DE19528314A1

DE19528314A1 - Device with electrodes for gas discharge that can be used in vacuum technology

Info

Publication number: DE19528314A1
Application number: DE1995128314
Authority: DE
Inventors: Ludolf Gerdau
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1997-02-06
Also published as: JPH11510644A; WO1997005645A1; EP0842527A1

Abstract

The invention concerns a vacuum-technology device (1) with a housing (3) and, inside the housing, electrodes between which a gas discharge is maintained while the device is operating, the device also having at least one magnet (4) whose field extends the path of the ionizing electrons. In order to simplify the design of a device of this kind, the invention proposes that the magnet (4) is located inside the housing (3) and forms one of the electrodes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device with the features of Preamble of claim 1.

In der Vakuumtechnik einsetzbare Geräte, die für ihren Betrieb eine Gasentladung benötigen, sind beispielsweise Ionisations- (Penning-)Vakuumeter, Gasentladungs-Ionen quellen, Ionenzerstäuberpumpen oder dergleichen. Sie sind mit einem oder mehreren Magneten ausgerüstet, deren Felder eine Verlängerung des Weges der ionisierenden Elektronen bewirken.Devices that can be used in vacuum technology for their Operation require a gas discharge, for example Ionization (Penning) vacuum meter, gas discharge ions sources, ion atomizing pumps or the like. they are equipped with one or more magnets, their fields an extension of the path of the ionizing electrons cause.

Ein Kaltkatoden-Ionisations- oder Penning-Vakuummeter dieser Art ist aus der DE-A-36 42 670 bekannt. Ihr Meßwertaufnehmer umfaßt zwei nicht beheizte Elektroden (Katode und Anode), zwischen denen mittels einer Gleichspannung (Größenordnung 2 KV) eine Entladung gezündet und aufrechterhalten wird, die auch noch bei sehr tiefen Drücken stationär brennt. Dieses wird dadurch erreicht, daß mit Hilfe eines Magnetfeldes der Weg der Elektronen so lang gemacht wird, daß ihre Stoßrate mit den noch vorhandenen Gasmolekülen hinreichend groß wird, um die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderliche Anzahl von Ladungsträgern zu bilden. Das Magnetfeld (Grö ßenordnung 0,1 T) ist so angeordnet, daß die magnetischen Kraftlinien den elektrischen Kraftlinien überlagert sind. Dadurch werden die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode auf eine schraubenförmige Bahn gezwungen. Die hierbei durch Stoß erzeugten positiven und negativen Ladungsträger wandern zu den entsprechenden Elektroden und bilden den druckabhängigen Entladungsstrom.A cold cathode ionization or Penning vacuum meter of this type is known from DE-A-36 42 670. Your transducer comprises two non-heated electrodes (cathode and anode), between which a discharge is ignited and maintained by means of a direct voltage (order of magnitude 2 KV), which burns stationary even at very low pressures. This is achieved by making the path of the electrons so long with the help of a magnetic field that their collision rate with the gas molecules still present becomes sufficiently large to form the number of charge carriers required to maintain the discharge. The magnetic field (order of magnitude 0.1 T) is arranged so that the magnetic lines of force are superimposed on the electric lines of force. This forces the electrons onto a helical path on their way to the anode. The positive and negative charge carriers generated here by impact migrate to the corresponding electrodes and form the pressure-dependent discharge current.

Beim Penning-Ionisationsvakuummeter nach dem Stand der Technik befinden sich die Elektroden innerhalb eines vakuum dichten Gehäuses. Zwei Permanentmagneten sind außerhalb des Gehäuses angeordnet. Im betriebsfertigen Zustand befindet sich das gesamte System innerhalb einer Schutzkappe.With the Penning ionization vacuum meter according to the state of the Technology, the electrodes are inside a vacuum tight housing. Two permanent magnets are outside the Housing arranged. Is in the operational state the entire system within a protective cap.

