DE1265338B - Gas discharge device with Penning discharge for generating and measuring high vacuum - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

HOIjHOIj

Deutsche Kl.: 27 d-5/02 German class: 27 d- 5/02

Nummer: 1 265 338Number: 1 265 338

Aktenzeichen: G 40302 VIII c/27 dFile number: G 40302 VIII c / 27 d

Anmeldetag: 8. April 1964 Filing date: April 8, 1964

Auslegetag: 4. April 1968Open date: April 4, 1968

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungseinrichtung mit Penning-Entladung zur Erzeugung und Messung eines Hochvakuums, bestehend aus einem an eine Vakuumanlage anschließbaren, evakuierbaren Kolben, in dem eine mit einer Öffnung versehene Anode angeordnet ist, deren Öffnung an beiden Seiten durch etwa parallel verlaufende Kaltkathoden, die den Entladungsraum begrenzen, abgedeckt ist, ferner aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen senkrecht zu den Kathodenebenen verlaufenden Magnetfeldes in dem Entladungsraum und aus einer im Kolben eingebauten Glühkathode als Zündhilfsmittel.The invention relates to a gas discharge device with Penning discharge for generating and Measurement of a high vacuum, consisting of a vacuum system that can be connected and evacuated Piston in which an anode provided with an opening is arranged, the opening of which on both Sides are covered by roughly parallel cold cathodes that delimit the discharge space, furthermore from a device for generating a substantially perpendicular to the cathode planes Magnetic field in the discharge space and from a hot cathode built into the bulb as Ignition aid.

Wenn das zu messende Vakuum weniger als 10~⁷ Torr beträgt, treten bei bekannten Gasentladungseinrichtungen zur Messung von Hochvakuum (Ionisationsmanometern) Schwierigkeiten auf. In diesem Druckbereich sind bereits so wenig Ladungsträger vorhanden, daß es Tage dauern kann, bis durch ein statistisches Ereignis die Entladung gezündet wird. Aus diesem Grund ist es üblich, die bekannten Ionisationsmanometer schon vor Erreichen eines Drucks von 10~⁷ Torr anzuschalten und angeschaltet zu lassen, bis das gewünschte bessere Vakuum erzielt ist. Es ist aber bei derartigen Drücken schwierig, das Manometer wieder in Betrieb zu nehmen, falls es aus irgendeinem Grund einmal ausgeschaltet worden ist. Außerdem wurde festgestellt, daß die Kaltkathoden durch Beschüß mit positiven Ionen erodiert werden. Da dieser Effekt dem Druck proportional ist, verringert ein vorzeitiges Anschalten der Ionisationsmanometer die Lebensdauer der Kaltkathoden. If the vacuum to be measured is less than 10 ~ ⁷ Torr, difficulties arise with known gas discharge devices for measuring high vacuum (ionization manometers). In this pressure range there are already so few charge carriers that it can take days until the discharge is ignited by a statistical event. For this reason it is customary to switch on the known ionization manometers before a pressure of 10 ~ ⁷ Torr has been reached and to leave them switched on until the desired better vacuum is achieved. At such pressures, however, it is difficult to put the pressure gauge back into operation if it has been switched off for any reason. It was also found that the cold cathodes are eroded by bombardment with positive ions. Since this effect is proportional to the pressure, switching on the ionization manometer prematurely reduces the service life of the cold cathodes.

Wenn als Kaltkathodenmaterial keine inerten, sondern gut zerstäubende aktive Metalle verwendet werden, gelangt zerstäubtes Metall in den Entladungsraum, und die Gasentladungseinrichtung kann zur Erzeugung von Vakuum, also als Ionenpumpe betrieben werden. Bei sehr kleinen Drücken ist es jedoch schwierig, die zum Pumpen notwendige Penning-Entladung aufrechtzuerhalten. Es wurde daher bereits versucht, durch Glühkathoden eine Verbesserung zu erzielen. Derartige im Entladungsraum angeordnete Glühkathoden werden aber, unabhängig davon, ob sie nur zum Zünden verwendet werden (vgl. deutsche Auslegeschrift 1089 112) oder dauernd in Betrieb sind, schnell durch den Beschüß mit positiven Ionen zerstört.If the cold cathode material used is not inert, but rather well atomizing active metals, sputtered metal gets into the discharge space and the gas discharge device can to Generation of vacuum, i.e. operated as an ion pump. At very small pressures it is however difficult to maintain the Penning discharge necessary for pumping. It was therefore already tried to achieve an improvement by using hot cathodes. Such arranged in the discharge space However, hot cathodes are used regardless of whether they are only used for ignition (see German Auslegeschrift 1089 112) or permanently are in operation, quickly destroyed by bombardment with positive ions.

