WO2014135229A1 - Ionisations-vakuummesszelle - Google Patents

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WO2014135229A1
WO2014135229A1 PCT/EP2013/064511 EP2013064511W WO2014135229A1 WO 2014135229 A1 WO2014135229 A1 WO 2014135229A1 EP 2013064511 W EP2013064511 W EP 2013064511W WO 2014135229 A1 WO2014135229 A1 WO 2014135229A1
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WO
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electrode
measuring
axis
vacuum
housing
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PCT/EP2013/064511
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English (en)
French (fr)
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WO2014135229A9 (de
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Bernhard ANDREAUS
Rolf Enderes
Martin Wüest
Oskar Untermarzoner
Rudolf Stocker
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Inficon Gmbh
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Publication date
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Priority to US14/773,250 priority patent/US9945749B2/en
Priority to DE112013006774.9T priority patent/DE112013006774A5/de
Publication of WO2014135229A1 publication Critical patent/WO2014135229A1/de
Publication of WO2014135229A9 publication Critical patent/WO2014135229A9/de

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    • 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
    • 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

Definitions

  • the implementation can be understood as the rod-shaped component
  • the invention in its first aspect relates to an ionization vacuum cell. It includes a housing with a measuring port for the vacuum to be measured at an end portion of the housing.
  • the measuring connection is an arrangement of one or more openings in the addressed housing end section, through which the ambient vacuum atmosphere to be measured extends into the housing.
  • a measuring chamber is provided in the housing which, i. the interior of which is gas-flow-connected to the mentioned measuring connection of the housing. This connection is such that, in the measuring chamber, the pressure when changing the pressure to be measured in the ambient atmosphere, adjusts very quickly to this pressure to be measured, practical
  • the pressure to be measured is the pressure directly at the measuring port.
  • a first and a second electrode are provided in the measuring chamber. These electrodes are formed substantially coaxially with respect to an axis and are spaced from each other.
  • an ionization space is formed in the measuring chamber in which, upon application of a corresponding electrical potential difference between the electrodes, the gas is ionized.
  • Electrodes have a substantially cylindrical inner surface as the ionization space facing the electrode surface. It is both electrically insulating as well
  • the measuring chamber is the first electrode
  • the contaminated measuring chamber includes, which has a substantially cylindrical and thus relatively large, at least the ionization space and the corresponding contamination exposed inner surface is achieved by this inventive embodiment of the ionization vacuum, that a necessary becoming, time-consuming cleaning, at least the aforementioned large-area electrode, without significant interruption of the operation of the ionization vacuum cell can be made.
  • the contaminated measuring chamber replaced by a cleaned or new measuring chamber.
  • the modular component concept for the measuring chamber also makes it possible to flexibly design different measuring chambers on one and the same ionization vacuum measuring cell
  • the respective ionization vacuum measuring cells can be assembled as desired with the appropriate measuring chambers.
  • the measuring chamber with respect to the axis of the cell radially outwardly limited, in an alternative, by the first electrode having the substantially cylindrical inner surface.
  • the measuring chamber with respect to the axis radially outwardly limited by a on an inner surface of the housing completely, partially or not fitting measuring chamber housing, with substantially
  • the measuring chamber has its own housing, which forms neither electrode, nor the wall of the housing.
  • the measuring chamber housing can also with his
  • the housing in this embodiment is practically double-walled.
  • the measuring chamber is radially outwardly of the axis bounded by at least an axial portion of the wall of the housing
  • the wall of the housing is formed in the section in which the measuring chamber is mounted through the measuring chamber wall or, vice versa, it is there
  • Measuring chamber wall formed by a part of the housing wall.
  • the measuring chamber at the end facing away from the measuring connection a non-combinable according to the invention ionization vacuum cell
  • vacuum-tight, electrically insulating passage for the electrical supply to one of the electrodes or for one of the electrodes themselves.
  • part of the exchangeable measuring chamber on the other hand outside the measuring chamber, be aligned with one another such that, with regard to contamination, the measuring chamber-side, non-vacuum-tight feedthrough outside the measuring chamber
  • Shielding chamber arranged, also vaukuum Why shielding.
  • the exchangeable measuring chamber at the end facing away from the measuring connection axially, comprises both electrically insulated and vacuum-tight leadthrough.
  • inventive ionization vacuum cell can be combined, if not contradictory, the measuring chamber measuring connection side in or on the housing on stop and releasably lockable on the housing, for this purpose preferably a screw or a carabiner connection between the measuring chamber and housing is provided or at least one axially or acting radially between the housing and the measuring chamber
  • inventive ionization vacuum cell can be combined, if not contradictory, the
  • Ionization generates a magnetic field.
  • magnetization arrangement we mean an arrangement of permanent magnets with or without passive
  • Magnetic field guiding members such as yokes, pole pieces, shunts e.g. each of ferromagnetic material.
  • the ionization vacuum cell can be virtually any type of such cell. In particular, however, these are measuring cells in their ionization space in addition to the electric field also, angled to a
  • the invention further relates to a measuring chamber for an ionization vacuum measuring cell of the kind explained above,
  • An ionization vacuum measuring cell realized today comprises: a) an evacuable housing with a measuring connection for the vacuum to be measured, b) a first and a second electrode, which in
  • a measuring chamber is formed, which is arranged communicating with the measuring terminal, wherein the first electrode forms the outer electrode and this has a substantially cylindrical surface, and that the second electrode is rod-shaped and lies in the axis.
  • the measuring terminal which has an insulator arranged around the axis and the second rod-shaped electrode is guided sealingly through this insulator.
  • the yoke is in the axial direction on both sides of
  • said first electrode forms the outer electrode of the coaxial arrangement of the electrodes, such that the yoke on both sides and spaced from the permanent magnet ring forms two annular poles over which at least a part of Field lines of the permanent magnet ring penetrate within the measuring chamber, the first electrode, close, at least partially a ring-like tunnel-like magnetic field around the axis above the first electrode
  • Shielding device is arranged to protect the insulator from contamination by dust particles from the
  • Measuring chamber which forms an ionization space and that at least the first electrode is installed in a replaceable insertion chamber.
  • An ionization vacuum cell is always open with an atmosphere to be measured for pressure, otherwise vacuum-tight ionization space available.
  • the two electrodes are effective, between which a high electric field is generated. At least one of the two electrodes must have the necessary electrical
  • Reference potential as operated the potential of a housing of the cell, thus the distance between the electrodes is electrically floating with respect to reference potential, then, if appropriate, such a passage is also provided for the second electrode.
  • the ionisation vacuum measuring cell which comprises: a) a housing with a measuring connection for the purpose of
  • Ionization space is formed within the housing, c) a both electrically insulating as well
  • Vacuum-tight implementation for an electrical Feeding to one of the electrodes or for the one electrode itself, with an electrical insulator with respect to other parts of the cell, which are not operated at the same electrical potential as the feeder or electrode. It is the
  • the electrode performed substantially a metal rod in one axis. It comprises carrying out i) a ceramic cylinder coaxial to the axis with an inner surface radially spaced from the rod, ii) a first glass ring fused to the inner surface on the one hand and the rod on the other hand, set back axially from an end face of the ceramic cylinder facing the ionization space, iü) having a metal connection a coaxial with the axis of the cylinder opening, with the cylindrical
  • End face of the ceramic cylinder preferably also set back, v) wherein the opening inner surface with the second
  • the application can be combined with all embodiments of the ionization vacuum measuring cell in the first aspect of the present application, if this is not inconsistent.
  • the electrodes are arranged substantially coaxially with respect to the axis, wherein the first electrode has a substantially cylindrical inner surface than the
  • the electrode arrangement is constructed as in the case of magnetron cells or inverted cells
  • Electrode ring-shaped eg. At both ends of the substantially cylindrical
  • This embodiment of the ionization vacuum cell under the second aspect of the application can be combined with all embodiments of the measuring cell under the second, but also with all embodiments of the measuring cell under the first aspect of the present application, although not explained
  • Ionization vacuum cell under the second aspect of the application is the second glass ring on the
  • Embodiments of the measuring cell under the first and in the second aspect of the present application combined, if not contradictory.
  • Ionization vacuum measuring cell combinable with all mentioned and yet to be mentioned embodiments of the measuring cell under the first and second aspect of the
  • the second glass ring is sealingly connected via one or more pairs of another coaxial ceramic cylinder / another coaxial glass ring with the inner opening surface, preferably each further
  • Ionization vacuum measurement cells often integrate additional sensors, such as Pirani or capacitive diaphragm pressure sensors. For this must be further bushings for
  • Metal pins or rods are provided on the ionization vacuum cell. This is also the case when both said electrodes are electrically related to a
  • Cell housing to be operated in a floating or the housing is operated electrically floating and to which one of the mentioned electrodes reference potential as ground potential to be placed. This will be another
  • one or more holes are or will be provided through the metal terminal, the bore axes of which are either parallel to the mentioned axis of the leadthrough, or skewed in this regard.
  • the mentioned holes have
  • a directional component of their bore axes which is parallel to the aforementioned feedthrough axis.
  • the mentioned one or more through-holes through the metal terminal have inner bore surfaces each defining the bore axis, and a metal feedthrough rod is disposed in at least a portion of the aforementioned through-holes in the respective bore axis.
  • Feedthrough rod are sealed with a glass insert merged. If the metal connections are used quasi-normalized for different conceptions of the ionization vacuum measuring cells, and with a certain
  • Ceramic cylinder then turn glass of the second glass ring and depending on the training variant of the metal connection or intervening one or more pairs of others
  • Malfunction of the measuring cell can be detected consuming.
  • the metal connection comprises an inner ring, which has the opening of the metal terminal with its Inner opening forms.
  • the metal connection further has, in addition to the mentioned inner ring, a further part, which is preferably formed as an outer ring.
  • the mentioned further part has another, to the axis of implementation coaxial opening.
  • the inner ring and the other part of the metal terminal are connected vacuum-tight by means of a Brückenpartieringes.
  • the Brückenpartiering is formed either by a connecting seam, preferably a welding or Lötnaht, or, if the inner ring and further part of the metal circuit are integrally formed, formed by a said one-piece creating annular web.
  • Inner ring coaxial opening are considered as two independent parts.
  • the sealing integrity of these two parts is created by the mentioned connection seam or the mentioned ring land.
  • the latter are due to their material, in the seam, or their dimension in the bridge realization, able, as a practical
  • the mentioned inner ring of the metal terminal and the opening in the other part of the mentioned metal terminal are offset in this direction to each other.
  • the latter allows, if constructively desired, the external radius of the inner ring regardless of the radius of the opening in the other part of the metal terminal form and the inner ring or the other part in the radial
  • Embodiments of the measuring cell in the first and the second aspect of the present application can be combined, as well as with the embodiments to be mentioned, unless contradictory to this, is of the
  • an electrically conductive plate assembly provided with an opening coaxial with said passage.
  • Plate assembly is towering from one of the implementation facing surface of the plate assembly
  • the ionization vacuum measuring cell comprises: a) an evacuable housing with a measuring port for the vacuum to be measured, a first and a second electrode in the
  • Measuring chamber is formed, which is arranged communicating with the measuring terminal, wherein the first
  • Electrode forms the outer electrode and this has a substantially cylindrical surface, and that the second electrode is rod-shaped and lies in the axis, an electrically insulating, vacuum-tight
  • Feedthrough arranged at one end of the housing on the opposite side of the measuring terminal, which has an insulator arranged around the axis and the second rod-shaped electrode is sealingly passed through this insulator, with at least one permanent magnet ring, which encloses the coaxial arrangement of the electrodes
  • Permanent magnet ring enclosing ferromagnetic yoke, wherein further the yoke is guided away in the axial direction on both sides of the permanent magnet ring and after a predetermined distance from
  • Permanent magnet ring - in longitudinal section view - is guided on both sides in the radial direction to the axis and the first electrode, said first electrode forms the outer electrode of the coaxial arrangement of the electrodes, in such that the yoke is bilateral and spaced from the
  • Permanent magnet ring forms two annular poles, over which at least part of the field lines of the permanent magnet ring inside the measuring chamber, penetrating the first electrode, close, wherein at least partially formed around the axis annular tunnel-like magnetic field over the first electrode within the measuring chamber, and In the radial direction, directed against the axis, in the region of at least one of the inner poles of the yoke disc-shaped ferromagnetic guide means are arranged, which as the first and second
  • Polular are formed and whose center around the axis each have an opening for passage of the second electrode and the Meßgas trimlass, wherein between the implementation and the second pole facing this disc in the radial region of the insulator and coaxial to the axis
  • Shielding device is arranged to protect the insulator from contamination by sputtered particles from the measuring chamber, which forms a Ionisationsraum, and that the insulator comprises a ceramic cylinder with the second electrode facing inner surface and a melted onto this and the second electrode glass ring.
  • the features of the ionization vacuum measuring cell explained in the first aspect can be combined with those of the ionization vacuum measuring cell explained in the second aspect, of course if such a combination does not lead to contradictions, and it is thus an ionization vacuum measuring cell created at both the dismantling as well as implementation of the advantages mentioned in each case are realized.
  • FIG. 1a shows, in cross-section, schematically and simplified, a first embodiment of a magnetron ionization vacuum measuring cell according to the invention with a ring magnet with axial magnetization
  • FIG. 1 b in a representation analogous to that of Fig.la, another embodiment of an inventive
  • Measuring cell namely a magnetron - ionization - vacuum measuring cell with two spaced apart in the axial direction ring magnet with radial magnetization, which surrounds an outer soft magnetic yoke.
  • Fig. Lc in a representation analogous to that of Fig.la a further embodiment of an inventive
  • Measuring cell namely a magnetron ionisation vacuum measuring cell with two ring magnets with axial
  • FIG. 2a in a representation analogous to that of FIG. 1a, a further embodiment of a measuring cell according to the invention, namely a magnetron ionization vacuum measuring cell with a ring magnet with radial
  • FIG. 2b is a view similar to that of Fig.la a further embodiment of a measuring cell according to the invention, in which the vacuum housing is formed by the yoke itself,
  • Fig. 2c in a representation analogous to that of Fig.la a further embodiment of a measuring cell according to the invention, in which the vacuum housing between the first electrode and the arrangement of the magnet system or the magnetization arrangement is arranged, such that the magnetic system of permanent magnet and yoke outside the vacuum chamber is in the range of atmosphere,
  • FIG. 2 d shows a further embodiment of a measuring cell according to the invention, analogous to that of FIG. 1 a, in which the vacuum housing is simultaneously designed as a first electrode such that the
  • Magnetic system of permanent magnet and yoke outside the vacuum chamber is in the range of atmosphere, Fig. 2e in a representation analogous to that of Fig.la a further embodiment of an inventive
  • Fig. 3 in a representation analogous to that of Fig.la a further embodiment of an inventive
  • Fig. 4 in a representation analogous to that of Fig. La, a further embodiment of an inventive
  • Measuring cell in which the ring magnet and / or the ferromagnetic conducting means associated with the pole is arranged asymmetrically and / or displaceably in the axial direction within the arrangement of the yoke,
  • Fig. 5a in plan view of a segment as part of a composite ring magnet in which the magnetization direction perpendicular to the chord of
  • Fig. 5b is a plan view of a segment as part of a composite ring magnet with radially directed magnetization direction
  • FIG. 5c is a partial plan view of a composite of individual bar magnet ring magnet, the individual bar magnets are magnetized in the same direction, Fig. 6a in a representation analogous to that of Fig.la a further embodiment of an inventive
  • Measuring cell in which two axially spaced ring magnets are shown within the arrangement of the yoke,
  • Measuring cell in which ever another ring magnet with axial polarization on both sides of the pole of the radial
  • magnetized ring magnets and mutually opposite polarity and directed against the axis are arranged within the arrangement of the yoke,
  • FIG. 11 in a representation analogous to that of FIG. 10, a further embodiment of the mentioned, electrically insulating and vacuum-tight leadthrough, FIG. 12 based on a representation analogous to those of FIGS. 10 and 11, the implementation in which additional lateral feedthroughs are installed,
  • FIG. 15 is a view similar to that of FIG. 14, another embodiment of said provisions, namely, as mentioned, to mitigate or even eliminate impairments of the lateral passages according to FIG. 12 by mechanical stresses, in particular thermally induced,
  • Fig. 16 shows a further embodiment of the mentioned
  • Fig. 17 simplified and schematically, an ionization vacuum measuring cell, wherein a measuring chamber with a
  • Housing part is designed interchangeable, according to the first aspect of the present application, Fig. 18 in a representation analogous to that of Fig. 17, an ionization vacuum measuring cell, wherein the measuring chamber by inserting or removing in one
  • Measuring cell housing is interchangeable
  • FIG. 19 schematically and simplified, an ionization vacuum measuring cell, to which a measuring chamber is interchangeable, and in which the electrically insulating, vacuum-tight
  • Measuring chamber is almost completely covered, and thus protected against contamination. It is known to use gas pressure measuring cells for the vacuum measurement, which are based on the principle of a gas discharge with a cold cathode. Such measuring cells are also called cold cathode ionization gauge or Penning cell. designated .
  • a sufficiently high DC voltage is applied between two electrodes (anode, cathode), whereby a gas discharge can be ignited and maintained. The discharge current is then a measure of the pressure to be measured.
  • Discharge path leads the electrons on their way from the negative electrode (cathode) to the positive electrode in addition (anode) on spiral-like paths, whereby the path of the electrons is extended. This increases the probability of hit with the gas particles and improves the degree of ionization. This ensures that the discharge burns over wide pressure ranges and behaves stable and reproducible.
  • Vacuum gauges that work on the principle of gas discharge with cold cathodes can be roughly divided into three classes, which are mainly in the
  • the anode is designed as an annular cylinder which encloses the discharge space, wherein cathode plates or plates are arranged on both end sides of the anode ring.
  • the magnetic field lines are parallel to the axis of the anode ring.
  • the anode is designed as a hollow cylinder with a central axis and arranged with the cathode as a rod in the center or in the axis.
  • Magnetic field lines run parallel to the cylinder axis.
  • Cylinder geometry is as in the magnetron cell, but with the anode as a rod-shaped arrangement in the center and the cathode as a hollow cylinder.
  • the faces of the cylinder are typically also at cathode potential.
  • the magnetic field lines are parallel to the cylinder axis, the field lines of the electric field are radial.
  • the space accessible to the gas to be measured within an ionization vacuum cell comprises a measuring chamber, within which the ionization space, located between anode and cathode.
  • the interior of the measuring chamber can thus be identical to the ionization chamber or, moreover, comprise regions of space that are probably exposed to the gas to be measured, but the latter is not subject to ionization there.
  • the ionization space is as mentioned between anode and cathode and is, in inverted magnetron cells, from the cathode, at
  • the most widely used cell design is that of the inverted magnetron, as it is generally a
  • Variant (A) of the magnetization arrangement is the classical variant, with the advantage that such annular
  • Magnets 1 with axial magnetization are simple and inexpensive to manufacture.
  • soft magnetic material can thus be homogeneous
  • the cathode 3 is, as already mentioned, cylindrical and closes the
  • Ionization space 20 a In the axis of the cylindrical cathode 3, the anode 4 is arranged. The whole is of the annular permanent magnet 1 with axial
  • the ionization chamber has at least one opening, which communicates with the outside to be measured with the vacuum space P.
  • a measuring cell has a releasable flange connection, directly on the cathode 3 or on a dashed line
  • the rod-shaped electrode 4 is by means of an electrically insulating, vacuum-tight passage 103 in the
  • the bushing rides on the electrode 3 or on the housing 101.
  • the housing 101 or the cathode 3 itself forms a measuring chamber 107 within the magnetization arrangement 105 with the permanent magnets 1 on the ionization vacuum measuring cell according to FIG. 1a.
  • the measuring chamber 107 is designed as a
  • interchangeable component designed, preferably non-destructively no further dismantled. it includes
  • the cathode depending on their design, at least a portion of the housing 101.
  • the electrically insulating and vacuum-tight passage 103 may be part of the interchangeable measuring chamber 107 with the anode 4.
  • Measuring chamber 107 the measuring cell, for example.
  • the electrically insulating and vacuum-tight feedthrough 103 is advantageously both in one
  • Measuring cell concept with interchangeable measuring chamber 107 as well as in a measuring cell concept with non-replaceable measuring chamber 107 formed basically with a ceramic cylinder coaxial with the anode 4 and a glass ring, which is melted onto the anode 4 and the ceramic body.
  • the outer surface of said ceramic cylinder is a second
  • the cathode 3 is usually on
  • Ground potential of the measuring cell laid, but can also be electrically floating with respect to housing 101, which then another vacuum-tight, electrically
  • Insulating passage for potential potential of the cathode 3 is required.
  • the variant (B), according to FIG. B, has two radial
  • variant (B) has smaller stray fields 15 towards the outside, in particular in the radial direction. Part of the generated
  • Permanent magnet material must be used.
  • the stray field is still appreciably present and can interfere, especially if a strong field of use is generated in the ionization space 20 should, then the outer stray field is correspondingly stronger and enters further into the outdoor area.
  • the passage is not part of the exchangeable measuring chamber 107, unless it comprises a part of the housing 101 with the passage 103.
  • a disadvantage of variant (A) is the relatively strong flux densities, which extend beyond the ionization chamber 20, even the measuring chamber 107 and even the entire
  • variant (B) reduces such stray fields 15 by forming a magnetic closure outside the ionization chamber 20 and outside the exchangeable measuring chamber 107, between the two ring magnets 1, by arranging a guide plate 2 or a yoke of soft magnetic material on the magnetization arrangement 105 becomes. However, they are still forming
  • the gas discharge is small due to the small, no longer perpendicular to the electric field axis, magnetic flux density in the center at the height between the two magnetic rings and thus remains a part of the ionization space 20 in the measuring chamber 107 unused.
  • a non-negligible interfering stray field 15 resulting from the magnetic shunt on the outside of the magnets a non-negligible interfering stray field 15, as shown in the figure lc
  • Inverted magnetrons are commonly used in the
  • the plasma discharge splits or activates gases. For example, hydrocarbons are cracked via plasma-chemical dissociation reactions. polymerized. Also, this may result in fittings of the aforementioned areas.
  • the measuring chamber is dirty. Since small currents in the range of 1 CT 9 A are measured with this method of measurement at low pressures, even a slightly conductive contamination of the bushing 103 can cause leakage currents which falsify the measurement or even make it impossible.
  • One example illustrates the problem of the required high electrical insulation at a feedthrough 103 of a cold cathode / anode arrangement.
  • the measuring current is typically 10 "9 A.
  • the leakage current will be of the same order of magnitude as the measuring current
  • wall material is sputtered off during operation. It can cause baubles that individually or in the unit pollute the electrically insulating and vacuum-tight passage 103, allow leakage currents or leakage currents or even produce short circuits and thereby the period of use of the measuring cell until a cleaning is due to drastically limit.
  • the measuring chamber 107 with or without at least part of a housing 101 and / or with no passage 103, as a component, directly interchangeable, then already calibrated measuring chambers 107 can temporarily take over the operation of the cleaned.
  • FIG. 103 individually or in combination, to shorten standstill times of the ionisation vacuum measuring cell and / or to provide a novel electrically insulated and vacuum-tight duct, according to FIG. 103, which in particular has relatively low production costs and, correspondingly, relatively low production costs Insulation and density requirements
  • Magnetizing arrangement are proposed at the measuring cell, which includes a magnetron and in which disturbing magnetic stray fields outside the measuring cell substantially reduced, or even substantially completely avoided.
  • the measuring cell should be able to detect a large pressure range to be measured and work reliably and reproducibly. Furthermore, this should be compact in good training and be economically producible.
  • the resulting pollution during operation, for example, self-sputtering, cracking and the like should not lead to long and / or frequent downtime of the measuring cell.
  • the measuring cell has a) an evacuable housing with a measuring connection for the vacuum to be measured, b) a first and a second electrode located in the
  • a measuring chamber is formed, which is arranged communicating with the measuring terminal, wherein the first electrode forms the outer electrode and this has a substantially cylindrical surface, and that the second electrode is rod-shaped and lies in the axis, c) an electrically insulating vacuum-tight leadthrough arranged at one end of the housing on the
  • Discharge current formed between the electrodes which forms a function of the vacuum pressure to be measured, f) at least one permanent magnet ring enclosing the coaxial arrangement of the electrodes, with substantially radially aligned to the axis magnetization direction and a permanent magnet ring enclosing this ferromagnetic yoke, wherein: the Yoke in the axial direction on both sides in front
  • Leaded electrode said first electrode, the outer electrode of the coaxial arrangement of
  • Forming electrodes such that the yoke on both sides and spaced from the permanent magnet ring forms two annular poles over which at least part of the field lines of the permanent magnet ring within the measuring chamber, penetrating the first electrode, close, at least partially an annular around the axis
  • disc-shaped ferromagnetic guide means which are formed as first and second pole disc and the center around the axis each have an opening for passage of the second electrode and for the sample gas passage, wherein between the passage and the second pole plate facing this in the radial
  • Shielding device is arranged to protect the insulator from contamination by dust particles from the
  • Measuring chamber which forms an ionization space.
  • the measuring chamber according to the invention Aspect 1 - interchangeable and / or the electrical
  • the first, outer electrode can be operated as an anode, wherein the second, inner electrode is operated as a cathode.
  • the outer, first electrode is operated as a cathode and the coaxial inner electrode is operated as an anode.
  • inverted magnetron is the
  • the preferably arranged in the center anode is preferably formed rod-shaped.
  • the magnetization arrangement has outside the
  • Measuring chamber always soft magnetic material.
