專利名稱：電離真空計的制作方法
相關申請本申請是申請日為2004年5月12日，申請號為10/799,446美國申請(其為申請在2004年2月9日，申請號為10/782,368的后續申請的一部分)的后續申請，其全部教導在此被并入作為參考。
背景技術：
電離真空計，更具體地說是Bayard-Alpert(BA)電離真空計，是最普通的測量非常低的壓力的非磁性裝置，并且由于1952年的美國第2,605,431號專利的公開，已經在全世界范圍內得到廣泛的應用。
典型的電離真空計包括電子源、極板、還有離子集電極。對于BA真空計，所述的電子源被徑向地置于由極板所限定的電離空間(極板空間)的外部。所述的離子集電極被安置在極板空間的內部。電子從電子源朝向并穿過極板行進，并且最終被極板收集。然而，在它們的行進中，電子撞擊氣體的分子和原子，構成氣壓(其壓力將被測量)并且生成離子。所述的離子通過在極板內部的電場被附著在離子集電極上。在氣壓內的氣體的壓力能夠根據公式P＝(1/S)(離子/電子)以及其中的離子和電子電流而被計算出來，其中S是1/torr單位的常量并且其特征是具體的真空幾何學和電參數。
發明內容
當真空計處于良性的環境下使用時，典型的電離真空計的操作壽命大約是10年。然而，如果在非常高的壓力或者在能夠退化電子源的發射特性的氣體類型中使用，這些相同的真空計和電子源(燈絲)在數分鐘或小時中就可以失效。這種導致操作壽命降低的燈絲干擾的實施例在從覆在燈絲上的氧化物層的電子發射性能的衰變到暴露在水汽中的范圍內變化。所覆的氧化物的衰變顯著地減少了由燈絲所產生的電子的數量，以及暴露在水汽中導致鎢絲完全地燃盡。
殘余氣體分析儀(RGA)是電離真空計，測定現存氣體的類型和顯示每種氣體成份的部分壓力，所述的部分壓力也可以遵從于整個氣體壓力的計算。RGA測量現存離子的質荷比并將所述的比例轉換成信號。然而，RGA測量額外的信號峰值，所述的峰值對于正在被檢測的氣體種類來說全部都是虛假的。這些峰值形成本底譜線圖，所述的本底譜線圖在高真空的較低壓力范圍內在量級上是顯著的。通過一些原子和/或分子與燈絲材料的相互作用導致這樣的虛假的光譜，因此形成其它的最開始沒有在氣相中的混合物。
提供一種電離真空計，所述的電離真空計具有用于生成電子的電子源，用于收集在電子和氣體分子之間的碰撞而形成的離子的集電極，還有用于將電子源與氣體分子相互隔離的電子窗體。電離真空計能夠帶有極板，所述的極板限定極板空間并且將電子保留在極板的區域內。電離真空計能夠具有多個電子源和/或集電極。所述的集電極(或多個)能夠被安置在極板空間內或者極板空間的外部。電離真空計能夠具有質量過濾器，所述的質量過濾器用于基于質荷比分開離子。電離真空計可以是測量壓力的Bayard-Alpert型或者是也可以測定氣體類型的殘余氣體分析儀。
加速電極被安置于電子源(或多個)和電子窗的之間用以加速電子使其具有能夠允許電子穿過電子窗體被傳遞的能量。減速電極被安置于電子窗體和集電極(或多個)的之間以減速電子使其具有預期的由電子和氣體分子之間的撞擊而形成的能量分布。限定極板空間的極板置于減速電極(或多個)和集電極(或多個)之間。多個集電極能夠被安置于極板空間內。質量過濾器置于減速電極(或多個)和集電極(或多個)之間。
加速電極具有電勢，這樣在電子源(或多個)和加速電極之間的電勢差在100伏特到10,000伏特之間的范圍內。電子窗體的電勢與加速電極電勢相等。減速電極具有電勢上，這樣在電子窗和減速電極之間的電勢差在0伏特和10,000伏特之間的范圍內。外部集電極能夠被安置于電子窗體和減速電極之間，用于為非常短的平均自由行程的高壓狀況收集由電子和氣體分子之間的碰撞而形成的離子。電離真空計包括多個外部集電極、加速電極、和減速電極。
