DE1279966B - Ionisationsmanometer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIl

Deutsche KL: 42 k-12/04

Nummer: 1279 966

Aktenzeichen: P 12 79 966.5-52 (G 36 113)

Anmeldetag: 10. Oktober 1962

Auslegetag: 10. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Ionisationsmanometer zum Messen äußerst kleiner Drücke, bestehend aus einer evakuierten Hülle, in der außer einer Ionisierungseinrichtung eine Beschleunigungselektrode und eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen sind, mit denen die Ionen zu einem Strahl zusammengefaßt und etwa parallel zur Hauptachse der Hülle mit Richtung auf eine Auffängerelektrode beschleunig! werden.

Zur Messung von äußerst kleinen Drücken werden heute ausnahmslos Ionisationsmanometer verwendet, die eine Glühkatode zur Erzeugung von Elektronen enthalten, welche durch Stoßionisation mit den wenigen, im Hochvakuum befindlichen Gasmolekülen Ionen bilden, die mit einer Auffängerelektrode gesammelt werden. Bei niedrigen Drücken ist die Wahrscheinlichkeit für einen ionisierenden Stoß proportional zur Anzahl der vorhandenen Gasmoleküle, so daß der die Auffängerelektrode erreichende Ionenstrom ein genaues Maß für den Gasdruck ist.

Die Grenze des Meßbereichs zu niedrigen Drücken hin ist zu einem beträchtlichen Anteil durch Photoelektronen festgelegt, die durch weiche Röntgenstrahlen aus der Auffängerelektrode herausgeschlagen werden. Die Röntgenstrahlung entsteht durch Elektronen, die auf die Anode prallen. Da der mittels der Auffängerelektrode gemessene Strom die Summe der auf sie auftreffenden positiven Ionen und der von ihr abgelösten, von der Anode gesammelten Elektronen ist, und da ferner das an die Auffängerelektrode angeschlossene Meßgerät nicht unterscheiden kann, ob der gemessene Strom durch auftreffende Ionen oder durch abgelöste Elektronen entsteht, besteht beim Bau von Ionisationsmanometern das Hauptbestreben darin, das Verhältnis von Ionenstrom zu Photoelektronenstrom so stark zu erhöhen, daß der Photoelektronenstrom vernachlässigt werden kann.

Bei einem bekannten Ionisationsmanometer der beschriebenen Art hat man beispielsweise die Ionenauffängerelektrode in zwei Teile geteilt. Der eine Teil besteht aus einer die Hauptachse der Hülle koaxial umgebenden Zylinderelektrode, die so lange zum Messen des Ionenstroms verwendet wird, wie der Photoelektronenstrom gegenüber dem Ionenstrom vernachlässigbar ist. Der zweite Teil der Auffängerelektrode besteht aus einer hinter der Zylinderelektrode in der Hauptachse angeordneten Haarnadelelektrode. Da diese einerseist von der die Röntgenstrahlung emittierenden Anode relativ weit beabstandet ist und außerdem eine sehr kleine Oberfläche aufweist, trifft auf sie nur ein verschwindend kleiner Anteil der emittierten Röntgenstrahlung, so daß mit ihr auch Ionisationsmanometer

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

James Martin Lafferty, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Oktober 1961
(144453)

dann noch brauchbare Meßergebnisse erzielt werden können, wenn mit der Zylinderelektrode eine Unterscheidung zwischen Ionenstrom und Fotoelektronenstrom nicht mehr möglich ist. Bei diesem bekannten Manometer kann außerdem die Zylinderelektrode als Fokussierungselektrode verwendet werden, so daß trotz ihrer kleinen Fläche ein großer Teil der erzeugten Ionen auf die Haarnadelelektrode trifft. Mit einem solchen Ionisationsmanometer können Drücke bis herab zu etwa 10-¹¹ToIT gemessen werden.

