DE1908391U

DE1908391U - Messinstrument fuer vakua.

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Publication number: DE1908391U
Application number: DE1964B0058871
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1964-09-04
Filing date: 1964-09-04
Publication date: 1965-01-14

Description

BBC

BROW,BOVERI & CIE
Aktiengesellschaft

Mannheim

Mannheim, den 31. 8, 1964. Pat„R/Mi
Mp ο-Hr. 637/64

Meßinstrument für Vakua

Im allgemeinen ist ein Vakuum durch den Brück der darin befindlichen Gase und Dämpfe gekennzeichnet. Die Messung des Druckes kann direkt durch Bestimmung der Kraft, die auf eine Meßfläche wirkt, erfolgen. Außerdem sind Meßgeräte "bekannt, die den Druck indirekt ü"ber die Einwirkung der Gase und Dämpfe auf eine andere Meßgröße, "beispielsweise den Widerstand eines geheizten Fadens, ermitteln.

Bei höheren Vakua sind diese Meßgeräte nicht mehr anwendbar« Mir derartige Vakua sind Meßgeräte bekannt, die auf der Proportionalität von Druck und Teilchenzahl beruhen. Bei diesen Meßgeräten wird ein bestimmter Anteil der Teilchen ionisiert und in einem elektrischen Feld abgesaugt. Der entstehende Strom wird gemessen. Er ist ein Maß für die Teilchenzahl und damit für den Druck.

Je nachdem, ob die Gesamtzahl aller im Volumen bzw. in der Volumeneinheit vorhandenen Teilchen oder die Zahl einer bestimmten Art "von Teilchen zu bestimmen ist, werden Totaldruck-oder Partialdruckmeßvorrichtungen verwendet. Totaldruckmeßgeräte "zählen" die Ionen unabhängig von ihrer Masse nur nach der ladung. Partialdruckmeßgeräte dagegen zählen die Ionen getrennt nach ihrem Verhältnis von Ladung zu Masse und unterscheiden dadurch die verschiedenen Teilchenarten,

Auch sind Desorptionsmeßgeräte bekannt, d-i-e darin bestehen, daß die auf einer reinen Fläche längere Zeit adsorbierten Gasoder Dampf teilchen, deren Zahl vom Druck "\a"bhängig ist, in kurzer Zeit auf einmal desorbiert werden. 'Der remitierende Druckanstieg wird mit einem der obenangegebenen lonisierungs-

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meßgeräte gemessen. Aus dem Meßergebnis wird unter Berücksichtigung von Volumen, Sammelzeit und Gröfe der reinen Fläche auf den gefragten Druck geschlossen.

Die verschiedenen Teilchenarten können bei verschiedenen Temperaturen nacheinander desorbiert werden, so daß mit dieaa Meßgeräter, auch auf den Partialdruck der verschiedenen im Volumen vorhandenen Gase oder Dämpfe geschlossen werden kann₀

Alle diese bekannten Meßgeräte gestatten, die Anzahl der in einem Volumen vorhandenen Teilchen und daraus den Druck zu bestimmen. Diese Größen chaiEkterisieren jedoch bei extrem hohen Vakua den Zustand des Vakuums nur unvollkommen«

Das liegt in folgendem begründet:

Die im Volumen enthaltenen Teilchen stoßen auf die Innenwandung des Behälters und die Oberfläche von Gegenständen in dem Behälter und bleiben dort zum Teil haften. Die Zahl der Wandstöße hängt von der Temperatur,der Masse und Anzahl der Teilchen ab₀ Die sogenannte Haftwahrscheinlichkeit ist abhängig von der Art der Teilchen, der Art der Fläche und deren Temperatur und Beschaffenheit» Infolge dieses Effektes wird eine Oberfläche in einem Vakuum nach längerer oder kürzerer Zeit mit einer Monoschicht oder mehreren Teilchenschichten bedeckt.

Will man Experimente an reinen Flächen in einem Vakuum durchführen, muß daher sichergestellt sein, daß die Wiederbedeckung nach einer Reinigung der Fläche so langsam erfolgt, daß die Experimente vor der Bildung einer störenden Bedeckung beendet werden können,,

Zur Charakterisierung eines entsprechenden Vakuums ist deshalb die F/iederbedeckungszeit einer reinen Oberfläche besser geeignet als die Zahl der Teilchen im Volumen bzw, der Druck. Aus der Teilchenzahl kann zwar im Prinzip auf die Wiederbedeckungszeit geschlossen werden, aber durch die Vielzahl der einflußnehmenden Größen ist diese im allgemeinen nur mangelhaft möglich. Außerdem ist es nicht möglich, eine Aussage über den zeitlichen Verlauf der Wiederbedeckung zu machen.

