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Undichtigkeitsdetektor für die Anwendung bei sehr niedrigem Druck
einer Gasentladungsanordnung.
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Priorität: 15. Dezember 1961 U.S.A. Nr. 159 796 Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf Vorrichtungen und ein Verfahren unter Anwendung dieser Vorrichtungen
zur i'eststellung von Undichtigkeiten bei Hochvakua. Insbesondere betrifft die Erfindung
Vorrichtungen und Verfahren zur Feststellung von Undichtigkeiten, bei denen der
durch eine Hochvakuum-Gasentladungsanordnung fließende Strom als Bezugsgröße benutzt
wird.
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Es sind bereits Hochvakuum-Undichtigkeitsdetektoren bekannt, die
im allgemeinen auf dem Prinzip des Massenspektrometers beruhen und eine Reihe von
Nachteilen mit sich bringen; so hat beispielsweise ein Massenspektrometer, der für
den Einsatz bei Höchstvakua ausgelegt ist, einen vergleichsweise schwerfälligen
und äußerst teuren Aufbau. Außerdem ist bei den meisten dieser Massenspektrometer-Undichtigreitsdetektoren
die Verwendung von Helium als PrüfDas erforuerlich, das sich nicht einfach oder
billig beschaffen lä13t. Eine weitere ernsthafte
Einschräkung bei
der Anwendung uer bekannten Hochvakuum-Undichtigkeitsdetektoren ist das Erfordernis,
(lass sie an die gasenthaltenden Innenräume der Vakuumanlage angeschlossen sein
müssen, die auf Undichtigkeiten überprüft werden soll, sodass ein Gasaustauscn möglich
ist. Dieses Erfordernis macht die bekannten Undichtigkeitsdertektoren für die Ermittlung
von Undichtigkeiten in Anordnungen, die sich nur schwierig oder garnicht anzapfen
lassen, prakt Csch unbrauchbar, insbesonuere dann, wenn die Drucke in der Anordnung
extrem niedrig liegen.
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Der Undichtigkeitsdetektor nach der Erfindung wertet die Veränderungen
des Stromes aus, der durch eine Hochvakuum-Entladungsanordnung mit Kaltkathode (beispielsweise
eine mit Kathodenzerstäubung arbeitende ionische Vakuumpumpe) fließt, um Undichtigkeiten
in der Vakuumanlage festzustellen, in der die Gasentladungsanordnung arbeitet. Dies
ist einmal möglich, weil eine Gasentlandungsanordnung bei ungleichen Gasen in unter
schiedlichem ße pumpt, ferner, weil die Ionisierungswahrscheinlichkeit bei angleichen
Gasen abweicht und schließlich, weil der bei der Gasentladung fließende Strom dem
Druck in der Vakuumanlage, in der die Gasentladung stattfindet, direkt proportional
ist. enn daher ih einer Vakuumanlage mit Gasentladung eine Undichtigkeit auftritt,
nimmt die Anlage einen Druck an, der uem Grad der Undichtigkeit, dem bntgasungsgrad
und der Pumpgeschwindigkeit der Gasentladungsanordnung -Je nach dem gerade in Frage
kommenden Systemgas, bei dem es sich im allgemeinen um Luft handelt - abhängt. Nachdem
sich ein solches, on den einzelnen maßgeblichen Größen abhängiges
Gleichgewicht
eingestellt hat, behält der Gasentladungsstrom einen gleichbleibenden Wert bei.
Wenn dann ein anderes Prüfgas tls Luft in die Nähe der Undichtigkeitsstelle gebracht
wird, @@@@@t dieses Prüfgas in das Vakuumsystem ein und wird von dem Pumpvorgang
der Gasentladungsanordnung erfaßt. Dad führt zu einer änderung des druckes im Vakuumsystem,
die durch die Veränderung der Pumpgeschwindigkeit, der Ionisierungsrate und viel
sich daraus ergebentien Änderung des Gasentladungsstromes bedingt ist. Im einzelnen
erfolgt beispielsweise bei Verwendung von Sauerstoff oder Kohlendioxyd als Prüfgas
eine Verringerung es Gasentlüungsstromes, bei Einsatz von Argon, lielium, Jtickstoff,
Wasserstoff oder Methan als Prüfgas dagegen ein Ansteig des Stromes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines vergleichsweise
kleinen, billigen und störungssicheren Gasentladungs-Undichtigkeitsdetektors, der
bei der Untersuchung von Höchstvakua eine extrem hohe Empfindlichkeit besitzt und
für seine Funktionsfähigkeit kein Helium benötigt.
