DE1159667B

DE1159667B - Magnetfeldroehre zur Messung niedriger Druecke

Info

Publication number: DE1159667B
Application number: DEN16812A
Authority: DE
Inventors: Paul Aveling Readhead
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1958-06-11
Filing date: 1959-06-04
Publication date: 1963-12-19
Also published as: GB890920A; CH375800A; FR1227040A

Description

Es ist bereits ein Vakuummeter bekannt, welches mit einer Glimmentladung arbeitet und bei welchem zwei leitend miteinander verbundene parallele Scheiben als Kathode verwendet werden, zwischen denen eine die Kraftlinien des Magnetfeldes umschließende, mantelförmig ausgebildete Anode gleichachsig angeordnet ist. Da eine Glimmentladung zu ihrer Aufrechterhaltung einen gewissen Gasdruck erfordert, lassen sich Vakuummeter dieser Art zur Druckmessung nur bis herunter zu 10~^e Torr benutzen.

Es sind auch bereits zur Messung noch niedrigerer Drücke verwendbare Ionisationsmanometer bekannt, bei denen neben Kathode und Anode auch noch eine Ionenauffangelektrode verwendet wird. Der maßgebende Strom ist dabei der auf die Ionenauffangelektrode gelangende Ionenstrom.

Bei einem bekannten Ionisationsmanometer ist zwischen zwei Seitenelektroden eine aus einer Glühkathode, einer Gitterelektrode und einer zylindrischen Mantelelektrode bestehende koaxiale Elektrodenanordnung vorgesehen, die den Entladungsraum einschließt, der durch ein in axialer Richtung verlaufendes Magnetfeld durchsetzt wird. Die Seitenelektroden sind miteinander verbunden und negativ gegen die Glühkathode vorgespannt, während die Gitterelektrode positiv vorgespannt ist und die Mantelelektrode auf Kathodenpotential oder auf einem gegen die Kathode schwach negativen Potential liegt. Die Seitenelektroden bilden dabei die Ionenauffangelektroden.

Es ist auch bereits ein Ionisationsmanometer bekannt, bei welchem die Ionenauffangelektrode konzentrisch innerhalb einer Mantelelektrode angeordnet ist.

Die Nachweisempfindlichkeit eines Ionisationsmanometers hängt von der Größe des auf die Auffängerelektrode gelangenden Ionenstroms ab. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfeldröhre so auszugestalten, daß im Ionisierungsraum eine hinreichende Erzeugung ionisierter bzw. angeregter Gasmoleküle sichergestellt und dafür gesorgt ist, daß die gebildeten Ionen vollständig zur Auffangelektrode gelangen.

Dies wird nun bei einer Magnetfeldröhre zur Messung niedriger Drücke, vorzugsweise im Gebiet extrem hohen Vakuums, bei der eine mantelförmige Anode einen konzentrisch angeordneten Ionenauffänger umgibt und die Ionisierung der in einem Ionisierungsraum vorhandenen Gasmoleküle mit Hilfe einer Kaltkathodenentladung erfolgt, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Ionenauffänger die Mantelanode an beiden Enden überragt Magnetfeldröhre zur Messung
niedriger Drücke

Anmelder:

National Research Council,
Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Licht,

München 2, Sendlinger Str. 55,

und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Juni 1958 (Nr. 741 367)

Paul Aveling Readhead, Ottawa, Ontario (Kanada), ist als Erfinder genannt worden

und im Bereich seiner Enden elektrisch leitfähige Endscheiben trägt, welche den von der Mantelanode umschlossenen Ionisierungsraum wenigstens teilweise abschließen und zusammen mit dem Ionenauffänger eine spulenkörperförmige Ionenauffangelektrode bilden, und daß die Kaltkathodenelektroden in dem Raum zwischen den Rändern der Mantelanode und den Endscheiben der Ionenauffangelektrode angeordnet sind.

Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Magnetfeldröhre ist also der Ionisierungsraum durch mit dem Ionenauffänger verbundene Endscheiben weitgehend abgeschlossen, so daß eine Elektrodenanordnung vorliegt, die günstige Ionisierungsbedingungen erreicht und bei der sämtliche gebildete Ionen zum Strom der Auffängerelektrode beitragen können. Ein besonders wichtiges Kennzeichen der erfindungsgemäßen Anordnung ist in der Lage der Kaltkathodenelektroden zwischen der Auffangelektrode und der Mantelanode zu sehen, weil hierdurch die Feldemission zwischen den Rändern der Mantelanode und dem Ionenauffänger verhindert wird. Dadurch ist es möglich, den Druckmeßbereich gegenüber den bekannten Anordnungen um mehrere Zehnerpotenzen auf einen Bereich zwischen 10~⁹ und 10"¹³ auszudehnen. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird nämlich der zu messende positive Ionenstrom nicht durch einen durch Feldemission hervorgerufe-

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neu Elektronenfluß verfälscht. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion lassen sich erstmalig Drücke im Bereich von 10~¹³ bis 10~¹⁴ Torr reproduzierbar messen.