Auf Grund dieser und anderer Schwierigkeiten waren bis jetzt keine Ionisationsmanometer verfügbar, mit denen ein Gasdruck von weniger als etwa ΙΟ-" T_orr genau gemessen werden konnte. Für Gasentladungseinrichtung mit
Penning-Entladung zur Erzeugung und Messung von HochvakuumBecause of these and other difficulties, no ionization manometers with which a gas pressure of less than about 3/4 "T _orr could be measured precisely. For gas discharge device with
Penning discharge for generating and measuring high vacuum

Anmelder:Applicant:

General Electric Company,General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Phys. F. Endlich, Patentanwalt,Dipl.-Phys. F. Finally, patent attorney,

8034 Unterpfaffenhofen, Blumenstr. 58034 Unterpfaffenhofen, Blumenstr. 5

Als Erfinder benannt:
James Roger Young,
Rexford, N.Y. (V.St.A.)Named as inventor:
James Roger Young,
Rexford, NY (V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 15. April 1963 (272 984)V. St. v. America April 15, 1963 (272 984)

einen derartigen Druckbereich einsetzbare bekannte Manometer sind verhältnismäßig kompliziert, unter anderem benötigen sie eine Einrichtung zur Elektronenfokussierung. Known pressure gauges which can be used in such a pressure range are relatively complicated, under on the other hand, they need a device for electron focusing.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten eine Gasentladungseinrichtung zur Messung und Erzeugung von Vakuum von etwa 1O^-14 Torr und weniger anzugeben.It is therefore the object of the invention, while avoiding the disadvantages and difficulties mentioned, ^{to specify a gas discharge device for measuring and generating a vacuum of approximately 10 -14} Torr and less.

Eine Gasentladungseinrichtung der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kaltkathode eine im Vergleich zu ihrer Fläche kleine Öffnung außerhalb ihrer Mitte hat und daß die Glühkathode außerhalb des Entladungsraums hinter der Kaltkathode in der Nähe dieser Öffnung angeordnet ist und zur Einleitung der Zündung der Penning-Entladung bei sehr kleinen Drücken eine Elektronenwolke durch die Öffnung in den Entladungsraum schickt.A gas discharge device of the type mentioned is characterized according to the invention, that one cold cathode has an opening outside of it which is small compared to its area Center and that the hot cathode outside the discharge space behind the cold cathode is close this opening is arranged and to initiate the ignition of the Penning discharge at very small Pushing a cloud of electrons through the opening sends it into the discharge space.

Im Unterschied zu bekannten Manometern kann die Einrichtung gemäß der Erfindung jederzeit in Betrieb genommen werden. Durch das Einschalten der Einrichtung erst bei sehr kleinen Drücken wird die Lebensdauer der Kaltkathoden beträchtlich erhöht. Die Anordnung der Glühkathode außerhalb der Kaltkathodenmitte und hinter der sehr kleinen Öffnung verhindert eine zu starke Erosion der Glühkathode durch einen Beschüß mit positiven Ionen, daIn contrast to known manometers, the device according to the invention can at any time in Be put into operation. By switching on the device only at very small pressures the service life of the cold cathodes is considerably increased. The arrangement of the hot cathode outside the The center of the cold cathode and behind the very small opening prevents excessive erosion of the hot cathode by bombarding it with positive ions, there

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die Erosion in der Mitte am stärksten ist. Dadurch Polstücken 15 und 16 und einer Flußdichte von 750 wird die Lebensdauer der Glühkathode ebenfalls be- bis 2000 Gauß Verwendung finden,
trächtlich erhöht. Das ist besonders wichtig, wenn F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel derthe erosion is greatest in the center. As a result, pole pieces 15 and 16 and a flux density of 750, the service life of the hot cathode will also be used up to 2000 Gauss,
considerably increased. This is especially important when Fig. 2 shows another embodiment of FIG

die Einrichtung gemäß der Erfindung als Pumpe Gasentladungseinrichtung gemäß der Erfindung. Wie dient. 5 in Fig. 1 sind eine hohlzylindrische Anode 2 undthe device according to the invention as a pump gas discharge device according to the invention. As serves. 5 in Fig. 1 are a hollow cylindrical anode 2 and

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann zwei scheibenförmige Kaltkathoden 3 und 4 vorgedie Einrichtung zur Messung des Hochvakuums so sehen, welche einen Gasentladungsraum begrenzen, ausgebildet sein, daß die andere Kaltkathode einen Die Kaltkathode 3 weist eine außermittige öffnung 6 für Ionen durchlässigen, gitterartigen Mittelteil hat auf, hinter welcher die Glühkathode 7 vorgesehen ist. und daß koaxial dahinter eine Elektrode zur Fokus- io Die Öffnung 6 ist sehr klein, aber groß genug, um sierung und Beschleunigung der durch diesen Mittel- eine Elektronenwolke in den Entladungsraum 5 hinteil der Kaltkathode austretenden positiven Ionen so- durchtreten zu lassen. Da die öffnung 6 jedoch verwie ein Elektronen-Vervielfacher, in dem der durch hältnismäßig klein ist, wird die Glühkathode 7 keidiese auftreffenden positiven Ionen ausgelöste Elek- nem wesentlichen Beschüß durch positive Ionen austronenstrom vervielfacht wird, vorgesehen ist. Mit 15 gesetzt. Bei einer Kaltkathode von 1,25 cm Durcheiner derartigen Einrichtung können Drücke bis zu messer wurden Öffnungen mit einer Größe zwischen 0,5 IO-21 x_orr gemessen werden. und 1,5 mm als zufriedenstellend festgelegt, um eineIn an advantageous further development of the invention, two disk-shaped cold cathodes 3 and 4 can be designed in front of the device for measuring the high vacuum, which delimit a gas discharge space, so that the other cold cathode has a grid-like central part permeable to ions , behind which the hot cathode 7 is provided. The opening 6 is very small, but large enough to allow the positive ions exiting through this central electron cloud into the discharge space 5 towards the cold cathode to pass through. Since the opening 6, however, uses an electron multiplier in which the electron multiplier is relatively small, the hot cathode 7 is provided so that these incident positive ions are triggered by a substantial bombardment by positive ions. Set at 15. With a cold cathode 1.25 cm through such a device, pressures of up to three inches or openings with a size between 0.5 IO-21 x _orr can be measured. and 1.5mm set as satisfactory to one