Eine weitere wesentliche Ausdehnung des Meßbereichs von Ionisationsmanometern zu kleinen Drücken hin wurde dadurch erzielt, daß man einen magnetronartigen Aufbau wählte. Das wichtigste Kennzeichnen eines solchen Aufbaus besteht darin, daß die Glühelektrode von einer zylindrischen Anode und diese von einem Magneten umgeben ist, mit dem ein Magnetfeld in Richtung der Achse des Anodenzylinders erzeugt wird. Durch geeignete Wahl

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der Magnetfeldstärke und der Potentiale an den ver- vollständig von der Eingangselektrode abgehalten schiedenen Elektroden wird ein solches Manometer werden. In diesem Fall trifft auf die Eingangselekjenseits des sogenannten »Sperrbereiches« betrieben, trode nur ein vernachlässigbarer Anteil der Röntgend. h. in einem Bereich, bei dem die von der Glüh- streustrahlung.

katode emittierten Elektronen den Anodenzylinder 5 Um schließlich noch zu vermeiden, daß durch die nicht mehr erreichen. Hierdurch ergibt sich eine von der Glühelektrode emittierten Lichtquanten optimale Weglänge für die Elektroden im Ionisie- Photoelektronen gebildet werden, wird die Glührungsraum des Manometers und ein bisher optimales katode bevorzugt aus einem Bor-Lanthan-Heizfaden Verhältnis von Ionenstrom zu Photoelektronenstrom. gebildet, der bei äußerst geringen Temperaturen be-Mit derartigen Ionisationsmanometern können io trieben werden kann.

Drücke bis herab zu 10~¹³ Torr gemessen werden. Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung

Eine weitere Ausdehnung des Meßbereichs schien mit der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel bisher unmöglich, da es einerseits außerordentlich beschrieben.

schwierig ist, die bei derartig kleinen Drücken ent- Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsstehenden Ionenstföme zu messen, und da anderer- 15 beispiel;

seits bei kleineren Drücken der Einfluß des Photo- Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Ionenoptik des

elektronenstroms nicht mehr vernaehlässigbar ist. Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Fig. 3 und 4 sind Schnitte durch weitere Ausführ

den Meßbereich der bekannten Ionisationsmanometer rungsbeispiele; in der nach kleinen Drücken hin weiter auszudehnen und 20 F i g. 5 sind, die Meßbereiche eines bekannten insbesondere Ionisationsmanometer zu schaffen, mit Ionisationsmanometers mit dem Ausführungsbeispiel denen Drücke unterhalb von 10~¹³ Torr gemessen nach der F i g. 1 verglichen.

werden können. Die Fig. 1 zeigt eine Meßröhre mit einer evaku-

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Ioni- ierbaren Hülle 1, die aus Glas oder aus einem sationsmanometer besteht dazu die Erfindung darin, 25 anderen Material bestehen kann und an beiden daß im Brennpunkt des Strahls der beschleunigten Enden jeweils einen Quetschfuß 2 hat. Eine Ionen-Ionen als Auffängerelektrode die sekundäremittie- abbildungsvorrichtung3, die im einzelnen in Fig. 2 rende Eingangselektrode eines Elektronenverviel- gezeigt ist und eine lonenerzeugungseinrichtung 4 fachers angeordnet ist. sowie eine Beschleunigungs- und Fokussierungs^

Die Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die 30 einrichtung 5 enthält, ist an einem Ende der Hülle 1 Sekundäremission die Zahl der auf die Elektrode montiert. Eine Ionenauffangvorrichtung 6 mit einer auftreffenden Ionen scheinbar multipliziert wird, Ausgangselektrode 7 und mindestens einer Sekunwährend die Zahl der erzeugten Photoelektronen därelektronen emittierenden Eingangselektrode 8 konstant bleibt, so daß einerseits der zu messende ist an dem entgegengesetzten Ende der Hülle be-Gesamtstrom und andererseits das Verhältnis von 35 festigt. Die Ionenauffangvorrichtung befindet sich Ionenstrom zu Photoelektronenstrom vergrößert wird. bezüglich der Ionenabbildungsvorrichtung mit der Mit dem vorgeschlagenen Manometer können Hülle 1 in einer solchen Lage, daß sichergestellt ist, Drücke bis herab zu ΙΟ"¹⁵ Torr gemessen werden. daß die Elektrode 8 und der Brennpunkt des abge-

Bevorzugt geht man beim Bau eines solchen Ioni- bildeten Ionenstrahls zusammenfallen, sationsmanometers von einem magnetronartigen Auf- 40 Um die Beschreibung klarer zu halten und zu verbau aus, wobei die Ionisierungseinrichtung einen einfachen, soll die Elektrode 8 in der gesamten Be-Anodenzylinder, eine mit diesem koaxiale Glühelek- Schreibung als die erste Dynode bezeichnet werden, trode und eine Abschirmelektrode für die Elektronen Dieser Ausdruck »erste Dynode« soll sowohl die enthält, die dicht an dem dem Elektronenverviel- erste Dynode eines Elektronenvervielfacher enthalfacher entgegengesetzten Ende des Anodenzylinders 45 ten, der eine Anzahl von Dynoden hat, als auch die angeordnet ist. Die Beschleunigungselektrode an dem Sekundäremissionselektrode einer Ionenauff angdem Elektronenvervielfacher zugewandten Ende der vorrichtung, die nur eine einzige solche Elektrode Ionisierungseinrichtung besteht vorzugsweise aus besitzt.

