DE2060122A1 - Vakuummessgeraet - Google Patents

Description

ing. B. HOLZEB » a u-o s s ir τι α

K-357

Augsburg, den 4.Dezember 1970

; Edwards High Vacuum International Limited, Manor Royal, I . Crawley, Sussex, England

Vakuummeßgerät

: Die Erfindung betrifft ein Vakuummeßgerät mit einer im

\ wesentlichen zylindrischen Gitterkonstruktion zur Messung von Drücke)! im Vakuum durch Ionisation,

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Vakuummeßgeräte dieser Art erzeugen Elektronen, welche mit Molekülen des in dem betreffenden System vorhandenen restlichen Gases kollidieren und hierdurch diese Moleküle ionisieren. Die Ionen werden gesammelt und ergeben einen Strom, welcher ein Maß für die Gaskonzentration und demzufolge für den Gasdruck in dem betreffenden System ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Vakuummeßgeräten dieser Art einen stärkeren druckabhängigen Ionenstrom und gleichzeitig einen kleineren druckunabhängigen Reststrom zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen außerhalb der Gitterkonstruktion angeordneten und sich im wesentlichen über deren gesamte Länge erstreckenden Glühfaden,ferner durch eine vollständig außerhalb der Gitterkonstruktion nahe deren einem stirnseitigen Ende im wesentlichen in der Gitterkonstruktionsachse angeordnete Ionensammelelektroden, und end-™ lieh durch mindestens eine längsseits des Glühfadens auf dessen von der Gitterkonstruktion abgewandten Seite angeordnete Reflektorelektrode gelöst.

Weitere Merkmale bilden Gegenstand der Patentansprüche. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeieh-

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nung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. l eine schematische Draufsicht

auf ein Vakuummeßgerät nach ' der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Schnittan

sicht des in Fig_e 1 dargestellten Vakuummeßgerätes längs der Ebene H-II in Fig. 1.

Das dargestellte Vakuummeßgerät kann in einem Gehäuse aus Glas oder einem anderen Material untergebracht sein, dessen Inneres mit dem betreffenden, evakuierten System oder Gerät verbunden werden kann«, Abweichend hiervon kann das erfindungsgemäße Vakuummeßgerät auch so hergestellt und verkauft werden, daß es unmittelbar an einer Wand des betreffenden, evakuierten Systems befestigt werden kann und hierbei in das Systeminnere ragt. Die erstgenannte Art kann als geschlossenes Vakuummeßgerät bezeichnet werden und die letztgenannte Art kann als offenes Vakuummeßgerät bezeichnet werden. Geschlossene Vakuummeßgeräte mit einem nichtleitenden Gehäuse, z.B. aus Glas, weisen normalerweise an der Innenfläche des Gehäuses eine Schicht aus elektrisch

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leitendem Material auf, welche auf einem bestimmten Potential gehalten wird. Bei offenen Vakuummeßgeräten ist es üblich, die aktiven Teile mit einem schirmgitter zu umgeben, welches auf einem bestimmten Potential, z.B. auf Erdpotential gehalten wird. Dieses Schirmgitter ist in der Zeichnung der Deutlichkeit wegen weggelassen, so daß die dargestellten Teile entweder einem offenen oder einem geschlossenen Vakuummeßgerät angehören können.

Die dargestellten Teile sind auf einem Träger 2 angebracht, welcher entweder ein Teil eines Glasgehäuses ist oder auf einem mit öffnungen versehenen Körper befestigt ist, welch letzterer ein Teil der evakuierten Einrichtung ist. Obwohl der Träger 2 rechteckig dargestellt ist, weist dieser normalerweise einen kreisrunden Querschnitt auf.

Aus der mit Bezug auf die Zeichnung unteren Fläche des Trägers 2 ragen normalerweise elektrische Leitungen heraus, über welche an die aktiven Teile bestimmte Potentiale angelegt werden können, jedoch sind diese elektrischen Leitungen in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie einerseits nur die Übersichtlichkeit stören würden und andererseits nicht selbst den Gegenstand der Erfindung bilden.

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Die aktiven Teile des Vakuummeßgerätes sind normalerweise mit Leitungsstiften verbunden, welche mit Bezug auf den Träger 2 hermetisch isoliert sind, durch letzteren hindurchragen und die genannten elektrischen Leitungen bilden. Jeder dieser Leiterstifte ist an das betreffende Teil angeschlossen, um an dieses betreffende Teil jeweils ein bestimmtes Potential anlegen zu können.