Die Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine mit einem Ausschnitt versehene perspektivische Ansicht;, einer Elektrodenanordnung nach der Erfindung usd

; Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Elektrodenanordnung nach der Erfindung in Verbindung mit den dazugehörigen Schaltelementen.

Die in den Zeichnungen dargestellte Magnetfeldröhre besitzt einen Kolben 27, in dem zwischen einem Quetschfuß 28 und einer dem Quetschfuß gegenüberliegenden Einstülpung 26 eine Elektrodenanordnung abgestützt ist. Der Kolben 27 ist zwischen den Polschuhen 20 und 21 eines Magneten angeordnet und wird von einem einseitig gerichteten Magnetfeld durchsetzt. Die Anode ist als zylindrische Mantelanode 10 ausgebildet, deren Stirnflächen parallel zueinander und normal zur Zylinderachse liegen. Die Mantelanode 10 ist vorzugsweise durchlöchert oder wird von einem Gitter gebildet, damit die Gase leicht in den abgeschlossenen Ionisierungsraum 22 gelangen können. Die Mantelanode 10 ist so abgestützt, daß die beim Anlegen einer hohen Anodenspannung längs der Halterung auftretenden Kriechströme möglichst klein bleiben. Die Abstützung der Mantelanode 10 erfolgt durch zwei kurze steife Drähte 37 und 38. Der Draht 37 ist in einen Glasvorsprung 42 des Quetschfußes 28 eingeschmolzen und der Draht 38 gegenüber dem Draht 37 in der Einstülpung 26 eingeschmolzen. Der Draht 38 ist aus dem Kolben 27 herausgeführt und dient zum Zuführen der Anodenspannung. Innerhalb der Mantelanode 10 ist gleichachsig ein Ionenauffänger 11 angeordnet, der die Form eines Metallzylinders hat, dessen Durchmesser nur einen Bruchteil des Durchmessers der Mantelanode 10 ausmacht und der mit seinen beiden Enden über die Stirnflächen der Mantelanode 10 hinaussteht. Der Ionenauffänger 11 trägt an seinen beiden Enden Scheiben 12 und 13 aus Metall, deren Ränder leicht abgerundet sind und die von den Stirnflächen der Mantelanode 10 im wesentlichen gleich weit entfernt sind. Die von den Rändern der Endscheiben 12 und 13 gebildeten Flansche sind leicht nach außen gebogen.

Zwischen jeder Stirnfläche der Mantelanode 10 und der gegenüberliegenden Endscheibe 12 bzw. 13 des Ionenauffängers 11 ist eine Kaltkathodenelektrode 14 bzw. 15 angeordnet, die die Form einer Scheibe hat, deren Außenrand als ein abgerundeter Flansch ausgebildet ist. Der Außendurchmesser der Kaltkathoden 15 und 16 ist größer sowohl als der Durchmesser der Mantelanode als auch der Durchmesser der Endscheiben 12 und 13 des Ionenauffängers 11. Die Kaltkathodenelektroden 14 und 15 besitzen Mittelöffnungen 18 und 19, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Mantelanode 10.

Die Endscheiben 12 und 13 des Ionenauffängers 11 sind durch die Kaltkathodenelektroden 14 und 15 von der Mantelanode 10 abgeschirmt. Durch diese Ausbildung ist es möglich, das elektrische Potentialgefälle in dem an die Oberfläche der Endscheiben 12 und 13 des Ionenauffängers 11 grenzenden Raum auf einem sehr niedrigen Wert zu halten. Die Kaltkathodenelektroden 14 und 15 besitzen von den Endscheiben 12 und 13 des Ionenauffängers 11 einen Abstand, der vorzugsweise geringer ist als die radiale Distanz, mit der die Kaltkathodenelektroden 14 und 15 über die Endscheiben 12 und 13 des Ionenauffängers 11 hinausstehen. Der Durchmesser der Mittelöffnungen 18 und 19 der Kaltkathodenelektroden 14 und 15 beträgt ungefähr 80 %> des Durchmessers der Mantelanode 10.