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RA.775G77-U1W

Mannheim, den 23.Ιο.1964 Pat. E/Gr

Aktenz.: B 58 87l/42k Mp.-Mr. 637/64

Heuer Beschreibungsteil
(ersetzt Seite 3 der ursprünglichen Fassung)

Mit den obenbeschriebenen bekannten Desorptionsmeßgeräten kann zwar die Bedeckung einer reinen Fläche gemessen werden, doch sind diese Meßgeräte nur in verhältnismäßig kleinen evakuierten Eäumen anwendbar, weil nur in diesen ein meßbarer Druckanstieg durch die Desorption auftritt. Weil außerdem zur Messung des Druckes eine der obenangeführten ionisierenden Druckmeßgeräte benutzt werden muß, kommen auch deren andere Machteile voll zur Wirkung. Außerdem ist damit die kontinuierliche Messung des zeitlichen Verlaufes der Wiederbedeckung unmöglich

Aufgabe der Neuerung ist es, die Machteile der obenbeschriebenen Meßgeräte zu vermeiden. Sie betrifft ein Meßinstrument für Vakua. Die Meuerung ist gekennzeichnet dur£h zwei innerhalb des zu messenden Vakuums in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete^ Elektroden, einer eine Vorrichtung zur Erregung einer Elektronenemission aufweisenden Emitterelektrode und einer mit einer Vorrichtung zur Entfernung der Bedeckung ihrer Oberfläche mit Gas-oder Dampfteilchen versehenen Kollektorelektrode, und einem außerhalb des Vakuums angeordneten Anzeigeteil, der aus einem als Meßgerät dienenden gegebenenfalls mit einem Verstärker zusammengebauten elektrischen Meßinstrument besteht.

Bin Beispiel eines Meßinstrumentes für Vakua gemäß der Meuerung ist in der Fig. 1 dargestellt«

In einem zu bestimmenden Vakuum sind zwei zueinander parallele, gut polierte und gegeneinander isolierte Elektroden 1 und 2 angeordnet. Die der Elektrode 2 zugewandte Fläche der Elektrode dient als reine Fläche und Kollektor für die Elektronen, die von der als G-lühelektrode ausgebildeten Emitterelektrode 2

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emittiert werden. Beide Elektroden bestehen vorteilhafterweise aus demselben einkristallinen Material. Dadurch werden störende Einflüsse durch eine mögliche gegenseitige Bedampfung und unterschiedliche, ungleichmäßige Austrittspotentialen vermieden. Die Elektroden können in verschiedener Weise aufgeheizt werden. Sie können durch direkten Stromdurchgang, durch Strahlungsheizung oder durch Elektronenbeschuß erhitzt werden. In dem dargestellten Beispiel sind hinter den Elektroden 1 und 2 Glühfäden 3 und ...........

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4 angeordnet, mit deren Hilfe die Elektroden durch. Strahlung und/oder Elektronenbeschuß aufgeheizt werden,, Zwischen den Elektroden 1 und 2 kann eine weitere Elektrode 5 -vorgesehen sein, Die Elektrode 5 kann vorzugsweise eine Metallplatte sein, die mit einem Loch versehen ist. Die beschriebene Anordnung der Elektroden 1,2 und 5 kann zwischen den Polen 6 eines Magneten J_ liegen, dessen Feld parallel der Verbindungslinie der Elektroden verlauf to Dadurch werden die Elektronen auf eine bestimmte Bahn gezwungen. Der Magnet kann innerhalb oder außerhalb eines Vakuumgefäßes 18 angeordnet sein, es kann ein elektrischer oder Permanentmagnet sein.

Die Zuleitungen zu den Elektroden 1,2 und 5 sind aus dem Vakuumgefäß herausgeführte Die Emitterelektrode 2 kann unmittelbar, die als Blende dienende Elektrode 5 über eine variable Spannungsquelle 8 und ein Meßgerät 9 mit der Nullschiene 19 verbunden sein,, Durch die Spannungsquelle 8 kann die Elektrode 5 eine positive Vorspannung gegen die Elektrode 2 erhalten und dadurch als Saugelektrode wirken« Weil der Sättigungsstrom zwischen den Elektroden 1 und 2 dem Saugstrom, der unter der Spannung der Spannungsquelle 8 zur Saugelektrode 5 fließt, proportional ist, kann der Sättigungsstrom durch das Meßgerät 9 überwacht und durch die variable Spannung der Spannungsquelle 8 eingestellt werden» Die Elektrode 1 kann mit dem Abgriff einer variablen Spannungsquelle, die aus einem Potentiometer Io unä einer variablen Spannungsquelle 11 besteht, verbunden sein. Der Widerstand des Potentiometers Io kann eine feste Mittelanzapfung aufweisen, die über einen Widerstand 12 mit der Nullschiene verbunden sein kann. Außerdem kann die Elektrode 1 mit dem Pol 13 und die Mittelanzapfung des Widerstandes des Potentiometers Io mit dem Pol 15 eines Umschalters 14 verbunden sein» Der bewegliche Kontakt des Umschalters 14 kann mit einem Meßgerät 16 verbunden sein, dessen freier Anschluß an der HuIlschiene 19 liegen kann. Mit dem anzeigenden Meßgerät 16 kann ein schreibendes Meßgerät 17 kombiniert sein_e

