TW202422024A - 用於電離真空計的腔室 - Google Patents

Abstract

一種用於界定真空壓力感測器(40)中等離子體產生區(42) 的腔室(11、12、13)，其中該腔室包括導電外殼元件(1、1'、1'')，該導電外殼元件徑向地位於相對於中心軸線的外側上，其中該腔室包括導電牆元件(2、2'、2'')，該等導電牆元件實質上垂直於該中心軸線佈設並連接到該外殼元件，其中該等牆元件之至少一者具有第一開口(3)，該中心軸線延伸穿過該第一開口，其中該外殼元件包括至少一第一區域(B1)及至少一第二區域(B2)，其中該第一區域位於比該第二區域更靠近該中心軸線處。 本發明還涉及一種包括該腔室的真空壓力感測器。

Description

用於電離真空計的腔室

本發明涉及真空壓力感測器的技術領域。特別是，本發明涉及一種用於真空壓力感測器之腔室，真空壓力感測器係電離真空計型式，並且涉及一種真空壓力感測器，真空壓力感測器包括根據本發明之腔室。

真空壓力感測器或真空計係已知的，藉由它們能夠確定顯著低於正常壓力的壓力。在已知的真空壓力感測器中，所謂的電離真空計具有特別寬的測量範圍。在電離真空計中，殘餘氣體被電離並產生等離子體。電離氣體所需的電子由熱陰極(熱陰極電離真空計)或由冷電極(冷陰極真空計)之間的在自持氣體放電產生。例如，測量從陽極到陰極的電流作為用於確定壓力的參數。陽極和陰極與所產生的等離子體接觸。藉由適當地結合電場和磁場，能夠延長真空壓力感測器內電子的軌跡，從而能夠增加離子產率。產生的等離子體發射輻射，除了測量電流之外還能夠對輻射進行分析，並且能夠用於確定壓力或還能夠確定殘餘氣體的成分。作為示例，專利文獻WO 2021/052599 A1公開了一種用於確定真空系統中的壓力的方法，及設計成評估由等離子體發射的輻射的真空壓力感測器。

在這種真空壓力感測器中，待分析的電磁輻射穿過窗口或透鏡到達檢測器上，其中窗口或透鏡係至少在電磁頻譜範圍內可穿透，檢測器係與產生等離子體的區域分開佈設。由於等離子體及可能由於陰極上的與等離子體相關的濺射效應，所以在較長的操作時間下，可能會發生窗口或透鏡的等離子體側變得越來越難以穿透輻射的情況，例如由於薄金屬層積聚在窗口或透鏡上。

本發明之目的係提供一種用於在真空壓力感測器中產生等離子體的替代裝置的部件。特別是，本發明的目的係提供一種使真空壓力感測器中產生等離子體的前述副作用最小化的裝置。

此目的係根據本發明，藉由請求項1之腔室來實現。

根據本發明的腔室設計成界定真空壓力感測器中的等離子體產生區。腔室包括導電外殼元件，導電外殼元件徑向地位於相對於中心軸線的外側上。腔室還包括導電牆元件，該等導電牆元件實質上垂直於中心軸線佈設並連接到外殼元件。該等牆元件中之至少一者具有第一開口，中心軸線延伸穿過第一開口。外殼元件包括至少一第一區域及至少一第二區域，其中第一區域位於比第二區域更靠近中心軸線處。

由於牆元件中具有開口，腔室適於沿腔室的中心軸線容納電離真空計的陽極棒。腔室能夠起到陰極的作用。

因為外殼元件的第一區域和第二區域距軸線的距離不同，所以外殼元件並非圓柱形的。舉例來說，第一區域和第二區域可以位於不同的軸向位置處，或者它們可以位於相對於軸線的方位角方向上的不同位置處。當在中心陽極和外殼元件之間施加電壓時，在中心軸線和外殼元件的第一區域之間產生比外殼元件的第二區域和中心陽極之間更高的電場。正如發明人已經認識到的，這種差異對於物理上靠近腔室佈設的光學元件的使用壽命來說是有利的。

