DE3628847C2 - Heißkathoden-Ionisationsmanometer - Google Patents

Description

Zur Messung der Neutralgasdichte in Gegenwart starker Magnetfelder und eines hohen Störuntergrundes, wie sie z. B. in plasmaphysika­ lischen Geräten und Fusionsexperimenten herrschen, ist es bekannt ein Heißkathoden-Ionisationsmanometer zu verwenden, welches ein lineares Triodensystem mit einer Kathode aus einem relativ dicken (0,6 mm) thorierten Wolframdraht, einem Beschleunigungsgitter und einem relativ großen Ionenkollektor enthält, die längs einer Achse mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die Achse des Triodensystem wird im wesentlichen parallel zum Magnetfeld angeordnet, welches die von der Kathode emittierten und vom Beschleunigungsgitter beschleunigten Elektronen auf Bahnen zwingt, die entlang den Magnetfeldlinien verlaufen (Journal of Nuclear Materials 121 (1984) 151-156).

Aus "The Review of Scientific Instruments" 34, Nr. 8, 942-943, August 1963 ist ein Heißkathoden-Ionisationsmanometer mit einem linearen Elektrodensystem bekannt, welches in der angegebenen Reihenfolge eine plattenförmige Kollektorelektrode, ein ebenes Abschirmgitter, eine wendelförmige Kathode, ein ebenes Modulationsgitter und eine platten­ förmige Anode enthält. Das Modulationsgitter gestattet es, den von der Kathode zur Anode fließenden Elektronenstrom periodisch zu unterbrechen. Die Gitter bestehen aus einem Wolframnetz. Dies und die Anordnung von Anode und Kollektorelektrode auf entgegengesetzten Seiten der Kathode (Schulz-Phelps-Anordnung) lassen eine erhebliche Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Richtung des Magnetfeldes erwarten.

Aus J. Vac. Sci. Technol. Bd. 18 No. 3. April 1981, S. 1017-1022 ist ein lineares Heißkathoden-Ionisationsmanometer bekannt, das eine zusätzliche Steuerelektrode für den Elektronenstrom aufweist und bei dem der Elektronenstrom zerhackt werden kann.

Die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, ein Heißkathoden-Ionisationsmanometer anzugeben, mit dem insbesondere unter den für fusions­ orientierten Plasmaexperimenten typischen Bedingungen (Magnetfeldstärke von 0 bis über 3 Tesla, um bis zu ±20° und mehr wechselnde Magnetfeldrichtung und starker plasmabedingter Störuntergrund) Neutralgasdichten im Bereich von z. B. 10¹⁷ bis 10²¹m^-3 gemessen werden können, das einen robusten und betriebssicheren Aufbau und eine hohe Empfindlichkeit aufweist, die in reproduzierbarer Weise von der Magnetfeldstärke abhängt und in einem gewissen, durch die Konstruktion vorgegebenen und beeinflußbaren Umfang von der Feldrichtung und in einem weiten Bereich von der Gas dichte unabhängig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heißkatho­ den-Ionisationsmanometers;

Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht des Elektrodensystems des Ionisationsmanometers gemäß Fig. 1 in Richtung von der Kathode zur Anode;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren, praktischen Ausführungsform des Ionisationsmano­ meters;

Fig. 4 einen Schnitt in einer Ebene IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 eine vereinfachte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Grundplatte des Ionisationsmanometers gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine vereinfachte Draufsicht auf eine bevorzugte besonders gedrängt aufgebaute Ausführungsform;

Fig. 8 eine alternative Kathodenkonstruktion,

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 10 eine Stirnansicht des Ionisations-Manometers gemäß Fig. 9, und

Fig. 11 einen Schnitt in einer Ebene A-B in Fig. 9.

Das in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Heißkathoden-Ionisationsmanometer enthält eine gleichstromgeheizte Kathode (10) aus einem mindestens 0,5 mm, z. B. 0,6 mm, vorzugsweise thoriertem Wolframdraht, ferner eine nahe bei der Kathode angeordnete blendenförmige Steuerelektrode (12), eine schlitzförmige Durchbrechungen aufweisende Beschleu­ nigungselektrode (14) sowie eine Ionenkollektor-Elektrode (16), die in der angegebenen Reihenfolge im wesentlichen parallel zueinan­ der angeordnet sind und ein lineares Tetroden-Elektrodensystem bilden.

