イオンリファレンスゲージ IRG080
イオンリファレンスゲージ IRG080 は、真空イオンゲージのカテゴリーに新たな基準を打ち立て、これまでにない精度（<1%）と再現性（<1%）で真の圧力測定を実現します。ゲージの交換は、校正やプロセスの再調整を必要としません。ISO TS 6737に準拠した設計により、IRG080はリファレンス・スタンダード[1]に適した初の真空計となっています。
精密で安定した真空圧力測定は、高度な工業生産プロセスや計測において不可欠でありながら、実現が困難な機能です。1950年代から高真空から超高真空領域での全圧測定ソリューションを提供してきたイオン・ゲージは、生来の多様性と標準化の欠如にもかかわらず、汎用性を発揮してきました。
イオンリファレンスゲージIRG080は、その革新的な原理で際立っており、イオンゲージクラスの中で新たな基準を打ち立てました。イオン化真空ゲージの革新的なコンセプトに基づくIRG080は、品質保証とコスト効率の高い生産のために精密な真空圧力測定を必要とする要求の厳しいプロセス、特に半導体チップや太陽電池のような高付加価値製品の先端プロセスや製造業、校正や計測アプリケーション、標準器搬送のユーザーに利益をもたらします。
高真空および超高真空（HV/UHV）環境は、私たちの世界の根底にある基盤の研究だけでなく、半導体チップや太陽電池などの高付加価値製品の開発、品質評価、生産にも使用されています。そのため、正確で安定した信頼性の高い真空圧力測定は、高度な工業生産プロセス、校正、および計測によって追求される、不可欠でありながら厳しい機能です。
イオンリファレンスゲージIRG080は、高真空および超高真空システムにおける全圧測定に最高の精度を提供する、世界初の真空センサー・ソリューションです。IRG080は、革新的なイオン化真空計のコンセプト（高温の陰極がファラデーカップに直線経路で電子を放出する：イオン化電子の経路長は既知であり、明確に定義されている）に基づき、欧州革新研究計量計画（EMPIR）プロジェクト内の真空研究機関の汎欧州コンソーシアムとの共同開発により開発されました。16NRM05. IRG080は、将来の国際規格ISO TS 6737に準拠した初の商用製品であり、10-6Paから10-2Paの範囲の基準標準器として適しています。
前例のない精度（<1 %）、優れた繰返し精度（<1 %）、再現性（<1 %）、長期安定性を堅牢な設計で提供するIRG080は、品質保証とコスト効率の高い生産のために精密な真空圧力測定を必要とする要求の厳しいプロセスのユーザーにメリットをもたらします。特に
- 高度な産業用アプリケーションで、時間のかかる校正やプロセスの再調整を必要としません。IRG080の設計は、公差が既知で制御可能な剛性コンポーネントをベースにしているため、大量生産において一貫した動作のセンサーを構築することができます。すべてのプロセスガス種の感度が事前に高精度で分かっているため、工業生産において校正の必要なく個々のゲージを交換することができます。
- 他の真空計や質量分析計の校正、ポンプ速度の測定。輸送と長期安定性により、校正ラボでの真空計校正（ISO 3567）や、質量分析計の校正（ISO TS 20175）やアウトガス率測定（ISO TS 20177）にも使用できます。IRG080は、相対感度係数が正確に知られているため、ポンプ速度測定（ISO 21360シリーズ）も改善します。
- 計量、国家検定所や校正試験所との比較のための移行標準。IRG080は、高真空用の正確なリファレンスゲージとして、また国家計量標準所や校正試験所での比較のための移動標準器として機能します。
電子は加熱されたタンタルディスクから放出される。放出された電子は、ウェーネルトシリンダーと接地されたポテンシャルリングによって、アノードケージの端にある出口開口部に向かって集束される。軌道に沿って散乱されずに出口アパーチャーに入った電子は、ファラデーカップに曲げられ、そこで到着電子電流が測定される。アノードケージ内の体積を横切る電子は、電子砲撃によって残留ガスをイオン化することができます。発生したイオンは、中心から外れたイオンコレクタロッドに移動し、そこでイオン電流が収集され、測定されます。イオン電流はガス密度に比例します。理想気体の法則を用いて、イオン密度から全圧を計算することができます。電子はファラデーカップに向かって曲げられ、標準的なベイヤードアルパートゲージの主な誤差要因である軟X線や電子刺激脱離の摂動を防止・低減します。ファラデーカップに到達する電流とカソードで放出される電流の比が1に近いことは、装置が正しく動作しているかどうかを簡単にチェックすることができる。
ベイヤードアルパートゲージにおける不正確で不安定な感度の主な原因は、高温カソードからの電子放出分布が不安定で再現性がないことである。このため、安定なベイヤード・アルパートゲージの設計には4つの要件があります[2]：
- 放出される電子はすべて電離空間に入ること；