einer Netzelektrode oder einer Lochblende. Die Ionenerzeugungsvorrichtung 4 ist vom Ma-

Die Fokussierangseinrichtung besteht vorzugsweise so gnetrontyp und enthält einen Anodenzylinder 9, eine aus zwei mit der Hauptachse der Hülle koaxialen, Glühkatode 10, die axial in dem Anodenzylinder bezwischen der Ionisierungseinrichtung und dem Elek- festigt ist, und eine Elektronenabschirmungselektrode tronenvervielfacher mit vorgewählten Abständen an- 11, die in der Nähe des einen Endes des Anodengeordneten Zylinderlinsen. Durch die Fokussierang Zylinders liegt. Die Katode 10 kann wie üblich ein wird erreicht, daß die sekundäremittierende Ein- 55 Haarnadelheizfaden aus Wolfram oder etwas ähngangselektrode des Elektronenvervielfachers mög- liches sein. Da ein üblicher Wolframheizfaden von liehst klein gehalten werden kann, während der rela- 0,2 mm Durchmesser bei einer Temperatur von etwa tiv große Abstand zwischen Anode und Auffänger- 1300° C betrieben wird, kann ein photoelektrischer elektrode bewirkt, daß der Raumwinkel, unter dem Reststrom an der ersten Dynode erzeugt werden, der die Auffängerelektrode den Anodenzylinder »sieht«, 60 durch das Licht von dem glühenden Heizfaden hersehr klein wird, so daß schon aus geometrischen rührt. Jede Schwierigkeit, die in einer so extrem Gründen nur ein sehr geringer Teil der vom Anoden- empfindlichen Ionisationsmeßröhre durch Licht aufzylinder emittierten Röntgenstrahlung auf die Ein- tritt, läßt sich dadurch überwinden, daß man eine gangselektrode treffen kann. Wenn man außerdem Bor-Lanthan-Katode verwendet. Solche Katoden das dem Elektronenvervielfacher zugewandte Ende 65 geben einen Emissionsstrom von etwa 10""⁷A bei des Anodenzylmders konisch verjüngt und dabei als einer Temperatur von etwa 675° C ab. Licht von Beschleunigungselektrode eine Lochblende verwen- dem Heizfaden bei dieser Temperatur erzeugt keinen det, kann die Röntgenstrahlung sogar geometrisch nachweisbaren Photostrom an der Dynode der

Ionenauffangvorrichtung. Ein weiterer Vorzug in der Verwendung von Bor-Lanthan-Katoden ist die Verringerung von Gasreaktionen an der Glühkatode. So ist beispielsweise in vielen Fällen der Meßbereich der Ionisationsmeßröhre nach niedrigen Drücken hin dadurch begrenzt, daß Gase durch Reaktionen erzeugt oder befreit werden, an denen die heiße Katode teilnimmt. Solche Gasreaktionen werden zum großen Teil reduziert, wenn die Katodentemperatur auf einem niedrigen Wert gehalten wird, Eine Vorrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes von ausreichender Stärke in axialer Richtung, um einen Betrieb jenseits der Sperrbedingungen zu ermöglichen, besteht aus einem zylindrischen Magneten 12, der entweder ein Dauermagnet oder eine elektromagnetische Spule sein kann. Wenn die Ionisationsmeßröhre mit einer Hülle 1 aus Glas oder aus einem ähnlichen Material versehen ist, kann der zylindrische Magnet 12 günstigerweise über die Hülle geschoben werden, wie es gezeigt ist. »0

Die entsprechenden Elektronen 9, 10 und 11 der Ionenerzeugungseinrichtung 4 können innerhalb der Hülle 1 in beliebiger bekannter Weise montiert werden. Beispielsweise können die Elektroden von einer Anzahl Stützstreben 13 getragen sein, die sich luft- »5 dicht abgeschlossen durch den Quetschfuß 2 der Hülle 1 erstrecken. Geeignete Anschlußteilstücke 14 der Stützstreben 13 können dann verwendet werden, geeignete Arbeitsspannungen an die verschiedenen Elektroden der Ionenerzeugungseinrichtung anzulegen.