Das Elektrodensystem ist in einer im wesentlichen geschlossenen kastenförmigen Plasmaabschirmung (18) angeordnet, welche eine Gaseintrittsöffnung (20) aufweist und zur Thermalisierung der eintretenden Gasmoleküle dient. Im Abstand hinter der Gaseintritts­ öffnung (20) kann zur besseren Thermalisierung ein Prallblech (17) angeordnet sein. Die Abschirmung kann auch eine Reihe von in Achsrichtung beabstandeter, ringförmiger Bleche sowie an beiden Enden je eine geschlossene Abschlußplatte enthalten, wie es aus Journal of Physics E: Scientific Instruments, Bd. 7, 1974 S. 453 bekannt ist.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die Kathode (10) etwa U-förmig und bildet zwei ringförmige Schleifen, die den geradlinigen, mittleren, aktiven, emittierenden Teil (10a) des Kathodendrahtes thermisch von den an Halterungs- und Stromführungsstäben befestigten Enden isolieren. Die Steuerelektrode (12) ist ein blendenförmiges Bauteil mit einer Ausnehmung, die Form eines langgestreckten Rechteckes hat, dessen Längsrichtung parallel zu dem mittleren, geraden aktiven Teil (10a) der Kathode verläuft. Die Beschleunigungselektro­ de (14) besteht vorzugsweise aus einer dünnen Molybdän-Folie mit Schlitzen (22), die senkrecht zur Richtung des aktiven Kathoden­ teiles (10a) verlaufen und im wirksamen, mit der Öffnung der Steuerelektrode (12) fluchtenden Teil eine Transparenz von etwa 80% ergeben.

Das Ionisationsmanometer gemäß Fig. 1 und 2 kann in der Praxis so aufgebaut sein, wie es in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. In Fig. 3 ist der Einfachheit halber nur die eine Hälfte des Ionisationsmanometers dargestellt, die andere Hälfte ist hinsichtlich der Kathode und ihrer Halterung bezüglich der gestrichelten Achse (A) spiegelbildlich.

Der die Kathode (10) bildende Draht hat an seinen Enden jeweils eine Öse, mit der er an einem Halterungsstab (24) befestigt ist, der gleichzeitig als elektrische Zuleitung dient. Der Halterungsstab (24) läuft in einen Gewindezapfen (26) aus, der einen kleineren Durchmesser hat als der Hauptteil des Halterungsstabes (24). Die Öse an dem betreffenden Ende des Kathodendrahtes wird durch eine auf den Gewindezapfen (26p aufgeschraubte Mutter (28) gegen die Stirnfläche des Hauptteiles des Haltestabes (24) gepreßt, was eine mechanisch sichere Halterung sowie einen guten elektrischen Kontakt gewährleistet und ein einfaches Auswechseln der Kathode (10) ermöglicht. Wie Fig. 8 zeigt, kann der Kathodendraht (10) auch in axiale Bohrungen der z. B., aus Molybdän bestehenden Halterungsstäbe mittels eines hochschmelzenden Lotes (z. B. Au-Ni, Smp. ca. 950°) eingelötet werden, was gewisse herstellungstechnische Vorteile hat. Im selben Arbeitsgang kann an jedem Haltestab (24) ein Bund (24a) mit einer Schlüsselfase (ähnlich einer Schraubenmutter und zum Ersatz für eine solche) angelötet werden, insbesondere, wenn die Kathode so montiert werden soll, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 7 erläutert werden wird.

Zur Halterung der Steuerelektrode (12) dient ein Halterungsstab (30). Die Steuerelektrode (12) hat für den Halterungsstab (30) ein Loch und ist ganz analog zur Kathode (10) durch einen das Loch durchsetzenden Gewindezapfen des Halterungsstabes (30) und eine auf den Gewindezapfen aufgeschraubte Mutter befestigt.

Zur mechanischen Halterung und zum elektrischen Anschluß der Beschleunigungselektrode (14) und der Ionenkollektor-Elektrode (16) dient jeweils ein entsprechender Halterungsstab (32) bzw. (34). Der Beschleunigungselektroden-Halterungsstab (32) führt durch eine genügend weite Aussparung (36) der Ionenkollektor-Elektro­ de (16).