屏蔽能夠限定被屏蔽的空間，這樣屏蔽的外部電勢不會擾亂在被屏蔽的空間內部的電荷的分布。所述的屏蔽至少部分是打開的用以允許氣體分子傳遞到被屏蔽的空間。所述的被屏蔽的空間覆蓋電子源(或多個)、集電極(或多個)、和電子窗體。屏蔽具有參考電勢，其中所述的參考電勢是大地電勢。
通過接下來的結合附圖對本發明的優選的實施方案進行更加具體的描述，本發明的前面的和其它的目標、特征和優勢將會變得更加的明顯。在附圖中，相同的參考數字指向分布在不同的圖中的相同的部分。附圖沒有按照比例所繪制，強調的重點在于本發明的原理。
圖1是本發明的沒有顯著特點的電離真空計的示意圖；圖2A是圖1中的有修飾的類型的電離真空計的詳細示意圖；圖2B是圖2A的另一個實施方案的詳細示意圖；以及圖3是本發明的殘余氣體分析儀的示意圖。
具體實施例方式
下面所描述的是本發明的優選的實施方案。
通常，如示圖1所示，本發明的一個電離真空計100帶有隔離室110和測量室120。隔離室包含至少一個電子源140和至少一個加速電極150。測量室120包含至少一個減速電極170、極板180、和至少一個集電極190。兩個室110、120被隔離材料130所分開，所述的隔離材料阻止測量室120內的氣體的分子和原子進入隔離室110并使電子源140衰變。隔離材料130具有電子窗體160，所述的電子窗體允許電子從隔離室110被傳遞到測量室120中。盡管如圖所示的電離真空計帶有極板180和集電極190，但是這些部件不是在下面要描述的本發明所有的實施方案中都是必須的。在一個實施方案中，電離真空計100是Bayard-Alpert型真空計。
圖2A示出實施本發明的特定的有裝飾類型的電離真空計200。盡管所示的是有裝飾類型的真空計，但是人們應該理解的是，非裝飾類型的電離真空計利用本發明的原理也可以被實施。電離真空計200具有與上面所描述的帶有接下來的附加物的電離真空計100(圖1)相類似的部件。電離真空計200被安置在管205內部，在其末端225打開用以允許氣體分子和原子經過屏蔽220進入測量室120。屏蔽220和管205形成屏蔽空間。為了非常短的平均自由形成的高壓測量，至少加入一個可選擇的外部集電極210。
圖2B示出圖2A中所示的本發明的另一個實施方案。多個集電極190’被安置在極板空間185內。多個集電極190’有效地抑制電子接近極板支撐柱(沒有示出)并且因此防止在柱上過早地收集電子。因此，電子路徑長度比較現有技術的相同尺寸的真空計來說顯著地增加。在極板空間185內增加電子路徑長度的增加是非常值得期待的，這是因為路徑長度增加的部分增加了產生離子的速率，并且借此增加真空計的靈敏性能。多個集電極在美國專利第6,025,723號、第6,046,456號、和第6,198,105號中被示出。所述的專利作為整體被并入本文作為參考。
在操作中，氣體分子和原子經過部分開口的屏蔽220進入測量室120。屏蔽220阻止屏蔽外部的電勢干擾測量室120中的電荷的分布。屏蔽220具有參考電勢。在一個實施方案中，參考電勢是大地電勢。
