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Ionisationsmanometerröhre nach Bayard-Alpert
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionisationsmanometerröhre nach
Bayard-Alpert mit etwa zylinderförmiger Anode, seitlich davon angeordneter Glühkatode
und innerhalb der Anode befindlichem Ionenfänger. Ionisationsmanometerröhren dieser
Art werden bei Druckmessungen im Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuumgebiet eingesetzt.
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Bisher bekannte Ionisationsmanometerröhren nach Bayard-Alpert weisen
eine aus Gittermaterial bestehende zylinderförmige Anode auf. Ein derartiges elektrisch
offenes System ist deshalb empfindlich gegenüber elektrostatischen Feldern. Solche
Felder gehen z.B. von Oberflächenladungen auf der Innenwand des Röhrenkolbens aus
und beeinflussen im Wege des Durchgriffs den Ionen-Strom. Bei konstantem Druck werden
bisweilen Ionenstromänderungen bis 300 % beobachtet.
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Als Ionenfänger dient bei vorbekannten Ionisationsmanometerröhren
nach Bayard-Alpert ein in der Achse der zylindrischen Anode angeordneter Draht,
der zur Unterdrückung des bremsstrahlungsinduzierten Photoelektronenstromes möglichst
dünn sein muß. Hier gibt es jedoch eine Grenze. Je dünner der lonenfänger, desto
mehr Ionen werden wegen der thermischen Bewegung der Gas teilchen den Ionenfänger
verfehlen. Ihre Ionenbahnen zeigen die bekannte Periheldrehung. Es bildet sich eine
Raumladung, die die Röhrencharakteristik verändert (G. Comsa, J. Vac. Sci. Technol.
9 (1972 117). Auch Ionen-Molekülreaktionen an den Elektroden und an der Röhrenwand
wirken negativ auf die Röhrencharakteristik.
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Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Ionisationsmanometerröhre
nach Bayard-Alpert derart zu verändern, daX die geschilderten Probleme nicht mehr
bestehen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen enthaltenen
Maßnahmen vorgeschlagen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen,
daß die Anode als weitgehend geschlossener Hohlzylinder ausgebildet ist, der auf
seiner der Katode zugewandten Seite eine mit einem Gitter versehene Öffnung für
den Durchtritt der Elektronen aufweist. Dadurch ist der Ionisierungsraum elektrisch
nahezu völlig abgeschirmt, so daß ein rauscharmes Signal und eine äußerst exakte
Druckproportionalität sichergestellt sind.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Ionisationsmanometerröhre
besteht darin, daß das Gitter und der Anodenzylinder voneinander isolierte Bauteile
sind, die jedoch vorzugsweise auf gleichem Potential, d.h. dem Anodenpotential,
liegen. Eine solche Maßnahme erlaubt die Trennung von Gitter- und Ionisierungsstrom.
Alle vorbekannten Ionisationsmanometerröhren haben den Nachteil einer fließenden
Verteilung des Emissionsstromes I auf Gitterstrom 1g und Ionisierungsstrom Ia, wobei
gilt: g +1 a g Eine wesentliche Ursache für diese fließende Verteilung ist zunächst,
daß die Geometrie vorbekannter Anordnungen wegen der hohen Katodentemperatur zeitlich
nicht stabil ist. Hinzu kommt eine zeitlich veränderliche und längs der Katode gesehen
örtlich verschiedene Elektronenemissionsdichte, die zusätzlich beeinflußt wird durch
den Gasdruck und die Gasart. Der Gitterstrom Ig' der zum Ionenhaushalt keinen Beitrag
leistet, kann deshalb z.B. bei einem Gitter mit einer optischen Transparenz von
93 % zwischen 10 und 30 % des Emissionsstromes I schwanken.