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Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in einer IIochvakuum-Gasent
ladungsanordnung und einer Schaltungsanordnung mit einem abgeglichenen Strommeßkreis
für die genaue Erfassung von Schwankungen des Gasentladungsstromes. Ein weiteres
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung von Undichtigkeiten,
bei dem nacheinander zwei verschiedene Prüfgase verwendet werden.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
bei einer Anordnung nach dem erst erwähnten Merkmal eine äußerst genau geregelte
Gleichstromspannungsquelle vorgesehen
ist, um die Spannung an einem
Widerstand zu kompensieren, deren Abgriff ein Maß für den gesamten die Gasentladungsanordnung
durchfließenden Strombildet.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
eine Vorrichtung nach dem vorerwahnten Merkmal vorgesehen ist, bei der die Gleichstromspannung
unmittelbar von der Gleichstromspannungsquelle geliefert wird, die die Gasentladungsvanordnung
speist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einer Anordnung
nach dem erst erwähnten Merkmal eine weitere Schalteinrichtung vorgesehen, die es
ermöglicht, die von dem abgestimmten Meßkreis gemessenen Stromschwankungen entweder
in unmittelbarer Anzeige wiederzugeben oder aber, beispielsweise mittels eines Schreibers
zu registrieren.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind bei einer
Anordnung gemäß dem erst erwähnten Merkmal spannungaabhängige Bauelemente vorgesehen,
um den abgestimmten Meßkreis vor Stoßwellen hoher Spannung, die beispielsweise durch
einen Kurzschluss in der Gasentladungsanordnung oder einen plötzlichen großen Anstieg
des Druckes in der Gasentladungsanordnung entstehen, zu schützen.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist bei einer
Anordnung gemäß dem erst erwähnten Merkmal eine weitere Schaltanordnung vorgesehen,
die eine Verstellung der Empfindlichkeit des abgestimmten Meßkreises ermöglicht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einer Anordnung
gemäß dem erst erwähnten Merkmal eine Schalteinrichtung vorgesehen, die eine Messung
des gesamten Gasentladungsstromes mittels des abgestimmten Meßkreises ermöglicht.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist bei einer
Anordnung gemäß dem erst erwähnten Merkmal eine Quelle extrem konstanter Spannung
für die Gasentladungsanordnung und ferner eine automatische Schalteinrichtung vorgesehen,
die von dem gesamten Gasentladungsstrom abhängig ist,und mit deren Hilfe die Quelle
extrem konstanter Spannung überbrückt werden kann.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einer Anordnung
gemäß dem erst erwähnten Merkmal ein weiterer Strommeßkreis für die Messung des
gesamten, durch die Gasentladungsanordnung fließenden Stromes vorgesehen.
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Ein Merkmal der Erfindung ist es ferner, eine neue Speisetransformatorschaltung
vorzusehen, die falsche Strommessungen infolge Transformator-Leckströmen verhütet.
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Diese und weitere Merkmale gemäß der Erfindung werden nachstehend
im einzelnen an Hand der zugehörigen Zeichnung beschrieben. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungeform gemäß
der Erfindung.
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Pig. 1 läßt eine Spannungsquelle 11 erkennen, die über eine Spannungsverdopplerschaltung
12 eine unter Gasentladung mit Kathodenzerstäubung arbeitende ionische Vakuumpumpe
13 speist, die sich innerhalb eines s vakuumdichten Gehäuses 14
befindet,
das zu der Yakuumanlage gehört, die auf Undichtigkeiten überprüft werden soll. Zur
Messung des gesamten, die Pumpe 13 durchfließenden Stromes ist der Meßschaltkreis
15 angeschlossen, während zur Messung des abgestimmten oder kompensierten Stromes
die Vorrichtung 16 dient, sodass sich Veränderungen des Stromes durch die Pumpe
13 erfassen lassen.
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Im einzelnen erfolgt die Speisung aus der Quelle 11 über zwei im
Ruhezoliuand offene Kontakte 17 eines dreipoligen Relais 18 zunächst auf die Primärwicklung
19 eines Konstant-Spannungstransformators 20. Die Wicklung 21 des dreipoligen Relais
18 ist parallel zu der Spannungswelle 11 über den im Ruhezustand geschlossenen Kontakt
22 des Relais 23, den im Ruhezustand geschlossenen, handbetätigten Schaltkontakt
24 und den unter Federvorspannung stehenden, im Ruhezustand geöffneten handbetätigten
Schaltkontakt 25, der parallel zu einem dritten, im Ruhezustand geöffneten Kontakt
26 des dreipo1Agen Relais 16 liegt, geschaltet.