Die Ionen werden in der Ionenerzeugungseinrichtung 4 in bekannter Weise durch Ionisierungsstöße zwischen Elektronen und Gasmolekülen innerhalb des Anoden-Katoden-Raumes erzeugt. Auf Grund des magnetischen Feldes, das in dem magnetronartigen Aufbau verwendet wird, werden die Elektronenwege von der Katode zur Anode verlängert, so daß die Zahl der ionisierenden Stöße pro Elektron vergrößert wird. Wenn beispielsweise die An-Ordnung in einem magnetischen Feld arbeitet, dessen Größe stärker ist als dessen Sperrwert, werden die Elektronen aus der Katode auf spiralförmige Bahnen gezwungen und können die Anode nicht mehr erreichen. Daraus ergibt sich eine Ionenerzeugungseinrichtung von außerordentlich hohem Wirkungsgrad, Die Stöße zwischen Elektronen und Gasmolekülen bewirken daher eine Erzeugung von positiven Ionen innerhalb des Katoden-Anoden-Raumes, der durch den Anodenzylinder 9 begrenzt ist.

Obwohl in der Fig. 1 und in den weiteren Figuren die Ionenerzeugungsvorrichtung 4 als zum Magnetrontyp zugehörig gezeigt ist, ist es klar, daß auch Ionenerzeugungseinrichtungen von irgendeinem anderen Aufbau eingesetzt werden können. Der magnetronartige Aufbau ist allerdings des hohen Ionisierungswirkungsgrades der Elektronen wegen bevorzugt, der auftritt, wenn man diesen Aufbau in einem magnetischen Feld arbeiten läßt, dessen Stärke größer ist als der Sperrwert. Der magnetronartige Aufbau wird auch deswegen bevorzugt, weil beim Arbeiten über der Sperrbedingung oder darunter die Zahl der Röntgenquanten, die von der Anode des Aufbaues emittiert werden, außerordentlich stark reduziert wird, ohne den Ionenstrom pro Druckeinheit zu beeinträchtigen.

Die Ionenbeschleunigungs- und Fokussierungseinrichtung 5 enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, um Ionen aus der lonisierungseinrichtung abzuziehen und die Ionen in eine Richtung aus der Ionisierungseinrichtung heraus zu beschleunigen, wobei diese Beschleunigung etwa parallel zur Hauptachse der Ionisationsmeßröhre statte findet, sowie eine Vorrichtung, um diese Ionen auf die erste Dynode der Ionenauffangvorrichtung 6 zu fokussieren. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Vorrichtung zum Abziehen und Beschleunigen der Ionen aus der Ionenerzeugungseinrichtung in der Form einer gelochten Elektrode 15 ausgebildet, die in einem gewissen Abstand vom Anodenzylinder 9 der Ionisierungseinrichtung 4 entfernt angebracht ist. Als andere Möglichkeiten kann man die Elektrode 15 gitter-, maschen- oder honigwabenförmig ausführen oder ihr eine andere Form geben, die geeignet ist, ein elektrisches Feld zum Abziehen und Beschleunigen der Ionen aus der Ionisierungseinrichtung heraus aufzubauen. Die Elektrode 15 kann wiederum in bekannter Weise durch eine oder mehrere Stützstreben 13 gehaltert sein, die sich luftdicht abgeschlossen durch den Quetschfuß 2 der Hülle hindurch erstreckt bzw, erstrecken.

Die Ionenfokussierungseinrichtung enthält ein elektrostatisches Linsensystem, das zwei Zylinderlinsen 16 und 17 umfaßt, die axial in einem gewissen Abstand voneinander montiert sind. Der eine Zylinder 16 ist durch Stützstreben 13 gehalten, die sich luftdicht abgeschlossen durch den Quetschfuß 2 an einem Ende der Hülle 1 hindurch erstrecken, während der andere Zylinder 17 durch Stützstreben 13 gehaltert wird, die sich ebenfalls luftdicht abgeschlossen durch den Quetschfuß 2 an den entgegengesetzten Enden der Hülle 1 hindurch erstrecken.