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher geeignete Arbeitsweise und eine lange Lebensdauer erläutert werden. Es zeigt zu gewährleisten. Die Glühkathode 7 ist in diesemWith reference to the drawing, the invention is intended to provide a more suitable mode of operation and a long service life explained. It shows to ensure. The hot cathode 7 is in this

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Aus- 20 Fall zwischen zwei Anschlüsse 17 und 18 geschaltet führungsbeispiels der Gasentladungseinrichtung ge- und nicht am einen Ende mit einer der KaItmäß der Erfindung sowie die zugeordnete Schaltung, kathoden 3 verbunden. Dadurch ergeben sich mehrF i g. 1 shows a schematic representation of a case connected between two connections 17 and 18 management example of the gas discharge device and not at one end with one of the KaItäß of the invention and the associated circuit, cathodes 3 connected. This results in more

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines anderen Möglichkeiten für die Energiezufuhr zu der Glüh-Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei einige kathode sowie der Anode und den Kaltkathoden der Teile weggebrochen sind, und 25 Gasentladungseinrichtung. Die Glühkathode 7 be-F i g. Figure 2 is a perspective view of another way of supplying power to the glow embodiment of the invention, some cathode as well as the anode and the cold cathode of the parts are broken away, and 25 gas discharge device. The hot cathode 7 loads

F i g. 3 einen Längsschnitt durch ein weiteres Aus- steht zweckmäßigerweise aus einem Wolframdraht führungsbeispiel der Erfindung. mit einem Durchmesser von etwa 0,08 mm, der auchF i g. 3 shows a longitudinal section through a further protrusion expediently made of a tungsten wire exemplary embodiment of the invention. with a diameter of about 0.08 mm, which is also

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungseinrich- ™ einer losen Wendel gewickelt sein kann. Wahltungl hat eine hohlzylindrische Anode 2 und zwei weise kann mit Thorium überzogener Iridiumdraht Kaltkathoden 3 und 4, welche die offenen Enden der 3o Verwendung finden. Die Glühkathode wird auf eine Anode 2 abdecken. Die Anode 2 und die Kalt- Betriebstemperatur zwischen etwa 1000 und 3000° C kathoden 3 und 4 begrenzen einen Entladungsraum 5, gebracht und ist dann eine sehr gute Elektronenquelle, in dem eine Ionisation von Gasmolekülen stattfindet. ^{Ein fü}r die Aufrechterhaltung einer Penning-Ent-Die Ionisation wird durch eine Penning-Entladung ladung in dem Entladungsraum 6 ausreichendes Mabewirkt. Darunter ist eine Entladung durch oszillie- 35 gnetfeld wird zwischen den Polstücken 15 und 16 rende Elektronen zu verstehen, wobei ein Elektron erzeugt, die entlang einer Linie senkrecht zu den von der einen Kaltkathode reflektiert, durch das posi- Kaltkathoden 3 und 4 gegenüberliegend angeordnet tive Potential der Anode angezogen und zu der an- ^smd-The Gasentladungseinrich- ™ shown in Fig. 1 can be wound a loose coil. Wahltungl has a hollow cylindrical anode 2 and two, thorium-coated iridium wire, cold cathodes 3 and 4, which use the open ends of the 3o. The hot cathode will cover an anode 2. The anode 2 and the cold operating temperature between about 1000 and 3000 ° C cathodes 3 and 4 limit a discharge space 5, brought and is then a very good electron source in which an ionization of gas molecules takes place. ^A sufficient level for maintaining a Penning-Ent-Die ionization is effected by a Penning-discharge charge in the discharge space 6. This is to be understood as a discharge through an oscillating magnetic field between the pole pieces 15 and 16 generating electrons, an electron being generated which is reflected along a line perpendicular to the cold cathode by the positive cold cathodes 3 and 4 arranged opposite one another Potential of the anode attracted and to the an- ^sm d-

deren Kaltkathode beschleunigt wird, bis es durch Es wurde als zweckmäßig festgestellt, quer ver-whose cold cathode is accelerated until it has been found to be expedient to cross

deren negatives Potential reflektiert wird, so daß es 40 laufende Öffnungen 19 in der Anode 2 vorzusehen, zwischen den beiden Kaltkathoden millionenfach hin- um den Abstand zwischen den Gasmolekülen und und herläuft, bevor es schließlich in seitlicher Rieh- dem Entladungsraum 5 zu verkürzen. Die Öffnungen tung zu der Anode gelangt. Ein in Längsrichtung 19 können an sich beliebig ausgebildet sein, beispielsparallel zu der Anodenachse verlaufendes Magnet- weise auch maschenförmig sein. Es ist jedoch erforfeld dient dazu, die Elektronen entlang wendelför- 45 derlich, daß die öffnungen 19 so ausgebildet sind, miger Bahnen zu führen. daß kein in den Entladungsraum von den Kaltkatho-whose negative potential is reflected, so that there are 40 continuous openings 19 in the anode 2, between the two cold cathodes by a million times the distance between the gas molecules and and runs before it finally shortens the discharge space 5 in the lateral direction. The openings tion reaches the anode. A in the longitudinal direction 19 can be designed as desired, for example parallel The magnet that runs to the anode axis can also be mesh-shaped. However, it is researched serves to convey the electrons along helically 45 so that the openings 19 are formed in such a way that to lead miger tracks. that none of the cold catheters enter the discharge space

