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Anlage zur Erzeugung eines Vakuums
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung eines Vakuums, insbesondere eines Ultrahoch- vakuums, wobei eine Öldiffusionspumpe als Vakuumpumpe und eine Vorrichtung zum Zerlegen von Ölmolekülen vorgesehen ist.
In modernen Ultrahochvakuumanlagen werden heute vielfach Öldiffusionspumpen verwendet, da diese Pumpen hinsichtlich ihres Aufbaues, des Betriebes und der Wartung einfach und robust sind und praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer aufweisen. Um den mit Öldiffusionspumpen erreichbaren Enddruck von einigen 10-10 Torr für beliebig lange Zeit aufrecht erhalten zu können, ist es notwendig, das Eindringen von Öldämpfen in den Rezipienten zu verhindern.
Um das Eindringen der Öldämpfe zu verzögern, ist es bereits bekannt, zwischen der Ultrahochvakuumpumpe und dem Rezipienten eine Öldampfsperre, ein sogenanntes Baffle anzuordnen. Man kann so über eine bestimmte Zeitspanne, die für die Anlage charakteristisch ist, das Eindringen der Öldämpfe verhindern. Der sich schliesslich einstellende Enddruck, also nach Eindringen der Ölmoleküle, hängt in nachteiliger Weise von der geometrischen Anordnung und den jeweiligen Betriebsbedingungen des verwendeten lonisationsmanometers ab.
Es ist auch bereits bekannt, zwischen Öldiffusionspumpe und Rezipienten eine Einrichtung vorzusehen, die oben gekühlte und unten geheizte Doppelflächenelemente aufweist. Gas-und Ölmoleküle, die zu dieserEinrichtung gelangen, werden bevorzugt in Richtung der Diffusionspumpe bewegt. Bei einer bekannten Anlage, die eine Öldiffusionspumpe, eine Hg-Dampfstrahlpumpe und eine rotierende Vorvakuumpumpe aufweist, werden die Öldämpfe zwischen Öldiffusionspumpe und Hg-Dampfstrahlpumpe durch Verbrennung zerlegt, um deren Eindringen in die Hg-Atmosphäre zu verhindern. Die Verbrennung erfolgt dabei auf derVorvakuumseite der Öldiffusionspumpe ; auch hier lässt sich das Eindringen von Öldämpfen in das Vakuum nicht verhindern.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass die Zerlegungsvorrichtung in der Verbindung zwischen der Öldiffusionspumpe und einem Rezipienten bzw. im Rezipienten, vorzugsweise in dessen pumpseitigem Teil, angeordnet ist. Durch diese Massnahme kann der niedrigste erreichbare Druck als Enddruck beliebig lange aufrecht erhalten werden. Der Druck ist unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung und Anordnung des verwendeten Ionisationsmanomete oder sonstigen Vakuummessgeräten. Ausserdem kann die zwischen einer Vorpumpe und derUltrahochvakuumpumpe meist angeordnete Öldiffusionspumpe weggelassen werden.
Einzelheiten können aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen beispielsweise entnommen werden. Fig. 1 zeigt eine bekannte Ultrahochvakuumanlage, die Fig. 2-4 zeigen die Anordnung der Zerlegungsvorrichtung.
In Fig. l ist eine bekannte Anlage dargestellt. Mit 1 ist eine Vorpumpe, mit 2 ein Ventil und mit 3 eine erste Öldiffusionspumpe bezeichnet. An diese Öldiffusionspumpe 3 ist die Ultrahochvakuumpumpe 4, die ebenfalls eine Öldiffusionspumpe ist, angeschlossen. Zur Verzögerung der Rückströmung der Öldämpfe in den Rezipienten 5 ist der Pumpe 4 ein Baffle 6 nachgeschaltet. Zur
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Messung des Druckes sind zwei Ionisationsmanometer 7 und 8 vorgesehen.
Die Öldiffusionspumpe 3 zwischen der Vorpumpe 2 und der Ultrahochvakuumpumpe 4 soll verhindern, dass Vorpumpenöldämpfe in die Pumpe 4 gelangen und das Endvakuum verschlechtern.
Der Rezipient 5 und das Baffle 6 müssen bei 4500C mehrere Stunden lang ausgeheizt werden, um dort absorbierte Gasschichten zu entfernen, die sonst den erreichbaren Enddruck beeinflussen würden. Das Baffle 6 dient, wie bereits gesagt, dazu, auf Grund seines kleinen Leitwertes für Öldämpfe, deren Eindringen in den Rezipienten 5 zu verzögern. Mit Hilfe des Baffle 6 ist es möglich, eine begrenzte Zeitspanne lang einen Druck von einigen 10-10 Torr zu halten. Nach dieser Zeitspanne steigt der Druck jedoch um 2-3 Grössenordnungen. Es ist dies jener Zeitpunkt, bei dem sich im Rezipienten 5 eine einer Monoschicht entsprechende Ölabdeckung gebildet hat.
