CH163391A - Einrichtung zur Überwachung des Vakuums in Vakuumentladungsapparaten. - Google Patents

Description

  Einrichtung zur     Überwachung    des Vakuums in     Vakuumentladungsapparaten.       Die     Erfindung    bezieht sich auf eine Ein  richtung zur Überwachung, zum Beispiel  zur Anzeige oder Beeinflussung .des Va  kuums oder beides in     Vakuumentladungs-          apparaten    mit Glüh- oder Quecksilber  kathode, die mit einem verdünnten, gas  förmigen     lIedium    (Gas oder Dampf) gefüllt  sind, zum     Beispiel        Quecksilberdampfgleich-          richter    mit oder ohne Steuerelektroden.  



  Die Einrichtung gemäss der Erfindung  zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine  direkte     Überwachung    des Vakuums ermög  licht. Ausserdem weist sie den Vorteil einer  vollkommenen Unveränderlichkeit der     Eich-          kurve    auch über lange Zeiten auf.  



  Diese Vorteile werden gemäss der Erfin  dung dadurch erreicht, dass ausserhalb des  Kernes     einer    Hilfsentladung, die zwischen  einer Hilfsanode und der Kathode unter  halten wird, eine     14lesselektrode        angeordnet     ist, zu der eine von dem zu überwachenden  Vakuum abhängige Menge Ladungsteilchen  aus dem Kern der Entladung diffundiert,    die den über die     Messelektrode    fliessenden  Steuerstrom der     Überwaehungseinrichtung     entsprechend den Änderungen des zu über  wachenden Vakuums beeinflusst.  



  Die Diffusion der Ladungsteilchen aus  dem Kern der Entladung ist bei hohem  Vakuum am höchsten und um so schwächer,  je schlechter das Vakuum, .das heisst je höher  der Gas- oder Dampfdruck im Innern des  Vakuumgefässes ist. Wird nun die     Mess-          elektrode    genügend     negativ    aufgeladen, so  fliesst über sie ein Strom, der .durch die Zahl  der nach der Elektrode diffundierenden,  positiven Ionen bestimmt ist. Bei     Aufladung     der     Messelektrode    mit positiver Spannung  wird .der über die     Messelektrode    fliessende  Strom durch die Elektronendiffusion be  stimmt.  



  In den beiliegenden Zeichnungen ist in       Fig.1    der Verlauf des Stromes Ir in Ab  hängigkeit von dem Gas- oder Dampfdruck  P bei negativer     Aufladung    der     Messelektrode     und in     Fig.    2 der Verlauf des über die Mess-           elektrode    fliessenden Stromes     IE    in<B>'Ab-</B>  hängigkeit von dem Gas- oder Dampfdruck  P bei positiver     Aufladung    der     Messelektrode     dargestellt.  



  Dieser Elektronenstrom     1E    ist bei sonst  gleichen Verhältnissen bedeutend grösser als  der Strom positiver Ionen und zeigt nach       Fig.2    mit wachsendem Gas- oder Dampf  druck einen zunächst dem Strom     Ip    gemäss       Fig.l    ähnlichen Verlauf. Bei einem be  stimmten Gas- oder Dampfdruck     Pic    tritt  aber an der     Messelektrode    Stossionisation auf.

    Die an der Oberfläche der     Messelektrode    vor  handene     Raumladungsschicht    von Elektronen  bricht infolgedessen zusammen, es bildet sich  vor der     Messelektrode    eine sogenannte Zwi  schenkathode, und der über die     Messelektrode     fliessende Strom zeigt einen rapiden Anstieg.  



  Wie aus den vorstehenden Ausführungen  hervorgeht, bildet also die Menge der zu der       Messelektrode    diffundierenden Ladungsteil  chen tatsächlich ein Mass für die Höhe des  Vakuums in dem     Vakuumentladungsappa-          rat.     



  Da es sich bei     Vakuumentladungsappara-          ten    meistens darum handelt, das Vakuum im  Anodenraum zu überwachen, ist es zweck  mässig, die Hilfsanode und .die     Messelektrode     derart räumlich zu den Hauptanoden anzu  ordnen, dass das die Überwachungseinrich  tung     beeinflussende    Vakuum annähernd  gleich dem Vakuum im Anodenraum ist.  



