ペニングゲージ
ペニングゲージは磁場と電場を直交配置して放電を維持し、生成したイオン電流から圧力を推定するコールドカソード型イオン化真空計である。起動後は微小なイオン電流を対数増幅して表示し、典型的な測定範囲は約10^-2～10^-7 mbar（約1～10^-5 Pa）である。熱陰極を持たないためフィラメント断線が生じず、堅牢でベーク耐性に優れることから、超高真空への移行前の監視や装置の粗引き完了判定などに広く用いられる。一方で開始圧力やガス種依存性、表面状態の影響を理解しないと指示値に系統誤差が残る。用途やプロセスガスに応じて校正係数を設定し、Pa表示の妥当性を担保することが重要である。
原理（ペニング放電）
ペニングゲージは円筒電極間に高電圧を印加し、これと直交する強磁場を与える。電子は磁場によりサイクロイド状に長い飛行経路を取り、中性分子と多重衝突して電離を促進する（E×Bドリフト）。生成イオンは陰極へ引き寄せられてイオン電流を生み、これが管内平均密度、すなわち圧力に比例する。電極材の清浄度や形状は電離効率とスパッタの抑制に影響する。起動時には一定以上の分子密度が必要で、放電の維持にはヒステリシスがある。
測定範囲・校正・表示
- 典型範囲は10^-2～10^-7 mbar（約1～10^-5 Pa）。inverted magnetron型では10^-8～10^-9 mbarに届く機種もある。
- ガス種依存：同一圧力でもHeやH2は電離確率が低く、N2換算表示より低め/高めにズレる。ガス補正係数を用いて補正する。
- 開始圧力：おおむね10^-1～1 Paで着火し、維持はそれ以下でも可能。着火できない場合は粗真空側で待機する。
- トレーサブル校正：基準の熱陰極型（BA）や容量型などと比較し、指示のスケールを合わせる。単位は国際単位系（SI）のPaを基本とする。
特長と利点
- フィラメントレス：断線リスクがなく高い信頼性。放射線場や磁場環境でも比較的強い。
- 構造が堅牢：汚染に強く、ベークアウト温度が高い設計が多い。真空装置の常時モニタに適する。
- 広いダイナミックレンジ：対数アンプにより複数桁の変化を一目で把握できる。
- ポンプダウン監視：拡散ポンプやターボ分子ポンプの立上げインターロックに使いやすい。
限界と注意点
ペニングゲージは着火圧力を要し、プロセスの立上げ直後は表示が不確かである。スパッタやコンタミにより電極表面が変質すると感度が変わるため、定期的なベークや清浄化が有効である。磁場の漏洩は周辺の磁気センサやCRTに影響する可能性がある。高電圧部の安全確保、逆圧の急上昇時に電源を遮断するインターロック、ガス種の補正を行わない読み違いに注意する。He測定では特にズレが大きい。
構造とバリエーション
代表構造はクラシックなPenning配置とinverted magnetron配置である。後者はアノードリングとカソード筒の幾何により電離空間を最適化し、低圧側の感度と起動性を改善する。電極材にはステンレスやNi合金が用いられ、放出ガス低減のため表面仕上げと洗浄が重要である（装置の洗浄（半導体）参照）。
使い方・運用のコツ
- 粗引きで1 Pa程度まで下げ、ピラニ系（熱伝導ゲージ）と連携して着火条件を満たす。
- 着火後はイオン電流の安定を待ち、零点付近のオフセットを確認する。必要ならガス補正を設定する。
- ポンプダウン曲線を記録し、到達圧力やリーク兆候を早期に検知する。異常時は一時停止して汚染源を切り分ける。
- 定期的にベークし、電極の吸着水や炭化水素を除去する。再組立時は油脂を避ける。
関連規格・用語
真空用語はJISやISOで整理されており、圧力表示は国際単位系（SI）のPaが基本である。現場ではmbarやTorrも併記されることが多い。測定系の不確かさは感度係数、ガス補正、零点漂移、表示器の直線性で評価する。
他方式との比較
ペニングゲージは堅牢で保守性に優れる一方、最低圧力の拡張性と精密計量では熱陰極型に劣る。中・粗真空ではピラニ系や隔膜式の方がガス種依存が小さく扱いやすい。工程全体では、粗真空域をピラニで管理し、10^-3 mbar以下はペニングゲージ、さらに低圧はBA等で補完する構成が実務的である。
コメント（β版）