Die Halterungsstäbe (24, 30) einerseits und (32, 34) andererseits erstrecken sich axial in entgegengesetzte Richtungen und sind jeweils so gehaltert, wie es in Fig. 4 für die Hal­ terungsstäbe (32, 34) dargestellt ist. Die Halterung gemäß Fig. 4 enthält eine Klemmfeder (38) und ein plattenförmiges Klemmstück (40), das zylindrische muldenförmige Vertiefungen aufweist. Die Halterungsstäbe (32, 34) sind über Schalen (42) aus Isoliermaterial, z. B. Keramik, zwischen der Klemmfeder (38) und dem Klemmstück (40) gehaltert. Die Teile (38, 40) werden durch eine in eine Gewindebohrung des Klemmstücks (40) eingeschraubte Schraube (44) zusammengedrückt, die durch eine Mutter an einer das Elektrodensystem tragenden Grundplatte (46), die vorzugsweise aus Metall besteht, befestigt ist. Der Halterungsstab (30) ist durch eine Federplatte (31) gehaltert, die durch zwei Schrauben an der Grundplatte befestigt ist und analog zu Fig. 4 den durch isolierende Schalen isolierten Haltestab in eine entsprechende Mulde eines Klemmstückes drückt (nicht dargestellt). Die Grundplatte (46) kann eine Aussparung (48) aufweisen, die einen freien Zugang zum Inneren des Elektroden­ systems auch von der Halterungsseite her gewährleistet und sich mindestens über den Bereich zwischen den Elektroden (14) und (16) erstrecken soll.

Bei einer praktischen Ausführungsform betrug der Abstand zwischen dem aktiven Teil (10a) der Kathode (10) und der Steuerelektrode (12) etwa 1,6 mm; der Abstand zwischen den Elektroden (12) und (14) etwa 3,5 bis 5 mm und der Abstand zwischen den Elektroden (14) und (16) etwa 10 bis 20 mm.

Die Abmessungen der Öffnung der Steuerelektrode betrugen etwa 2 × 14 mm und die Länge des aktiven Teils (10a) der Kathode betrug etwa 10 mm.

Die Beschleunigungselektrode (14) bestand aus einem 50 Mikrometer dicken Molybdänblech, das in einem mittleren Bereich von ca. 20 × 12 mm ca. 40 parallele etwa 0,4 mm breite Schlitze enthielt, die durch ca. 0,1 mm breite Stege getrennt waren. Dieses Molybdän­ blech war in einen zweiteiligen, U-förmigen Rahmen (15) eingespannt.

Bevorzugte Betriebsspannungen sind: Kathode +70 Volt; Steuerelektrode +25/+100 Volt Rechteckspannung; Beschleunigungselektrode +250 Volt und Ionenkollektorelektrode -9 Volt. Die Kathode (10) wird vorzugsweise mit Gleichstrom geheizt.

Die Abmessungen der geschlossenen Plasmaabschirmung, die z. B. aus nichtrostendem Stahlblech bestehen kann, können ca. 40 × 35 × 20 mm betragen und die Gaseintrittsöffnung (20) kann ein kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser von 5 bis 10 mm sein. Diese Werte ergeben eine Ansprechzeitkonstante von etwa 3 bis 5 ms.

Bei der in den Fig. 5 und 6 vereinfacht dargestellten Ausführungs­ form verlaufen die Zuleitungs- und Halterungsstäbe quer zur Längs­ richtung des Elektrodensystems, was aus Platzgründen zweckmäßig sein kann. Die Elektrodenanordnung ist auf einer Grundplatte (146) durch zwei Halterungsstäbe (124) für die Kathode (110) und je einen Halterungsstab (130, 132 und 134) für die Steuerelektro­ de (112), die Beschleunigungselektrode (114) bzw. die Ionen­ kollektorelektrode (116) gehaltert. Die Halterungsstäbe sind jeweils mit einem Gewindezapfen und einer auf diesen aufgeschraubten Mutter versehen, wie es anhand von Fig. 3 erläutert worden ist. Wie am Beispiel des in Fig. 5 sichtbaren Halterungsstabes (124) genauer dargestellt ist, erfolgt die Befestigung der Halterungsstäbe an der Grundplatte durch zwei Muttern (150, 152), die auf das mit einem Außengewinde versehene, der betreffenden Elektrode abgewandte Ende (154) des betreffenden Halterungsstabes aufgeschraubt sind. Die Halterungsstäbe durchsetzen jeweils ein Loch (156) (Fig. 6) in der Grundplatte (146) und sind, falls die Grundplatte nicht aus einem isolierenden Material, wie Keramik, PTFE oder dergl. hergestellt ist, gegen die:Grundplatte durch eine Buchse (157) und eine Beilagscheibe (158) aus Isoliermaterial isoliert. Die Elektroden (112, 114, 116) haben jeweils einen rechtwinklig umgebogenen, laschenartigen Teil mit einem Loch zur Befestigung am zugehörigen Halterungsstab, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.