Eine Ionenauffangvorrichtung 6, wie beispielsweise ein kommerziell erhältlicher vielstufiger Elektronenvervielfacher 18, ist innerhalb der Zylinderlinse 17 eingebaut. Über seine Aufgabe als Teil des elektrostatischen Linsensystems hinaus dient die Zylinderlinse 17 auf diese Weise als elektrostatische Abschirmung der Ionenauffangvorrichtung. Ein Körper 19 mit der Eintrittsöffnung für den Elektronenvervielfacher 18 ist durch Tragbügel 20 und 21 direkt an den Wänden der Zylinderlinse 17 befestigt, während die Verbindungen zu den verschiedenen Dynoden und der Ausgangselektrode 7 durch Stützstreben 13 hergestellt werden können, die sich luftdicht abgeschlossen durch den Quetschfuß 2 hindurch erstrekken und für die erforderliche zusätzliche Stützung des Elektronenvervielfachers 18 sorgen. Die Anschlußteile dieser Stützstreben werden wiederum dazu verwendet, an den Elektronenvervielfacher die Arbeitsspannungen anzulegen und das Ausgangssignal von ihm abzunehmen.

Der Brennpunkt des abgebildeten Ionenstrahls hängt sowohl von den relativen Durchmessern und Längen der koaxial montierten Zylinderlinsen 16 und 17 als auch von den Potentialen, die an diese Zylinderlinsen angelegt sind, ab. Die genaue Lage, in der der Elektronenvervielfacher 18 befestigt werden muß, wird daher durch diese Faktoren bestimmt. So kann beispielsweise in einer typischen Ionisationsmeßröhre, die in Übereinstimmung mit F i g. 1 aufgebaut ist, der Durchmesser der Zylinderlinse 16 etwa 25 mm und ihre Länge 37,5 mm betragen. Der Durchmesser der Zylinderlinse 17 kann dann 37,5 mm betragen, und die Zylinderlinse 17 kann etwa 88 mm lang sein. Legt man an die Elektrode 15

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eine Spannung von etwa —45 V und an die Zy- zelheizfaden 22 an seinem einen Ende in der üblichen linderlinse 17 eine Spannung von —3000 V an, so Weise, wie beispielsweise durch Stützstreben 13, geliegt der Brennpunkt des Ionenstrahls etwa 25 mm haltert sein. Das andere Ende des Heizfadens 22 ist vom Ende der Zylinderlinse 17 entfernt, sofern an mit einer Stützvorrichtung 23 verbunden, die direkt der Zylinderlinse 16 eine Spannung von +50V an- 5 an der Innenseite der Zylinderlinse 16 befestigt ist. gelegt ist. Darüber hinaus hat man gefunden, daß Die Stützvorrichtung 23 kann beispielsweise ein sich ein Brennpunkt etwa 28 mm vom Ende der Querträger sein, der mit seinen Enden 24 und 25 an Zylinderlinse 17 erhalten läßt, wenn an der Zylinder- der Innenseite der Zylinderlinse 16 befestigt ist. Auch linse 16 eine Spannung von 0 V angelegt wird. diese Stützverbindung ist wiederum möglich, weil die

Die Ionen werden von der Ionenerzeugungs- io Spannung an der Zylinderlinse 16 0 V beträgt, einrichtung in einem gut begrenzten Ionenstrahl ab- Wie bereits beschrieben worden ist, hängt der