外殼元件可以係一體成型，或者可以由多個組件構造。

牆元件可以包括例如鐵磁材料。鐵磁牆元件可以例如與佈設在腔室外部的電離真空計的永磁體的佈設相互作用，以影響腔室內部的磁場圖案。

從附屬項2至7的特徵來看，根據本發明的腔室的示例性實施例將變得顯而易見。

在一個實施例中，在垂直該中心軸線的平面中，穿過外殼元件的剖面具有多邊形的形狀。

多邊形可以係例如六邊形或十二邊形。這種多邊形剖面非常適合實質上圓柱形的環境，但確保存在位於距中心軸線更小和更大距離處的區域。因此，中心軸線和外殼元件之間的距離根據方位角方向而變化。

在一個實施例中，外殼元件至少部分係圓錐形。

外殼元件可以係例如截頭圓錐的側表面的形狀。在此情形中，上述較靠近中心軸線的第一區域係位於截頭圓錐的半徑較小的一端。

在一個實施例中，外殼元件的第一區域位於腔室相對中心軸線的軸向方向的中間。

例如，外殼元件可以由兩個組件形成，其中每個組件係截頭圓錐的側表面的形狀，且具有較小半徑之側在腔室的中間彼此抵靠或者緊固到中間牆元件。

在一個實施例中，腔室包括三個相互平行的牆元件，其中所有三個牆元件均具有中心開口，該中心軸線延伸穿過該等中心開口。

此實施例適於容納電離真空計的陽極棒，其突出穿過所有牆元件。

在一個實施例中，至少一個牆元件具有第二開口。

第二或甚至另外的開口可為待測量壓力的空間提供更好的流體動力連接。第二或甚至另外的開口還可以為等離子體中產生的電磁輻射提供多個連續的輻射路徑。第二或另外的開口係定位成與中心軸線徑向偏移的開口。

在另一實施例中，所述第一開口由至少一個牆元件的內緣圍繞。內緣具有朝中心軸線突出的至少第一部分。內緣具有比第一部分更遠離中心軸線的第二部分。

發明人已經認識到，牆元件的內緣和中心軸線之間的距離的這種變化將導致牆元件的內緣和陽極之間的距離的變化，當腔室用於限制真空壓力感測器中的等離子體產生區，有助於在不利條件下點火等離子體，例如真空壓力感測器在較低工作範圍的壓力下。

這種點火輔助可以例如藉由從圓形內緣向內突出的一個或幾個小尖釘、藉由內緣的輪廓在方位角方向上平滑地變化來實現。在要分析從等離子體發射的輻射的情況下，距中心軸線的距離較大的部分阻擋的輻射較少。此實施例在真空壓力計中特別有用，該真空壓力計具有附接到其上的光譜儀。可替代地，或與上述組合，內緣的表面可相對於中心軸線傾斜地定向，使得朝向中心軸線突出的部分與距中心軸線更遠的部分處在不同的軸向位置上。作為示例，圍繞第一開口的漸縮邊緣可以藉由利用錐形鑽頭的手段鑽出所述開口來形成。如此一來，可以在第一開口周圍產生相對銳利的邊緣。在具有牆的實施例中，牆元件包括鐵磁材料，第一開口的內邊緣之間的距離的變化不僅導致電場的成形，而且另外有助於將磁場沿著中心軸線的某些區域中集中或者集中在某些方位角位置中。

本發明還涉及如請求項8所述的真空壓力感測器。根據本發明的真空壓力感測器包括根據本發明的腔室。真空壓力感測器還包括沿腔室的中心軸線佈設的陽極，及徑向地佈設在腔室外側的用於在腔室的內部產生磁場的手段。

腔室適於用作電離真空計型式的真空壓力感測器的陰極或陰極的一部分。更特定地，上述真空壓力感測器係倒置磁控管類型的電離真空計。

在倒置磁控管類型的替代方案中，本發明還涉及如請求項9所述的真空壓力感測器。

根據本發明的真空壓力感測器包括根據本發明的具有陽極作用的腔室。真空壓力感測器還包括至少部分沿腔室的中心軸線佈設的陰極，及徑向地佈設在腔室外側的用於在腔室的內部產生磁場的手段。

