DE1972721U - Messgeraet fuer sehr niedrige druecke. - Google Patents

Description

dr. MÜLLER-BORE dipl.-ing. GRAli^l

DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL PATENTANWÄLTE

G 12 34-3/42Ic Gbm 31. August 1967

GSF Compagnie Generale de Yi/QrI - C 534

Telegraphie Sans

Messgerät für sehr niedrige Drücke

Die Neuerung betrifft ein in der Vakuumtechnik zur Messung von Drücken verwendetes Messgerät. Sie betrifft in Sonderheit ein Messgerät der Ionisationsart, insbesondere ein solches, das mit heisser Kathode arbeitet.

Das klassische Ionisations-Messgerät mit heisser Kathode besteht aus einer Röhre, in der eine Glühkathode (Wolframdraht) Elektronen gegen ein zylindrisch geformtes positives Gitter (Sammelelektrode) aussendet, hinter dem sich eine ebenfalls zylindrische negative Elektrode befindet, wobei der Dr&ht in der Achse der Röhre angeordnet ist.

Wenn das Gas, dessen Druck man messen will, in das Messgerät eintritt, wird es durch Zusammenstp-össe mit den Elektronen ionisiert. Die auf diese Weise entstandenen positiven Ionen werden von der negativen Elektrode (Ionen-Sammelelektrode) aufgefangen. Der Strom an der Ionen-Sammelelektrode ermöglicht also die Messung des Druckes des Gases.

BRAUNSCHWEiG. AH BÜRGERPARK 8 ® (OS3I) 2 84 87 8 MÜNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STR. 1 1? lOBHI 22 61 !O Form. 20 3000 6 67

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Die Verwendung dieser Art von Messgerät findet ihre Grenze bei

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niedrigen Drücken von etwa -10 Torr wegen des Eeststromes. Dieser ist unabhängig von dem Druck und rührt von einer andauernden photoelektrischen Emission her. Die photoelektrische Emission entsteht auf der Ionen-Sammelelektrode einaseits in geringem Maße aufgrund des Leuchtens der Kathode und andererseits in wesentlich grösserem Maße aufgrund von weichen Röntgenstrahlen, die auf dem Gitter durch die mit einer Energie von etwa 150 Elektronen-Volt auftreffenden Elektronen erzeugt werden.

Der Reststrom wird beträchtlich in dem bekannten "Bayard-Alpert"-Messgerät vermindert (bis auf etwa 1 %). In diesem Messgerät besteht die in der Röhrenachse befindliche Ionen-Sammelelektrode aus einem Draht und bietet den auffallenden Röntgen- und Lichtstrahlen eine stark verminderte Oberfläche dar.

Falls man eine grössere Messempfindlichkeit wünscht, als sie durch die Messgeräte von der Art "Bayard-Alpert" erreicht wird, verwendet man allgemein das Messgerät von der sogenannten "Magnetron"-Art. Dieses Messgerät hat einen ähnlichen Aufbau swie die Magnetron-Röhren. Die Anode und Kathode sind koaxiale Zylinder. Ein Dauermagnet liefert ein zur Achse der Elektronen paralleles magnetisches Feld, so dass die Elektronen dort lange Wege in dem Ringraum zwischen der Kathode und Anode zurücklegen. Die Vergrösserung der Bahnlänge der Elektronen hat eine Vergrösserung der Zahl der Zusammenstösse- mit den Gasteilchen zur Folge,

so dass bei gegebenem Gasdruck der Ionisations-Grad in bedeutendem Maße erhöht wird.

Das Magnetron-Messgerät weist jedoch gewisse Nachteile auf, deren wichtigste folgende sind:

1. Der verwendete Elektronenstrom darf nicht den der Auslösung von Schwingungen entsprechenden Wert überschreiten, da die Schwingungen die Arbeitsweise des Gerätes stören und die Messungen unmöglich machen würden. Daraus folgt, dass die zulässigen Elektronenströme im allgemeinen sehr gering sind. Ebenso verhält es sich mit den Strömen an der Ionen-Sammelelektrode, weswegen Gleichstromverstärker für die Messung verwendet werden müssen.

2. Die Stärke des zu erzieugenden magnetischen Feldes ist verhältnismässig gross, was ziemlich schwere und raumaufwendige Magnete erfordert.

Die Erfindung hat den Aufbau eines Ionen-Messgerätes zum Ziel, bei dem die Möglichkeit einer photoelektrischen Emission auf der Ionen-Sammelelektrode und gleichzeitig die erwähnten Nachteile der Magnetron-Messgeräte beseitigt sind.

