DE3712874A1

DE3712874A1 - Penning-type vacuum meter (gauge)

Info

Publication number: DE3712874A1
Application number: DE19873712874
Authority: DE
Inventors: Andras Siposs
Original assignee: Tungsram Rt
Current assignee: Tungsram Rt
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1988-05-19
Also published as: HU196530B; HUT45169A; CH673062A5

Abstract

The invention relates to a Penning-type vacuum meter, i.e. a vacuum meter having a cold cathode and a magnetic field, which is composed of a cylindrical cathode body (1) of steel, a soft iron disc (2) which is welded on and provided with a bore, a soft iron cartridge (4) soldered into a glass bead (3), a tungsten anode rod (5) clamped into the cartridge (4), a soft iron plug (6) provided with the gas-conducting bores (14), a lower and an upper soft iron support ring (7, 8), and a cylindrical permanent magnet (9). These elements surround the discharge space (10). The essence of the Penning-type vacuum meter according to the invention consists in that given a value of 0.05-0.08 T for the magnetic induction in the discharge space (10) the distance between an end plate (12), facing the discharge space (10), of the anode-carrying cartridge (4), which is situated in the bore (11) of the soft iron disc (2), and an edge (13) of the discharge space (10) is defined by the formula t >/= a(0.5 + 0.03b> where a denotes the diameter of the bore (11) of the soft iron disc (2), and b denotes the diameter of the anode-carrying cartridge (4). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Penning-Vakuummeter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a Penning vacuum meter according to the Preamble of the claim.

Es ist üblich, in dem Hochvakuum-Bereich, d.h. bei Drücken von ca. 10^-5 Pa bis 1 Pa das Ionisationsvakuummeter mit Kaltkatode und Magnetfeld, d.h. das Penning-Vakuummeter zur Druckmessung zu verwenden. Eine ausführliche Beschreibung derartiger Vakuummeter ist im Buch von J.H. Leck: Pressure measurement in Vacuum Systems (S. 113) zu finden.It is common to use the ionization vacuum gauge with cold cathode and magnetic field, ie the Penning vacuum gauge, for pressure measurement in the high vacuum range, ie at pressures of approx. 10 ^-5 Pa to 1 Pa. A detailed description of such vacuum gauges can be found in the book by JH Leck: Pressure measurement in Vacuum Systems (p. 113).

Es ist wohlbekannt, daß in dem genannten Druckbereich, in der erzeugten Gasentladung der durchfließende Strom von der angelegten Spannung, der Gaszusammensetzung und dem Druck abhängt. Wenn nun der Entladungsraum in ein Magnetfeld gesetzt wird, sind die Elektronen gezwungen, unter der Wirkung des Magnetfelds, in der Gasentladung, von der Katode zu der Anode sich bewegend einer spiralförmigen Zykloidid-Bahn zu folgen. Demzufolge kommen auch bei einer recht niedrigen Gasdichte, d.h. bei hohem Vakuum, ionisierende Anstöße in für die Vakuummessung erforderlicher genügend hoher Anzahl zustande. Dieser Prozeß bildet praktisch die Grundlage für die Arbeit des rohrförmig ausgebildeten Penning-Vakuummeters. Wenn nun in dem Rohr das Magnetfeld und die Gaszusammensetzung auf einem konstanten Wert gehalten werden, stellt die Stärke des entstandenen Entladungsstroms das Maß des Drucks dar. Wenn man den Entladungsstrom auf einen Mikroamperemesser leitet, kann man nach entsprechender Kalibrierung den Druckwert, d.h. das Vakuum, unmittelbar an dem Amperemeter ablesen.It is well known that in the pressure range mentioned, in the gas discharge generated, the current flowing through the applied voltage, the gas composition and the Pressure depends. If now the discharge space in one Magnetic field is set, the electrons are forced under the action of the magnetic field, in the gas discharge, moving from the cathode to the anode spiral cycloidal orbit to follow. As a result even with a rather low gas density, i.e. at high Vacuum, ionizing impulses for vacuum measurement sufficient number required. This Process practically forms the basis for the work of the tubular Penning vacuum gauge. If now in the magnetic field and gas composition being kept at a constant value represents strength of the resulting discharge current is the measure of the pressure. If you put the discharge current on a micro-ammeter conducts, you can after the appropriate calibration Pressure value, i.e. the vacuum, right on the ammeter read off.