腔室適於用作電離真空計型式的真空壓力感測器的陽極或陽極的一部分。利用相對於先前描述的倒置磁控管類型的真空壓力感測器互換陽極和陰極的角色，該替代真空壓力感測器係磁控管類型的電離真空計。

從請求項10和11的特徵來看，真空壓力感測器的實施例將變得顯而易見。

真空壓力感測器的實施例還包括殼體。殼體具有圍繞孔口的凸緣，孔口用於在真空壓力感測器內部的等離子體產生區與真空壓力感測器外部的測量空間之間建立流體連接。輻射可穿透元件設置在所述殼體的牆中，使得從等離子體產生區發射的電磁輻射能夠透過所述輻射可穿透元件到達殼體的外部。根據發明的腔室位於殼體內部，外殼元件的第一區域位於腔室的第一側，第一側定向為朝向凸緣。外殼元件的第二區域位於腔室的第二側，第二側定向為朝向所述輻射可穿透元件。

在實施例的特定實現中，腔室之導電外殼元件具有朝向所述凸緣逐漸變細的截頭圓錐形的形狀。

令人驚訝的是，對應於中心軸線與圓錐形外殼元件上的表面線之間的角度約3°的相對輕微的錐度，導致在低壓環境中從等離子體發射的輻射的輸出增加。這是令人驚訝的，因為利用這種配置，等離子體產生區預計將置放成距輻射可穿透元件更遠，乍看之下可能導致在殼體外部接收到的輻射強度較低。

在真空壓力感測器的另一實施例中，諸如透鏡或反射鏡之類的光學元件及光譜儀被佈設在所述殼體的外側上。輻射可穿透元件和光學元件協作以收集從陽極周圍的區域發射的電磁輻射，並將該電磁輻射聚焦到光譜儀的光學敏感元件。

這種類型的真空壓力感測器受益於服務時間的增加及到達光譜儀的光學敏感元件上的輻射強度的增加。

在實施例的特定變型中，光學元件適於補償輻射發射區域的軸向位移。變型可以特定地與上述實施例結合，其中腔室之導電外殼元件具有朝向所述凸緣逐漸變細的截頭圓錐形的形狀。在此實施例中，具有最高輻射發射的等離子體區域的中心和軸向延伸可以根據壓力而變化。適應性光學元件(例如可在中心軸線方向上移動的透鏡)有助於調節由光譜儀、光學元件和殼體的牆中的輻射可穿透元件形成的整個配置的焦點。控制圈可用於連續調節光學元件的位置以獲得光譜儀中接收到的最大輻射強度。特別是，輻射可穿透元件本身可以成形為透鏡的型式。

圖1.a)和1.b)繪示腔室的第一實施例11從兩個觀察方向的兩個立體圖。在此實施例中，腔室具有呈十二邊形基座的棱柱側表面形狀的外殼元件1。三個牆元件2、2'、2''分別在腔室(2、2'')的兩端和中間牆2'處形成封閉件。中間牆2'的外周上的六個突出部穿過外殼元件中的矩形槽突出到外殼元件的外表面之外。第一開口3位於牆2''的中心，使得腔室的中心軸線A延伸穿過開口。此處不可見的係兩個牆2和2'中的中心開口，中心軸線同樣延伸穿過中心開口，使得電離真空計的中心陽極棒能夠穿過所有三個中心開口。

圖1.c)繪示牆元件2的俯視圖。除了居中佈設的第一開口3之外，牆元件具有在較大半徑上之總共六個另外的開口4。緊固區域5位於牆元件的外周上的向外突出的突出部之間，牆元件在緊固區域5處(例如通過點焊)連接至外殼元件。

圖2.a)和2.b)繪示腔室的第二實施例12從兩個觀察方向的兩個立體圖。在此實施例中，外殼元件1係截頭圓錐的形狀。

圖2.c)繪示相同的第二實施例12的俯視圖。

圖2.d)繪示相同的第二實施例12的側視圖。舉例來說，如此側視圖中所示，截頭圓錐的半開角可以係3°。舉例來說，腔室的長度L可以在20mm至30mm的範圍內。腔室之此實施例還具有三個牆元件2、2'、2''。