  • the bilateral magnetic closure between the poles passes over the soft magnetic material. This avoids that the magnetization arrangement generates a disturbing stray field towards the outside or such is minimized at least.
  • at least two annular, tunnel-like, inwardly directed magnetic field configurations form over the surface of the first electrode, each with an axial component.
  • the field lines go from the inner pole of the at least one permanent magnet inwards and penetrate the first electrode, these being on both sides of the magnet over the poles of the soft magnetic or ferromagnetic
  • Electrode The electrons rotating therein, as seen in cross-section, oscillate laterally along the field lines and rotate in a circle within the rings in the opposite direction and cause a high degree of ionization due to the thus extended residence time.
  • the passage in the anode area must be able to withstand up to 5 kV, which is approximately the highest anode voltage in operation. Since in the lower measuring range of a measuring cell at typically 10 "9 mbar the ionization current in the range of 10 ⁇ 10 to 1CT 9 A is located, the insulation resistance must accept 13 ohm values in the range 10, so that the leakage current does not limit the sensitivity of the measuring cell with respect to the measurement current.
  • the measuring cell as shown above in addition to the provisions of the 1st and / or 2nd aspect of the application, allows the measuring chamber to be heated up to at least 150 ° C or even to at least 250 ° C.
  • Overpressure is permissible up to 10 bar and the leak rate is better 1E-9 mbar 1 / s.
  • the implementation includes, as a metal connector one
  • Metal ring preferably of stainless steel, in particular of non-magnetic stainless steel (1 .4435, AISI 316 L). Particularly preferably, the ring consists of Hastelloy.
  • Hastelloy C-22 NiCr2 1 mol 4W, 2.4602 is a nickel-chromium-molybdenum-tungsten alloy. it is very
  • Hastelloy B3 (NiMo29Cr, 2.4600) is a nickel-molybdenum alloy with very good resistance to hydrochloric acid other acids. Both Hastelloys are not magnetic.
  • the insulator of the implementation consists of the mentioned glass / ceramic composite.
  • the glass preferably has a matched thermal expansion coefficient, such as a Covar Schott 8250 or BH-7 Nippon glass.
  • the ceramic cylinder is preferably made of A1203. This ceramic allows, surprisingly, the increase in
  • the rod-shaped anode is sealingly fused with the glass of the glass ring, passed and fixed.
  • the diameter of the anode is for example 1 mm. This preferably consists of Hastelloy C22.
  • feedthrough pins may be placed on the periphery of the feedthrough, i. through the metal connection. They are used for the passage of electrical signals to and / or optionally arranged in the housing of the measuring cell additional sensors such as Pirani or diaphragm pressure sensors, such as capacitive
  • Membrane pressure sensors serve to potential potential of the cathode. They also act with advantage as a support for the construction of additional sensors.
  • such sensors can be arranged particularly advantageously directly in an annular cavity, next to the passage and the protruding ceramic cylinder.
  • the measuring cell in the contemporary style is supplemented by the fact that around the center opening of the second pole disc in the direction of the implementation at least a second
  • Cylinder is arranged coaxially with the axis, which projects into the ceramic cylinder with an overlap, wherein in the region of the overlap, the two cylinders are spaced from each other such that they do not touch and a gap is formed in the radial direction. This will be the way for dust particles from the
  • the cathode electrode is a separate pipe part or cylinder, for example
  • Measuring chamber (s.107) is enclosed.
  • the pole discs point On the periphery of the circumference webs on which allow the sample gas from the measuring inlet over the gap to pass through to the implementation. This arrangement also forms an embodiment of an invention
  • the exchangeable measuring chamber which can easily be replaced and replaced if the contamination of the measuring chamber becomes too large.
  • the exchangeable measuring chamber can also be made of different materials depending on the application of the measuring cell in different processes.
  • the cathode may be in the removable measuring chamber
  • Titanium sheet are manufactured. Due to the properties of sputtered titanium, unwanted gases can be bound or pumped away. The pumping effect may possibly be taken into account in the firmware for the calibration of the measuring cell.
  • An embodiment of an ionization vacuum measuring cell 30 with a magnetron magnetization arrangement 105 is schematically, simplified and shown in cross section in FIG. 2a, for example.
  • a housing 101 has a measuring port 8 and this can be connected to the vacuum to be measured, whereby the housing 101 is evacuated accordingly.
  • the connection between this housing 101 and the container with the vacuum to be measured can take place, for example, via a sealing flange 11.
  • the vacuum measuring cell 30 comprises the housing 101, with two electrodes 3, 4 and one
  • Magnetizing arrangement 105 wherein in the present Execution, the housing 101 encloses this.
  • Magnetization assembly 105 includes a
  • Permanent magnet ring 1 and a yoke 2 made of ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material can both
  • the first and a second electrodes 3, 4 are in
  • the first electrode 3 forms the outer electrode and has a substantially
  • the second electrode 4 may also be cylindrical or rod-shaped, is advantageously located in the center, lying in the axis 7, arranged.
  • Both electrodes can electrically via vacuum-tight, electrical feedthroughs 105A, 105K on the housing 101
  • a voltage source is connected to the electrodes 2, 3.
  • Current measuring means 17 are used to evaluate a discharge current, the discharge, which is formed between the electrodes 3, 4. This
  • Discharge current corresponds to a function of the vacuum pressure to be measured and is evaluated electronically and supplied for further use. At least one
  • Permanent magnet ring 1 encloses the coaxial arrangement of the electrodes 3, 4 with substantially radially aligned to the axis of magnetization direction 13. This Permanent magnet ring 1 is further from a yoke. 2
  • the yoke 2 is guided in the axial direction on both sides before the permanent magnet ring 1 away and after a predetermined distance d from
  • Permanent magnet ring 1 pole 9a and 9b is formed.
  • the first electrode 3 is the outer electrode of the coaxial arrangement of the electrodes 3, 4. At least a part of the field lines of the permanent magnet ring 1, the
  • the first electrode 3 penetrating, preferably one
  • annular tunnel-like magnetic field 14 is formed above the first electrode 3 within the ionization space 20.
  • the outer first electrode 3 is preferably operated as a cathode and the inner second electrode 4 as an anode.
  • the permanent magnet ring 1 is in the radial direction
  • group of rare earths such as neodymium, samarium, etc.
  • FIG. 5a to 5c is shown.
  • the magnetization takes place in the indicated direction of the arrow, in the case of the segment of FIG. 5a in a uniform direction or in the case of FIG
  • Segmentes of Figure 5b in the radial direction In the case of FIG. 5c, individual, for example, rectangular magnets are lined up in an annular manner. The length h is then preferably longer than wide at the individual piece. The thickness of the magnetic ring 1 is preferably not greater than the width h.
  • the shape of the U-shaped yoke 2 is in the sectional plane in which the axis 7 is at least partially angled
  • the bend is formed at right angles, as in the
  • Permanent Magnet ring are opposite to the axis 7th
  • Electrode 3 are arranged lying in order to perform the magnetic field optimally and use.
  • the poles 9a, 9b of the yoke are arranged such that there the magnetic field 14 through the first electrode 3rd
  • the magnetic payload field 14 thus leads away from the pole of the permanent magnet ring 1 through the first
  • Electrode 3 through and closes arcuately
  • one or both poles 9a, 9b of the yoke 2 may also be arranged such that the field lines 14 pass only partially or not at all through the first electrode 3, as for example in FIG. 2b in the upper region for the one pole 9a is shown.
  • the yoke 2 is angled towards the axis, so that there, too, the field lines 14 again pass through the first electrode 3. It is advantageous if this bend on both sides of the cylindrical first
  • Electrode 3 takes place.
  • Electrode 3 a kind of closed cylinder which has only one opening 8 for the supply of the sample gas P and possibly means for holding the second electrode within this cylinder with an electrical, possibly also vacuum-tight passage for feeding the second
  • Electrode In addition to the angled configuration of the yoke 2, at least parts of it can also be guided at least partially arcuately in the radial direction to the first axis 7 or the electrode 3, as shown in Figure 2e.
  • the elements of the measuring cell 30, the magnetization arrangement and the two electrodes 3, 4 are enclosed by the vacuum-tight housing 101.
  • This housing 101 has an opening 8 and a
  • Port 11 preferably designed as a flange, with which the measuring cell 30 can be connected to the vacuum volume to be measured, sealingly connected.
  • the housing 101 encloses the magnetization system 105.
  • the exchangeable measuring chamber 107 is radially limited here by the electrode 3 with respect to the axis 7.
  • the measuring chamber 107 forming housing 101.
  • a further ⁇ us accommodationssform (not shown here) is formed with the measuring chamber 107, the electrode 4 and the electrically insulating and vacuum-tight implementation corresponding to 103 A replaceable by the above-mentioned implementation of the electrode 3, and not attached to the housing 101.
  • the opening 8 of the housing 101 formed so large that the measuring chamber 107 can be replaced by the opening 8. Otherwise, and if the opening 8 is formed as drawn, for example, in Fig. 2b, it is readily possible, as in Fig. 2b
  • the flange 11 as a housing part 101 a on the remaining housing 101 releasably unscrew and remove to replace the measuring chamber 107 or
  • FIG. 2b Another possible further embodiment of the measuring cell 30 with the housing 101 is shown in FIG. 2b.
  • the yoke 2 of the magnetization arrangement 105 is simultaneously formed as a vacuum-tight housing 101 with connection means 11 arranged thereon.
  • the yoke 2 may also be only part of the housing 101.
  • the housing 101 may be made partly of soft magnetic or ferromagnetic material and partly of non-magnetic material, such as
  • the replaceable measuring chamber is also limited by the electrode 3 radially outside.
  • the feedthrough 103A with the electrode 4 is part of the exchangeable measuring chamber 107.
  • Magnetizing arrangement 105 are arranged such that the magnetization assembly 105 comes to rest entirely outside the vacuum enclosing housing 101. This has the advantage that the materials of the Magnetization arrangement 105, the ionization space 20 can not contaminate or contaminate, whereby the
  • the replaceable measuring chamber 107 is here bounded by the housing 101, or at least a part thereof, radially outward.
  • the bushing 103A rides on the housing 101, whereby here also the electrode 4 and the bushing 103A, but with the housing 101, part of
  • the first electrode 3 can also be formed as a vacuum-tight housing 101 at the same time. This also makes it possible to separate the magnetization arrangement 105 from the ionization space 20 by vacuum technology, and furthermore a compact, simple design of the measuring cell 30
  • Permanent magnet ring 1 can be arranged asymmetrically within the yoke 2 between its legs with the two poles 9a, 9b in the axial direction or even
  • the permanent magnet ring 1 becomes centric with respect to the poles 9a, 9b of the yoke 2
  • the exchangeable measuring chamber 107 in FIG. 2d is bounded radially outward by the electrode 3.
  • the bushing 103A rides on the electrode, thus again the electrode 4 and the bushing 103A, part of the interchangeable
  • Measuring chamber 107 are.
  • the magnetic field which is directed inwards from the poles, can be influenced by additional conducting means to further optimize the discharge.
  • ferromagnetic guide means 6 are arranged, as shown in Figures 3 and 4
  • openings are provided therein to pass the second electrode 4 and / or to facilitate gas exchange.
  • Conductive means 5a and 5b can readily form the end portions of the electrode 3 according to FIG. 1c, since such conducting means 5a and 5b lose their conductivity with respect to the magnetic field in that they are not set to the electrical potential of the electrode 3.
  • these conducting means 5a, 5b and / or 6 can be part of the exchangeable measuring chamber 107, by being exchanged with the mentioned one electrode 3, which in any case is part of the interchangeable measuring chamber 107 mentioned.
  • FIG. 6 a A further embodiment of the magnetization arrangement 105 is shown in FIG. 6 a, in which two permanent magnet rings 1, spaced axially from each other and opposite to each other, are arranged inside the yoke 2. This arrangement creates a particularly powerful annular magnetron field between the two poles of the
  • Permanent magnet rings 1 are preferred.
  • the replaceable measuring chamber 107 in Fig. 6a is bounded by the electrode 3 radially outward.
  • the implementation 103 rides on the electrode 3, so again the electrode 4 and the passage 103, part of the interchangeable
  • Measuring chamber 107 are.
  • FIG. 6b Another embodiment of the magnetization arrangement 105 is shown in FIG. 6b.
  • a further ring magnet 21a, 21b is arranged each which is magnetized in the axial direction and which are arranged in the area against the axis 7 within the magnet system.
  • the thickness of the magnetic ring 21 in the radial direction is at most half the width h of the permanent magnet ring 1.
  • Magnetic tunnel via the first electrode 3 can be achieved.
  • a ring magnet 21, with advantage, and between two permanent magnet rings 1 are arranged according to the embodiment described above according to the figure 6a.
  • the exchangeable measuring chamber 107 in Fig. 6b is bounded by the electrode 3 radially outward.
  • the bushing 103 rides on the electrode 3, whereby here also the electrode 4 and the bushing 103, part of the interchangeable
  • Measuring chamber 107 are.
  • Measuring chamber 107 be inventive in that then the bushings 105 as will be described later than metal / glass / ceramic / glass composite feedthroughs already addressed type are formed. Without further ado, however, the embodiments may be interchangeable
  • Measuring chambers 107 in addition to those as mentioned
  • Measuring cell 30 is between 2.0 kV and 4.5 kV. Below dimensions are given for the important parts.
  • the second electrode 4 (anode):
  • Length of the anode within the measuring space for example 20 mm, with the preferred range of 10 to 30 mm.
  • Diameter of the anode for example 1.0 to 1.5 mm, with the preferred range of 1.0 to 5.0 mm.
  • the first electrode 3 (cathode): length of the cathode: for example, 20 mm, with the
  • Diameter of the cathode for example 20 to 25 mm, with the preferred range of 15 to 35 mm.
  • - Material non-magnetic (also para- or diamagnetic).
  • the permanent magnet ring 1 The permanent magnet ring 1:
  • Height in the axial direction for example 5.0 mm, with the preferred range of 3.0 to 10 mm.
  • - Width h in the radial direction for example, 5.0 mm, with the preferred range of 3.0 to 10 mm.
  • Diameter of the measuring cell for example 30 to 50 mm, with the preferred range of 25 to 80 mm.
  • Magnetic field The flux density on the cylinder axis, measured within the measuring chamber in the axial direction, is in the range of 10 mT (milli Tesla) to 300 mT, preferably in the range of 60 to 130 mT.
  • Stray field 15 - Smaller 2.0 mT at a distance of 30 mm in the radial direction from the outer edge of the measuring cell 30, preferably less than 0.5 mT.
  • Magnitude of the earth's magnetic field is measured at the Earth's surface. It has been shown that with the high ionization performance of the present magnetron cold cathode vacuum measuring cell, more material is also dusted off the electrode surfaces. Good protection of the insulators of the bushing 103 from being repositioned by such atomized
  • Material particles is therefore particularly important.
  • the first electrode, the cathode is formed as part of an exchangeable measuring chamber, which can easily be e.g. messan gleich put in or on the rest of the measuring cell can be installed, e.g. insertable and thus one
  • Interchangeable unit forms.
  • the replacement takes place when a certain undesired degree of contamination is present, which undesirably degrades the measuring accuracy or the reliable operation of the measuring cell is no longer guaranteed.
  • Embodiment will now be described in more detail with reference to Figures 7 and 8. It comprises: a) an evacuable housing 101 with a measuring connection 8 for the vacuum to be measured, b) a first and a second electrode 3, 4, which in the
  • the ionization space 20 is arranged communicating with the measuring terminal 8, wherein the first electrode 3 forms the outer electrode and this substantially a cylindrical surface c) an electrically insulating vacuum-tight feedthrough 103 arranged at one end of the housing 101 on the opposite side of the measuring terminal 8, this one arranged around the axis 7 insulator 41, 41 'and the second rod-shaped electrode 4 through this
  • Insulator is guided sealingly, d) at least one permanent magnet ring 1, which encloses the coaxial arrangement of the electrodes 3, 4, with in
  • ferromagnetic guide means 5a, 5b are arranged, which are formed as first and second pole disk 5a, 5b and their centers around the axis 7 each have an opening 31,31 "for passage of the second electrode 4 and for the Meßgas penlass, wherein between the passage 103rd and the facing this second pole disc 5b in the radial region of the insulator 41, 41 'and coaxially to the axis 7 a shielding device 42,60 is arranged to protect the insulator 41,41' from contamination by
  • Electrode 4 rides with the passage 103 on the housing 101 and thus, in this embodiment, not part of interchangeable Messharimmer 107 is.
  • the measuring chamber 107 is held by the magnetization arrangement, including the plate-shaped guide means or pole disks 5a, 5b, 6 extendable to the measuring chamber 107 in the housing 101, wherein, as shown in Figure 7, in addition, a snap ring 68 can be provided to the positioning of the inserted measuring chamber 107 in the housing 101 to
  • a ceramic cylinder At the implementation of 103 acting as a shield cylinder 42, which also acts as an insulator, a ceramic cylinder.
  • the insulator 41 ⁇ is a glass ring which is fused with the cylindrical inner surface of the ceramic cylinder 42 on the one hand and with the electrode 4 on the other hand.
  • the insulator 41 is a second glass ring, which is fused on the one hand with the cylindrical outer surface of the ceramic cylinder 42, on the other hand with a ring
  • the signal evaluation on the measuring cell according to FIG. 7 is carried out by connecting a voltage source 16 to the electrodes 3, 4, the discharge current being evaluated by current measuring means 17, the discharge being formed between the electrodes 3, 4 Measured discharge current forms a function of the vacuum pressure to be measured.
  • magnetic holder 70 can be arranged relative to the yoke to the
  • Permanent magnet ring 1 to hold precisely in position. This arrangement with permanent magnet ring 1, yoke 2 and
  • Magnetic holder 70 may also be formed as a structural unit, which can be easily pushed over the tubular housing 101.
  • a shoulder as a stop for the positioning can be provided accordingly on the outer circumference of the housing 101.
  • the ionization space 20 or the exchangeable measuring chamber 107 is advantageously provided on the front side and in the axial direction 7
  • first and a second pole disk 5a, 5b bounded on both sides in the length are each arranged in the region of the two poles 9a, 9b of the yoke 2, wherein optionally directly the inner wall of the tubular housing 101 as an electrode 3 or an additional
  • the directed in the radial direction, in the region of the inner pole of the permanent magnet ring 1 against the axis 7 towards ferromagnetic guide means is formed as a third pole disc 6 and has in the center also has an opening 31 'for the passage of the second
  • the pole disks are advantageously designed as circular disks.
  • the advantageous embodiment of the measuring chamber 107 shown in FIG. 7 consists in that the first electrode 3 is designed as a separate, preferably plate-shaped, cylinder
  • the electrode cylinder 3 encloses the measuring chamber 107 and, closing on both sides, is connected to the first and the second pole disk 5a, 5b.
  • the width of the gap 63 is
  • Measuring chamber diameter but sufficiently large to achieve a sufficient conductance for the passage or distribution of the sample gas from the measuring inlet 8 over the entire ionization 20.20 ⁇ to the region of the implementation 103rd
  • the first and second pole plate 5a, 5b, and possibly the third pole disc 6 or more, preferably 2 thereof are at the periphery of the inner wall of the housing 101, wherein in the region of the gap 63 webs 35 on the
  • Measuring chamber position e.g. a positioning shoulder 61 may be provided.
  • the measuring chamber 107 is simply inserted over the measuring inlet 8 into the housing 101 when replacing it
  • Messeinlasses 8 are secured in position with an element for fixing, for example, a snap ring 68th
  • pole disks have, in addition to the center opening 31, 31 ', 31 ", at least one additional opening, preferably a plurality of openings 32, 32'
  • the permeability of the measurement gas is increased in the ionization space 20, 20 '.
  • an ignition aid 33 (see FIG Igniting the discharge can be initiated better.
  • This consists, for example, of a small metal part, such as a small plate, which has sharp edges or tips, which is freed of field emission with a voltage pulse
  • Charge carrier is effected.
  • Insulator parts 41,41 ', 42 (glass / ceramic / glass) of
  • the ceramic cylinder projects beyond the one 41 ⁇ as insulating part 42, preferably both insulating parts designed as glass rings 41 ⁇ and 41.
  • a metallic support ring 43 as a metal terminal, is sealingly connected to the second insulator part 41, ie fused to the second glass ring.
  • the metal terminal 43 here annular, carries the leadthrough 103.
  • the metal terminal 43 is sealingly connected at 45 to the periphery with the one end of the housing 101 facing the metering inlet 8.
  • the connection at 45 to the housing 101 is advantageously welded, in particular laser welded.
  • the material used for the metal connection 43 is above all a stainless steel (inox), a non-magnetic steel being preferred in order not to unduly influence the discharge in the ionization space.
  • Housing 101 is also advantageously made of a non-magnetic, stainless steel (Inox).
  • At least one second cylinder 60 is arranged coaxially with the axis 7 around the center opening 31 of the second pole disk 5b in the direction of the passage 103.
  • This second pole disk 5b is positioned relative to the passage 103 and the two cylinders 42, 60 dimensioned in length and diameter such that the second cylinder 60 protrudes into the first, spaced therefrom.
  • Both cylinders are arranged coaxially with one another and with respect to the axis 7. In this case, in the region of the overlap b, the two cylinders 42, 60 are radially spaced from each other such that they do not touch and a gap a is formed in the radial direction.
  • This gap a forms an insulation stretch in a vacuum.
  • the creepage distance at the ber Design of the insulators is extended and there are shading areas in which dusty material from the ionization space can not get there.
  • the surface of the insulators, namely the glass rings and the ceramic cylinder in the embodiment according to the invention, thereby remains at least in front of contamination
  • Cylinder 42 is ceramic.
  • the second cylinder 60 at the second pole disc 5b is advantageously made of a metal, which is not advantageous
  • the immersion depth or overlap b of the two cylinders 42, 60 is for example 1.0 mm, with a preferred range of 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the distance (gap) a between the two cylinders 42, 60 in the radial direction is 10, for example, 0.5 mm, with a preferred range of 0.2 mm to 10.0 mm.
  • the first cylinder is in accordance with the invention training the implementation 107, a ceramic, as from
  • Insulator part 41, 41 ' in the case of the embodiment of the bushing 103 according to the invention, a glass is used, such as Schott 8250 log whose electrical volume resistivity at 250 ° C. is 10.0 ohm cm (Brochure Schott Technical Glasses, Physical and technical properties, 90491 English 04100.7 kn / lang,
  • annular chamber 47 is formed, in which, for example, a
  • Additional vacuum sensor 48 is arranged.
  • Additional vacuum sensor 48 the use of a Piranisensors or a membrane pressure sensor is particularly suitable. These sensors are small in construction and can be accommodated elegantly in this annular chamber 47 in the region of the passage 103. These are also also by the shielding 42,60, ie in
  • Metal cylinder 60 reliably protected against unwanted deposits from the ionization chamber.
  • the Pirani measuring cell can be provided with a further protective arrangement 49.
  • the feedthrough members, feedthrough rods or pins 44 additionally required for such measuring cells may be readily provided in combination with the feedthrough 103.
  • Such feedthrough rods 44 may, for example, be integrated directly into the insulator portion 41 and / or, and preferably into the metal terminal 43 as well.
  • the range of application of the vacuum measuring cell 30 can be significantly expanded.
  • Such a combination measuring cell makes it possible to significantly expand the precisely measurable vacuum pressure range.
  • the second electrode is formed as a rod and lies in the axis, c) an electrically insulating and vacuum-tight
  • the measuring cell further comprises a measuring chamber in or on the housing, therein at least the first electrode.
  • the measuring chamber is designed as an exchangeable component and / or it has the electrically insulating and
  • the bushing then further comprises a metal port with a cylinder opening coaxial with the axis and with the cylindrical one
  • the passage then further comprises a second glass ring fused onto the cylindrical outer surface of the ceramic cylinder, set back axially from the end face of the ceramic cylinder facing the ionization space, the opening inner surface being connected in a vacuum-tight manner to the second glass ring.
  • the second aspect of the present application and its combination further comprises the measuring cell d) at least one permanent magnet ring enclosing the coaxial arrangement of the electrodes, with substantially radially aligned to the axis magnetization direction and a permanent magnet ring enclosing this ferromagnetic yoke wherein the yoke in the axial direction on both sides of the permanent magnet ring is guided away and after a predetermined distance from the permanent magnet ring is guided on both sides in the radial direction to the axis and the first electrode.
  • This first electrode is the outer electrode of the coaxial arrangement of
  • Electrodes such that the yoke on both sides and spaced from the permanent magnet ring forms two annular poles over which at least a part of the field lines of Permanent magnets ring within the ionization space, penetrating the first electrode, close. It is at least partially annular around the axis
  • first and second pole disc arranged, which as first and second pole disc
  • Shielding device arranged to protect the insulator from contamination by dust particles from the
  • This inventive measuring cell can be as follows
  • the at least one permanent magnet ring is arranged displaceably in the axial direction within the yoke relative to the poles K) in that directed in the radial direction towards the axis, in the region of the inner pole of the
  • pole disk which has an opening in the center for passage of the second electrode.
  • the measuring chamber M in that the implementation in the center has an at least two-part insulator, which with the second rod-shaped electrode sealingly surrounds the first insulator part, wherein the second insulator part comprises the first annular in the radial direction to the axis and sealing at least a first cylinder therebetween
  • Polular in the direction of the implementation of at least one second cylinder is arranged coaxially to the axis, which projects into the first cylinder with an overlap, wherein in the region of the overlap, the two cylinders are arranged spaced from each other so that they do not touch and a gap in the radial Direction is formed 0) in that at least one of the two insulator parts is formed of glass.