Gasentladungs-Ionenquellen und Ionenzerstäuberpumpen be kannter Art sind ähnlich aufgebaut. Sie werden mit entspre chend bemessenen elektrischen Spannungen sowie Magnetfeldern betrieben. Die der Erzeugung der Magnetfelder dienenden Magnete befinden sich außerhalb des jeweiligen Gerätegehäu ses. Innerhalb des Gehäuses befinden sich die Elektroden, wobei das Gehäuse selbst eine der Elektroden - häufig die Katode - bilden kann. Zweckmäßig liegt das Gehäuse auf Erdpotential. Die innerhalb des Gehäuses befindliche Anode ist dann mit einer positiven Hochspannung zu versorgen.Gas discharge ion sources and ion atomizing pumps be known types have a similar structure. You will correspond with appropriately dimensioned electrical voltages and magnetic fields operated. Those used to generate the magnetic fields Magnets are located outside the respective device housing ses. The electrodes are inside the housing, the housing itself being one of the electrodes - often the Cathode - can form. The housing expediently lies on top Earth potential. The anode inside the housing must then be supplied with a positive high voltage.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Gerätes der hier betroffenen Art zu vereinfa chen.The present invention is based on the object To build a device of the type affected here chen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich der Magnet innerhalb des Gehäuses befindet und gleichzeitig eine der Elektroden bildet. Infolge dieses vereinfachten Aufbaus ergibt sich der Vorteil, daß die Abmessungen eines Gerätes nach der Erfindung wesentlich kleiner gehalten werden können als bei entsprechenden Geräten nach dem Stand der Technik. Auch ist das Magnetfeld nicht mehr beeinträch tigt durch die Gehäusewand.According to the invention, this object is achieved in that the magnet is inside the case and at the same time forms one of the electrodes. As a result of this simplified Construction has the advantage that the dimensions of a Device according to the invention kept much smaller can be as with corresponding devices according to the state of the technique. The magnetic field is also no longer impaired through the housing wall.

Der Aufbau eines Gerätes der hier betroffenen Art wird besonders einfach, wenn das Gehäuse die zweite Elektrode bildet. Gesonderte, separat herzustellende und zu montie rende Bauteile für Elektroden können bei dieser Ausfüh rungsform entfallen.The construction of a device of the type concerned here particularly simple if the housing is the second electrode forms. Separate, to be manufactured and assembled separately rende components for electrodes can with this Ausfü form is eliminated.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Bei spielen erläutert werden. Es zeigenFurther advantages and details of the invention are intended with the help of schematically shown in the figures play are explained. Show it

Fig. 1 einen Meßwertaufnehmer für ein Kaltkatoden-Ionisationsvakuumeter, Fig. 1 a transducer for a cold cathode Ionisationsvakuumeter,

Fig. 2 eine Gasentladungs-Ionenquelle und Fig. 2 is a gas-discharge ion source, and

Fig. 3 eine Dioden-Ionenzerstäuberpumpe
In allen Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 3 shows a diode ion atomizing pump
Corresponding components are provided with the same reference symbols in all the figures.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Meßwertaufnehmer 1 ist das mit einem Flansch 2 ausgerüstete Gehäuse mit 3 bezeichnet. Innerhalb des Gehäuses 3 befindet sich ein ringförmiger Magnet 4, dessen Stirnseiten 5, 6 die Pole bilden. Einige Magnetlinien 7 sind eingezeichnet.In the example shown in Fig. 1 equipped with the transducer 1 a flange 2 housing is indicated by 3. Inside the housing 3 there is an annular magnet 4 , the end faces 5, 6 of which form the poles. Some magnetic lines 7 are shown.

Über eine isoliert aus dem Gehäuse 3 hinausgeführte Zulei tung 8 steht der Magnet 4 mit einer nicht dargestellten Hochspannungsquelle in Verbindung. Das Gehäuse ist geerdet. Die Polarität wird zweckmäßig so gewählt, daß der Magnet 4 die Anode und das Gehäuse 3 die Katode bilden. Nicht einge zeichnete elektrische Feldlinien erstrecken sich zwischen den Magneten 4 und dem Gehäuse 3. Die Polarität kann auch umgekehrt gewählt sein, d. h. daß der Magnet 4 die Katode bildet, was durch entsprechende Spannungswahl erreicht wird.About an isolated out of the housing 3 lead device 8 , the magnet 4 is connected to a high voltage source, not shown. The housing is grounded. The polarity is expediently chosen so that the magnet 4 forms the anode and the housing 3 the cathode. Not drawn electric field lines extend between the magnets 4 and the housing 3rd The polarity can also be reversed, ie the magnet 4 forms the cathode, which is achieved by appropriate voltage selection.