Bei dem Messgerät gemäss der Heuerung sind die von einer Kathode ausgesandten Elektronen der kombinierten Wirkung eines gekreuzten elektrischen und magnetischen leides ausgesetzt. Dabei sind eine

bezüglich der Kathode positive Sammelelektrode zum Auffangen der Elektronen und eine negative Sammelelektrode zum Auffangen der durch Zusammenstösse zwischen Elektronen und. Gasmolekülen gebildeten Ionen vorgesehen, deren Druck man messen will. Die Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathode und Sammelelektrode nahe den gegenüberliegenden Enden eines geradlinigen oder gekrümmten Raumes angeordnet sind, der durch die Ionen-Sammelelektrode und eine dieser Sammelelektrode parallel angeordnete Elektrode begrenzt ist, wobei die Elektrode auf dasselbe oder im wesentlichen dasselbe Potential wie die Elektronen-Sammelelektrode gebracht ist, dass die Stärke der beiden gekreuzten Felder so gewählt ist, dass sich beim Betrieb die Elektronen in dem Raum auf zykloiden Bahnen ausbreiten, bevor sie die Elektronen-Sammelelektrode erreichen, und dass die Elemente so angeordnet sind, dass sich die Ionen-Sammelelektrode im wesentlichen ausser Reichweite des von der Kathode ausgesandten Lichtes sowie jeder Strahlung, z.B. Röntgenstrahlen, befindet, die an der Oberfläche der Elektronen-Sammelelektrode auftreten kann.

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. In dieser zeigen:

3?ig„1 ein Messgerät in geradliniger !Form im Schnitt und die

!"ig. 2 Messgeräte mit zylindrischer Form im Schnitt, und 3

In allen Figuren sind die gleichen oder gleichwertigen Elemente

mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Pig.1 ist das im Innern eines Behälters befindliche Messgerät im Schnitt dargestellt, wobei der Behälter schematisch durch das gestrichelte Rechteck 1 angedeutet ist.

Nahe einem Ende des Behälters enthält das Messgerät eine aus einem Wolframdraht 2 bestehende Glühkathode, wobei der Wolframdraht an einem Ende mit einer Abschirmelektrode 3 verbunden ist, die ihn von drei Seiten umgibt. Am anderen Ende des Behälters befindet sich eine Elektronen-Sammelelektrode 4, die mit einer an ihren beiden Enden gebogenen Elektrode 5 in Verbindung steht.

Parallel zum geradlinigen Teil der Elektrode 5 erstreckt sich eine Elektrode 6. Zwischen der Elektrode 6 und der Elektronen-Sammelelektrode 4 befindet sich eine Elektrode 7» die im Innern des Behälters mit der Elektrode 3 verbunden ist, während zwischen der Elektrode 3 und dem ihr gegenüberliegenden, gebogenen Teil der Elektrode 5 eine Anode 8 angebracht ist.

Eine Heizquelle S. ist an die Klemmen des Drahtes 2 angeschlossen. Eine Spannungsquelle Sp ermöglicht eine geeignete Festlegung der Potentiale der verschiedenen Elektroden bezüglich der Kathode 2. Wie ersichtlich, ist die Elektrode 6 mit dem negativen Pol der Quelle Sp durch ein Mikroamperemeter /uA verbunden.

Die Samuel elektrode 4- ist positiv bezüglich der Kathode 2. Die Anode 8 ist etwas weniger positiv als die Sammelelektrode 4-,

Ein nicht dargestellter Magnet oder Elektromagnet liefert ein durch das Kreuz B "bezeichnetes, zur Figuren ebene senkrecht verlaufendes magnetisches leid.

Im Betrieb treten die von dem Draht 2 ausgesendeten Elektronen in den Raum zwischen den Elektroden 5 un<3- 6 ein, wo sie zum einen der Wirkung eines auf der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden und 6 beruhenden elektrostatischen Feldes und zum anderen dem rechtwinklig zum elektrostatischen Feldes und zum anderen dem recht winklig zum elektrostatischen Feld verlaufenden magnetischen Feld B ausgesetzt sind. Das Verhältnis der "beiden Feldstärken wird so gewählt, dass sich die Elektronen in dem "betrachteten Eaum auf zykloiden Bahnen bewegen, bevor sie am Ausgang des Raumes durch die auf positives Potential gebrachte Sammelelektrode 4 aufgefangen werden. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind ah der Stelle einige zykloide Schleifen eingezeichnet, die sich in Wirlichkeit längs der ganzen Bahn 10 erstrecken.

Das in das Messgerät eingebrachte Gas, dessen Druck man messen will, wird in dem von den Elektronen durchquerten Raum ionisiert. Da die Ionen wegen ihrer grossen Masse von dem Magnetfeld praktisch nicht beeinflusst werden, fallen sie unmittelbar auf die

negative Elektrode 6, die folglich als eine Ionen-Sammelelektrode wirkt. Der Gasdruck wird also durch die auf dem Messgerät /UiL abgelesene Stärke des Ionenstromes dargestellt.

