5.1 Grundlagen der Totaldruckmessung

Druck ist definiert als flächenbezogene Kraft: p=F/A (Formel 1-3). Dabei ist F die Kraft und A die Fläche auf die die Kraft wirkt. Die SI-Einheit des Druckes ist 1 N/m² = 1 Pa. Weitere häufig verwendete Druckeinheiten sind: 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa und 1 Torr = 133,322 Pa. Wird der Druck über die Kraft gemessen, die das Gas auf eine Fläche ausgeübt, so ist die Druckmessung von der Gasart unabhängig.

Die Druckmessung über die Kraft erfordert bei Drücken unter 1 hPa mit abnehmendem Druck einen zunehmenden technischen Aufwand, da die ausgeübten Kräfte sehr klein werden. Man muss daher andere Verfahren anwenden, z. B. nutzt man die Wärmeleitung des eingeschlossenen Gases aus oder man ionisiert die Gasmoleküle und misst zwischen Elektroden fließende Ionenströme. Diese indirekten Messungen, die den Druck über eine Gaseigenschaft ermitteln, liefern naturgemäß ein Messergebnis, das von der Gasart abhängig ist.

In der Vakuumtechnik gibt es kein Messverfahren, das den gesamten technisch zugänglichen Druckbereich abdeckt. Es ist notwendig, verschiedene Messprinzipien zu verwenden. Die Kriterien für die Auswahl eines Vakuummeters richten sich nach den unterschiedlichen Rahmenbedingungen:

5.1.1 Direkte, gasartunabhängige Druckmessung

Bei einem Membran-Vakuummeter wird der Druck entsprechend der Definition gemessen. Auf eine Membran mit einer definierten Fläche A wirkt der Druck p und lenkt die Membran proportional zum Druck aus. Ein Sensor misst die Auslenkung; im einfachsten Fall wird die Auslenkung über eine Mechanik auf einen Zeiger übertragen, der sich über einer Druckskala bewegt. Piezo-resistive oder kapazitive Sensoren nehmen das Drucksignal auf und wandeln es in ein elektrisches Signal um.

Piezo-Membranvakuummeter

Eine einfache und sehr robuste Methode ist die Verwendung eines piezo-resistiven Aufnehmers. Den Aufbau zeigt Abbildung 5.1. Über einem evakuierten Volumen mit Referenzdruck p₀ ist eine Membran angeordnet, in die Dehnungsmesswiderstände eindiffundiert sind. Die gemessene Widerstandsänderung infolge der Membranauslenkung ist ein Maß für den Druck. Dieser Sensor zeichnet sich durch seine Unempfindlichkeit gegen abrupte Druckerhöhungen und durch eine hohe Genauigkeit aus.

Kapazitives Membranvakuummeter

Bei einem kapazitiven Membranvakuummeter (Abbildung 5.2) wird die Auslenkung der Membran als Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators gemessen, der von der Membran und einer festen Gegenelektrode in einem evakuierten Raum mit dem Druck p₀ gebildet wird. Die Membran besteht entweder aus Keramik mit aufgedampfter Metallschicht oder aus Edelstahl. Mit dieser Methode und unterschiedlich empfindlichen Membranen (durch verschiedene Dicken) lässt sich jeweils über bis zu vier Dekaden messen. Die untere Messgrenze liegt bei 10^-5 hPa.

Die limitierenden Effekte sind:



Der Temperatureinfluss lässt sich minimieren durch elektronische Kompensation einer bekannten Temperaturdrift oder durch eine eingebaute Heizung, die den Sensor auf konstanter Temperatur hält. Durch Verwendung von keramischem Membranmaterial wird der Temperatureinfluss weiter reduziert, außerdem verleihen keramische Membrane kapazitiven Vakuummetern eine hervorragende Beständigkeit gegen korrosive Gase.