  • insulating material preferably one
  • the second tube piece (60) is made of a metal which is not ferromagnetic
  • the first electrode is formed as a separate sheet-shaped cylinder part and coaxially spaced, forming a gap therebetween, of the
  • Inner wall is arranged spaced from the housing and, the measuring chamber enclosing, is completed on both sides with the first and the second pole disc
  • the first pole disc and possibly the third pole disc has at least one further opening, preferably more, which distributes over the disc
  • FIG. 10 is a simplified longitudinal section representation of a good development of the already presented with reference to FIGS. 7 and 8 implementation 103 shown.
  • a ceramic cylinder 114 is molded coaxially with the axis 110 via a glass ring 116 with the metal rod 112.
  • the outer cylindrical surface of the ceramic cylinder 114 in turn is connected via a second glass ring 118 to the metal terminal 120.
  • the metal connection 120 has an opening 122 coaxial to the axis 110, and the further glass ring 118 is, as mentioned, on the one hand with the
  • first glass rings 116, 116a, 116b and associated ceramic cylinder 114a, 114b are provided in order to further increase the electrical insulation of the bushing 103.
  • Ionization vacuum cell Ionization space side possibly provided cylinder, as shown in dashed lines in Fig. 11 at 125, and corresponding cylinder 60 of Fig. 7, which the ceramic cylinder 114 of the bushing 103rd
  • FIG. 12 shows the feedthrough 103 supplemented with one or more lateral feedthroughs 130 with feedthrough bars 132, for example for the additional pressure sensors according to FIG
  • the lateral feedthroughs 130 are provided in the metal terminal 120. Its axis 134 is
  • the lateral feedthroughs 130 are formed by a respective bore 136, through the metal connection 120, in which, coaxially, the rod 132 to be carried out is arranged.
  • the rod or pin 132 is fused by the glass of a glass insert 138 with the metal terminal 120, in the bore 136 vacuum-tight and electrically isolated from the wall of the bore 136th
  • a plurality of lateral feedthroughs 130 are provided which are arranged to provide as direct electrical access to ionization space as possible
  • these lateral feedthroughs 130 for optimum positioning, need not all be radially equal with respect to the feedthrough axis 110
  • borehole 136 is provided in the metal connection 120, which are not needed for a feedthrough 130 for a specific application, then such a borehole 130 can be closed in a vacuum-tight manner at 130 o in FIG. 12 by means of a fused glass insert.
  • cracks such as hairline cracks, occur in the glass inserts 138, which both their vacuum tightness as well as their
  • the metal terminal is divided 120 into two “slidable” in limits and primarily relative to each other in the radial direction parts 120i and 120 a.
  • the lateral passages 130 of the shaft 110 outer portion 120 provided at the respect.
  • the integrity of the two Parts as metal terminal 120 is represented by a
  • This buffer zone which may be provided along a separation gap 140 between the mentioned parts of the metal terminal 120, is as this Gap formed circumferentially bridging material zone and may include relatively ductile metal and / or may be designed so thin that they are practically feathery
  • the metal connection 120 is divided by an annular gap 140 coaxial with respect to axis 110 of the passage 103 into an inner part 120i and an outer 120 ' a, preferably both made of the same metal.
  • the ride or ride rides the already described with reference to FIG. 12 lateral-passage 130.
  • the integrity of the metal terminal 120 is formed by acting as a buffer zone bridge section, 145 in Fig. 13
  • annular gap 140 can, as shown schematically in FIG. 14, the inner 120i and outer 120 a part of the metal terminal 120 may be formed so as to extend along at least a plane E perpendicular to the axis 110, to which the two parts 120i and 120 a
  • the integrity of the part 120 together with vacuum-tightness can be formed by a circumferential connection seam, such as a welding or soldering seam 150.
  • a circumferential connection seam such as a welding or soldering seam 150.
  • An advantage of the basic embodiment of FIG. 14 is that the two parts are guided in the radial expansion direction and therefore can not be mutually bent, which could lead to bending stresses, in particular on the glass ring 118 according to FIG. 11 and subsequent ceramic cylinder.
  • the coaxial gap 140 according to FIG. 13 is actually designed as a space region open against the axis 110, which assumes the gap function with respect to radial displaceability of the outer part 120 a with respect to the inner part 120 i and therefore in FIG. 14 also designated 140.
  • Sections subdivided annular gap 140 is provided, which ensures the required relative radial mobility for receiving the voltages. According to FIG. 15, the
  • Connecting web be created there, for example. segmented. It must be pointed out that the bridge section, which preserves the integrity of the metal connection 120
  • the bridge section can be created by webs 145 x possibly 145 2 , which are created by incorporating the gap structure 140 into the material of the metal connection 120.
  • the ionization vacuum cell has one aspect of the invention
  • Fig. 17 is schematically and simplified one of
  • the interchangeable measuring chamber 107 with sample gas connection 8 comprises in any case, as indicated by dashed lines, the one electrode 3 and thus, apart from the second electrode, the
  • the measuring chamber 107 is. connected at a connection zone 152 with the rest of the housing part 101 a , as by means of a bayonet closure, a screw connection, etc.
  • Messcromedia.107 is indicated in Fig. 17 with the double arrow AU.
  • the electrically insulating and vacuum-tight feedthrough 103 can be provided (not shown in FIG. 17) on the remaining housing part 101 a or on the measuring chamber 107. In the last-mentioned case is with the measuring chamber 107th also replaced at the mentioned implementation 103 performed electrode.
  • the measuring chamber 107 is inserted on the side of the sample gas port 8 in the housing 101 and fixed therein.
  • Housing 101 to be firmly connected or with the exchangeable measuring chamber 107th
  • the electrically insulating and vacuum-tight passage 103 is highly sensitive to contamination. If, as is highly simplified and shown schematically in FIG. 19, the interchangeable measuring chamber 107 does not include the aforementioned feedthrough 103, but the latter is fixedly connected to the housing 101, then anyway the bar which is indicated 104 in FIG. 19 must also be electric isolated in the measuring chamber 107, there in the ionization space, are introduced.
  • an only electrically insulating, non-vacuum-tight passage is provide to 109 'of the measuring chamber 107th It will therefore coaxially with axis 7 and consequently passage 103 to the measuring chamber 107 is provided only an electrically insulating bushing 109, through which the rod 104 is fed fed upon insertion of the measuring chamber 107.
  • Fig. 119 for example, only the measuring cell is constructed in the manner of a Penning cell with cathode 4 K and anode 3 A. If necessary, to ensure the interchangeability of
  • Measuring chamber 107 as shown schematically in Fig. 19 at 106

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Abstract

Eine Ionisations-Vakuummesszelle umfasst eine Anode (3A) sowie eine Kathode (4K) in einer Messkammer (107). Die Messkammer (107), ein Gehäuse (101) für über eine Vakuumdicht-Durchführung (103) einen Anschlussstab (104) der Kathode (4K) nach Aussen. Die Messkammer (107) hält den Stab (104) in einer nur elektrischen isolierenden Durchführung (109). Über eine lösbare Steckverbindung (106) ist die Messkammer (107) im Gehäuse (101) austauschbar.

Description

Ionisations - Vakuummesszelle
Definition
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen verstehen wir unter dem Begriff „Durchführung" für ein im Wesentlichen stabförmiges Bauteil, die Halteanordnung womit dieses Bauteil an einem
plattenförmigen zweiten Bauteil gehaltert und daran durch das plattenförmige Bauteil hindurchragt. Die Durchführung kann verstanden werden als das stabförmige Bauteil
mitumfassend oder dieses nicht mitumfassend, je nachdem ob sie mit diesem Bauteil fest oder lösbar verbunden ist.
Jedenfalls ist an der Durchführung das stabförmige Bauteil mit einem Festkörper der Durchführung in direkten Kontakt. Somit ist eine lichte Öffnung im plattenförmigen Bauteil durch welche ein stabförmiges Bauteil durch ragt keine Durchführung im hier verwendeten Sinn.
Ist die Durchführung elektrisch isoliert oder isolierend, dann wird durch sie eine elektrische Isolation zwischen dem stabförmigen und dem plattenförmigen Bauteil erstellt.
Ist die Durchführung Vakuumdicht, dann entsteht durch sie mit dem eingebrachten stabförmigen Bauteil keine oder praktisch keine Gasleckage von der einen Seite des
plattenförmigen Bauteils auf dessen andere Seite. Erster Aspekt
Die Erfindung bezieht sich unter ihrem ersten Aspekt auf eine Ionisations-Vakuummesszelle . Sie umfasst ein Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum an einem Endabschnitt des Gehäuses. Der Messanschluss ist eine Anordnung ein oder mehrerer Öffnungen im angesprochenen Gehäuse-Endabschnitt, durch welche sich die zu messende Umgebungs-Vakuumatmosphäre ins Gehäuse erstreckt.
Eine Messkammer ist im Gehäuse vorgesehen die, d.h. deren Innenraum, mit dem erwähnten Messanschluss des Gehäuses gasfluss-verbunden ist. Diese Verbindung ist dergestalt, dass sich, in der Messkammer, der Druck bei Veränderung des zu messenden Druckes in der Umgebungsatmosphäre, sehr rasch auf diesen zu messenden Druck einstellt, praktisch
verzögerungsfrei. Der zu messende Druck ist dabei der Druck unmittelbar am Messanschluss.
In der Messkammer sind eine erste und eine zweite Elektrode vorgesehen. Diese Elektroden sind im Wesentlichen koaxial bezüglich einer Achse ausgebildet und sind beabstandet voneinander angeordnet.
Zwischen diesen beiden Elektroden ist ein Ionisationsraum in der Messkammer gebildet in welchem, bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, das Gas ionisiert wird. Die erste der
Elektroden weist eine im Wesentlichen zylindrische Innen- Fläche als dem Ionisationsraum zugekehrte Elektrodenfläche auf . Es ist eine sowohl elektrisch isolierende wie auch
vakuumdichte Durchführung für eine elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine der Elektroden selber vorgesehen, mit einem elektrischen Isolator
bezüglich Teilen der Messzelle, die auf ein anderes
elektrisches Potential gelegt werden als dasjenige der durchgeführten Zuführung oder Elektrode.
Bekanntlich sind die dem Ionisationsraum an einer solchen Ionisations- Vakuummesszelle ausgesetzten Oberflächen
Beeinträchtigungen insbesondere Ablagerungen ausgesetzt, was deren wiederholte Reinigung erforderlich macht. Diese bedingt entsprechend lange Stillstandzeiten der
lonisations-Vakuummesszelle und von deren Messresultat abhängiger Prozesse. Um die Aufgabe zu lösen, die lonisations-Vakuummesszelle durchschnittlich zeitlich länger operativ zu halten, ist nun weiter die Messkammer als austauschbares Bauteil ausgebildet
Da die Messkammer jedenfalls die erste Elektrode
beinhaltet, die eine im wesentlichen zylindrische und damit relativ grosse, jedenfalls dem Ionisationsraum und der entsprechenden Kontamination frei ausgesetzte Innenfläche hat, wird durch diese erfindungsgemässe Ausgestaltung der lonisations-Vakuummesszelle erreicht, dass eine notwendig werdende, zeitaufwändige Reinigung, mindestens der erwähnten grossflächigen Elektrode, ohne signifikante Unterbrechung des Betriebes der lonisations-Vakuummesszelle vorgenommen werden kann. An der erwähnten Zelle wird die kontaminierte Messkammer durch eine gereinigte oder neue Messkammer ersetzt.
Das modulare Bauteilkonzept für die Messkammer ermöglicht es weiter, an ein und derselben lonisations-Vakuummesszelle unterschiedlich konzipierte Messkammern flexibel
einzusetzen oder, umgekehrt, ein und dieselbe Messkammer an ansonsten unterschiedlich konzipierten Ionisations- Vakuummesszellen .
Die Fertigung der Ionisations-Vakuummesszellen wird
rationeller indem einerseits, als Einbaumodule auch
unterschiedliche Messkammern mit z.B. einheitlicher
Aussengeometrie gefertigt werden können, die übrigen Teile der lonisations-Vakuummesszelle mit damit kompatibler
Geometrie, und je nach spezifischer Anwendung, flexibel, die jeweiligen Ionisations-Vakuummesszellen wunschgemäss mit den entsprechenden Messkammern assembliert werden können.
In Ausführungsformen der erfindungsgemässen lonisations- Vakuummesszelle, die mit allen noch zu erwähnenden
Ausführungsformen der unter allen Aspekten
erfindungsgemässen lonisations-Vakuummesszelle kombinierbar sind, sofern nicht widersprüchlich, ist die Messkammer, bezüglich der Achse der Zelle radial gegen aussen begrenzt, in einer Alternative, durch die erste Elektrode mit der im Wesentlichen zylindrischen Innen-Fläche .
Damit bildet diese Elektrode, abgesehen von den
Stirnflächen, praktisch ein Messkammergehäuse. Der Ionisationsraum ist im Wesentlichen identisch mit dem
Innenraum der Messkammer .
In einer zweiten Alternative ist die Messkammer, bezüglich der Achse radial gegen aussen begrenzt durch ein an einer Innenfläche des Gehäuses ganz, abschnittsweise oder nicht anliegendes Messkammergehäuse, mit im Wesentlichen
zylindrischer Innenfläche, die von der ersten Elektrode radial nach aussen abgesetzt ist.
Damit hat die Messkammer ein eigenes Gehäuse, das weder Elektrode bildet, noch die Wandung des Gehäuses.
Nichtsdestotrotz kann besagtes Messkammergehäuse
abschnittsweise an der Innenfläche des Gehäuses anliegen, z.B. dort für die Auswechseloperation geführt und gehaltert sein. Das Messkammergehäuse kann auch mit seiner
Aussenfläche ganz an der Innenfläche des Gehäuses anliegen. Im Abschnitt in dem die Messkammer angeordnet ist wird das Gehäuse bei dieser Ausführung praktisch doppelwandig .
In der dritten Alternative ist die Messkammer, bezüglich der Achse radial gegen aussen, durch mindesten einen axialen Abschnitt der Wand des Gehäuses begrenzt
In dieser Variante wird die Wand des Gehäuses im Abschnitt in dem die Messkammer montiert ist durch die Messkammerwand gebildet oder, umgekehrt betrachtet, es wird dort die
Messkammerwand durch einen Teil der Gehäusewand gebildet. In Ausführungsformen der erfindungsgemässen Ionisations-
Vakuummesszelle, die mit allen bereits erwähnten und noch zu erwähnenden Ausführungsformen der unter jedem Aspekt - β -
erfindungsgemässen Ionisations-Vakuummesszelle kombinierbar sind, sofern nicht widersprüchlich, hat die Messkammer am axial dem Messanschluss abgewandten Ende eine nicht
vakuumdichte, elektrisch isolierende Durchführung für die elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für eine der Elektroden selber.
Ist an der Messkammer, an dem dem Messanschluss
abgewandten Ende die erwähnte nicht vakuumdichte,
elektrisch isolierte Durchführung für die Zuführung zu einer der Elektroden oder für eine der Elektroden selber vorgesehen, so ist für diese Zuführung oder diese Elektrode selber zusätzlich die sowohl elektrisch isolierte wie auch vakuumdichte Durchführung vorzusehen, ausserhalb der
Messkammer und damit nicht mit letzterer austauschbar. Da aber beide erwähnten Durchführungen für die selbe
elektrische Zuführung bzw. für die selbe Elektrode
vorgesehen sind, können die beiden Durchführungen,
einerseits Teil der austauschbaren Messkammer, anderseits ausserhalb der Messkammer, so aufeinander ausgerichtet sein, dass, bezüglich Kontamination, die messkammerseitige, nicht vakuumdichte Durchführung die ausserhalb der
Messkammer angeordnete, auch vaukuumdichte Durchführung abschirmt .
Es wird also damit erreicht, dass die elektrisch
isolierende und vakuumdichte Durchführung vor Kontamination abgeschirmt wird und, mit Auswechseln der Messkammer, auch die dem Ionisationsraum ausgesetzten Flächen der
Durchführungen ausgetauscht werden. Dabei ist zu bedenken, dass die nicht vakuumdichte
Durchführung an der Messkammer wesentlich einfacher und kostengünstiger zu erstellen ist, als die sowohl elektrisch isolierte wie auch vakuumdichte Durchführung, die nicht mit der Messkammer austauschbar ist. Mit der kostengünstigeren Durchführung, austauschbar, wird aber die komplexere, teurere, nicht austauschbare Durchführung von
Kontaminationen abgeschirmt.
In einer Alternative umfasst die austauschbare Messkammer, am axial dem Messanschluss abgewandten Ende, die sowohl elektrisch isolierte wie auch vakuumdichte Durchführung.
Dadurch wird das Vorsehen einer zweiten, wenn auch nicht vakuumdichten Durchführung gemäss der eben erwähnten ersten Alternative umgangen. In Ausführungsformen der erfindungsgemässen Ionisations- Vakuummesszelle, die mit allen bereits erwähnten und noch zu erwähnenden Ausführungsformen der unter jedem der
Aspekte erfindungsgemässen Ionisations-Vakuummesszelle kombinierbar sind, sofern nicht widersprüchlich, ist die Messkammer messanschlussseitig in oder an das Gehäuse auf Anschlag einschiebbar und am Gehäuse lösbar arretierbar, wobei hierzu vorzugsweise eine Schraubverbindung oder ein Karabiner- Verbindung zwischen Messkammer und Gehäuse vorgesehen ist oder mindestens ein axial oder radial zwischen Gehäuse und Messkammer wirkendes
Arretierungsorgan, vorzugsweise ein Sprengring oder eine Kugel-Rastanordnung . In Ausführungsformen der erfindungsgemässen lonisations- Vakuummesszelle, die mit allen bereits erwähnten und noch zu erwähnenden Ausführungsformen der unter jedem der
Aspekte erfindungsgemässen lonisations-Vakuummesszelle kombinierbar sind, sofern nicht widersprüchlich, hat die
Messzelle radial ausserhalb der Messkammer mindestens einen Teil einer Magnetisierungsanordnung, die im
Ionisationsraum ein Magnetfeld erzeugt.
Unter Magnetisierungsanordnung verstehen wir eine Anordnung von Permanentmagneten mit oder ohne passive
Magnetfeldführungsorganen, wie Joche, Polschuhe, Shunts z.B. jeweils aus ferromagnetischem Material.
Bei der mit dem ersten Aspekt erfindungsgemässen
lonisations Vakuummesszelle kann es sich um praktisch jeden Typ solcher Messzellen handeln. Insbesondere aber handelt es sich dabei um Messzellen in deren Ionisationsraum nebst dem elektrischen Feld auch, dazu gewinkelt, ein
magnetisches Feld erzeugt wird, um die Ionisationsrate zu erhöhen. Bezüglich Eingehen auf letzterwähnte Typen von Ionisations-Vakuummesszellen wird auf die weitere
Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung betrifft weiter eine Messkammer für eine lonisations Vakuummesszelle oben erläuterter Art,
einschliesslich all den angesprochenen
Ausführungsvarianten.
Eine heute realisierte erfindungsgemässe lonisations- Vakuummesszelle umfasst: a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode , die im
wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse , wodurch zwischen diesen beiden Elektroden eine Messkammer ausgebildet ist, die mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode stabförmig ausgebildet ist und in der Achse liegt.
Sie umfasst weiter: c) eine elektrisch isolierende vakuumdichte Durchführung angeordnet an einem Ende des Gehäuse auf der
gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses , wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite stabförmige Elektrode durch diesen Isolator dichtend hindurchgeführt ist.
Sie umfasst weiter: d) mindestens einen Permanentmagnetring , der die koaxiale Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch. Das Joch ist in axialer Richtung beidseitig vom
Permanentmagnetring weg geführt und - in Längsschnitt- Betrachtung - nach einem vorgegebenen Abstand vom
Permanentmagnetring auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten Elektrode hin geführt, wobei diese erste Elektrode die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden bildet, derart dass das Joch beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich innerhalb der Messkammer die erste Elektrode durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse ringförmiges tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode
innerhalb der Messkammer ausgebildet ist. In radialer
Richtung gegen die Achse hin gerichtet sind, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole des Joches, scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel angeordnet, welche als erste und zweite Polscheibe ausgebildet sind und deren Zentrum um die Achse je eine Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den
Messgasdurchlass, wobei zwischen der Durchführung und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen Bereich des Isolators und koaxial zur Achse eine
Abschirmvorrichtung angeordnet ist zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus der
Messkammer , welche einen Ionisationsraum bildet und dass mindestens die erste Elektrode in einer austauschbaren Einschubkammer eingebaut ist.
2. Aspekt
An einer Ionisations-Vakuummesszelle ist immer ein mit einer bezüglich Druck zu messenden Atmosphäre offener, ansonsten vakuumdichter Ionisationsraum vorhanden. Darin sind die zwei Elektroden wirksam, zwischen welchen ein hohes elektrisches Feld erzeugt wird. Mindesten der einen der zwei Elektroden muss das notwendige elektrische
Potential somit über eine elektrisch leitende, vakuumdichte Zuführung zugeführt werden oder diese Elektrode selber muss über eine solche Durchführung in den Ionisationsraum eingeführt sein. Wird die zweite Elektrode nicht auf
Bezugspotential, wie dem Potential eines Gehäuses der Zelle betrieben, somit die Strecke zwischen den Elektroden elektrisch bezüglich Bezugspotential floatend ist, dann ist ggf. eine solche Durchführung auch für die zweite Elektrode vorzusehen .
Unter dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung soll in der erwähnten lonisations-Vakuummesszelle eine neuartige elektrisch isolierende, vakuumdichte Durchführung
vorgesehen werden.
Dies wird durch die lonisations-Vakuummesszelle erreicht, die umfasst: a) ein Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu
messende Vakuum, an einem Endabschnitt des Gehäuses, b) eine erste und eine zweite Elektrode im Gehäuse,
wodurch zwischen diesen beiden Elektroden ein
Ionisationsraum innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist, c) eine sowohl elektrisch isolierende wie auch
vakuumdichte Durchführung für eine elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine Elektrode selber, mit einem elektrischen Isolator bezüglich anderer Teile der Zelle, die nicht auf demselben elektrischen Potential wie die Zuführung bzw. Elektrode betrieben werden. Dabei ist die
erwähnte Zuführung oder die durchgeführte Elektrode im wesentlichen ein Metallstab in einer Achse. Es umfasst die Durchführung i) einen zur Achse koaxialen Keramikzylinder mit vom Stab radial beabstandeter Innenfläche, ii) einen auf die Innenfläche einerseits und den Stab andererseits aufgeschmolzenen, ersten Glasring, axial von einer dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des Keramikzylinders rückversetzt, iü) einen Metallanschluss mit einer zur Achse koaxialen Zylinderöffnung, mit von der zylindrischen
Aussenfläche des Keramikzylinders radial
beabstandeter Öffnungsinnenflache, iv) einen auf die zylindrische Aussenfläche des
Keramikzylinders aufgeschmolzenen zweiten Glasring, axial von der dem Ionisationsraum zugewandten
Stirnfläche des Keramikzylinders vorzugsweise auch rückversetzt, v) wobei die Öffnungsinnenfläche mit dem zweiten
Glasring vakuumdicht verbunden ist. Unter Berücksichtigung der tiefen Volumen und
Oberflächenleitfähigkeit, welche an der erwähnten
Durchführung sichergestellt werden muss, um auch bei hohen Spannungen bzw. Potentialdifferenzen über der Durchführung deren elektrische Isolationsfähigkeit auch bezüglich
Kriechströmen sicherzustellen, muss die erwähnte Isolation bezüglich der Durchführungsachse eine relativ grosse radiale Ausdehnung haben. Kostengünstig wird mit der
Glas/Keramik-Isolation die erwähnte Radialausdehnung der Durchführung sichergestellt. Zudem wird der Weg für
Kriechströme massgeblich dadurch verlängert, dass der
Keramikzylinder gegen den Ionisationsraum hin über die erwähnten Glasringe vorsteht, was fertigungstechnisch durch Vorsehen des vorstehenden Keramikzylinders einerseits und der einfach rückversetzt zu erstellenden Glasringe einfach zu bewerkstelligen ist. Die erwähnten Merkmale der
Durchführung an der Ionisations-Vakuummesszelle unter dem hier angesprochenen zweiten Aspekt der vorliegenden
Anmeldung ist mit allen Ausführungsformen der Ionisations- Vakuummesszelle unter dem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombinierbar, sofern hierzu nicht im Widerspruch stehend.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Messzelle genannter Art sind die Elektroden im wesentlichen koaxial bezüglich der Achse angeordnet, wobei die erste Elektrode eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche als dem
Ionisationsraum zugekehrte Elektrodenfläche aufweist, von der erwähnten Achse radial beabstandet. Bildet die zweite Elektrode den obgenannten durchgeführten Metallstab, dann ist die Elektrodenanordnung aufgebaut wie bei Magnetronzellen oder Zellen mit invertierter
Magnetronanordnung üblich, wozu auf die diesbezüglich folgenden Ausführungen verwiesen sei.
Ist die zweite. Elektrode ringförmig ausgebildet, bspw. an beiden Stirnseiten der im wesentlichen zylindrischen
Innenfläche der ersten Elektrode, dann ist die Zelle bezüglich Elektrodenanordnung wie dies bei Penning-Zellen üblich aufgebaut, wobei auch hier auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen sei.
