CH673062A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Penning- Vakuummeter mit Kaltkatode und Magnetfeld, das mit einem aus Stahl verfertigten zylindrischen Katodenkörper (1), einer daran angeschweisste, mit Bohrung (11) versehenen Weicheisenscheibe (2), aus einer in einer Glasperle (3) eingelöteten anodentragenden Weicheisenpatrone (4), einem in die Patrone (4) eingespannten Wolfram-Anodenstab (5), einem mit gaseinführenden Bohrungen (14) versehenen Weicheisenstöpsel (6), einem unteren bzw. oberen Weicheisentragring (7, 8) und einem zylindrischen Dauermagneten (9) — die einen Entladungsraum (10) umschliessen — ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladungsraum (10) der Wert der magnetischen Induktion 0,05 bis 0,08 T beträgt, während der Abstand t zwischen einer dem Entladungsraum (10) zugewandten Endplatte (12) der anodentragenden Patrone (4), die in der Bohrung (11) der Weicheisenscheibe (2) liegt, und einem Rand (13) des Entladungsraums (10) der durch die Formel t a a(0,5+0,03 b) PATENT CLAIM Penning vacuum meter with cold cathode and magnetic field, which with a cylindrical cathode body (1) made of steel, a welded-on soft-iron disk (2) provided with a bore (11), from an anode-carrying soft-iron cartridge (4) soldered into a glass bead (3) , a tungsten anode rod (5) clamped in the cartridge (4), a soft iron plug (6) provided with gas-introducing bores (14), a lower or upper soft iron support ring (7, 8) and a cylindrical permanent magnet (9) - some Enclose discharge space (10) - is formed, characterized in that in the discharge space (10) the value of the magnetic induction is 0.05 to 0.08 T, while the distance t between an end plate (12) facing the discharge space (10) anode-carrying cartridge (4), which lies in the bore (11) of the soft iron disc (2), and an edge (13) of the discharge space (10) which is represented by the formula taa (0.5 + 0.03 b)

ausgedrückter Bedingung entspricht, wobei a den Durchmesser der Bohrung (11) und b den Durchmesser der anodentragenden Patrone (4) bezeichnen. expressed condition, where a denotes the diameter of the bore (11) and b the diameter of the anode-carrying cartridge (4).

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft ein Penning-Vakuummeter, d.h. ein Ionisationsvakuummeter mit Kaltkatode und Magnetfeld nach dem Oberbegriff des Anspruches. The invention relates to a Penning vacuum meter, i.e. an ionization vacuum gauge with cold cathode and magnetic field according to the preamble of the claim.

Es ist üblich, im Hochvakuum-Wertbereich, zwischen den Druckgrenzen von IO-5 Pa bis 1 Pa Ionisationsvakuummeter mit Kaltkatode und Magnetfeld, d.h. ein Penning-Vakuumme-ter zur Druckmessung zu verwenden. Eine ausführliche Beschreibung derartiger Vakuummeter ist im Buche von J.H. Leck: Pressure measurement in Vacuum Systems (S. 113) zu finden. It is common, in the high vacuum range, between the pressure limits of IO-5 Pa to 1 Pa ionization vacuum meter with cold cathode and magnetic field, i.e. use a Penning vacuum meter to measure pressure. A detailed description of such vacuum gauges can be found in the book by J.H. Leak: Pressure measurement in Vacuum Systems (p. 113).

Es ist ferner bekannt, dass im erwähnten Druckbereich, in der erzeugten Gasentladung der durchmessende Strom von der angelegten Spannung, der Gaszusammensetzung und dem Druck abhängt. Wenn nun der Entladungsraum in ein Magnetfeld gesetzt wird, sind die Elektronen durch die Magnetfeldwirkung gezwungen, in der Gasentladung von der Katode zu der Anode sich bewegend einer spiralförmigen (zykloidischen) Bahn zu folgen. Demzufolge kommen auch bei einer recht niedrigen Gasdichte (hohem Vakuum) ionisierende Anstösse in bei einer Vakuummessung erforderlicher genügend hoher Anzahl zustande. Im wesentlichen bildet dieser Prozess den Grund der Arbeit des Penning-Vakuummeters, das rohrförmig ausgebildet ist. Wenn nun im Rohr das Magnetfeld und die Gaszusammensetzung auf einem konstanten Wert behalten werden, stellt die Stärke des entstandenen Entladungsstroms das Mass des Drucks (des Vakuums) dar. Den Entladungsstrom auf einen Mikroampermesser leitend, ist nach entsprechender Kalibrierung der Druckwert (das Vakuum) unmittelbar an dem Amperemeter ablesbar. It is also known that in the pressure range mentioned, in the gas discharge generated, the diameter current depends on the applied voltage, the gas composition and the pressure. If the discharge space is now placed in a magnetic field, the electrons are forced by the magnetic field effect to follow a spiral (cycloidal) path in the gas discharge from the cathode to the anode. As a result, even with a very low gas density (high vacuum), ionizing impacts occur in a sufficiently large number required for a vacuum measurement. This process essentially forms the basis of the work of the Penning vacuum meter, which is tubular. If the magnetic field and the gas composition in the tube are now kept at a constant value, the strength of the discharge current produced represents the measure of the pressure (the vacuum). Conducting the discharge current to a microamp knife, the pressure value (the vacuum) is immediate after appropriate calibration readable on the ammeter.

