DE1573603A1

DE1573603A1 - Device for measuring the pressure in a high vacuum

Info

Publication number: DE1573603A1
Application number: DE19651573603
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Johan-Krist Fremerey
Original assignee: FREMEREY DIPL PHYS JOHAN KRIST
Current assignee: FREMEREY DIPL PHYS JOHAN KRIST
Priority date: 1965-06-16
Filing date: 1965-06-16
Publication date: 1970-04-16

Description

Gerät sur Messung des Druckes ii Hochvakuum Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung des Druckes ii Hochvakuum. Device sur measuring the pressure ii high vacuum The invention relates to a device for measuring pressure ii high vacuum.

Zur Messung des Druckes tu Hochvakuum sind eine Reihe von Geräten bekannt geworden. So beruht beispielsweise das Frinzip eines zum Stande der Technik gehörenden Meßgerätes darauf, daß die durch Elektrenenstoß ii Restgas erzeugten Ionen gemessen werden. Nachteilig ist hierbei, daß ein Teil der Gasmoleküle bei der Messung als Ionen gebunden wird1 so daß Druck und Zusammensetzung des im evakuierten Raus verbleibenden Restgases sich auf Grund der durchgeführten Messungen ändern. lin weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, die bremsende Wirkung von Gasmelekülen auf einen @@@-netisch aufgehängten Körper, der zuvor in Drehungen versetzt worden ist. zu bestimmen. Als Drehkörper oder Rotor wird dabei ein kugelförmiger oder kreiszylinderförmiger Körper aus ferremagnetischem Werkstoff verwendet. Die magnetische Aufhängung erfolgt bei diese bekannten Gerät in der Weise, daß oberhalb des evakuierten Raumes eine Magnetspule so angeordnet ist, daß ein symmetrisch zur senkrechten achse verlaufendes und nach unten divergierendes Magnetfeld erzeugt wird. Die Ühertragung der Drehbewegung auf den Rotor erfolgt durch ein in horizontaler Ebene schnell rotierendes Drehfeld, das durch zwei einusförmigen um 90° shsenverschobene Ströme Mittels zweier senkrecht zueinander angeordneter Spulenpaare erzeugt wird.A number of devices are used to measure the pressure tu high vacuum known. For example, the principle is based on the state of the art belonging measuring device that the residual gas generated by the electrode impact ii Ions are measured. The disadvantage here is that some of the gas molecules the measurement is bound as ions1 so that the pressure and composition of the evacuated Any remaining residual gas changes based on the measurements carried out. Another known method is to reduce the braking effect of gas molecules on a netically suspended body that has been rotated beforehand is. to determine. A spherical or circular cylinder is used as the rotating body or rotor Body made of ferremagnetic Material used. The magnetic Suspension takes place in this known device in such a way that above the evacuated Space a solenoid is arranged so that a symmetrical to the vertical axis running and downward diverging magnetic field is generated. The transmission the rotary movement on the rotor is carried out by a rapidly rotating in the horizontal plane Rotating field created by two mono-shaped currents shifted by 90 ° by means of two perpendicular to each other arranged coil pairs is generated.

Zur Anzeige der Rotationsgeschwindigkeit wird der Umstand ausgenutzt, daß alle Rotoroberflächen auch bei sorgfältiger Bearbeitung Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich der optischen Eigenschaften aufweisen.The fact that the rotation speed is displayed is exploited that all rotor surfaces are irregular even with careful machining have in terms of optical properties.