Auch diese Ausführungsform der Ionisations-Vakuummesszelle unter dem zweiten Aspekt der Anmeldung kann mit allen noch nachfolgend erläuterten Ausführungsformen der Messzelle unter dem zweiten, aber auch mit allen Ausführungsformen der Messzelle unter dem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombiniert werden, sofern hierzu nicht
widersprüchlich.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen
Ionisations-Vakuummesszelle unter dem zweiten Aspekt der Anmeldung ist der zweite Glasring auf die
Öffnungsinnenfläche aufgeschmolzen. Diese Ausführungsform ist mit allen vorerwähnten und noch zu erwähnenden
Ausführungsformen der Messzelle unter dem ersten sowie unter dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombinierbar, sofern hierzu nicht widersprüchlich.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen
Ionisations-Vakuummesszelle, kombinierbar mit allen vorerwähnten und noch zu erwähnenden Ausführungsformen der Messzelle unter dem ersten sowie zweiten Aspekt der
vorliegenden Anmeldung, sofern nicht damit in Widerspruch stehend, ist der zweite Glasring über ein oder mehrere Paare eines weiteren koaxialen Keramikzylinders/eines weiteren koaxialen Glasringes mit der Öffnungsinnenfläche dichtend verbunden, wobei vorzugsweise jeder weitere
Glasring eines Paares bezüglich der dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des weiteren Keramikzylinders des Paares, auf den der weitere Glasring aufgeschmolzen ist, rückversetzt ist.
Damit wird, betrachtet in radialer Richtung der
Durchführung bezüglich der erwähnten Achse, eine
Serieabfolge von Glas/Keramik bis hin zur
Öffnungsinnenfläche des Metallanschlusses erstellt, womit praktisch beliebige radiale Ausdehnungen der Durchführung ohne weiteres kostengünstig fertigbar werden.
Ist die erwähnte Durchführung auf ihrer einen Seite frei dem Ionisationsraum ausgesetzt, so ist öfters einer
Störbeschichtungskontamination auf den entsprechenden
Durchführungsflächen hohe Beachtung zu schenken. Je länger die radiale Ausdehnung der Durchführung ist, desto geringer ist der Einfluss einer solchen Störbeschichtung . Bei dieser Ausführungsform werden die zusätzlich vorgesehenen
Keramikzylinder/Glasring-Paare mit bezüglich der Glasringe gegen den Ionisationsraum vorversetzten Keramikzylindern realisiert, mindestens an einem Teil der vorgesehenen
Paare. Damit werden die Kriechstromwege weiter verlängert. An Ionisations-Vakuummesszellen werden oft weitere Sensoren integriert, wie bspw. Pirani- oder kapazitive Membrandruck- Sensoren. Hierzu müssen weitere Durchführungen für
Metallstifte oder -stäbe an der Ionisations-Vakuummesszelle vorgesehen werden. Dies ist auch dann der Fall, wenn beide genannten Elektroden elektrisch bezüglich eines
Zellengehäuses floatend betrieben werden sollen, bzw. das Gehäuse elektrisch floatend betrieben wird und an die eine der erwähnten Elektroden Bezugspotential wie Massepotential gelegt werden soll. Hierzu wird eine weitere
Ausführungsform der unter dem zweiten Aspekt
erfindungsgemässen Ionisations-Vakuummesszelle
vorgeschlagen, die wiederum mit allen vorgenannte und noch zu erwähnenden Ausführungsformen der Ionisations- Vakuummesszelle unter dem ersten sowie unter dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombinierbar ist, sofern dazu nicht im Widerspruch stehend. Demnach wird oder werden ein oder mehrere Durchbohrungen durch den Metallanschluss vorgesehen, deren Bohrungsachsen entweder parallel zur erwähnten Achse der Durchführung sind oder diesbezüglich schiefwinklig. Die erwähnten Durchbohrungen haben
jedenfalls eine Richtungskomponente ihrer Bohrungsachsen, welche parallel zur erwähnten Durchführungsachse ist. Die erwähnte eine oder die erwähnten mehreren Durchbohrungen durch den Metallanschluss haben Innenbohrungsflächen, die je die Bohrungsachse festlegen, und es ist in mindestens einem Teil der erwähnten Durchbohrungen, in der jeweiligen Bohrungsachse, ein Metalldurchführungsstab angeordnet. Die jeweiligen Innenbohrungsflächen und der jeweilige
Durchführungsstab sind mit einer Glaseinlage dichtend verschmolzen. Werden die Metallanschlüsse quasi normiert für verschiedene Konzeptionen der Ionisations- Vakuummesszellen eingesetzt, und mit einer bestimmter
Anzahl der erwähnten Durchbohrungen, die nicht an allen Konzeptionen gebraucht wird, so ist es ohne weiteres möglich, einen Teil der erwähnten Bohrungen spezifisch für die eine oder andere Konzeption der Ionisations- Vakuummesszelle ohne Metalldurchführungsstab vorzusehen und lediglich mit einer Glaseinlage dichtend zu verschliessen. An der bisher erläuterten Durchführung sind, koaxial zur Durchführungsachse radial nach aussen fortschreitend, verschiedenste Materialien vorgesehen, so mindestens ein Metallstab, dann Glas des ersten Glasringes, dann ein
Keramikzylinder, dann wiederum Glas des zweiten Glasringes und je nach Ausbildungsvariante der Metallanschluss oder dazwischenliegend ein oder mehrere Paare weiterer
Keramikzylinder/Glasringe. Diese Durchführung wird
insbesondere bei deren Fertigung, d.h. Verschmelzen des Glases, üblicherweise als Glaspulver bereitgestellt, mit den angrenzenden Oberflächen, Keramik bzw. Metall, aber ggf. auch bei temperaturhochbelasteten Anwendungen hohen, teils imhomogenen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die erwähnten Glas/Metall/Keramik-Paarungen führen dabei zu hohen Spannungen in den Durchführungsteilen, u.a. bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der erwähnten Materialien und ggf. auch durch in der Praxis nicht absolut homogene Materialien.
Dies führt zu kaum voraussehbaren Verzügen am radial zuäusserst gelegenen Metallanschluss, was insbesondere dann gravierende Folgen haben kann, wenn, gemäss letzterwähnter Ausführungsvariante, am Metallanschluss glasisolierte und vakuumdichte weitere Durchführungen vorgesehen sind, dabei keinesfalls zwingend alle bezüglich der Durchführungsachse gleich radial beabstandet und keinesfalls zwingend azimutal am Metallanschluss gleich verteilt.
Aufgrund der erwähnten Spannungen im Metallanschluss ergeben sich entsprechende Spannungen in der einen oder den mehreren Glaseinlagen, die zu Haarrissen in den erwähnten Glaseinlagen führen können. Derartige Risse brauchen nicht unmittelbar während oder nach der erwähnten
Temperaturbelastung aufzutreten. Die aufgebauten Spannungen können aber dazu führen, dass wesentlich später, bei der Zellenassemblierung oder deren Gebrauch, durch schon geringfügige mechanische Belastungen, wie Stösse oder
Schläge, die erwähnten Risse entstehen und erst bei
Fehlverhalten des Messzelle aufwändig erkannt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der lonisations- Vakuummesszelle, die wiederum mit allen vorgenannten
Ausführungsformen der lonisations-Vakuummesszelle sowohl unter dem ersten wie auch unter dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombinierbar ist, ebenso wie mit den noch zu erläuternden Ausführungsformen, sofern damit nicht im Widerspruch stehend, umfasst der Metallanschluss einen Innenring, der die Öffnung des Metallanschlusses mit seiner Innenöffnung bildet. Der Metallanschluss weist weiter, nebst dem erwähnten Innenring, einen weiteren Teil auf, der vorzugsweise als Aussenring ausgebildet ist. Der erwähnte weitere Teil hat eine weitere, zur Achse der Durchführung koaxiale Öffnung. Der Innenring und der weitere Teil des Metallanschlusses sind mittels eines Brückenpartieringes vakuumdicht verbunden. Der Brückenpartiering wird entweder durch eine Verbindungsnaht gebildet, vorzugsweise eine Schweiss- oder Lötnaht, oder ist, sofern Innenring und weiterer Teil des Metallschlusses einteilig ausgebildet sind, durch einen die erwähnte Einteiligkeit erstellenden Ringsteg gebildet.
Vorerst können funktional der erwähnte Innenring und der weitere Teil des Metallanschlusses mit zum erwähnten
Innenring koaxialer Öffnung als zwei unabhängige Teile betrachtet werden. Die dichtende Integrität dieser beiden Teile wird durch die erwähnte Verbindungsnaht oder den erwähnten Ringsteg erstellt. Letztere sind aufgrund ihres Materials, bei der Verbindungsnaht, bzw. ihrer Dimension bei der Steg-Realisation, in der Lage, praktisch als
Spannungs-Puffer-Zonen, die im Innenring entstehenden Spannungen federelementartig bezüglich des weiteren Teils abzubauen und im erwähnten weiteren Teil homogen, azimutal um die Durchführungsachse betrachtet, zu verteilen.
Sind bezüglich der Achse der Durchführung im
Metallanschluss Durchbohrungen der vorerwähnten Art mit einer bezüglich der Durchführungsachse achsparallelen Richtungskomponente und mit Innenbohrungsflächen
vorgesehen, die je eine Bohrungsachse festlegen, wobei in mindestens einem Teil dieser Bohrungen, in der jeweiligen Bohrungsachse, ein Metalldurchführungsstab angeordnet ist, wobei die jeweilige Innenbohrungsfläche und der jeweilige Durchführungsstab mit einer Glaseinlage dichtend verschmolzen sind, so werden solche Durchführungen bei der letztgenannten Ausführungsform im weiteren Teil des
Metallanschlusses eingebaut. Aufgrund der erwähnten
Minderung der Spannungen im weiteren Teil des
Metallanschlusses und deren Homogenisierung wurde erreicht, dass trotz hohen Temperaturbeanspruchungen der
Durchführung, insbesondere bei deren Fertigung, die
Glaseinlagen an den erwähnten Durchführungen im weiteren Teil auch über lange Betriebszeiträume unbeeinträchtigt blieben, d.h. darin keine zu Rissbildung führenden
Spannungen entstanden oder verblieben.
Es ist durchaus möglich, am erwähnten Metallanschluss mehrere koaxiale Ringe vorzusehen, jeweils mit einer
Verbindungsnaht, vorzugsweise einer Schweiss- oder Lötnaht verbunden oder mit einem der erwähnten Ringstege, und den letzten dieser Ringe, üblicherweise den radial zuäusserst gelegenen oder den axial vom innersten Ring am meisten beabstandete, mit einer der erwähnten Verbindungsnähte oder mit einem der erwähnten Stege mit dem weiteren Teil des Metallanschlusses zu verbinden. Damit wird, falls
erforderlich, eine balgähnliche vakuumdichte Struktur zwischen Glasring und starrem weiteren Teil des
Metallanschlusses, ggf. mit den erwähnten weiteren
Durchführungen, erstellt. In weiteren Ausführungsformen der eben genannten
Ausführungsform der Ionisations-Vakuummesszelle gemäss zweitem Aspekt der vorliegenden Anmeldung sind der erwähnte Innenring des Metallanschlusses und die Öffnung im weiteren Teil des erwähnten Metallanschlusses axial aufeinander ausgerichtet oder sie sind in dieser Richtung zueinander versetzt. Letzteres erlaubt, falls konstruktiv erwünscht, den Aussenradius des Innenringes unabhängig vom Radius der Öffnung im weiteren Teil des Metallanschlusses auszubilden und den Innenring bzw. den weiteren Teil in radialer
Richtung aufeinander zu lagern, beweglich geführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Ionisations- Vakuummesszelle unter dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung, die aber kombinierbar ist mit allen
Ausführungsformen der Ionisations-Vakuummesszelle unter dem ersten Aspekt der Anmeldung sowie mit den noch zu
erwähnenden Ausführungsformen, sofern nicht hierzu im
Widerspruch stehend, ist zumindest die elektrisch isolierte und vakuumdichte Durchführung für die elektrische
Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine der
Elektroden selber gegen den Ionisationsraum hin durch eine weitere nicht vakuumdichte, elektrisch isolierende
Durchführung vor Kontamination abgeschirmt.
Die Wirksamkeit der erwähnten elektrisch isolierenden und vakuumdichten Durchführung ist, wie bereits erwähnt, beeinträchtigbar durch Kontaminationen, wie Beschichtung mit im Ionisationsraum abgesputtertem Material. Auch wenn erfindungsgemäss, insbesondere bezüglich Fertigung und damit Fertigungskosten gut ausgelegt, bleibt diese
Durchführung aufgrund ihrer Doppelfunktion aufwändig. Die erwähnte Beeinträchtigung dieser komplexen Durchführung wird nun in der letzterwähnten Ausführungsform durch eine zwischen Ionisationsraum und der erwähnten Doppelfunktions- Durchführung eingebaute, nur elektrisch isolierende und nicht vakuumdichte Durchführung abgeschirmt. Insbesondere weil letztere in der Fertigung wesentlich weniger aufwändig ist, wird mit dieser einfacheren Durchführung die
Wirksamkeit der erwähnten, komplexen und teureren
Doppelfunktionsdurchführung über längere Betriebszeiten aufrechterhalten .
In einer weiteren Ausführungsform der Ionisations- Vakuummesszelle, die mit allen vorgenannten
Ausführungsformen der Messzelle unter dem ersten sowie dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung kombinierbar ist, ebenso wie mit den noch zu erwähnenden Ausführungsformen, sofern hierzu nicht widersprüchlich, ist, von der
elektrisch und vakuumdichten Durchführung in axialer
Richtung .gegen den Ionisationsraum hin beabstandet, eine elektrisch leitende Plattenanordnung vorgesehen, mit einer zur genannten Durchführung koaxialen Öffnung. Die
elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder die eine der Elektroden selber ragt durch diese Öffnung gegen den Ionisationsraum. Die erwähnte Öffnung in der
Plattenanordnung ist von einem von der der Durchführung zugewandten Fläche der Plattenanordnung hochragenden
Zylinder umfasst, welcher in den Keramikzylinder der
Durchführung berührungslos einragt oder den Keramikzylinder der Durchführung berührungslos aussen überragt. In einer heute bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ionisations-Vakuummesszelle : a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, eine erste und eine zweite Elektrode, die im
wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse, wodurch zwischen diesen beiden Elektroden eine
Messkammer ausgebildet ist, die mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste
Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode stabförmig ausgebildet ist und in der Achse liegt, eine elektrisch isolierende, vakuumdichte
Durchführung, angeordnet an einem Ende des Gehäuses auf der gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses, wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite stabförmige Elektrode durch diesen Isolator dichtend hindurchgeführt ist, mindestens einen Permanentmagnetring, der die koaxiali Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im
wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter
Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen
Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch, wobei weiter das Joch in axialer Richtung beidseits vom Permanentmagnetring weggeführt ist und nach einem vorgegebenen Abstand vom
Permanentmagnetring - in Längsschnitt-Betrachtung - auf beide Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten Elektrode hin geführt ist, wobei diese erste Elektrode die aussenliegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden bildet, derart, dass das Joch beidseitig und beabstandet vom
Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet, über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich innerhalb des Messkammer, die erste Elektrode durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse ringförmiges, tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode innerhalb der Messkammer ausgebildet ist, und dass in radialer Richtung, gegen die Achse hin gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innenliegenden Pole des Joches scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel angeordnet sind, welche als erste und zweite
Polscheibe ausgebildet sind und deren Zentrum um die Achse je eine Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den Messgasdurchlass , wobei zwischen der Durchführung und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen Bereich des Isolators und koaxial zur Achse eine
Abschirmvorrichtung angeordnet ist, zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus der Messkammer, welche einen Ionisationsraum bildet, und dass der Isolator einen Keramikzylinder mit der zweiten Elektrode zugewandter Innenfläche umfasst sowie einen auf diese und die zweite Elektrode aufgeschmolzenen Glasring.
Wie bereits erwähnt wurde, lassen sich die unter dem ersten Aspekt erläuterten Merkmale der lonisations-Vakuummesszelle mit denjenigen der unter dem zweiten Aspekt erläuterten lonisations-Vakuummesszelle kombinieren, selbstverständlich sofern eine solche Kombination nicht zu Widersprüchen führt, und es wird damit eine Ionisations-Vakuummesszelle geschaffen, an der sowohl bezüglich Zerlegbarkeit wie auch bezüglich Durchführung die jeweils erwähnten Vorteile realisier sind.
Die Erfindung wird unter all ihren Aspekten anschliessend beispielsweise weiter erläutert anhand weiterer
Ausführungen, Beispielen und von Figuren.
Die Figuren zeigen: Fig. la im Querschnitt, schematisch und vereinfacht, eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Magnetron - Ionisations - Vakuummesszelle mit einem Ringmagnet mit axialer Magnetisierung,
Fig. 1 b in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la, eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle nämlich einer Magnetron - Ionisations - Vakuummesszelle mit zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Ringmagneten mit radialer Magnetisierung, welche ein aussen umgebendes weichmagnetisches Joch umgibt. Fig. lc in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, nämlich einer Magnetron - Ionisations - Vakuummesszelle mit zwei Ringmagneten mit axialer
Magnetisierung, die gegenpolig zueinander und aneinander anstossend positioniert sind, Fig. 2a in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.. la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messzelle, nämlich eine Magnetron - Ionisations - Vakuummesszelle mit einem Ringmagnet mit radialer
Magnetisierung und aussen angeordnetem, umschliessenden weichmagnetischen Joch, welches beidseitig des Ringmagneten und von diesem beabstandet schenkelartige Bereiche
aufweisen, die jeweils einen ringförmigen Pol bilden, die gegen eine erste Elektrode hin gerichtet sind, wobei ein Vakuumgehäuse die ganze Anordnung der Messzelle umschliesst und aufnimmt,
Fig. 2b in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messzelle, bei der das Vakuumgehäuse durch das Joch selber ausgebildet ist,
Fig. 2c in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messzelle, bei der das Vakuumgehäuse zwischen der ersten Elektrode und der Anordnung des MagnetSystems bzw. der Magnetisierungsanordnung angeordnet ist, derart dass das Magnetsystem aus Permanentmagnet und Joch ausserhalb der Vakuumkammer liegt im Bereich von Atmosphäre,
Fig. 2d in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messzelle, bei der das Vakuumgehäuse gleichzeitig als erste Elektrode ausgebildet ist, derart dass das
Magnetsystem aus Permanentmagnet und Joch ausserhalb der Vakuumkammer liegt im Bereich von Atmosphäre, Fig. 2e in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, bei der die schenkelartigen Bereiche mit den Polen gebogen gegen die erste Elektrode hin geführt werden, Fig. 3 in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, bei der im zentralen Bereich der Messzelle über den Polen des Joches und /oder dem Pol des Ringmagneten ferromagnetische Leitmittel angeordnet sind, Fig. 4 in einer Darstellung analog derjenigen von Fig. la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, bei der der Ringmagnet und/oder die dem Pol zugehörigen ferromagnetischen Leitmittel innerhalb der Anordnung des Joches in axialer Richtung asymmetrisch und / oder verschiebbar angeordnet ist,
Fig. 5a in der Aufsicht eine Darstellung eines Segmentes als Teil eines zusammengesetzten Ringmagneten bei welchem die Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Sehne des
Segmentes ausgerichtet ist, Fig. 5b in der Aufsicht eine Darstellung eines Segmentes als Teil eines zusammengesetzten Ringmagneten mit radial gerichteter Magnetisierungsrichtung,
Fig. 5c in der Aufsicht eine Teildarstellung eines aus einzelnen Stabmagneten zusammengesetzten Ringmagneten, wobei die einzelnen Stabmagnete in gleicher Richtung magnetisiert sind, Fig. 6a in einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, bei der zwei voneinander axial beabstandete Ringmagnete innerhalb der Anordnung des Joches dargestellt sind,
Fig. 6b in. einer Darstellung analog derjenigen von Fig.la eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Messzelle, bei der je ein weiterer Ringmagnet mit axialer Polarisierung beidseitig des Poles des radial
magnetisierten Ringmagneten und zueinander gegenpolig und gegen die Achse hin gerichtet innerhalb der Anordnung des Joches angeordnet sind,
Fig. 7 im Querschnitt und detaillierter eine weitere
Ausbildung einer erfindungsgemässen Vakuummesszelle, mit einer Durchführung mit Abschirmvorrichtung
Fig. 8 im Querschnitt eine Detaildarstellung des
Durchführungsbereiches mit der Abschirmvorrichtung
entsprechend Figur 7.
Fig. 10 schematisch und vereinfacht, in Längsschnitt- Darstellung, einen Teil der elektrisch isolierenden und vakuumdichten Durchführung, wie an den Ionisations- Vakuummesszellen unter dem zweiten Aspekt der Anmeldung eingesetzt,
Fig. 11 in einer Darstellung analog derjenigen von Fig. 10, eine weitere Ausführungsform der erwähnten, elektrisch isolierenden und vakuumdichten Durchführung, Fig. 12 anhand einer Darstellung analog denjenigen der Fig. 10 und 11, die Durchführung, bei der zusätzlich Lateral- Durchführungen eingebaut sind,
Fig. 13 schematisch und vereinfacht, ausgehend von einer Durchführung gemäss Fig. 12, eine erste Ausführungsform von Vorkehrungen, um an den Lateral-Durchführungen gemäss Fig. 12 Beeinträchtigungen durch mechanische Spannungen,
insbesondere thermisch beding, zu beheben oder zumindest zu mildern, Fig. 14 anhand einer Prinzipdarstellung, eine weitere
Ausführungsform der Vorkehrungen gemäss Fig. 13,
Fig. 15 in einer Darstellung analog derjenigen von Fig. 14, eine weitere Ausführungsform der genannten Vorkehrungen, nämlich wie erwähnt, um Beeinträchtigungen der Lateral- Durchführungen gemäss Fig. 12 durch mechanische Spannungen, insbesondere thermisch bedingt, zu mildern oder gar zu beseitigen,
Fig. 16 eine weitere Ausführungsform der erwähnten
Vorkehrungen, in einer Darstellung analog zu derjenigen von Fig. 14 bzw. 15,
Fig. 17 vereinfacht und schematisch, eine Ionisations- Vakuummesszelle, bei der eine Messkammer mit einem
Gehäuseteil auswechselbar ausgebildet ist, gemäss dem 1. Aspekt der vorliegenden Anmeldung, Fig. 18 in einer Darstellung analog derjenigen von Fig. 17, eine Ionisations-Vakuummesszelle, bei der die Messkammer durch Einschieben bzw. Herausziehen in ein
Messzellengehäuse auswechselbar ist,
Fig. 19 schematisch und vereinfacht, eine Ionisations- Vakuummesszelle, woran eine Messkammer austauschbar ist, und bei der die elektrisch isolierende, vakuumdichte
Durchführung mit Bezug auf den Ionisationsraum, durch eine nicht vakuumdichte Durchführung an der austauschbaren
Messkammer praktisch vollständig abgedeckt ist, und damit vor Kontamination geschützt ist. Es ist bekannt Gasdruckmesszellen für die Vakuummessung einzusetzen, welche auf dem Prinzip einer Gasentladung mit einer kalten Kathode basieren. Derartige Messzellen werden auch als Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter oder auch als Penning-Zelle . bezeichnet . Bei einer derartigen Messzelle wird zwischen zwei Elektroden (Anode, Kathode) eine hinreichend hohe Gleichspannung angelegt, wodurch eine Gasentladung gezündet und unterhalten werden kann. Der Entladungsstrom ist dann ein Mass für den zu messenden Druck. Ein Magnetfeld, ausgebildet im Bereich der
Entladungsstrecke, führt die Elektronen auf ihrem Weg von der negativen Elektrode (Kathode) zur positiven Elektrode zusätzlich (Anode) auf spiralartigen Bahnen wodurch die Bahn der Elektronen verlängert wird. Hierdurch wird die Trefferwahrscheinlichkeit mit den Gasteilchen erhöht und der ionisierungsgrad verbessert. Dadurch wird erreicht, dass die Entladung über weite Druckbereiche brennt und sich stabil und reproduzierbar verhält. Vakuummessgeräte, welche auf dem Prinzip der Gasentladung mit Kaltkathoden funktionieren, können grob in drei Klassen unterteilt werden, welche sich vor allem in der
Konfiguration der Elektroden unterscheiden: 1. Penning-Zelle:
Die Anode ist als ringförmiger Zylinder ausgebildet, welche den Entladungsraum umschliesst, wobei Kathodenbleche oder - platten an beiden Stirnseiten des Anodenringes angeordnet sind. Die Magnetfeldlinien verlaufen parallel zur Achse des Anodenringes.
2. Magnetron - Zelle:
Die Anode ist als Hohlzylinder ausgebildet mit einer zentralen Achse und mit der Kathode als Stab im Zentrum bzw. in der Achse angeordnet. Die Feldlinien des
elektrischen Feldes verlaufen demnach radial. Die
Magnetfeldlinien verlaufen parallel zur Zylinderachse.
