DE1573923A1

DE1573923A1 - Ionisations-Vakuumeter

Info

Publication number: DE1573923A1
Application number: DE19661573923
Authority: DE
Inventors: Lloyd William Arthur; Jepsen Robert Lawrence
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1965-03-05
Filing date: 1966-03-04
Publication date: 1970-06-04
Also published as: US3387175A; GB1112796A

Description

Priorität! 5· März 1965 - Vereinigte Staaten von Amerika US-Ser.No. 437,456

Mit dem Bayard-Alpert-Vakuumeter (21 Review of Scientific Instruments 571» 1950) ist ein Laborinstrument verfügbar gemacht worden, mit dem Druckmessungen bei um zwei Grössenordnungen kleineren Drucken als bisher durchgeführt werden konnten. Versuche, noch niedere Drucke zu erreichen, sind dadurch behindert worden, daß es bisher nicht möglich war, ein Vakuumeter

-11 zu konstruieren, dessen Röntgenstrahlengrenze tiefer liegt als 2x10 Torr, der derzeitig als gültig angesehenen Grenze des Bayard-Alpert-Vakuumeters.

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Die Erfindung betrifft ein verbessertes Ionisations-Vakuumeter, dessen· · wirksame Röntgenstrahlengrenze erheblich herabgesetzt worden ist und bisher noch nicht festgestellt werden konnte.

Übliche Ionisations-Vakuumeter umfassen normalerweise: einen Ionenkollektor mit relativ kleiner Oberfläche, beispielsweise ein dünner Draht; ein stark positiv geladenes Gitter, das den kollektor umgibt und die Elektronen sowohl beschleunigt als auch gegebenenfalls sammelt, und eine Drahtkathode, die außerhalb des Gitters angeordnet ist und die Elektronen emittiert, -^s ist bekannt, daß die Elektronen unter Umständen das Gitter streifen, und zwar mit ausreichender Energie, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Trotz der Kleinheit fängt der Ionenkollektor einen Teil dieser Röntgenstrahlen noch ab, und das führt zu Photoemission von Elektronen von der Ionenkollektoroberflache. Wie bekannt ist, kann das Ankommen positiver Ionen auf der Ionenkollektoroberflache im Ionenkollektormeßkreis nicht von der Abgabe ' von Photoelektronen unterschieden werden, so daß hierdurch eine deutliche Begrenzung der niedersten meßbaren Drucke gegeben ist· Durch Messung des Röntgenstrahlen-Stroms im Vakuumeter kann auf Drucke etwas unterhalb der Röntgenstrahlengrenze geschlossen werden (indem der Röntgenstrahlen-Strom vom Gesamtstrom abgezogen wird), aber die Genauigkeit, mit der dieser Druck bestimmt werden kann, wird natürlich durch das Vorhandensein dieses Röntgenstrahlen-Stroms erheblich verschlechtert.

Durch die Erfindung soll ein verbessertes Ionisations-Vakuumeter mit erheblich herabgesetzter Röntgenstrahlengrenze verfügbar gemacht werden.

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Kurz gesagt wird durch die Erfindung gelehrt, ein Ionisations-Vakuumeter aufzubauen, bei dem die Punktionen der Beschleunigung und des Sammelns der Elektronen im Effekt getrennt sind, indem eine hochgespannte Elektrode zur Beschleunigung der Elektronen und eine Elektrode niedrigerer Spannung zum Sammeln der Elektronen vorgesehen wird, so daß die Produktion von Röntgenstrahlen erheblich herabgesetzt wird. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Magneteinrichtung vorgesehen, die bezüglich der Elektroden des Vakuumeters so angeordnet ist, daß die Elektronen gezwungen werden, sich so zu bewegen, daß sie an der Elektronenbeschleunigerelektrode vorbeilaufen, jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß sie A die Elektronenkollektorelektrode treffen und dort gesammelt werden, nachdem sie einen stark verlängerten Elektronenweg zurückgelegt haben. Wegen der niedrigen Energie, mit der die Elektronen gesammelt werden, ist die Röntgenstrahlenerzeugung stark verringert. Gleichzeitig können die Photoelektronen, die durch restliche Röntgenstrahlen erzeugt werden, die auf den lonenkollektor auftreffen, vom magnetischen Feld in der Weise zusammengefasst werden, daß sie zum Ionenkollektor zurückführenden Wegen folgen, wodurch der Röntgenstrahlenefiekt weiter herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird.ein Ionisations-Vakuumeter verfügbar gemacht, in dem eine hochgespannte Elektrode zur Beschleunigung von Elektronen, eine Elektrode niedriger Spannung zum Sammeln von Elektronen, und eine Magneteinrichtung so angeordnet sind, daß die Elektronen gezwungen werden, sich so zu bewegen, daß sie gerade die Elektronenbeschleunigungselektrode verfehlen, aber mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Eiektronensammelelektrode auftreffen, nachdem sie einem stark verlängerten Elektronenweg gefolgt sind.