Die Messung der Austrittspotentialänderung der reinen Fläche in dem evakuierten Behälter 18 kann folgendermaßen vorgenommen werden. Zunächst wird bei gereinigter Elektrode 1 die Emitter-

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elektrode 2 mit dem Glühfaden 3 aufgeheizt. Bei einer mit Hilfe der variablen Spannungsquelle 8 eingestellten bestimmten positiven Vorspannung der Elektrode 5 gegen die Elektrode 2 fliegen die von der Elektrode 2 emittierten Elektronen auf die Kollektorelektrode 1 und werden von dieser aufgefangen. Mit Hilfe der variablen Spannungsquelle 11 und dem Potentiometer Io kann die Spannung TJ zwischen der Elektrode 1 und 2, von welcher der Elektronenstrom J von der Elektrode 2 zur Elektrode 1 abhängt, verändert werden. Werden für verschiedene Werte dieser Spannung die zugehörigen Ströme gemessen und in logarithmischem Maßstab aufgetragen, so ergibt sich eine Kennlinie nach Fig. 2„ Linear mit der Spannung U wächst zunächst der Strom J₀ Von einem Wert TJ der Spannung TJ ab stellt sich ein Strom J ein, der bei einer weiteren Erhöhung der Spannung TJ seinen Wert behält«, Die sich aus dieser Messung ergebende Spannung TJ ist gleich der Differenz der Austrittspotentiale jZL der Emitterelektrode 2 und jzL der Kollektorelektrode 1»

Wird nach Bildung einer Monoschicht eine weitere Kennlinie aufgenommen, so ist diese um einen bestimmten Betrag verschoben, in ihrem Verlauf aber der ersten Kennlinie parallel, wie in Fig, 3 dargestellt ist. Der.Strom J erreicht jetzt bei einer Spannung TJ' den Wert <T_Q. Weil die Spannung U gleich der

Cg C

Differenz der Austrittspotentiale der Emitterelektrode 2 und Kollektorelektrode 1 ist, so stellt unter der Voraussetzung konstanter Betriebsbedingungen der Differenzwert der Spannungen TJ und TJ' die Änderung des Austrittspotentials der Kollektorelek-

trode 1 durch die Adsorption der Teilchen dar.

Zweckmäßig kann aber diese Differenz bei einem bestimmten Wert J des Stromes J bestimmt werden. Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, entsprechen diesem Wert des Stromes die Spannungen TJ und TJ' _β In diesem Pail kann der zeitliche Verlauf der Änderung

des Austrittspotentials durch Bedeckung kontinuierlich verfolgt werden.

Dazu bringt man den beweglichen Kontakt des Sehalters 14 mit dem Pol 15 in Verbindung, stellt einen bestimmten Wert für J^ ein und mißt ihn mit dem Meßgerät 16.

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Danach wird der bewegliche Kontakt des Schalters 14 mit dem Pol 13 "verbunden. Das Meßgerät zeigt netzt die Spannung TJ zwischen

el

Emitter 2 und Kollektor 1 an₀ Die Änderung des Austrittspotentials durch Bedeckung der reinen Fläche ist gleich der Änderung der Spannung TJ. ο Mit dem schreibenden Meßgerät 17 kann der zeitliche Verlauf der Austrittspotentialänderung aufgezeichnet werden. Diese Messung kann bei verschiedenen Temperaturen der Elektrode 1 durchgeführt werden« Dadurch wird erreicht, daß nur bestimmte Teilchenarten adsorbieren«

Zur Bestimmung der Teilchenarten kann es zweckmäßig sein, die Teilchen, die sich auf der zunächst "völlig desorbierten reinen Fläche der Elektrode 1 nach einer gewissen Zeit adsorbierten, schrittweise in bestimmten Temperaturstufen zu entfernen und bei jeder Temperaturstufe die Änderung der Spannung TJ zu messen

bzw. aufzuzeichnen.

Die Messung des Meßinstrumentes ist unabhängig von der Größe des evakuierten Raumes und der Größe der Fläche des Kollektors, Es können Mittel zur Einhaltung bestimmter, stufenweise oder kontinuierlich wählbarer Temperaturen der als reine Fläche dienenden Kollektor-Elektrode 1 und/oder der Emitterelektrode 2 vorgesehen sein. Auch können Vorrichtungen vorgesehen sein, welche gestatten, die Temperatur der Elektrode 1 und/oder 2 zu messen.