Fig. 7 zeigt in schematischer Draufsicht ein besonders kompaktes Ausführungsbeispiel des Heißkathoden-Ionisationsmanometers. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die Elektroden ebenso wie bei Ausführungsform gemäß Fig. 6 durch senkrecht zur Achsrichtung des Elektrodensystems verlaufende Haltestäbe gehaltert. In Fig. 7 sind nur die Grundplatte (246), Löcher (256a) für die Kathoden-Halterungsstäbe, Löcher (256b, 256c und 256d) für jeweils einen Halterungsstab für die Steuer­ elektrode (212), die Beschleunigungselektrode (214) und die Ionen­ kollektor-Elektrode (216) sowie die Elektroden (212, 214 und 216) mit den zugehörigen Halterungslaschen in Draufsicht dargestellt.

Bei der in den Fig. 9 bis 11 dargestellten Ausführungsform sind die verschiedenen Elektroden an zwei einander gegenüberliegenden Endplatten (300, 302) in einer Art und Weise gehaltert, wie es anhand von Fig. 5 erläutert worden ist. Die Endplatten werden durch axial verlaufende Stützen (304), (306) . . . im vorgesehenen Abstand voneinander gehalten. Die Kathode (310) ist an zwei Halterungsstäben (324) befestigt, welche durch Schrau­ benmuttern (350, 352) an der Endplatte (302) befestigt und bezüglich dieser durch eine Isolieranordnung (356) isoliert ist, die eine rohrförmige Isolierbuchse (357) und zwei isolierende Beilagscheiben (359), z. B. aus Keramik, enthält. Die Steuerelektrode (312) ist mittels eines Halterungsstabes (330) in entsprechender Weise an der Endplatte (312) gelagert. Die Beschleunigungselektrode (314) ist mittels eines Haltestabes (332) und einer Isolieranordnung (356a) an der Endplatte (300) gelagert. An der Endplatte (300) ist auch in entsprechender Weise die Ionen-Kollektor-Elektrode (316) mittels eine Haltestabes (334) und einer Isolieranordnung gehaltert. Die äußeren Enden der auch zum elektrischen Anschluß dienenden Halterungsstäbe (332, 334) sind von einer Abschirmung (306) umgeben, welche an der Außenseite der Endplatte (300) angebracht ist. Zur Abschirmung der äußeren Enden der Halte­ rungsstäbe (324, 330) dient eine Abschirmung (308).

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 5 bis 11 können die verschiedenen Elektroden so ausgebildet und bemessen sein, wie sie für das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erläutert wurde.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in der verschie­ densten Weise abwandeln bzw. hinsichtlich ihrer Merkmale kombinieren. Man kann z. B. die Elektroden zwischen zwei Endplatten anordnen, wie es in Verbindung mit Fig. 9 erläutert worden ist, die Halterungs­ stäbe jedoch in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Weise an den Endplatten bzw. an Blöcken, die an den Endplatten angebracht sind, montieren, wobei dann die Halterungsstäbe ähnlich wie bei Fig. 5 senkrecht zur Achse (A), längs der die Elektroden angeordnet sind, verlaufen. Auch die Steuerelektrode, die Beschleunigungselek­ trode und die Ionen-Kollektorelektrode können an die zugehörigen Halterungsstäbe angelötet oder angeschweißt werden.

