Ionisations-Vakuummeter

Messfühler eines Penning-Vakuummeters, geöffnet

Ein Ionisations-Vakuummeter ist ein Druckmessgerät zur Druckbestimmung im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich, also etwa 10⁻³ mbar (0,1 Pa) bis 10⁻¹² mbar (0,1 nPa). Das Prinzip basiert auf einer indirekten Druckmessung mittels elektrischer Größen, die zu den Restgaspartikeln mit der Teilchenzahldichte proportional sind. Dazu muss das Restgas ionisiert werden, wofür es unterschiedliche Umsetzungsmöglichkeiten gibt:

• Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter
• Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter

Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter

Zwischen Anode und Kathode liegt eine Gleichspannung von etwa 2 kV an. Vorhandene Elektronen werden in diesem Feld beschleunigt und ionisieren Restgasteilchen durch Stoßionisation. Es bildet sich ein druckabhängiger Entladungsstrom, der gemessen wird. Oberhalb von 10⁻² mbar (1 Pa) geht der Ionenstrom in eine Glimmentladung über, die vom Druck unabhängig ist (obere Messbereichsgrenze).

Aufschlagende Ionen bleiben entweder auf der Kathode haften und werden dort neutralisiert, oder sie schlagen Material heraus (Kathodenzerstäubung). Das Material schlägt sich an den Wänden der Messräume nieder. Durch diesen Prozess wird die Kathode langsam verbraucht und ist daher meist austauschbar konstruiert.

Auf der Restgasionisation mittels Kaltkathoden basieren:

• Penning-Vakuummeter
• Magnetron-Systeme

Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter

Bayard-Alpert-Glühkathode

Dieses System basiert auf der Emission von Elektronen aus dem beheizten Kathodenmaterial. Zwischen der Glühkathode und der Anode liegt eine Spannung (${\displaystyle U}$) an, die die emittierten Elektronen (${\displaystyle e}$) beschleunigt. Diese Elektronen können unter der Bedingung ${\displaystyle e\cdot U\geq E_{I}}$ (wobei ${\displaystyle E_{I}=}$ Ionisationsenergie) die Restgasteilchen ionisieren. Die positiv geladenen Gasionen werden von einer weiteren Kathode, deren Potential negativer ist als jenes der Glühkathode, angezogen. Die Neutralisation der Ionen führt zu einem messbaren (Elektronen-)Strom, welcher auf dem Ionenstrom basiert und daher von der Teilchenzahldichte im Restgas abhängt.

Auf der Restgasionisation mittels Glühkathoden basieren:

• Bayard-Alpert-Vakuummeter (1950 von Robert T. Bayard erfunden^[1] und von Daniel Alpert entwickelt und beschrieben^[2][3])
• Extraktor-Ionisationsvakuummeter
• Orbitron-System mit besonders langen Elektronenwegen
• Magnetron-Vakuummeter etc.

Literatur

• Wutz, Adam, Walcher: Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, Vieweg-Verlag.

Siehe auch

• Druckmessgerät
• Strömungsmesstechnik

Einzelnachweise

1. ↑ Patent US2605431: Ionization vacuum gauge. Angemeldet am 30. März 1950, veröffentlicht am 29. Juni 1952, Anmelder: Westinghouse Electric Corp, Erfinder: Robert T. Bayard.‌
2. ↑ Robert T. Bayard, Daniel Alpert: Extension of the Low Pressure Range of the Ionization Gauge. In: Review of Scientific Instruments. Band 21, Nr. 6, Juni 1950, S. 571–572, doi:10.1063/1.1745653. 
3. ↑ Daniel Alpert: New Developments in the Production and Measurement of Ultra High Vacuum. In: Journal of Applied Physics. Band 24, Nr. 7, Juli 1953, S. 860, doi:10.1063/1.1721395.