  Wie Versuche ergeben haben, bildet sich  an der Oberfläche oder in der Nähe der  Hilfsanode eine sogenannte     Zwischenkathode     aus. Diese Zwischenkathode nimmt nicht  immer die gleiche Lage ein, sondern wandert  manchmal unregelmässig. Infolgedessen kön  nen störende Verlagerungen der     Messcharak-          teristik    der Einrichtung eintreten, welche  .die Reproduzierbarkeit der Messungen be  einträchtigen. Diese Störungen werden ge  mäss der weiteren Ausbildung der Erfindung  dadurch beseitigt, dass in dem Entladungs  weg zwischen Hilfsanode und Kathode eine  den     Lichtbogenquerschnitt    einschnürende  Schikane in der Nähe der Hilfsanode vor  gesehen ist.

   Hierdurch     wird    die Zwischen         kathode    von der Oberfläche der     Hilfsanode:     ferngehalten und in Form einer sogenannten       Striktiönskathode    im verengten Querschnitt  der Schikane arretiert. Durch diese Mass  nahme werden die beobachteten Störungen  vollständig vermieden.  



  Wird der Gas- oder Dampfdruck sehr  stark gesteigert, so kann es vorkommen, dass  die freie Weglänge der Elektronen so klein  wird, dass ausser der Zwischenkathode im  verengten Querschnitt der Schikane an der  Oberfläche der Hilfsanode oder im Raum       zwischen    Hilfsanode und Schikane eine wei  tere Zwischenkathode sich bildet, die eben  falls zu Störungen Anlass geben kann. Um  dies zu vermeiden, ist es nur     nötig,    die Schi  kane und damit die in     ihrem'verengten    Quer  schnitt sich bildende Zwischenkathode ge  nügend nahe an die Hilfsanode heranzu  rücken. Man erhält dann eine Einrichtung,  bei der in dem ganzen Druckbereich, der in  Frage kommt, an der Hilfsanode keine     Zwi-          ,schenkathode    auftritt.

    



       Weiterhin    werden zweckmässig Mittel  vorgesehen, die .das Ansprechen der Über  wachungseinrichtung von dem Belastungs  strom des     Vakuumentladungsapparates    un  abhängig machen.  



  In den beiliegenden Zeichnungen sind  zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung  dargestellt.  



       Fig.    3 zeigt eine Anordnung ohne Schi  kane, und       Fig.    4 zeigt eine solche mit Schikane.  



  G ist das Vakuumgefäss des Gleichrich  ters,     If'    ist die Kathode und H sind die  Hauptanoden, die in üblicher Weise von  Schutzhülsen     S    umgeben sind. Die     Hil.fs-          ano4e    A besteht aus einem Rohrabschnitt  und ist im Innern eines Schutzrohres     P     untergebracht, so dass die Anode A gegen  eine     Ionenzufuhr    aus dem Hauptlichtbogen  abgeschirmt ist. Um Stromeinführungen,  Elektroden oder Energieverluste zu sparen,  kann die Hilfsanode A als Erregeranode des  Gleichrichters benutzt werden.

   Die Zündung  .des Schutzrohres     11    befindet sich in der      Nähe der Mündung einer Anodenhülse<B>S</B>,  so dass im Innern des Rohres B ein     Gas-          oder    Dampfdruck herrscht, der mit dem  Gas- oder     Dampfdruck    im Anodenraum un  gefähr übereinstimmt. Oberhalb der in ihrer  Längsachse durchbrochenen Hilfsanode A  ist die     Messelektrode        I31    angeordnet, so dass  sie ausserhalb des Kernes der Hilfsentladung  liegt, der sich von der Anode A abwärts in       ,der    Achse des Rohres B. und von dessen  Mündung zur Kathode     K    erstreckt.

   Es wer  den nun Elektronen und positive Ionen aus  der     Anodenhaube    von<I>A</I> durch<I>A</I> hindurch  zu der     Messelektrode        y1    diffundieren können.  Bei niedrigem Gas- oder     Dampfdruck-    geht  diese Diffusion leicht vonstatten. Je höher  aber der Gas- oder Dampfdruck ist,     umso-          mehr    werden die diffundierenden Ladungs  teilchen behindert, und umso kleiner werden  die Diffusionsströme sein, die über die     Mess-          elektrode    M fliessen können.  



