Ionen Geffer-Vakuumpumpe
Die Erfindung hat zum Gegenstand eine Ionen Getter-Vaknumpumpe.
Es sind bereits Getter-Ionen-Pumpen bekannt, bei denen Kathodenvorsprünge auf die Glimmentladungskanäle in der Anode hinweisen, diese erstrecken sich jedoch nicht in diese Kanäle, sind jedoch mit den Glimmentladungskanälen koaxial (US-Patent 3 112 863). Diese bekannten Kathodenvorsprünge ergaben eine Kathodenoberfläche, auf die die lonenbahnen streifend auftreffen konnten, so dass die Zerstäubungsrate des Kathodenmaterials auf den restlichen Teilen der Kathode verbessert wurde. Bei dieser bekannten Pumpe reichte jedoch die erhöhte Zerstäubungsrate nicht aus, um eine stabil arbeitende Diodenpumpe zu ermöglichen, mit der Edelgase gepumpt werden konnten.
Die Pumpe wurde zum Pumpen von Edelgasen stabil gemacht, indem die Kathodenvorsprünge vom restlichen Teil der Kathode isoliert wurden und die Kathodenvorsprünge auf einem negativeren Potential arbeiteten als der restliche Teil der Kathode. Der restliche Teil der Kathode hatte also ein positiveres Potential als die Kathodenvorsprünge, so dass die Ionen den restlichen Teil der Kathode mit kleineren Geschwindigkeiten bom- bardierten als die Kathodenvorsprünge, wodurch ein erneutes Zerstäuben des Materials und damit die Freigabe der aufgefangenen Gas-Moleküle verhindert wurde.
Bei einer anderen bekannten Pumpe wurden Katho denvorsprünge in einer Diodenpumpe verwendet. Die Vorsprünge ragten koaxial praktisch über die ganze Länge des Glimmentladungskanals durch die Anode so dass eine magnetronartige Pumpe gebildet wurde. Eine solche Magnetronpumpe ergibt zwar bessere Starteigenschaften, bei niedrigen Drücken, d. h. Drücken unter 10¹ Torr, hat jedoch eine relativ langsame, aber stabile Edelgaspumpgeschwindigkeit, weil das Kathodenmaterial auf den Endplatten abgelagert wurde, in die relativ wenige Edelgasionen eingetrieben und anschliessend durch das zerstäubte Kathodenmaterial bedeckt wurden (US-Patentschrift 2 993 638).
Durch die Erfindung soll eine Gatter-Ionen-Entladungs-Vakuumpumpe mit verbessertem Wirkungsgrad beim Abpumpen von Edelgasen verfügbar gemacht werden.
Die erfindungsgemässe Ionen-Getter-Vakuumpumpe mit einer hohlen Anode, die wenigstens einen Entladungskanal aufweist, Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das im Entladungskanal und praktisch in der Richtung der Achse dieses Kanals verläuft, um die Entladung einzuschnüren, einer Kathode aus einem Getter-Material, die im Abstand von der Anode angeordnet und gegen diese elektrisch isoliert ist, so dass durch eine elektrische Spannung zwischen der Anode und der Kathode eine magnetisch eingeschnürte elektrische Entladung bewirkt und dadurch Ionen zur Bombardierung der Kathode erzeugt werden können, die das Kathoden-Getter-Material auf Sammelflächen innerhalb der Pumpe zerstäuben, so dass Gase in der Vakuumpumpe gegettert werden, wobei die Kathode wenigstens einen Vorsprung aus Getter-Material aufweist, der von der Kathode koaxial zum Entladungskanal in der Anode hervorsteht,
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenvorsprung in den Entladungskanal in der Anode wesentlich weniger als bis zur Hälfte der Gesamtlänge dieses Kanals hineinreicht, so dass der Kanal einen den Kathodenvorsprung enthaltenden Entladungsbereich und einen den Kathodenvorsprung nicht enthaltenden Entladungsbereich umfasst.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Kathodenvorsprung aus einem Stoff und kubisch körperzentrierten Kristallgitter, so dass die Zerstäubungsrate vom Kathodenvorsprung grösser ist als bei Verwendung von hexagonal dicht gepacktem Stoff, beispielsweise Titan, wie er bisher verwendet worden ist.
Vorzugsweise kann der Kathodenvorsprung ein zylindrischer Zapfen sein, so dass eine Zerstäubung sowohl vom freien Ende des Zapfens als auch von den Seiten des Zapfens erhalten wird.