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Ein Relais 27 hat ein Paar im Ruhezustand geschlossener Kontakte
28, die an die Sekundärwicklung des Konstant-Spannungstransformators 20 angeschlossen
sind, und ein Paar im Ruhezustand geöffneter Kontakte 31, die mit der Primärwicklung
19 des Konstant-Spannungstransformators 20 stehen.
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Die Kontakt bügel 32 des Relais 27 verbinden entweder die im Ruhezustand
geschlossenen Kontakte 28 oder die im Ruhezustand geöffneten Kontakte 31 mit der
Primärwicklung 33 des Transformators 34 der Spannungsverdopplerschaltung 12. Die
Wicklung 35 des Relais 37 liegt über die im Ruhezustand geöffneten Kontakte 36 eines
Relais 37 parallel zur Primärwicklung 19
des Konstant-Spannungstransformators
20. Parallel zW48e ; Primärwicklung 33 des Spannungsverdopplertransformators 34
liegen elne erste Signallampe 38 und eine zweite Signallampe 39, die in Reihe mit
einem Kontaktarm 41 eines handbetätigten, zweipoligen Schalters 42 geschaltet ist.
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Eine Hintereinanderschaltung einer Reihe gleichsinnig gepolter Dioden
43 und eines Kondensators 44 einerseits sowie einer Reihe gleichsinnig gepolter
Dioden 45 und eines Kondensators 46 andererseits sind jeweils über einen Strombegrenzungswiderstand
48 parallel zur Sekundärwicklung 47 des Spannungsverdopplertransformators 34 geschaltet.
Die Dioden 43 der einen llintereinanderschaltung sind entgegengesetzt zu den Dioden
45 der zweiten Hjntereinandershsltung gepolt, sodass an der Verbindungsstelle der
Dioden 43 mit dem Kondensator 44 eine positive gleichgerichtete Spannung entsteht.
Bezogen auf den negativen Pol der Verbindung 51 zwischen den Dioden 45 und dem Kondensator
46 ist diese positive Spannung zweimal so groß wie die Amplitude der an der Sekundärwicklung
47 auftretenden Spannung. Eine elektrische Leitung 52 verbindet den Kern des Spannungsverdopplertransformators
34 mit dem Punkt 51, sodass verhütet wird, dass Leckströme der Primärwicklung 33
und der Sekundärwicklung 47 auf die geerdeten, weiter unten beschriebenen Strommesskreise
einwirken.
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Parallel zu jeder Diode 43, 45 liegt ein Widerstand 53, um die Sperrspannungen
in jedem Halbzweig der Diodenketten auszugleichen.
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Uber einen 8trombegrenzungswiderstand 54 ist die mit Kathodenzerstäubung
arbeitende ionische Vakuumpumpe 13 mit dem positiven Pol 49 verbunden. Zwischen
dem negativen Pol 51 und die Pumpe 13 sind hintereinander ein erater Widerstand
55, ein zweiter Reihenwiderstand 56 und ein Kondensator 57 geschaltet, der als Schutzkondensator
die in der Gasentladungsanordnung 13 erzeugten hochfrequenten Ströme kurzschließt
und von den Gleichrichterdioden 43, 45 fernhält. Die Parallelschaltung der Gleichstromwicklung
58 des'Relais 23 mit dem Kondensator 59 liegt parallel zu dem ersten Reihenwiderstand
55 über einen veränderlichen Widerstand 61. Das zweite Kontaktpaar 62 des handbetätigten
zweipoligen Schalters 42 ist unmittelbar parallel zu dem ersten Reihenwiderstand
55 geschaltet. Die Parallelechaltung der Gleichstromwicklung 63 des Relais 37 mit
dem Kondensator 64 ist über den veränderlichen Widerstand 65 wiederum parallel zu
dem zweiten Reihenwiderstand 56 geschaltet. Parallel zu dem zweiten Reihenwiderstand
56 liegt außerdem eine Zenerdiode 66, welche die Gleichstromwicklung 63 vor Uberspannungen
schützt.
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Uber einen Vorwiderstand 69 ist ein Strommesser 67 für die Messung
des durch die Pumpe 13 fließenden Gesamtstromes an den positiven Pol 49 und über
einen Filterkondensator 71 bei 68 an Masse angeschlossen. Jeder einer Mehrzahl verschieden
dimensionierter Paralleiwiderstände 72 kann mittels eines beweglichen Kontakte.
75 des handbetätigbaren Schalters 74 einzeln parallel zu dem Strommesser 67 geschaltet
werden Auf diese Weise können für den Strommesser 67 verschiedene
Meßbereiche
ausgewählt werden, die von der Größe des durch die Pumpe 13 fließenden Stromes abhängen.
