるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図４】本発明の第４の実施形態であるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図５】本発明の第５の実施形態である逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計の模式斜視図である。
【図６】本発明の第６の実施形態である冷陰極電離真空計を用いた圧力測定方法を示すフローチャートである。
【図７】従来技術によるペニング型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【図８】従来技術によるマグネトロン型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【図９】従来技術による逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計の一例を示す模式斜視図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１ａ、１ｂ アノード
２ａ〜２ｇ カソード
３ カソード間の接続導線
３ａ カソード間の接続導体
４ａ、４ｂ カソードのリード線
５ アノードのリード線
６ 電流導入端子
７ 高圧電流導入端子
８ 真空計を形成する真空容器壁
９ 高圧直流電源
１０ 微少電流計
１１ 加熱用電源
１２ 真空計の真空容器
１３ 被真空測定真空容器への接続関係を示す矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器内に設けられたアノードと、
前記真空容器内に設けられたカソードと、
前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、
前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段と
を備え、前記真空容器内の圧力を測定する冷陰極電離真空計であって、
前記圧力の測定中、前記カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内で前記カソードを加熱する手段を備えたことを特徴とする冷陰極電離真空計。
【請求項２】
前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とする請求項１記載の冷陰極電離真空計。
【請求項３】
前記カソードの加熱は、前記カソードに接続された電力供給源によって行われ、該電力供給源により前記カソードに電力を供給することにより、前記カソード自身の抵抗に該電力を消費させて前記カソード自身を発熱させることを特徴とする請求項１又は２の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項４】
前記電力供給源より、前記電力を連続的に供給し、又は前記電力を断続的に供給することを特徴とする請求項３記載の冷陰極電離真空計。
【請求項５】
前記カソードを構成する材料は、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一の金属であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項６】
前記カソードを構成する材料は、導電性セラミック、電気伝導性酸化物又は黒鉛のうちいずれか一の非金属であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項７】
前記冷陰極電離真空計は、ペニング型、マグネトロン型、或いは逆マグネトロン型のいずれか一であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項８】
真空容器と、前記真空容器内のアノードと、前記真空容器内のカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備えた冷陰極電離真空計を用い、
該カソードから熱電子放出を起こさない温度に前記カソードを加熱し、該アノードと該カソードの間に直流電圧を印加し、かつ該アノードと該カソードの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、前記真空容器内の圧力を測定することを特徴とする圧力測定方法。
【請求項９】
前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とする請求項８記載の圧力測定方法。
【請求項１０】
前記放電を発生させる前に、前記カソードを予備加熱することを特徴とする請求項８又は９の何れか一に記載の圧力測定方法。
【請求項１１】
前記カソードを予備加熱するため、前記カソードに断続的に電力を印加することを特徴とする請求項１０記載の圧力測定方法。
【請求項１２】
前記放電の起動のため、前記圧力測定時の温度よりも高い温度で前記カソードを加熱することを特徴とする請求項８乃至１１の何れか一に記載の圧力測定方法。
【請求項１３】
前記起動用放電を発生させるため、前記カソードに断続的に電力を印加して前記カソードを加熱することを特徴とする請求項１２記載の圧力測定方法。
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器内に設けられたアノードと、
前記真空容器内に設けられたカソードと、
前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、
前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段と
を備え、前記真空容器内の圧力を測定する冷陰極電離真空計であって、
前記圧力の測定中、前記カソードからの熱電子放出を起こさないような温度範囲内で前記カソードを加熱する手段を備えたことを特徴とする冷陰極電離真空計。
【請求項２】
前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とする請求項１記載の冷陰極電離真空計。
【請求項３】
前記カソードの加熱は、前記カソードに接続された電力供給源によって行われ、該電力供給源により前記カソードに電力を供給することにより、前記カソード自身の抵抗に該電力を消費させて前記カソード自身を発熱させることを特徴とする請求項１又は２の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項４】
前記電力供給源より、前記電力を連続的に供給し、又は前記電力を断続的に供給することを特徴とする請求項３記載の冷陰極電離真空計。
【請求項５】
前記カソードを構成する材料は、タンタル、タングステン、モリブデン、ハフニウム、ジルコニウム、白金、イリジウム、チタン、或いはこれらの少なくともいずれか一を含む合金のうちいずれか一の金属であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項６】
前記カソードを構成する材料は、導電性セラミック、電気伝導性酸化物又は黒鉛のうちいずれか一の非金属であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項７】
前記冷陰極電離真空計は、ペニング型、マグネトロン型、或いは逆マグネトロン型のいずれか一であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一に記載の冷陰極電離真空計。
【請求項８】
真空容器と、前記真空容器内のアノードと、前記真空容器内のカソードと、前記アノードと前記カソードの間に直流電圧を印加する手段と、前記アノードと前記カソードの間の空間に磁場を形成する手段とを備えた冷陰極電離真空計を用い、
該カソードから熱電子放出を起こさない温度に前記カソードを加熱し、該アノードと該カソードの間に直流電圧を印加し、かつ該アノードと該カソードの間の空間に磁場を形成して放電を発生させ、その放電電流を測定することによって、前記真空容器内の圧力を測定することを特徴とする圧力測定方法。
【請求項９】
前記温度範囲の下限は２００℃であることを特徴とする請求項８記載の圧力測定方法。
【請求項１０】
前記放電を発生させる前に、前記カソードを予備加熱することを特徴とする請求項８又は９の何れか一に記載の圧力測定方法。
【請求項１１】
前記カソードを予備加熱するため、前記カソードに断続的に電力を印加することを特徴とする請求項１０記載の圧力測定方法。
【請求項１２】
前記放電の起動のため、前記圧力測定時の温度よりも高い温度で前記カソードを加熱することを特徴とする請求項８乃至１１の何れか一に記載の圧力測定方法。
【請求項１３】
前記起動用放電を発生させるため、前記カソードに断続的に電力を印加して前記カソードを加熱することを特徴とする請求項１２記載の圧力測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−３２２２６６（Ｐ２００７−３２２２６６Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５３４４０（Ｐ２００６−１５３４４０）
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（５０３００８９７４）有限会社真空実験室 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【出願人】（５０３００８９７４）有限会社真空実験室 (7)
【Ｆターム（参考）】
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