EP0842527A1 - In der vakuumtechnik einsetzbares gerät mit elektroden für eine gasentladung - Google Patents

In der vakuumtechnik einsetzbares gerät mit elektroden für eine gasentladung

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EP0842527A1
EP0842527A1 EP96927550A EP96927550A EP0842527A1 EP 0842527 A1 EP0842527 A1 EP 0842527A1 EP 96927550 A EP96927550 A EP 96927550A EP 96927550 A EP96927550 A EP 96927550A EP 0842527 A1 EP0842527 A1 EP 0842527A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnet
housing
electrodes
gas discharge
ion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96927550A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ludolf Gerdau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Vakuum GmbH filed Critical Leybold Vakuum GmbH
Publication of EP0842527A1 publication Critical patent/EP0842527A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J41/00—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas; Discharge tubes for evacuation by diffusion of ions
    • H01J41/02—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas
    • H01J41/06—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas with ionisation by means of cold cathodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects
    • G01L21/34—Vacuum gauges by making use of ionisation effects using electric discharge tubes with cold cathodes

Definitions

  • the invention relates to a device with the features of the preamble of claim 1.
  • Devices that can be used in vacuum technology and require gas discharge for their operation are, for example, ionization (Penning) vacuum meters, gas discharge ion sources, ion atomizing pumps or the like. They are equipped with one or more magnets, the fields of which lengthen the path of the ionizing electrons.
  • 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 carriers required to maintain the discharge.
  • the magnetic field (order of magnitude 0.1 T) is arranged such 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.
  • the electrodes are located within a vacuum-tight housing. Two permanent magnets are arranged outside the housing. When ready for use, the entire system is located within a protective cap.
  • Gas discharge ion sources and ion atomizing pumps of a known type have a similar structure. They are operated with correspondingly dimensioned electrical voltages and magnetic fields.
  • the magnets used to generate the magnetic fields are located outside the respective device housing.
  • the electrodes are located inside the housing, the housing itself being able to form one of the electrodes - frequently the cathode.
  • the housing is expediently at earth potential.
  • the anode inside the housing is then to be supplied with a positive high voltage.
  • the object of the present invention is to simplify the construction of a device of the type concerned here.
  • this object is achieved in that the magnet is inside the housing and at the same time forms one of the electrodes.
  • the construction of a device of the type concerned here is particularly simple if the housing forms the second electrode. Separate, separately manufactured and assembled components for electrodes can be omitted in this embodiment.
  • FIG. 1 shows a sensor for a cold cathode ionization vacuum meter
  • FIG. 2 is a gas discharge ion source
  • FIG. 3 shows a diode ion atomizing pump
  • the housing equipped with a flange 2 is designated 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.
  • the magnet 4 is connected to a high-voltage source, not shown, via a lead 8 which is isolated from the housing 3.
  • the housing is grounded.
  • the polarity is expediently chosen so that the magnet 4 forms the anode and the housing 3 the cathode. Electrical field lines, not shown, extend between the magnets 4 and the housing 3.
  • the polarity can also Conversely chosen, that is, the magnet 4 forms the cathode, which is achieved by appropriate voltage selection.
  • the magnet 4 simultaneously forms the anode and the housing 3 simultaneously the cathode, separate electrode components can be omitted. Its structure is therefore particularly suitable for transmitter designs in which the electronic components have to be accommodated in the immediate vicinity of the sensor.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment for a gas discharge ion source.
  • Its housing 3 is essentially cylindrical.
  • the axis of the housing is designated 9. It is also the axis of the ring-shaped magnet 4.
  • the gas to be ionized is metered in via a connecting piece 10.
  • an ion cloud is located in the center of the ring-shaped magnet 4.
  • ions are sucked out of the ion cloud in a manner known per se and formed into an ion beam, which is then e.g. a quadrupole mass spectrometer can be supplied for analysis of the gas.
  • 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.
  • 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.
  • 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 just make sure that the polarization of the magnet 4 and the polarity of the electric field are selected so that magnetic and electric field lines intersect. The extension of the path of the electrons necessary for the operation of the gas discharge is then always guaranteed.
  • a plurality of ring-shaped magnets can be arranged side by side in such a way that their axes are approximately perpendicular to the cathode plates. They thus form the multi-cell anode that is particularly useful in ion atomizing pumps.
  • the housing expediently consists of a ferromagnetic material, e.g. Stainless steel, so that the course of the magnetic field lines can be influenced with the help of the housing.
  • a ferromagnetic material e.g. Stainless steel
  • magnets e.g. Iron-neodymium-boron magnets or cobalt-samarium magnets
  • the magnet 4 is therefore expediently coated, e.g. to avoid Ha embrittlement.
  • a coating is shown and designated 14.
  • the coating can consist of a hard material layer, which is applied by plasma evaporation or plasma polymerization.
  • magnets 4 e.g. made of stainless steel, completely encapsulated. 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.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein in der Vakuumtechnik einsetzbares Gerät (1) mit einem Gehäuse (3), mit innerhalb des Gehäuses befindlichen Elektroden, zwischen denen während des Betriebs des Gerätes eine Gasentladung aufrechterhalten wird, sowie mit mindestens einem Magneten (4), dessen Magnetfeld eine Verlängerung des Weges der ionisierenden Elektronen bewirkt; um den Aufbau eines Gerätes dieser Art zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, daß sich der Magnet (4) innerhalb des Gehäuses (3) befindet und eine der Elektroden bildet.

