DE4137527A1 - Ionisationsdruckmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsdruckmesser mit einer Kaltkathode zur Messung vorzugsweise niedriger Gasdrücke.

Ionisationsdruckmesser messen den Druck eines Gases mit Hilfe der Ionisation der Gasmoleküle oder -atome durch Elektronen­ stöße. Der Druck ist dabei der Anzahl der von einem Elektron längs einer bestimmten Weglänge erzeugten Ionen proportional. Zur Erzeugung eines Elektronenstromes für einen Ionisations­ druckmesser sind Glühkathoden und Kaltkathoden bekannt. Aus Glühkathoden werden Elektronen durch thermische Emission frei­ gesetzt. Hierzu ist eine elektrische Heizung des Kathoden­ drahtes erforderlich, so daß das Meßgerät vor der Messung eine Vorwärmzeit benötigt. Außerdem ist der dünne Kathodendraht meist empfindlich gegen Stromspitzen bei Lufteinbrüchen und gegen Erschütterungen. Glühkathoden haben deshalb eine be­ grenzte Lebensdauer und sind nicht geeignet für Vakuummessun­ gen an kritischen Stellen, bei denen ein Meßgeräteausfall un­ zumutbare Umbaumaßnahmen erfordern würde. Wesentlich robuster gegenüber plötzlichen Lufteinbrüchen und Erschütterungen sind Kaltkathoden. Bei diesem Kathodentyp werden Elektronen durch eine hohe Extraktionsspannung von typischerweise 1 bis 2 kV aus der Festkörperoberfläche ausgelöst. Diese durch ein hohes elektrisches Feld bewirkte Feldemission von Elektronen hängt in hohem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode ab. Ein Problem ist, daß die Ionen, die im zu messenden Gas erzeugt werden, durch das hohe elektrische Feld zur Kathode hin beschleunigt werden und das Kathodenmaterial zerstäuben. Dadurch wird zum einen die Oberfläche der Kathode beeinträch­ tigt und zum anderen das Kathodenmaterial aufgebraucht. Ein weiteres Problem ist die elektrische Gasaufzehrung, die in­ folge des starken Entladungsstromes wesentlich größer ist als beim Glühkathoden-Ionisationsdruckmesser ("Vakuumtechnik", C. Edelmann, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1986, Seiten 153 bis 168).

Es sind in Mikrostrukturtechnik hergestellte Arrays aus Feld­ emitterelementen als Feldemissionskathoden bekannt. Die Feld­ emitterelemente sind jeweils in einem nach oben offenen Hohl­ raum in einer dielektrischen Schicht auf einem Siliziumsub­ strat angeordnet. Auf dieser dielektrischen Schicht ist eine Metallschicht als Extraktionsgitter angeordnet, in der im Be­ reich über den Hohlräumen mit den Feldemitterelementen Öffnun­ gen vorgesehen sind. In diese Öffnungen ragen die Spitzen der Feldemitterelemente hinein. Die Feldemitterelemente bestehen aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Molybdän, und können als kegelförmige oder pyramidenförmige Spitzen, aber auch als Schneiden mit einer Emissionskante ausgebildet sein (Application of Surface Science, Vol. 16, 1983, pages 268 - 276).

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, einen Ionisationsdruckmesser mit einer Kaltkathode anzugeben, bei dem ein reproduzierbarer Elektronenstrom mit stabiler Flä­ chendichte erzeugt wird und die vorgenannten Nachteile eines bekannten Ionisationsdruckmessers mit einer Kaltkathode ver­ mieden werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des An­ spruchs 1 durch die Verwendung einer bekannten, mit einer Vielzahl von Feldemitterelementen und einem Extraktionsgitter versehenen Feldemissionskathode als Kaltkathode in einem be­ kannten Ionisationsdruckmesser mit einer Anode und einem Ionenkollektor. Die Betriebsspannung des Druckmeßgerätes kann dadurch auf einen Wert zwischen 50 und 100 V herabgesenkt werden. Außerdem werden die Feldemitterspitzen oder -schneiden nur mit geringer Wahrscheinlichkeit von den Gasionen getrof­ fen. Die Zerstörung der Kathode durch beschleunigte positive Gasionen wird somit erheblich vermindert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Feldemissionskathode mit dem Extrak­ tionsgitter, die Anode und der Ionenkollektor flächig ausge­ bildet werden können und damit ein großer Raumbereich in die Vakuummessung miteinbezogen werden kann. Eine solche Feld­ emissionskathode ist überdies mechanisch stabil und kann bei Überlast schnell geschaltet werden, beispielsweise in der üblichen C-MOS-Technik.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die einzelnen Feldemitterelemente in Gruppen zusammengeschaltet, die getrennt geschaltet werden können. Dadurch kann sowohl die emittierende Kathodenfläche als auch die Flächendichte des Elektronenstromes durch entsprechende Beschaltungen einge­ stellt werden. In einer Ausführungsform mit einer redundanten Auslegung kann die Kathode durch eine solche Beschaltung auch in einzelne Teilflächen zerlegt werden, die nach Ausfall weg­ geschaltet werden können, ohne die Messung zu beeinträchtigen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

In deren Fig. 1 ist der Aufbau eines Ionisationsdruckmessers gemäß der Erfindung dargestellt. Fig. 2 zeigt den dazugehöri­ gen Potentialverlauf zwischen den Feldemitterelementen und dem Ionenkollektor. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit selek­ tiver Beschaltung der einzelnen Feldemitterelemente der Feld­ emissionskathode.