圖3.a)和3.b)繪示腔室的第三實施例13從兩個觀察方向的兩個立體圖。在此實施例中，外殼元件由兩個組件形成，其中外殼元件的每個組件1'和1''係截頭圓錐的側表面的形狀，並且其中在每種情況下，截頭圓錐的具有較小半徑之側的牆緊固至中間牆元件2'。如此一來，外殼元件的第一區域(徑向地更靠近中心軸線的區域)變得位於腔室的中間。

圖3.c)繪示相同的第三實施例13的俯視圖。

圖3.d)繪示相同的第三實施例13的側視圖。在此視圖中，能夠清楚地看到兩個截頭圓錐，每個截頭圓錐的半開角為3°。

圖4繪示沿著中心軸線A延伸穿過電離真空計型式的真空壓力感測器40的縱剖面，真空壓力感測器40具有陽極41和根據本發明的作為陰極的腔室。腔室具有牆元件2、2'、2''。外殼元件1的形狀和位置在此透過作為佔位符的虛線輪廓的區域示意性地指示。在此可以想到用於外殼元件1的各種幾何形狀，即，腔室的上述實施例11、12和13的外殼元件中的任何一者在此都是可能的選擇。對於腔室的這些實施例中之任一者，腔室係一種推入式腔室，推入式腔室能夠從真空壓力感測器的凸緣側45推入腔室的所示位置。永磁體排列44位於腔室的徑向外部，其用作在腔室內產生磁場的手段。永磁體排列圍繞軸線環形地延伸。根據一個可能的實施例，該永磁體排列有利地與由鐵磁材料製成的牆元件相互作用。在真空壓力感測器工作期間(即當在陽極和陰極之間施加高電壓，並且當腔室中的壓力在壓力感測器的測量範圍內時)，在圍繞陽極的等離子體產生區42中產生等離子體。等離子體發射電磁輻射43，電磁輻射43能透過輻射可穿透元件46(例如窗口或透鏡)到達外部，如相應箭頭所示。

圖5繪示通過真空壓力感測器之實施例的縱向剖面圖，縱向剖面圖部分比圖4所示的實施例更概括，部分具有特定細節。在此所示的真空壓力感測器50具有殼體51，殼體51具有凸緣45，以連接到測量空間。在其相對端處，在此情況下被形成為透鏡的輻射可穿透元件46允許從輻射發射區域55發射的電磁輻射傳送到殼體的外部。輻射路徑可以例如穿過可選的光學元件53進入光譜儀54。輻射發射區域55、指示性輻射路徑、透鏡型式的光學元件53及象徵性指示的光譜儀54以虛線示出，以指示這些特徵不是真空壓力感測器50的一部分，但對於理解其功能是有用的，並且還繪示特定實施例。位於殼體內部的腔室具有朝向凸緣45逐漸變細的截頭圓錐形的形狀的外殼元件1。如此一來，比第二區域B2更靠近中心軸線的第一區域B1位於更靠近凸緣的一側，而第二區域B2更靠近輻射可穿透元件46的一側。陽極棒41佈設在殼體和腔室的共同中心軸線上。標記為「+」和「-」的電接點指示真空壓力感測器的操作方式。在此所示的變型具有與「+」接點導電連接的中心陽極接點41，從而產生倒置磁控管的真空壓力計。如上所述，藉由交換陽極和陰極的角色，即主要通過互換「+」和「-」，只需對如圖5所示的壓力感測器進行小修改即可實現磁控管型壓力計。殼體51和插入的腔室一起形成感測器的陰極。在殼體的徑向外側，佈設有用於在殼體內部產生磁場的手段52。腔室具有由2、2'和2''表示的三個牆元件，每個牆元件具有中心軸線延伸穿過的開口。光學元件53可選地可以沿軸向方向(如雙向箭頭所示)移動，以取決於壓力在輻射發射區域55沿著陽極移動的情況下調節焦點，或者如果輻射發射區域55沿其軸向上延伸或收縮下調節焦點。

