[发明专利]具有设计用于高压操作的操作参数和几何形状的电离计

说明书

相关申请案

本申请案主张2008年2月21日申请的第61/066,631号美国临时申请案的权利。上述申请案的全部教导以引用方式并入本文中。

背景技术

电离计(更具体来说，贝阿德-阿尔珀特(BA)电离计)是测量极低压力的最常用非磁性构件。所述电离计在全世界已得到广泛使用。这些电离计揭示于1952年的第2,605,431号美国专利中，所述专利以全文引用方式并入本文中。典型电离计包括电子源、阳极和离子集极电极。对于BA电离计来说，电子源位于由圆柱形阳极筛网界定的离子化空间或阳极容积外部。离子集极电极安置在阳极容积内。电子从电子源行进到阳极并穿过阳极、来回循环穿过阳极，且因此保留在阳极内或阳极附近。

在电子的行进过程中，其与气体的分子和原子碰撞，所述气体构成希望对其压力进行测量的大气。电子与气体之间的此接触产生离子。所述离子被吸引到离子集极电极，离子集极电极通常连接到接地。可通过公式P＝(1/S)(I_ion/I_electron)根据离子和电子电流来计算气氛内气体的压力，其中S为具有单位1/托的系数且为特定电离计几何形状、电参数和压力范围的特征。

发明内容

在典型电离计是在良好环境中操作时，其操作寿命为约十年。然而，这些相同的电离计和电子源(阴极)在过高压力下操作时或在使电子源的发射特性降级的气体类型中操作期间，会在数分钟或数小时内发生故障。阴极与电离计环境的相互作用可导致操作寿命缩短。阴极上的氧化物涂层在曝露于水蒸汽时可能降级。氧化物涂层的降级使阴极所产生的电子数目急剧减少。曝露于水蒸汽导致钨阴极完全烧尽。

在例如高于10^-4托的高压下操作电离计时，溅射也成为问题。这是在高压下出现的问题，因为需要使更多的气体离子化。如已由发明人所演示的，此溅射是通过离子与电离计的组件之间的高冲击能来引起。具有高能量的离子可冲击形成电离计的集极柱的钨材料。这导致原子从集极柱和包封表面喷射。此喷射载有相当多的内在动能。所喷射出的材料可自由行进到在所述材料的视线内的其它表面，且可通过涂布阴极或通过涂布电离计的馈通绝缘体(此可导致漏电)而造成电离计故障。

在贝阿德-阿尔珀特电离计中产生的离子的动能是通过阳极栅与集极柱电极之间的偏置电压的差异来确定。阴极的偏置电压通常为30伏，且阳极栅的偏置电压传统上是在180伏下操作。集极电压通常固定在接地电位，或为接近接地电位的电压。这些电压差经配置以为电子提供150电子伏(eV)的能量。此量能够有效地离子化电离计离子化容积中所存在的所有气体物质。此电位差也确保将电子从阴极有效地输送到阳极容积。需要有效离子化以确保在低气体密度级下来自集极的足够信噪比。

阳极栅在+180伏下的操作致使高能离子在操作期间到达接地集极柱。所述离子以0到180eV之间的动能来冲击集极表面。此扩散的大能量结果与大溅射产量一致。

举例来说，已针对以200eV的动能冲击钨目标的Ar⁺离子来演示达0.2原子/离子冲击的溅射产量。还在阳极栅外部产生的离子也可以达180eV的动能到达包封壁。此大动能也增加溅射产量，且这些冲击从包封壁和邻近结构去除材料。

本发明在高压力级下使阳极栅电压降低以便使溅射冲击的产量减小。本发明的电离计提供使阳极栅电压向下降低到约80伏，以针对冲击钨集极表面的Ar⁺离子提供使溅射产量减小为约五分之一。降低阴极电位允许阳极与阴极电压差仍提供能够使原子和分子足够离子化的电子。

在实验室里通过长期研究来用实验法测试出离子能量和电子发射电流对集极溅射率的影响，所述研究追踪了一大群Micro-电离计在35mTorr的氩气中的操作达几个月。所有受测试的电离计含有小初始直径的双钨集极。如所预期，集极直径腐蚀(也就是，归因于高能氩离子与钨壁之间的溅射冲击)的速率与电子发射电流成比例且与离子能量有高相依性。栅电压从180V改变到80V(表示离子能量从180eV降低到80eV)致使溅射产量减小到约十五分之一，超过基于当前溅射模型的理论计算的预测。在减少的发射电流和减少的离子能量下操作的电离计展现出几乎察觉不到的集极腐蚀，没有检测到邻近电极结构金属化的迹象且细丝操作参数随时间过去仅有极小改变。在低电子发射电流和低离子能量下操作的优点由此受认真监视的测试充分演示。