Um die Gasentladungseinrichtung bei einem sehr den 3 und 4 zerstäubtes Material auf die Zuleitungen niedrigen Druck von beispielsweise weniger als der Elektroden oder auf die isolierende Kolbenwand 10~⁸ Torr betriebsbereit zu machen, ist ein Zünd- gelangen, wodurch Kurzschlüsse der Elektroden aufhilfsmittel zur Erzeugung einer Elektronenwolke 50 treten könnten. In dem Ausführungsbeispiel gemäß vorgesehen, das eine Glühkathode in Form eines F i g. 2 sind drei Öffnungen mit etwa 3 mm Durchglühelektrischen Heizdrahts unmittelbar hinter einer messer vorgesehen, die alle in dem oberen Bogen der außermittigen Öffnung 6 in der Kaltkathode 3 auf- zylindrischen Anode 2 vorgesehen sind. Die Gasweist. Zweckmäßigerweise wird die Glühkathode 7 entladungseinrichtung ist mit Ausnahme des Magnets durch einen Transformator 8 mit einer Primärwick- 55 in einen evakuierbaren Kolben eingeschlossen, der lung 9 und einer Sekundärwicklung 10 versorgt, wo- vorzugsweise einen zentralen Bereich 21 aufweist, in durch an der Glühkathode? eine Wechselspannung dem der Kolben20, der aus einem nichtleitenden, angelegt wird, wenn der Schalter 11 geschlossen wird, nichtmagnetischen, glasartigen und hitzebeständigen welcher den Leiter 12 über die Glühkathode 7 und Material wie Hartglas oder Quarz bestehen sollte, mit die Kaltkathode 3 über die Sekundärwicklung 10 des 60 zwei ebenen Oberflächen versehen ist, die praktisch Transformators 8 verbindet. Wahlweise kann die parallel zu der Ebene der Kaltkathode verlaufen, um Glühkathode 7 durch das Schließen des Schalters 11 eine möglichst nahe Anordnung der Polstücke des mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden. Magnets zu ermöglichen.In order to make the gas discharge device ready for operation in the case of a very atomized material on the supply lines of low pressure of, for example, less than the electrodes or on the insulating bulb wall 10 ~ ⁸ Torr, an ignition has been achieved, whereby short circuits of the electrodes are used to generate a Electron cloud 50 could occur. In the embodiment according to the provision that a hot cathode in the form of a FIG. 2, three openings with about 3 mm through-glow electrical heating wire are provided immediately behind a knife, all of which are provided in the upper arch of the eccentric opening 6 in the cylindrical anode 2 on the cold cathode 3. The gas wise. Expediently, the hot cathode 7 discharge device is enclosed with the exception of the magnet by a transformer 8 with a primary winding 55 in an evacuable piston that supplies the development 9 and a secondary winding 10, preferably having a central area 21, in through on the hot cathode? an alternating voltage to which the piston 20, which is applied from a non-conductive, when the switch 11 is closed, non-magnetic, glass-like and heat-resistant which should consist of the conductor 12 via the hot cathode 7 and material such as hard glass or quartz, with the cold cathode 3 via the secondary winding 10 of 60 is provided with two flat surfaces that practically connects transformer 8. Optionally, the parallel to the plane of the cold cathode can be connected to the hot cathode 7 by closing the switch 11 as close as possible to the arrangement of the pole pieces of the with a DC voltage source. Magnets to enable.

Die anderen Arbeitspotentiale für die Gasentladungs- Die Betriebsspannungen werden der Gasenteinrichtung gemäß Fig. 1 werden durch eine Batterie 65 ladungseinrichtung über Leitungen zugeführt, die 13 über ein Amperemeter 14 geliefert. Zur Ausbil- beispielsweise durch einen Quetschfuß 22 zu Andung einer Penning-Entladung in dem Entladungs- schlußstiften 23 bis 26 verlaufen, um der Anode bzw. raum 5 kann beispielsweise ein Permanentmagnet mit den Kaltkathoden Hochspannung und den Anschlüs-The other working potentials for the gas discharge The operating voltages are the gas discharge 1 are supplied by a battery 65 charging device via lines that 13 supplied via an ammeter 14. For training, for example, by means of a pinch foot 22 to Andung a Penning discharge in the discharge terminal pins 23 to 26 run to the anode or room 5, for example, a permanent magnet with the cold cathode high voltage and the connection

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sen 17 und 18 für die Glühkathode die Heizspannung kann, indem eine Penning-Entladung in der Einrich-sen 17 and 18 for the hot cathode, the heating voltage can be generated by a Penning discharge in the device.

zuzuführen. tung mit gegebenen Abmessungen erzeugt wird.to feed. device with given dimensions is generated.