3. Zelle mit invertierter Magnetronanordnung. Die
Zylindergeometrie ist wie bei der Magnetron-Zelle, aber mit der Anode als stabförmige Anordnung im Zentrum und der Kathode als Hohlzylinder. Die Stirnseiten des Zylinders sind typischerweise auch auf Kathodenpotential. Wie beim Magnetron verlaufen die Magnetfeldlinien parallel zur Zylinderachse, die Feldlinien des elektrischen Feldes radial . Der dem zu messenden Gas zugängliche Raum innerhalb einer Ionisations-Vakuummesszelle umfasst eine Messkammer, innerhalb welcher der Ionisationsraum, zwischen Anode und Kathode angesiedelt ist. Der Innenraum der Messkammer kann somit, je nach Ausgestaltung der Ionisations- Vakuummesszelle, mit dem Ionisationsraum identisch sein oder aber darüber hinaus Raumbereiche umfassen, die wohl vom zu messenden Gas beaufschlagt sind, letzteres dort aber nicht der Ionisation unterworfen ist. Der Ionisationsraum liegt wie erwähnt zwischen Anode und Kathode und ist, bei Invertierten Magnetron Zellen, von der Kathode, bei
Magnetron Zellen von der Anode umschlossen.
Das am meisten verwendete Zellen-Design ist dasjenige des invertierten Magnetrons, da es im Allgemeinen ein
stabileres Messsignal als die Penning - Zelle im Hochvakuum ergibt, die Entladung bei tiefen Drücken leichter zündet, und der untere Messbereich für tiefere Drücke bis hin in den Bereich 10-11 mbar gebracht werden kann.
Das für die Aufrechterhaltung der Gasentladung benötigte Magnetfeld in Richtung der Zylinderachse wird in den
Messzellen, wegen den erforderlichen Feldstärken in der Grössenordnung von bis zu 10"1 T (=1000 Gs) , durch
Permanentmagnete erzeugt, weil die Leistungsaufnahme von Elektromagneten zu hoch ist und diese eine grosse Bauweise bedingen würden. Folgende Magnetkonfigurationen für invertierte Magnetron - Zellen werden angewandt: A) Ringmagnet mit axialer Magnetisierung, wie durch die Magnetisierungsanordnung 105 an der schematisch,
vereinfacht und beispielsweise dargestellten Zelle gemäss Figur la dargestellt. B) Zwei Ringmagnete mit radialer Magnetisierung wie durch die Magnetisierungsanordnung 105 an der schematisch, vereinfacht und beispielsweise dargestellten Zelle gemäss Figur lb dargestellt. C) Zwei Ringmagnete mit axialer Magnetisierung , welche mit umgekehrter Polarität zueinander stehen, wie durch die Magnetisierungsanordnung 105 an der schematisch,
vereinfacht und beispielsweise dargestellten Zelle gemäss Figur lc dargestellt. Variante (A) der Magnetisierungsanordnung ist die klassische Variante, mit dem Vorteil, dass derartige ringförmige
Magnete 1 mit axialer Magnetisierung einfach und günstig in der Herstellung sind.
In Kombination mit geeigneten Leitblechen aus
weichmagnetischem Material lassen sich damit homogene
Nutzfeldlinien 14 und hierbei magnetische Flussdichten im Ionisationsraum erzielen. Die Kathode 3 ist, wie bereits erwähnt, zylinderförmig ausgebildet und schliesst den
Ionisationsraum 20 ein. In der Achse der zylinderförmigen Kathode 3 ist die Anode 4 angeordnet. Das Ganze wird vom ringförmigen Permanentmagneten 1 mit axialer
Polaritätsausrichtung zur Achse 7 umschlossen. In der Figur la ist der Nordpol mit N bezeichnet und der Südpol mit S. Die Polaritäten können jeweils innerhalb der Anordnung auch vertauscht werden. Stirnseitig kann die zylinderförmige Kathode, gegen die Achse 7 hin gerichtet, weitere
Elektrodenflächen aufweisen, die auf demselben Potential sind und die Elektronen zusätzlich zurück in den Ionisationsraum 20 reflektieren. Der Ionisationsraum weist zumindest eine Öffnung auf welche nach Aussen mit dem zu messenden Vakuumraum P kommuniziert. Typischerweise hat eine derartige Messzelle eine lösbare Flanschverbindung , direkt an der Kathode 3 oder an einem gestrichelt
dargestellten Gehäuse 101, innerhalb wessen der
Ionisationsraum 20 mit den Elektroden 3 und 4 liegt, ausserhalb wessen die Permanentmagnete 1 angeordnet sind. Die Stabförmige Elektrode 4 ist mittels einer elektrisch isolierenden, vakuumdichten Durchführung 103 in den
Ionisationsraum 20 geführt. Die Durchführung reitet an der Elektrode 3 oder am Gehäuse 101.
An der Ionisations-Vakuummesszelle gemäss Fig. la bildet das Gehäuse 101 oder die Kathode 3 selber eine Messkammer 107 innerhalb der Magnetisierungsanordnung 105 mit den Permanentmagneten 1. Die Messkammer 107 ist als
austauschbares Bauteil ausgelegt, dabei bevorzugterweise zerstörungsfrei nicht weiter zerlegbar. Sie umfasst
jedenfalls die Kathode 3, je nach ihrer Ausbildung auch mindestens einen Teil des Gehäuses 101. Im weiteren kann die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103 mit der Anode 4 Teil der auswechselbaren Messkammer 107 sein. Durch auswechselbare Gestaltung der erwähnten
Messkammer 107 kann die Messzelle, bspw. bei notwendig werdender Reinigung der Messkammer, mit dem Ionisationsraum 20 nur kurzzeitig stillgesetzt werden, indem eine
Ersatzmesskammer schnell in die Messzelle eingebaut werden kann. Die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103 ist vorteilhafterweise sowohl bei einem
Messzellenkonzept mit auswechselbarer Messkammer 107 wie auch bei einem Messzellenkonzept mit nicht auswechselbarer Messkammer 107 ausgebildet, wie weiter unten erläutert werden soll, grundsätzlich mit einem Keramikzylinder koaxial zur Anode 4 und einem Glasring, der auf die Anode 4 und den Keramikkörper aufgeschmolzen ist. Die Aussenflache des erwähnten Keramikzylinders ist über einen zweiten
Glasring mit einem Metallanschluss um die Anode 4
verbunden, gemäss Fig. la bspw. der Kathode 3 und/oder dem Gehäuse 101. Die Kathode 3 ist üblicherweise auf
Gehäusepotential und damit auf Bezugspotential, wie
Massepotential der Messzelle, gelegt, kann aber auch bezüglich Gehäuse 101 elektrisch floatend betrieben werden, womit dann eine weitere vakuumdichte, elektrisch
isolierende Durchführung zur Potentiallegung der Kathode 3 erforderlich ist.
Die Variante (B) , gemäss Fig. b, weist zwei radial
magnetisierte, voneinander in axialer Richtung beabstandete Magnet-Ringe auf, die über ein ringförmiges Joch 2 der Magnetisierungsanordnung 105 aus weichmagnetischem Material verbunden sind, für den Rückschluss des magnetischen
Kreises. Im Vergleich zu Variante (A) weist die Variante (B) kleinere Streufelder 15 nach aussen hin, insbesondere in radialer Richtung, auf. Ein Teil des erzeugten
Magnetfeldes 15 schliesst sich ausserhalb des
Ionisationsraumes und bildet ein Streufeld 15 und dieses trägt nichts zum Nutzfeld 14 bei. Derartige äussere Streufelder 15 sind nachteilig, da diese dort befindliche Geräte und Prozesse stören können. Die Variante (B) mit dem geringeren Streufeld 15 gegen Aussen ist folglich
diesbezüglich vorteilhafter. Dies bedeutet aber auch, dass für die gleichen Flussdichten im Ionisonsraum weniger
Permanentmagnetmaterial verwendet werden muss.
Bezüglich Auswechselbarkeit der Messkammer 107 und
Ausbildung der elektrisch isolierenden und vakuumdichten Durchführung 103 gilt das im Zusammenhang mit Fig la
Ausgeführte. In Fig. lb ist die Durchführung 103 Teil der auswechselbaren Messkammer 107.
Bezüglich Ausbildung der Magnetisierungsanordnung 105 können , gemäss dem Vorschlag von Lethbridge in EP 0 611 084 AI, anstatt radial magnetisierter Ringe auch Ringsegmente verwendet werden, die ein radial gerichtetes Feld
generieren .
Die Magnetisierungsanordnung gemäss Variante C und Fig lc wurde von Drubetsky & Taylor, US 5,568,053, vorgeschlagen. Sie resultiert in einem Feld, das die Richtung bezüglich der Zylinderachse auf der Höhe zwischen den beiden
Magnetringen ändert. Auf der Zylinderachse ist in diesem Bereich das Feld sogar null, weil sich die Flussdichten der beiden Magneten gegenseitig auslöschen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, ein im Vergleich zur Variante (A) kleineres Streufeld bei gegebener Flussdichteanforderungen im
Ionisationsraum 20. Das Streufeld ist aber immer noch nennenswert vorhanden und kann stören, vor allem wenn im Ionisationsraum 20 ein starkes Nutzfeld generiert werden soll, dann wird auch das äussere Streufeld entsprechend stärker und tritt weiter in den Aussenbereich ein.
Bezüglich Auswechselbarkeit der Messkammer 107 und
Ausbildung der elektrisch isolierenden und vakuumdichten Durchführung 103 gilt das im Zusammenhang mit Fig la
Ausgeführte. In Fig. lc ist die Durchführung nicht Teil des auswechselbaren Messkammer 107, es sei denn, diese umfasse einen Teil des Gehäuses 101 mit der Durchführung 103.
Ein Nachteil von Variante (A) sind die relativ starken Flussdichten, die bis ausserhalb der Ionisationskammer 20, gar der Messkammer 107 und sogar der gesamten
Messzellenanordnung reichen und dort als Streufelder 15 auftreten, wie dies in der Figur la dargestellt ist. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf in der Nähe befindlichen Geräte und auf Prozesse, die bei der Art typischen
Verwendung in der näheren Umgebung der Messzelle
stattfindenden können, insbesondere auf Prozesse, die mit Ladungsträgern oder ionisiertem Gas betrieben werden.
Mit Variante (B) werden derartige Streufelder 15 zwar verkleinert, indem ein magnetischer Schluss ausserhalb der Ionisationskammer 20 und ausserhalb der auswechselbaren Messkammer 107, zwischen den beiden Ringmagneten 1, durch Anordnung eines Leitbleches 2 bzw. eines Joches aus weichmagnetischem Material an der Magnetisierungsanordnung 105 gebildet wird. Es bilden sich jedoch weiterhin
signifikant störende äussere Streufelder 15 aufgrund des magnetischen Nebenschlusses zwischen den Polen N, S bei jedem der beiden Ringmagnete 1, wie dies in der Figur lb dargestellt ist.
Bei Variante (C) ist die Gasentladung durch die kleine, nicht mehr senkrecht zur elektrischen Feldachse stehende, magnetische Flussdichte im Zentrum auf der Höhe zwischen den beiden Magnetringen gering und demnach bleibt ein Teil des Ionisationsraumes 20 in der Messkammer 107 ungenutzt. Zudem ergibt sich aus dem magnetischen Nebenschluss auf der Aussenseite der Magnete ein nicht vernachlässigbares störendes Streufeld 15, wie dies in der Figur lc
dargestellt ist, welches etwa ähnlich wirkt wie dies zuvor bereits zu Variante (A) , gemäss der Figur la, erläutert worden ist.
Invertierte Magnetrons werden häufig in der
Beschichtungsindustrie verwendet, da sie robust sind. Sie haben kein Filament, das durchbrennen oder durch Schläge brechen kann. Da Magnetronanordnungen einen hohen
Ionisierungsgrad ermöglichen, besteht auch erhöht das Problem der Verunreinigung der dem Ionisationsraum 20 frei ausgesetzten Flächen durch vermehrtes Zerstäuben von
Material solcher Flächen und Redeposition. Deshalb soll versucht werden, das Problem zu beherrschen, indem auch Invertierte Magnetrons derart gebaut werden sollen, dass diese zur Reinigung wie bereits ausgeführt modular zerlegt werden können.
Durch die Plasmaentladung werden Gase aufgespalten oder aktiviert. Beispielsweise werden über plasmachemische Dissoziationsreaktionen Kohlenwasserstoffe gecrackt bzw. polymerisiert . Auch dadurch können sich Beschläge der genannten Flächen ergeben. Die Messkammer verschmutzt. Da bei dieser Messmethode bei tiefen Drücken kleine Ströme im Bereich von 1CT9 A gemessen werden, kann bereits eine geringfügig leitende Verschmutzung der Durchführung 103 Leckströme verursachen, die die Messung verfälschen oder gar verunmöglichen.
Ein Beispiel verdeutlicht die Problematik der benötigten hohen elektrischen Isolation an einer Durchführung 103 einer Kaltkathoden / Anoden Anordnung. Bei einem Druck von 10-9 mbar beträgt der Messstrom typischerweise 10"9 A. Bei einer Anodenspannung der Grössenordnung 1 kV wird bereits bei einem guten Isolationswiderstandwert von 1012 Ω der Leckstrom dieselbe Grössenordnung wie der Messstrom
besitzen.
Ebenso, wird, wie erwähnt, Wandmaterial durch den Betrieb abgesputtert . Es können Flitter entstehen, die einzeln oder im Aggregat die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103 verschmutzen, Leckströme bzw. Kriechströme ermöglichen oder gar Kurzschlüsse produzieren und dadurch die Benutzungsdauer der Messzelle bis eine Reinigung fällig wird drastisch einschränken können.
Die Reinigung der integral belassenen oder in Einzelteile zu zerlegenden Messzelle kann sehr umständlich und
langwierig sein. Das erhöht die Gebrauchskosten. Zudem ist nach einer solche Reinigung die Kalibration typischerweise nicht mehr garantiert, d.h. die Zellen haben einen
grösseren Messfehler. Ist aber, wie erwähnt wurde, die Messkammer 107, mit oder ohne mindestens Teil eines Gehäuses 101 und/ oder mit oder ohne Durchführung 103 , als Bauteil, direkt austauschbar, dann können bereits kalibrierte Messkammern 107 kurzzeitig die Operation der zu reinigenden übernehmen.
Durch die weitergehende Zerlegbarkeit der Messzelle
entstehen auch höhere Gestehungskosten, da ein zerlegbares Dichtungssystem verwendet werden muss. Ebenso, ergibt sich eine grössere Wahrscheinlichkeit, dass nach der Zerlegung Lecks entstehen könnten. Nicht so bei einer austauschbaren gar als Wegwerfteil konzipierten Messkammer 107, die dicht und unzerlegbar ausgebildet sein kann.
Es kann auf die US 5,317,270 und EP 01 540 294 Bl die verwiesen werden. Wie bereits erwähnt gehört zu den Aufgaben der
vorliegenden Erfindung, daran einzeln oder in Kombination gelöst, Stillstandzeiten der Ionisations-Vakuummesszelle zu verkürzen und /oder eine neuartige elektrisch isolierte und vakuumdichte Durchführung, gemäss 103, zu schaffen, die insbesondere mit relativ geringem Fertigungsaufwand und, entsprechend, bei relativ geringen Fertigungskosten, bezüglich Isolations- und Dichte-Anforderungen
hochqualitativ, erstellt werden kann.
Es soll dabei in guter Ausformung, auch eine
Magnetisierungsanordnung an der Messzelle vorgeschlagen werden, die eine Magnetronanordnung beinhaltet und bei welcher störende magnetische Streufelder ausserhalb der Messzelle wesentlich vermindert, oder gar im Wesentlichen ganz vermieden werden. Die Messzelle soll einen grossen zu messenden Druckbereich erfassen können und zuverlässig und reproduzierbar arbeiten. Weiterhin soll diese in guter Ausbildung kompakt sein und wirtschaftlich herstellbar sein. Die im Betrieb entstehende Verschmutzung z.B. durch Selbstsputtern, Cracking und dergleichen soll nicht zu langen und /oder häufigen Stillstandzeiten der Messzelle führen.
Mit Blick primär auf die Magnetisierungsanordung an einer heute realisierten unter dem ersten und/oder zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung erfindungsgemässen Messzelle gilt folgendes:
Die Messzelle hat a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode, die im
wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse, wodurch zwischen diesen beiden Elektroden eine Messkammer ausgebildet ist, die mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode stabförmig ausgebildet ist und in der Achse liegt, c) eine elektrisch isolierende vakuumdichte Durchführung, angeordnet an einem Ende des Gehäuse auf der
gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses, wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite stabförmige Elektrode durch diesen Isolator dichtend hindurchgeführt ist, d) eine Spannungsquelle, die mit den Elektroden verbunden ist, e) ein Strommessmittel zur Auswertung eines
Entladungsstromes ausgebildet zwischen den Elektroden, wobei dieser eine Funktion des zu messenden Vakuumdruckes bildet, f) mindestens einen Permanentmagnetring, der die koaxiale Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch, wobei: das Joch in axialer Richtung beidseitig vorn
Permanentmagnetring weggeführt ist und nach einem
vorgegebenen Abstand vom Permanentmagnetring auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten
Elektrode hin geführt ist, wobei diese erste Elektrode die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der
Elektroden bildet, derart dass das Joch beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich innerhalb der Messkammer, die erste Elektrode durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse ringförmiges
tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode
innerhalb der Messkammer ausgebildet ist, und dass in radialer Richtung gegen die Achse hin gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole des Joches, scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel angeordnet sind, welche als erste und zweite Polscheibe ausgebildet sind und dessen Zentrum um die Achse je eine Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den Messgasdurchlass , wobei zwischen der Durchführung und dem dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen
Bereich des Isolators und koaxial zur Achse eine
Abschirmvorrichtung angeordnet ist zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus der
Messkammer, welche einen lonisationsraum bildet.
An dieser Zelle ist die Messkammer erfindungsgemäss - Aspekt 1 - austauschbar und /oder die elektrisch
isolierende und vakuumdichte Durchführung erfindungsgemäss ausgebildet -Aspekt 2.
Die genannte Magnetisierungsanordnung bildet ein Magnetron. In gewissen Fällen kann die erste, äussere Elektrode als Anode betrieben werden, wobei die zweite, innen liegende Elektrode als Kathode betrieben wird. Die weitaus
bevorzugte Anordnung bildet aber ein invertiertes
Magnetron. Hierbei wird die aussenliegende, erste Elektrode als Kathode betrieben und die dazu koaxial innen liegende Elektrode wird als Anode betrieben. Bei dieser Anordnung, bezeichnet als invertiertes Magnetron, ist der
Entladungswirkungsgrad wesentlich besser und stabiler. Die vorzugsweise im Zentrum angeordnete Anode ist vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Die Magnetisierungsanordnung weist ausserhalb der
Messkammer immer weichmagnetisches Material auf. Der beidseitige magnetische Schluss zwischen den Polen verläuft über das weichmagnetische Material. Damit wird vermieden, dass die Magnetisierungsanordnung nach Aussen hin ein störendes Streufeld generiert oder ein solches zumindest minimiert wird. Innerhalb des Ionisationsraumes hingegen bilden sich mindestens zwei ringförmige, tunnelartige, nach innen gerichtete Magnetfeldkonfigurationen über der Fläche der ersten Elektrode mit jeweils einer axialen Komponente. Die Feldlinien gehen vom inneren Pol des mindestens einen Permanentmagneten aus nach innen und durchdringen die erste Elektrode, wobei sich diese beidseitig des Magneten über die Pole des weichmagnetischen bzw. ferromagnetischen
Joches schliessen, indem sie wiederum die erste Elektrode durchdringen. Hierbei ändern die Feldlinien auf der Höhe des Magneten innerhalb des Ionisationsraumes die Richtung, wodurch die beiden benachbarten tunnelartigen Felder, in ihrer Polarität, entgegengesetzt verlaufen. Dadurch
entstehen mindestens zwei nebeneinander liegende
ringförmige, torusartige Entladungen über der ersten
Elektrode. Die darin rotierenden Elektronen pendeln, im Querschnitt betrachtet, entlang der Feldlinien seitlich hin und her und rotieren kreisförmig innerhalb der Ringe in entgegen gesetzter Richtung und bewirken durch die dadurch verlängerte Verweilzeit einen hohen Ionisierungsgrad.
Um eine gute Isolation und Vakuumdichtheit an der
Durchführung 103 zu gewährleisten, ist sie durch einen Glas /Keramik Verbund erstellt. Zusätzlich zu einem innenliegenden Glasring der Durchführung wird ein anschliesender Keramik-Zylinder daran vorgesehen, womit der Kriechweg effizient und
kostengünstig verlängert werden kann. Die Durchführung im Anodenbereich muss bis 5kV widerstehen können, welches in etwa die höchste Anodenspannung im Betrieb darstellt. Da im unteren Messbereichsende einer Messzelle bei typischerweise 10"9 mbar der Ionisationsstrom im Bereich 10~10 bis 1CT9 A liegt, muss der Isolationswiderstand Werte im Bereich 1013 Ohm annehmen, damit der Leckstrom die Empfindlichkeit der Messzelle bezüglich des Messstroms nicht einschränkt.
Die Messzelle wie oben dargestellt, zusätzlich mit den Vorkehrungen unter dem 1-ten und / oder 2-ten Aspekt der Anmeldung, erlaubt, dass die Messkammer aufheizbar ist bis mindestens 150°C oder gar bis mindestens 250 °C. Ein
Überdruck ist zulässig bis 10 bar und die Leckrate ist besser 1E-9 mbar 1/s.
Die Durchführung umfasst, als Metall-Anschluss einen
Metallring, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, insbesondere aus nicht magnetischem rostfreien Stahl (1 .4435, AISI 316 L) . Besonders bevorzugt besteht der Ring aus Hastelloy. Hastelloy C-22 (NiCr2 1 Mol 4W, 2.4602) ist eine Nickel- Chrom-Molybdän-Wolfram Legierung. Sie ist sehr
korrosionsbeständig mit exzellenten Schweisseigenschaften .
Hastelloy B3 (NiMo29Cr, 2.4600) ist eine Nickel-Molybän Legierung mit sehr guter Beständigkeit gegen Salzsäure andere Säuren. Beide Hastelloys sind nicht magnetisch. Der Isolator der Durchführung besteht aus dem erwähnten Glas /Keramik- Verbund. Das Glas hat bevorzugt einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizient, wie ein Covar Schott 8250- oder BH-7 Nippon- Glas. Der Keramik- Zylinder besteht vorzugsweise aus A1203. Diese Keramik ermöglicht, überraschenderweise, die Erhöhung der
elektrischen Isolationsfestigkeit über die des Glases hinaus. Der den Glasisolator überragende Teil des Keramik- Zylinders sollte mindestens so lang sein wie der Kriechweg entlang dem Glasring oder länger, um so den Kriechweg hinreichend zu verlängern und dadurch den Leckstrom zu reduzieren. Im Zentrum der Durchführung ist die stabförmige Anode dichtend mit dem Glas des Glasringes verschmolzen, hindurchgeführt und fixiert. Der Durchmesser der Anode beträgt beispielsweise 1 mm. Diese besteht vorzugsweise aus Hastelloy C22.
Zusätzlich können noch weitere Durchführungsstifte an der Peripherie der Durchführung angeordnet werden, d.h. durch den Metall-Anschluss . Sie dienen der Durchleitung von elektrischen Signalen zu und/oder von optional im Gehäuse der Messzelle angeordneten Zusatzsensoren wie Pirani oder Membrandrucksensoren, wie beispielsweise kapazitive
Membrandrucksesoren oder dienen der Potentiallegung der Kathode. Sie wirken mit Vorteil auch als Stütze für den Aufbau von Zusatzsensoren. Derartige Sensoren können bei der unter beiden Aspekten der vorliegenden Anmeldung erfindungsgemässen Messzelle besonders vorteilhaft direkt in einem ringförmigen Hohlraum, neben der Durchführung und dem vorragenden Keramik-Zylinder angeordnet werden. Die Messzelle in der heute konzpierten Art wird ergänzt dadurch, dass um die Zentrumsöffnung der zweiten Polscheibe in Richtung der Durchführung mindestens ein zweiter
Zylinder koaxial zur Achse angeordnet ist, welcher in den Keramik-Zylinder mit einer Überlappung einragt, wobei im Bereich der Überlappung die beiden Zylinder voneinander derart beabstandet sind, dass sie sich nicht berühren und ein Spalt in radialer Richtung ausgebildet ist. Hierdurch wird der Weg für abgestäubte Teilchen aus dem
Ionisationsraum einerseits verlängert und andererseits werden die Isolatoren der Durchführung abgeschattet.
Dadurch entsteht ein wesentlicher Abschirmungseffekt, der die Beschichtung bzw. Kontamination der Isolatoroberflächen an der Durchführung wesentlich verringert und hinauszögert. Es können neben der vorgesehenen Grundausbildung mit einem Paar Zylindern auch zusätzliche oder mehrere Zylinder auf nur einer der Seiten oder auf beiden Seiten eingesetzt werden, die beabstandet voneinander ineinander greifen, womit der Weg des Labyrinthes weiter verlängert wird und der Abschattungseffekt zusätzlich verbessert werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung unter dem ersten und /oder zweiten Aspekt, wird die Kathodenelektrode als separates Rohrteil bzw. Zylinder, beispielsweise
blechförmig, ausgebildet, welches gegenüber der Innenwand eines Gehäuses (s.101) beabstandet gehalten wird durch die beidseitig am Rohrteil angeordneten Polscheiben, wodurch seitlich zwischen dem Gehäuse und dem Rohrteil eine
spaltförmige Leitung gebildet wird und dadurch die
Messkammer (s.107) umschlossen wird. Die Polscheiben weisen an deren Peripherie über den Umfang Stege auf, welche es ermöglichen das Messgas vom Messeinlass über den Spalt bis zur Durchführung hindurch zu leiten. Auch diese Anordnung bildet eine Ausführungsform einer erfindungsgemäss
austauschbaren Messkammer welche leicht ausgetauscht und ersetzt werden kann wenn die Verschmutzung der Messkammer zu gross wird. Die austauschbare Messkammer kann auch aus verschiedenen Materialien gefertigt werden je nach Einsatz der Messzelle bei verschiedenen Prozessen. Beispielsweise kann die Kathode in der austauschbaren Messkammer aus
Titanblech gefertigt werden. Durch die Eigenschaften des abgesputterten Titans können unerwünschte Gase gebunden bzw, weggepumpt werden. Der Pumpeffekt kann ggf. in der Firmware für die Kalibration der Messzelle berücksichtigt werden.