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Die Schaltungsanordnung 15 enthält ferner eine Reihe von Widerständen
75, die von dem Meßstrom durchflossen werden können, so daß dann an ihnen der Abgriff
einer dem Meßstrom proportionalen Spannung möglich ist. Jeder der Widerstände 75,
die jeweils verschieden dimensioniert sind, kann mittels eines breiten beweglichen
Kontaktes 76 des handbetätigten Schalters 74 parallel zu dem Pilterkondensator 71
geschaltet werden. Der zweite bewegliche Kontakt 76 des Schalters 74 ist an den
weiter unten beschriebenen Kreis 16 für die Messung des kompensierten Stromes angeschlossen
und liefert an diesen eine Spannung, die dem gesamten, die ionische Pumpe 13 durchfließenden
Strom proportional ist. Parallel zu dem Filterkondensator 71 liegt die Reihenschaltung
einer Zenerdiode 77, die die Abgriffwiderstände 75 gegen Uberspannungen schützt,
mit einer zweiten, entgegengesetzt zur Zenerdiode 77 gepolten Diode 78. Durch die
zweite Diode 78 wird die Gleichrichtung von Störspannungen der Pumpe durch die Zenerdiode
77 vermieden.
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Die Spannung für den Meßkreis 16 liefern ein erster Transformator
81 und ein zweiter Transformator 79, deren Primärwicklungen 82 und 83 parallel zu
der Sekundärwicklung 29 des Konstant-Spannungsgenerators 20 liegen. Eine Sekundärwicklung
84 des ersten Transformators 81 des über einen Mittel angezapften Vollweg-Gleichrichter
86 mit einem Filterkondensator 85 verbunden. Parallel zu dem Filterkondensator 85
liegen
ein Vorwiderstand 88 und eine Spannungs-Stabilisatorröhre 87. Parallel zu der Spannungs-Stabilisatorröhre
87 liegt eine weitere Spannungs-Stabilisatorröhre 89 mit einem Vorwiderstand 91,
an dessen Klemme 62 eine konstante Spannung für die Speisung des Schleifers des
Potentiometers 93 zur Verfügung steht. Eine der festen Anschlußklemmen des Potentiometere
93 ist mit einer Anode 94, einer Doppeltriode 95 verbunden, während die andere feste
Anschlußklemme des Potentiometers 93 über einen Reihenwiderstand 97 an die zweite
Anode 96 der Doppeltriode 95 angeschlossen ist. Die Kathoden 98 und 99 der Doppeltriode
95 werden über eine Leituvg 101 miteinander verbunden, wenn die Kontakte 102 eines
handbetätigten, vierpoligen Schalters 103 geschlossen sind, und sind außerdem über
einen Widerstand 104 geerdet. Ein Gitter 105 der Doppeltriode 95 kann über die geschlossenen
Kontakte 106 und 107 des handbetätigten, vierpoligen Schalterms 103 geerdet werden.
Die Spannung für die Kathodenheizung 108 der Doppeltriode 95 liefert eine Sekundärwicklung
109 des ersten Transformators 81. An die Anode 94 ist ein empfindliches Amperemeter
111 angeschlossen, das bei Schließung des Kontaktes 112 des handbetätigten, vierpoligen
Schalters 103 Uber-einen zur Einstellung des Meßgerätes dienenden, veränderlichen
Widerstand 113 mit der zweiten Anode 96 verbunden ist.
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Durch zwei parallel geschaltete, zueinander entgegengesetzt gepolte
Dioden 114 ist der Strommesser 111 überbrückt.
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Die Sekundärwicklung 115 des zweiten Transformators 79 steht in Verbindung
mit den Eingangklemmen einer Vollweg-Gleichrichteranordnung 116, an deren Ausgeangsklemmen
eine Siebschaltung
117 angeschlossen ist. Die Siebschaltung 117
liegt parallel mit einer Reihenschaltung, die aus einem Vorwiderstand 118 mit einer
ersten Zenerdiode 119 besteht, deren Durchbruchsspannung kleiner ist als die Spannung
an den Klemmen der Siebschaltung 117. Parallel zu der ersten Zenerdiode 119 liegt
wiederum eine Reihenschaltung, die aus einem zweiten Vorwiderstand 121 und einer
zweiten Zenerdiode 122 besteht, deren Durchbruchsspannung kleiner ist als die an
der ersten Zenerdiode 119 zur Verfügung stehende Spannung.