gebildet und auf die erste Dynode der Ionenauffang- Brennpunkt des Ionenstrahls unter anderem von den vorrichtung fokussiert. Da die erste Dynode nur er- entsprechenden Spannungen ab, die an die Elektrode forderlich ist, um diesen gut begrenzten Ionenstrahl 15 und die Zylinderlinsen 16 und 17 angelegt werden, abzufangen, kann ihre Fläche kleiner als die Fläche 15 Demzufolge muß in dieser Ausführungsform die erste einer Ionensammelelektrode in einer normalen Dynode 8 der Ionenauffangvorrichtung in demjenigen Ionisationsmeßröhre bisheriger Bauart gemacht wer- Brennpunkt des Ionenstrahls gehaltert werden, der den. Darüber hinaus ist die erste Dynode in einer ge- sich ergibt, wenn die Zylinderlinse 16 eine Spannung wissen Entfernung von der Ionenerzeugungseinrich- von 0 V hat. In der typischen Ionisationsmeßröhre, tung angeordnet und daher um einen gewissen Ab- ao die bis hierher beschrieben worden ist und die eine stand von der Quelle der weichen Röntgenstrahlung Zylinderlinse 16 von etwa 25 mm Durchmesser und zurückgenommen, die von den Elektronen beim 37,5 mm Länge sowie eine Zylinderlinse 17 mit etwa Auftreffen auf die Anode erzeugt ewrden. Daher ist 37 mm Durchmesser und etwa 88 mm Länge enthält, der Raumwinkel zwischen der ersten Dynode und liegt beispielsweise der Brennpunkt des Ionenstrahls den weichen Röntgenstrahlen, die in den Ionen- 35 etwa 28 mm vom Ende der Zylinderlinse 16 entfernt, erzeugungseinrichtungen erzeugt werden, außer- sofern eine Spannung von —45 V an die Elektrode ordentlich klein. Das Verhältnis von Ionenstrom zu 15, eine Spannung von —300 V an die Zylinderlinse Röntgenphotostrom ist ebenfalls durch die Anzahl 17 und eine Spannung von 0 V an die Zylinderlinse der Sekundärelektronen vergrößert, die von jedem 16 angelegt sind. Das ist mit einer Brennpunktsentferpositiven Ion, das auf die Dynode auffällt, ausgelöst 30 nung von etwa 25 mm vom Ende der Zylinderlinse werden. Legt man beispielsweise an einen normalen 17 entfernt verträglich, wenn an der Zylinderlinse 16 zehnstuflgen Elektronenvervielfacher eine Spannung +50V anliegen. Es läßt sich daher durch eine gevon etwa 3000 V an, so beträgt der Sekundäremis- eignete Anbringung der Ionenauffangvorrichtung insionskoeffizient etwa 2 bis 3. Im Falle einer Ionisa- nerhalb der Zylinderlinse 17 erreichen, daß die Zylintionsmeßröhre normaler Bauart wird eine solche 35 derlinsel6 mit einer Spannung von OV betrieben Verstärkung nicht erreicht, da in einer solchen Vor- werden kann, was eine günstige Verbindung zwirichtung der Ionenstrom direkt vom Ionenkollektor sehen der Zylinderlinse 16 und der Abstützung eines gemessen wird, ohne daß von den Vorzügen der koaxialen Einzelheizfadens zuläßt. Sekundäremission Gebrauch gemacht wird. Aus In F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform gezeigt,

diesen Gründen hat man gefunden, daß das Ver- 40 in der der Röntgenphotostrom dadurch auf einen hältnis der Ausgangsströme auf Grund der Ionen außerordentlich niedrigen Wert vermindert ist, daß und der Röntgenphotoionen in der Ionenauffang- die weichen Röntgenstrahlen, die in der Ionenerzeuvorrichtung wesentlich größer als das bis heute er- gungseinrichtung entstehen, daran gehindert werden, haltene Verhältnis ist, wodurch die Messung extrem von der Dynode der Ionenauffangvorrichtung abgeniedriger Gasdrücke möglich gemacht wird. 45 fangen zu werden. Zu diesem Zweck ist der Anoden-

Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, in zylinder 9 mit einem Teil 27 versehen, der sich einer Ionisationsmeßröhre einen stabileren Katoden- kegelförmig zusammenzieht. Der Teil 27 liegt an dem aufbau vorzusehen, als er sich mit einem Doppel- Eide, das von der Abschirmelektrode 11 entfernt ist. heizfaden, wie er in F i g. 1 gezeigt ist, erhalten läßt. Zusätzlich ist die gelochte Elektrode 15 durch eine So ist beispielsweise der an beiden Enden unter- so Lochblende 29 ersetzt. Die Lochblende 29 ist in stützte, koaxial montierte Einzelheizfaden dafür be- einem gewissen Abstand vom Anodenzylinder 9 in kannt, daß er für eine magnetronartige Ionisations- der üblichen Weise durch eine Stützstrebe 13 gehalmeßröhre einen außerordentlich stabilen Aufbau tert. Das elektrische Feld, das sich zwischen der liefert. Auf Grund der verschiedenen Arbeitspoten- Lochblende 29 und dem kegelförmigen Teil 27 des tiale, die an den Elektroden der Ionenbeschleuni- 55 Anodenzylinders 9 aufbaut, erzeugt eine Linsenwirgungs- und Fokussierungseinrichtungen anliegen, um kung, die dafür sorgt, daß die Ionen aus dem eine geeignete Abbildung des Ionenstrahls zu er- Katoden-Anoden-Raum abgezogen, in einem Strahl halten, läßt sich die übliche Einbautechnik für einen vereinigt und durch die öffnung 30 der Lochblende koaxialen Einzelheizfaden nicht mehr angemessen 29 hindurch beschleunigt werden. Die Lochblende 29 verwenden. 60 ist bezüglich des Anodenzylinders 9 und des elek-