電子源(或多個)(舉例來說，燈絲)140在隔離室110中產生電子(由電子光束208所表示)。電子用于電離測量室120中的氣體分子。燈絲140的幾何形狀可以是線性帶狀物、直線金屬絲、直的帶狀物、彎曲的帶狀物、U字型金屬絲或任何其它在技術領域內已知的形狀。在一個實施方案中，燈絲140通過來自電子發射穩定器(沒有示出)的電流被持續地加熱到熾熱。熱離子式的或者其它的所發射的電子被加速電極150加速用以使其具有允許電子經過電子窗體160被傳遞的能量。加速電極150以某一電勢而操作這樣在電子源和加速電極之間的電勢差在100伏特到10,000伏特之間的范圍內，這要取決于用于電子窗體的材料的尺寸、厚度以及形狀。在一個實施方案中，加速電極150的電勢差維持在電子源(或多個)到大約1000伏特之間。電子窗可以由鋁制得，諸如像J.R.Young1956年1月的Journal of Applied Physics中的“Penetration of Electrons and Ions”所揭示的那樣(其全部在此被并入作為參考)。
電子必須把它們的能量控制在期待的水平上，用以在電子已經被傳遞通過電子窗160后才發生電離。在能量上電離的發生展開既可能高于也可能低于額定設計能量，所述額定設計能量在1962年Saul Dushman中Scientific Foundations of VacuumTechnique(其全部在此被并入本文作為參考)描述。離子的形成典型地發生在大約用于氮的150電子伏特的電子能量上。因此，為了電離，電子的能量被減速電極170修正。減速電極170具有電勢而操作，這樣，在電子窗體和減速電極之間的電勢差就會在0伏特到10,000伏特之間的范圍內，這要取決于窗體的尺寸、厚度、和類型以及壓力測量的類型所需要的相關的電子能量。舉例來說，如圖2A和2B所示，減速電極170維持在某個電勢上，以減少電子的能量，這樣電子以具有大約150電子伏特的能量到達極板柵極180。
極板柵極180限定極板空間185并且被充電成相對于大地的陽極電壓180。極板柵極180可以由金屬絲網或者類似的構思而制造，用以允許電子進出極板柵極180。大多數電子并不立即撞擊極板柵極180，而是經過極板柵極180并且進入極板空間185中，在其中它們通過電子撞擊電離從而產生離子。沒有撞擊極板柵極180或者沒有電離任何分子的電子穿過極板空間185進入在極板柵極180和柱205之間的區域。由于在柱205和極板柵極180之間所產生的電場，所以電子減速并再加速重新返回極板柵極180。電子繼續以這種方式循環，直至電子被極板柵極180所收集或者遺失到其它的表面上。電子的多次穿過相對于單一穿過的配置來說，增加了電子電流的電離效率。
離子，一旦通過電子撞擊電離所產生，就趨向保持在極板柵極180的內部。在極板空間185內部形成的離子由在極板柵極180(具有相對于地正的電勢)和集電極190(190’)(具有接近于大地電勢的電勢，例如，相對于極板電勢的負)之間的電勢差所產生的電場所指引。電場指引離子到集電極190(或多個)(190’)，在那里它們被收集用以提供用于測定氣體壓力的離子電流。在一些實施方案中，通過使用外部集電極210能夠測量較高的壓力，所述的集電極210非常接近窗體用以形成在非常靠近窗體的離子的捕獲，即，由于在較高壓中的短暫的平均自由行程，不是在極板內部。
圖3示出實施本發明的殘余氣體分析儀(RGA)300，上面所描述的RGA300和電離真空計100，200實質上是相同的，除了圖1，2A和2B中的極板柵極180和集電極190(190’)被質量過濾器310和離子檢測器320所取代。
在操作中，氣體分子和原子進入測量室120中。電子源(或多個)(例如，燈絲)140在隔離室110內產生電子。電子發射出來的熱離子(或者從放射源或其它中通過場發射、光電效應、等離子抽取產生電子)被加速電子150所加速，使其具有可以允許電子被傳遞穿過電子窗體160的能量。電子被應用于電離測量室120中的氣體分子和原子。
電子必須使其能量控制在合適的水平以允許在電子已經被傳遞穿過電子窗160后才發生電離。為了電離，電子的能量被減速電子170所修正。