Läßt ian nun auf die Oberfläche des in Umdrehungen versetzten Rotor einen Lichtstrahl auffallen, so wird dieser verschieden stark reflektiert. Bei dem bekannten Meßgerät wird daher mittels eines auf die Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls und eines Fotomultipliers ein Signal gebildet, dessen Froquens der Rotationsgeschwindigkeit des Rotor antspricht. Aus diesem Signal werden mittels eines Clipperverstärkers Harmonische der Rotorfrequenz erzeugt. Von diesen wird eine bestimmte mit einer hochstabilen Standarfrequenz oszillographiech verglichen. Das Meßprinzip bei dieser bekannten Vorrichtungsberuht Mithin auf der Änderung einer vorbestimmten harmonischen frequenz, die Mittels eines von dem Rotor reflektierten Signals gewonnen wird Man geht bei dieser bekannten Vorrichtung davon aus daß der Druck bei konstanter Gaszusammensetzung der relativen Drehzahlabnahme in der Zeiteirheit prepertienal ist, falls die Temperatur des Rotors unverändert bleibt.Now leaves ian on the surface of the rotated rotor If a beam of light falls on it, it will be reflected to different degrees. In which known measuring device is therefore by means of a light beam impinging on the surface and a photomultiplier forms a signal whose Froquens the rotational speed of the rotor responds. This signal is converted into a clipper amplifier Harmonics of the rotor frequency generated. Of these, a certain one will have a compared to the highly stable standard frequency oscillography. The principle of measurement in this known device is thus based on changing a predetermined harmonic frequency obtained by means of a signal reflected from the rotor Man assumes in this known device that the pressure at constant gas composition the relative decrease in speed in time is prepertienal, if the temperature of the rotor remains unchanged.

Bei Messungen Mittels dieser bekannten Vorrichtung bleibt zwar die Zahl der Gesmeleküle in der zu messenden Zeit erhalten, doch sind für genauere Messungen Drehnahlen des Roters erforderlich, durch die Frequenzen hervorgerufen werden, die in der Größenerdnung von 106 as liegen. Wenn die Genauigkeit der Frequen@@essung bei j 0.1 Hs liegt, wird ein Auflösungsvermögen der Meßeinrichtung von see erreicht. ven den Harmonischen der Rotorfrequenz sind höchstens die ersten 100 zu gebrauchen.In measurements using this known device, the Number of Gesmeleküle obtained in the time to be measured, but are for more precise measurements Turning numbers of the rotator are required, caused by the frequencies that are in the order of magnitude of 106 as. If the accuracy of the Frequen @@ measurement at j 0.1 Hs, a resolving power of the measuring device of see is achieved. For the harmonics of the rotor frequency, at most the first 100 should be used.

Deher ist eine Retordrehzahl von mindestens 104 Hz Verrausetzung für die g ge@nnte Auflösung. Soll nun bei einer Rotordrehzahl von 100 Hz gemessen werden, eo liegt die hächste brauchbare Harmonische bei 104 Hz. Das Auflösungsver@ögen der Meßeinrichtung beträgt in diesem Falle Jedoch nur noch 10-@/sec.Therefore a retor speed of at least 104 Hz is required for the given resolution. If you want to measure at a rotor speed of 100 Hz, eo is the highest usable harmonic at 104 Hz. The resolution delay In this case, however, the measuring device is only 10 - @ / sec.

Die Genauigkeit der Messung ist damnach der Rotordrehzahl proportional. Das heißt, sie ist klein bei niedrigen Drehzahlen. Um mit diesem bekannten Gerät beispielsweise einen Druck zu messen, der einem Drehzahlabfall von 10-10/sec entspricht, wird eine Zeitdauer von 30 Minuten benötigt. Ein weiteurer Nachteil dieses bekannten Gerätes besteht darin, daß die Verwendung von verhältnismäßig aufwendigen Bauelementen erforderlich ist.The accuracy of the measurement is proportional to the rotor speed. That is, it is small at low speeds. To use this well known device For example, to measure a pressure that corresponds to a speed drop of 10-10 / sec, a period of 30 minutes is required. Another disadvantage of this known Device is that the use of relatively expensive components is required.

Der Erfindung @ H@egt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zum Messen des Drucke tu Hochvakuum zu schaffen, dessen Genauigkeit unabhängig von der Drehzahl des Rotor ist, Mit dem somit eine große Genauigkeit auch bei niedrigen Drehzahlen erreichbar ist und das außerdem möglichst einfach in Aufbau und Handhabung ist. Die Erfindung geht dabei von der @rkenntnis aus, daß die relative Drehzahlabnahme in der Zeiteinheit durch #t1 - #to -#/f = #t2 darstellbar ist. Dabei sind #t1 und #to zwai aufeinanderfolgende Zeitabzchnitte für die gleiche vorbestimmte Zahl von Umdrehungen. #t bedeutet das arithmatische Mittel dieser beiden Zeitabschnitte.The invention @ H @ e is therefore based on the object of providing a device for measuring of the print tu create a high vacuum, its accuracy regardless of the speed of the rotor, with which thus a great accuracy even at low speeds can be reached and it is also as simple as possible to set up and Handling is. The invention is based on the knowledge that the relative Speed decrease in the time unit can be represented by # t1 - #to - # / f = # t2. Included # t1 and #to are two consecutive time segments for the same predetermined one Number of revolutions. #t means the arithmetic mean of these two time periods.

Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich, daß es möglich ist, das Verhältnis des Drehzahlabfalls zur ursprünglichen Drehzahl und somit den Druck im Hochvakuum durch Messung von Zeitintervallen zu rmitteln. Die Genauigkeit der Druckmessung hängt somit ab von der Genauigkeit des verwendeten Kurzzeitmessere und von der Länge der beiden aufeinanderfolgenden Zeitintervalle. Sie ist somit unabhängig von der Drehzahl des Rotors. Eine niedrige Umdrehungszahl ermöglicht es, die abbremsende Wirkung der Gasmoleküle auf den Rotor dadurch zu erhöhen, daß bei gleichbleibender Oberfläche das Trägheitsmoment verringert wird Gemäß der Erfindung ist daher bei de neuen Gerät eu Messen von Drucken tu Hochvakuum unter Verwendung eines in einem Magnetfeld aufgehängten in Usdrehungen versetzbaren rotationssymmetrischen Drehkörpers aus ferromagnetischem Werkstoff und zus Messen des Drehzahlabfalls ein Kurzzeitmesser, boispielsweise eine elektronische Stoppuhr, vorgesshen, wobei der Rotor ein im Verhältnis zur Größe der Gesamtoberfläche möglichst kleines Trägheitsmoment aufweist.From the above relationship it follows that it is possible that Ratio of the drop in speed to the original speed and thus the pressure in the To determine high vacuum by measuring time intervals. The accuracy of the pressure measurement thus depends on the accuracy of the short-term meter used and on the length of the two consecutive time intervals. It is therefore independent of the Speed of the rotor. A low number of revolutions enables the decelerating Increase the effect of the gas molecules on the rotor by keeping the same Surface the moment of inertia is reduced. According to the invention is therefore at The new device eu measuring pressures tu high vacuum using one in one Magnetic field suspended rotationally symmetrical rotating body that can be displaced in U rotations made of ferromagnetic material and a timer to measure the drop in speed, For example, an electronic stopwatch, vorgesshen, with the rotor one in proportion has the smallest possible moment of inertia for the size of the total surface.

An des Rotor des neuen Geräts zum Messen des Drucks tu Hochvakuum iet auf dem Rotor ein parallel zur Längsachse gerichteter schmeler Streifen vorgesehen, dessen Refle@-ionsvermögen von dem des Rotors abweicht. Durch die bei jeder Umdrehung des Rotors von des reflektierten Lichtstrahl in der Fotozelle hervorgerufenen Stromimpulse wird die elektronische Stoppuhr in an sich bekannter Weise gesteuert. Der erste Impuls einer vorgegebenon Zahl von Impulsen setzt die Stoppuhr in Gang Nach Aufnahme dieser Zahl von Impulsen schaltet sich die Stoppuhr automatisch ab. Die gemessene Zeit wird in einer sehr kurzen Zeit von 200 Mikrosekunden gespeichert und nach Messung der Zeitspanne für di e tu Anschluß daran aufgenommene aus der gleichen Anzahl von Impulsen bestehende Impulsfolge die Differenz der beiden unmittelbar aufeinander folgenden Zeitspannen gemeldet, gespeichert und angezeigt. Das erfindungsgemäße Meßgerät rmöglicht somit auf einfache Weise eins sehr genaus Druckmessung.On the rotor of the new device for measuring the pressure, do a high vacuum iet on the rotor a melting strip directed parallel to the longitudinal axis is provided, whose reflectivity differs from that of the rotor. Through that at every turn of the rotor caused by the reflected light beam in the photocell the electronic stopwatch is controlled in a manner known per se. The first Impulse of a given number of impulses starts the stopwatch after recording after this number of impulses the stopwatch switches itself off automatically. The measured Time is saved and measured in a very short time of 200 microseconds the period of time for the connection to it recorded from the same number of Impulses existing impulse sequence is the difference between the two directly on top of one another the following time spans reported, saved and displayed. The inventive The measuring device thus enables a very precise pressure measurement in a simple manner.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor als Hohlzylinder Mit kreisförmiger Grundfläche ausgebildet und weist eine halbkugelförmige oder rotatienzsymmetrische, sich nach oben verjüngende Kappe auf. DI es infolge der nidrigen Drehzahlen, die des Rotor erteilt werden können, sicht auf die mechanische Stabilität des Rotor ankommt, ist es ohne weiteres möglich, einen Werkstoff mit geringerer Zugfestigkeit zu verwenden. Xaeh einer vorteilhaften Weiterausbildung der Erfindung wird daher als Werksto@f für den Rotor ein Material verwendet. das einen möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffisienten besitzt.According to an advantageous embodiment of the invention, the rotor Designed as a hollow cylinder with a circular base and has a hemispherical or rotation-symmetrical, upwardly tapering cap. DI it as a result of the low speeds that can be given to the rotor, the mechanical point of view Stability of the rotor matters, it is easily possible to use a material use lower tensile strength. Xaeh an advantageous further education According to the invention, a material is therefore used as the material for the rotor. the as low as possible has thermal expansion coefficients.

Dadurch wird die Temperaturabhängigkeit der Messungen bei dem neuen Gerät zum Messen von Drucken im Hochvakuum erheblich verringert. Eine Änderung des Trägheitamomente infolge Temperaturänderungen während der Messungen kann nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch durch die Anordnung von Bi-Metallstreifen an des Rotor kompensiert werden.This makes the temperature dependency of the measurements in the new Device for measuring pressure in high vacuum significantly reduced. A change in the Moments of inertia as a result of temperature changes during the measurements can after a Another advantageous embodiment of the invention also through the arrangement of bi-metal strips be compensated on the rotor.

Da bei dow neuen Gerät zus Messen von Drucken im Hochvakuum der Rotor verhältnismäßig gering auf Zugspannung beansprucht wird, ist es ohne weiteres möglich, ein Material zu verwenden, dessen Zugfestiekgit gering ist, wenn dies bei einem Werkstoff in Kauf genommen werden muß, der den Anforderungen eines geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer geringen magnetischen Re@anenz ntsprechen soll. Zum Entga@en im Hochvakuum kann es nämlich erforderlich sein, den Rotor auf eine Temperatur von etwa 5000 C zu erhitzen. Er darf sich daher nicht verformen.The new device at dow also measures pressure in a high vacuum, the rotor where the tensile stress is relatively low, it is easily possible to to use a material whose tensile strength is low, if this is the case for a Material must be accepted that meets the requirements of a low thermal Coefficient of expansion and a low magnetic resonance should correspond. For degassing in a high vacuum, it may be necessary to move the rotor to a Heat to a temperature of about 5000 C. It must therefore not deform.

Für den Rotor muß ein solcher Werkstoff verwendet werden, bei des nach d m Abschalten des Magnetfeldes kein Restmagnetismus verbleibt. Vird dies nicht berücksichtigt, so können die Acherichtungen des infolge Remanenz verbleibenden magnetischen Feldes und des Rotor voneinander abweichen. Dies würde zu einer schiefen Aufhängung führen, die bei der Umdrehung ein Schlingern hervorrufen würde. Die dadurCh auftretenden Wirbelströme würden su einer zusätzlichen Abbremsung des Rotor und somit zu einer Verfälschung des Meßergebnisses fuhren. Als Werksteff für den Retor wird daher eine aus 70% Fe und 30% Ge bestehende Legierung verwendet, die eine sehr kleine magnetische Remanenz besitzt.Such a material must be used for the rotor, in the case of after switching off the magnetic field, no residual magnetism remains. This is not the case are taken into account, the directions of the remaining as a result of remanence magnetic field and the rotor differ from each other. This would lead to a lopsided Lead suspension that would cause a roll when rotating. The dadurCh occurring eddy currents would su an additional braking of the rotor and thus lead to a falsification of the measurement result. as Werksteff an alloy consisting of 70% Fe and 30% Ge is therefore used for the retor, which has a very small magnetic remanence.