Das Entfernen der Bedeckung der als reine Oberfläche dienenden Elektrode von den Gas-oder Dampfteilchen kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann die als reine Fläche drenende Elektrode mit einer Vorrichtung zum lonenbeschuß, Elektronenbeschuß, zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen oder zum Bedampfen mit einer Metallschicht versehen sein.

Die Messung beruht auf folgender Grundlage: Die Bedeckung einer Fläche mit Gas-oder Dampfteilchen bewirkt eine Änderung des Austrittspotentials dieser Fläche, Das Austrittspotential ist die bestimmende Größe für die thermische Elektronenemission. Bei der Adsorption eines Gas-oder Dampfteilchens an einer Metalloberfläche bilden diese Teilchen nämlich ein elektrisches Dipolmoment. Größe und Richtung hängen von der Art der adsorbierten

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Teilchen und dem Axtstrittspotential der Fläche ab„ Die Änderung des Austrittspotentials ist der Zahl der gebildeten Dipole und dem Dipolmoment proportionale Wirken bei der Bedeckung " Teilchen verschiedenen Dipolmomentes mit, so stellt sich ein mittlerer Wert des Austrittspotentials ein_e Treten Dipole unter schiedlichen Vorzeichens auf, so kann auch die Austrittspotentialänderung im Verlauf der Wiederbedeckung ihr Vorzeichen wechseln,,

Nach Bildung einer Monoschicht nehmen die Haftwahrscheinlichkeit und das Dipolmoment weiter auftreffender Teilchen und dadurch deren Einfluß auf das Austrittspotential stark ab_e Es stellt sich ein Sättigungszustand ein» Die Zeit "vom Beginn des Bedeckungsvorganges bis zur Erreichung der Sättigung wird als Wiederbedeckungszeit bezeichnet und zur Charakterisierung des Vakuums benutzt»

Ebensowie die verschiedenen Teilchenarten bei verschiedenen Temperaturen desorbiert werden können, kann auch die Adsorption bestimmter Teilchenarten durch geeignete Wahl der Temperatur verhindert werden.

Claims

Mannheim, den 23.lo.1964 Pat. R/Gr Aktenz.% B 58 87l/42k Mp.-Nr. 637/64 Neue Schutzansprüche

1. Mefinstrument für Vakua, gekennzeichnet durch zwei innerhalb des zu messenden Yakuums in einem gewissen Abstand voneiander angeordnete Elektroden, einer eine Vorrichtung zur Erregung einer Elektronenemission aufweisenden Emitterelektrode (2) und einer mit einer Vorrichtung zur Entfernung der Bedeckung ihrer Oberfläche mit Gas- oder Dampfteilchen versehenen Kollektorelektrode (I)₅ und einem außerhalb des Vakuums angeordneten Anzeigeteil, der aus einem als Meßgerät dienenden gegebenenfalls mit einem Verstärker zusammengebauten elektrischen Meßinstrument besteht.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (2) als Glühelektrode ausgebildet ist.

3. Meßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (2) eine Elektronenbeschußvorrichtung aufweist,

4» Meßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (2) eine Strahlungsheiζungsvorrichtung aufweist,

5» Meßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (2) als Glühelektrode für Erhitzung durch direkten Stromdurchgang ausgebildet ist«

6. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5_S dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) als Glühelektrode zur Erhitzung durch direkten Stromdurchgang ausgebildet ist«

7. Meßinstrument nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) eine Vorrichtung zum Aufheizen aufweist.

2 ~

8· Meßinstrument nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) zum Aufheizen für bestimmte wählbare Temperaturen einstellbar ausgebildet ist.

9. Meßinstrument nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (1) eine Vorrichtung zum Temperaturmessen aufweist.

10. Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) eine Strahlungsheizungsvorrichtung aufweist.

11. Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) eine Elektronenbeschußvorrichtung aufweist.

12. Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) eine Ionenbeschußvorrichtung aufweist.

13« Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (l) mit einer Vorrichtung zum Bedampfen mit einer Metallschicht versehen ist,

14-. Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1,2,5) mit einer variablen Spannungsquelle (lo,ll) versehen sind.

15* Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine als Blende (5) ausgebildete Elektrode zwischen Emitter- (2) und Kollektorelektrode (l)

16. Meßinstrument nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode (2) und die als Blende (5) ausgebildete Elektrode mit einer variablen Spannungsquelle (8) versehen sind»

17. Meßinstrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem Magneten (7) versehen sind, dessen Feld in Richtung der Verbindungslinie der Elektroden (2,5,1) verläuft.