Zwischen den äußeren Rändern der Kaltkathodenelektroden 14 und 15 sind dünne Stützkörper 29 aus Metall od. dgl. befestigt, welche die Kaltkathodenelektroden auseinander halten. Die Kaltkathodenelektroden 14 und 15 werden durch Drähte 30 und 31 abgestützt, die aus dem Quetschfuß 28 herausstehen.

ao Die auswärts gekehrten Flansche der Kaltkathodenelektroden 14 und 15 können sehr dicht an der Innenfläche des Kolbens 27 liegen und stehen vorzugsweise in leitender Verbindung mit einer metallischen Schicht 43, die auf der Innenfläche des Kolas bens 27 wenigstens in der Nähe der Elektroden aufgebracht ist. Aus Federmetall bestehende Laschen 39 sind an die Kaltkathodenelektroden angeschweißt und berühren die geerdete Schicht 43. Die Schicht 43 besteht aus Platin und wird nach irgendeinem bekannten Verfahren aufgebracht.

Der Kolben 27 kann aus Glas oder irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen, muß aber so ausgebildet sein, daß die in der Nähe des Elektrodenaufbaus liegenden Teile des Kolbens 27 für ein Ma-

gnetfeld durchlässig sind. Der Kolben 27 kann mit HiMe des Rohrstutzens 24 an das zu messende oder auszupumpende System angeschlossen werden. Die durch den Kolben hindurchgeführten Zuleitungsdrähte sind beispielsweise reine Wolframdrähte. Für die Elektroden benutzt man vorzugsweise rostfreie Nickelchromlegierungen. Nach dem Zusammenbau

der Elektrodenanordnung wird diese in üblicher Weise entgast und im Vakuum ausgeglüht.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Kaltkathodenelektroden 14 und 15 noch eine Glühfadenelektrode 35 angeordnet. Die aus dünnem Draht bestehende Glühfadenelektrode 35 wird von verhältnismäßig dickeren Drähten 34 und 36 gehalten, die bei-

spielsweise durch Verschweißen an den Kaltkathodenelektroden 14 und 15 befestigt sind. Die Glühfadenelektrode 35 hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,08 mm und ist vorzugsweise in einem Abstand von etwa 0,13 mm vom Ionenauffänger 11 angeordnet.

Am Anfang der Evakuierung des mit dem Rohrstutzen 24 an irgendein System mit Vakuumpumpe angeschlossenen Kolbens 27 wird zwischen den Polschuhen 20 und 21 kein Magnetfeld angewendet.

Man legt mit Hilfe des in Fig. 4 gezeigten Schalters 5 an die Glühfadenelektrode 35 eine Spannung an, die über die Leitung 41 von der Batterie B zugeführt wird. Gleichzeitig bringt man die Mantelanode 10 und die aus dem Ionenfänger 11 und den Endscheiben 12 und 13 bestehende Ionenauffangelektrode auf eine positive Spannung von etwa 100 Volt. Die Heizspannung braucht nur so lange angelegt zu werden, bis sich die Glühfadenelektrode

auf Emissionstemperatur befindet. Bei Drücken von ungefähr 10~⁴ Torr ist der Strom bereits beträchtlich, so daß der Schalter S wieder zurückgelegt und die Kaltkathodenelektrode 15 geerdet werden kann.

Wird die Magnetfeldröhre zur Messung von niedrigen Drücken verwendet, dann werden die Elektroden in der in Fig. 4 gezeigten Weise angeordnet, wobei ein Strommeßgerät zwischen der Ionenauffangelektrode und den Kaltkathodenelektroden liegt. Das sich axial durch die Elektrodenanordnung erstreckende magnetische Feld ist in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet. Die im Ionisierungsraum 22 durch Zusammenstoß von Gasmolekülen mit Elektronen gebildeten positiven Ionen wandern unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zur Ionenauffangelektrode. Der vom Meßgerät 23 gemessene Strom ist proportional zum Druck im Kolben 27. Es hat sich herausgestellt, daß zwischen Druck und Strom im Bereich von etwa 1O^-4 bis 10~¹⁴ Torr eine im wesentlichen lineare Beziehung besteht.

Die Magnetfeldröhre nach der Erfindung kann auch als Pumpe verwendet werden. Bei Verwendung von Helium konnte in einem Falle eine Pumpleistung von etwa 0,151 pro Sekunde bei 10~⁸ Torr und 25° C festgestellt werden.