Stattdessen kann der Kathodenvorsprung auch aus einem gefalteten Metallelement bestehen, wobei der gefaltete Teil in den Anoden-Entladungskanal hinein reicht, so dass die Herstellung des Kathodenvorsprungs erleichtert ist.
Gemäss einer speziellen Ausbildung der Erfindung umfasst die Kathode einen Teil mit dem Kathodenvorsprung und einen von diesem Teil isolierten Teil, wobei das am ersten Teil liegende Potential unabhängig sowohl vom Anodenpotential als auch vom Potential am zweiten Teil ist, so dass ein Pumpenaufbau in Form einer Triode erreicht wird.
Gemäss einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Pumpe Kathodenvorsprünge auf, die von beiden Seiten in die Entladungskanäle hineinreichen, so dass die Pumpgeschwindigkeit der Pumpe vergrössert wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Getter-Ionen-Entladungspumpe;
Fig. 2 den in Fig. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch noch eine andere Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 einen Schnitt durch noch eine andere Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 7 die Abhängigkeit des Ionenstroms vom Druck zur Veranschaulichung der Ionenstromkennlinie der erfindungsgemässen Pumpe im Vergleich zu bekannten Pumpen.
In Fig. 1 ist eine Getter-Ionen-Entladungspumpe mit magnetisch eingeschnürter Entladung dargestellt. Die Pumpe weist ein hohles Vakuumgefäss 2 mit einer Einlassöffnung 3 auf, die in Verbindung mit der nicht dargestellten, zu evakuierenden Einrichtung steht. Eine hohlzylindrische Anode 4 ist innerhalb des Gefässes 2 zwischen zwei Kathodenplatten 5 angeordnet, die aus einem geeigneten Gettermaterial bestehen, beispielsweise Titan. Zwei Kathodenvorsprünge 6, beispielsweise zylindrische Zapfen, sind koaxial mit der Achse der Zylinderanode 4 und reichen von den Kathodenplatten 5 weit in den Anodenzylinder 4 hinein. Die Zapfen 6 reichen in den Entladungskanal in der Zylinderanode 4 wesentlich weniger als zur Hälfte der Gesamtlänge dieses Kanals hinein. Die Mittelebene der Zylinderanode 4 ist mit 7 bezeichnet.
Das Vakuumgefäss 2 ist zwischen den Polen eines Permanentmagneten 8 angeordnet, mit dem ein die Entladung einschnürendes Magnetfeld B erzeugt wird, das axial durch den elektrischen Entladungskanal in der Anode 4 gerichtet ist.
Die Kathodenzapfen 6 und die Kathodenplatten 5 sind elektrisch mit dem Gefäss 2 verbunden, das auf Erdpotential betrieben wird. Die Anode 4 sitzt auf einem leitenden Stab 9, der aus dem Vakuumgefäss 2 durch einen Durchführungsisolator 11 hinausreicht. Der Stab 9 ist mit einer Spannungsquelle 12 verbunden, so dass die Anode 4 auf einem geeigneten positiven Potential gegen Erde arbeiten kann, beispielsweise +6 kV. Der Durchführungsisolator 11 weist einen zylindrischen Isolator 13, beispielsweise aus Tonerdekeramik, auf, der an ein Ende des Gefässes 2 dicht angesetzt ist und am anderen Ende an eine Metaliblende 14, die dicht mit dem Stab 9 verbunden ist. Ein ringförmiger Zerstäubungsschirm 15 sitzt auf dem Stab 9, um den Isolator 13 gegen zerstäubtes Kathodenmaterial abzuschirmen.
Im Betrieb wird die Pumpe zunächst mittels einer geeigneten, nicht dargestellten mechanischen oder Sorptionspumpe auf einen Druck in der Grössenordnung von 10 Torr evakuiert. Dann wird die Anodenspannung angelegt, um eine magnetisch eingeschnürte elektrische Entladung im Gas im hohlen Inneren der Zylinderanode 4 einzuleiten. Die Innenwand der Zylinderanode bildet einen Entladungskanal, der koaxial mit dem Magnetfeld B ist. Die die Zapfen 6 enthaltenden Endteile des Entladungskanals bilden Magnetron-Wechselwirkungs bereiche 16 und 17. Im Bereich zwischen den freien Enden der Zapfen 6 ist ein Penning-Entladungsbereich 18 gebildet.