Kugelreibungsvakuummeter

Für Kalibrierzwecke verwendet man Kugelreibungsvakuummeter (SRG, Spinning Rotor Gauge). Man lagert im Vakuum eine Kugel magnetisch, versetzt diese in schnelle Drehung und schaltet dann den Antrieb ab. Aus der Abnahme der Drehfrequenz durch Gasreibung kann man den Druck für die vorhandene Gasart berechnen. Die Geräte messen im molekularen Strömungsbereich bis zu Drücken p > 10^-7 hPa. Die Kalibrierung des Gerätes hängt dabei nur von der Kugel ab, daher kann man kalibrierte Kugeln als Transferstandard benutzen. Für Vakuumprozesse sind diese Vakuummeter weniger geeignet, da der Messvorgang mit abnehmendem Druck immer länger dauert.

5.1.2 Indirekte, gasartabhängige Druckmessung

Mit abnehmendem Druck steigt der erforderliche apparative Aufwand, um die kleiner werdenden Kräfte auf eine Membran zu messen. Andere Messprinzipien, die eine Druckinformation indirekt über die Messung einer Gaseigenschaft liefern, erlauben die Realisierung von Vakuummetern für den Feinvakuumbereich mit geringerem Aufwand. Für den Hoch- und Ultrahochvakuumbereich sind direkt nach der Druckdefinition arbeitende Vakuummeter nicht realisierbar, da die Kräfte auf eine Membran zu gering sind.

Für die Betrachtung der indirekten Druckmessung im Vakuum ist es von Vorteil, von der Vorstellung der Teilchenzahldichte auszugehen. Diese ist nach der Zustandsgleichung für ein ideales Gas p=n⋅k⋅T (Formel 1-8) bei konstanter Temperatur dem Druck proportional. Die beiden in der Vakuumtechnik für die Druckmessung genutzten Phänomene sind die Leitung von Wärme und von elektrischem Strom durch das im Messraum des Vakuummeters vorhandene Gas. Jedes Gasteilchen übernimmt einen Teil des Transportes und es ist somit leicht vorstellbar, dass die Dichte und damit der Druck (in gewissen Grenzen) Einfluss auf den Transport haben. Da die Atome bzw. Moleküle der Gase unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, insbesondere verschiedene Massen, liefert die auf diesen Transportphänomenen basierende Druckmessung gasartabhängige Messergebnisse.

Pirani-Vakuummeter (Wärmleitungsvakuummeter)

Beim Pirani-Vakuummeter macht man sich die Wärmeleitfähigkeit von Gasen bei Drücken kleiner ca. 10 bis 100 hPa zunutze. Man heizt einen in einem Rohr zentrisch aufgespannten Draht (meist aus Wolfram) elektrisch durch Stromdurchgang auf eine konstante Temperatur zwischen 110 °C und 130 °C auf. Durch das umgebende Gas wird Wärme vom Heizdraht an die Rohrwand abgeleitet. Der Wärmetransport ist im molekularen Strömungsbereich der Teilchenzahldichte und damit dem Druck proportional. Hält man die Temperatur des Drahtes konstant, so ist dessen Heizleistung druckabhängig. Sie hängt jedoch nicht in allen Bereichen linear vom Druck ab, da Wärmeleitung über die Aufhängung des Drahtes und Wärmestrahlung ebenfalls die Heizleistung beeinflussen.

Die limitierenden Effekte sind:

Die Abbildung 5.4 zeigt die unterschiedlichen Kennlinien für verschiedene Gase zwischen 10^-4 hPa und Atmosphärendruck. Zwar ist bei Stickstoff und Luft noch eine gute Linearität zu erkennen, für leichte (He) und schwere Gase (Ar) zeigen sich jedoch starke Abweichungen. Für Pirani-Vakuummeter werden in den Betriebsanleitungen Korrekturfaktoren angegeben, um den angezeigten Stickstoffäquivalentdruck in den korrekten Druck für das gemessene Gas umzurechnen. Diese Faktoren können in die Steuer- und Anzeigegeräte eingegeben werden, die dann automatisch den korrigierten Druck anzeigen. Diese Korrektur ist nur gültig für den in Abbildung 5.4 linearen Bereich der Kennlinie.

Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter

Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter bestehen prinzipiell aus nur zwei Elektroden: Kathode und Anode, zwischen die über einen Vorwiderstand eine hohe Spannung angelegt wird. Die negativ geladenen Elektronen verlassen die Kathode durch Feldemission und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit von der Kathode in Richtung der Anode. Auf diesem Weg ionisieren sie neutrale Gasteilchen. Damit wird eine Gasentladung gezündet. Der gemessene Gasentladungsstrom (Abbildung 5.5) ist ein Maß für den Druck. Bei gradliniger Bewegung der Elektronen werden jedoch nur wenig Teilchen ionisiert, was zu einer geringen Empfindlichkeit und einem Abbruch der Gasentladung bei etwa 1 hPa führt. Ein Aufbau, der diesen Nachteil vermeidet, ist das invertierte Magnetron nach Hobson und Redhead [28]. Ein Metallstift (Anode) wird von einer rotationssymmetrischen Messkammer (Kathode) umschlossen (Abbildung 5.5). Außen auf die Messkammer ist ein axial magnetisierter zylindrischer Permanentmagnetring aufgesetzt, der im Inneren ein Magnetfeld erzeugt.

Durch das Magnetfeld bewegen sich die Elektronen auf Spiralbahnen (Abbildung 5.6). Die auf diese Weise verlängerten Wege der Elektronen erhöhen die Stoßwahrscheinlichkeit mit den Gasmolekülen und sorgen dafür, dass auch bei Drücken unter 1 hPa noch genügend Ionen erzeugt werden, um die Gasentladung aufrecht zu erhalten. Durch unterschiedliche Ionisationswahrscheinlichkeiten der Gase ist die Druckanzeige von der Gasart abhängig. So wird zum Beispiel bei Helium ein niedrigerer Druck angezeigt als bei Luft.

Kaltkathodenvakuummeter können unter folgenden Bedingungen leicht verschmutzen:


Es werden auch Gasteilchen an der Kathodenoberfläche festgehalten (gegettert). Damit tritt eine Pumpwirkung auf, die zu einer Verfälschung des Messsignals führt.

Bei der Montage der Messröhre an eine Vakuumanlage muss das Magnetfeld beachtet werden, das empfindliche Apparaturen stören kann, insbesondere solche mit Elektronen- oder Ionenoptiken.

Heißkathoden-Ionisationsvakuummeter

Bei Heißkathoden-Ionisationsvakuummetern werden die Elektronen mithilfe einer beheizten Kathode erzeugt. Abbildung 5.7 zeigt den Aufbau einer Messröhre nach Bayard-Alpert [27]. In der Mitte der zylindrischen, gitterförmigen Anode ist ein dünner Draht angeordnet, der Auffänger für die Ionen. Zwischen Anode und Kathode legt man eine Spannung von etwa 100 V an. Dadurch werden alle emittierten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Man misst im Anodenkreis den Emissionsstrom, der über die Heizleistung der Kathode eingestellt werden kann. Auf dem Weg zur Anode werden durch Elektronenstoß Gasmoleküle ionisiert, die auf den Kollektor treffen, der auf Kathodenpotenzial liegt.

Der gemessene Kollektorstrom ist ein Maß für den Druck. Da der Ionenstrom dem Emissionsstrom proportional ist, kann man über letzteren die Empfindlichkeit der Messröhre einstellen.

Mit Bayard-Alpert Vakuummetern können Drücke mit guter Genauigkeit bis 1 · 10^-10 hPa gemessen werden. Messfehler sind bedingt durch die Pumpwirkung des Sensors sowie durch zwei limitierende Effekte:


Das Heißkathodenvakuummeter misst ebenfalls gasartabhängig. Die Messergebnisse sind aber wesentlich genauer (typischerweise ±10 %) als die des Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeters (typischerweise ± 25 %). Bayard-Alpert Vakuummeter werden daher auch gerne als Referenz für Kalibrierungen herangezogen.