Der die Einrichtung umgebende Kolben 20 ist Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß bei der-The piston 20 surrounding the device is Practical experience has shown that with this-

ferner mit einem Anschlußrohr 27 versehen, um die artigen Einrichtungen mit einem Durchmesser deralso provided with a connecting pipe 27 to the like facilities with a diameter of the

Einrichtung mit einem Raum verbinden zu können, 5 Kaltkathode von 1,25 cm eine Entfernung von derTo be able to connect the facility to a room, 5 cold cathode of 1.25 cm a distance from the

dessen Druck gemessen werden soll. Mitte von 3 bis 5 mm geeignet ist.whose pressure is to be measured. Middle of 3 to 5 mm is suitable.

Die Betriebsparameter sind nicht kritisch. Wenn Bei der Ausbildung von Gasentladungseinrichtuneine zylindrische Anode mit etwa 1,25 cm Durch- gen zur Messung des Hochvakuums gemäß der Ermesser und 1,25 cm Länge mit Kaltkathoden Ver- findung ist es wünschenswert, daß ein möglichst gewendung findet, die etwa 0,5 mm von der Anode io ringes Pumpen von Ionen erfolgt. Vorzugsweise werentfernt angeordnet sind, können Spannungen zwi- den deshalb inerte Materialien für die Anoden und sehen 1 und 3 kV zwischen der Anode und den Kalt- die Kaltkathoden verwendet, welche nicht aktiv kathoden angelegt und Magnetfeldstärken zwischen pumpen, z. B. Platin, Kupfer, Wolfram oder Edel-750 und 2000 Gauß erzeugt werden. Bekanntlich stahl.The operating parameters are not critical. If in the formation of gas discharge devices Cylindrical anode with a diameter of about 1.25 cm for measuring the high vacuum according to the surveyor and 1.25 cm in length with cold cathode connection, it is desirable that a turnable as possible finds that pumping of ions occurs about 0.5 mm from the anode. Preferably away from home are arranged, voltages can therefore be inert materials for the anodes and see 1 and 3 kV between the anode and the cold - the cold cathodes used, which are not active cathodes applied and magnetic field strengths between pumps, e.g. B. platinum, copper, tungsten or precious 750 and 2000 Gauss can be generated. As you know, stole.

hängt das optimale Magnetfeld von der angelegten 15 Obwohl die Erfindung in erster Linie eine Gas-Spannung ab, während die Einrichtung bei höheren entladungseinrichtung zur Messung von Hochvakuum Spannungen empfindlicher ist. Für jede Ausbildung (Ionisationsmanometer) betrifft, die in einfacher muß jedoch ein Kompromiß zwischen erhöhter Emp- Weise bei extrem niedrigen Drücken kurzzeitig in findlichkeit und einer bei höheren Spannungen auf- Betrieb gesetzt werden kann, besteht das Problem tretenden Tendenz zu Instabilitäten der Entladung ao der Inbetriebnahme und der Aufrechterhaltung einer geschlossen werden. Bei normalen Betriebspannun- Penning-Entladung bei niedrigen Drücken ebenfalls gen und Magnetfeldstärken zeigt die Einrichtung eine bei Gasentladungseinrichtungen zur Erzeugung von Empfindlichkeit von angenähert 1 A/Torr. Hochvakuum (Ionenpumpen). Ionenpumpen mitthe optimal magnetic field depends on the applied 15 Although the invention is primarily a gas voltage starting while the device at higher discharge device for measuring high vacuum Tension is more sensitive. For any training (ionization manometer) that concerns in simple However, a compromise must be made between increased sensitivity at extremely low pressures for a short time There is a problem with sensitivity and being able to operate at higher voltages increasing tendency to instabilities of the discharge ao the commissioning and the maintenance of a getting closed. With normal operating voltages Penning discharge at low pressures as well Gen and magnetic field strengths shows the device a with gas discharge devices for the generation of Sensitivity of approximately 1 A / Torr. High vacuum (ion pumps). Ion pumps with