Das in der Zeichnung dargestellte Vakuummeßgerät nach der Erfindung weist ein zylindrisches Gitter 4 mit einer Mantelwand 6 und ebenen Stirnteilen 8 auf, welche jeweils aus einem elektrisch leitenden Netz bestehen. Das Gitter 4 · wird von zwei Beinen 10 getragen, von welchen nur eines einen mit dem Gitter 4 verbundenen elektrischen Leiter aufzuweisen braucht.

Koaxial zum Gitter 4 ist eine Ionensammelelektrode 12 angeordnet, welche bereits außerhalb des Gitters 4 endet und demzufolge nicht in dieses hineinragt. Die Ionensammel·* elektrode 12 hat z.B, die Form eines Drahtes, welcher mit gegenseitigem axialen Abstand in einem Glasrohr 14 untergebracht ist. Die Ionensaramelelektrode 12 und das Glasrohr 14 enden im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, welche von der angrenzenden Stirnfläche des Gitters 4 einen kleinen

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Abstand hat. Das nähergelegene stirnseitige Netz 8 ist mit einer mittigen öffnung versehen, so daß sich zwischen dem Ende der Ionensammelelektrode 12 und dem inneren des Gitters keine Hindernisse befinden.

Außerhalb des Gitters 4 ist ein von Beinen 18 getragener Glühfaden 16 angeordnet. Dieser Glühfaden 16 hat eine haarnadelartige Form bzw, eine im wesentlichen U-förmige Form und ist derart ausgebildet, daß er sich bei Betriebstemperatur nicht verformt bzw. sich nicht senkt. Selbstverständlich können auch andere Glühfadenformen verwendet werden, jedoch ist die haarnadelartige Form vorzuziehen, da sie in der Meßgeräteanordnung lediglich eine kleine Metallmasse darstellt, was ein wesentlicher Faktor ist, wenn der Druck von Hochvakuumsystemen gemessen werden soll, in welchen das Freiwerden von abgeschlossenem oder anderweitig in Metallteilen festgehaltenem Restgas eine merkliche Ungenauigkeitsquelle darstellt,

Bei bekannten Ionisations-Vakuummeßgeräten ergibt sich der kleinste noch meßbare Strom durch den Reststrom, welcher sowohl durch das Auftreffen von Röntgenstrahlen auf die Ionensammelelektrode als auch durch Elektronenstoßdesorption von dem Gitter erzeugt wird. Diese Röntgenstrahlen werden

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von dem Gitter 4 emittiert, wenn auf dieses Gitter von dem Glühfaden 16 herkommende Elektronen auftreffen_e Diese Röntgenstrahlenempfindliehkeit kann dadurch verringert werden, daß man diejenige Fläche der Ionensammelelektrode verkleinert, welche dem Inneren des Gitters ausgesetzt ist, jedoch wird hierdurch auch der Ionensammelwirkungsgrad verkleinerte Durch das erfindungsgemäße Vakuummeßgerät wird der durch beliebige Ursachen normalerweise an der Ionensammelelektrode auftretende Reststrom verkleinert, während der Ionisationswirkungsgrad der von dem Glühfaden 16 erzeugten Elektronen vergrößert wird.

Gemäß der Erfindung wird demzufolge das Verhältnis von (druckabhängigem) Ionenstrom: (druckunabhängigem) Reststrom vergrößert· Hierdurch ist also nicht mehr in jedem Falle notwendigerweise ein Ionenstromverstärker erforderlich und /oder es wird die Meßemfpindlichkeit des Vakuummeßgerätes verbessert.

Gemäß der Erfindung ist auf der vom Gitter M abgewandten Seite des Glühfadens 16 eine Reflektorelektrode 20 angeordnet. Diese besteht vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ebenfalls aus einem Netz- bzw, einer netzartigen Konstruktion. Wie insbesondere in Fig, 2 schematisch dargestellt ist, weist

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•die Reflektorelektrode 20 eine kleinere Maschenweite auf als das Gitter 4, jedoch läßt sich die zweckmäßigste Mas"chengröße jeweils am besten versuchsweise bestimmen. Die Reflektorelektrode 20 wird von einem Stift 22 getragen und weist ein Potential auf, welches entweder gleich wie das oder verschieden von dem Potential des Glühfadens 16 sein kann. Vorzugsweise ist das Potential der Reflektorelektrode 20 etwas negativer als das Potential des Glühfadens 16-, so daß die von diesem Glühfaden 16 in Richtung zu der Reflektorelektrode 20 ^ emittierenden Elektronen in Richtung zu dem Gitter 4 hin zurückgestoßen werden. Falls diese Elektronen nicht auf das Gitter 4 selbst auftreffen, gelangen sie in dessen Inneres und ionisieren Gasmoleküle_e

An der Sammelelektrode 12 liegt ein Potential an, von welchem die Ionen angezogen werden. Diese Ionenansammlung ergibt einen Stromfluß, welcher eine Punktion des Gasdruckes im Inneren des Gitters 4 ist.