Inzwischen wurde das ursprünglich ein zwischen Magnetbacken eingesetztes Glasrohr enthaltende Vakuummeter weiterentwickelt. Heute besteht das Penning-Vakuummeter praktisch ausschließlich aus Metallelementen. Solche Vakuummeter sind z.B. in dem Katalog der Firma Balzers AG (Liechtenstein) beschrieben. Diese robusten und betriebssicheren Meßgeräte werden überwiegend aus Metall hergestellt, Meßzelle und Anschlußflansch sind aus rostfreiem Stahl gefertigt. Das Magnetfeld wird von einem die Meßzelle umschließenden Dauermagneten erzeugt, das Meßrohr wird mit Gleichspannung von einigen kV gespeist.In the meantime, this was originally an in between Vacuum gauges containing glass jaws inserted developed further. Today there is the Penning vacuum gauge practically exclusively made of metal elements. Such Vacuum meters are e.g. in the catalog of Balzers AG (Liechtenstein). These robust and Reliable measuring devices are mainly made of metal manufactured, measuring cell and connecting flange are off stainless steel. The magnetic field is from one the measuring cell enclosing permanent magnet that 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 vertragen.Compared to the ionization vacuum meter with a heated cathode these measuring devices have numerous advantages. It will measured quickly, operation is easy, Sensitivity is high, overloads, yes, even Breaks in air 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 und Hysterese-Effekte vor. 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, however, this shows known measuring device has the disadvantage that the display is not is always clear, because the pressure-current characteristic not always monotonous, there are jumps and Hysteresis effects. That's why it is Area of application limited by these disadvantages Use in automatic control also limited.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Penning-Vakuummeter der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die genannten Fehler nicht mehr auftreten und man eine monotone Charakteristik für die Abhängigkeit des Drucks vom Strom erhält. Diese Aufgabe wird mit einem Vakuummeter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs gelöst, das sich durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs auszeichnet.It is therefore the object of the invention Penning vacuum meters of the type mentioned at the beginning improve that the errors mentioned no longer occur and you have a monotonous characteristic for dependency of the pressure from the electricity. This task is done with a Vacuum meter solved according to the preamble of the patent claim, which is characterized by the characteristics of the characteristic part of the Characterized claim.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Lage der anodeneinführenden Patrone und der Wert der in dem Entladungsraum bestehenden magnetischen Induktion eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung der Nachteile spielen.The invention is based on the knowledge that the location of the anode inserting cartridge and the value of that in the Discharge space existing magnetic induction one crucial role in eliminating the disadvantages play.

Eine weitere Erkenntnis liegt darin, daß der Abstand zwischen der anodentragenden Weicheisenpatrone (deren Ende) 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 und die Empfindlichkeit des Meßrohrs unterschreitet den Sollwert. Die gleiche Situation ergibt sich, wenn obzwar das Patronenende in der Bohrung liegt, seine Lage die erfindungsgemäß erkannte minimale Tiefe nicht erreicht. Die Erkenntnis dieser Lage bildet die eine Charakteristik der erfindungsgemäßen Lösung.Another finding is that the distance between the anode-carrying soft iron cartridge (whose End) and the edge of the discharge space an extreme plays an important role. If the end of the cartridge is in the Discharge space extends into the characteristics Jumps and hysteresis are observed and the Sensitivity of the measuring tube falls below the setpoint. The same situation arises if that is Cartridge end is in the bore, its location minimum depth recognized according to the invention has not been reached. The knowledge of this situation is one characteristic the solution according to the invention.

Gleicherweise wurde erkannt, daß auch die magnetische Induktion 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.It was also recognized that the magnetic Induction has an optimal value range, under which the sensitivity of the measuring tube falls below the required value if, on the other hand, the concerned value range is exceeded, the Sensitivity can be satisfactory, but jumps and Hysteresis occurs in the characteristic.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:The invention will become apparent from the accompanying drawings explained in more detail; show it:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Penning-Vakuummeter, Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through the inventive Penning vacuum meter,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Teils 1 des Meßrohrs des Vakuummeters, Fig. 2 is an enlarged representation of the part 1 of the measuring tube of the vacuum gauge,

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

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

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau des erfindungsgemäßen Penning-Vakuummeters. Das Meßrohr besteht aus einem zylindrischen, aus Stahl gefertigten Katodenkörper 1, einer angeschweißten Weicheisenscheibe 2, einer in eine Glasperle 3 eingelöteten anodentragenden Weicheisenpatrone 4, einem Wolfram-Anodenstab 5, einem Weicheisenstöpsel 6 und sich darin befindenden Gaseinlaßbohrungen 14, einem unteren bzw. oberen Weicheisenhaltering, desweiteren aus einem zylindrischen Dauermagneten 9. Diese Elemente umschließen einen Entladungsraum 10. Fig. 1 illustrates the structure of the Penning vacuum meter according to the invention. The measuring tube consists of a cylindrical, made of steel cathode body 1 , a welded soft iron disc 2 , an anode-carrying soft iron cartridge 4 soldered into a glass bead 3 , a tungsten anode rod 5 , a soft iron plug 6 and gas inlet holes 14 therein, a lower and upper soft iron retaining ring , furthermore from a cylindrical permanent magnet 9 . These elements enclose a discharge space 10 .