Zur Inbetriebnahme der Einrichtung gemäß der einer Penning-Entladung sind im wesentlichen Ioni-Erfindung wird diese zunächst über das Anschluß- 25 sationsmanometern mit einer Penning-Entladung ähnrohr 27 mit einem Raum verbunden, in dem der Hch, ausgenommen, daß an Stelle von inerten Me-Druck gemessen werden soll. Da die Gasentladungs- tallen für die Kaltkathoden gut zerstäubende aktive einrichtung gemäß der Erfindung verhältnismäßig Materialien wie Titan Verwendung finden, um die einfach, billig und leicht herstellbar ist, kann sie ge- Ausfüllung des Entladungsraums mit zerstäubtem wünschtenfalls als Bestandteil eines Vakuumsystems 30 Material zu bewirken. Bei Ionenpumpen mit einer vorgesehen werden. Wenn die Einrichtung zur Druck- Penning-Entladung sind gewöhnlich Kollektorelekmessung in dem angeschlossenen System in Betrieb troden vorgesehen, an die eine geeignete Vorspangenommen werden soll, wird der Schalter 11 ge- nung zum Anziehen positiver Ionen angelegt wird, schlossen. Zum Zünden einer stabilen Penning-Ent- welche später durch dieses zerstäubte Material beladung bei einem Hochvakuum von etwa 10~^fl bis 35 deckt werden. Wenn in Einrichtungen dieser Art ein 10-" Torr bleibt der Schalter 11 nur etwa 5 Sekun- extrem niedriger Druck erzeugt wird, bestehen jedoch den lang geschlossen. Andere bekannte Manometer, Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Entfür die kein Zündhilfsmittel gemäß der Erfindung ladung. Es wurde bereits versucht, durch die VerVerwendung findet, benötigen bei einem derartigen wendung von Glühkathoden Abhilfe zu schaffen. Hochvakuum Tage, bevor ein statistisches Ereignis 40 Derartige in dem Entladungsraum anzuordnende die Zündung auslöst, falls sie überhaupt ausgelöst Glühkathoden werden aber schnell durch den Bewerden kann. In derartigen Fällen ist es deshalb oft schuß mit positiven Ionen zerstört, insbesondere erforderlich, die Einrichtung anzuschalten, bevor ein wenn die Glühkathode ständig in Betrieb bleiben Druck von 10~⁷Torr erreicht ist, und die Einrich- muß.To put the device into operation according to the Penning discharge essentially Ioni invention, it is first connected via the connection manometers with a Penning discharge similar tube 27 to a space in which the Hch, except that instead of inert Me -Pressure to be measured. Since the gas discharge metals for the cold cathodes atomized active device according to the invention relatively materials such as titanium are used, which is simple, cheap and easy to produce, it can fill the discharge space with atomized material, if desired, as part of a vacuum system 30 to effect . In the case of ion pumps with one can be provided. When the devices for pressure Penning discharge are usually provided in operation collector electrometers in the connected system, to which a suitable bias is to be made, the switch 11 is closed enough to attract positive ions. To ignite a stable Penning-Ent- which will later be covered by this atomized material load in a high vacuum of about 10 ~ ^fl to 35. If in devices of this type a 10 "Torr the switch 11 remains only about 5 seconds extremely low pressure is generated, but the long remain closed. Other known pressure gauges, difficulties in maintaining the charge for the ignition aid according to the invention. Es Attempts have already been made through the use of hot cathodes, need to remedy such a use of hot cathodes. High vacuum days before a statistical event 40 such in the discharge space triggers the ignition, if they are triggered at all hot cathodes but can quickly be judged. in such cases, therefore, it is often shot destroyed with positive ions, in particular required to turn on the device before one when the hot cathode is constantly remain in operation pressure of 10 ^-7 Torr achieved and the Einrich- must.

tung kontinuierlich in Betrieb zu halten, bis das ge- 45 Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht des-to keep the device continuously in operation until the

wünschte Hochvakuum erzielt ist, weil bei sehr nied- halb darin, Gasentladungseinrichtungen mit einerdesired high vacuum is achieved because at very low, gas discharge devices with a

rigen Drücken die bekannten Einrichtungen nach Penning-Entladung zur Erzeugung von HochvakuumRigen press the known devices after Penning discharge to generate high vacuum

dem Ausschalten oft nicht erneut angeschaltet wer- so auszubilden, daß diese bei sehr niedrigem DruckAfter switching off, they are often not switched on again in such a way that they are at very low pressure

den können. in Betrieb gesetzt werden können oder daß derthe can. can be put into operation or that the

Es wurde festgestellt, daß bei Gasentladungsein- 50 Pumpvorgang bei derartig niedrigen Drücken wieder richtungen mit einer Penning-Entladung ein Beschüß aufgenommen werden kann, wenn er aus irgendeinem der Kaltkathoden mit positiven Ionen eine Erosion Grund unterbrochen wird. Dies wird gemäß der Erder Kaltkathoden zur Folge hat, die im allgemeinen findung dadurch erzielt, daß eine außermittige Öffauf einen zentralen kreisförmigen Teil davon be- nung in einer der Kaltkathoden vorgesehen wird, so grenzt ist. Bei Einrichtungen gemäß der Erfindung, 55 daß dadurch der stark konzentrierte Erosionsbereich bei denen die Kathode einen Durchmesser von etwa auf der Kaltkathode vermieden wird, und hinter 1,25 cm hat, besitzt der Bereich der größten Erosion dieser Öffnung wird eine Glühkathode vorgesehen, der Kaltkathode in deren Zentrum gewöhnlich einen die bei Erhitzen sofort Glühelektronen emittiert, Durchmesser von 0,6 bis 1,0 mm. Da die Erfindung welche in den Entladungsraum durch das positive die Erhöhung der Lebensdauer derartiger Einrich- 60 Potential der Anode gezogen werden und eine getungen bezweckt und da der Beschüß der zum Zün- nügende Ionisation in dem Entladungsraum verden dienenden Glühkathode eventuell zu deren Zer- Ursachen, so daß eine Penning-Entladung gezündet störung führen könnte, obwohl diese zum Zünden werden kann.It has been found that with gas discharge injection 50 pumping again at such low pressures A shelling can be absorbed with a Penning Discharge if it comes from any direction the cold cathode is interrupted with positive ions causing an erosion. This will be according to the earth Cold cathodes result in the general invention achieved by having an eccentric opening a central circular part thereof is provided in one of the cold cathodes, so is bordered. In devices according to the invention, 55 that thereby the highly concentrated erosion area in which the cathode a diameter of about on the cold cathode is avoided, and behind 1.25 cm, if the area of greatest erosion has this opening, a hot cathode is provided, the cold cathode in the center of which usually emits glow electrons when heated, Diameter from 0.6 to 1.0 mm. Since the invention which in the discharge space by the positive the increase in the service life of such devices can be drawn and a potential of the anode is achieved and because the bombardment of the ignitable ionization in the discharge space Serving hot cathode possibly to their Zer causes, so that a Penning discharge ignited malfunction, although this can lead to ignition.