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Die Widerstände eines ersten Potentiometers 120 und eines zweiten
Potentiometers 123 sind hintereinander geschaltet und liegen in dieser Hintereinanderschaltung
parallel zu der zweiten Zenerdiode 122, so daß sich zwischen den Schleifern 125
und 130 der beiden Potentiometer 120 und 123 eine von Hand veränderliche Gleichspannung
124 abgreifen läßt. Der eine Schleifer 125 ist mit dem zweiten beweglichen Kontakt
76 des von Hand betätigbaren Schalters 74 über die geschlossenen Kontakte 126 eines
zweipoligen"Pumpenleck"-Handschalters 127 verbunden. Der andere Potentiometerschleifer
130 ist über das zweite Kontaktpaar 126' des Schalters 127 und einen von Hand schaltbaren
Empfindlichkeitsschalter 129, der eine Anzahl von Schaltungen der Reihenwiderstände
131, die wahlweise in die Reihenschaltung zwischen dem Steuergitter und dem Potentiometerschleifer
130 eingefügt werden können, ermöglicht, an das Steuergitter 128 der Doppeltriode
95 angeschlossen. Auf diese Weise steht die Quelle 124 veränderlicher Gleichspannung
in Reihenschaltung mit dem Empfindlichkeitsbereichschalter 129 mit den Abgriffwiderständen
75 einerseits und dem Steuergitter 128 andererseits in Verbindung,
wobei
diese Verbindung so getroffen ist, daß die Polarität der Gleichspannungsquelle 124
der Polarität der Spannung an dem Abgreifwiderstand 75 entgegengesetzt ist.
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Um die Anordnung in Betrieb zu nehmen, wird der Anschalter 25 geschlossen,
um die Relaiswicklung 21 unter Strom zu setzen und die im Ruhezustand geöffneten
Kontakte 17 und 26 zu schließen, wobei der Kcntakt 26 dazu dient, die Relaiswicklung
21 selbst zu halten. Bei geschlossenen Kontakten 17 wird die Primärwicklung 19 des
Kontant-Spannungstransformators gespeist, dessen Sekundärwicklung 29 die Primärwicklung
33 des Spannungsverdoppler-Transformators 34 über die geschlossenen Kontakte 28
mit Spannung versorgt. Die an der Primärwicklung 33 anstehende Spannung läßt außerdem
die erste Signallampe 38 als Zeichen dafür, daß das Gerät eingeschaltet ist aufglimmen.
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Bei Betätigung des Handschalters 42 kommt es zur Schließung der Kontakte
41 und 62, so daß die Signallampe 39 aufleuchtet und damit anzeigt, daß sich das
Gerät in Betriebsbereitschaft befindet; gleichzeitig wird die Relaiswicklung 58
durch Kurzschließung unwirksam gemacht. Der Strom der Sekundärwicklung 47 des Spannungsverdoppler-Transformators
34 läßt an dem zweiten Serienwiderstand 56 einen Spannungsabfall entstehen, der
die Gleichstromrelaiswicklung 63 unter Strom sets$, so daß sich der Kontakt 36 schließt.
Hierauf führt wiederum die Wicklung 35 Strom, so daß es zu einer Öffnung des Kontaktes
28 und damit zu einem öffnen des an die Sekundärwicklung 29 des Konstant-Spannungstransformators
20 anschließenden 8chaltkreises kommt; unmittelbar darauffolgend schließen die Kontakt
te 31, so daß der Konstant-Spannungstransformator 20 überbrückt
wird,
und die Spannung von der Spannungsquelle 11 unmittelbar zu der Primärwicklung 33
des Spannungsverdopplertransformators 34 gelangt.
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Sobald der positive Pol 49 einen entsprechenden Spannungswert angenommen
hat, steigt auch die Spannung an der ionischen Vakuumpumpe 13 entsprechend an, so
daß es darin zur Eildung einer Gasentladung kommt. Diese Gasentladung führt zu einer
an sich bekannten Pumpwirkung, mit deren Hilfe sich der Druck innerhalb des Gehäuses
14 verringern läßt. Dci der von einer mit Kathodenzerstäubung arbeitenden ionischen
Vakuumpumpe aufgenommene Strom proportional dem in der Pumpe herrschenden Druck
ist, nimmt der Strom im gleichen Maße ab, wie sich der Druck verringert. Dieser
Strom wird auf die Amperemeter 67, je nachdem mittels des llandschalters 74 ausgewählten
Meßbereich angezeigt. Wenn der von der Pumpe 13 aufgenommene Strom einen vorbestimmten
Wert erreicht hat, reicht die Spannung an dem zweiten Reihenwiderstand 56 nicht
mehr aus, um mittels der Relaiswicklung 63 den Kontakt3geschlossen zu halten. Sobald
sich aber der Kontakt 36 öffnet, kommt es zu einer Aberregung des Relais 35 und
somit zu einer Öffnung der Kontakte 31 und einer Schließung der Kontakte 28, so
daß nun die Spannung an den Spannungs-Verdopplertransformator 34 wieder über den
Konstant-Spannungstransformator 20 gelangt anstatt unmittelbar von der Spannungsquelle
11 her. Der Vorzug einer solchen Schalteinrichtung wird weiter unten beschrieben.