In Fig. 2 ist jener Teil des erfindungsgemäßen Penning-Vakuummeters nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung zu sehen, der das Wesen vorliegender Erfindung veranschaulicht. Es wurde nämlich erkannt, daß die eine Voraussetzung der vollkommenen hochempfindlichen Funktion des Vakuummeßrohrs mit einer Charakteristik ohne Sprung und Hysterese darin besteht, daß die anodentragende Weicheisenpatrone 4 in der Bohrung 11 einen bestimmten Platz einnehmen und sich in der entsprechenden Position befinden muß; das bedeutet, daß zwischen einer dem Entladungsraum zugewandten Endplatte 12 der Patrone und dem Rand des Entladungsraums 13 ein optimaler Abstand t einzuhalten ist, dessen Wert der Beziehung FIG. 2 shows that part of the Penning vacuum meter according to the invention according to FIG. 1 in an enlarged view, which illustrates the essence of the present invention. It was namely recognized that the one requirement for the perfect, highly sensitive function of the vacuum measuring tube with a characteristic without jump and hysteresis is that the anode-carrying soft iron cartridge 4 must occupy a certain place in the bore 11 and be in the appropriate position; This means that between an end plate 12 of the cartridge facing the discharge space and the edge of the discharge space 13, an optimal distance t must be maintained, the value of the relationship

t ≧ a (0,5 + 0,03b) t ≧ a (0.5 + 0.03 b)

folgt, wobei a den Durchmesser der Bohrung 11 und b den Durchmesser der anodentragenden Weicheisenpatrone 4 bezeichnen.follows, with a denoting the diameter of the bore 11 and b the diameter of the anode-carrying soft iron cartridge 4 .

Fig. 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 p _v aufgetragen, die Ordinaten entsprechen den an dem Meßrohr angezeigten Druckwerten p _m. Linie d veranschaulicht den idealen Fall, die Kurve a den Fall, in dem t = O, und die Kurve b den Fall, in dem der Wert t durch die Ungleichung O<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. t≧a(0,5+0,03 b). Fig. 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 p _{v is} plotted on the abscissa axis, the ordinates correspond to the pressure values p _m displayed on the measuring tube. Line d illustrates the ideal case, curve a the case in which t = O, and curve b the case in which the value t is determined by the inequality O < t < a (0.5 + 0.03 b ) Finally, curve c illustrates the case in which the value t corresponds to the range defined in the patent claim, ie t ≧ a (0.5 + 0.03 b) .

Fig. 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 Fig. 3 übereinstimmend. Wie bei der Fig. 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. Fig. 4 illustrates the relationship between the characteristic and the magnetic induction in the case where the value t corresponds to the claim. The coordinates are the same as those in FIG. 3. As in FIG. 3, the straight 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.

Aus den Fig. 3 und 4 geht eindeutig hervor, daß die Anzeige des erfindungsgemäßen Vakuummeßrohrs eindeutig ist, die Druck-Stromcharakteristik monoton verläuft; Sprünge-Hysteresen kommen nicht vor, die Empfindlichkeit ist befriedigend. Als Erfolg kann die erfindungsgemäße Lösung in automatischen Steuerungen mit höchster Zuverlässigkeit verwendet werden. . From Figures 3 and 4 clearly shows that the display of the Vakuummeßrohrs invention is unique, the pressure-current characteristic monotonically runs; Cracking hysteresis does not occur, the sensitivity is satisfactory. As a success, the solution according to the invention can be used in automatic controls with maximum reliability.

Claims

Penning vacuum meter, a welded with cold cathode and magnetic field, consisting of a steel-made cylindrical cathode body (1) thereon, having a bore (11) of soft iron disc (2) provided from a soldered into a glass bead (3) anode-carrying soft iron cartridge (4) , a tungsten anode rod ( 5 ) clamped in the cartridge ( 4 ), a soft iron plug ( 6 ) provided with gas inlet bores ( 14 ), a lower and upper soft iron support ring ( 7 , 8 ) and a cylindrical permanent magnet ( 9 ) which define a discharge space ( 10 ), characterized in that the value of the magnetic induction in the discharge space ( 10 ) is 0.05-0.08 T and that the distance between an end plate ( 12 ) facing the discharge space ( 10 ) of the 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 ) is defined by the formula t ≧ a (0.5 + 0.03 b) , where a is the major The diameter of the bore ( 11 ) and b denote the diameter of the anode-carrying cartridge ( 4 ).