nur während einer sehr kurzen Zeitspanne erhitzt F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein anderes wird, wird deshalb ohne Rücksicht auf die Abmes- 65 Ausführungsbeispiel einer Gasentladungseinrichtung sungen der Einrichtung die Öffnung außerhalb des mit Penning-Entladung zur Messung von Hoch-Bereichs starker Erosion angeordnet, welcher Ab- vakuum, deren Empfindlichkeit dadurch weiter erstand in einfacher Weise empirisch bestimmt werden höht wird, daß eine Elektrode zur Fokussierung vonheated only for a very short period of time F i g. 3 shows a longitudinal section through another is, therefore, regardless of the dimensions, is an exemplary embodiment of a gas discharge device Solutions of the device opening the outside of the with Penning discharge for measuring high-range arranged in strong erosion, which vacuum, the sensitivity of which arose as a result can be determined empirically in a simple manner that an electrode for focusing of

positiven Ionen sowie ein Elektronen-Vervielfacher, in dem der durch die auftreffenden positiven Ionen ausgelöste Elektronenstrom vervielfacht wird, vorgesehen ist, der Messungen bei einem Druck von etwa 10 ~²¹ Torr ermöglicht. Die Einrichtung in F i g. 3 enthält eine Ionenquelle 30 zur Erzeugung eines meßbaren Ionenstroms, die eine zylindrische Anode 33 aufweist, deren Enden durch scheibenförmige Kaltkathoden 34 und 35 abgedeckt sind. Die Kaltkathode 35 hat einen gitterartigen Mittelteil 36, durch den positive Ionen frei hindurchtreten können. Die Betriebsspannungen und die Schaltungsanschlüsse dieser Einrichtung entsprechen denjenigen der Einrichtung in F i g. 2 und sind in F i g. 1 dargestellt. Die Kaltkathode 34 weist eine außermittige Öffnung 37 auf, hinter der wie im Fall der Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 1 und 2 eine Glühkathode 38 angeordnet ist. Ein im wesentlichen senkrecht zu den Kathodenebenen verlaufendes Magnetfeld, das in der beschriebenen Weise eine ausreichende Feldstärke zur Aufrechterhaltung einer Penning-Entladung besitzen muß, wird zweckmäßigerweise durch einen zylindrischen Magnet 39 erzeugt. Eine zum Fokussieren der durch den Mittelteil tretenden positiven Ionen dienende zylindrische Elektrode 31 ist koaxial zu dem gitterartigen Mittelteil 36 in der Kaltkathode 35 und davon in Längsrichtung getrennt angeordnet. Der Elektronen-Vervielfacher 32, der den durch die auftreff enden positiven Ionen erzeugten Elektronenstrom vervielfacht, ist ebenfalls in Längsrichtung zu der Elektrode 31 ausgerichtet und in einem Abstand davon angeordnet. Der evakuierbare Kolben 40, der ähnlich dem Kolben 20 in Fig. 2 ausgebildet ist, kann mit einem Vakuumsystem über die Leitung 41 verbunden werden. Beim Betrieb dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wird die Penning-Entladung in dem Entladungsraum durch Zufuhr eines Spannungsimpulses zu der Glühkathode 38 gezündet, damit eine Elektronenwolke durch die öffnung 37 in den Entladungsraum durch das Potential der Anode 33 hineingezogen wird, so daß eine Penning-Entladung zwischen den Kaltkathoden 34 und 35 gezündet wird. Ein Teil der positiven Ionen der Entladung tritt durch den gitterartigen Mittelteil 36 in der Kaltkathode 35 hindurch, wird in der Elektrode 31 fokussiert und trifft auf den Elektronen-Vervielfacher 32. Der Elektronen-Vervielfacher 32 kann einen üblichen Aufbau haben. Das Ausgangssignal der Einrichtung wird an Leitungen 42 abgenommen. Da der Elektronen-Vervielfacher 32 eine Verstärkung zwischen 10⁶ und 10⁷ mit einem sehr niedrigen Untergrund von einem Impuls pro 10 bis 100 Sekunden ermöglicht, können mit diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung Ionenströme in der Nähe von einem Ion pro 100 Sekunden oder Ionenströme von 10~²¹ Ais provided positive ions and an electron multiplier in which the triggered by the incident positive ions electron current is multiplied, the measurements at a pressure of about 10 ~ ²¹ Torr possible. The facility in FIG. 3 contains an ion source 30 for generating a measurable ion current, which has a cylindrical anode 33, the ends of which are covered by disk-shaped cold cathodes 34 and 35. The cold cathode 35 has a grid-like central part 36 through which positive ions can freely pass. The operating voltages and the circuit connections of this device correspond to those of the device in FIG. 2 and are shown in FIG. 1 shown. The cold cathode 34 has an eccentric opening 37 behind which, as in the case of the exemplary embodiments according to FIG. 1 and 2 a hot cathode 38 is arranged. A magnetic field running essentially perpendicular to the cathode planes, which in the manner described must have a sufficient field strength to maintain a Penning discharge, is expediently generated by a cylindrical magnet 39. A cylindrical electrode 31 serving to focus the positive ions passing through the central part is arranged coaxially to the grid-like central part 36 in the cold cathode 35 and separated therefrom in the longitudinal direction. The electron multiplier 32, which multiplies the electron current generated by the impinging positive ions, is also aligned in the longitudinal direction to the electrode 31 and arranged at a distance therefrom. The evacuable piston 40, which is designed similarly to the piston 20 in FIG. 2, can be connected to a vacuum system via the line 41. When operating this embodiment of the invention, the Penning discharge is ignited in the discharge space by supplying a voltage pulse to the hot cathode 38, so that a cloud of electrons is drawn through the opening 37 into the discharge space by the potential of the anode 33, so that a Penning discharge between the cold cathodes 34 and 35 is ignited. Some of the positive ions of the discharge pass through the grid-like central part 36 in the cold cathode 35, are focused in the electrode 31 and strike the electron multiplier 32. The electron multiplier 32 can have a conventional structure. The output of the device is taken on lines 42. Since the electron multiplier 32 ^{enables a gain between 10 6} and 10 ⁷ with a very low background of one pulse per 10 to 100 seconds, ion currents in the vicinity of one ion per 100 seconds or ion currents of 10 ~ ²¹ A

