Tipp des Monats 07
Frage: Für die Druckmessung setze ich ein Pirani-Penning-Vakuummessgerät ein. Die Messröhre zeigt aber relativ schnell Verschmutzungen. Wie kommt das und was kann ich dagegen tun?
Antwort: In Ihrer Röhre sind zwei Messprinzipien in einem Gerät kombiniert. Die Probleme entstehen durch mangelhafte Abstimmung der beiden Vakuummessbereiche. Falls Sie die Übergabedrücke programmieren können, setzen Sie den Schaltpunkt für den Betrieb der Niederdruckröhre so niedrig wie möglich.
Hintergrund: In Weitbereichsröhren sind zwei Messprinzipien in einem Gehäuse kombiniert. Für den Druckbereich von Atmosphärendruck bis etwa 10-2 oder 10-3 mbar wird eine sogenannte Pirani-Messröhre eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein Messprinzip, das auf der Wärmeleitfähigkeit von Gasen beruht. Seine Grenze findet dieses Prinzip, wenn der Wärmetransport nicht mehr durch die Gasdichte dominiert ist, also bei sehr niedrigen Drücken. Dominierend sind jetzt Wärmestrahlung und die Wärmeableitung an der Aufhängung des Heizfadens. Bei diesen niedrigen Drücken wird ein zweites Messprinzip (Penning) eingesetzt. Dabei wird das Gas in einer Messzelle mit hochenergetischen Elektronen beschossen und ionisiert. Die Elektronen stammen entweder aus einem Heizfaden (Heißkatode) oder aus einer Glimmentladung (Kaltkatode). Die Elektronen schießen ein weiteres negativ geladenes Elektron aus der Hülle der Gasteilchen und lassen einen positiven Atomrumpf zurück. Dieses positiv geladene Teilchen kann nun mit einem negativ geladenen Auffänger eingesammelt werden. Der resultierende Ionenstrom wird gemessen und ist ein Maß für die Ladungsträgerdichte in der Messzelle und damit für den Druck.
Je höher die Gasdichte ist, umso mehr positiv geladene Ionen befinden sich in der Messzelle. In Kaltkatodenröhren werden hohe Spannungen benötigt, um die Glimmentladung als Elektronenquelle zu zünden und aufrecht zu erhalten. Diese hohen Spannungen können aber auch die Gasionen beschleunigen, die dann mit hoher Energie auf die Wandungen der Messzelle, die Heizfäden oder Elektroden prallen. Die Energie ist dabei so hoch, dass die Ionen das Wandmaterial zerstäuben. Das derart in die Gasphase gebrachte Material scheidet sich nun als unerwünschte Ablagerung im Inneren der Messzelle ab und führt zu Verschmutzung. Eine weitere Quelle der Verschmutzung bilden die Gasmoleküle selbst, speziell Öldämpfe aus den Pumpen. Diese organischen Moleküle werden die im Plasma gecrackt und bilden dabei polymerartige Ablagerungen auf den kalten metallischen Oberflächen. Durch den Ionenbeschuss werden die Ablagerungen vernetzt, so dass ein isolierender Duroplast entsteht, der Raumladungen trägt welche die Messung beeinträchtigen.
Der Grad der Verschmutzung ist von der Gasdichte abhängig. Je niedriger die Gasdichte ist, umso weniger hochenergetische Ionen werden auf die Wandmaterialien der Messzelle bzw. die Ablagerungen auf den Wänden geschossen. Je niedriger der Übergabedruck zwischen Pirani- und Kaltkatodenmessung ist, umso geringer wird also die Verschmutzung sein.
Glossar
Pirani-Vakuummeter: Das häufig nur nach dem Namen seines Erfinders benannte Vakuummeter wurde nach dem Berliner Physiker Marcello Pirani (1880-1964) benannt. Es arbeitet im Druckbereich von etwa 10-4 mbar bis 1000 mbar und nutzt die Druckabhängigkeit der Wärmeleitung als indirekte Messgröße für den Druck. Die Änderung der Wärmeleitfähigkeit wird mit Hilfe der Widerstandsänderung eines elektrisch erhitzten Drahts gemessen.
Penning: Penning-Vakuummeter arbeiten in Druckbereichen zwischen etwa 10-2 und 10-9 mbar. Die filamentlose Messzelle erzeugt eine Glimmentladung durch Anlegen einer hohen Spannung. In der Glimmentladung besitzen die Elektronen eine hohe Energie und können neutrale Gasteilchen durch Stoß ionisieren. Derart erzeugte Gasteilchen gelangen, durch ein elektrisches Feld beschleunigt, auf einen Auffänger. Der resultierende Ionenstrom ist ein Maß für den Druck in der Messzelle.
Sputtern (Zerstäubung): Beim Sputtern (auf deutsch Kathodenzerstäubung) wird eine Oberfläche mit hochenergetischen Ionen beschossen. Durch den Beschuss werden durch Impulsübertragung wie beim Billardspiel einzelne Atome aus dem Festkörper herausgelöst und gehen in die Gasphase über.
Elektron: Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen, die um den positiv geladenen Kern eines Atoms kreisen. Frei bewegliche Elektronen können elektrischen Strom transportieren.
Ion: Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Es kann aus einem oder mehreren Atomen bestehen und positiv (Kation) oder negativ (Anion) geladen sein. In Atomen ist die Anzahl positiv geladener Kernbausteine (Protonen) identisch mit der Anzahl negativ geladener Elektronen, die um den Kern kreisen. Ein Atom ist nach außen elektrisch neutral. Die Ladung eines Ions entsteht durch das Ungleichgewicht von positiven Ladungen im Kern und negativen Ladungen in der Elektronenhülle.