Description

In der Vakuumtechnik einsetzbares Gerät mit Elektroden für eine Gasentladung
Die Erfindung betrifft ein Gerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 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.
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.
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.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Gerätes der hier betroffenen Art zu vereinfa¬ 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.
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 Ausfuh¬ rungsform entfallen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Bei¬ spielen erläutert werden. Es zeigen
- Figur 1 einen Meßwertaufnehmer für ein Kaltkatoden-Ionisationsvakuumeter,
- Figur 2 eine Gasentladungs-Ionenguelle und
- Figur 3 eine Dioden-Ionenzerstäuberpumpe
In allen Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Figur 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.
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.
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.
Figur 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.
Figur 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.
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.
Bei einer Ionenzerstäuberpumpe können z.B. eiine 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.
Zweckmäßig besteht das Gehäuse aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z.B. Edelstahl, sodaß mit Hilfe des Gehäuses Einfluß auf den Verlauf der Magnetfeldlinien genommen werden kann.
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 Ha-Versprödung zu ver¬ meiden. In Figur 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.

Claims

In der Vakuumtechnik einsetzbares Gerät mit Elektroden für eine GasentladungPATENTANSPRÜCHE
1. In der Vakuumtechnik einsetzbares Gerät (1) mit einem Gehäuse (3), mit innerhalb des Gehäuses befindlichen Elektroden, zwischen denen während des Betriebs des Gerätes eine Gasentladung aufrechterhalten wird, sowie mit mindestens einem Magneten (4), dessen Magnetfeld eine Verlängerung des Weges der ionisierenden Elek¬ tronen bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Magnet (4) innerhalb des Gehäuses (3) befindet und eine der Elektroden bildet.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) die zweite Elektrode bildet.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) die Anode ist.
4. Gerät nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) Ringform hat.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten (5,6) des ringförmigen Magneten (4) die Magnetpole bilden.
6. Gerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) beschichtet ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) mit Hilfe von Blechabschnitten eingekapselt ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Meßwertaufnehmer eines Kaltkatoden-Ionisationsvakuumeters ist.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gasentladungsionenquelle ist.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) der Ionenquelle zylindrisch ist, daß der ringförmige Magnet (4) etwa gleichachsig im Gehäuse (3) angeordnet ist, daß auf einer Seite des Magneten (4) ein Gaseinlaß (10) angeordnet ist und daß sich auf der anderen Seite des Magneten (4) eine elektrostatische oder magnetostatische Linse (11) befindet.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Ionenzerstäuberpumpe ist.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden ringförmigen Magneten (4) eine Vielzellenanode der Ionenzerstäuber¬ pumpe bildet.
EP96927550A 1995-08-02 1996-07-19 In der vakuumtechnik einsetzbares gerät mit elektroden für eine gasentladung Withdrawn EP0842527A1 (de)

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