Ein gewisser Bruchteil der positiven Ionen, die im Penning-Entladungsbereich 18 erzeugt werden, bombardieren die Zapfen 6. Einige dieser Ionen werden in der Achse des Entladungskanals erzeugt und bombardieren die freien Enden der Zapfen 6. Auf Grund der Bombardierung der Zapfenenden durch die positiven Ionen wird von diesen Enden Gettermaterial längs gerader Linien zerstäubt, die von den Enden der Zapfen wegführen. Ein erheblicher Prozentsatz des zerstäubten Materials wird in einem Ringbereich auf der gegenüberliegenden Kathodenplatte 5 abgelagert, wie durch die unterbrochenen Linien 19 angedeutet wird, wobei etwa vorhandene Edelgasionen eingebettet werden, die durch anschliessend abgelagertes Getter-Material bedeckt werden. Diese Ablagerung bewirkt praktisch keine Änderung des Gesamtgewichtes der Kathode.
Gewisse andere Ionen, die ausserhalb der Achse des Penning-Entladungsbereiches 18 erzeugt werden, bombardieren die Seiten der Zapfen 6, so dass sich ein weiteres Zerstäuben des Kathodenmaterials von den Zapfen auf die Kathodenplatten 5 zu ergibt. Der überwiegende Teil dieser Ionen bombardiert die Zapfen 6 unter streifenden Auftreffwinkeln, so dass sich ein erhöhtes Zerstäuben von den Zapfen ergibt, verglichen mit Ionen die die Zapfen unter Winkeln normal zur Oberfläche der Zapfen erreichen. Diese Ionen, die die Zapfen unter streifenden Auftreffwinkeln bombardieren, sorgen dafür, dass ein überwiegender Teil des zerstäubten Materials längs strahlenartigen Wegen zerstäubt wird, die die Kathodenoberfläche unter im wesentlichen dem gleichen Winkel verlassen wie der Winkel, unter dem die Ionen auftreffen.
Das streifende Auftreffen der Ionen ergibt damit Keulen aus zerstäubtem Material, die bei 20 angedeutet sind, die weiter zum Ablagern von Kathodenmaterial im bei 19 angedeuteten Ringmuster beitragen. Weitere Ionen, die die Zapfen 6 nicht erreichen, bombardieren die Kathodenplatten 5 hauptsächlich im Bereich der intensivsten Ablagerung von zerstäubtem Kathodenmaterial, wo sie entweder gegettert oder durch nachfolgend zerstäubtes Kathodenmaterial eingebettet werden.
Es wurde festgestellt, dass die Pumpenform nach Fig. 1 besonders brauchbar zum Pumpen von Edelgasen ist, und zwar dank der relativ grossen Ablagerung von zerstäubtem Kathodenmaterial auf den Kathodenplatten 5.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Zapfen 6 aus einem körperzentrierten kubisch kristallisierenden Material, beispielsweise Zirkon, Molybdän oder Tantal, wodurch die Geschwindigkeit, mit der Kathodenmaterial von den Zapfen zerstäubt wird, verglichen mit den bekannten Kathodenmaterialien wie Titan, das ein hexagonal dicht gepacktes Material ist und deshalb relativ schwer unter streifenden Auftreffwinkeln zu zerstäuben ist, erhöht wird. Tantal ist besonders brauchbar zum Pumpen von Gasen, die einen erheblichen Anteil Wasserstoff enthalten, beispielsweise Luft, das aus der Zersetzung von Wasserdampf herrührt, weil die Löslichkeit des Wasserstoffs in Tantal grössen ordnungsmässig 20 000mal grösser ist als die Löslichkeit von Wasserstoff in Molybdän.
Gezahnte Kathodenplatten bekannter Art, die in Diodenpumpen verwendet wurden, haben eine Pumpgeschwindigkeit für Argon ergeben, die etwa bei 6 O/o der Pumpgeschwindigkeit für Stickstoff liegt. Bei einer Pumpe der in Fig. 1 dargestellten Form mit Tantalzapfen 6, war die Pumpgeschwindigkeit für Argon etwa 26 O/o der Pumpgeschwindigkeit für Stickstoff, so dass die Pumpgeschwindigkeit für Edelgase, verglichen mit bekannten Diodenpumpen mit gezahnten Kathodenplatten, etwa um den Faktor 4 verbessert wurde. Die Pumpe nach Fig. 1 pumpt aktive Gase etwa mit derselben Pumpgeschwindigkeit wie bekannte Diodenpumpen.