離子進入質量過濾器310中，所述的質量過濾器310基于離子的質荷比(m/z)分開離子。質量過濾器310允許選定的離子移動到離子檢測器320中。質量過濾器310基于離子的質荷比過濾離子。只有符合質量過濾器參數的離子才可以在給定的時間內穿過質量過濾器310。離子監測器320記錄離子的數量，以及產生的信號與如上面所述的在每次給定時間內的離子總量成比例。所述的信號被報告給數據系統(沒有示出)，所述的數據系統輸出存在氣體的類型。
雖然參考本發明優選的實施方案，本發明已經被具體地示出并被描述，但是本領域內的技術人員可以理解的是，在沒有超過本發明的權利要求所要求的保護的范圍內，本發明可以在形式及其細節上進行各種不同的修飾。
權利要求
1.一種電離真空計，包括電子源，用于產生電子；集電極，用于收集由于電子和氣體分子之間的撞擊所形成的離子；以及電子窗體，用于將電子源與氣體分子相隔離。
2.根據權利要求1所述的電離真空計，進一步包括在電子源和電子窗體之間的加速電極，用以加速電子使其達到可以允許電子能夠被傳遞穿過電子窗體的能量；以及在電子窗體和集電極之間的減速電極，用以減速電子。
3.根據權利要求2所述的電離真空計，其中所述的加速電極包括多個加速電極。
4.根據權利要求2所述的電離真空計，其中所述的減速電極包括多個減速電極。
5.根據權利要求2所述的電離真空計，進一步包括限定極板空間的極板，所述的極板圍繞在集電極周圍。
6.根據權利要求5所述的電離真空計，其中所述的集電極包括多個集電極。
7.根據權利要求2所述的電離真空計，進一步包括在減速電極和集電極之間的質量過濾器。
8.根據權利要求2所述的電離真空計，其中加速電極保持電勢，以致在電子源和加速電極之間的電勢差的范圍在100伏特到10,000伏特之間。
9.根據權利要求2所述的電離真空計，其中所述的減速電極保持電勢，以致在電子窗體和減速電極之間的電勢差在0伏特和10,000伏特之間的范圍內。
10.根據權利要求2所述的電離真空計，進一步包括在電子窗體和減速電極之間的外部集電極。
11.根據權利要求10所述的電離真空計，其中所述的外部集電極包括多個外部集電極。
12.根據權利要求1所述的電離真空計，進一步包括限定被屏蔽的空間的屏蔽，所述的屏蔽至少部分打開用以允許氣體分子傳遞到被屏蔽的空間中。
13.根據權利要求12所述的電離真空計，其中所述的被屏蔽的空間覆蓋電子源、集電極、和電子窗體。
14.根據權利要求12所述的電離真空計，其中所述的屏蔽保持參考電勢。
15.根據權利要求14所述的電離真空計，其中所述的參考電勢是大地電勢。
16.根據權利要求1所述的電離真空計，其中所述的真空計是壓力真空計。
17.根據權利要求1所述的電離真空計，其中所述的真空計是Bayard-Alpert型的電離真空計。
18.根據權利要求1所述的電離真空計，其中所述的真空計是殘余氣體分析儀。
19.根據權利要求1所述的電離真空計，進一步包括限定極板空間的極板，所述的極板空間將電子保持在極板的區域內。
20.根據權利要求19所述的電離真空計，其中所述的集電極位于極板空間內。
21.根據權利要求20所述的電離真空計，其中所述的集電極在極板空間內包括多個集電極。
22.根據權利要求19所述的電離真空計，其中所述的集電極在極板空間的外面。
23.根據權利要求22所述的電離真空計，其中所述的集電極在極板空間的外面包括多個集電極。
24.根據權利要求1所述的電離真空計，進一步包括質量過濾器，所述的過濾器基于質荷比分開離子。
25.根據權利要求1所述的電離真空計，其中所述的電子源包括多個用于產生電子的電子源。