Wenden wir uns nun den weiteren Figuren und Beispielen zu.
Eine Ausführungsform einer Ionisations - Vakuummesszelle 30 mit einer Magnetron - Magnetisierungsanordnung 105, ist beispielsweise in der Figur 2a schematisch, vereinfacht und im Querschnitt dargestellt.
Ein Gehäuse 101 weist einen Messanschluss 8 auf und dieser kann mit dem zu messende Vakuum verbunden werden, wodurch das Gehäuse 101 entsprechend evakuiert wird. Die Verbindung zwischen diesem Gehäuse 101 und dem Behälter mit dem zu messenden Vakuum kann beispielsweise über einen dichtenden Flansch 11 erfolgen. Die Vakuummesszelle 30 umfasst das Gehäuse 101, mit zwei Elektroden 3, 4 und einer
Magnetisierungsanordnung 105, wobei in der vorliegenden Ausführung, das Gehäuse 101 diese umschliesst. Die
Magnetisierungsanordnung 105 beinhaltet einen
Permanentmagnetring 1 und ein Joch 2 aus ferromagnetischem Material. Das ferromagnetische Material kann sowohl
metallische Werkstoffe ( ferromagnetische) , wie auch
keramische Werkstoffe, wie beispielsweise Ferrite,
umfassen.
Die erste und eine zweite Elektrode 3, 4 sind im
wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Achse 7 auf. Hierdurch wird zwischen diesen beiden Elektroden der Ionisationsraum 20 ausgebildet. Dieser wiederum ist mit dem Messanschluss 8 kommunizierend angeordnet. Die erste Elektrode 3 bildet die äussere Elektrode und weist im wesentlichen eine
zylindrische Fläche auf. Die zweite Elektrode 4 kann ebenfalls zylindrisch bzw. stabförmig ausgebildet sei, ist mit Vorteil im Zentrum, in der Achse 7 liegend, angeordnet.
Beide Elektroden können über vakuumdichte, elektrische Durchführungen 105A, 105K am Gehäuse 101 elektrisch
gespiesen werden. Hierzu wird eine Spannungsquelle mit den Elektroden 2, 3 verbunden. Strommessmittel 17 dienen der Auswertung eines Entladungsstromes, der Entladung, die ausgebildet wird zwischen den Elektroden 3, 4. Dieser
Entladungsstrom entspricht einer Funktion des zu messenden Vakuumdruckes und wird elektronisch ausgewertet und der weiteren Verwendung zugeführt. Mindestens ein
Permanentmagnetring 1, umschliesst die koaxiale Anordnung der Elektroden 3, 4 mit im Wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung 13. Dieser Permanentmagnetring 1 wird weiter von einem Joch 2
umschlossen, welches aus ferromagnetischem Material besteht zur Führung des magnetischen Feldes. Das Joch 2 ist in axialer Richtung beidseitig vorn Permanentmagnetring 1 weg geführt und nach einem vorgegebenen Abstand d vom
Permanentmagnetring 1 auf beiden Seiten in radialer
Richtung hin zur Achse 7 und der ersten Elektrode 3
geführt. Dadurch entsteht im Querschnitt eine Art U- förmiges Joch, welches beidseitig und beabstandet vom
Permanentmagnetring 1 Pole 9a und 9b ausbildet. Hierbei ist die erste Elektrode 3 die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden 3, 4. Mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes 1, die
Nutzfeldlinien 14 welche für die Entladung bestimmend sind, schliessen sich somit über dem Pol des
Permanentmagnetringes 1 und dem jeweiligen Pol 9a, 9b des Joches 2 innerhalb des Ionisationsraumes 20 , die erste Elektrode 3 durchdringend, wobei vorzugsweise ein
ringförmiges tunnelartiges Magnetfeld 14 über der ersten Elektrode 3 innerhalb des Ionisationsraumes 20 ausgebildet wird. Bei der Anordnung gemäss der Figur 2a werden
beidseitig des Permanentmagnetringes 1 je ein tunnelartiges Magnetfeld 14 gebildet, also zwei ringförmige bzw.
torusförmige Magneffelder 14 mit entgegengesetzter
Polarität des Feldlinienverlaufes.
Die aussen liegende erste Elektrode 3 wird vorzugsweise als Kathode betrieben und die innen liegende zweite Elektrode 4 als Anode. Der Permanentmagnetring 1 ist in radialer Richtung
magnetisiert und enthält vorzugsweise Magnetmaterial der Gruppe seltener Erden, wie Neodym, Samarium etc. Um die Herstellung zu vereinfachen kann der Ring auch aus
einzelnen Teilen zusammengesetzt werden, wie aus Segmenten und/oder einzelnen rechteckförmigen Magneten, die dann ringförmig aneinander gereiht werden, wie dies in den
Figuren 5a bis 5c gezeigt ist. Die Magnetisierung erfolgt in der angegebenen Pfeilrichtung, im Fall des Segmentes der Figur 5a in gleichförmiger Richtung oder im Fall des
Segmentes der Figur 5b in radialer Richtung. Im Fall der Figur 5c werden einzelne, beispielsweise rechteckförmige Magnete ringförmig aneinander gereiht. Die Lange h ist dann vorzugsweise länger als breit beim einzelnen Stück. Die Dicke des Magnetringes 1 ist vorzugsweise nicht grösser als die Breite h.
Die Form des U-förmigen Joches 2 ist in Schnittebene in der die Achse 7 liegt mindestens teilweise abgewinkelt
ausgebildet, derart dass in axialer Richtung im Abstand d beidseitig zum Permanentmagnetring 1 die dadurch
entstehenden Schenkel des Joches 2 in radialer Richtung zur Achse 7 der Messzelle 30 hin weisen und dort beidseitig je einen ringförmigen Pol 9a, 9b ausbilden, der gegen die erste Elektrode 3 hin geführt ist. Vorzugsweise ist die Abwinkelung rechtwinklig ausgebildet, wie dies in den
Figuren 2a bis 2d, 3, 4 und 6 dargestellt ist. Die Pole
9a, 9b des Joches und der innen liegende Pol des
Permanentmagnetringes sind gegenüber der Achse 7
vorzugsweise gleich beabstandet. Diese können aber in gewissen Fällen gegeneinander versetzt sein, wie dies beispielsweise in der Figur 2b dargestellt ist. Dort ist beispielsweise der eine Pol 9b des Joches 2, im unteren Bereich, gegen die Achse 7 hin geführt. Es ist von Vorteil wenn alle Pole möglichst nahe im Bereich der ersten
Elektrode 3 liegend angeordnet sind, um das magnetische Feld optimal führen und nutzen zu können. Bevorzugt sind die Pole 9a, 9b des Joches derart angeordnet, dass dort das magnetische Feld 14 durch die erste Elektrode 3
hindurchtritt. Das magnetische Nutzfeld 14 führt somit vom Pol des Permanentmagnetringes 1 weg durch die erste
Elektrode 3 hindurch und schliesst sich bogenförmig
innerhalb des Ionisationsraumes 20 über den beiden Polen 9a, 9b des Joches 2, indem es dort wiederum durch die erste Elektrode 3 hindurch geführt ist. Das Hindurchführen des magnetischen Feldes durch die erste Elektrode 3 führt zu einer hohen Effizienz der Entladung. In gewissen Fällen kann einer oder beide Pole 9a, 9b des Joches 2 auch derart angeordnet sein, dass die Feldlinien 14 nur teilweise oder gar nicht durch die erste Elektrode 3 hindurchtreten, wie dies beispielsweise in der Figur 2b im oberen Bereich für den einen Pol 9a gezeigt ist. Im unteren Teil der Figur 2b ist das Joch 2 gegen die Achse hin abgewinkelt, derart dass auch dort die Feldlinien 14 wiederum durch die erste Elektrode 3 hindurchtreten. Es ist von Vorteil wenn diese Abwinkelung beidseitig der zylinderförmigen ersten
Elektrode 3 erfolgt. In diesem Fall bildet die erste
Elektrode 3 eine Art geschlossenen Zylinder der nur noch eine Öffnung 8 aufweist für die Zuführung des Messgases P und allenfalls Mittel zur Halterung der zweiten Elektrode innerhalb dieses Zylinders mit einer elektrischen, ggf auch vakuumdichten Durchführung zur Speisung der zweiten
Elektrode. Neben der abgewinkelten Ausbildung des Joches 2 können mindestens Teile davon auch mindestens teilweise bogenförmig in radialer Richtung zur ersten Achse 7 oder zur Elektrode 3 hin geführt sein, wie dies in der Figur 2e dargestellt ist.
Im gezeigten Beispiel der Figur 2a sind die Elemente der Messzelle 30, die Magnetisierungsanordnung und die beiden Elektroden 3, 4 vom vakuumdichten Gehäuse 101 umschlossen. Dieses Gehäuse 101 besitzt eine Öffnung 8 und einen
Anschluss 11, vorzugsweise als Flansch ausgebildet, womit die Messzelle 30 mit dem zu messenden Vakuumvolumen kommunizierend, dichtend verbunden werden kann. In der Ausführungsform gemäss Fig. 2a umschliesst wie erwähnt das Gehäuse 101 das Magnetisierungssystem 105.
Damit wird die auswechselbare Messkammer 107 hier durch die Elektrode 3 bezüglich der Achse 7 radial begrenzt. Zum Auswechseln dieser Messkammer 107, deren Innenraum im wesentlichen dem Ionisationsraum 20 entspricht, wird die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103A mit der Elektrode 4 am nicht Teil der austauschbaren
Messkammer 107 bildenden Gehäuse 101 belassen. In einer weiteren Äusführungsform (hier nicht dargestellt) wird mit der Messkammer 107 auch die Elektrode 4 und die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung entsprechend 103A austauschbar gestaltet, indem die erwähnte Durchführung an der Elektrode 3, und nicht am Gehäuse 101 befestigt ist. Wie in Fig. 2a dargestellt, ist die Öffnung 8 des Gehäuses 101 so gross ausgebildet, dass die Messkammer 107 durch die Öffnung 8 ausgewechselt werden kann. Andernfalls, und wenn die Öffnung 8 wie bspw. in Fig. 2b gezeichnet ausgebildet ist, ist es ohne weiteres möglich, wie in Fig. 2b
strichpunktiert dargestellt, den Flansch 11 als Gehäuseteil 101a am übrigen Gehäuse 101 lösbar aufzuschrauben und zu entfernen, um die Messkammer 107 auszuwechseln bzw.
auszutauschen .
Eine weitere mögliche weitere Ausbildung der Messzelle 30 mit dem Gehäuse 101 ist in der Figur 2b dargestellt.
Hierbei ist das Joch 2 der Magnetisierungsanordnung 105 gleichzeitig als vakuumdichtes Gehäuse 101 mit daran angeordneten Verbindungsmitteln 11 ausgebildet. Das Joch 2 kann auch nur Teil des Gehäuses 101 sein. In diesem Fall kann das Gehäuse 101 zum Teil aus weichmagnetischem oder ferromagnetischem Material hergestellt werden und zum anderen Teil aus nicht magnetischem Material, wie
beispielsweise aus lnox.
Die auswechselbare Messkammer wird auch hier durch die Elektrode 3 radial aussen begrenzt. Die Durchführung 103A ist mit der Elektrode 4 Teil der auswechselbaren Messkammer 107.
In einer weiteren Variante, gemäss der Figur 2c, kann das Gehäuse 101 zwischen der ersten Elektrode 3 und der
Magnetisierungsanordnung 105 angeordnet werden, derart dass die Magnetisierungsanordnung 105 gänzlich ausserhalb des Vakuum- einschliessenden Gehäuses 101 zu liegen kommt. Dies hat den Vorteil, dass die Materialien der Magnetisierungsanordnung 105 den Ionisationsraum 20 nicht verunreinigen bzw. kontaminieren können, wodurch das
Messresultat ungünstig beeinflusst werden könnte.
Die auswechselbare Messkammer 107 wird hier durch das Gehäuse 101, oder mindestens einen Teil davon, radial aussen begrenzt. Die Durchführung 103A reitet am Gehäuse 101, womit auch hier die Elektrode 4 und die Durchführung 103A , allerdings mit dem Gehäuse 101, Teil der
auswechselbaren Messkammer 107 sind. In der Variante nach der Figur 2d ist dargestellt, dass die erste Elektrode 3 gleichzeitig auch als vakuumdichtes Gehäuse 101 ausgebildet werden kann. Dies ermöglicht ebenfalls die Magnetisierungsanordnung 105 vakuumtechnisch vom Ionisationsraum 20 zu separieren und ausserdem eine kompakte, einfache Ausführung der Messzelle 30. Der
Permanentmagnetring 1 kann innerhalb des Joches 2 zwischen dessen Schenkeln mit den beiden Polen 9a, 9b in axialer Richtung asymmetrisch angeordnet werden oder gar
verschiebbar, wie dies in der Figur 4 dargestellt ist mit den Pfeilen 18, die die Bewegungsrichtung angeben. Hiermit können die Eigenschaften der Magnetisierungsanordnung 105 und somit der Entladung gezielt beeinflusst werden oder auch Ungleichmässigkeiten korrigiert werden. In den meisten und bevorzugten Fällen wird der Permanentmagnetring 1 gegenüber den Polen 9a, 9b des Joches 2 zentrisch
angeordnet, so dass die Pole 9a, b des Joches 2 gegenüber dem Permanentmagnetring 1 symmetrisch angeordnet sind. Die auswechselbare Messkammer 107 in Fig. 2d wird durch die Elektrode 3 radial aussen begrenzt. Die Durchführung 103A reitet an der Elektrode, womit auch hier die Elektrode 4 und die Durchführung 103A, Teil der auswechselbaren
Messkammer 107 sind.
Das Magnetfeld, welches von den Polen ausgehend nach innen gerichtet ist kann mit zusätzlichen Leitmitteln beeinflusst werden, um die Entladung weiter zu optimieren.
Beispielsweise können in radialer Richtung gegen die Achse 7 hin gerichtet, im Bereich des innen liegenden Poles des Permanentmagnetringes (1), ferromagnetische Leitmittel 6 angeordnet werden, wie dies in den Figuren 3 und 4
dargestellt ist. Auch können beispielsweise in radialer Richtung gegen die Achse 7 hin gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole 9a, 9b des Joches 2, ferromagnetische Leitmittel 5a, 5b angeordnet werden. Derartige Leitmittel können als Blechteile bzw.
plattenartige Teile aus weichmagnetischem bzw.
ferromagnetischem Material gefertigt sein, die
beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sind. Je nach Bedarf sind darin Öffnungen vorgesehen, um die zweite Elektrode 4 hindurchzuführen und/oder den Gasaustausch zu ermöglichen .
Vergleicht man die Darstellung von Fig. 3 mit der
Ausformung der Elektrode 3 gemäss Fig. lc, dann wird unmittelbar ersichtlich, dass die ferromagnetischen
Leitmittel 5a bzw. 5b ohne weiteres die Stirnpartien der gemäss Fig. lc geformten Elektrode 3 bilden können, denn es verlieren solche Leitmittel 5a und 5b ihre Leitfähigkeit bezüglich des magnetischen Feldes dadurch nicht, dass sie auf das elektrische Potential der Elektrode 3 gelegt werden.
Dasselbe gilt für die in Fig. 3 dargestellten Leitmittel 6. Auch sie können ohne weiteres an der Elektrode 3 montiert sein .
Damit können aber diese Leitmittel 5a, 5b und/oder 6 Teil der auswechselbaren Messkammer 107 sein, indem sie mit der erwähnten einen Elektrode 3 ausgewechselt werden, die jedenfalls Teil der erwähnten auswechselbaren Messkammer 107 ist.
Eine weitere Ausführungsform der Magnetisierungsanordnung 105 ist in der Figur 6a dargestellt, bei welcher zwei Permanentmagnetringe 1, voneinander axial beabstandet und gegenpolig, innerhalb des Joches 2 angeordnet sind. Diese Anordnung erzeugt ein besonders kräftiges ringförmiges Magnetron Feld zwischen den beiden Polen der
Permanentmagnetringe 1 über der ersten Elektrode 3
innerhalb des Ionisationsraumes 20. Beidseitig dazu
verlaufen dann je ein weiteres ringförmiges Feld, die von den beiden Polen 9a, 9b des Joches 2 abgeschlossen werden und dadurch nach aussen tretende Streufelder vermieden werden. Es ist, bei Bedarf, ohne weiteres auch möglich mehr als zwei Permanentmagnetringe 1 zu verwenden, dessen Polung jeweils alternierend angeordnet ist, auch wenn zwei
Permanentmagnetringe 1 bevorzugt sind.
Die auswechselbare Messkammer 107 in Fig. 6a wird durch die Elektrode 3 radial aussen begrenzt. Die Durchführung 103 reitet an der Elektrode 3, womit auch hier die Elektrode 4 und die Durchführung 103, Teil der auswechselbaren
Messkammer 107 sind.
Eine weitere Ausführung der Magnetisierungsanordnung 105 ist in der Figur 6b dargestellt.
Zwischen den Schenkeln und den Polen 9a, 9b des Joches 2 und dem Permanentmagnetring 1 ist je ein weiterer Ringmagnet 21a, 21b angeordnet der in axialer Richtung magnetisiert ist und die innerhalb des Magnetsystems im Bereich gegen die Achse 7 hin angeordnet sind. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Magnetringes 21 in radialer Richtung höchstens die Hälfte der Breite h des Permanentmagnetringes 1. Mit dieser Anordnung können sehr hohe Flussdichten des
Magnetfeldtunnels über der ersten Elektrode 3 erzielt werden. Selbstverständlich kann ein solcher Ringmagnet 21, mit Vorteil, auch zwischen zwei Permanentmagnetringen 1 angeordnet werden entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführung gemäss der Figur 6a.
Die auswechselbare Messkammer 107 in Fig. 6b wird durch die Elektrode 3 radial aussen begrenzt. Die Durchführung 103 reitet an der Elektrode 3, womit auch hier die Elektrode 4 und die Durchführung 103, Teil der auswechselbaren
Messkammer 107 sind.
Alle Durchführungen 103 an den Ausführungsformen gemäss den Figuren la bis 6b können, auch ohne Auswechselbare
Messkammer 107, erfinderisch ausgebildet sein, indem dann die Durchführungen 105 wie noch zu beschreiben sein wird als Metall/Glas/Keramik/Glas- Verbund- Durchführungen bereits angesprochener Art ausgebildet sind. Ohne weiteres können aber die Ausführungsformen mit auswechselbaren
Messkammern 107, zusätzlich mit den wie erwähnt
ausgebildeten Durchführungen kombiniert werden. Die bis anhin beschriebenen Messzellen 30, werden
beispielsweise mit einer Spannung von 3.3 kV zwischen den beiden Elektroden 3, 4, also zwischen Kathode 3 und Anode 4 betrieben. Der Bevorzugte Bereich für den Betrieb der
Messzelle 30 liegt zwischen 2.0 kV und 4.5 kV. Nachfolgend werden Dimensionen angegeben für die wichtigen Teile.
Die zweite Elektrode 4 (Anode) :
- Länge der Anode innerhalb des Messraumes: beispielsweise 20 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 10 bis 30 mm. - Durchmesser der Anode: beispielsweise 1.0 bis 1.5 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 1.0 bis 5.0 mm.
- Material: nicht magnetisch (auch para- oder
diamagnetisch) .
Die erste Elektrode 3 (Kathode): - Länge der Kathode: beispielsweise 20 mm, mit dem
bevorzugten Bereich von 10 bis 30 mm.
- Durchmesser der Kathode: beispielsweise 20 bis 25 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 15 bis 35 mm. - Material: nicht magnetisch (auch para- oder diamagnetisch) .
Der Permanentmagnetring 1:
- Höhe in axialer Richtung: beispielsweise 5.0 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 3.0 bis 10 mm.
- Breite h in radialer Richtung: beispielsweise 5.0 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 3.0 bis 10 mm.
Abmessungen der gesamten Messzelle (Aussenmasse) :
- Länge der Messzelle (ohne elektrische Anschlüsse) :
beispielsweise 54 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 25 bis 70 mm.
- Durchmesser der Messzelle: beispielsweise 30 bis 50 mm, mit dem bevorzugten Bereich von 25 bis 80 mm.
Magnetfeld: Die Flussdichte auf der Zylinderachse, gemessen innerhalb der Messkammer in axialer Richtung, liegt im Bereich von 10 mT (milli Tesla) bis 300 mT, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 130 mT.
Streufeld 15: - Kleiner 2.0 mT im Abstand von 30 mm in radialer Richtung von der Aussenkante der Messzelle 30, vorzugsweise kleiner 0.5 mT. - Kleiner 2.0 mT im Abstand von 30 mm von der Vorder- oder Rückseitenkante in axialer Richtung der Messzelle 30, vorzugsweise kleiner 0.5 mT.
Das Streufeld kann in beiden Fällen als tiefste Werte nicht null Werte erreichen. Diese tiefsten erreichbaren
Grenzwerte liegen im günstigsten Fall höchstens bei etwa 0.01 mT entsprechend 0.1 Gauss, was etwa in der
Grössenordnung des Erdmagnetfeldes liegt gemessen an der Erdoberfläche . Es hat sich gezeigt, dass bei der hohen Ionisationsleistung der vorliegenden Magnetron - Kaltkathoden - Vakuummesszelle auch mehr Material von den Elektrodenoberflächen abgestäubt wird. Ein guter Schutz der Isolatoren der Durchführung 103 vor Rückbelegung durch derartige abgestäubte
Materialteilchen ist daher besonders wichtig.
Es ist, wie bereits mehrfach erwähnt, besonders vorteilhaft wenn die erste Elektrode, die Kathode, als Teil einer auswechselbaren Messkammer ausgebildet ist, die leicht z.B. messanschlussseitig in oder an übrige Teil der Messzelle einbaubar ist, z.B. einschiebbar und somit eine
Austauschbare Einheit bildet. Der Austausch erfolgt wenn ein bestimmter unerwünschter Verschmutzungsgrad vorliegt, der die Messgenauigkeit unerwünscht verschlechtert oder der zuverlässige Betrieb der Messzelle nicht mehr gewährleistet ist.
Eine erfindungsgemässe Messzelle in einer
Ausführungsvariante wird nun anhand der Figuren 7 und 8 mehr im Detail beschrieben. Sie umfasst: a) ein evakuierbares Gehäuse 101 mit einem Messanschluss 8 für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode 3, 4, die im
Wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse 7, wodurch zwischen diesen beiden Elektroden der Ionisationsraum 20 ausgebildet ist, der mit dem Messanschluss 8 kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode 3 die äussere Elektrode bildet und diese im Wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode 4 stabförmig ausgebildet ist und in der Achse 7 liegt, c) eine elektrisch isolierende vakuumdichte Durchführung 103 angeordnet an einem Ende des Gehäuse 101 auf der gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses 8, wobei diese einen um die Achse 7 angeordneten Isolator 41, 41' aufweist und die zweite stabförmige Elektrode 4 durch diesen
Isolator dichtend hindurchgeführt ist, d) mindestens einen Permanentmagnetring 1, der die koaxiale Anordnung der Elektroden 3, 4 umschliesst, mit im
wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter
Magnetisierungsrichtung 13 und mit einem diesen
Permanentmagnetring 1 umschliessenden ferromagnetischen Joch 2, wobei das Joch (2) in axialer Richtung beidseitig vom Permanentmagnetring 1 weggeführt ist und nach einem vorgegebenen Abstand d vom Permanentmagnetring 1 auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse 7 und der ersten Elektrode 3 hin geführt ist, wobei diese erste Elektrode 3 die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden 3, 4 bildet, derart dass das Joch 2 beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring 1 zwei ringförmige Pole 9a, b ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes 1 sich innerhalb des Ionisationsraumes 20 , die erste Elektrode 3 durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse 7 ringförmiges tunnelartiges Magnetfeld 14 über der ersten Elektrode 3 innerhalb des Ionisationsraumes 20 ausgebildet ist, und dass in radialer Richtung gegen die Achse 7 hin gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole 9a, b des Joches 2, scheibenförmige
ferromagnetische Leitmittel 5a, 5b angeordnet sind, welche als erste und zweite Polscheibe 5a, 5b ausgebildet sind und deren Zentren um die Achse 7 je eine Öffnung 31,31" aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode 4 und für den Messgasdurchlass, wobei zwischen der Durchführung 103 und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe 5b im radialen Bereich des Isolators 41, 41' und koaxial zur Achse 7 eine Abschirmvorrichtung 42,60 angeordnet ist zum Schutz des Isolators 41,41' vor Kontamination durch
abgestäubte Teilchen aus dem Ionisationsraum 20.