In der Zeichnung ist ein Ansführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes zum Messen von Drucken im Mechvakut@@ dargestellt. Es zeigen, Fig. 1 eine Prinzipakizze des neuen Meßgerätes, Fig. 2 den Rotor des erfindungsgemäßen Meßgerätes.In the drawing is an exemplary embodiment of the invention Device for measuring pressure in the Mechvakut @@ shown. There show Fig. 1 a Sketch of the principle of the new measuring device, FIG. 2 the rotor of the measuring device according to the invention.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein in des Vakuumgefäß 1 angeerdneter Rotor 2 unterhalb eines Elektremagneten 3 in einem Magnetfeld Mit eines zur Dämpfung seitlicher Schwingungen vorgesehenen Ü1-bad 4 eintauchenden Eis@ @kern 5 magnetisch aufghängt. Dadurch, daß das Magnetfeld axialsymmetrisch ausgebildet ist, fallen in der horizontalen Ruhestellung des rotors 2 Rotorachse und Längsachse des Magnetfeldes zusammen. Die für die vertikals Ruhestellung des Rotor vorgeschene Steuerung des erfindungsgemäßen Meßgerätes besteht aus einer so ang@ erdneten Glühlampe 7, da@ der von dieser ausgesandto Lichtstrahl die Achse des Magnetfeldes senkrecht schneidet und nach Durchgang durch ein zweckmäßig in an sich bekannter @ eise angeordnetes Linsensystem 10 auf eine Fotozelle b gerichtet ist. Durch diesen Lichtstrahl ist die Ruhelage des höch@@@@ Punktes des Rotors festgelegt; der durch den Lichtstrahl in der Fotozelle 8 hervorgerufens Strom wird über einen Servoverstärker 9 der Wicklung des Elektromagneten 3 Mit der wirkung zugeleitet, daß bei Unterbrechung des Lichtstrahl es, das heißt, bei Veringerung des Abstandes zwischen Rotor 2 und Elektromagnet 3 die magnetische Feldstärke verrin-Gert wird, so daß der Rotor wieder absinkt.As can be seen from Fig. 1, a grounded in the vacuum vessel 1 is Rotor 2 below an electric magnet 3 in a magnetic field with one for damping lateral vibrations provided Ü1-bath 4 immersing ice @ @kern 5 magnetic hung up. Because the magnetic field is axially symmetrical, fall In the horizontal rest position of the rotor 2 rotor axis and longitudinal axis of the magnetic field together. The control of the preceding for the vertical rest position of the rotor measuring device according to the invention consists of a so ang @ grounded bulb 7, because @ the light beam emitted by this intersects the axis of the magnetic field perpendicularly and after passing through an appropriately arranged in a manner known per se Lens system 10 is directed to a photocell b. Through this ray of light is the rest position of the highest @@@@ point of the rotor is determined; the one through the ray of light The current generated in the photocell 8 is fed to the winding via a servo amplifier 9 of the electromagnet 3 with the effect that when the light beam is interrupted it, that is, when reducing the distance between rotor 2 and Electromagnet 3 the magnetic field strength is reduced so that the rotor sinks again.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist auf dem Rotor 2 ein schmaler Streifen 6 vorgesehen, dessen Reflexionsvermögen ich erheblich von des Reflexionsvermögen der Oberfläche des Rotor unterscheidet. Dieser Streifen kann beispielsweise durch Aufdampfen eines geeigneten Werkstoffes. zum Beispiel eines Metalls, auf die Rotoroberflüche aufgebracht werden. Dadurch wird erreicht, daß der von der Lichtquelle 7 auf die Rotoroberfläche auftreffende Lichtstrahl beia @@ ssieren eines bestimmten Raumpunktes Jeweils eine Rotorumdrehung anzeigt. An dieser Stelle ist ein au sich bekanntes Gerät zur Registrierung, also beispielsweise eine Fotozelle 12, mit einem vorgeschalteten Linsensystem 11 angeordnet. Die Rotor zelle 12 ist gemäß der Erfindung mit einer elektronischen Mikrosakundenstoppuhr 13 mit digitaler Anzeige so verbunden, daß zwei aufeinanderfolgende, flir eine vorbestimmte Anzahl von Umdrahungen des Rotor festgelegte Zeitintervalle registriert werden. Die Differenz dieser Zeitintervalle ist dem Gasdruck bei einer bestimmten Gasart und Temperatur proportional. Durch antsprechende Eichtung der verwendeten Stoppuhr in Druckeinheiten kann das Heßergebnis unmittelbar als Druck abgelesen werden.As can be seen from FIG. 2, there is a narrow strip on the rotor 2 6 provided, the reflectivity of which I differ significantly from the reflectivity the surface of the rotor differs. This strip can for example by Vapor deposition of a suitable material. for example a metal on the rotor surface be applied. This ensures that the light source 7 on the Light beam hitting the rotor surface at a certain point in space Indicates one rotor revolution at a time. At this point is a familiar one Device for registration, for example a photocell 12, with an upstream Lens system 11 arranged. The rotor cell 12 is according to the invention with a electronic microscopic stopwatch 13 connected to the digital display so that two consecutive rotations of the rotor for a predetermined number of times specified time intervals are registered. The difference between these time intervals is proportional to the gas pressure at a certain gas type and temperature. By Corresponding calibration of the stopwatch used in pressure units can be the result of the measurement can be read immediately as a pressure.