  Die Hilfsentladung wird durch eine  Spannung E unterhalten, die eine     Gleich-          oder    Wechselspannung sein kann. Um die  Stromstärke der Hilfsentladung vom Be  lastungsstrom des Gleichrichters unabhängig  zu machen, empfiehlt es sich, im Speise  stromkreis der Hilfsentladung eine genügend  grosse Impedanz X anzuordnen und dafür zu  sorgen, dass auch die speisende Spannung  von der Belastung des Gleichrichters unab  hängig ist.  



  Der     @Zesselektrode    M wird eine Spannung  V, zweckmässig relativ zur Hilfsanode A,  aufgeprägt. Bei einem Gleichrichter mit  metallenem Vakuumgefäss kann dies aber  auch relativ zu dem Gefäss erfolgen, indem  bei konstanter Hilfsentladung das Vakuum  gefäss und die Hilfsanode A eine ziemlich  konstante Spannungsdifferenz gegeneinander  haben. Die der     Messelektrode   <B>31</B> aufgeprägte  Spannung V kann ebenso, wie die Span  nung E, eine Gleich- oder Wechselspannung  sein, und zwar sind relativ zu der     Spannuni;     E alle     Kombinationen    möglich. Sind beide  Spannungen     Wechselspannungen,    so kann  auch die Phasenlage     zwischen    beiden nach    Wunsch festgelegt werden.

   Je nachdem über  die     Messelektrode    M Elektronen oder positive       Ionenströme    fliessen sollen, wird die Span  nung V in Phase oder Gegenphase zur Hilfs  entladung gewählt werden. Um von der Be  lastung .des Gleichrichters unabhängige An  gaben der     Mess-    oder     Kontrolleinrichtüng    zu  erhalten, wird auch die Spannung V zweck  mässig von der Belastung des Gleichrichters  unabhängig gemacht.  



  In Reihe mit der     Messelektrode        1N    ist ein       Messinstrument    I geschaltet, das zur Anzeige  des Vakuums dient. Ausserdem ist mit der       Messelektro.de    M die Steuerspule B einer elek  tromagnetischen Schaltvorrichtung W in  Reihe geschaltet, die dazu dienen kann, in  Abhängigkeit von dem zu überwachenden  Vakuum die Pumpenanlage oder den Schal  ter für die     Speisestromkreise    des Gleichrich  ters ein- und auszuschalten.

   Die Bemessung  der Steuerspule B kann so gewählt werden,  dass der in dem Speisestromkreis des Trans  formators<I>T</I> liegende Schalter<I>W</I> nicht ge  schlossen bleibt, solange der Strom über die       Messelektrode    unterhalb eines gewissen Min  destwertes liegt. An Stelle einer solchen  Schaltung sind jedoch auch andere, an sich  bekannte Schaltungen möglich, welche eine  Inbetriebnahme des     Vakuumentladungsappa-          rates    verhindern, oder die Pumpenanlage     ein-          bezw.    abschalten, solange der Strom über die       Messelektrode    einen vorbestimmten Mindest  wert nicht überschreitet.

   Um zu verhindern,  dass die Ströme über die     Messelektrode    auf       nnzulässig    hohe Werte anwachsen, ist eine  Impedanz Z vorgesehen.  



  Weiterhin kann man der     Messelektrode    M  dauernd oder     intermittierend    positive Span  nungswerte aufprägen, die so gewählt sind,  dass bei einem Gas- oder Dampfdruck     Px,     der gerade die Grenze zu unzulässig hohen  Drücken darstellt, vor der     Messelektrode    M  Stossionisation eintritt. Bei     Erreichen    des  Druckes     PK    steigt dann der Strom über die       Messelektrode    M rapid an. Dieser Strom  anstieg kann zum Beispiel über die Steuer  spule B zur Auslösung von geeigneten, an  sich bekannten Gegenmassnahmen, beispiels-      weise Öffnen der     Speisestromstelle,    Steuern  der Pumpen usw., benutzt werden.  



  Die positiven Spannungswerte, die in die  sem Falle der     Messelektrode    M relativ zu  ihrer Umgebung aufgeprägt werden müssen,  liegen oberhalb der     lonisierungsspannung    des  Gases -oder Dampfes in der Umgebung der       Messelektrode    M und werden im übrigen je  nach dem Werte von     Pr,    bei welchem der  rapide Stromanstieg eintreten soll, am besten  durch Versuche bestimmt.