Die Reflektorelektrode 20 ist derart geformt, daß sie auf den Elektronenweg der vom Glühfaden 16 emittierten Elektronen einen bestimmten Einfluß ausübt. Demgemäß kann die Reflektorelektrode 20 "Flügel" 24 aufweisen, welche verhindern, daß mehr als eine vernachlässigbare Anzahl von Elek-

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tronen jeweils im wesentlichen tangential auf das Gitter 4 auftreffen und hierdurch dieses Gitter teilweise nur streifen. Erwünscht ist, daß der Hauptteil der von dem Glühfaden l6 emittierten Elektronen sich längs einer Durchmesserlinie des Gitters 4 bewegt; Sowohl die im Inneren des Gitters vorhandenen elektrostatischen Felder als auch andere mögliche Faktoren, z,B_e die Gittergeometrie, bewirken, daß die genannten Elektronen in dieser allgemeinen diametralen Richtung oszillieren, bevor sie dann endgültig aufgefangen werden. Hierdurch wird der effektive Elektronenweg merklich vergrößert, so daß diese Elektronen eine größere Anzahl von Ionen hervorrufen, als wenn diesen Elektronen nur ein einfacher Gitter-· durchgang gestattet würde, wie dies bei bekannten Vakuummeßgeräten der Fall ist_e Auf diese Weise wird durch die Erzeugung einer größeren Anzahl von Ionen und/der eines besseren Fangwirkungsgrades die Empfindlichkeit des Vakuummeßgerätes vergrößert, während durch die äußere Anbringung der Sammelelektrode 12 die Empfindlichkeit dieses Vakuummeßgerätes gegenüber Röntgenstrahlen verkleinert wird» Obwohl lediglich eine Reflektorelektrode dargestellt ist, kann die gleiche bzw. eine bessere Wirkung auch durch zwei oder mehr solche Elektroden erzielt werden, wobei im Rahmen der vorliegenden Beschreib'ung und der Patentansprüche unter dem Ausdruck "Reflektorelektrode'¹ jeweils eine einzelne solche Reflektorelektrode oder auch eine Anordnung von mehreren solcher einzelner Reflek-

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torelektroden zu verstehen ist.

Wie bereits erwähnt, wird bei offenen Vakuummeßgeräten normalerweise ein Schirmgitter verwendet. Dieses wird normalerweise koaxial zu dem Gitter 4 so angeordnet, daß es dieses Gitter umgibt und sowohl der Glühfaden 16 als auch die Reflektorelektrode 20 innerhalb des sich ergebenden Ringraumes angeordnet sind.

Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, weist das erfindungsgemäße Vakuummeßgerät vorzugsweise eine im Inneren des Gitters 4 angeordnete, von einem Stift 28 wegragende Hilfselektrode 26 auf. Wie am besten Fig. 1 zeigt, ist diese Hilfselektrode 26 außerhalb der Radialebene angeordnet, welche den Glühfaden 16 mit der Kollektorelektrode verbindet. Durch die Hilfselektrode 26 sind bei Anwendung einer entsprechenden Modulation Messungen h des tatsächlichen Wertes des Röntgenstrahlenstromes möglich, jedoch ist die Art, wie dies im einzelnen gemacht wird, nicht unmittelbar Gegenstand der Erfindung. Mittels dieser Hilfselektrode 26 kann vom Wert des in der Ionensammelelektrode vorhandenen Stromes der gemessene Röntgenstrahlenstrom hergeleitet werden, so daß man eine genauere Messung des Ie-

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diglich durch Ionisation hervorgerufenen Stromflusses erhält» ViIe bereits erwähnt, ist die Verwendung und die betreffende Betriebsart der Hilsfelektrode nicht von ausschlaggebender Bedeutung, da der durch Röntgenstrahlen hervorgerufene Strom auch durch Messen der Spannungscharakteristiken des Vakuummeßgerätes bei niedrigen Drücken gesehätzt werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer solchen Hilfselektrode die Empfindlichkeit des Vakuummeßgerätes beeinflußt, indem diese Hilfselektrode das Bestreben hat, einige der Ionen oder Elektronen zu absorbieren bzw, zu fangen, welche ansonsten frei wären und zu dem eigentlichen Druckmeßvorgang beitragen würden« Demzufolge ist bei der Verwendung einer Hilfselektrode ein Kompromiß insofern zu machen, als sieherzustellen ist, daß sie ausreichend genaue Messungen des Röntgenstrahlenstromes liefert, ohne hierbei die Empfindlichkeit des Vakuummeßgerätes übermäßig zu beeinträchtigen. Die bevorzugte Richtung, in welcher die Hilfselektrode angeordnet ist, verläuft unter rechten Winkeln zu der Radialebene, welche durch den die Elektronen injizierenden Glühfaden 16 verläuft, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Im Rahmen der Erfindung wurden Messungen mit einem erfindunsgemäßen Vakuummeßgerät vorgenommen, bei welchem