Durch Verwendung der Glühfadenelektrode 35 läßt sich die Zeit, die erforderlich ist, um im Ionisierungsraum 22 ein Plasma zu erzeugen, wesentlich verringern. Die Glühfadenelektrode 35 wird kurzzeitig auf eine hellorange Temperatur aufgeheizt, wodurch die Ionisierung in Gang gesetzt wird. Das Vorhandensein der Glühfadenelektrode 35 wirkt sich nicht auf die Pumpleistung und Genauigkeit der Magnetfeldröhre aus.

Trotz des hohen Anodenpotentials, das beispielsweise etwa 6 Kilovolt beträgt, wird die untere Nachweisgrenze nicht durch irgendwelche entstehende Röntgenstrahlen beeinflußt. Da der Anodenstrom und daher die Röntgenstrahlenintensität eine lineare Funktion des Druckes ist, trägt die Photoemission der Ionenauffangelektrode kaum zu dem durch die Ionenauffangelektrode fließenden Strom bei.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hatte das von einem Dauermagneten erzeugte Magnetfeld eine Größe von 1200 Gauß, und das Anodenpotential betrug 6 Kilovolt. Der Ionenfänger 11 hatte einen Durchmesser von 3 mm, während die Endscheiben 12 und 13 der Ionenauffangelektrode und die zylindrische Mantelanode 10 einen Durchmesser von 30 mm hatten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Magnetfeldröhre zur Messung niedriger Drücke, vorzugsweise im Gebiet extrem hohen Vakuums, bei der eine mantelförmige Anode einen konzentrisch angeordneten Ionenauffänger umgibt und die Ionisierung der in einem Ionisierungsraum vorhandenen Gasmoleküle mit Hilfe einer Kaltkathodenentladung erfolgt, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ionenauffänger die Mantelanode an beiden Enden überragt und im Bereich seiner Enden elektrisch leitfähige Endscheiben trägt, welche den von der Mantelanode umschlossenen Ionisierungsraum wenigstens teilweise abschließen und zusammen mit dem Ionenauffänger eine spulenkörperförmige Ionenauffangelektrode bilden, und daß die Kaltkathodenelektroden in dem Raum zwischen den Rändern der Mantelanode und den Endscheiben der Ionenauffangelektrode angeordnet sind.
2. Magnetfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheiben der Ionenauffangelektrode einen Durchmesser aufweisen, welcher dem Durchmesser der Mantelanode wenigstens annähernd entspricht.
3. Magnetfeldröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Endscheiben der Ionenauffangelektrode und den Rändern der Mantelanode angeordneten Kaltkathodenelektroden, welche die Randzonen der Mantelanode gegenüber den Randzonen der Endscheiben abschirmen, ringscheibenförmig ausgebildet sind.
4. Magnetfeldröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kaltkathodenelektroden eine an sich als Zündhilfe bekannte Glühfadenelektrode eingeschaltet ist, welche wenigstens mit einem Teilstück in der Nähe des Ionenauffängers Hegt.
5. Magnetfeldröhre nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelanode Durchbrechungen aufweist, welche den Eintritt von Gasmolekülen in den Ionisierungsraum erleichtern.
6. Magnetfeldröhre nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen zur Auffangelektrode und zu den Kaltkathodenelektroden durch einen Quetschfußteil des Isolierstoffgehäuses geführt sind und daß die Zuleitung zur Mantelanode eine von diesem Quetschfußteil entfernte getrennte Wanddurchführung aufweist.
7. Magnetfeldröhre nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheiben und/oder die Kaltkathodenelektroden im Bereich ihrer äußeren Randzonen tellerförmig abgebogen sind, wobei der Krümmungsmittelpunkt auf der von der Mantelanode abgewendeten Seite liegt.
8. Magnetfeldröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltkathodenelektroden als Ringscheiben derart bemessen sind, daß der Durchmesser der inneren Öffnung etwa 80 % des Durchmessers der Mantelanode und der Außendurchmesser etwa 120% des Durchmessers der Mantelanode beträgt.
9. Magnetfeldröhre nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheiben der Auffangelektrode innerhalb des durch die hochgebogenen Randzonen der Kaltkathodenelektroden entstehenden Tellerraumes liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 814628, 861 329;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1013 896, 1002968;

deutsche Patentanmeldung S23166IX/42k (bekanntgemacht am 28. 8.1952);

Philips' Technische Rundschau, Jg. 11, H. 4(1949), S. 116 bis 123;

Jaeckel, Kleinste Drücke, ihre Messung und Erzeugung, Springer, 1950, S. 73.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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