   Dass der durch  die     Ionisation    bedingte rapide Anstieg des  Stromes über die     Messelektro.de        1V11    von einem  bestimmten Gas- oder Dampfdruck     PK    an       eintritt,    hängt damit zusammen, dass bei zu  nehmendem Gasdruck die Zahl der nach der       Messelektrode    M     diffundierenden    Elektronen  abnimmt, was eine Zunahme der Dicke der  der     Messelektrode    M vorgelagerten     Elek-          tronenraumladungSschicht        zur    Folge hat.

    Nimmt die Dicke der     Raumladungsschicht     aber zu, so wird, ähnlich     wie    beim Funken  potential, bei Erreichen einer gewissen  Schichtdicke eine die negative Raumladung  zerstörende     Ionisation    eintreten.  



  Bei dem in     Fig.    4 dargestellten Ausfüh  rungsbeispiel einer     Anordnung    mit Schikane  bezeichnen die gleichen Buchstaben gleiches,  wie in     Fig.    3. In das Schutzrohr     B    ist in der  Nähe der Hilfsanode eine Blende L ein  gesetzt, die den     Lichtbogenquerschnitt    ein  schnürt. In der     Durchtrittsöffnung    dieser  Blende bildet sich die räumlich durch die  Blende festgehaltene Zwischenkathode in  Form einer sogenannten     Striktionskathode     aus. An der Oberfläche der Hilfsanode  herrschen durch diese Massnahme konstante  Verhältnisse, die reproduzierbare Messungen  erlauben.

   Die Blende L kann als Lochblende  ausgebildet sein oder aus einem Rohr  abschnitt bestehen.  



  Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die  von der Hilfsanode A zur     Messelektrode        1"t1     diffundierenden Teilchen auch dann einen  Strom erzeugen, wenn zwischen A und M  keine Spannungsquelle eingeschaltet ist, son  dern diese beiden Elektroden miteinander  kurzgeschlossen werden.

   Dieser Strom fliesst    auch dann noch über die     Messelektrode,    wenn  im Kreis zwischen A und     111    ein     Messinstru-          ment    1 oder eine Relaisspule B, zum     Beispiel     zum Steuern von     Schaltern,    eingeschaltet  sind, sofern diese Organe dem Strom über die       Messelektröde    M einen nicht zu grossen  Widerstand entgegensetzen. Spannungsab  fälle über diese Organe in Höhe von 1 Volt  und weniger sind für den     Stromfluss    über  die Blende L ohne praktische Bedeutung  und folglich ohne weiteres zulässig.  



  Da der Strom über die Hilfsanode A  immer gewissen Schwankungen ausgesetzt  ist, und der Strom über die     Messelektrode    M  bei unveränderlichem Vakuum sich propor  tional zu dem     Hilfsanodenstrom    ändert, ist  es von Vorteil, an Stelle des Stromes über  die     Messelektrode        111,    das Verhältnis der  Ströme über die     Messelektrode        111    und die  Hilfsanode A zur     Überwachung    des Vakuums  zu benutzen.

   Dies kann dadurch geschehen,  dass im     Messkreis    zwischen M und A Instru  mente, zum Beispiel ein     Kreuzspulinstru-          ment    I, wie in     Fig.    4 dargestellt, ein  geschaltet werden, welche von dem Verhält  nis des     Messelektrodenstromes    zu dem     Hilfs-          anodenstrom    beeinflusst werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Einrichtung zur Überwachung des Va kuums von Vakuumentladungsapparaten, die mit verdünntem, gasförmigem Medium ge füllt sind, insbesondere von Quecksilber dampfgleichrichtern, mit Hilfe einer Hilfs entladung zwischen einer Hilfsanode und der Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass ausser halb des Kernes der Hilfsentladung eine Messelektrode angeordnet ist, zu der eine von dem zu überwachenden Vakuum abhängige Menge Ladungsteilchen aus dem Kern der Entladung diffundiert, die den über die Messelektrode fliessenden Steuerstrom der Überwachungseinrichtung entsprechend den Änderungen des zu überwachenden Vakuums beeinflusst.

   <B>UNTERANSPRÜCHE:</B> 1. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Hilfs- anode und die Messelektrode derart räum lich zu den Hauptanoden angeordnet sind, dass das die Überwachungseinrich tung beeinflussende Vakuum annähernd gleich dem Vakuum in der Umgebung der Hauptanoden ist. 2. Einrichtung nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass zum Auf rechterhalten der Hilfsentladung eine Spannung einer beliebigen Stromart vor gesehen ist. 3.