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•jedoch eine Hilfselektrode 26 im wesentlichen in der gleichen Durchmesserebene angeordnet war, wie der Glühfäden und die Sammelelektrode 12. Hierbei ergab sich bei nichtvorhandem bzw. abgeschaltetem Reflektor 20 und ebenfalls abgeschalteter Hilfselektrode 26 für Argon eine Empfindlichkeit von 10 Torr , Unter Verwendung des Reflektors 20 ergab sich eine verbesserte Empfindlichkeit von
40 Torr" . Bei zusätzlicher Erregung der Hilfselektrode, so daß diese als Modulator wirkte, wurde die verbesserte ψ Empfindlichkeit wieder auf einen Wert von 32 Torr verkleinert.

Ein weiterer sich durch die Verwendung einer Reflektorelektrode ergebender Vorteil ist, daß durch diese Reflektorelektrode die Richtungen besser definiert werden, in welchen die Elektronen in den Gitterraum eintreten.
Aufgrund dieser Kanalwirkung ist die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Vakuummeßgerätes mit Bezug auf bekannte k Konstruktionen nicht mehr so stark von den jeweils zwischen dem Gitter 4 und dem Glühfaden 16 einerseits und diesem
Glühfaden 16 und dem Schirmgitter andererseits vorhandenen Zwischenräumen und von der Glühfadengeometrie abhängig.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Vakuummeßgerät mit einer im wesentlichen zylindrischen Gitterkonstruktion zur Messung von Drücken im Vakuum durch Ionisation, gekennzeichnet durch einen außerhalb der Gitterkonstruktion (4) angeordneten und sich im wesentlichen über deren gesamte Länge erstreckenden Glühfaden (16), ferner durch eine vollständig außerhalb der Gitterkonstruktion nahe deren einem stirnseitigen Ende im wesentlichen in der Gitterkonstruktionsachse angeordnete Ionensammelelektrode (12), und endlich durch mindestens eine längsseits des Glühfadens auf dessen von der Gitterkonstruktion abgewandten Seite angeordnete Reflektorelektrode (20).

   2, Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelektrode (20) jeweils netzartig ausgebildet ist und sich parallel zur Gitterkonstruktion (4) erstreckt sowie langer ist als der Glühfaden (16).

   J5. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelektrode (20) einen ebenen Mittelteil aufweist, von welchem seitlich zwei Flügel (24) in Richtung zu der Gitterkonstruktion (4) hin wegragen und die

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   Reflektorelektrode hierdurch den Glühfaden (16) gabelartig bzw. bügelartig umgibt.

   4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstruktion (4) an dem von der Ionensammelelektrode (12) abgewandten Ende mittels eines Netzteiles (8) verschlossen ist, welch letzterer mit dem Mantelteil (6) der Gitterkonstruktion elektrisch leitend verbunden ist.

   5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionensaminelelektrode (12) die Form eines Drahtes hat und daß dieser Draht in einem Rohr (14) aus elektrisch isolierendem Material untergebracht ist.

   6. Meßgerät nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Ionensammelelektrodendraht (12) von der Innenwandung des Rohres (14) einen bestimmten Abstand hat und daß sowohl dieser Elektrodendraht als auch das Rohr jeweils im wesentlichen in der gleichen Ebene enden.

   7· Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden (16) eine haarnadelartige Form hat.

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   8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile in einem evakuierten Gehäuse untergebracht sind.

   9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus elektrisch nichtleitendem Material besteht und daß die Innenfläche des Gehäuses mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material versehen ist.

   10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gitterkonstruktion (4) mindestens eine Hilfselektrode (26) parallel zur Gitterkonstruktionsachse angeordnet ist.

   11. Meßgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte und/oder eine andere Hilfselektrode (26) in einer Radialebene angeordnet ist, welche zu der die Ionensatnmelelektrode (12) mit dem Glühfaden (16) verbindenden Radialebene rechtwinkelig verläuft.

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   L e e r s e i t e