Inzwischen wurde das ursprünglich ein zwischen Magnetbacken eingesetzte Glasrohr enthaltendes Vakuummeter weiterentwickelt, und das zeitgemässe Penning-Vakuummeter besteht praktisch ausschliesslich aus Metallelementen. Solche Vakuummeter sind z.B. im Katalog der Firma Balzers AG (Liechtenstein) beschrieben. Diese robusten und betriebssicheren Messgeräte werden überwiegend aus Metall hergestellt, Messzelle und Anschlussflansch sind aus rostfreiem Stahl verfertigt. Das Magnetfeld wird von einem die Messzelle umschliesseiiden Dauermagneten erzeugt, das Messrohr wird mit Gleichspannung von einigen kV gespeist. In the meantime, the vacuum meter originally containing a glass tube inserted between magnetic jaws has been further developed, and the contemporary Penning vacuum meter consists almost entirely of metal elements. Such vacuum gauges are e.g. described in the catalog of the company Balzers AG (Liechtenstein). These robust and reliable measuring devices are mainly made of metal, the measuring cell and connection flange are made of stainless steel. The magnetic field is generated by a permanent magnet enclosing the measuring cell, the measuring tube is supplied with DC voltage of a few kV.

Gegenüber den Ionisationsvakuummetern mit geheizter Katode weisen diese Messgeräte zahlreiche Vorteile auf. Es wird schnell gemessen, die Bedienung ist einfach, Empfindlichkeit ist hoch, Überlastungen, ja sogar Lufteinbrüche werden gut ver-5 tragen. These measuring devices have numerous advantages over ionization vacuum meters with a heated cathode. It is measured quickly, operation is simple, sensitivity is high, overloads, even air ingress, are well tolerated.

Neben allen vorteilhaften Eigenschaften weist jedoch das bekannte Messgerät den Nachteil auf, dass die Anzeige nicht immer eindeutig ist, da die Druck-Strom-Charakteristik nicht immer monoton verläuft, es kommen Sprünge, Hysteresen vor. io Aus diesem Grunde ist das Anwendungsgebiet beschränkt, durch diese Nachteile ist die Verwendung in automatischer Steuerung ebenfalls begrenzt. In addition to all the advantageous properties, the known measuring device has the disadvantage that the display is not always unambiguous, since the pressure-current characteristic is not always monotonous, jumps, hysteresis occur. For this reason, the field of application is limited, the use in automatic control is also limited by these disadvantages.

Erfindungsgemäss wurde als Ziel gesetzt eine Lösung zur Behebung der erwähnten Unzulänglichkeiten zu finden. Im i5 Laufe der Forschungstätigkeit wurde erkannt, dass eine monotone Charakteristik erhaltbar ist und die Hysteresen beseitigt werden können, wenn im Rohr des Messgeräts gewisse strukturelle Änderungen vorgenommen werden. According to the invention, the aim was to find a solution to remedy the shortcomings mentioned. In the course of the research activity, it was recognized that a monotonous characteristic can be obtained and the hysteresis can be eliminated if certain structural changes are made in the tube of the measuring device.

Es wurde erkannt, dass die Lage der anodeneinführenden 20 Patrone und der Wert der in dem Entladungsraum bestehenden magnetischen Induktion eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung der Nachteile spielen. It has been recognized that the location of the anode-inserting cartridge and the value of the magnetic induction existing in the discharge space play a crucial role in eliminating the disadvantages.