   Einrichtung nach Unteranspruch 2, da: durch gekennzeichnet, dass das Anspre chen der Überwachungseinrichtung von dem Belastungsstrom des Vakuumentla- dungsapparates unabhängig gemacht ist. 4. Einrichtung nach Unteranspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass die Hilfs anode und die Messelektrode gegen die Einwirkungen der Hauptentladung des Apparates abgeschirmt sind. 5.

   Einrichtung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass die Strom stärke der Hilfsentladung von dem Belastungsstrom des Vakuumapparates durch Einschalten einer genügend grossen Impedanz (X) im Messstromkreis -der Hilfsentladung unabhängig gemacht ist. 6. Einrichtung nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die die Hilfs entladung speisende Spannung (E) von der Belastung des Apparates unabhängig gemacht ist. 7.

   Einrichtung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass der Messelek- trode gegenüber der ionisierten Gasatmo sphäre des Vakuumentladungsapparates eine Spannung (TT) aufgeprägt ist. B. Einrichtung nach Unteranspruch 7, da durch gekennzeichnet, dass die Spannung (V), welche der Messelektrode relativ zur ionisierten Gasatmosphäre des Appara tes aufgeprägt ist, von dem Belastungs strom des Apparates unabhängig ge macht ist. 9.

   Einrichtung nach Patentanspruch für Vakuumentladungsapparate mit Queck- Silberkathode, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsanode gleichzeitig die Er regeranode bildet. 10. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass in dem Ent ladungsweg zwischen Hilfsanode und Kathode eine den Lichtbogenquerschnitt einschnürende Schikane in der Nähe der Hilfsanode vorgesehen ist, die die Bil dung einer Zwischenkathode an der Hilfsanode verhindert. 11. Einrichtung nach Unteranspruch 10, da durch gekennzeichnet, dass die den Licht bogenquerschnitt verengende Schikane aus einer Blende besteht.

   12. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass ein Mess- instrument (1) zur Anzeige des Va kuums in Reihe mit der Messelektrode geschaltet ist. 13. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Messelektrode eine Vorrichtung (B) geschaltet ist, .die die zu überwachende Vakuumpumpeinrichtung in Abhängig keit von der Höhe des zu überwachenden Druckes des gasförmigen Mediums ein- und ausschaltet.

   14. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Messelektrode eine Einrichtung (B) geschaltet ist, die den zu überwachenden Vakuumentladungsapparat in Abhängig keit von der Höhe des zu überwachenden Druckes des zu überwachenden ga.sför- . migen Mediums ein- und ausschaltet. 15.

   Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass im Messkreis zwischen Messelektrode und Hilfsanode eine Schaltvorrichtung eingeschaltet ist, die in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Messelektrodenstromes zum Hilfs- anodenstrom beeinflusst wird. 16.

   Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass im Messkreis zwischen Messelektrode und Hilfsanode eine Anzeigevorrichtung eingeschaltet ist, die in Abhängigkeit von dem Ver- hältnis des Messelektrodenstromes zum Hilfsanodenstrom beeinflusst wird. 17.

   Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass eine durch den über die Messelektrode fliessenden Strom gesteuerte Schalteinrichtung vor gesehen ist, die eine Inbetriebnahme des Vakuumentladungsapparates verhindert, solange .der Strom über die Messelektrode unterhalb eines vorbestimmten Mindest wertes liegt. 18. Einrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis,6, sowie 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode über die zur Kontrolle des Vakuums dienenden Schaltelemente mit der Hilfsanode kurzgeschlossen ist.

   19. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Mess- elektrode positive Spannungswerte auf- gedrückt werden, die derart gewählt sind, dass bei Erreichen eines unzulässig hohen Dampfdruckes an der Oberfläelie der Messelektrode Stossionisation und Bil dung einer Zwischenkathode eintritt.

   20. Einrichtung nach Unteranspruch 19, da durch gekennzeichnet, dass der beim Ein treten der Stossionisation erfolgende An stieg .des Stromes, .der über die Messelek- trode fliesst, die Betätigung der Vakuum pumpanlage steuert. 21. Einrichtung nach Unteranspruch 19, da durch gekennzeichnet, dass der beim Ein treten der Stossionisation erfolgende An stieg des Stromes, der über die Messelek- trode fliesst, die Schalteinrichtungen für den Vakuumentladungsapparat steuert.