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Weiter wird erfindungsgemäß ein Ionisations-Vakuumeter dieser Art verfügbar gemacht, bei dem der Ionenkollektor so angeordnet ist, daß die meisten ^hotoelektronen, die durch restliche Röntgenstrahlen erzeugt werden können, die auf die Ionenkollektoroberiläche auftreiben, vom Magnetfeld in der Weise gelenkt werden, daß sie zum Ionenkollektor zurückführende Wege verfolgen.

Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen! Fig. 1 einen '^eilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Vakuumeter, das an fe ein Vakuumsystem angeschlossen ist, zusammen mit der schematisch dargestellten zugehörigen Schaltung;

^ig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; und Fig. 3 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform eines Elektronenbeschleunigers nach der Erfindung.

Gemäß Fign. 1 und 2 weist ein Vakuumeter 11 eine ^lektronen-Primärquelle 12, einen Elektronenbeschleuniger 13» einen Elektronenkollektor 14, einen lonenkollektor 15 und eine Magneteinrichtung 16 auf.

Die Elektronenquelle 12 kann ein Glühdraht sein, beispielsweise aus thoroxydbeechichtetem Iridium,in Form eines dünnen, zylindrischen Hinges, der koaxial in der Grundplatte des V_akuumeters 11 auf Heizzuleitungsdrähten 17» 18 in der Nähe des unteren Endes des Elektronenbeschleunigers 13 gehaltert ist. Die Elektrode 12 dient als Quelle für Primärelektronen, die mit den Gasmolekülen kollidieren, um positive ^onen zu bilden·

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Der Elektronenbeschleuniger 13 ist ein längliches Metallelement, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, in Form eines dünnen Stabes mit relativ kleiner Oberfläche, die auf einem Zuleitungsdraht 19 längs der Achse des lonenkollektors 15 gehaltert ist. Die Elektrode 13 wird auf hohem positiven Potential gehalten, so daß Elektronen beschleunigt werden, ist jedoch, wie noch erläutert wird, so angeordnet, daß sie praktisch keine dieser Elektronen abfängt.

Der Elektronenkollektor I4 ist ein kurzes zylindrisches Element, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, der um ein Ende des Elektronenbeschleunigers I3 % angeordnet ist und von einem Zuleitungsdraht 20 gehaltert ist. Die Elektrode 14 ist so angeordnet, daß sie fast alle Elektronen auffängt und sammelt, und sie wird auf einem positiven Potential gehalten, das niedrig genug ist, so daß aufprallende Elektronen keine Röntgenstrahlen von der Elektronenkollektoroberfläche auslösen.

Der Ionenkollektor I5 ist ein längliches, zylindrisches Element, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, und bildet einen Teil der Außenwand des Vakuumeters 11. Der Kollektor I5 liegt typischerweise auf oder in der Nähe von ä Massepotential oder Erde und dient dazu, Atome oder Moleküle zu sammeln, die durch Kollisionen mit Elektronen positiv ionisiert sind.