圖6繪示牆元件中心的第一開口的形狀的變型。僅顯示了相應牆單元的一小部分。在此所示的所有變型的共同之處在於，第一開口3被牆元件的內緣圍繞，其中內緣具有至少朝向中心軸線A(圖6.a至6.c中未標記)突出的第一部分S1，並且第二部分S2比第一部分更遠離所述中心軸線。多個突出部分S1是可能的，例如圖6.a)和6.b)中存在三個第一部分S1，且圖6.c)中存在六個第一部分S1。圖6.d)繪示由內緣的錐形表面形成的突出區域S1。在此所示的所有變型可以充當點火輔助，即幫助等離子體能夠被點火並保持在相對於真空壓力計的測量範圍相對較低的壓力下。突出部分可以形成為尖銳的尖刺，如圖6.b)和6.d)中所示，或者突出部分可以形成有大半徑(圖6.a)，或者甚至是平坦的，在一些情況下，在突出部分的附近形成剖面S2的相應凹部(圖6.d)。

圖7.a)至7.e)繪示牆元件中的第一開口的輪廓的變型，所有變型都基於開口之大約5mm的直徑。凸出部分和凹入部分分別沿開口的圓周，重複3次(圖7.a和7.b)、六次(圖7.c)、四次(圖7.d)或八次(圖7.e)。突出部分可能被限制在圓周的一小部分(圖7.a)或覆蓋圓周的大部分(圖7.b、7.c、7.d)，並被之間的更有限的凹部分開。

圖8.a)至8.d)繪示完整的牆元件的立體圖，牆元件可以具有上圖之一中的牆元件2、2'或2''之一的作用，並且具有如圖7的相應子圖中所示的第一開口3的輪廓。即，作為示例，圖8.a)中的第一開口的輪廓具有圖7.a)中所示的幾何形狀。圖8所示的牆元件的厚度係可以大約1.5mm，以匹配圖7的相應子圖中所示的尺寸。這些牆元件可以例如由鐵磁材料製成。除了此處所示的第一開口3之外，牆元件還可進一步修改以在其他徑向位置處具有另外的開口，例如如圖1.c)所示。圖8所示的所有牆元件的第一開口的型式可以用作點火輔助，使得等離子體在相對低的壓力下被點火。

回到本發明所有實施例的技術效果，發明人已經認識到，本發明還使得可以以幾何方式實現場強度變化，而不是將電極之間的電壓設置為適當的值。相反的，現在可以尋找合適的空間位置。舉例來說，在沿著陽極周圍的圓具有多邊形剖面的實施例中，能尋找具有最大光的位置並將其用於光學評估。如果製程條件發生變化，則可以追踪此幾何位置。

圓錐形和圓錐多邊形類型的實施例使得可以沿軸線改變等離子體密度。這具有的優點係可以定位發光量並且將其與找到濺射最小值相結合，即可以使輻射可穿透元件具有長使用壽命。

1:外殼元件 1',1'':多組件外殼元件的組件 2,2',2'':牆元件 3:第一開口(在牆元件中) 4:第二/另一開口(在牆元件中) 5:牆元件上的緊固區域 6:牆元件上的標示 11,12,13:腔室的實施例 40:真空壓力感測器 41:陽極，例如陽極棒 42:等離子體產生區 43:輻射 44:永磁體排列 45:凸緣 46:輻射可穿透元件 50:真空壓力感測器 51:殼體 52:用於產生磁場的手段 53:光學元件 54:光譜儀 55:輻射發射區 A:中心軸線 B1:第一區域(靠近中心軸線) B2:第二區域(距中心軸線較遠) L:(腔室的)長度 S1:牆元件內緣的第一區域 S2:牆元件內緣的第二區域

下面將參照附圖更詳細地解釋本發明的示例性實施例，其中： 圖1在子圖1.a)至1.c)中繪示腔室之第一實施例的不同視圖； 圖2在子圖2.a)至2.d)中繪示腔室之第二實施例的不同視圖； 圖3在子圖3.a)至3.d)中繪示腔室之第三實施例的不同視圖； 圖4繪示通過真空壓力感測器的縱向剖面圖，其中示意性地繪示了腔室； 圖5繪示通過真空壓力感測器之實施例的縱向剖面圖； 圖6在子圖6.a)至6.c)中繪示在軸線方向中之第一開口的變型之剖視圖，及在子圖6.d)中繪示通過第一開口之變型的縱剖視圖； 圖7在子圖7.a)至7.e)中繪示具有特定尺寸之第一開口的輪廓之變型； 圖8在子圖8.a)至8.d)中以立體圖繪示具有第一開口之變型的牆元件。