Da der Magnet 4 gleichzeitig die Anode und das Gehäuse 3 gleichzeitig die Katode bilden, können separate Elektroden bauteile entfallen. Sein Aufbau ist deshalb besonders geeignet für Transmitter-Ausführungen, bei deren elektro nische Bauteile in unmittelbarer Nähe des Aufnehmers unter gebracht werden müssen.Since the magnet 4 simultaneously form the anode and the housing 3 simultaneously the cathode, separate electrode components can be omitted. Its structure is therefore particularly suitable for transmitter versions whose electronic components must be placed in the immediate vicinity of the transducer.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Gasentla dungs-Ionenquelle. Ihr Gehäuse 3 ist im wesentlichen zylin drisch. Die Achse des Gehäuses ist mit 9 bezeichnet. Sie ist gleichzeitig die Achse des ringförmigen Magneten 4. Auf der einen Seite des Magneten 4 wird über einen Anschlußstutzen 10 das zu ionisierende Gas dosiert zugeführt. Während des Betriebs befindet sich im Zentrum des ringförmigen Magneten 4 eine Ionenwolke. Mit Hilfe der schematisch dargestellten, aus drei ringförmigen Elektroden bestehenden Ionenlinse 11 werden in an sich bekannter Weise Ionen aus der Ionenwolke abgesaugt und zu einem Ionenstrahl geformt, der dann z. B. einen Quadrupol-Massenspektrometer zwecks Analyse des Gases zugeführt werden kann. Fig. 2 shows an embodiment of a gas discharge ion source. Your housing 3 is essentially cylin drisch. The axis of the housing is designated 9. It is also the axis of the ring-shaped magnet 4 . On one side of the magnet 4 , the gas to be ionized is metered in via a connecting piece 10 . During operation, an ion cloud is located in the center of the ring-shaped magnet 4 . With the help of the schematically shown, consisting of three ring-shaped electrodes 11 ion ions are extracted from the ion cloud in a known manner and formed into an ion beam, which then z. B. a quadrupole mass spectrometer can be supplied for analysis of the gas.

Fig. 3 zeigt eine Dioden-Ionenzerstäuberpumpe, deren Anode vom ringförmigen Magneten 4 gebildet wird. Als Katode dienen auf die Gehäuseinnenseite aufgebrachte Platten 12 und 13 aus geeignetem Katodenmaterial (z. B. Titan). Im Zentrum des Magneten 4 erzeugen die Elektronen Ionen, die auf die Platten 12 und 13 beschleunigt werden. Das Katodenmaterial zerstäubt und bildet in an sich bekannter Weise die die Gasmoleküle implantierenden Getterschichten. Auch bei einer Trioden-Ionenzerstäuberpumpe kann die Erfindung eingesetzt werden. Fig. 3 shows a diode ion atomizing pump, the anode of which is formed by the ring-shaped magnet 4 . Plates 12 and 13 made of suitable cathode material (e.g. titanium) applied to the inside of the housing serve as the cathode. In the center of the magnet 4 , the electrons generate ions which are accelerated onto the plates 12 and 13 . The cathode material atomizes and forms the getter layers implanting the gas molecules in a manner known per se. The invention can also be used in a triode ion atomizing pump.

Der Magnet 4 muß nicht Ringform haben. Andere Gestaltungen des Magneten - und auch des Gehäuses - sind möglich. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Polarisierung des Magneten 4 und die Polarität des elektrischen Feldes so gewählt sind, daß sich magnetische und elektrische Feldli nien schneiden. Die für den Betrieb der Gasentladung not wendige Verlängerung der Wege der Elektronen ist dann stets gewährleistet.The magnet 4 does not have to have a ring shape. Other designs of the magnet - and also of the housing - are possible. It is only important to ensure that the polarization of the magnet 4 and the polarity of the electric field are chosen so that magnetic and electric Feldli lines intersect. The necessary extension of the path of the electrons for the operation of the gas discharge is then always guaranteed.

