DE960769C - Verfahren zur Vakuummessung und Vakuummanometer - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 28. MÄRZ 1957

B 35788IX /42 k

Die Erfindung hat ein Verfahren zur Vakuummessung und ein Vakuummanometer zum Gegenstand. Es ist bekannt, daß eine Elektrode die mit einer dünnen Schicht eines radioaktiven Elementes überzogen ist, durch die ausgesandten α- oder /^-Strahlen elektrisch aufgeladen werden kann. Wenn z. B. die Elektronen einer ^-Strahlung aus der radioaktiven Substanz einer auf eine Elektrode aufgebrachten dünnen Schicht austreten und von einer Gegenelektrode aufgefangen werden, dann lädt sich die radioaktive Substanz und die mit ihr verbundene Elektrode durch den Verlust an.Elektronen positiv auf, während die Gegenelektrode, die die Elektronen auffängt, eine negative Ladung erhält.

Es ist weiter bekannt, daß¹ die radioaktive Strahlung imstande ist, die umgebende Atmosphäre durch Ionisation mehr oder weniger elektrisch leitend zu machen.

Das Vakuummanometer gemäß der Erfindung stellt eine Anwendung der obengenannten Prinzipien dar. Die der umgebenden Atmosphäre durch die radioaktive Strahlung erteilte· elektrische Leitfähigkeit wirkt der elektrostatischen Aufladung der Elektrode entgegen, derart, daß der schließlich erreichte Aufladungszustand eine Funktion des Druckes der umgebenden Atmosphäre darstellt.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung kann zur kontinuierlichen elektrischen Vakuummessung unabhängig von äußeren Strom-

oder Spannungsquellen dienen. Das entsprechende elektrische Vakuummeßgerät benötigt zu seinem Betrieb keinen elektronischen Verstärker und ist handlich und klein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vakuummessung kennzeichnet sich dadurch, daß in einem Vakuumraum eine Elektrode mit Hilfe einer radioakitven Substanz elektrisch aufgeladen wird, wobei die Strahlung der radioaktiven Substanz eine druckabhängige Ionisation des umgebenden Gases hervorruft, welche der Aufladung der genannten Elektrode entgegenwirkt, und daß die durch das Gegeneinanderwirken von radioaktiver Aufladung und durüi die Ionisation bedingter Entladung sich im Gleichgewichtszustand einstellende Spannung an der Elektrode als Maß für den Druck im Vakuumraum dient.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß sie eine feststehende und eine bewegliche Armatur aufweist, welche die Elektroden eines elektrostatischen Spannungsmessers bilden, wobei die eine Armatur mit einem radioaktiven Apparateteil elektrisch leitend verbunden ist und sich infolgedessen gegenüber der anderen Armatur elektrisch auflädt, und wobei die Strahlung des radioaktiven Teils eine druckabhängige Ionisation der umgebenden Gasatmosphäre hervorruft, welche der elektrostatischen Aufladung entgegenwirkt, derart, daß die sich im Gleichgewicht einstellende elektrische Spannung als Maß für den zu messenden Druck im Vakuumraum dient.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise in folgender Art geschehen: In dem auszumessenden Vakuumraum wird an der Stelle, wo der Druck bestimmt werden soll, eine Elektrode, z. B: eine kleine Metallplatte, isoliert aufgestellt und mit einem radioaktiven Präparat elektrisch leitend verbunden. Am einfachsten ist es, die radioaktive Substanz in Form einer dünnen Schicht auf die Elektrode aufzubringen. Als radioaktive Substanzen sind diejenigen mit größerer Lebensdauer besonders geeignet, z. B. Strontium 90, das eine Halbwertszeit von 20 Jahren besitzt, keine gesundheitsschädlichen y-Strahlen aussendet und daher keine besonderen Schutzvorrichtungen gegen die y-Strahlen benötigt. Der isoliert aufgestellten Elektrode werden eine oder mehrere Gegenelektroden gegenübergestellt, z. B. in Form von Metallplatten, welche die Aufgabe haben, die vom radioaktiven Präparat ausgesandten geladenen Teilchen aufzufangen. So lädt sich die eine Elektrode positiv, die andere negativ auf, so daß eine Spannung zwischen den Elektroden zustandekommt. Da die umgebende Atmosphäre durch die radioaktive Strahlung gleichzeitig je nach dem herrschenden Druck mehr oder weniger elektrisch leitend gemacht wird, bewirkt die an den Elektroden liegende elektrische Spannung eine vom Druck abhängige Gasentladung, wodurch sich die durch die radioaktiven Teilchen aufgeladenen Elektroden wieder zu entladen suchen. Aus dem Gegeneinanderwirken von radioaktiver Aufladung und druckabhängiger Entladung resultiert an den Elektroden eine Gleichgewichtsspannung, die um so größer wird, je geringer der Druck im Vakuumraum ist. Bei sehr niedrigen Drucken von beispielsweise unterhalb io~⁴mmHg wirkt die radioaktive Aufladung nach wie vor in voller Stärke, dagegen gehen die Ionisation und die Gasentladung stark zurück. Das Gleichgewicht ist dann vorhanden, wenn infolge der immer höher werdenden Spannung zwischen den Elektroden die Gasentladung eine solche Intensität annimmt, daß die Stromstärke der Gasentladung gerade gleich ist der Stromstärke, die beispielsweise dem vom radioaktiven Präparat emittierten, entgegengesetzt gerichteten Elektronenstrom entspricht.