Die Kathodenzapfen 6 haben vorzugsweise einen Durchmesser kleiner als 200/0 des Durchmessers des Entladungskanais, um zu verhindern, dass die Form des elektrischen Feldes in der Entladungszelle zu stark gestört wird und der Niederschlag des zerstäubten Kathodenmaterials auf den Kathodenplatten 5 gestört wird. Andererseits sollen die Kathodenzapfen 6 jedoch nicht zu kleine Durchmesser haben, da sonst möglicherweise keine Zerstäubung von den Zapfen 6 erhalten wird. Vorzugsweise haben die Zapfen 6 einen Durchmesser grösser als 0,8 mm.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Aufbau im wesentlichen der gleiche wie der nach Fig. 1, nur dass die Kathodenzapfen 6', die in den Entladungskanal in der Anode 4 hineinragen, konisch geformt sind, im Gegensatz zu den Zapfen 6 nach Fig. 1, die Zylinderform haben. Die Betriebsweise ist im we- sentlichen die gleiche wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, nur dass die axiale Ausrichtung der konischen Zapfen 6' kritischer ist als die der zylindrischen Zapfen 6, weil eine leichte Fehlausrichtung der konischen Zapfen 6' mit Bezug auf die Achse des Entladungskanals eine erheblich verringerte Zerstäubung von den Enden der konischen Zapfen 6' ergibt.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In diesem Falle ist der Aufbau im wesentlichen identisch mit dem nach Fig. 1, nur dass die Anode 4 eine Anzahl Entladungskanäle aufweist, die koaxial mit dem die Entladung einschnürenden Magnetfeld B sind. Die Anode mit mehreren Entladungskanälen und die damit arbeitende Pumpe hat eine höhere Pumpkapazität, da diese mit der Anzahl der Anodenzellen wächst.
In Fig. 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Aufbau im wesentlichen der gleiche wie soeben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, nur dass die Kathodenvorsprünge, die in die Entladungskanäle der Anode 4 hineinragen, aus einem gefalteten Stück Metallblech bestehen, das bei 25 eingesägt ist, um die Kathodenvorsprünge 6" zu bilden. Das gefaltete Blech besteht aus einem geeigneten Gettermaterial wie es oben in Verbindung mit den Zapfen 6 Ibeschrieben worden ist.
Das gefaltete Blech kann an den Kathodenplatten 5 befestigt werden oder kann oberhalb der Kathodenplatten 5 mit einem geeigneten, nicht dargestellten Träger befestigt werden. Die gefalteten Kathodenvorsprünge 6" arbeiten im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Kathodenzapfen 6 bzw. 6', die in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind.
In Fig. 6 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich der nach Fig. 4 dargestellt, nur dass die Kathodenvorsprünge 6", die in die Anodenentladungskanäle 4 hineinragen, auf einem Potential betrieben werden können, das negativer ist als das der Kathodenplatten 5, um eine Triodenpumpe zu erhalten.
Genauer gesagt, die Vorrichtung ist im wesentlichen identisch der nach Fig. 4, nur dass die gefalteten Kathodenbleche 6" mit Isolierteilen 26 auf die Kathodenplatten 5 aufgesetzt sind, so dass die Kathodenvorsprünge 6" auf einem Kathodenpotential arbeiten können, das unabhängig von dem der Kathodenplatten 5 ist. Im einzelnen wird eine Spannungsquelle 27 an die Kathodenvorsprünge 6" mittels Leiter 28 angeschlossen, um die Kathodenvorsprünge 6" auf einem beispielsweise um 2000 V negativeren Potential zu betreiben als die Kathodenplatten 5.
Wenn die Kathodenvorsprünge 6" auf einem Potential arbeiten, das erheblich negativer ist als das der Kathodenplatten 5 wird die Zerstäubung von den Kathodenvorsprüngen 6"- entsprechend der zwischen diesen Vorsprüngen 6" und den Anodenzellen 4 angelegten Spannung erhöht, so dass die Ionen, die die Kathodenplatten 5 bombardieren, die Bereiche auf denen sich das Kathodenmaterial ablagert mit kleineren Geschwindigkeiten bombardieren als die Kathodenvorsprünge 6", Es ergibt sich dadurch eine relative Herabsetzung der Wiederzerstäubung des Kathodenmaterials, das auf den Kathodenplatten 5 ablagert ist. Es wird also ein typischer Triodenbetrieb erreicht.
Das Betriebsverhalten der beschriebenen Triodenpumpe ist jedoch gegenüber bekannten Triodenpumpen dadurch verbessert, dass kombinierte Magnetron- und Penning-Entladungsbereiche in den Anodenzellen hergestellt worden sind, und durch die erhöhte Zerstäubungsrate des Kathodenmaterials von den Kathodenvorsprüngen 6".