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Durch die Trennung von Gitter und Anode ist es möglich, den Ionisierungsstrom
unabhängig vom Gitterstrom zu registrieren, um dadurch das Verhältnis Ionenstrom/Ionisierungsstrom
fehlerfrei messen zu können. Der Betrag dieses Verhältnisses, das z.B. mit Hilfe
eines elektronischen Dividierers bestimmt wird, ist exakt dem Druck proportional,
so daß eine bisher nicht erreichte Druckproportionalität erzielt wird.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen,
daß der Kollektor bzw. Ionenfänger nicht aus einem dünnen Draht, sondern aus einem
Profil besteht. Zweckmäßig ist sr -als im Querschnitt V-förmig gestaltete Folie
ausgebildet, die so angeordnet und befestigt ist, daß die Spitze des Vsin die Richtung
der Katode weist. Damit wird erreicht, daß die offene Seite der V-förmig gestalteten
Folie der Richtung zugewandt ist, aus der die Hauptintensität der Bremsstrahung
kommt. Die weiche Röntgenstrahlung trifft deshalb überwiegend den Hohlraum des V-förmig
gestalteten Kollektors. Dort ausgelöste Photoelektronen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit
reabsorbiert. Das hat einen besonders kleinen Röntgenstrom trotz des relativ breiten
Kollektors zur Folge, der vorteilhaft alle Ionen sammelt, also Raumladungen abbauen
hilft. Die zylinderförmige Anode (unabhängig von geschlossener oder offener Bauweise)
und der V-förmige Kollektor zusammen bewirken bereits eine Erweiterung des Linearitätsbereiches
bis ins Feinvakuumgebiet. Die elektrostatisch geschlossene Bauweise der Ionisationsmanometerröhre
senkt darüber hinaus die Ionenpumpgeschwindigkeit sehr stark. Der Röhrenfaktor (Empfindlichkeit)
entspricht Werten, die für Röhren gleicher Abmessungen, aber mit gitterförmiger,
zylindrischer Anode, charakteristisch sind.
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Die Oberfläche aller Elektroden (außer der Katode) tragen vorteilhafterweise
eine dichte Plattierung aus Feingold oder einem ähnlich geeigneten Material. Die
Anode steht in gut wärmeleitender Verbindung mit einem oder mehreren elektrischen
Widerstandsheizelementen
und kann daher auch während der Messung
zur Vermeidung von Gasadsorption auf mäßig hoher Temperatur gehalten werden. Die
Feingoldauflage auf den permanent geheizten Elektroden verleiht also der Ionisationsmanometerröhre
inerten Charakter gegenüber dem Gashaushalt des angeschlossenen Rezipienten.
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Eine weitere Störguelle in Ionisationsmanometern geht vom sogenannten
Barkhausen-Kurz-Effekt aus, also von Raumladungsschwingungen im Ionisierungsraum.
Durch dabei entstehende starke Raumladungswechselfelder werden Ladungsträger zum
Teil bis auf den Ionenkollektor beschleunigt und verfälschen den Ionenstrom. Durch
den Einbau eines Drahtbügels als Kurzschlußschleife auf der Zylinderinnenwand werden
die Raumladungsschwingungen bis zur Wirkungslosigkeit gedämpft.
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Für Ionisationsmanometer wird überwiegend die ThO2-beschichtete Iridiumkatode
verwendet. Sie ist wenig störanfällig, gibt jedoch vor allem nach dem Belüften "reichlich"
Sauerstoff ab, bis ein unterstöchiometrisches Thoriumoxid ausreichend elektrisch
leitfähig ist und gut emittiert. Die Arbeitstemperatur der Katode ist mit ca. 1400
K hoch. Sie kann durch Anwendung eines Mischoxids aus Thorium- und Europiumoxid
gesenkt werden. Die Erniedrigung der Heizernergie um ca. 25 % (gegenüber reinem
Thoriumoxid) wird begleitet von geringerer Sauerstoffabgabe.
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Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren
1 und 2 erläutert werden.