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Es wird nun der Handschalter 42 betätigt , um die Kontakte 41 und
62 zu öffnen, wobei die Signallampe 39 erlischt. Der veränderliche
Relaiswiderstand
61 ist Jedoch so eingestellt, daß der vergleichsweise niedrige Strom, den die Pumpe
13 bei dem erreichten'Druck aufnimmt, an dem ersten Reihenwiderstand 55 keine Spannung
mehr entstehen läßt, die ausreicht, um die Relaiswicklung 58 zu erregen. Falls es
jedoch innerhalb der Pumpeinrichtung zu einem Schaden kommen sollte (beispielsweise
einem Kurzschluß) führt der nun eintretende hohe, von der Pumpeinrichtung 13 aufgenommene
Strom an dem ersten Reihenwiderstand 55 zu einem Spannungsabfall, der genügt, um
die Relaiswicklung 58 zu erregen und die Kontakte 22 zu öffnen, Das führt aber wiederum
zu einer Aberregung der Relaiswicklung 21, so daß sich die Kontakte 17 öffnen und
die Spannungsquelle 11 von der ganzen Anlage abtrennen.
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In der Vakuumanlage, zu der auch das Gehause 14 gehört, herrscht ein
Druck, der dem Gasgehalt und der Pumpgeschwindigkeit der Pumpeinrichtung 13 entspricht
und dabei von der jeweiligen in der Vakuumanlage enthaltenen Gasart abhängt. Der
Gasgehalt in dem hier interessierenden Druckbereich (unterhalb 10 5 Torr) ist bedingt
durch die Gasabgabe innerhalb der Anlage befindlicher Flächen und durch Undichtigkeiten
gegenüber der Außenluft.
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Unter solchen Gleichgewichtsbedingungen nimmt der von der Pumpe 13
aufgenommene Strom einen gleichbleibenden Wert an, so daß auch an dem jeweils eingeschalteten
Abgriffswiderstand 75 gleicheine Spannung bleibender Größe ansteht. Der Widerstand
75 ist dabei automatisch eingeschaltet worden, wenn ein im Hinblick auf die Größe
des von der Pumpe 13 aufgenommenen Stromes geeigneter Meßbereich fr den Strommesser
67 mittels des Handschalters 74 eingestellt wird. Die Größe der Abgriffswiderwiderstände
75
ist jeweils so gewählt, daß bei geeigneter Einstellung des Handschalters 74 die
an einem Abgriffwiderstand 75 auftretende Maximal spannung klein genug ist, um durch
die einstellbare Gleichspannung 124 vollständig kompensiert werden zu können.
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Es q wird dann mittels des Empfindlichkeitsbereichs-Handschalters
129 die gewünschte Empfindlichkeit gewählt und es werden die Potentiometer 120 und
123 eo eingestellt, daß das Steuergitter 128 auf einem Potential liegt, das zu einer
Auslenkung von etwa halber Skalenbreite des hochempfindlichen Meßgerätes 111 führt.
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Die Zufuhr eines Prüfgases zu dem Teil der Anlage, in dem eine Undichtigkeit
besteht, führt zu einer Änderung des von der Pumpe 13 aufgenommenen Stromes; beispielsweise
wird der Strom kleiner, wenn als Prüfgas Sauerstoff verwendet wird, während er in
Verbindung mit Argon ansteigt. Die Änderung des von der Pumpe aufgenommenen Stromes
führt gleichzeitig zu einer Änderung der Spannung an dem gerade eingeschalteten
Abgriffswiderstand 75 und damit zu einer Änderung des Potentials an dem Steuergitter
128 der Doppeltriode 95. Das hat einen Ausschlag der Nadel 135 des Meßgerätes 111
zur Folge, der das Vorhandensein einer Undichtigkeit an der Stelle, der das Prüfgas
zugeführt wurde, hinweisen.