26.一種測量來自氣體分子和原子的氣體壓力的方法，其包括的步驟有在電子源上產生電子；將電子傳遞經過電子窗體，所述的電子窗體將電子源與氣體分子相隔離；以及在集電極上收集在電子與氣體分子和原子之間的撞擊所形成的離子。
27.權利要求26所述的方法，其中產生電子的步驟包括使用多個電子源產生電子。
28.根據權利要求26所述的方法，其中傳遞電子的步驟包括使用加速電極，加速電子使其達到能夠允許電子被傳遞穿過電子窗體的能量。
29.根據權利要求28所述的方法，其中使用加速電極包括使用多個加速電極加速電子使其達到能夠允許電子被傳遞穿過電子窗體的能量。
30.根據權利要求28所述的方法，其中加速電極保持電勢，這樣在電子源和加速電極之間的電勢差保持在100伏特到10,000伏特之間。
31.根據權利要求26所述的方法，其中收集離子的步驟包括使用減速電極使電子減速。
32.根據權利要求31所述的方法，其中使用減速電極包括使用多個減速電極使電子減速。
33.根據權利要求31所述的方法，其中所述的減速電極保持電勢，這樣在電子窗體和減速電極之間的電勢差在0伏特和10,000伏特的范圍內。
34.根據權利要求31所述的方法，進一步包括的步驟有在外部集電極上收集離子，所述的外部集電極在電子窗體和減速電極之間。
35.根據權利要求26所述的方法，進一步包括的步驟有使用屏蔽穩定靈敏度，所述的屏蔽限定被屏蔽的空間，屏蔽是至少部分打開的用以允許傳遞氣體分子和原子進入被屏蔽的空間，這樣屏蔽的外部電勢就不會干擾在被屏蔽空間內的電荷的分布。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述的被屏蔽的空間覆蓋電子源、集電極、和電子窗體。
37.根據權利要求35所述的方法，其中所述的屏蔽保持參考電勢。
38.根據權利要求37所述的方法，其中所述的參考電勢是大地電勢。
39.根據權利要求26所述的方法，其中所述的被收集的離子被用來測量壓力。
40.根據權利要求26所述的方法，其中所述的被收集的離子被用來測定氣體類型。
41.根據權利要求26所述的方法，其中所述的集電極位于由極板所限定的極板空間內。
42.根據權利要求41所述的方法，其中所述的集電極在極板空間內包括多個集電極。
43.根據權利要求26所述的方法，其中所述的集電極在由極板所限定的極板空間的外面。
44.根據權利要求43所述的方法，其中所述的集電極在極板空間的外面包括多個集電極。
45.根據權利要求26所述的方法，進一步包括使用質量過濾器，所述的質量過濾器基于質荷比分開離子。
46.一種電離真空計，包括用于產生電子的裝置；用于收集在來自電子源的電子與氣體分子之間的撞擊所形成的離子的裝置；以及隔離用于產生來自氣體分子的電子裝置的裝置。
全文摘要
一種用于將電子源與氣體分子相隔離的電離真空計，所述的電離真空計包括用于產生電子的電子源，用于收集由于電子和氣體分子的撞擊而形成的離子的集電極，以及用于將電子源與氣體分子相隔離的電子窗體。電離真空計能夠帶有限定極板空間的極板，以及可以將電子保留在極板區域內。電離真空計能夠帶有多個電子源和/或集電極。所述的集電極能夠被安置在極板空間的內部或極板空間的外部。電離真空計能夠帶有質量過濾器，所述的質量過濾器用于基于質荷比分開離子。電離真空計可以是能夠測量壓力的Bayard－Alpert型或是能夠測量氣體類型的殘余氣體分析儀。
文檔編號H01J41/00GK1965219SQ200580007960
公開日2007年5月16日 申請日期2005年3月10日 優先權日2004年3月12日
發明者保羅·C·阿諾德, 保羅·M·拉特 申請人:布魯克斯自動化有限公司