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Die Figuren zeigen einen Quer- bzw. einen Längsschnitt durch eine
Ionisationsmanometerröhre nach der Erfindung normal zur Achse der zylinderförmigen
Anode 1. Die Anode 1 ist als Hohlzylinder mit - bis auf die öffnung*11 für den Durchtritt
der
Elektronen - geschlossener Wandung ausgebildet. Zwischen der
öffnung 11 in der Anode 1 und der Katode 3 mit dem Katodenschirm 4 steht als unabhängiges
Bauteil das Gitter 2. Der Anodenzylinder 1 trägt an seinen Enden je ein Deckblech
7, das etwa die Größe eines in den Querschnitt des Anodenzylinders einbeschriebenen
Quadrates hat. Durch eine Öffnung im Deckblech 7 ragt der lonenfänger bzw. Kollektor
6 axial in den Anodenraum.
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Die Widerstandsheizelemente 5 (nur in Figur 1 sichtbar) - zugleich
Widerstandsthermometer - sind gut wärmeleitend mit der Anode verbunden.
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Der "Elektronenstrahl" hat von der Katode 3 bis vor dem Ionenfänger
6 angenähert die Querschnittsform eines schmalen Rechtecks. Er spaltet sich vor
dem Kollektor 6 in zwei Teile auf und trifft auf die Anode 1 in den Bereichen 8.
Nur ein kleiner Bruchteil der Elektronen wird am Ionenfänger 6 selbst diffus reflektiert.
Die im wesentlichen in den Bereichen 8 entstehende weiche Röntgenstrahlung trifft
den Ionenfänger 6 im Bereich seiner offenen Seite, so daß entstehende Photoelektronen
im wesentlichen reabsorbiert werden.
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Mit 9 ist ein Röhrenkolben bezeichnet (nur in Figur 1 dargestellt),
in dem sich die Elektroden befinden. Bei Eintauchsystemen kann ein solcher Röhrenkolben
entfallen.
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An der Innenseite der zylinderförmigen Anode 1 istlder Kurzschlußbügel
10 befestigt. Er hat z.B. die Form eines aus Draht geformten Rechtecks, das mit
seiner langen Saite parallel zum Ionensammler angeordnet ist. Die kurZen Seiten
zeigen von der Zylinderinnenwand ausgehend in Richtung Zylinderachse. Dieser Kurzschlußbügel
steht vorzugsweiseim Elektronen-Schatten des Ionenfängers 6.
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Figur 2 zeigt außerdem noch schematisch Meß- und Versorgungseinrichtungen
für die einzelnen Elektroden. Mit 12 ist der Heizstromkreis zur Versorgung der Glühkatode
3 mit Heizstrom bezeichnet. Mit Hilfe der Spannungsquelle 13 kann die Katode auf
ein bestimmtes gewünschtes Potential, bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
30 V, gelegt werden. Durch die beiden gleich großen Widerstände 14 und 15 ist eine
symmetrische Verteilung dieses Potentials auf der von einer Drahtschleife gebildeten
Glühkatode 3 sichergestellt. Mit Hilfe des Strommeßgerätes 16 kann der Emissionsstrom
gemessen werden. Mit Hilfe der Spannungsquelle 20 kann der Katodenschirm auf ein
bestimmtes gewünschtes Potential, bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel -
15 V, gelegt werden.
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Die Anode 1 und das Gitter 2 sind über Strommeßinstrumente 17 und
18 mit der Spannungsquelle 19 verbunden. Die Spannungsquelle 19 erzeugt das Anodenpotential,
z.B. 115 V. Dadurch, daß Anode 1 und Gitter 2 als unabhängige Bauteile ausgebildet
und jeweils mit einem Strommeßgerät verbunden sipd, können Gitter- und Anodenstrom
unabhängig voneinander registriert werden. Die entstehenden Ionen werden vom Ionenfänger
6 gesammelt. Mit Hilfe des Strommeßgerätes 21 wird der Ionenstrom registriert.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die mit Hilfe de Instrumente
17 und 21 erhaltenen Werte einer Dividierstufe 22 zugeführt. Dort wird das Verhältnis
von Ionenstrom zu Ionisierungs- bzw. Anodenstrom gebildet, das in weiten Bereichen
exakt proportional zum. Druck..ist.