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Wie schon weiter oben erläutert, wird der Konstant-Spannungstransformator
20 mittels der Schalteinrichtung nach Figur 1 nur während bestimmter Zeitabschnitte
des Betriebes als Spannungequelle
angeschlossen. Dies ist wegen
der spezifischen Arbeitsweise von mit Kathodenzerstäubung arbeitenden ionischen
Vakuumpumpen eine sehr bedeutungsvolle Maßnahme. Bei über 10 4 mm Hg liegenden Drücken
ist die Pumpgeschwindigkeit sehr niedrig und der Strom ist praktisch unabhängig
vom Druck. Der Widerstand der Gasentladungsstrecke in der Pumpe ist sehr niedrig
und der von der Spannungsquelle angegebene Strom ist praktisch nur durch deren Innenwiderstand
begrenzt.
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Dieser Zustand der Pumpe wird als Anfangszustand, der auch dem Zustand
bei Betriebsbereitschaft entspricht, bezeichnet.
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Der Strom, den die Pumpe aufnimmt, wenn sie sich in einem solchen
Anfangszustand befindet, ist vergleichsweise sehr hoch, fällt Jedoch rasch ab, da
der Druck sich weiter verringert. Dadurch, daß der Konstant-Spannungstransformator
nur während Zeitabechnitten, in denen ein vergleichsweise geringer Strombedarf besteht,
eingesetzt wird, werden erforderliche Größe und Kosten eines solchen Transformators
weitgehend reduziert. Da die Pumpeinrichtung von einer äußerst konstanten Spannungsquelle
gespeist wird, wird die Arbeitsweise des Konstant-Spannungstransformators 20 auch
zu einer Verringerung des Störpegels für den Meßkreis 16 (der Pumpenstrom ist ebenfalls
von der anstehenden Spannung abhängig).
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Eine solche Wirkung, wie sie der Konstant-Spannungstransformator 20
ausübt, ist während der Zeitabschnitte, in denen der Druck in der Vakuumanlage infolge
starker Undichtigkeiten hoch ist, von viel geringerer Bedeutung. Der Strombedarf
ist dann ebenfalls hoch und die Signale, d.h. die durch die Zuführung eines Prüfgases
ausgelösten Stromänderungen, sind vergleichsweise
groß. Tatsächlich
ist es möglich, wenn solche vergleichsweise hohen Ströme fließen, Undichtigkeiten
durch Beobachtung der Stromschwankungen mit Hilfe des sehr viel unempfindlicheren
Strommessers 67Zkrkennen.
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Der Undichtigkeitsdetektor gemäß der Erfindung eignet sich zur Durchführung
eines sehr vorteilhaften Verfahrens zur Ermittlung von Undichtigkeiten. Verwendet
man beispielsweise Sauerstoff als Prüfgas in der oben beschriebenen Weise, so kommt
es zu einer Auslenkung des Zeigers 135 des empfindlichen Anzeigegerätes 111 in einer
Richtung, was die Lage der Undichtigkeit anzeigt. Wird nun anstelle von Sauerstoff
Argon als Prüfgas verwendet und der Undichtigkeitsstelle zugeführt, so kehrt der
Zeiger 135 nicht nur in seine ehemalige Ruhelage zurück, sondern bewegt sich in
der entgegengesetzten Richtung weiter. Auf diese Weise kann eine Verdopplung des
Zeigerausschlagee herbeigeführt und eine wertvolle Bestätigung der ursprünglichen
Undichtigkeitsermittlung erhalten werden.
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Der Handschalter 127 ermöglicht es, eine Anzeige des gesamten, von
der Pumpe 13 aufgenommenen Stromes mittels des empfindlichen Gerätes 111 zu erhalten,
wenn die Pumpe bei sehr niedrigen Drücken arbeitet und der aufgenommene Strom äußerst
klein ist. Wird der Handschalter 127 so betätigt, daß sich die Kontaktpaare 126
öffnen und die Kontakte 140 schließen, so stehen die dbgriffswideretände 75 unmittelbar
mit dem Steuergitter 128 in Verbindung, während die veränderliche Spannungsquelle
124 überbrückt ist. In diesem Falle ist die
Anzeige des empfindlichen
Meßgerätes 111 dem gesamten, von der Pumpe 13. aufgenommenen Strom direkt proportional.
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Mit Hilfe des Handschalters 103 ist es möglich, ein registrierendes
Instrument (nicht dargestellt) statt des empfindlichen Meßgerätes 111 in dem Meßkreis
16 einzusetzen. Bei Betätigung des Schalters 103 öffnen sich dessen Kontakte 102,
106, 107 und 112, so daß das Gerät 111 abgetrennt wird, die Leitung 101 zwischen
den Kathoden 98 und 99 unterbrochen und die Erdung des Gitters 105 aufgehoben wird.