Eine weitere Erkenntnis besteht darin, dass der Abstand zwischen dem Ende der anodentragenden Weicheisenpatrone 25 und dem Rand des Entladungsraums eine äusserst wichtige Rolle spielt. Wenn das Ende der Patrone in den Entladungsraum hineinreicht, können in der Charakteristik Sprünge und Hysterese beobachtet werden, wobei die Empfindlichkeit des Messrohrs den Sollwert unterschreitet. Im wesentlichen ist man mit 30 derselben Situation konfrontiert, wenn zwar das Patronenende in der Bohrung liegt, aber die Lage eine minimale Tiefe nicht erreicht. Die genaue Erkenntnis dieser Lage bildet die eine Charakteristik der erfindungsgemässen Lösung. Another finding is that the distance between the end of the anode-carrying soft iron cartridge 25 and the edge of the discharge space plays an extremely important role. If the end of the cartridge reaches into the discharge space, jumps and hysteresis can be observed in the characteristic, the sensitivity of the measuring tube falling below the setpoint. Essentially, one is faced with the same situation when the cartridge end is in the bore but the location does not reach a minimum depth. The precise knowledge of this situation forms the one characteristic of the solution according to the invention.

Es hat sich ferner gezeigt, dass auch die magnetische Induk-35 tion einen optimalen Wertbereich besitzt, unter welchem die Empfindlichkeit des Messrohrs den erforderlichen Wert unterschreitet, wenn hingegen der betreffende Wertbereich übertroffen wird, wird die Empfindlichkeit befriedigend sein, aber Sprünge und Hysterese treten in der Charakteristik auf. 40 Erfindungsgemäss wird ein Penning-Vakuummeter, d.h. ein Vakuummeter mit Kaltkatode und Magnetfeld vorgeschlagen, welches die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale aufweist. It has also been shown that magnetic induction also has an optimal value range, below which the sensitivity of the measuring tube falls below the required value, but if the relevant value range is exceeded, the sensitivity will be satisfactory, but jumps and hysteresis occur of the characteristic. 40 According to the invention, a Penning vacuum meter, i.e. proposed a vacuum gauge with cold cathode and magnetic field, which has the features listed in the claim.

Die Erfindung wird anhand eines vorteilhaften Ausfüh-45 rungsbeispiels, mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen: The invention is explained in more detail using an advantageous embodiment, with the aid of the accompanying drawings; show it:

Fig. 1 den schematischen Längsschnitt des erfindungsgemässen Penning-Vakuummeters, 1 shows the schematic longitudinal section of the Penning vacuum meter according to the invention,

Fig. 2 einen ausgebrochenen Teil I des Messrohrs des Vaku-50 ummeters im vergrösserter Darstellung, 2 shows a broken-out part I of the measuring tube of the vacuum 50 um in an enlarged view,

Fig. 3 die Beziehung zwischen der Charakteristik und der Position der Patrone, 3 shows the relationship between the characteristic and the position of the cartridge,

Fig.4 die Beziehung zwischen der Charakteristik und der magnetischen Induktion. 4 shows the relationship between the characteristic and the magnetic induction.

55 Figur 1 veranschaulicht den Aufbau des erfindungsgemässen Penning-Vakuummeters. Das Messgerät ist aus einem zylindrischen, aus Stahl verfertigten Katodenkörper 1, einer ange-schweissten Weicheisenscheibe 2, einer in eine Glasperle 3 eingelöteten anodentragenden Weicheisenpatrone 4, einem Wolf-60 ram-Anodenstab 5, einem Weicheisenstöpsel 6 und sich darin befindenden gaseinführenden Bohrungen 14, einem unteren bzw. oberen Weicheisenhaltering 7 bzw. 8, des weiteren einem zylindrischen Dauermagneten 9 aufgebaut. Diese Elemente schliessen einen Entladungsraum 10 um. 55 Figure 1 illustrates the structure of the Penning vacuum meter according to the invention. The measuring device consists of a cylindrical, made of steel cathode body 1, a welded-on soft iron disc 2, an anode-carrying soft iron cartridge 4 soldered into a glass bead 3, a Wolf 60 ram anode rod 5, a soft iron stopper 6 and gas-introducing bores 14 located therein, a lower or upper soft iron holding ring 7 or 8, furthermore a cylindrical permanent magnet 9. These elements enclose a discharge space 10.

