間接圧力真空計はどのように機能しますか？

ガス依存の圧力測定が可能な真空計

このタイプの真空計は、面積に関連する力として直接圧力を測定するのではなく、粒子の数密度、つまり圧力に比例する他の物理変数によって間接的に測定します。ガス依存の圧力測定が可能な真空計には、デクリメントゲージ、熱伝導真空計、さまざまな設計を持つ電離真空計が含まれます。

機器は、実際のセンサー（ゲージヘッド、センサー）とその操作に必要な制御機器で構成されています。圧力目盛またはデジタル表示は通常、窒素圧力に基づいています。ガス（または蒸気）の実際の圧力p_Tを決定する必要がある場合、表示された圧力p_Iにこのガスの特性である係数を乗じる必要があります。これらの要因は、機器のタイプにより異なり、表形式で圧力に依存しない要因（表3.2を参照）として提供されるか、圧力に依存している場合は、図に基づいて決定する必要があります（図3.11を参照）。

表3.2 接続要因

図3.11 窒素等価測定値に基づく、さまざまなガスのTHERMOVACゲージの校正曲線

一般的に、以下が適用されます。
真の圧力p_T = 表示圧力p_I· 補正係数
圧力が「窒素目盛」から読み取られても補正されていない場合、「窒素当量」値を参照します。

すべての電気式真空計（ガスの種類に依存する真空計を含む）では、コンピュータの使用が増えるにつれ、プロセスフロー図の適切な場所に圧力を挿入するなど、画面に直接圧力を表示したいという要望が生じます。可能な限り標準化されたコンピュータインターフェースを使用できるように、センサーおよびディスプレイユニット（THERMOVACトランスミッター、ペンニングトランスミッター、IONIVACトランスミッターなど）の代わりに、いわゆるトランスミッター（標準化された電流出力を持つ信号コンバーター）が製造されています。トランスミッターには供給電圧（例：+24 V）を必要とし、また、4～20 mAまたは0～10 Vの測定範囲全体にわたって線形の圧力依存電流信号を供給します。圧力測定値は、この信号がコンピュータに送信されて適切なソフトウェアで処理されてから、直接画面上に表示されます。

熱伝導真空計

従来の物理学では、静的ガスの熱伝導率が高圧（粒子数密度）での圧力（p > 1 mbar）に依存しないことを教え、実験的に確認します。ただし、p < 1 mbarの低圧では、熱伝導率は圧力に依存します。

中真空領域では、圧力に比例して、約1 mbar から減少し、高真空範囲ではゼロの値に達します。この圧力依存性は熱伝導真空計で利用され、中真空範囲の圧力の正確な測定（ガスのタイプによって異なる）が可能になります。

この種の最も広く普及した測定器はピラニ真空計です。半径r₁の通電フィラメントで、100～150℃（212～302℉）（図3.10）まで加熱されると、その中で発生した熱は、放射および熱伝導によって周囲のガスに放出されます（もちろん、フィラメント端のサポート部にも放出されます）。低真空範囲では、ガス対流による熱伝導は実質的に圧力に依存しません（図3.10参照）。ただし、数mbarでは、ガスの平均自由行程がフィラメント直径と同じ大きさの次数である場合、このタイプの熱伝導はさらに減少し、密度と圧力に依存するようになります。10_-3 mbar未満の場合、ガスの平均自由行程は、測定チューブの半径r₂サイズにほぼ対応します。ゲージヘッドのセンシングフィラメントはホイートストンブリッジの分岐部を形成します。

3.10 チューブ（半径r2）内の加熱されたフィラメント（半径r1）によってガス圧力と一定の温度差で放散される熱量の依存性（概略図）。

I 金属端の放射および伝導による熱放散
II ガスによる熱放散、圧力依存
III 放射および対流による熱放散

現在の主要なタイプである定抵抗を持つTHERMOVAC熱伝導率ゲージでは、センシングフィラメントもホイートストンブリッジの分岐部になります。このブリッジに印加される加熱電圧は、熱損失に関係なく、抵抗とフィラメントの温度が一定に保たれるように調整されます。つまり、ブリッジは常にバランスがとれています。この調整モードには数ミリ秒の時定数が含まれるため、可変抵抗を備えたものとは対照的に、そのような機器は圧力変化に非常に迅速に応答します。ブリッジに印加される電圧は、圧力の測定値です。測定電圧は、測定範囲全体にわたってほぼ対数スケールが得られるように電子的に補正されます。定抵抗を持つ熱伝導真空計の測定範囲は10_^-4～1013 mbarです。応答時間が非常に短いため、特に制御および圧力モニタリングアプリケーションに適しています。最も感度の高い範囲（10^-3～10 mbar）では、これは圧力測定値の約15%に相当します。測定の不確実性がこの範囲外で大幅に高くなっています。

ガスの種類に依存するすべての真空計と同様に、熱伝導真空計の場合の表示機器およびデジタル表示の目盛も、窒素および空気に適用されます。誤差の範囲内で、同様の分子量を持つガス（O₂、COなど）の圧力を直接読み取ることができます。一連のガスの校正曲線を図3.11に示します。

真の圧力pTと圧力測定で示された圧力pIの間の不一致の極端な例は、水分を避けるために、圧力シリンダからアルゴンを使用して真空システムに空気を供給することです（排気時間）。図3.11では、圧力測定器としてTHERMOVACを使用して「Ar大気圧」p_Tに到達すると、わずか40 mbarのp_i測定値が得られます。アルゴンが容器から漏れる（カバーが開き、ベルジャーが上昇する）可能性があります。このような類似のアプリケーションでは、ガスの種類に依存しない圧力スイッチまたは真空計を使用する必要があります。

電離真空計

電離真空計は、高真空および超高真空領域のガス圧力を測定するために最も重要な機器です。圧力に比例した粒子の数密度の観点から圧力を測定します。圧力を測定するガスは、機器のゲージヘッドに入り、電界を利用して部分的にイオン化されます。イオン化は、電子が電場で加速され、ガス分子との衝突で陽イオンを形成するのに十分なエネルギーに達すると起こります。これらのイオンは、システム内の測定電極（イオンコレクター）に電荷を伝達します。この方法で生成されるイオン電流（より正確には、これらのイオンを中和するために必要な測定電極のフィードラインの電子電流）は、イオン収量が粒子数密度、すなわち圧力に比例することから、圧力の尺度となります。

イオンの形成は、高電界強度での放電（冷陰極はペニング / 逆マグネトロン放電の総称。直接圧力測定を参照）または、熱陰極から放出される電子の衝突の結果です（ベヤード・アルパート / エクストラクター / トライオードの総称）。（直接圧力測定を参照）

また、一定の条件下では、一部のガスが他のガスよりイオン化しやすいため、イオン収量とイオン電流はガスの種類によって異なります。ガスの種類に応じた圧力測定値を持つすべての真空計では、電離真空計が基準ガスとして窒素を使用して校正されます（窒素等価圧力、「直接圧力測定」を参照）。窒素以外のガスの真の圧力を得るには、読み取った圧力に、該当するガスの表3.2に記載されている補正係数を乗じる必要があります。表3.2に記載されている係数は、圧力とは無関係であると想定されますが、電気系統の形状に多少依存します。したがって、さまざまなタイプの電離真空計の平均値とみなされます（図3.16）。

冷陰極電離真空計

冷間放電で動作する電離真空計は、冷陰極またはペニング / 逆マグネトロン真空計と呼ばれます。測定チューブの放電プロセスは、原則として、スパッタイオンポンプの電気系統と同じです。冷陰極電離真空計に共通する特徴は、陰極と陽極の2つの非加熱電極が含まれており、その間で、いわゆる冷放電が開始され、直流電圧（約2 kV）によって維持され、放電が非常に低い圧力で継続するようにしていることです。これは、磁場を使用して電子の経路を十分に長くし、ガス分子との衝突率が十分に大きくなり、放電を維持するために必要な数の電荷キャリアを形成することで実現されます。磁場（図3.12参照）は、磁力線が電場線を横切るように配置されています。このようにして、電子は、らせん状の経路に閉じ込められます。衝突によって生成される正と負の電荷キャリアは、対応する電極に移動し、圧力依存の放電電流を形成します。これはメーターに表示されます。mbar単位の読み取り値は、ガスのタイプによって異なります。測定範囲の上限は、数10^-2 mbarのレベルを超えると、冷陰極放電が強い光出力を伴うグロー放電に変化し、電流（定電圧）がわずかにしか依存しないという事実によって与えられます。したがって、測定目的には適していません。すべての冷陰極ゲージでは、熱陰極で動作する電離真空計よりも、ガス吸着がかなり高くなっています。冷陰極測定チューブは、スパッタイオンポンプと同様にガスを送り込みます（S ≈ 10^-2 l/s）。ここでも、放電で生成されたイオンは陰極に向かって加速され、一部は保持され、一部は陰極材料のスパッタリングを引き起こします。スパッタされた陰極材料は、ゲージチューブの壁にゲッタリング表面膜を形成します。これらの欠点があるため、圧力測定値の不正確が比較的大きく（最大で約50%）なりますが、冷陰極電離真空計には3つの非常に優れた利点があります。まず、すべての高真空計測機器の中で最も安価です。第二に、測定システムは、空気の突然の流入や振動に影響されません。第三に、機器は容易に操作できます。

図3.12 PENNINGVAC PR25ゲージの断面図

スモールフランジDN 25 KF、DN 40 KF
ハウジング
イグニッションピン付きリング陽極
セラミックワッシャー
現在のリードスルー
接続ブッシュ
陽極ピン
陰極プレート

熱陰極電離真空計

一般的に、このようなゲージは、陰極が熱陰極である3つの電極（カソード、アノード、イオンコレクター）で構成される測定システムを指します。陰極は、従来はタングステン製でしたが、現在は通常、電子出力の仕事を減らして酸素に対する耐性を高めるために、酸化物でコーティングされたイリジウム（Th₂O₃、Y2O₃）で作られています。このタイプの電離真空計は、低電圧で、外部磁場なしで動作します。熱陰極は、非常に高収率の電子線源です。電子は電場で加速され、電界から十分なエネルギーを受けて、電気系統が配置されているガスをイオン化することができます。生成された陽ガスイオンは、陰極に対して負であるイオンコレクターに運ばれ、そこで電荷を放出します。生成されるイオン電流は、ガス密度、つまりガス圧力の測定値です。i- が熱陰極から放出される電子電流である場合、測定システムで生成される圧力比例電流i+は次のように定義されます。

（3.3）

（3.3a）

変数Cは、測定システムの真空計定数です。窒素の場合、この変数は通常約10 mbar^-1です。一定の電子電流では、ゲージヘッドの感度Sは、イオン電流と圧力の商として定義されます。1 mAおよびC = 10 mbar-1の電子電流の場合、ゲージヘッドの感度Sは次のようになります。

熱陰極電離真空計もガス吸着（排気作用）がありますが、冷陰極方式に比べるとかなり小さく、10^-3 l/s程度です。基本的に、このガス吸着は、ゲージヘッドのガラス壁で行われ、程度は低いですがイオンコレクターでもある程度行われます。こちらでは、外部磁石が不要なので操作が簡単なヌードゲージを使用しています。熱陰極電離真空計の測定範囲の上限は、約10^-2 mbarです（特別な設計を除きます）。これは基本的に、より高い圧力での自由行程が短いために、ガス分子でのイオンの散乱過程によって定義されます（イオンがイオンコレクターに到達しなくなった＝低イオン収率）。さらに、高圧になると制御不能なグロー放電やアーク放電が高圧で発生し、ガラス管で静電放電が発生する可能性があります。このような場合、表示された圧力p_Iは、実際の圧力p_Tから大幅に逸脱する可能性があります。

低圧では、測定範囲はX線効果とイオン脱離効果の2つの効果によって制限されます。これらの影響により、圧力とイオン電流の間の厳密な比例関係が失われ、明らかに交差できない低圧力しきい値となります（図3.14参照）。

図3.14 通常の電離真空計でのX線効果による見かけ上の下限圧力。

I - X線に影響されない圧力測定値
II - X線効果による見かけ上の低圧力限界
III - IとⅡの合計

X線効果（図3.15参照）

図3.15従来の電離真空計におけるX線効果の説明。陰極Cが放出する電子e-は、陽極Aと衝突し、そこで軟X線放射（光子）を誘発します。この放射は、イオンコレクターの一部に衝突し、そこで電子e–を複数生成します。

C - カソード
A - アノード
I - イオンコレクター

カソードから放出された電子がアノードに衝突し、光子（軟X線）を放出します。これらの光子は、それが衝突した表面から光電子を発生させます。イオンコレクターから放出された光電子はアノードに流れます。すなわち、イオンコレクターが電子電流を放出します。イオンコレクターに陽イオンの電流が流れるのと同じように表示されます。この光電流は圧力をシミュレートします。この効果は、正X線効果と呼ばれ、アノード電圧とイオンコレクター表面のサイズに依存します。

ただし、特定の状況では、負のX線効果もあります。ゲージヘッド周囲の壁に衝突した光子はそこで光電子を放出します。これもアノードに向かって流れ、アノードはグリッド構造なので、アノード内の空間にも流れます。周囲の壁がイオンコレクターと同じ電位（たとえば、接地電位）を持つ場合、壁で放出された電子の一部がイオンコレクターに達する可能性があります。これにより、イオンコレクターへの電子電流の流れ、すなわち陽イオン電流を相殺できる負の電流の流れが生じます。この負のX線効果は、ゲージヘッドの外壁の電位に依存します。

イオン脱離効果

吸着ガスは、電子衝撃によって表面から脱離することができます。電離真空計の場合、これは、アノードに吸着ガスの層がある場合、これらのガスは、衝突する電子によってイオンとして部分的に脱離されることを意味します。イオンがイオンコレクターに到達し、最初は圧力とは無関係ですが、電子電流が増加するにつれて、上昇する圧力表示につながります。表面に入射する電子の数が、吸着されたガス粒子の数と比較して少なくなるように、小さな電子電流が使用される場合、すべての電子は、陽イオンを脱着することができます。その後、電子電流が増加すると、より多くの電子が表面に衝突するため、脱離が最初に増加します。これにより、最終的に、表面に吸着されたガス粒子が減少します。測定値は再び低下し、一般的に小さな電子電流で観察された圧力測定値よりもかなり低い値になります。実際にこの影響を受けた結果、圧力測定値が脱離電流の影響を受けているかどうかを確認する必要があります。これは、電子電流を10倍または 100倍に変化させることで、最も簡単に行うことができます。電子電流の読み取り値が大きいほど、圧力値の精度が高くなります。

一般的な三極管に似た電極構造を持つ従来の電離真空計に加えて、設計によってこの二つの効果を多少なりとも抑えた方式（ベヤード・アルパートシステム、エクストラクターシステム）があり、設計に応じて2つの効果を抑制します。そのため、高真空および超高真空範囲での測定に使用されます。現在、ベヤード・アルパートシステムが標準的な方式となっています。

図3.16 さまざまな電離真空計測定システムの電極配置の概略図。

a）ベヤード・アルパート電離真空計システム
b）従来の電離真空計システム。
c）高圧力用電離真空計システム（最大1 mbar）
d）エクストラクター電離真空計システム

I - イオンコレクター
Sc - スクリーン
M - モジュレーター
A - アノード
C - カソード
R - リフレクター

a）ベヤード・アルパート電離真空計（現在使用されている標準測定システム）

可能な限り大きな圧力範囲でガス圧力とイオン電流の間の線形性を確保するために、X線効果をできるだけ抑制する必要があります。ベヤードとアルパートが開発した電極配置では、熱陰極がアノードの外側にあり、イオンコレクターが電気系統の軸を形成する細いワイヤーであるという事実から、これが達成されます（図3.16a参照）。X線効果は、イオンコレクターの表面積が大幅に減少するため、2～3桁の大きさで減少します。超高真空範囲の圧力を測定すると、ゲージヘッドの内面および容器への接続部が圧力測定値に影響します。この状況では、吸着、脱離、解離、およびフロー現象の様々な影響を扱うことはできません。ベヤード・アルパートシステムを、容器に直接配置されたヌードゲージシステムとして使用することで、上記の効果のために測定エラーを大幅に回避できます。

b）従来の電離真空計

従来の設計の三極管（図3.16b参照）はゲージヘッドとして使用されますが、外側の電極がイオンコレクターとして機能し、その内部のグリッドがアノードとして機能するように、わずかに変更されています。この配置では、電子は非常に長い経路（アノードのグリッド線の周囲で振動）を取るように強制され、電離衝突の確率が高くなり、ゲージの感度が比較的高くなります。三極管システムは、強いX線効果を考慮して高真空でのみ使用できるため、電気系統のガス収着（排気）効果とガス含有量は圧力測定にわずかな影響しか与えません。

c）高圧力電離真空計（最大1 mbar）

電気系統として再び三極管が使用されます（図3.16c参照）が、今回は変更されていない従来の設計が使用されています。ゲージは最大1 mbarの圧力測定を可能にするように設計されているため、カソードは比較的高い酸素圧力に耐性がある必要があります。そのため、この製品はいわゆるノンバーンアウトカソードとして設計されており、イットリアコーティングのイリジウムリボンで構成されています。1 mbarの圧力までの直線特性（圧力の線形関数としてのイオン電流）を得るために、アノード回路に高抵抗が取り付けられています。

d）エクストラクター電離真空計

圧力測定に影響を及ぼす破壊的影響は、レッドヘッドが最初に提案したイオン光学システムを使用して大幅に排除することもできます。このエクストラクターシステム（図3.16d参照）を使用してアノードシリンダーからのイオンは、非常に薄くて短いイオンコレクターに集中します。イオンコレクターは空間内に設置され、その背面壁は、ガス空間から放出されるイオンが到達できないように、アノード電位に維持されるカップ型電極で形成されます。システムの形状と個々の電極の電位により、X線効果およびイオン脱離による破壊的影響は、変調器なしでほぼ完全に排除されます。エクストラクターシステムは、10^-4～10^-12 mbarの圧力を測定します。もう1つの利点は、この測定システムが直径わずか35 mmのヌードゲージとして設計されており、小型の機器に取り付けることができることです。

スピニングローターゲージ（SRG）

図3.9 スピニングローターゲージ（SRG）のゲージヘッドの断面。

ボール
測定チューブ、一端が閉じており、接続フランジ7に溶接
永久磁石
安定化コイル
4つの駆動コイル
バブルレベル
接続フランジ

低ガス圧力での圧力依存ガス摩擦を利用して、中真空および高真空範囲の圧力を測定できます。この種の技術機器では、直径数ミリメートルのスチールボールが磁場（図3.9参照）に非接触で吊り下げられ、測定エレメントとして使用されます。ボールは電磁回転場を介して回転するように設定されています。開始速度（約425 Hz）に達すると、ボールは放置されます。その後、速度は、圧力に依存するガス摩擦の影響下で、一般的な圧力に依存する割合で低下します。ガス圧は、次の式を使用して速度（減速）の相対的な低下から算出されます。

（3.2）

p = ガス圧力
r = ボールの半径ρ = ボール材料の密度
c- = ガス粒子の平均速度、ガスの種類に依存
σ = ガスの種類に関係なく、ボールの摩擦係数は、ほぼ1。

測定の不確かさが3%である限り（通常そうである）、σ = 1を適用して、回転スチールボールを使用したスピニングローターゲージ（SRG）の感度を、計算可能なボールの物理サイズ、すなわち製品の半径X密度r · ρ（式3.2参照）によって与えることができます。ボールが「校正済み」になると、「トランスファー標準」として使用することができます。つまり、比較を通じて別の真空計を校正するための基準デバイスとして使用することができ、長期的な安定性が高いことを特徴としています。

SRGを使用したガスの運動理論の場合、粒子の計数は測定原理を直接表します（粒子パルスを回転ボールに伝達することで速度が低下します）。
ガスの種類に依存する他の電気測定法では、粒子数密度は、粒子から失われる熱量（熱伝導真空計）または形成されるイオンの数（電離真空計）によって間接的に測定されます。

コンビネーション真空計

上記のすべてのゲージタイプでは、測定可能な範囲が制限されます。機器の小型化が進むにつれて、さまざまなゲージタイプに対応して全範囲をカバーするための複数のポートを持つスペースは受け入れられなくなりました。したがって、全範囲をカバーするために、ゲージを組み合わせたものが見られるようになりました。これらは一般的に、ピラニ / 冷陰極、ピラニ / 熱陰極で、大気圧から高 / 超高真空までカバーします。また、ピラニ / ピエゾゲージも表示され、ピエゾによって大気圧側での測定精度を高めているものも見受けられます。

ブログとWiki 真空の基礎真空計測