Die Kathode 98 wird dann über den Reihenwiderstand 141 an die eine Pestklemme eines
veränderlichen Potentiometers U2 angeschlossen. Die andere Festklemmt dieses Potentiometers
142 iet geerdet und über den Reihenwiderstand 104 an die zweite Kathode 99 angeschlossen.
Der Schleifer 143 des Potentiometers 142 steht mit der Mittelanzapfung 144 der Sekundärwicklung
84 in Verbindung, um die Kathoden auf negatives Potential zu bringen. Parallel zu
dem Potentiometer 142 liegt ein Paar Ausgangsklemmen 145, die als Anschluß für ein
registrierendes Instrument (Schreiber) dienen. Die Wirkungsweise des Meßkreises
16 ist dabei die gleiche, wie sie oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß
die Messungen nun im Kathodenkreis erfolgen statt im Anodenkreis. Diese Anordnung
ist insofern vorteilhaft, als der gemeinsame Kathodenwiderstand 104 bei Einschaltung
des Strommessers 111 eine größere Stabilität der Doppeltriode 95 ergibt, während
der geerdete Ausgang 145 für das Registriergerät den Einsatz handelsüblicher, geerdeter
Bsgietriereinrichtungen zuläßt. Außerdem wird die Leistung der Doppeltriode verringert,
wenn nicht-das Meßgerät 111 oder der Anschluß 145 für ein Registriergerät gleichzeitig
benutzt werden.
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Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei Elemente, die denjenigen nach Figur 1 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern
versehen sind. Die Gleichspannungsquelle 12 ist mit der Pumpe 13' über den Stromabgriff-Widerstand
75 verbunden. Parallel zu der Pumpe 13 und dem Abgriffwiderstand 75 liegt ein veränderliches
Potentiometer 154, dessen Schleifer 155 an eine Klemme eines empfindlichen Amperemeterkreises
16 angeschlossen ist. Die andere Klemme des APuperemeter-Kreises 16 steht mit der
geerdeten Anschlußstelle 157, an der auch die Pumpe 13 und der Abgriffwiderstand
75 liegen, in Verbindung. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche
wie sie oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß das bei der Ausführungsform
nach Figur 1 mit Hilfe der veränderlichen Gleichspannung 124 erzielte Ergebnis hierbei
unmittelbar durch die Pumpenspannung, die'an dem Potentiometer 154 ansteht, erhalten
wird.
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Wenngleich die Ausführungsform nach Figur 1 wegen ihrer hohen Empfindlichkeit
bevorzugt wird, bringt das Beispiel nach Figur 2 eine Reihe von Vorzügen, beispielsweise
große Einfachheit, mit sich. Ferner lösen vorübergehende Änderungen der an der Pumpe
13 anliegenden Spannung, die zu 8chwankungen des Pumpenstromes und daher auch der
Spannung an dem Abgriffswiderstand 75 führen, entgegengesetzt wirkende Änderungen
der Spannung an dem Potentiometer 154 aus, was zu einer Aufrechterhaltung der Kompensation
in dem Meßkreis 16 führt. Auf diese Weise wird das Signal-Rausch-Verhältnis für
den Meßkreis 16 verbessert.
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Für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind mannigfach. Abwandlungen
möglich, ohne daß deshalb der Rahmen der Ereindung verlassen würde. So könnte beispielsweise
die beschriebene mit Kathodenzerstäubung arbeitende ionische Vakuumpumpe durch andere
Gasentladungsanordnungen (beispielsweise Gasentladungs-Ionisationsamometer) ersetzt
werden. Ebenso ist der oben beschriebene Vorgang, bei dem die vorliegende Erfindung
dazu eingesetzt wird, um den innerhalb der Anlage herrschenden Druck zu verringern,
kein unbedingtes Wesensmerkmal der Erfindung. Denn die Schaltungsanordnung für die
8peilung der Pumpe und der Strommeßkreis könnten an eine Gasentladungeanordnung
angeschlossen werden, die sich in einer V.kuumanlage befindet, in der dann bereits
ein niedriger Druck herrscht, oder die Inbetriebnahme und der Anschluß der vorerwähnten
elektrischen Schaltkreise an die Gasentladungeanordnung könnte erfolgen, nachdem
zuvor der in der Anlage herrschende Druck auf einen niedrigen Wert verringert worden
ist. Es ist ersichtlich, daß in solchen Anwendungsfällen verschiedene der oben erläuterten
Vorgänge entfallen könnten.
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Patentansprüche 1