Wie aus Fig, 2 hervorgeht, sind in des von d Rotor 2 eingeschlossenen Rau. zur Temperaturkompensation Bi-Metallstreifen 14 vorgesehen. Dadurch wird verhindert, daß bei einer Temperaturerhöhung während der Meßzeit sich durch etwaige radiale AUJ-dehnung des Rotors 2 dessen Trägneitsmonent vergrößert. Eine Verfälschung des Meßergebnisses wird dadurch verhindert.As can be seen from FIG. 2, the rotor 2 enclosed by d is included Rough. Bi-metal strips 14 provided for temperature compensation. This prevents that with a temperature increase during the measurement time by any radial AUJ expansion of the rotor 2 increases its moment of inertia. A falsification of the This prevents the measurement result.

Claims

P a t e n t a n t s p r ü c h e 1. Device to wet the pressure in the High vacuum with an adjustable revolutions suspended in a magnetic field Rotationally symmetrical rotor made of ferromagnetic material g e k e n n -z e i c h n 0 t d u r c h the arrangement of a timer - for example one electric stopwatch - the one reflected from one of the surface of the rotor, a beam of light incident on a fetal cell connected to the timer is switched on and in a manner known per se in two directly consecutive, predetermined Periods of time required for the same number of rotations of the rotor Records and saves time intervals.

2. Measuring device according to claim 1 d d u r e h g e -k e n n n z e i c h n e t that the rotor is as small as possible in relation to the size of the total surface Has moment of inertia.

3. Measuring device according to claims 1 and 2 d Q d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the rotor is a hollow cylinder with a circular base and with one the cylindrical part upwardly hemispherical or rotationally symmetrical is formed upwardly tapering cap.

4. Measuring device according to claim 3 d a d u r c h g e -k * a n z e i o h n e t that on the rotor a narrow strip directed parallel to the longitudinal axis is provided whose reflectivity differs from that of the rotor.

5. Measuring device according to one of the preceding claims, d a d u r c h it is noted that the rotor is made of a material with as little as possible thermal expansion coefficient is formed.

6. Measuring device according to claim 5 d a d u r c h g e -k e n n z e i o h n e t that the rotor is made of a material with high temperature resistance.

7. Measuring device according to claims 1 to 4 d a -d u r c h g e k e n n notices that to avoid changes in the moment of inertia as a result Temperature fluctuations in the bi-metal strip cavity formed by the rotor are provided.

8. Measuring device according to the preceding claims d a d u r c h g e k It is noted that the rotor is made of a ferromagnetic material from low remenence is formed.