Zum Zweck der Druckmessung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die sich zwischen den Elektroden im Gleichgewicht einstellende Spannung vorzugsweise mittels eines elektrostatischen Spannungsmessers gemessen. Die Abhängigkeit der erzeugten Spannung vom Druck und von der Gasart wird mittels eines Eichmanometers festgestellt und ist je nach der Elektrodenanordnung verschieden. Nachdem die erfindungsgemäße Anordnung mittels eines anderen Manometers geeicht ist, kann sie zur genauen Messung von Drucken dienen und weist den großen Vorteil auf, das eine kontinuierliehe Ablesung der Druckwerte möglich ist und daß zur Versorgung des Gerätes keine besonderen Strom- und Spannungsquellen erforderlich sind. Für die Spannungsmessung ist es zweckmäßig, die Elektroden selbst als elektrostatisches Spannungsmeßgerät auszubilden. Eine solche Anordnung wird im nachfolgenden beschrieben.

Fig. ι zeigt einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Manometer;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie H-II der Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen axialen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Manometer weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, das durch die beiden Endplatten 2 und 3 abgeschlossen ist. Zwischen den beiden Endplatten 2 und 3 ist eine Welle 4 drehbar gelagert. Die Welle 4 trägt eine Isolierhülse S, an welcher eine bewegliche Armatur 6 befestigt ist. Diese besteht aus zwei Flügeln 6_a und 6_b, welche von Öffnungen 7 durchbrochen sind. Die Flügel 6 können sich zwischen feststehenden Plattenpaaren 8 und 9 bewegen, welche im Innern des Gehäuses 1 befestigt sind und die festen Elektrodenpaare bilden.

Die beweglichen Elektrodenflügel 6 sind mit einer dünnen Schicht einer radioaktiven Substanz — vorzugsweise Strontium 90 — überzogen, welche dazu dient, der beweglichen Armatur 6 eine elektrische Ladung gegenüber der feststehenden Armatur 8-9 zu erteilen. Im Falle der Verwendung eines /i-Strahlers erhält so die bewegliche Elektrode eine positive, die feststehenden Elektroden dagegen eine'negative Ladung.

Die Aufladung wird durch die durch Ionisation infolge der radioaktiven Strahlung in der umgeben-

den Atmosphäre hervorgerufene elektische Leitfähigkeit beschränkt, wobei die elektrische Leitfähigkeit ihrerseits vom Druck des Gases abhängt. Die elektrische Ladung bewirkt durch die elektrostatischen Kräfte eine Auslenkung der beweglichen Armatur 6 und infolgedessen eine Verdrehung der Welle 4. Diese trägt einen Zeiger io, welcher über einer Skala 11 spielt, wobei die Skala direkt in Druckeinheiten geeicht sein kann.

Eine Spiralfeder 12, deren äußeres Ende mit der Platte 3 bei 13 befestigt und deren inneres Ende mit der Welle 4 verbunden ist, wirkt der Verdrehung der Welle 4 entgegen und ist bestrebt, den Zeiger 10 in seiner Ruhelage festzuhalten.

Das erfindungsgemäße Manometer kann direkt an der Stelle in einem Vakuumraum angeordnet werden, wo der Druck bestimmt werden soll. Zu diesem Zweck ist die Platte 3 mit öffnungen 14 versehen, so daß der Druck im Innern des Manometergehäuses dem Druck im evakuierten Raum, in welchem das Manometer sich befindet, entspricht.

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Manometers ist ganz besonders für die Messung von Drücken zwischen io^—1 bis 10—⁴ mm Hg geeignet. Für niedrigere Drücke als io~~⁴ wird die Spannung, auf welche sich die bewegliche Armatur 6 gegenüber der feststehenden Armatur aufladen kann, sehr hoch, so daß unter Umständen unkontrollierbare Kriechströme entlang der Isolierhülse 5 zustande kommen, welche die Messung verfälschen würden.

Um meßtechnisch definierte Verhältnisse zu schaffen, genügt es in diesem Falle, der Isolierhülse von vornherein eine gewisse ganz geringe elekirische Leitfähigkeit zu erteilen, indem etwa ein Isoliermaterial mit geringer elektrischer Leitfähigkeit für die Hülse verwendet, oder beispielsweise auf die Oberfläche des Isolators durch Aufdampfen im Vakuum eine dünne Schicht aus einem elektrisch leitendem Material niedergeschlagen wird.