Bei einer Ionenzerstäuberpumpe können z. B. eine Vielzahl von ringförmigen Magneten derart nebeneinander angeordnet sein, daß ihre Achsen etwa senkrecht auf den Katodenplatten stehen. Sie bilden damit die bei Ionenzerstäuberpumpen besonders zweckmäßige Vielzellenanode.With an ion atomizing pump z. B. a variety arranged in such a way by ring-shaped magnets be that their axes are approximately perpendicular to the cathode plates stand. They thus form those in ion atomizer pumps particularly useful multi-cell anode.

Zweckmäßig besteht das Gehäuse aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. Edelstahl, so daß mit Hilfe des Gehäuses Einfluß auf den Verlauf der Magnetfeldlinien genommen werden kann.The housing expediently consists of a ferromagnetic Material, e.g. B. stainless steel, so that with the help of the housing Influence on the course of the magnetic field lines can.

Bei der Verwendung von Magneten - z. B. Eisen-Neodym-Bor- Magneten oder Kobalt-Samarium-Magneten, im Vakuum besteht das Problem, daß die Magnetwerkstoffe insbesondere von Wasserstoff angegriffen werden. Zweckmäßig ist deshalb der Magnet 4 beschichtet, um z. B. eine H₂-Versprödung zu ver meiden. In Fig. 3 ist eine Beschichtung dargestellt und mit 14 bezeichnet. Die Beschichtung kann aus einer Hartstoff schicht bestehen, die durch Plasmabedampfung oder Plasmapo lymerisation aufgebracht wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Magneten 4 mit Hilfe von Blechabschnit ten, z. B. aus Edelstahl, vollständig einzukapseln. Es reicht aus, wenn diese Blechabschnitte eine Dicke von etwa 0,05 mm haben. Eine Beeinträchtigung der Magnetfelder durch die Blechkapsel ist bei dieser Dicke der Blechabschnitte vernachlässigbar.When using magnets - e.g. B. iron-neodymium-boron magnets or cobalt-samarium magnets, in vacuum there is the problem that the magnetic materials are attacked in particular by hydrogen. The magnet 4 is therefore expediently coated in order, for. B. to avoid H₂ embrittlement ver. In Fig. 3 a coating is shown and designated 14 . The coating can consist of a hard material layer which is applied by plasma vaporization or plasma polymerisation. Another possibility is to th the magnet 4 with the help of Blechabschnit, z. B. made of stainless steel, completely encapsulate. It is sufficient if these sheet metal sections have a thickness of approximately 0.05 mm. Impairment of the magnetic fields by the sheet metal capsule is negligible with this thickness of the sheet metal sections.

Claims

1. In vacuum technology usable device ( 1 ) with a housing ( 3 ), with electrodes inside the housing, between which a gas discharge is maintained during operation of the device, and with at least one magnet ( 4 ), whose magnetic field is an extension of the Path of the ionizing electrons causes, characterized in that the magnet ( 4 ) is inside the housing ( 3 ) and forms one of the electrodes.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the housing ( 3 ) forms the second electrode.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the magnet ( 4 ) is the anode.

4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the magnet ( 4 ) has an annular shape.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the end faces ( 5 , 6 ) of the annular magnet ( 4 ) form the magnetic poles.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet ( 4 ) is coated.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the magnet ( 4 ) is encapsulated with the aid of sheet metal sections.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that it is a transducer of a Cold cathode ionization vacuum meter is.

9. Device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that it is a gas discharge ion source is.

10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the housing ( 3 ) of the ion source is cylindrical, that the annular magnet ( 4 ) is arranged approximately coaxially in the housing ( 3 ) that on one side of the magnet ( 4 ) has a gas inlet ( 10 ) is arranged and that there is an electrostatic or magnetostatic lens ( 11 ) on the other side of the magnet ( 4 ).

11. Device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized that it is an ion atomizing pump.

12. Apparatus according to claim 11, characterized in that a plurality of juxtaposed annular magnets ( 4 ) forms a multi-cell anode of the ion atomizer pump.