In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Ionenstroms I vom Druck P zur Veranschaulichung der Kennlinie einer Ionen-Getter¯Pumpe nach der Erfindung im Vergleich zu einer bekannten Pumpe dargestellt. Die unter brochene Kurve 29 zeigt die typische Ionenkennlinie bekannter Diodenpumpen, die mit Pennmng-Entla dungszellen mit magnetisch eingeschnürter Entladung arbeiten. In diesem Falle fällt der Ionenstrom I mit fallendem Druck, bis die Entladung verlöscht. Die Kennlinie für eine erfindungsgemässe Pumpe ist bei 31 dargestellt. Aus der Kennlinie 31 ist zu ersehen, dass der Ionenstrom I mit fallendem Druck fällt, bis ein gewisser Niederdruckbereich erreicht wird, in dem der Strom allmählich konstant wird und nicht weiter mit fallendem Druck abfällt.
Im Bereich sehr niedriger Drücke ist also der Entladungsstrom I höher, als bei der bekannten Form der offenen Zelle. Dadurch wird das Starten der Ionenpumpen im Tiefdruckbereich erleichtert, und die Pumpe kann bis herab zu niedrigeren Drücken arbeiten.
Es wird angenommen, dass die verbesserte Tiefdruckzündung durch Emission von den Zapfen 6 erleichtert wird. Es ist beobachtet worden, dass die Pumpenentladung bei Anodenspannungen in der Grössenordnung von 3 000 Volt und bei Drücken niedriger als 3 x 10-11 Torr leicht zündet.
Die erfindungsgemässe Pumpe ist zwar mit Paaren von Kathodenvorsprüngen 6 beschrieben worden, die in die Entladungsanodenkanäle von beiden Enden hineinreichen, das ist jedoch nicht erforderlich. Erwünschtenfalls braucht nur ein einziger Kathodenvorsprung in den Entladungskanal hineinzureichen. Die Pumpgeschwindigkeit wird jedoch gegenüber einer Form mit Kathodenvorsprüngen, die von beiden Seiten in den Entladungskanal hineinreichen, verringert.
Bei den beschriebenen Ionen-Getter-Entladungs-Vakuumpumpen bestimmt der Kathodenvorsprung, der in den Entladungskanal hineinreicht, im Entladungskanal zwei verschiedene Entladungsbereiche, In dem Bereich des Entladungskanals, der den Kathodenvorsprung enthält, bildet der Kathodenvorsprung mit dem koaxialen Anodenkanal einen magnetronartigen Wechselwirkungsbereich. In dem Bereich des Entladungskanals, der den Kathodenvorsprung nicht enthält, findet eine magnetisch eingeschnürte Penning-Entladung statt.
Positive Ionen, die im Penning-Entladungsbereich erzeugt werden, bombardieren den Kathodenvorsprung, so dass das Kathodenmaterial zerstäubt und auf der Kathode ausserhalb der Anode ablagert. Diese Ablagerung von zerstäubtem Gettermaterial ist besonders nützlich zum Pumpen von Edelgasen, da Edelgasmoleküle gewöhnlich nicht gegettert werden können, sondern durch Bedecken mit Gettermaterial gebunden werden müssen.
Einige der Ionen bombardieren die Seitenfläche des Kathodenvorsprungs streifend, so dass Kathodenmaterial weiter auf die Bereiche des Aufbaus zerstäubt wird, während einige der im magnetronartigen Wechselwirkungsbereich erzeugten Ionen unter normalen Auftreffwinkeln auf den Kathodenvorsprung auftreffen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kathodenvorsprung aus einem Werkstoff mit einem kubisch körperzentrierten Kristallgitter wie Tantal Molybdän oder Zirkon, das von streifend auftreffenden Ionen leichter zerstäubt wird als übliches Kathodenmaterial wie Titan, das ein hexagonal dicht gepackter Stoff ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kathodenvorsprünge aus Tantal, das leichter Wasserstoff löst als gewisse andere Stoffe mit einem kubisch körperzentrierten Gitter wie Molybdän. Getter-Ionen Entladungspumpen mit Kathodenvorsprüngen nach der Erfindung ergeben Pumpgeschwindigkeiten für Argon, die etwa 26 Olo der Pumpgeschwindigkeit für Stickstoff betragen, ermöglichen also eine Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit für Edelgase um den Faktor vier, verglichen mit bekannten Pumpen mit gezahnten Kathodenplatten.