In der Fig. 1 sind eine Feldemissionskathode mit 2, deren Feldemitterelemente mit 3, ein Extraktionsgitter mit 4, eine Anode mit 6 und ein Ionenkollektor mit 8 bezeichnet. Durch die zwischen der Feldemissionskathode 2 und dem Extraktionsgit­ ter 4 anliegende Extraktionsspannung U_E werden die Elektronen aus den Feldemitterelementen 3 ausgelöst und durch die zwi­ schen der Anode 6 und der Feldemissionskathode 2 anliegende Anodenspannung U_A beschleunigt. Diese Elektronen ionisieren durch Stoßionisation in dem Bereich zwischen Anode 6 und Ionenkollektor 8 die Gasmoleküle oder -atome des zu messenden Gases und werden danach von der Anode 6 eingesammelt. Die po­ sitiven Gasionen werden zu dem auf annähernd gleichem Poten­ tial wie die Feldemissionskathode 2 liegenden Ionenfänger 8 hin beschleunigt und dort als Meßstrom I detektiert.

Den dazugehörigen Potentialverlauf zwischen der Feldemissions­ kathode 2 und dem Ionenkollektor 8 zeigt Fig. 2. Aus den auf Nullpotential liegenden Feldemitterelementen 3 werden durch die an dem Extraktionsgitter 4 anliegende positive Extrak­ tionsspannung U_E, die in der Figur zu U_E = 70 V gewählt ist, Elektronen emittiert und zwischen dem Extraktionsgitter 4 und der Anode 6 durch die positive Potentialdifferenz U_A - U_E zwi­ schen der Anodenspannung U_A und der Extraktionsspannung U_E be­ schleunigt. Damit die Elektronen die Anode 4 passieren können, ist diese vorzugsweise als Anodengitter ausgebildet. Die Ano­ denspannung beträgt im Beispiel der Figur U_A = 200 V. Zwischen der Anode 6 und dem Ionenkollektor 8 nimmt das Potential wie­ der annähernd linear von U_A = 200 V auf das an dem Ionenkol­ lektor 8 anliegende Nullpotential ab. Ionenkollektor 8 und Feldemitterelemente 3 können auch auf einem vom Nullpotential verschiedenen, gleichen Potential oder auf verschiedenen Po­ tentialen liegen. Dadurch werden die von den Elektronen durch Stoßionisation erzeugten positiven Gasionen zum Ionenkollektor 8 hin beschleunigt und dort als Ionenstrom I gemessen sowie die abgebremsten Elektronen von der Anode 6 eingesammelt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die einzelnen Feldemitterelemente 3 zu Gruppen 12 und 14 zusammen­ geschaltet sind. Diese Gruppen bestehen im Beispiel der Figur aus jeweils drei Feldemitterelementen 3. Durch einen Schalter 16 kann die zweite Gruppe 14 zu der ersten Gruppe 12 hinzuge­ schaltet werden und somit die Stromdichte auf der Fläche mit den sechs Feldemitterelementen 3 verdoppelt werden.

Claims (5)

1. Ionisationsdruckmesser zum Messen des Druckes eines Gases mit

• a) einer Kathode zur Emission von Elektronen,
• b) einer Anode (6), die zugleich als Elektronenkollektor vor­ gesehen ist, zur Beschleunigung der Elektronen bei Anle­ gen einer relativ zur Kathode positiven Anodenspannung (U_A), sowie
• c) einem Ionenkollektor (8) für die durch Elektronenstöße erzeugten Gasionen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) als Kathode eine mit einer Vielzahl von Feldemitterelemen­ ten (3) versehene Feldemissionskathode (2) vorgesehen ist;
• e) ein Extraktionsgitter (4) zur Extraktion der Elektronen aus der Feldemissionskathode (2) durch Anlegen einer gegenüber der Kathode positiven Extraktionsspannung (U_E) vorgesehen ist.

2. Ionisationsdruckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsspannung (U_E) zwischen 50 V und 100 V und die Anodenspannung (U_A) zwi­ schen 150 V und 250 V liegen, wenn die Kathode auf Nullpoten­ tial liegt.

3. Ionisationsdruckmesser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionen­ kollektor (8) auf demselben Potential liegt wie die Kathode.

4. Ionisationsdruckmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemitterelemente (3) der Feldemissionskathode (2) in Grup­ pen zusammengeschaltet sind und diese Gruppen getrennt ge­ schaltet werden können.