Eine gläserne oder keramische Stirnwandanordnung 21, durch die die Zuleitungsdrähte elektrisch isoliert und vakuumdicht hindurchgeführt sind, ist dicht an die Grundfläche des Kollektors I5 angeschlossen· Ein gläserner oder keramischer Ring 22, der zwischen die Oberseite des Kollektors I5 und

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einen Metallring 23 eingeschlossen ist, dient dazu, das Vakuumeter 11 vakuumfest zu machen und isoliert den Kollektor 15 elektrisch gegen Ring 23· Der Ring 23 ist an einen Vakuumflansch 24 angeschweißt und kann lösbar vakuumdicht mit einem passenden Flansch 25 verbunden werden, der an die Wand 26 eines Systems angeschweißt ist, dessen Druck zu messen ist, und zwar nach Zusammenpressen einer Weichmetalldichtung 27, beispielsweise durch Dichtziehen von in Umfangsrichtung verteilten Bolzen 28. Damit stellt das Vakuumeter 11 in der dargestellten Form einen evakuierbaren Ansatz an die Wand 26 des Systems dar, dessen Druck gemessen werden soll.

Die Magneteinrichtung 16 besteht aus einem ringförmigen, zylindrischen Element, das entweder ein Permanentmagnet oder eine elektromagnetische Spule sein kann, die verschiebbar um den Ionenkollektor 15 herum angeordnet ist und gegen diesen mittels einer Isolierhülse 29 isoliert ist. Die keramische Stirnwand 21, der Ring 22 und die ^ülse 29 müssen sehr hohen Widerstand haben, so daß sich keine Leckströme hierüber bilden können.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die magnetische Einrichtung 16 bezüglieh der Elektroden des Vakuumeters 11 so angeordnet, daß von der Quelle emittierte Elektronen gezwungen werden, sich in modifizierten zykloiden Wegen gerade am Elektronenbeschleuniger 13 vorbeizubewegen, wenn sie sich axial nach oben auf den Elektronenkollektor 14 zu bewegen.

Es wurde beobachtet, daß ein Reststrom zum Ionenkollektor 15 fließt, der durch Ionenemission vom Draht 12 verursacht ist. Der lonenkollektor 15 ist elektrostatisch durch einen Ionenunterdrücker gegen den Draht 12 geschützt? der Ionenunterdrücker besteht aus einem zylindrischen Element 3^» vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, der von einem Zuleitungsdraht 31 gehaltert ist.

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Im Betrieb befindet sich der ^onenkollektor I5 hauptsächlich auf Erdpotential, der Ionenstrom wird dabei mit irgendeiner geeigneten Einrichtung 32 gemessen, mit der sehr kleine Ströme gemessen werden können. Der Draht wird auf +15 bis +40 Volt gegenüber Erde mittels einer Energiequelle 33 gehalten; der Elektronenbeschleuniger 13 mittels einer Energiequelle 34 auf +175 bis + 5OO Volt gegen Erde, der Elektronenkollektor I4 mittels einer Energiequelle 35 auf +10 bis +3O Volt gegen den Draht 12 und der lonenunterdrücker JO mittels einer Energiequelle 36 auf -20 Volt gegen den Draht 12. Heizleistung zum Aufheizen des Drahtes 12 wird von einer Energiequelle 37 geliefert, typischerweise 2 bis 3 Volt und 3 bis 4 Ampere. Die Λ Magneteinrichtung 16 liefert eine magnetische Feldstärke von 6OO bis 800 Gauss im Elektrodenbereich des Vakuumeters 11.

Elektronen werden vom Draht 12 emittiert und zum Elektronenkollektor I4 beschleunigt, und zwar hauptsächlich durch das Potential des Elektronenbeschleunigers 13· Bei anderen Ausführungsformen, wie beispielsweise in Fig. 3 illustriert, kann der Elektronenbeschleuniger 13¹ so konstruiert werden, daß er weiter das Absaugen von Elektronen vom Draht 12 unterstützt, beispielsweise dadurch, daß ein nach außen ragendes scheibenartiges Element 38 vorgesehen wird. Vor dem Sammeln kollidiert jedoch eine gewisse Anzahl von Elektronen mit Gasatomen und Molekülen, so daß positive Ionen gebildet werden. Diese positiven Ionen werden im Ionenkollektor I5 gesammelt, wodurch ein Strom durch die Einrichtung 32 verursacht wird; die Zahl der aufgenommenen Ionen ist eine Anzeige für die molekulare Dichte, d.h. den Druck. Die magnetische Einrichtung 16 ist bezüglich der Elektroden des Vakuumeters so angeordnet, daß die Elektronen gezwungen werden, sich in modifizierten zykloidischen Wegen zu bewegen und dabei den Elektronenbeschleuniger I3