Aus Fig. 7 (s. auch Fig. 3 und 4) ist erkennbar, dass die Leitmittel 5a, 6 und 5b mit der Elektrode 3 verbunden sind und die Messkammer 107 mitbilden. Diese ist bezüglich des Gehäuses 101 durch Ausziehen durch den Mesßanschluss 8 als Bauteil herausnehmbar bzw. auswechselbar, wobei die
Elektrode 4 mit der Durchführung 103 am Gehäuse 101 reitet und somit, in dieser Ausführungsform, nicht Teil der auswechselbaren Messkämmer 107 ist. Die Messkammer 107 wird durch Wirkung der Magnetisierungsanordnung, einschliesslich der plattenförmigen Leitmittel bzw. Polscheiben 5a, 5b, 6 an der Messkammer 107, im Gehäuse 101 ausziehbar selbst gehaltert, wobei, wie in Fig. 7 eingetragen, zusätzlich ein Sprengring 68 vorgesehen werden kann, um die Positionierung der eingeschobenen Messkammer 107 im Gehäuse 101 zu
blockieren.
An der Durchführung 103 ist der auch als Abschirmung wirkende Zylinder 42, der ebenfalls als Isolator wirkt, ein Keramikzylinder. Der Isolator 41 λ ist ein Glasring, welcher mit der zylindrischen Innenfläche des Keramikzylinders 42 einerseits und mit der Elektrode 4 anderseits verschmolzen ist . Der Isolator 41 ist ein zweiter Glasring, der einerseits mit der zylindrischen Aussenfläche des Keramikzylinders 42 verschmolzen ist, anderseits mit einem als Ring
ausgebildeten Metallanschluss 43 bzw. der Innenfläche einer darin vorgesehenen, zur Achse koaxialen Öffnung. Somit ist an der anhand von Fig. 7 dargestellten, erfindungsgemässen Messzelle die Erfindung kombiniert unter beiden Aspekten 1 und 2 realisiert.
Die Signalauswertung an der Messzelle gemäss Fig. 7 erfolgt dadurch, dass eine Spannungsguelle 16, mit den Elektroden 3, 4 verbunden wird, wobei mit Strommessmittel 17 der Entladungsstrom ausgewertet wird, der Entladung die ausgebildet ist zwischen den Elektroden 3, 4. Dieser gemessene Entladungsstrom bildet eine Funktion des zu messenden Vakuumdruckes.
Beidseitig zum Permanentmagnetring 1 können gegenüber dem Joch 2 Magnethalter 70 angeordnet werden, um den
Permanentmagnetring 1 präzise in Position zu halten. Diese Anordnung mit Permanentmagnetring 1, Joch 2 und
Magnethalter 70 kann ebenfalls als Baueinheit ausgebildet sein, welche einfach über das rohrförmige Gehäuse 101 aufgeschoben werden kann. Ein Absatz als Anschlag für die Positionierung kann dazu am äusseren Umfang des Gehäuses 101 entsprechend vorgesehen werden. Wie erwähnt wird mit Vorteil der Ionisationsraum 20 bzw. die auswechselbare Messkammer 107 stirnseitig und in Achsrichtung 7
voneinander beabstandet mit einer ersten und einer zweiten Polscheibe 5a, 5b beidseitig in der Länge begrenzt. Diese sind je im Bereich der beiden Pole 9a, 9b des Joch 2 angeordnet, wobei ggf direkt die Innenwand des rohrförmigen Gehäuse 101 als Elektrode 3 oder ein zusätzlich
eingeschobener zylindrischer Elektrodenkörper entlang der Innenwand des Gehäuse 101, den Ionisationsraum 20
umschliesst und seitlich begrenzt.
Bildet die Innenwnd des Gehäuses 101 die Elektrode 3, dann ist es vorteilhaft den Elektrode bildenden axialen
Abschnitt des Gehäuses als Teil der auswechselbaren
Messkammer 107 zu konzipieren, z.B. durch axiale
Schraubverbindungen an den in Fig 7 strichpunktiert eingetragenen Stellen S. Die erste 5a und zweite Polscheibe 5b zusammen mit der ersten Elektrode 3, 3', die beabstandet die Achse 7 mit der zweiten Elektrode umschliessen, bilden und begrenzen somit die Messkammer 107. Mit Vorteil wird im Bereich des Poles des Permanentmagnetringes 1 eine weitere Polscheibe 6 vorgesehen. Dadurch wird die Messkammer 107 unterteilt in zwei Ionisationsräume 20,20'. Es ist vorteilhaft wenn die Einteilung derart erfolgt, dass die dritte Polscheibe 6 und der Permanentmagnet mittig angeordnet sind, wodurch die beiden Ionisationsräume 20,20' symmetrisch gegenüber der dritten Polscheibe 6 angeordnet sind und etwa gleiche
Dimensionen aufweisen.
Das in radialer Richtung, im Bereich des innen liegenden Poles des Permanentmagnetringes 1 gegen die Achse 7 hin gerichtete ferromagnetische Leitmittel ist als eine dritte Polscheibe 6 ausgebildet und weist im Zentrum ebenfalls eine Öffnung 31' auf zur Hindurchführung der zweiten
Elektrode 4.
Bei Verwendung von mehr als einem Permanentmagnetring 1 entsprechend der Figur 6a können zusätzliche Polscheiben verwendet werden im Bereich jedes Poles der
Permanentmagnetringe wodurch dann weitere Ionisationsräume abgeteilt werden. Wahlweise können aber auch Polscheiben weggelassen werden über den Polen der Permanentmagnetringe. Bevorzugt ist hingegen die in den Figuren 7 und 8
dargestellte Ausbildung mit drei Polscheiben und einem einzelnen Permanentmagnetring 1, insbesondere in
symmetrischer Ausbildung. Die Polscheiben sind mit Vorteil als kreisrunde Scheiben ausgebildet. Die in Fig 7 dargestellte vorteilhafte Ausbildung der Messkammer 107 besteht darin, dass die erste Elektrode 3 als separater, vorzugsweise blechförmiger, Zylinder
ausgebildet ist, koaxial beabstandet von der Innenwand des rohrförmigen Gehäuse 101 angeordnet. Dazwischen wird dadurch ein Spalt 63 ausgebildet. Der Elektrodenzylinder 3 umschliesst die Messkammer 107 und er ist, beidseitig abschliessend, verbunden mit der ersten und der zweiten Polscheibe 5a, 5b. Die Breite des Spaltes 63 ist
verhältnismässig klein im Vergleich zum
Messkammerdurchmesser, aber genügend gross, um einen genügenden Leitwert zu erzielen zur Hindurchführung bzw. Verteilung des Messgases vom Messeinlass 8 über den ganze Ionisationsraum 20,20λ bis in den Bereich der Durchführung 103.
Die erste und zweite Polscheibe 5a, 5b, sowie allenfalls die dritte Polscheibe 6 oder weitere, vorzugsweise 2 davon liegen an deren Peripherie an der Innenwand des Gehäuse 101 an, wobei im Bereich des Spaltes 63 Stege 35 an der
Peripherie der Polscheiben ausgebildet sind mit
unterbrechenden Bereichen bzw. Öffnungen. Durch diese
Öffnungen am Rand der Polscheiben wird die eine Verbindung vom Messeinlass 8, über den koaxialen Spalt 63 entlang dem Elektrodenzylinder bis hin zur Durchführung 103 erstellt. Diese Ausbildung der Messkammer, mit dem Elekrodenzylinder, zusammen mit den Polscheiben 5a, 5b, 6, bildet somit eine in das Gehäuse einschiebbare und daher leicht austauschbare Einheit, die erwähnte austauschbare Messkammer 107. Diese Messkammer 107 kann nun nach Bedarf einfach ersetzt werden wenn der Ionisationsraum 20,20λ nach gewisser Betriebszeit einen nicht mehr tolerierbaren Verschmutzungsgrad aufweist. Zur weiteren Vereinfachung kann, wie erwähnt, an der
Innenwand des Gehäuse 101 ein Anschlag für die
Messkammerposition, z.B. ein Positionierungsabsatz 61 vorgesehen sein.
Die Messkammer 107 wird beim Auswechseln einfach über den Messeinlass 8 in das Gehäuse 101 eingeschoben bis auf
Anschlag an diesen Positionierungsabsatz 61. Danach kann die Messkammer 107 zusätzlich auf der Seite des
Messeinlasses 8 in der Position gesichert werden mit einem Element zur Fixierung, beispielsweise einem Sprengring 68.
Es ist vorteilhaft wenn mindestens einzelne der Polscheiben neben der Zentrumsöffnung 31, 31', 31", mindestens eine zusätzliche Öffnung, vorzugsweise mehrere Öffnungen 32, 32' aufweisen. Bei mehreren Öffnungen, beispielsweise
Bohrungen, sollten diese gleichmässig, insbesondere
ringförmig, verteilt angeordnet werden. Hierbei ist es vorteilhaft wenn vor allem die erste Polscheibe 5a, die dem Messeinlass 8 zugewandt ist, und allenfalls die dritte
Polscheibe 6 mindestens eine derartige zusätzliche Öffnung 32, 32' aufweist, welche über die Scheibe verteilt
angeordnet sind. Mit diesen zusätzlichen Öffnungen wird die Durchlässigkeit für das Messgases in den Ionisationsraum 20, 20' erhöht.
An der zweiten stabförmigen Elektrode 4 kann für gewisse Fälle, im Bereich innerhalb des Ionisationsraume 20, eine Zündhilfe 33 (s.Fig.8) angeordnet sein mit welcher das Zünden der Entladung besser eingeleitet werden kann. Diese besteht beispielsweise aus einem kleinen Metallteil, wie einem Plättchen, das scharfe Kanten oder Spitzen aufweist, woran mit einem Spannungspuls Feldemission freier
Ladungsträger bewirkt wird.
Wie bereits erwähnt, ist es für eine zuverlässige
Langzeitfunktion der Messzelle sehr wichtig die
Isolatorteile 41,41', 42 (Glas/ Keramik/Glas ) der
Durchführung 103 besonders sorgfältig abzuschirmen. Eine besonders geeignete Ausbildung ist in den Figuren 7 und, im Detail, Figur 8 gewählt.
Wie weiter bereits erwähnt, überragt der Keramik-Zylinder als Isolationsteil 42 den einen-41x- vorzugsweise beide als Glasringe 41 Λ und 41 ausgebildeten Isolationsteile. Ein metallischer Halterungsring 43, als Metall-Anschluss, ist mit dem zweiten Isolatorteil 41 dichtend verbunden d.h. mit dem zweiten Glasring verschmolzen. Der Metall-Anschluss 43, hier ringförmig, trägt die Durchführung 103. Der Metall- Anschluss 43 ist an der Peripherie mit dem einen Ende des Gehäuse 101, das dem Messeinlass 8 gegenüber liegt, bei 45 dichtend verbunden. Die Verbindung bei 45 mit dem Gehäuse 101 wird mit Vorteil geschweisst, insbesondere Laser geschweisst. Als Material für den Metall-Anschluss 43 ist vor allem ein rostfreier Stahl (Inox) geeignet, wobei ein nicht magnetischer Stahl bevorzugt ist, um die Entladung im Ionisationsraum nicht unzulässig zu beeinflussen. Das
Gehäuse 101 besteht mit Vorteil ebenfalls aus einem nicht magnetischen, rostfreien Stahl (Inox) . Um die Zentrumsöffnung 31 der zweiten Polscheibe 5b in Richtung der Durchführung 103 ist mindestens ein zweiter Zylinder 60 koaxial zur Achse 7 angeordnet. Diese zweite Polscheibe 5b ist gegenüber der Durchführung 103 derart positioniert und die beiden Zylinder 42, 60 derart in Länge und Durchmesser dimensioniert, dass der zweite Zylinder 60 in den ersten, davon beabstandet, einragt. Beide Zylinder sind koaxial zueinander und zur Achse 7 angeordnet. Hierbei sind, im Bereich der Überlappung b, die beiden Zylinder 42, 60 voneinander derart radial beabstandet, dass sie sich nicht berühren und einen Spalt a in radialer Richtung ausgebildet ist. Dieser Spalt a bildet eine Isolations- Strecke im Vakuum. Mit einer derartigen Anordnung wird der Kriechweg an der berfläche der Isolatoren verlängert und es entstehen Abschattungsbereiche, in welche abgestäubtes Material aus dem Ionisationsraum nicht hin gelangen kann. Die Oberfläche der Isolatoren, nämlich der glasringe und des Keramikzylinders bei erfindungsgemässer Ausbildung, bleibt dadurch vor Kontamination mindestens in
Teilbereichen geschützt, zumindest wird aber der Pfad über leitende Beläge und folglich für mögliche Kriechströme von der zweiten Elektrode 4 hin zum Gehäuse 101 unterbrochen.
Wie erwähnt wird als Isolationsmaterial für beide
Isolatorteile 41, 1 ' erfindungsgemäss Glas verwendet. Da der Zylinder 42 bei erfindungsgemässer Ausbildung der
Durchführung 103 aus Keramik besteht also ebenfalls aus einem isolierenden Material , wird die abschirmende Wirkung zusätzlich verbessert. Das isolierende Material des
Zylinders 42 ist Keramik. Der zweite Zylinder 60 an der zweiten Polscheibe 5b hingegen besteht mit Vorteil aus einem Metall, wobei dieses mit Vorteil nicht
ferromagnetisch ist. Neben dem Einsatz von einem einzelnen Paar ineinander greifender Zylinder 42, 60 kann zur
weiteren Verbesserung der Abschirmungswirkung ein weiteres oder es können gar mehrere weitere ineinander greifende Zylinder verwendet werden. Die dargestellte Lösung gemäss den Figuren 7 und 8 mit einem einzelnen Paar von Zylindern 42, 60 ist hingegen eine besonders geeignete und
kostengünstig realisierbare Ausbildung.
Die Eintauchtiefe bzw. Überlappung b der beiden Zylinder 42, 60 beträgt beispielsweise 1,0 mm, mit einem bevorzugten Bereich von 0.1 mm bis 3.0 mm. Der Abstand (Spalt) a zwischen den beiden Zylindern 42, 60 in radialer Richtung beträgt 10 beispielsweise 0.5 mm, mit einem bevorzugten Bereich von 0.2 mm bis 10.0 mm.
Der erste Zylinder besteht in erfindungsgemässer Ausbildung der Durchführung 107, aus einer Keramik, wie aus
Aluminiumoxid mit dem spezifischer Widerstand bei 20 °C > 10E17 Ohm m, 10E13 Ohm m bei 200 °C (FRIALIT F99.7, Friatec Elektrische Durchführungen und Isolierrohre, Keramik
Metall-Verbundbauteile, 1126/3 2 VII 04 Gr., Prospekt
1279)'. Als Material des ersten und des zweiten
Isolatorteils 41,41' ist, bei erfindungsgemässer Ausbildung der Durchführung 103, ein Glas eingesetzt, wie Schott 8250 log dessen elektrischer Volumenwiderstand bei 250 °C 10.0 ohm cm (Brochure Schott Technical Glasses, Physical and technical properties, 90491 English 04100.7 kn/lang,
2010 ) entsprechend 10E12 Ohm m beträgt. Es kann nun zusätzlich zwischen der zweiten Polscheibe 5a, der Durchführung 103 , der zentral angeordneten
Abschirmvorrichtung, realisiert durch die Zylinder 42,60 und der Innenwand des Gehäuse 101 eine ringförmige Kammer 47 ausgebildet werden, in welcher beispielsweise ein
Zusatzvakuumsensor 48 angeordnet ist. Als
Zusatzvakuumsensor 48 ist der Einsatz eines Piranisensors oder eines Membrandrucksensors besonders geeignet. Diese Sensoren sind klein in der Bauweise und können elegant in dieser ringförmigen Kammer 47 im Bereich der Durchführung 103 untergebracht werden. Diese sind ausserdem ebenfalls durch die Abschirmvorrichtung 42,60, d.h in
erfindungsgemässer Ausführung Keramik-Zylinder 42 und
Metall-Zylinder 60 zuverlässig geschützt vor unerwünschten Ablagerungen aus dem Ionisationsraum.
Zusätzlich kann, beispielsweise insbesondere die Pirani Messzelle mit einer weiteren Schutzanordnung 49 versehen werden. Die für derartige Messzellen zusätzlich benötigten Durchführungselemente, Durchführungsstäbe oder-Stifte 44, können einfach bereitgestellt werden in Kombination mit der Durchführung 103. Derartige Durchführungsstäbe 44 können beispielsweise direkt in das Isolatorteil 41 integriert werden und / oder und dies bevorzugtauch in den metall- Anschluss 43. Mit derartigen Zusatzvakuumsensoren 48 kann der Einsatzbereich der Vakuummesszelle 30 wesentlich erweitert werden. Eine derartige Kombinationsmesszelle ermöglicht es den präzise messbaren Vakuumdruckbereich wesentlich zu erweitern. Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Ionisations- Vakuummesszelle z.B. gemäss den Fig.7 und 8 umfasst: a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode die im wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse , wodurch zwischen diesen beiden Elektroden Ionisationsraum in einer Messkammer ausgebildet ist, der mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche
aufweist, und die zweite Elektrode als Stab ausgebildet ist und in der Achse liegt, c) eine elektrisch isolierende und vakuumdichte
Durchführung angeordnet an einem Ende des Gehäuses auf der gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses, wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite Elektrode durch diesen Isolator dichtend
hindurchgeführt ist. Die Messzelle umfasst weiter eine Messkammer im oder am Gehäuse, darin mindestens die erste Elektrode.
Die Messkammer ist als austauschbares Bauteil ausgebildet und / oder es weist die elektrisch isolierende und
vakuumdichte Durchführung einen zur Achse koaxialen
Keramik- Zylinder auf mit vom Stab radial beabstandeter
Innenfläche sowie einen auf die Innenfläche einerseits und den Stab anderseits aufgeschmolzenen ersten Glasring, axial von einer dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des Keramik-Zylinders rückversetzt. Die Durchführung umfasst dann weiter einen Metall-Anschluss mit einer zur Achse koaxialen Zylinderöffnung mit von der zylindrischen
Aussenfläche des Keramik- Zylinders radial beabstandeter Öffnungs-Innenfläche. Die Durchführung umfasst dann weiter einen auf die zylindrische Aussenfläche des Keramik- Zylinders aufgeschmolzenen zweiten Glasring, axial von der dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des Keramik- Zylinders rückversetzt, wobei die Öffnungs-Innenfläche mit dem zweiten Glasring vakuumdicht verbunden ist. In beiden erwähnten Alternativen sowie deren Kombination, entsprechend dem ersten bzw.
zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung und deren Kombination umfasst die Messzelle weiter d) mindestens einen Permanentmagnetring der die koaxiale Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im Wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch wobei das Joch in axialer Richtung beidseitig vom Permanentmagnetring weg geführt ist und nach einem vorgegebenen Abstand vom Permanentmagnetring auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten Elektrode hin geführt ist. Diese erste Elektrode ist dabei die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der
Elektroden, derart dass das Joch beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich innerhalb des Ionisationsraumes, die erste Elektrode durchdringend, schliessen. Es wird ein mindestens teilweise um die Achse ringförmiges
tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode
innerhalb des Ionisationsraumes ausgebildet. Es sind weiter , in radialer Richtung gegen die Achse hin gerichtet, im Bereich mindestens eines der innen liegenden Pole des
Joches scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel
angeordnet , welche als erste und zweite Polscheibe
ausgebildet sind und deren Zentren um die Achse je eine
Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den Messgasdurchlass . Zwischen der Durchführung und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen
Bereich des Isolators und koaxial zur Achse ist eine
Abschirmvorrichtung angeordnet zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus dem
Ionisationsraum.
Diese erfindungsgemässe Messzelle kann wie folgt
weitergebildet werden: A) dadurch, dass in Schnittebene in der die Achse liegt das Joch mindestens teilweise bogenförmig in radialer Richtung zur ersten Elektrode hin geführt ist.
B) dadurch, dass in der Schnittebene, in der die Achse liegt, das Joch mindestens teilweise abgewinkelt,
vorzugsweise rechtwinklig, in radialer Richtung zur ersten Elektrode hin geführt ist.
C) dadurch, dass innerhalb des Joches mit den beiden Polen in axialer Richtung voneinander beabstandet mindestens zwei Permanentmagnetringe mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung angeordnet sind, wobei jedes
Permanentmagnetring - Paar ein weiteres ringförmiges und tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode
ausbildet.
D) dadurch, dass innerhalb des Joches mit den beiden Polen in axialer Richtung voneinander beabstandet zwei Permanentmagnetringe mit entgegengesetzter
Magnetisierungsrichtung angeordnet sind. E) dadurch, dass das Gehäuse sowohl den
Permanentmagnetring mit dem Joch als auch die beiden
Elektroden umschliesst.
F) dadurch, dass das Joch Teil des Gehäuse bildet.
G) dadurch, dass das Gehäuse zwischen der ersten
Elektrode und dem Permanentmagnetring mit dem Joch
angeordnet ist derart, dass der Permanentmagnetring und das Joch vom Vakuum getrennt angeordnet sind.
H) dadurch, dass die erste Elektrode als Gehäuse
ausgebildet ist. I) dadurch, dass der mindestens eine Permanentmagnetring in axialer Richtung innerhalb des Joches gegenüber den Polen ungleich beabstandet angeordnet ist
J) dadurch, dass der mindestens eine Permanentmagnetring in axialer Richtung innerhalb des Joches gegenüber den Polen verschieblich angeordnet ist K) dadurch, dass in radialer Richtung gegen die Achse hin gerichtet, im Bereich des innen liegenden Poles des
Permanentmagnetringes ferromagnetische Leitmittel
angeordnet sind und diese als Polscheibe ausgebildet sind, die im Zentrum eine Öffnung aufweist zur Hindurchführung der zweiten Elektrode .
L) dadurch, dass die erste und zweite Polscheibe zusammen mit der ersten Elektrode, die beabstandet die Achse mit der zweiten Elektrode umschliesst, die Messkammer bilde M) dadurch, dass die Durchführung im Zentrum einen mindestens zweiteiligen Isolator aufweist, welcher die zweite stabförmige Elektrode mit dem ersten Isolatorteil dichtend umschliesst, wobei der zweite Isolatorteil das erste ringförmig in radialer Richtung zur Achse umfasst und dazwischen mindestens ein erster Zylinder dichtend
angeordnet ist, welcher die Achse koaxial umschliesst und beidseitig die Isolationsteile überragt, wobei ein
metallischer Anschluss mit dem zweiten Isolatorteil
dichtend verbunden ist und die Durchführung trägt und mit dem einen Ende des Gehäuses dichtend verbunden ist
N) dadurch, dass um die Zentrumsöffnung der zweiten
Polscheibe in Richtung der Durchführung mindestens ein zweiter Zylinder koaxial zur Achse angeordnet ist, welcher in den ersten Zylinder mit einer Überlappung hinein ragt, wobei im Bereich der Überlappung die beiden Zylinder voneinander derart beabstandet angeordnet sind, dass sie sich nicht berühren und ein Spalt in radialer Richtung ausgebildet ist 0) dadurch, dass mindestens eines der beiden Isolatorteile aus Glas gebildet ist.
P) dadurch, dass der erste Zylinder aus einem
isolierenden Material besteht, vorzugsweise aus einer
Keramik
Q) dadurch, dass das zweite Rohrstück (60) aus einem Metall besteht das nicht ferromagnetisch ist
R) dadurch, dass die erste Elektrode als separates blechförmiges Zylinderteil ausgebildet ist und koaxial beabstandet, dazwischen einen Spalt bildend, von der
Innenwand vom Gehäuse beabstandet angeordnet ist und, die Messkammer umschliessend, beidseitig mit der ersten bzw. der zweiten Polscheibe abgeschlossen ist
S) dadurch, dass die Polscheiben an der Peripherie an der Innenwand des Gehäuse anliegen und im Bereich zwischen dem Spalt der ersten Elektrode und dem Gehäuse Stege bilden mit unterbrechenden Bereichen, die eine Verbindung vom
Messeinlass bis zur Durchführung bereitstellen
T) dadurch, dass der blechförmige Zylinderteil zusammen mit den Polscheiben eine in das Gehäuse einschiebbare und somit austauschbare Messkammereinheit bilden
U) dadurch, dass die erste Polscheibe und allenfalls die dritte Polscheibe mindestens eine weitere Öffnung aufweist, vorzugsweise mehr, welche über die Scheibe verteilt
angeordnet sind zur Erhöhung der Durchlässigkeit für das Messgas in den Ionisationsraum
V) dadurch, dass zwischen der zweiten Polscheibe, der Durchführung, der zentral angeordneten Abschirmvorrichtung und der Innenwand des Gehäuse eine ringförmige Kammer ausgebildet ist, in welcher ein Zusatzvakuumsensor
angeordnet ist
W) dadurch, dass der Zusatzvakuumsensor ein Piranisensor oder ein Membrandrucksensor ist. In Fig. 10 ist in vereinfachter Längsschnitt-Darstellung eine gute Weiterbildung der bereits anhand der Fig. 7 und 8 vorgestellten Durchführung 103 dargestellt. In der Achse 110 der Durchführung 103 liegt der elektrisch isoliert und vakuumdicht durchzuführende Metallstab 112, gemäss Fig. 7 bspw. Elektrode 4 oder eine elektrische Zuführung zu einer der Elektroden im Ionisationsraum.
Ein Keramikzylinder 114 ist, koaxial zur Achse 110, über einen Glasring 116 mit dem Metallstab 112 vergossen. Die äussere Zylinderfläche des Keramikzylinders 114 ihrerseits ist über einen zweiten Glasring 118 mit dem Metallanschluss 120 verbunden. Der Metallanschluss 120 weist hierzu eine zur Achse 110 koaxiale Öffnung 122 auf und der weitere Glasring 118 ist, wie erwähnt, einerseits mit der
Aussenfläche des Keramikzylinders 114, anderseits mit der zylindrischen Öffnungsfläche der Öffnung 122 vergossen.