In F i g. 3 ist daher eine andere Ausführungsform trischen Feldes zwischen dem Anodenzylinder und zu sehen, die für den Gebrauch eines einzelnen ko- der Lochblende 29 so angeordnet, daß sichergestellt axialen Heizfadens und für eine zweckmäßige Unter- ist, daß die öffnung 30 sich an dem Ort befindet, an Stützung dieses Heizfadens an jedem Ende eingerich- dem der Ionenstrahl am stärksten konzentriert ist. tet ist. Die Verwendung eines solchen Heizfadenauf- 65 Auf diese Weise werden die weichen Röntgenbaues ist dadurch möglich gemacht worden, daß die strahlen, die durch den Aufprall der Elektroden auf Zylinderlinse 16 bei einer Spannung von 0 V be- den Anodenzylinder 9 entstehen, fast völlig auf den trieben wird. Auf diese Weise kann der koaxiale Ein- Katoden-Anoden-Raum beschränkt.

Pas elektrische Feld, das zwischen der Lochblende

29 und dem kegelförmigen Teil 27 erzeugt wird, bewirkt eine Beschleunigung der Ionen aus der Ionenerzeugungseinrichtung 4 in der Form eines Ionenstrahls von kleinem Durchmesser durch die öffnung

30 hindurch und in die zweite Ionenfokussierungseinrichtung hinein, die die Zylinderlinsen 16 und 17 enthält. Da die öffnung 30 an dem Ort angeordnet ist, an dem der Ionenstrahl am stärksten konzentriert ist, kann ihr Durchmesser hinreichend klein sein, um das Auftreten von fast allen weichen Röntgenstrahlen aus der Ionenerzeugungseinrichtung zu verhindern, während zur gleichen Zeit der Durchgang eines Ionenstrahls von sehr kleinem Durchmesser erlaubt ist. Da nur eine sehr geringe Streuung der weichen Röntgenstrahlen auftritt, wird nur ein sehr kleiner Betrag dieser Röntgenstrahlen durch die öffnung 30 hindurchgelassen, um von der ersten Dynode abgefangen zu werden und dadurch den unerwünschten Röntgenphotostrom zu erzeugen. So ist beispiels- ao weise die erste Dynode 8 der Ionenauffangvorrichtung praktisch nicht in der Lage, den Anodenzylinder 9 der Ionenerzeugungseinrichtung 4 zu sehen, da die öffnung der Lochblende 29 so klein ist. So könnte beim Fehlen der Röntgenstreuung tatsächlich kein einziges weiches Röntgenquant von der Anode her von der ersten Dynode abgefangen werden. Auf Grund dieses außerordentlich niedrigen Röntgenphotostromes ist der Meßbereich von Ionisationsmeßröhren, die in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform aufgebaut sind, zu dem niedrigsten Gasdruck hin ausschließlich durch Untergrundeffekte beschränkt.

Die Ausdehnung des Meßbereiches einer Ionisationsmeßröhre gemäß der Erfindung zu niedrigen Drücken hin kann noch besser durch die folgenden Daten gezeigt werden, die mit einer Ionisationsmeßröhre erhalten worden sind, die in Übereinstimmung mit F i g. 1 aufgebaut war.

Mit einer normalen Betriebsspannung von etwa + 300 V am Anodenzylinder 9 hat man gefunden, daß im Mittel ein RÖntgenphotoelektron emittiert wird, wenn 50 Millionen Elektronen auf den Anodenzylinder auftreffen. Dieser Röntgenphotostrom ist zwanzigmal kleiner als der Röntgenphotostrom von der Ionenkollektorelektrode einer magnetronartigen lonisationsmeßröhre bisheriger Bauweise, die eine normale Ionenkollektorscheibe enthält. Weiterhin hat man gefunden, daß der Sekundäremissionskoeffizient über einen zehnstufigen Elektronenvervielfacher bei einer Spannung von 3000 V etwa 2,75 beträgt. Ungefähr 20% der Ionen aus der Ionenerzeugungseinrichtung gehen in der Ionenbeschleunigungselektrode 15 und dem elektrostatischen Linsensystem verloren, so daß etwa 80% des Ionenstroms von der ersten Dynode abgefangen werden. Aus den obengenannten Arbeitsdaten kann man sehen, daß das Verhältnis von Ionenstrom zu Röntgenphotostrom insgesamt etwa auf das 44fache anwächst (20 · 2,75 · 0,8 = 44).