Aus Fig. 2, die einen Schnitt nach der Linie H-II der Fig. 1 darstellt, ist die Form der beweglichen und festen Elektrodenflügel ersichtlich. Die feststehenden Elektrodenpaare 8 und 9 besitzen im Beispielsfalle die Form von Kreisringsegmenten. Die Flügel 6_a und 6_b der beweglichen Elektrode 6 werden nach Art eines elektrostatischen Spannungsmessers je nach der an den Elektroden liegenden Spannung mehr oder weniger weit zwischen die feststehenden Elektroden hineinbewegt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, sind bewegliche Elektroden 15 vorgesehen, welche mit einer Metallhülse 17 verbunden sind, die ihrerseits von einer isolierenden Hülse 16 getragen ist. Die Metallhülse 17 trägt auch eine ringförmige Platte 18, welche unterhalb der unteren feststehenden Elektroden 8 und 9 sich befindet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ,ist nur die Platte 18 mit einer radioaktiven Schicht überzogen, nicht dagegen die eigentlichen beweglichen Elektrodenflügel 15. Die mit dem radioaktiven Überzug versehene ringförmige Platte 18 ist aber mit der Elektrode 15 über die Metallhülse 17 elektrisch leitend verbunden. Im übrigen liegt dieselbe Anordnung wie in Fig. ι vor. Die Anordnung nach Fig. 3 bietet den Vorteil, daß die radioaktive Schicht auf der ringförmigen Platte 18 den mit dem Gehäuse elektrisch verbundenen unteren Elektroden 8 und 9 stets in gleichem Abstand und unter geometrisch gleichbleibenden elektrischen Feldverhältnissen gegenübersteht, während in der Ausführungsform gemäß Fig. ι die radioaktive Schicht auf den beiden Elektrodenflügeln 6 sich je nach der Verdrehung der Welle 4 bald zwischen den feststehenden Elektroden, bald außerhalb derselben befindet, so daß die elektrischen Feldverhältnisse und daher auch die Entladung je nach der Stellung der beweglichen Elektr'odenflügel verschieden sind.

Man kann den Meßbereich des erfindungsgemäßen Manometers auch leicht auf Drücke unterhalb 10—⁵ mm Hg- erweitern, ohne daß unzulässig hohe Spannungen auftreten. Zu diesem Zweck wird ein Magnetfeld vorgesehen, welches in bezug auf die Elektrodenebene senkrecht steht, also achsenpar'allel verläuft. Am einfachsten ist es, den Zylindermantel 1 als Permanentmagneten auszubilden. Die durch Ionisation erzeugten Elektronen können durch die Öffnungen 7 der beweglichen Elektrodenflügel hindurchtreten und schwingen zwischen den beiden feststehenden Elektrodenplatten hin und her, ähnlich wie bei einem Penning-Ionisationsmanometer. Das Magnetfeld bewirkt, daß die Wege der Elektronen verlängert werden und so eine stärkere Ionisationswirkung und somit ein größerer Entladestrom auftritt, so daß auch bei Drücken unterhalb io~⁵ mm Hg keine unzuverlässig hohen Spannungen zwischen den Elektroden entstehen können.

Es ist selbstverständlich möglich, den Permanentmagneten durch einen Elektromagneten, der etwa durch eine über das Gehäuse 1 geschobene Spule gebildet wird, zu ersetzen.

Claims (8)

1. Patentanspruch ει. Verfahren zur Vakuummessung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vakuumraum eine Elektrode mit Hilfe einer radioaktiven Substanz elektrisch aufgeladen wird, wobei die Strahlung der radioaktiven Substanz eine druckabhängige Ionisation des umgebenden Gases hervorruft, welche der Aufladung der genannten Elektrode entgegenwirkt, und daß die durch das Gegeneinanderwirken von radioaktiver Aufladung und durch die Ionisation bedingter Entladung sich im Gleichgewichtszustand einstellende Spannung an der Elektrode als Maß für den Druck im Vakuumraum dient.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine feststehende und eine beweg-

   liehe Armatur aufweist, welche die Elektroden eines elektrostatischen Spannungsmessers bilden, wobei die eine Armatur mit einem radioaktiven Apparateteil elektrisch leitend verbunden ist und sich infolgedessen gegenüber der anderen Armatur elektrisch auflädt und wobei die Strahlung des radioaktiven Teiles eine druckabhängige Ionisation der umgebenden Gasatmosphäre hervorruft, welche der elektrostatischen Aufladung entgegenwirkt, derart, daß die sich im Gleichgewicht einstellende elektrische Spannung als Maß für den zu messenden Druck im Vakuumraum dient.
3. 3'. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse eine Welle drehbar gelagert ist, welche Elektrodenflügel trägt, deren Ebene zur Wellenachse senkrecht steht und daß weiter feststehende Elektrodenplattenpaare vorgesehen sind, die vom Gehäuse getragen werden.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elektrodenflügel mittels einer Isolierhülse von der drehbaren Welle getragen werden.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elektrodenflügel mit einer Schicht einer radioaktiven Substanz überzogen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld vorgesehen ist, welches auf die Gasentladung zwischen den feststehenden und beweglichen Elektroden einwirkt und welches zu den Elektrodenebenen senkrecht steht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gehäuses als Permanentmagnet ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierhülse zur Erzielung einer gewissen geringen elektrischen Leitfähigkeit aus einem Material entsprechender Leitfähigkeit besteht oder mit einem dünnen Überzug aus einem elektrisch leitenden Material versehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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