Erfindungsgemäss wurde nunmehr gefunden, dass der Enddruck von einigen 10 -10 Torr beliebig lange aufrecht erhalten werden kann, wenn man die Öldämpfe vor ihrem Eindringen in den Rezipienten 5 crackt. Die entstehenden Crackprodukte können ohne nennenswerten Druckanstieg zu verursachen, aus dem Rezipienten 5 abgepumpt werden. Dies ist auch bei Anordnung eines üblichen Baffles 6 möglich, da sein Leitwert für permanente Gase sehr hoch ist. Im folgenden sei dies an einem Beispiel dargelegt. Der Dampfdruck des Treibmittels im Baffle bei 100C sei p, = 5 x 10-8Torr, der Leitwert für permanenteGase 11 - 20 1/sec, der Leitwert des Baffles für Öldämpfe Iz = 10-2 1/sec und die mittlere Anzahl der von einem ölmolekül gebildeten Crackprodukte k = 10.
Man erhält so einen Enddruck po des jetzt stationären Zustandes gemäss
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Die Zerlegungsvorrichtung kann in der Verbindung zwischen der Ultrahochvakuumpumpe 4 und dem Rezipienten 5 oder aber auch im unteren Teil des Rezipienten 5 (Fig. 4) vorgesehen sein.
Durch Ausnutzung des Unterschiedes der Leitwerte des verwendeten Baffle für permanente Gase und für Öldämpfe stellt sich somit im Rezipienten ein Druck ein, der unter dem Partialdruck des Treibmittels (bei gleicher Temperatur) liegt.
Es hat sich als beste Lösung erwiesen, die Öldämpfe über Flächen 7 zu leiten, die je nach Art der Dämpfe auf entsprechende Temperaturen aufgeheizt sind, so dass eine Zerlegung der Moleküle sicher stattfindet. Die Flächen 7 werden dabei elektrisch geheizt, u. zw. entweder durch Widerstandsheizung z. B. über Wolframdrähte oder-bleche oder aber durch eine Induktionsheizung. Auch eine Zerlegung der Moleküle mittels einer Gasentladung ist möglich.
Ist einBaffle vorgesehen, so kann dieses Baffle 6 gemäss Fig. 2 mit beheizbaren Flächen 7 ver- sehen sein. GemässFig. 3 kann zwischen demRezipienien 5 und demBaffle 6 oder aber der Pumpe 4 eine Einheit 8 mit der Zerlegungsvorrichtung (Flächen 7) vorgesehen sein.
Es ist selbstverständlich, dass die Flächen auch durch Drähte, Gitter u. dgl. ersetzt werden können.
Wichtig ist nur, sie so anzuordnen, dass jedes Ölmolekül damit in Berührung kommen muss und sicher zerlegt wird. Auch muss jeder vorhandene Kriechweg mindestens einmal über ein geheiztes Element geführt werden.
Die Temperaturen der beheizten Flächen sind örtlich annähernd gleich gross und zeitlich konstant und zur vollständigen Bildung von Crackprodukten bei einmaligem Auftreffen der Ölmoleküle ausreichend. Die Aussenwände der Vakuumanlage bleiben auf Zimmertemperatur.
Eine chemische Reaktion zwischen den Crackprodukten und den beheizten Flächen soll nach Möglichkeit vermieden werden.
Dadurch, dass alle Öldämpfe hinter der Ultrahochvakuumpumpe zerlegt werden, kann man unter Umständen die Öldiffusionspumpe 3 weglassen. Wird die Öldiffusionspumpe 3 doch verwendet, so können die rückdiffundierenden Dämpfe der Vorpumpe bereits hinter dieser Pumpe zerlegt werden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Öldämpfe auf eine andere Art als beschrieben zu zerlegen z. B. auf chemischen Weg.
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System for generating a vacuum
The invention relates to a system for generating a vacuum, in particular an ultra-high vacuum, an oil diffusion pump being provided as a vacuum pump and a device for breaking down oil molecules.
In modern ultra-high vacuum systems, oil diffusion pumps are often used today, since these pumps are simple and robust with regard to their construction, operation and maintenance and have a practically unlimited service life. In order to be able to maintain the ultimate pressure of some 10-10 Torr that can be achieved with oil diffusion pumps for any length of time, it is necessary to prevent oil vapors from penetrating into the recipient.
In order to delay the penetration of oil vapors, it is already known to arrange an oil vapor barrier, a so-called baffle, between the ultra-high vacuum pump and the recipient. In this way, oil vapors can be prevented from penetrating for a certain period of time, which is characteristic of the system. The final pressure that is finally established, that is to say after the oil molecules have penetrated, disadvantageously depends on the geometric arrangement and the respective operating conditions of the ionization manometer used.