In F i g. 5 stellt die Kurve A die Abhängigkeit des Ausgangsstroms vom Gasdruck dar. Die Kurve A ist mit einer lonisationsmeßröhre gemessen worden, die in Übereinstimmung mit der Fig. 1 aufgebaut worden ist. Der Punkt 0 gibt den Druck an, bei dem der Ionenstrom und der Röntgenphotostrom von gleicher Größe sind. Die Kurve B stellt die gleiche Kennlinie für eine bisherige magetronartige lonisationsmeßröhre dar. Auch hier gibt der Punkt 0 wiederum den Druck an, bei dem der Ionenstrom und der Röntgenphotostrom gleich sind.

Ein Vergleich der beiden Kurven der F i g. 5 zeigt klar, daß sowohl der Ausgangsstrom als solcher als auch das Verhältnis von Ionenstrom zu Röntgenphotostrom in einer lonisationsmeßröhre gemäß der Erfindung stark angehoben worden ist. So zeigt beispielsweise die Kurvet einen, viel höheren Ausgangsstrom als auch eine bessere.Linearität bis zu wesentlich niedrigeren Gasdrücken hinunter als die Kurve B. Das vergrößerte Verhältnis von Ionenstrom zu Röntgenphotostrom in Verbindung mit dem höheren Ausgangsstrom, was aus der Verwendung der Sekundäremissionen herrührt, macht es möglich, daß Gasdrücke bis unter 10~¹⁵ Torr gemessen werden können.

Im vorstehenden ist daher eine neue und verbesserte lonisationsmeßröhre beschrieben worden, die sowohl den Ausgangsstrompegel als auch das Verhältnis von Ionenstrom zu Röntgenphotostrom wesentlich erhöht, wodurch man eine lonisationsmeßröhre erhält, mit der sich wesentlich niedrigere Gasdrücke als bisher möglich messen lassen. Ionisationsmeßröhren, die in Übereinstimmung mit dieser Erfindung aufgebaut sind, können leicht Gasdrücke von unterhalb 10"¹⁵ Torr messen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Ionisationsmanometer zum Messen äußerst kleiner Drücke, bestehend aus einer evakuierten Hülle, in der außer einer Ionisierungseinrichtung eine Beschleunigungselektrode und eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen sind, mit denen die Ionen zu einem Strahl zusammengefaßt und etwa parallel zur Hauptachse der Hülle mit Richtung auf eine Auffängerelektrode beschleunigt werden, dadurchgekennzeichnet, daß im Brennpunkt des Strahls der beschleunigten Ionen als Auffängerelektrode die sekundäremittierende Eingangselektrode (8) eines Elektronenvervielfachers (18) angeordnet ist.

2. Ionisationsmanometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseinrichtung (4) nach Art eines Magnetrons aufgebaut ist und einen Anodenzylinder (9), eine mit diesem koaxiale Glühelektrode (10) und eine Abschirmelekrode (11) für Elektronen enthält, die dicht an dem dem Elektronenvervielfacher entgegengesetzten Ende des Anodenzylinders angeordnet ist.

3. Ionisationsmanometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode eine an dem dem Elektronenvervielfacher zugewandten Ende der Ionisierungseinrichtung angeordnete Netzelektrode (15) ist.

4. Ionisationsmanometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode eine an dem dem Elektronenvervielfacher zugewandten Ende der Ionisierungseinrichtung angeordnete Lochblende (29) ist.

5. Ionisationsmanometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung aus zwei mit der Hauptachse der Hülle (1) koaxialen, zwischen der

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Ionisierungseinrichtung und dem Elektronenvervielfacher mit vorgewählten Abständen angeordneten Zylinderlinsen (16,17) besteht.

6. Ionisationsmanometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkatode (10) aus einem Bor-Lanthan-Heizfaden besteht.

7. Ionisationsmanometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das

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dem Elektronenvervielfacher (18) zugewandte Ende des Anodenzylinders konisch verjüngt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 808 892;

deutsche Patentanmeldung E 6526 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 28. 6.1956);

USA.-Patentschriften Nr. 2 625 586, 2 639 397, 884 550.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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