Wie weiter schematisch in Fig. 11 dargestellt, können ggf. mehrere Paare von ersten Glasringen 116, 116a, 116b und zugeordneter Keramikzylinder 114a, 114b vorgesehen werden, um die elektrische Isolation der Durchführung 103 weiter zu steigern.
Wie bereits anhand von Fig. 7 erläutert, sind an der
Ionisations-Vakuummesszelle, Ionisationsraum-seitig ggf. Zylinder vorgesehen, wie in Fig. 11 bei 125 gestrichelt eingetragen, und entsprechend Zylinder 60 von Fig. 7, welche die Keramikzylinder 114 der Durchführung 103
innerhalb dieser Zylinder 114 oder ausserhalb dieser
Zylinder 114 berührungslos überragen.
Ausgehend von der Durchführung 103 gemäss Fig. 10 und in gleicher Darstellung zeigt Fig. 12 die Durchführung 103 ergänzt mit einer oder mehreren Lateral-Durchführungen 130 mit Durchführungsstäben 132, bspw. für die zusätzlichen Drucksensoren gemäss 48 von Fig. 7 und/oder zur
Potentiallegung der zweiten oder einer weiteren Elektrode im Ionisationsraum. Die Lateral-Durchführungen 130 sind im Metallanschluss 120 vorgesehen. Ihre Achse 134 ist
üblicherweise parallel zur Achse 110, kann aber in gewissen Anwendungsfällen schiefwinklig bezüglich der Achse 110 angeordnet sein, jedenfalls aber mit einer
Richtungskomponente parallel zur Achse 110.
Die Lateral-Durchführungen 130 sind gebildet durch jeweils eine Bohrung 136, durch den Metallanschluss 120, worin, koaxial, der durchzuführende Stab bzw. Stift 132 angeordnet ist. Der Stab oder Stift 132 ist durch das Glas einer Glaseinlage 138 mit dem Metallanschluss 120 verschmolzen, in der Bohrung 136 vakuumdicht und elektrisch isoliert von der Wandung der Bohrung 136.
Wenn, wie üblich, mehrere Lateral-Durchführungen 130 vorgesehen sind, die angeordnet sind, um möglichst direkt elektrischen Zugang zu Ionisationsraum-seitigen
Bauelementen zu schaffen, so brauchen diese Lateral- Durchführungen 130, für optimale Positionierung, weder alle bezüglich der Durchführungsachse 110 radial gleich
beabstandet zu sein noch entlang der Peripherie, also azimutal bezüglich der Achse 110, gleich verteilt zu sein.
Wenn im Metallanschluss 120 Bohrung 136 vorgesehen sind, die für einen spezifischen Anwendungsfall nicht für eine Durchführung 130 gebraucht werden, so kann eine solche Bohrung 130 wie gestrichelt bei 130o in Fig. 12 dargestellt mittels einer eingeschmolzenen Glaseinlage vakuumdicht verschlossen sein.
Bei Betrachtung von Fig. 12 wird ohne weiteres ersichtlich, dass die Durchführung 103, fertigungstechnisch relativ einfach zu realisieren ist, durch entsprechende
Positionierung von Stab 112, Zylinder 114, Metallanschluss 120 und Durchführungsstab 134, Vorsehen von Pulverglas in den entsprechenden Öffnungen/Bohrungen und dessen
Aufschmelzen. Dabei ist weiter ersichtlich, dass bereits bei der Fertigung die erwähnte Durchführung 103 hohen thermischen, teils inhomogen verteilten Belastungen
unterworfen ist. Daran sind verschiedene Materialpaarungen, nämlich Metall/Glas, dann Glas/Keramik, Keramik/Glas, Glas/Metall, Metall/Glas und schliesslich Glas/Metall vorhanden. Diese Paarungen unterschiedlicher Materialien, die möglicherweise zeitgestaffelte Ausbildung der
tatsächlichen Verschmelzungen an den Verschmelzungszonen, d.h. Materialübergängen, sowie nie auszuschliessende
Inhomogenitäten in den jeweiligen Materialien, insbesondere dem Glas und der Keramik, können, nebst unterschiedlichem thermischen Verhalten der Materialien, dazu führen, dass in den Glaseinlagen 138 der Lateral-Durchführung 130 hohe Spannungen entstehen. Diese können dazu führen, dass sowohl während der thermischen Belastung bzw. während der
Abkühlung oder erst wesentlich später, bspw. bei
mechanischer Schlagbelastung im Betrieb der Messzelle, Risse, wie Haarrisse, in den Glaseinlagen 138 auftreten, welche sowohl deren Vakuumdichtheit wie auch deren
elektrische Isolationsfähigkeit massiv mindern, wenn nicht zunichtemachen .
Das Problem hoher Spannungen in den Glaseinlagen 138 an den Lateral-Durchführungen 130 im Metallanschluss 120 wurde grundsätzlich dadurch gelöst, dass, wie in Fig. 13
schematisch dargestellt, der Metallanschluss 120 in zwei sich in Grenzen und primär in Radial-Richtung relativ zueinander „verschiebliche" Teile 120i und 120a unterteilt wird. Die Lateral-Durchführungen 130 sind am bezüglich der Achse 110 äusseren Teil 120 vorgesehen. Die Integrität der beiden Teile als Metallanschluss 120 ist durch eine als
Spannungspuffer wirkende Verbindungspartie 145 der beiden Teile 120i, 120a erstellt. Diese Pufferzone, die entlang eines Trennspaltes 140 zwischen den erwähnten Teilen des Metallanschlusses 120 vorgesehen sein kann, ist als diesen Spalt umlaufend überbrückende Materialzone ausgebildet und kann relativ duktiles Metall umfassen und/oder kann so dünn ausgestaltet sein, dass sie praktisch federartig die
Spannungen aufnimmt und homogen in den äusseren Teil 120a des Metallanschlusses 120 überträgt. Somit ist in der
Ausführung gemäss Fig. 13 der Metallanschluss 120 durch einen bezüglich Achse 110 der Durchführung 103 koaxialen Ringspalt 140 in einen inneren Teil 120i und einen äusseren 120'a geteilt, vorzugsweise beide aus gleichem Metall. Im äusseren Teil 120a reitet die oder reiten die bereits anhand von Fig. 12 vorgestellten Lateral-Durchführung 130. Die Integrität des Metallanschlusses 120 wird durch die als Pufferzone wirkende Brückenpartie, 145 in Fig. 13
eigekreist, erwirkt. Anstatt eines Ringspaltes 140 können, wie dies schematisch in Fig. 14 dargestellt ist, die inneren 120i und äusseren 120a Teile des Metallanschlusses 120 so ausgebildet sein, dass sie sich entlang mindestens einer Ebene E, senkrecht zur Achse 110, woran die beiden Teile 120i und 120a
aneinander liegen, radial verschieben können. Wie in Fig. 14 dargestellt, kann die Integrität des Teiles 120 samt Vakuumdichtheit durch eine umlaufende Verbindungsnaht, wie eine Schweiss- oder Lötnaht 150, gebildet sein. Vorteilhaft an der grundsätzlichen Ausführungsform nach Fig. 14 ist, dass die beiden Teile in radialer Ausdehnungs-Richtung geführt sind und sich mithin nicht gegenseitig abwinkein können, was zu Biegespannungen insbesondere am Glasring 118 gemäss Fig. 11 und anschliessendem Keramikzylinder führen könnte . In der Ausführungsform gemäss Fig. 14 ist eigentlich der koaxiale Spalt 140 gemäss Fig. 13 als gegen die Achse 110 offener Raumbereich ausgebildet, der bezüglich radialer Verschiebbarkeit des äusseren Teiles 120a bezüglich des inneren Teils 120i, die Spaltfunktion übernimmt und deshalb in Fig. 14 auch mit 140 bezeichnet ist.
In der Ausführungsform gemäss Fig. 15 sind, wie sich dem Fachmann nun ohne weiteres eröffnet, die Ausführungsformen gemäss Fig. 13 und 14 kombiniert. Einerseits sind die beiden Teile in ihrer radialen relativen
Ausdehnungsbewegung entlang von zwei Ebenen Ei und E2, senkrecht zur Achse 110 der Durchführung, geführt,
anderseits ist ein mehrteiliger, radial in versetzte
Abschnitte unterteilter Ringspalt 140 vorgesehen, welcher die geforderte relative Radialbeweglichkeit zur Aufnahme der Spannungen sicherstellt. Gemäss Fig. 15 ist die
Integrität des Metallanschlusses 120 durch mindestens eine zur Achse 110 umlaufende Verbindungsnaht, wie Schweiss- oder Lötnaht, sichergestellt, und es kann ggf. auf der der Naht 150 abgewandten Seite des Metallanschlusses 120, wie bei 150b in Fig. 15 eingetragen, ein weiterer
Verbindungssteg erstellt sein, dort z.B. segmentiert. Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Brückenpartie, welche die Integrität des Metallanschlusses 120
sicherstellt, sowohl elektrisch leitend sein muss, sollen die beiden Teile 120a und 120b auf gleichem elektrischen Potential betrieben sein, wie dies üblich ist, und
Vakuumdichtheit sicherstellen müssen. Anstelle einer Verbindungsnaht kann die Brückenpartie, wie in Fig. 16 dargestellt, durch Stege 145x ggf. 1452 erstellt sein, welche durch Einarbeiten der Spaltstruktur 140 in das Material des Metallanschlusses 120 erstellt werden.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination von
Verbindungsnaht und Verbindungssteg aus dem Material des Metallanschlusses 120 möglich.
Wie bereits mehrfach erwähnt, weist die Ionisations- Vakuummesszelle unter einem Aspekt der Erfindung eine
Messkammer auf, welche praktisch als Austauschteil durch einfache Manipulation von der Messzelle entfernt und bspw. durch eine andere Messkammer ersetzt werden kann. In Fig. 17 ist schematisch und vereinfacht eine der
Realisationsmöglichkeiten dargestellt. Die auswechselbare Messkammer 107 mit Messgasanschluss 8 umfasst jedenfalls, wie gestrichelt eingetragen, die eine Elektrode 3 und damit, abgesehen von der zweiten Elektrode, den
Ionisationsraum und weiter gemäss Fig. 17 einen Abschnitt 101b des Gehäuses 101. Die Messkammer 107, den bezüglich Achse 7 koaxialen Gehäuseabschnitt 101b mitumfassend, wird . an einer Verbindungszone 152 mit dem übrigen Gehäuseteil 101a verbunden, wie mittels eines Bajonettverschlusses, einer Schraubverbindung etc. Die Austauschbarkeit der
Messkammer.107 ist in Fig. 17 mit dem Doppelpfeil AU angedeutet.
Die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103 kann dabei (nicht dargestellt in Fig. 17) am übrigen Gehäuseteil 101a oder an der Messkammer 107 vorgesehen sein. In letzterwähntem Fall wird mit der Messkammer 107 auch die an der erwähnten Durchführung 103 durchgeführte Elektrode ausgewechselt.
Bei der Ausführungsform wie vereinfacht und schematisch in Fig. 18 dargestellt, wird die Messkammer 107 auf der Seite des Messgasanschlusses 8 in das Gehäuse 101 eingeschoben und darin fixiert. Bei vorgesehenen
Magnetisierungsanordnungen, wie sie beschrieben wurden, erfolgt oft bereits durch diese eine genügende
Eigenfixierung der Messkammer 107 im Gehäuse 101. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Durchführung 103 mit dem
Gehäuse 101 fest verbunden sein oder mit der austauschbaren Messkammer 107.
Muss eine zusätzliche Arretierung der vorzugsweise auf Anschlag am Gehäuse 101 eingeführten Messkammer 107 erfolgen, so kann dies durch Arretierungsmittel, wie einen Sprengring oder Bolzen durch die Wand des Gehäuses 101 oder Kugelrastverbindungen etc. realisiert werden.
Wie bereits erwähnt wurde, ist die elektrisch isolierende und vakuumdichte Durchführung 103 bezüglich Kontamination höchst heikel. Wenn, wie in Fig. 19 höchst vereinfacht und schematisch dargestellt, die auswechselbare Messkammer 107 die erwähnte Durchführung 103 nicht umfasst, sondern letztere mit dem Gehäuse 101 fest verbunden ist, dann muss ohnehin der durchgeführte, in Fig. 19 mit 104 bezeichnete Stab auch elektrisch isoliert in die Messkammer 107, dort in den Ionisationsraum, eingeführt werden. Hierzu ist an ' der Messkammer 107 eine nur elektrisch isolierende, nicht vakuumdichte Durchführung 109 vorzusehen. Es wird mithin koaxial mit Achse 7 und mithin Durchführung 103 an der Messkammer 107 eine nur elektrisch isolierende Durchführung 109 vorgesehen, durch welche der Stab 104 bei Einführen der Messkammer 107 satt geführt wird. In Fig. 119 ist nur beispielsweise die Messzelle in der Art einer Penning-Zelle aufgebaut mit Kathode 4K und Anode 3A. Falls notwendig, können zur Sicherstellung des Austauschbarkeit der
Messkammer 107, wie schematisch in Fig. 19 bei 106
eingetragen, Abschnitte des Stabes 104 durch lösbare
Steckverbindungen gekoppelt sein.
Mit der am Stab 104 praktisch anliegenden Durchführung 109 wird die Durchführung 103 höchst effektiv vor
Kontaminationen aus dem Ionisationsraum geschützt.

Claims

Patentansprüche 1 . Aspekt
1) Ionisations-Vakuummesszelle umfassend: a) ein Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum an einem Endabschnitt; b) eine Messkammer im Gehäuse die mit dem Messanschluss gasfluss-verbunden ist; b) eine erste und eine zweite Elektrode in der Messkammer, die im Wesentlichen koaxial bezüglich einer Achse und voneinander beabstandet angeordnet sind , wodurch zwischen diesen beiden Elektroden ein Ionisationsraum in der
Messkammer ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode eine im Wesentlichen zylindrische Innen-Fläche als dem
Ionisationsraum zugekehrte Elektrodenfläche aufweist, c) eine sowohl elektrisch isolierende wie auch vakuumdichte Durchführung für eine elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine der Elektroden selber, mit einem elektrischen Isolator, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer als austauschbares Bauteil ausgebildet ist.
2) Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer bezüglich der Achse, radial gegen aussen begrenzt ist durch a) die erste Elektrode oder b) ein, an einer Innenfläche des Gehäuses ganz, abschnittsweise oder nicht anliegendes Messkammergehäuse mit im Wesentlichen zylindrischer Innenfläche, die von der ersten Elektrode radial nach aussen abgesetzt ist c) mindesten einen axialen Abschnitt der Wand des
Gehäuses.
3) Messzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer am axial dem
Messanschluss abgewandten Ende eine nicht vakuumdichte, elektrisch isolierte Durchführung für die Zuführung zu einer der Elektroden oder für eine der Elektroden selber hat, oder eine sowohl elektrisch isolierte wie auch
vakuumdichte Durchführung.
4) Messzelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messkammer messanschlussseitig an das oder in das Gehäuse auf Anschlag eingeschoben ist und am Gehäuse lösbar arretiert ist, wobei hierzu vorzugsweise eine Schraubverbindung oder ein Karabiner- Verbindung zwischen Messkammer und Gehäuse vorgesehen ist oder
mindestens ein axial oder radial zwischen Gehäuse und Messkammer wirkendes Arretierungsorgan vorzugsweise ein Sprengring .
5) Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass radial ausserhalb der Messkammer mindestens ein Teil einer Magnetisierungsanordnung
vorgesehen ist, die im Ionisationsraum ein Magnetfeld erzeugt . 6) Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer zerstörungsfrei
unzerlegbar ist.
7) Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die als Invertierte Magnetron Zelle aufgebaut ist.
8) Messkammer für eine Ionisations Vakuummesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9) Ionisations-Vakuummesszelle umfassend: a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode, die im
wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse , wodurch zwischen diesen beiden Elektroden eine Messkammer ausgebildet ist, die mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode stabförmig ausgebildet ist und in der Achse liegt, c) eine elektrisch isolierende, vakuumdichte Durchführung angeordnet an einem Ende des Gehäuse auf der
gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses , wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite stabförmige Elektrode durch diesen Isolator dichtend hindurchgeführt ist, d) mindestens einen Permanentmagnetring , der die koaxiale Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch , dadurch gekennzeichnet, dass das Joch in axialer Richtung beidseitig vom Permanentmagnetring weg geführt ist und nach einem vorgegebenen Abstand vom Permanentmagnetring auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten Elektrode hin geführt ist, wobei diese erste Elektrode die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden bildet, derart dass das Joch beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich
innerhalb der Messkammer die erste Elektrode durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse ringförmiges tunnelartiges Magnetfeld über der ersten
Elektrode innerhalb der Messkammer ausgebildet ist, und dass in radialer Richtung gegen die Achse hin gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole des Joches, scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel
angeordnet sind, welche als erste und zweite Polscheibe ausgebildet sind und deren Zentrum um die Achse je eine Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den Messgasdurchlass , wobei zwischen der
Durchführung und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen Bereich des Isolators und koaxial zur Achse eine Abschirmvorrichtung angeordnet ist zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus der Messkammer, welche einen Ionisationsraum bildet und dass mindestens die erste Elektrode in einer austauschbaren Einschubkammer eingebaut ist.
2. Aspekt
10) Ionisations-Vakuummesszelle umfassend: a) ein Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, an einem Endabschnitt des Geäuses; b) eine erste und eine zweite Elektrode im Gehäuse, wodurch zwischen diesen beiden Elektroden ein
lonisationsraum innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist, c) eine sowohl elektrisch isolierende wie auch vakuumdichte Durchführung für eine elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine der Elektroden selber, mit einem elektrischen Isolator, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung oder die durchgeführte Elektrode im
Wesentlichen ein Metall-Stab in einer Achse ist und die
Durchführung umfasst: i) Einen zur Achse koaxialen Keramik- Zylinder mit vom Stab radial beabstandeter Innenfläche ii) Einen auf die Innenfläche einerseits und den Stab anderseits aufgeschmolzenen ersten Glasring, axial von einer dem lonisationsraum zugewandten Stirnfläche des Keramik-Zylinders rückversetzt, iii) Einen Metall-Anschluss mit einer zur Achse koaxialen Zylinderöffnung, mit von der zylindrischen Aussenfläche des Keramik-Zylinders radial beabstandeter Öffnungs-Innenfläche iv) Einen auf die zylindrische Aussenfläche des Keramik- Zylinders aufgeschmolzenen zweiten Glasring, axial von der dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des Keramik- Zylinders rückversetzt v) obei die Öffnungs-Innenfläche mit dem zweiten Glasring vakuumdicht verbunden ist. 11) Ionisations-Vakuummesszelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden im Wesentlichen koaxial bezüglich der Achse angeordnet sind wobei die erste
Elektrode eine im Wesentlichen zylindrische Innen-Fläche als dem Ionisationsraum zugekehrte Elektrodenfläche
aufweist, von der Achse radial beabstandet .
12) Ionisations-Vakuummmesszelle nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Glasring auf die Öffnungs-Innenfläche aufgeschmolzen ist.
13) lonisations-Vakuummmesskammer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Glasring über ein oder mehrere Paare eines weiteren koaxialen Keramik- Zylinders / eines weiteren koaxialen Glasringes mit der Öffnungs-Innenfläche dichtend verbunden ist, wobei
vorzugsweise jeder weitere Glasring eines Paares bezüglich der dem Ionisationsraum zugewandten Stirnfläche des
weiteren Keramik-Zylinders des Paares auf den er
aufgeschmolzen ist, rückversetzt ist. 14) Ionisations-Vakuummmesszellen nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, mit einer
bezüglich der Achse achparallelen Richtungs-Komponente durch den Metall-Anschluss , ein oder mehrere Durchbohrungen mit Innen-Bohrungsflachen vorgesehen sind, die je eine Bohrungsachse festlegen, in mindestens einem Teil der
Bohrung in der jeweiligen Bohrungsachse ein Metall- Durchführungsstab angeordnet ist und die jeweilige Innen- Bohrungsfläche und der jeweiligen Durchführungsstab mit einer Glaseinlage dichtend verschmolzen sind.
15) Ionisations-Vakuummmesszelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, vorzugsweise nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass der Metall-Anschluss einen Innenring umfasst der die Öffnung des Metall-Anschlusses bildet sowie einen weitere Teil des Metall-Anschlusses, vorzugsweise als Aussenring ausgebildet, eine weitere, zur Ache koaxiale Öffnung aufweist, wobei der Innenring und der weitere Teil des Metall-Anschlusses mittels eines Brückenpartieringes vakuumdicht verbunden sind, und der Brückenpartiering durch eine Verbindungsnaht, vorzugsweise eine Schweiss - oder Lötnaht gebildet ist oder, wenn der Innenring und der weitere Teil einteilig ausgebildet sind, durch einen die Einteiligkeit erstellenden Ringsteg, wobei vorzugsweise nach Anspruch 14 vorgesehene Metallstab- Durchführunen im weiteren Teil des Metall-Anschlusses eingebaut sind.
16) Ionisations-Vakuummmesskammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und die Öffnung im weiteren Teil des Metall-Anschlusses axial aufeinander ausgerichtet sind oder in dieser Richtung zueinander versetzt sind.
17) Ionisations-Vakuummmesszelle nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet zumindest die elektrisch isolierte und vakuumdichte Durchführung für die elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder für die eine der Elektroden selber gegen den Ionisationsraum hin durch eine weitere nicht vakuumdichte, elektrisch isolierende
Durchführung vor Kontamination abgeschirmt ist.
18) Ionisations-Vakuummmesszelle nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass von der elektrisch isolierten und vakuumdichten Durchführung in axialer
Richtung gegen den Ionisationsraum hin beabstandet, eine elektrisch leitende Plattenanordnung vorgesehen ist, mit einer zur genannten Durchführung koaxialen Öffnung durch die die elektrische Zuführung zu einer der Elektroden oder die eine der Elektroden selber gegen den Ionisationsraum durchragt, wobei die Öffnung von einem von der der
Durchführung zugewandten Fläche der Plattenanordnung hochragenden Zylinder umfasst ist, der in den Keramik- Zylinder der Durchführung berührungslos einragt oder den Keramik-Zylinder der Durchführung berührungslos aussen überragt . 19) Ionisations-Vakuummesszelle umfassend: a) ein evakuierbares Gehäuse mit einem Messanschluss für das zu messende Vakuum, b) eine erste und eine zweite Elektrode , die im wesentlichen koaxial und beabstandet zueinander angeordnet sind und mit einer gemeinsamen Achse , wodurch zwischen diesen beiden Elektroden eine Messkammer ausgebildet ist, die mit dem Messanschluss kommunizierend angeordnet ist, wobei die erste Elektrode die äussere Elektrode bildet und diese im wesentlichen eine zylindrische Fläche aufweist, und dass die zweite Elektrode stabförmig ausgebildet ist und in der Achse liegt, c) eine elektrisch isolierende vakuumdichte Durchführung, angeordnet an einem Ende des Gehäuse auf der
gegenüberliegenden Seite des Messanschlusses , wobei diese einen um die Achse angeordneten Isolator aufweist und die zweite stabförmige Elektrode durch diesen Isolator dichtend hindurchgeführt ist, d) mindestens einen Permanentmagnetring , der die koaxiale Anordnung der Elektroden umschliesst, mit im wesentlichen radial zur Achse ausgerichteter Magnetisierungsrichtung und mit einem diesen Permanentmagnetring umschliessenden ferromagnetischen Joch , dadurch gekennzeichnet, dass das
Joch in axialer Richtung beidseitig vom Permanentmagnetring weg geführt ist und nach einem vorgegebenen Abstand vom Permanentmagnetring auf beiden Seiten in radialer Richtung zur Achse und der ersten Elektrode hin geführt ist, wobei diese erste Elektrode die aussen liegende Elektrode der koaxialen Anordnung der Elektroden bildet, derart dass das Joch beidseitig und beabstandet vom Permanentmagnetring zwei ringförmige Pole ausbildet über welche mindestens ein Teil der Feldlinien des Permanentmagnetringes sich innerhalb der Messkämmer, die erste Elektrode durchdringend, schliessen, wobei mindestens teilweise ein um die Achse ringförmiges tunnelartiges Magnetfeld über der ersten Elektrode innerhalb der Messkammer ausgebildet ist, und dass in radialer Richtung, gegen die Achse hin
gerichtet, im Bereich von mindestens einem der innen liegenden Pole des Joches scheibenförmige ferromagnetische Leitmittel angeordnet sind, welche als erste und zweite Polscheibe ausgebildet sind und deren Zentrum um die Achse je eine Öffnung aufweisen zur Hindurchführung der zweiten Elektrode und für den Messgasdurchlass , wobei zwischen der Durchführung und der dieser zugewandten zweiten Polscheibe im radialen Bereich des Isolators und koaxial zur Achse eine Abschirmvorrichtung angeordnet ist zum Schutz des Isolators vor Kontamination durch abgestäubte Teilchen aus der Messkammer , welche einen Ionisationsraum bildet und dass der Isolator einen Keramik-Zylinder mit der zweiten Elektrode zugewandter Innenfläche umfasst sowie einen auf diese und die zweite Elektrode Aufgeschmolzenen Glasring. Kombination Aspekt 2 mit Aspekt 1
18) Ionisations-Vakuummesszelle nach einem der Ansprüche 10 bis 17, weitergebildet nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9.
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