gemessen werden. Da die Einrichtung eine Empfindlichkeit von etwa 1 A/Torr aufweist und die Kennlinie der Einrichtung praktisch linear ist, kann mit diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ein Hochvakuum von etwa 10~²¹ Torr gemessen werden.be measured. Since the device has a sensitivity of about 1 A / Torr and the characteristic of the device is substantially linear, the invention can be measured, a high vacuum of about 10 ~ ²¹ Torr in accordance with this embodiment.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Gasentladungseinrichtung mit Penning-Entladung zur Erzeugung und Messung eines Hochvakuums, bestehend aus einem an eine Vakuumanlage anschließbaren, evakuierbaren Kolben, in dem eine mit einer öffnung versehene Anode angeordnet ist, deren Öffnung an beiden Seiten durch etwa parallel verlaufende Kaltkathoden, die den Entladungsraum begrenzen, abgedeckt ist, ferner aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen senkrecht zu den Kathodenebenen verlaufenden Magnetfelds in dem Entladungsraum und aus einer im Kolben eingebauten Glühkathode als Zündhilfsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kaltkathode (3 bzw. 34) eine im Vergleich zu ihrer Fläche kleine öffnung (6 bzw. 37) außerhalb ihrer Mitte hat und daß die Glühkathode (7 bzw. 38) außerhalb des Entladungsraums (5) hinter der Kaltkathode (3, 34) in der Nähe dieser Öffnung angeordnet ist und zur Einleitung der Zündung der Penning-Entladung bei sehr kleinen Drücken eine Elektronenwolke durch die öffnung (6; 37) in den Entladungsraum schickt.1. Gas discharge device with Penning discharge for generating and measuring a high vacuum, consisting of a flask that can be connected to a vacuum system and evacuated, in in which an anode provided with an opening is arranged, the opening of which on both sides is covered by roughly parallel cold cathodes that delimit the discharge space, furthermore from a device for generating a magnetic field running essentially perpendicular to the cathode planes in the discharge space and from a hot cathode built into the bulb as an ignition aid, characterized in that one Cold cathode (3 or 34) has an opening (6 or 37) outside that is small compared to its area its center and that the hot cathode (7 or 38) outside of the discharge space (5) is arranged behind the cold cathode (3, 34) in the vicinity of this opening and to initiate the Ignition of the Penning discharge at very low pressures, an electron cloud through the opening (6; 37) sends into the discharge space. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine hohlzylindrische Anode (2 bzw. 33).2. Device according to claim 1, characterized by a hollow cylindrical anode (2 or 33). 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vakuummessung die Anode und die Kaltkathoden aus einem verhältnismäßig inerten, wenig zerstäubenden Material wie Edelstahl, Wolfram, Platin, Molybdän oder Kupfer bestehen.3. Device according to claim 2, characterized in that the vacuum measurement The anode and the cold cathodes are made of a relatively inert, little atomizing material such as stainless steel, tungsten, platinum, molybdenum or copper. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden zur Messung des Hochvakuums, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Kaltkathode (35) einen für Ionen durchlässigen, gitterartigen Mittelteil (36) hat und daß koaxial dahinter eine Elektrode (31) zur Fokussierung und Beschleunigung der durch diesen Mittelteil (36) der Kaltkathode (35) austretenden positiven Ionen sowie ein Elektronen-Vervielfacher (32), in dem der durch diese auftreffenden positiven Ionen ausgelöste Elektronenstrom vervielfacht wird, vorgesehen ist (Fig. 3). 4. Device according to claim 1 or the following for measuring the high vacuum, characterized in that that the other cold cathode (35) has a lattice-like central part that is permeable to ions (36) and that coaxially behind it an electrode (31) for focusing and acceleration the positive ions emerging through this central part (36) of the cold cathode (35) as well as a Electron multiplier (32) in which the positive ions that hit them are triggered Electron flow is multiplied, is provided (Fig. 3). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 000 960,1089112.Publications considered: German Auslegeschriften No. 1 000 960, 1089112. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 809 537/103 3.68 © Bundesdruckerei Berlin809 537/103 3.68 © Bundesdruckerei Berlin