1:外殼元件

2,2',2":牆元件

3:第一開口(在牆元件中)

41:陽極，例如陽極棒

45:凸緣

46:輻射可穿透元件

50:真空壓力感測器

51:殼體

52:用於產生磁場的手段

53:光學元件

54:光譜儀

55:輻射發射區

B1:第一區域(靠近中心軸線)

B2:第二區域(距中心軸線較遠)

Claims (11)

1. 一種用於界定真空壓力感測器(40)中等離子體產生區(42)之腔室(11、12、13)，其中該腔室包括導電外殼元件(1、1'、1'')，該導電外殼元件徑向地位於相對中心軸線(A)的外側上，其中該腔室包括導電牆元件(2、2'、2'')，該等導電牆元件實質上垂直於該中心軸線佈設並連接到該外殼元件，其中該等牆元件之至少一者具有第一開口(3)，該中心軸線(A)延伸穿過該第一開口，其中該外殼元件包括至少一第一區域(B1)及至少一第二區域(B2)，其中該第一區域位於比該第二區域更靠近該中心軸線處。
2. 如請求項1之腔室(11)，其中在垂直於該中心軸線的平面中，穿過該外殼元件的剖面具有多邊形的形狀。
3. 如請求項1或2之腔室(12、13)，其中該外殼元件至少部分地係圓錐形。
4. 如請求項1至3中任一項之腔室(13)，其中該外殼元件的該第一區域位於該腔室相對該中心軸線的軸向方向的中間。
5. 如請求項1至4中任一項之腔室(11、12、13)，其中該腔室包括三個相互平行的牆元件，其中所有三個牆元件均具有中心開口，該中心軸線延伸穿過該等中心開口。
6. 如請求項1至5中任一項之腔室(11、12、13)，其中該等牆元件之至少一者具有第二開口。
7. 如請求項1至6中任一項之腔室(11、12、13)，其中所述第一開口(3)由所述至少一個牆元件的內緣圍繞，其中所述內緣至少具有朝所述中心軸線(A)突出的第一部分(S1)以及比所述第一部分更遠離所述中心軸線的第二部分(S2)。
8. 一種真空壓力感測器(40)，包括作為陰極之如請求項1至7中任一項之腔室(11、12、13)、沿著該腔室的該中心軸線佈設的陽極(41)、以及徑向地佈設在該腔室的外側的手段(44)，該手段(44)用於在該腔室的內部產生磁場。
9. 一種真空壓力感測器，包括作為陽極或部分陽極之如請求項1至7中任一項之腔室(11、12、13)、至少部分地沿著該腔室的該中心軸線佈設的陰極、以及徑向地佈設在該腔室的外側的手段，該手段用於在該腔室的內部產生磁場。
10. 如請求項8或9之真空壓力感測器(40)，該真空壓力感測器還包括殼體，該殼體具有圍繞孔口的凸緣(45)，該孔口用於在該真空壓力感測器內部的該等離子體產生區域(42)與該真空壓力感測器外部的測量空間之間建立流體連接，其中在所述殼體的牆中佈設有輻射可穿透元件，使得從該等離子體產生區域發射的電磁輻射能夠透過所述輻射可穿透元件到達該殼體的外部，其中所述腔室位於所述殼體內部，其中所述第一區域(B1)位於該腔室朝向所述凸緣(45)的第一側上，並且其中所述第二區域(B2)位於該腔室朝向所述輻射可穿透元件(46)的第二側上，特別是，其中該腔室之該導電外殼元件具有朝向所述凸緣逐漸變細的截頭圓錐形的形狀。
11. 如請求項10之真空壓力感測器(40)，其中光學元件(53)和光譜儀(54)佈設在所述殼體的外側上，其中所述輻射可穿透元件(46)和所述光學元件(53)協作以收集從該陽極周圍的區域(55)發射的電磁輻射，並將該電磁輻射聚焦到該光譜儀的光學敏感元件，特別是，其中該光學元件(53)適於補償所述輻射發射區域(55)的軸向位移。