- 各電子の経路長Lとエネルギーは、カソード上の起点に依存しないこと；
- イオン化空間を通過する回数は一定でなければならない（1に等しいことが望ましい）；
- イオン収集効率がカソード上の起点に依存しないこと。
新しいIRG080の設計は、この4つの要件をすべて満たしています。
| 典型的なベイヤードアルパートゲージ | 新しいIRG080 | |
| 放出された電子はすべて電離空間に入らなければならない。 | 電子の約80-90%は陽極グリッド内の電離空間に入ることなく陽極グリッドに衝突する | ウェーネルトとコレクターリングが、イオン化空間への電子の集束を保証 |
| 各電子の経路長Lとエネルギーは、カソード上の起点に依存しないこと。 | 経路、軌跡、電子エネルギーには幅広い広がりがある | よく知られた経路と電子エネルギー、電子ビームの広がりは最小限（空間電荷が存在しないため） |
| イオン化空間を通過する回数は一定でなければならない（1回が望ましい）。 | 電離空間を0から数遷移 | 1 |
| イオン収集効率がカソード上の起点に依存しないこと。 | そうではない | イオン収集効率は1に非常に近い |
実際、特定のガスに対するIRG080ゲージの感度は、電離断面積が分かれば、書籍や科学論文の表で調べるなどして計算することができます。これにより、真空チャンバー内のガスの圧力を正確に測定することが可能になります。以前は、ガスに依存する感度係数は、実験的なテストによって得る必要がありました。
さらに、ゲージの頑丈な構造により、郵便輸送中にゲージの構造体に衝撃が加わってフィリグリー構造要素の位置が移動し、それによって得られたばかりの校正が変更されても心配することなく、校正実験室から使用現場までゲージを輸送することができる。
細いフィラメントの代わりにエミッターディスクを使用することで、電子は決められた位置から放出されます。これまでのイオン化ゲージでは、フィラメントの位置は熱膨張やフィラメントの不完全なバネの張力などによって変化していました。
固定された電子のスタート位置、厳しい公差を持つ硬いゲージ形状、安定した既知の電子軌道は、再現性の高い正確な測定につながります。ゲージは非常に厳しい公差で堅牢かつ正確に作られており、その感度は第一原理から導かれているため、追加の校正なしで使用することができます。そのため、校正コストを削減することができます。
新しいデザインは感度が高い。つまり、同じ電子放出電流でより高い信号強度を得ることができます。
| INFICON IRG080 | 典型的なベイヤードアルパートゲージ | 改善IRG080 | |
| 感度 | 28 mbar-1 | 3.5 - 20 mbar-1 | 1.4 - 8x |
| 精度 | 1 % | 15 % | 15x |
| 感度再現性 | 1 % | 20 % | 20x |
| 感度計算可能 | はい | いいえ | |
| 校正が必要 | 不要 感度の予測が可能であるため | 必要 | |
| 安定性 | 堅牢で長期安定 | 長期安定性は低い |
IRG080の安定した特徴により、ISO TS 6737 [3]に記載されているように、測定標準となることが提案されています。
このゲージは、一般的な地球磁場から自然に免れる設計になっています。外部磁場は、外部磁気ソース（コールドカソードや粒子ビームステアリング用磁石など）が使用されるアプリケーションで存在することがあります。この場合、ステンレスチューブの代わりにミューメタルチューブという形で磁気シールドを使用することで、磁場の侵入を緩和することができます。この部品はINFICONによって標準付属品として提供されています。
IRG080は完全なパッシブセンサで、400℃までのベークアウト温度が可能です（コネクタプレートなし）。
他のパッシブセンサと同様、その動作には外部コントロールと読み出しユニットを供給し、ケーブルで接続する必要があります。INFICONのイオンリファレンスゲージコントローラIRC081は、市販の装置を求めているユーザにとって自己解決策であり、INFICONのカタログで入手可能です。
[1] K. Jousten 他, "Electrons on a straight path： 参照標準に適した新しいイオン化真空計」、Vacuum 189 (2021), 11 0239
[2] Bills 他, "New ionisation gauge geometries providing stable and reproducible sensitivities", J. Vac. Sci. Technol. A, 1984
[3] K. Jousten, et al, "Evaluation and metrological performance of new ionisation vacuum gauge suitable as reference standard", Measurement 21 0 (2023), 112552.