It is also already known to provide a device between the oil diffusion pump and the recipient which has double-surface elements that are cooled at the top and heated at the bottom. Gas and oil molecules that reach this device are preferably moved in the direction of the diffusion pump. In a known system, which has an oil diffusion pump, a mercury vapor jet pump and a rotating backing pump, the oil vapors between the oil diffusion pump and mercury vapor jet pump are broken down by combustion in order to prevent their penetration into the mercury atmosphere. The combustion takes place on the fore-vacuum side of the oil diffusion pump; Here, too, the penetration of oil vapors into the vacuum cannot be prevented.
According to the invention, it is proposed that the dismantling device be arranged in the connection between the oil diffusion pump and a recipient or in the recipient, preferably in its pump-side part. As a result of this measure, the lowest attainable pressure can be maintained as the final pressure for any length of time. The pressure is independent of the geometrical design and arrangement of the ionization manometer or other vacuum gauges used. In addition, the oil diffusion pump, which is usually arranged between a backing pump and the ultra-high vacuum pump, can be omitted.
Details can be taken from the following description of the drawings, for example. Fig. 1 shows a known ultra-high vacuum system, Figs. 2-4 show the arrangement of the dismantling device.
In Fig. 1, a known system is shown. 1 is a backing pump, 2 is a valve and 3 is a first oil diffusion pump. The ultra-high vacuum pump 4, which is also an oil diffusion pump, is connected to this oil diffusion pump 3. To delay the return flow of the oil vapors into the recipient 5, the pump 4 is followed by a baffle 6. To
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Two ionization manometers 7 and 8 are provided to measure the pressure.
The oil diffusion pump 3 between the backing pump 2 and the ultra-high vacuum pump 4 is intended to prevent backing pump oil vapors from getting into the pump 4 and worsening the ultimate vacuum.
The recipient 5 and the baffle 6 must be baked for several hours at 4500C in order to remove absorbed gas layers that would otherwise influence the final pressure that can be achieved. As already mentioned, the baffle 6 serves, due to its low conductivity value for oil vapors, to delay their penetration into the recipient 5. With the help of the baffle 6 it is possible to hold a pressure of a few 10-10 Torr for a limited period of time. After this period of time, however, the pressure increases by 2-3 orders of magnitude. This is the point in time at which an oil cover corresponding to a monolayer has formed in the recipient 5.
According to the invention it has now been found that the final pressure of a few 10 -10 Torr can be maintained for any length of time if the oil vapors are cracked before they penetrate into the recipient 5. The resulting cracked products can be pumped out of the recipient 5 without causing a significant increase in pressure. This is also possible if a conventional baffle 6 is arranged, since its conductance for permanent gases is very high. This is shown in the following using an example. Let the vapor pressure of the propellant in the baffle at 100C be p = 5 x 10-8 Torr, the conductance for permanent gases 11-20 1 / sec, the conductance of the baffle for oil vapors Iz = 10-2 1 / sec and the mean number of one oil molecule formed cracking products k = 10.
A final pressure po of the now steady state is thus obtained
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The dismantling device can be provided in the connection between the ultra-high vacuum pump 4 and the recipient 5 or else in the lower part of the recipient 5 (FIG. 4).
By utilizing the difference in the conductance values of the baffle used for permanent gases and for oil vapors, a pressure is established in the recipient that is below the partial pressure of the propellant (at the same temperature).
It has proven to be the best solution to guide the oil vapors over surfaces 7 which, depending on the type of vapors, are heated to appropriate temperatures so that the molecules are reliably broken down. The surfaces 7 are electrically heated, u. between either by resistance heating z. B. via tungsten wires or sheets or by induction heating. It is also possible to break down the molecules by means of a gas discharge.
If a baffle is provided, this baffle 6 can be provided with heatable surfaces 7 according to FIG. According to Fig. 3, a unit 8 with the cutting device (surfaces 7) can be provided between the recipient 5 and the baffle 6 or between the pump 4.
It goes without saying that the surfaces can also be covered by wires, grids, etc. Like. Can be replaced.
It is only important to arrange them in such a way that every oil molecule has to come into contact with them and is safely broken down. Each existing creepage path must also be passed over a heated element at least once.
The temperatures of the heated surfaces are approximately the same locally and constant over time and are sufficient for the complete formation of cracked products when the oil molecules hit once. The outer walls of the vacuum system remain at room temperature.
A chemical reaction between the cracked products and the heated surfaces should be avoided if possible.
Because all oil vapors are broken down behind the ultra-high vacuum pump, the oil diffusion pump 3 can be omitted under certain circumstances. If the oil diffusion pump 3 is used, the back-diffusing vapors from the backing pump can be broken down after this pump.
In principle, it is also possible to break down the oil vapors in a different way than described, e.g. B. by chemical route.
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