65 In Figur 2 ist jener Teil I des erfindungsgemässen Penning-Vakuummeters nach Figur 1 in ausgebrochener Darstellung zu sehen, der das Wesen vorliegender Erfindung veranschaulicht. Es wurde nämlich erkannt, dass die eine Voraussetzung der 65 FIG. 2 shows part I of the Penning vacuum meter according to the invention according to FIG. 1 in a broken-out representation, which illustrates the essence of the present invention. It was recognized that the one requirement of

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vollkommenen hochempfindlichen Funktion des Vakuummessrohrs mit einer Charakteristik ohne Sprung und Hysterese darin besteht, dass die anodentragende Weicheisenpatrone 4 in der Bohrung 11 der Weicheisenscheibe einen bestimmten Platz einnehme und sich in der entsprechenden Position befinde. Dies wird erreicht, wenn zwischen der dem Entladungsraum 10 zugewandten Endplatte 12 der Patrone 4 und einem Rand 13 des Entladungsraums 10 ein optimaler Abstand vorhanden ist, dessen Wert nach der Beziehung t s a(0,5 + 0,03 b) perfect highly sensitive function of the vacuum measuring tube with a characteristic without crack and hysteresis is that the anode-carrying soft iron cartridge 4 occupy a certain place in the bore 11 of the soft iron disk and is in the corresponding position. This is achieved if there is an optimal distance between the end plate 12 of the cartridge 4 facing the discharge space 10 and an edge 13 of the discharge space 10, the value of which according to the relationship t s a (0.5 + 0.03 b)

bestimmt werden kann. Dabei ist mit a der Durchmesser der ■ Bohrung 11 und mit b der Durchmesser der anodentragenden Weicheisenpatrone 4 bezeichnet. can be determined. A denotes the diameter of the bore 11 and b the diameter of the anode-carrying soft iron cartridge 4.

Figur 3 stellt die Beziehung zwischen der Charakteristik und der Position der Patrone für den Fall dar, in dem die Induktion im Bereich zwischen 0,05 und 0,08 T (tesla) liegt. Auf der Abszissenachse ist der tatsächliche Druck aufgetragen, die Ordina-ten entsprechen den an dem Messrohr angezeigten Druckwerten. Linie d veranschaulicht den idealen Fall, die Kurve a den Figure 3 shows the relationship between the characteristic and the position of the cartridge in the case where the induction is in the range between 0.05 and 0.08 T (tesla). The actual pressure is plotted on the abscissa axis, the ordinates correspond to the pressure values displayed on the measuring tube. Line d illustrates the ideal case, curve a the

Fall, in dem t = 0, und die Kurve b den Fall, in dem der Wert t durch die Ungleichung 0<t<a(0,5 + 0,03 b) bestimmt wird, zuletzt veranschaulicht die Kurve c den Fall, in dem der Wert t dem in dem Patentanspruch definierten Bereich entspricht, d.h. s t è a(0,5 + 0,03 b). Case in which t = 0, and curve b the case in which the value t is determined by the inequality 0 <t <a (0.5 + 0.03 b), lastly curve c illustrates the case in which the value t corresponds to the range defined in the claim, ie s t è a (0.5 + 0.03 b).

Figur 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Charakteristik und der magnetischen Induktion für den Fall, in dem der Wert t dem Patentanspruch entspricht. Die Koordinaten sind mit denen der Figur 3 übereinstimmen. Ähnlich wie in der io Figur 3, gibt die Gerade d die ideale Charakteristik an; die Kurve a weist auf eine den Wert 0,05 T unterschreitende Induktion, die Kurve b eine den Wert 0,08 T überschreitende Induktion hin, während die Kurve c den Fall für die erfindungsgemässe Induktion anzeigt. Figure 4 illustrates the relationship between the characteristic and the magnetic induction for the case where the value t corresponds to the claim. The coordinates correspond to those in FIG. 3. Similar to io Figure 3, the line d indicates the ideal characteristic; curve a indicates an induction below the value 0.05 T, curve b indicates an induction exceeding the value 0.08 T, while curve c indicates the case for the induction according to the invention.

15 Aus den Figuren 3 und 4 geht es eindeutig hervor, dass die Anzeige des erfindungsgemässen Vakuummessrohrs eindeutig ist, die Druck-Stromcharakteristik monoton verläuft, Sprünge-Hysteresen kommen nicht vor und die Empfindlichkeit befriedigend ist. Die erfindungsgemässe Lösung kann in automatischen 20 Steuerungen mit höchster Zuverlässigkeit verwendet werden. It is clear from FIGS. 3 and 4 that the display of the vacuum measuring tube according to the invention is clear, the pressure-current characteristic is monotonous, there are no jump hysteresis and the sensitivity is satisfactory. The solution according to the invention can be used in automatic controls with the highest reliability.

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3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings