Advances in Ionisation Gauges: From Simulation to Instrument Development

Abstract

Vacuum technology is vital across diverse applications, spanning scientific and industrial sec- tors. Despite significant gauge advancements, high and ultra-high vacuum measurements lag in accuracy and suffer from long-term instability, requiring frequent gauge calibrations. Pre- cision of available gauges in this range are for at least one order of magnitude lower than those achieved for higher pressures. This thesis focuses on understanding the operation of ionisation gauges, the only gauges currently capable of measuring the highest vacuum levels. An exten- sive simulation study of charged particle optics is presented, revealing critical insights into the functioning of existing gauges. Monte Carlo simulations were employed to model various physical phenomena prevalent in gauges, ranging from ionisation—the primary focus—to un- desired effects such as secondary emissions and electron backscattering. The simulation pro- cess culminated in the development of a new gauge design, named the cylindrical gauge. All stages of the gauge's development are described, including simulations, mechanical design, construction of a functional prototype, electronics assembly, programming of a measurement interface, and experimental testing. Metrological evaluation of the gauge demonstrated high short-term stability, with an overall measurement precision below 1%, placing it among the most reliable ionisation gauges available over six orders of magnitude. Its accuracy for meas- uring pressures below 10-9 mbar remains open and requires further testing. Additionally, a high-efficiency ioniser was developed from scratch to explore the limits of ion production. Modelling physical phenomena impacting ion source operation, including electron beam dis- persion and magnetic field effects, refined the configuration for high sensitivity, validated em- pirically post-construction of the initial prototype. In total, two new electron impact ionisation based instruments—a gauge and an ion source—were developed from the ground up, match- ing the state-of-the-art. They are extensively discussed in both fundamental and engineering frameworks.

A tecnologia do vácuo é crucial em diversas aplicações, desde as áreas científicas às indus- triais. Apesar dos avanços significativos nos medidores, a precisão na medição de alto e ultra- alto vácuo é baixa e é caracterizada por uma grande instabilidade a longo prazo, exigindo calibrações frequentes dos medidores. A precisão dos medidores neste intervalo é pelo menos uma ordem de grandeza inferior à alcançada para pressões mais altas. Esta tese foca-se na compreensão do funcionamento dos manómetros de ionização, os únicos manómetros atual- mente capazes de medir os níveis de vácuo mais elevados. Um extenso estudo em simulação da ótica de partículas carregadas é apresentado, revelando detalhes críticos sobre o funciona- mento destes manómetros. Foram efetuadas simulações utilizando o método de Monte Carlo para modelar vários fenómenos físicos presentes na operação dos medidores, desde a ioniza- ção, o fenómeno mais crítico para o funcionamento, até efeitos indesejados, como emissões secundárias e retrodispersão de eletrões. O processo de simulação culminou no desenvolvi- mento de um novo design de medidor, denominado manómetro cilíndrico. Todas as etapas do desenvolvimento do medidor são descritas, incluindo simulações, projeto de construção mecânica, construção de um protótipo funcional, montagem de um controlador, programação de uma interface para medição e testes experimentais. A avaliação metrológica do medidor demonstrou uma alta estabilidade a curto prazo, com uma precisão na medição inferior a 1%, colocando-o entre os manómetros de ionização mais estáveis do mercado, medindo num in- tervalo de 6 ordens de grandeza de pressão. A sua precisão na medição de pressões inferiores a 10-9 mbar permanece em aberto e requer futuros testes. Além disso, foi desenvolvido de raiz um ionizador de alta eficiência para explorar os limites da produção de iões. A modelação de fenómenos físicos que afetam a operação da fonte de iões, incluindo a dispersão do feixe de eletrões devido à carga espacial e o efeito do campo magnético, permitiu otimizar uma confi- guração para atingir alta sensibilidade, validada empiricamente após a construção do protó- tipo inicial. Em suma, foram desenvolvidos dois novos instrumentos—um manómetro e uma fonte de iões—desde o seu conceito à validação empírica, que se equiparam ao estado da arte, sendo discutidos nesta extensa dissertação sobre a instrumentação de ionização e a sua enge- nharia e física adjacentes.