Wie ersichtlich, kann in der beschriebenen Anordnung, die in gewisser Weise den Wanderfeldröhren mit gekreuzten Feldern ("TPOM") ähnelt, die Ionen-Sammelelektrode 6 des Messgerätes in keiner Weise weder von dem Licht des Heizdrahtes 2 noch von einem Bruchteil von Strahlungen,wie beispielsweise Röntgenstrahlen, erreicht werden, die an der Oberfläche der El ektro nens amme 1 elektrode 4-auftreten können»

Die grosse Länge der zykloiden Bahnen bewirkt ein häufiges Zusammentreffen zwischen Elektronen und Gasmolekülen; der so erhaltene Ionisationsgrad ist sehr hoch. Es ist dabei von Bedeutung, Anordnungen zu wählen, die den zykloiden Schleifen den grösstmöglichen Durchmesser in dem Raum zwischen den parallelen Elektroden 5 und 6 gewähren.

Die verwendeten Elektronenströme sind stärker als die Höchstwerte , die wegen der erforderlichen Vermeidung von Schwingungen bei den Magnetron-Messgeräten angewendet werden können. Die Ströme auf der Ionen-Sammelelektrode haben unter diesen Bedingungen wesentlich höhere Werte als in den Magnetron-Messgeräten.

Ausserdem ist das für den Betrieb des Messgerätes gemäss der

Erfindung erforderliche Magnetfeld im Yerhältnis zu den für die Magnetron-Messgeräte notwendigen Feldern wesentlich kleiner. Das bedeutet eine beträchtliche Verminderung des Gewichts und Raumbedarfs der Magnete. Die Vorteile der geradlinigen Ausführung gemäß Fig.1 finden sich in den nach dem gleichen Prinzip gebauten zylindrischen Messgeräten gemäss I¹Xg. 2 und 3 wieder.

In Fig.2 ist ein zylindrischer Behälter 1 gestrichelt dargestellt, in dessen Innerem die Meßvorrichtung folgende wie in Fig.1 arbeitende Elemente enthält: Die Kathode 2, die Abschirmelektrode 3, die Elektronen-Sammelelektrode 4-, die beiden parallelen Elektroden 5 und 6 und die der Sammelelektrode 4- gegenüberliegenden Elektrode 7· Diese Abwandlung enthält ausserdem eine zusätzliche Elektrode 11, die auf dasselbe Potential wie die Elektrode 7 gebracht ist.

In Fig.2 ist der Aussenzylinder 5 bezüglich des Innenzylinders mit den Elektroden 6 und 7 positiv. Diese Anordnung ist umgekehrt in der Abwandlung gemäss Fig.3, in welcher die Aussenelektrode 6 negativ und der Innenzylinder 5 positiv ist. Die Richtung des elektrostatischen Feldes zwischen den parallelen Elektroden 5 tuad 6 ist also hier umgekehrt bezüglich Fig.2. Daher ist auch die Eichtung des Magnetfeldes umgekehrt, die an der Steli B in Fig.2 durch ein Kreuz und in Fig.3 durch einen Punkt dargestellt ist (in Fig.2 läuft das Feld in der Zeichenebene von vorn nach hinten und in Fig.3 von hinten nach vorn).

- Schutzansprüche -

Claims (4)

dr. MÜLLER-BORS dipl.-ing. GRALFS DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL PATENTANWÄLTE C 12 5W42k Gbm 51. August 1967 CSF Compagnie Generale de M/Gl - 0 534- Telegraphie Sans FiI Schut zansprüche

1. Ionisationsmessgerät zur Messung sehr niedriger Drücke mit einer Kathode, die Elektronen in einen Raum zwischen zwei parallelen Elektroden aussendet, wo diese der kombinierten Wirkung eines elektrischen und eines mit diesem gekreuzten magnetischen Feldes ausgesetzt sind, einer "bezüglich der Kathode positiven Sammelelektrode zum Einfangen der Elektronen, wobei die eine der beiden parallelen Elektroden als negative Sammelelektrode zum Einfangen der Ionen verwendet ist, die durch Zusammenstoßse zwischen Elektronen und Molekülen des Gases, dessen Druck gemessen werden soll, entstanden sind, und wobei die Sammelelektrode sich im wesentlichen ausserhalb der Reichweite des von der Kathode ausgesandten Lichtes und der von der Sammelelektrode ausgesandten Strahlungen befindet, dadurch gekennzeichnet , dass die andere der beiden parallelen Elektroden wenigstens annähernd auf dem Potential der Sammelelektrode (4-) gehalten wird und dass die Intensitäten der beiden gekreuzten Felder derart gewählt sind, dass im Betrieb die Elektronen sich in dem Raum zwischen den Elektroden (5?6) entlang Trochoidenbahnen ausbreiten, bevor sie die Sammelelektrode (4-) erreichen.

BRAUNSCHWEIG. AM BÜRGERPARK β 'S" 1OS3I) 2 84 87 β MÜNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STR. 1 'S? lOalll 22 51 IO

Form. 20 3000 6 67

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2. Messgerät nach. Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Elektroden (5j6) geradlinig ist und dass die Elektrode (5) zwei gekrümmte Enden aufweist.

3. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Elektroden (5,6) konzentrisch ist.

4. Messgerät nach Anspruch 3_} dadurch gekennz eich-

n e t j dass die Sammelelektrode (6) sich im Innern des Systems befindet.

Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (5) sich im Innern des Systems "befindet»