Claims (13)

1. Heißkathoden-Ionisationsmanometer mit den folgenden, mit gegenseitigem Abstand voneinander in der angegebenen Reihenfolge längs einer Achse (A) angeordneten Elektro­ den:

• a) einer Kathode (10; 110; 310) aus einem mindestens 0,5 mm dicken Wolframdraht, welche einen mittleren, langgestreckten und senkrecht zur Achse (A) angeord­ neten aktiven Teil (10a) aufweist,
• b) einer blendenförmigen, ebenen senkrecht zur Achse (A) angeordneten Steuerelektrode (12; 112; 212; 312), die eine langgestreckte Öffnung aufweist, mit der der aktive Teil der Kathode fluchtet,
• c) einer ebenen senkrecht zur Achse (A) angeordneten Beschleunigungselektrode (14; 114; 214; 314), für von der Kathode emittierte Elektronen, die eine Reihe paralleler schlitzförmiger Durchbrechungen (22) aufweist, welche senkrecht zur Längsrichtung des aktiven Kathodenteils (10a) verlaufen und
• d) einer ebenen, senkrecht zur Achse (A) angeordneten parallelen, plattenförmigen Ionenkollektor-Elektrode (16; 116; 216; 316).

2. Ionisationsmanometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (10; 110; 310), beidseits des aktiven Teils (10a) jeweils eine Drahtschleife bildet, welche den aktiven Teil thermisch gegen die Enden des Kathodendrahtes isoliert.

3. Ionisationsmanometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden durch einen Haltestab (24, 30, 32, 34) gehaltert ist, welcher jeweils an einem Ende einen Gewindezapfen (26) verringerten Durchmessers aufweist, der mit dem Hauptteil des betreffenden Halterungsstabes eine Schulter bildet, gegen die die betreffende Elektrode durch eine auf den Gewinde­ zapfen aufgeschraubte Schraubenmutter (28) gepreßt ist.

4. Ionisationsmanometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch Halterungsstäbe und durch eine Klemmvorrichtung (38, 40) gehaltert sind, wobei die Klemmvorrichtung für jeden Halterungsstab ein vorzugsweise mit einer Gewindebohrung versehenes Klemmstück (40) enthält, das eine muldenförmige Ausnehmung aufweist, die den betreffenden Halterungsstab aufnimmt (Fig. 4).

5. Ionisationsmanometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstäbe durch schalen­ förmige Isolierkörper (42) isoliert sind.

6. Ionisationsmanometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstäbe (124, 130, 132, 134) senkrecht zur Achsrichtung (A) des Elektroden­ systems verlaufen und in Löchern (156) einer Plat­ te (146) befestigt sind (Fig. 5 und 6).

7. Ionisationsmanometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstäbe für die Kathode und die Steuerelektrode in einer ersten, senkrecht zur Achsrichtung (A) verlaufenden Reihe nebeneinander angeordnet sind und daß die Halterungsstä­ be für die Beschleunigungselektrode und die Ionen­ kollektorelektrode in einer zweiten, senkrecht zur Achsrichtung (A) verlaufenden und zur ersten Reihe parallelen zweiten Reihe nebeneinander angeordnet sind (Fig. 7).

8. Ionisationsmanometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (112), die Beschleunigungselektrode (114) und die Ionenkollektor-Elektrode (116) jeweils mindestens eine senkrecht zur Elektrodenebene verlaufende Lasche enthalten, die durch einen zugehörigen Halterungsstab (130, 132, 134) gehaltert ist (Fig. 5).

9. Ionisationsmanometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch Halterungsstäbe gehaltert sind, die einen mit einem Außengewinde versehenen Teil (154) enthalten, der durch mindestens eine aufgeschraub­ te Mutter (150, 152) an einer Platte (146, 300, 302) befestigt ist.

10. Ionisationsmanometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleuni­ gungselektrode als dünnes Molybdänblech ausgebildet ist, das in einem U-förmigen Rahmen (15) gehaltert ist.

11. Ionisationsmanometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdänblech eine Dicke von etwa 50 µm hat und etwa 40 Schlit­ ze mit einer Breite von etwa 0,4 mm aufweist, die durch etwa 0,1 mm breite Stege getrennt sind.

12. Ionisationsmanometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Kathodendrahtes (10) mittels eines hochschmelzenden Lotes jeweils in eine axiale Bohrung eines Haltestabes (24) eingelötet sind (Fig. 8).

13. Ionisationsmanometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit dem Kathodendraht (10) verlöteten Enden der Haltestäbe (24) jeweils ein Bund (24a) mit einer Schraubenschlüsselfase angelötet ist.