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gerade zu verfehlen, wenn sie sich aufwärts bewegen, es soll jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür bestehen, daß die Elektronen auf die Elektrode 14 aufprallen und dort gesammelt werden, nachdem sie einen stark verlängerten Elektronenweg zurückgelegt haben. Gleichzeitig werden etwaige Photoelektronen, die durch auf die J-onenkollektoroberfläche auftreffende Röntgenstrahlen erzeugt worden sind, gezwungen, zum Ionenkollektor zurückzukehren, wodurch der Röntgenstrahleneffekt stark herabgesetzt wird.

Bei einer verwirklichten Ausführungsform, bei der Potentiale in den oben angegebenen Bereichen verwendet wurden, wurden vorgesehen⁵ ein Alnico YIII-Magnet, der eine Feldstärke von 67O Gauss lieferte, ein Kollektor von
31,8 mm (1 1/4 Zoll) Durchmesser und 31 »8 mm (. 1 1/4 ZoIlJ Länge, ein
Elektronenbeschleuniger mit einem Stab von 3f2 mm (1/8 Zoll) Durchmesser und ein Draht, der in einem Durchmesser von I9 mm (3/4 ZoIlJ in 1O, 2 mm (0,4 Zoll) Entfernung vom Ende des Elektronenbeschleunigerstabes ange-,
ordnet war, sowie ein Elektronenkollektor von 25>4 ^mm O ^oll) Durchmesser und 6,4 mm (0,25 Zoll) Länge. Bei dieser Konstruktion ergaben sich verschiedene Vorteile. Beispielsweise wurde die Empfindlichkeit durch die Nähe' der Elektronenwolke zum Ionenkollektor und die größere Elektronenweglänge erhöht.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-fNG. H. KLAUS BERNHARDT I O / J 9 4 3 8000 MDNCHEN 23 · MAINZEHSTH.5 γ-] ργβ JJ Patentanspruch

1. Ionisations-Vakuumeter zur Bestimmung von Drucken in einem vorgegebenen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß vier voneinander entfernte Elektroden ύ einen Elektrodenbereich bilden, nämlich eine Elektronenquelle, ein hochgespannter Elektronenbeschleuniger, ein Elektronenkollektor niedriger Spannung und ein Ionenkollektor, und daß eine magnetische Einrichtung so angeordnet ist, daß die Elektronen sich so bewegen, daß sie den Elektronenbeschleuniger verfehlen, aber eine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß sie im Elektronenkollektor gesammelt werden.

2. Vakuumeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung so angeordnet ist, daß von auf den lonenkollektor auftref- g fenden Röntgenstrahlen erzeugte Photoelektronen gezwungen werden, zum lonenkollektor zurückzukehren.

3. Vakuumeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenbeschleuniger ein längliches Element ist und die Elektronen modifizierte zykloidische Wege um den Beschleuniger herum zurücklegen, wenn sie axial in Richtung des Elektronenbeschleunigers wandern.

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4· Vakuumeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Elektronenquelle eine elektrostatische Abschirmung vorgesehen ist, mit der die Elektronenquelle vom Ionenkollektor abgeschirmt wird.

5· Ionisations-Vakuumeter zur Bestimmung von Drucken in einem gegebenen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß vier voneinander entfernte Elektroden einen Elektrodenbereich bilden, nämlich ein rohrförmiger Ionenkollektor, ein länglicher Elektronenbeschleuniger mit relativ kleiner Oberfläche, P der koaxial zum Ionenkollektor liegt, eine Elektronenquelle, die innerhalb des Ionenkollektors angeordnet ist und um ein Ende des Elektronenbeschleunigers herum, und ein zylindrischer Elektronenkollektor, der innerhalb des Ionenkollektors und am anderen Ende des Elektronenbeschleunigers angeordnet ist, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Achse mit der Achse des Ionenkollektors und des Elektronenbeschleunigers zusammenfällt.

6. Vakuumeter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß vom Elektronenk beschleuniger in der Nähe der Elektronenquelle ein scheibenförmiges Element nach außen hervorsteht.

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