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.
Ion Geffer vacuum pump
The subject of the invention is an ion getter vacuum pump.
Getter ion pumps are already known in which cathode projections indicate the glow discharge channels in the anode, but these do not extend into these channels but are coaxial with the glow discharge channels (US Pat. No. 3,112,863). These known cathode projections resulted in a cathode surface on which the ion paths could strike in a grazing manner, so that the sputtering rate of the cathode material on the remaining parts of the cathode was improved. In this known pump, however, the increased atomization rate was not sufficient to enable a stable diode pump with which noble gases could be pumped.
The pump was made stable for pumping noble gases by isolating the cathode protrusions from the remainder of the cathode and operating the cathode protrusions at a more negative potential than the remainder of the cathode. The remaining part of the cathode thus had a more positive potential than the cathode protrusions, so that the ions bombed the remaining part of the cathode at lower speeds than the cathode protrusions, preventing the material from being sputtered again and thus preventing the captured gas molecules from being released .
Another known pump used cathode protrusions in a diode pump. The projections protruded coaxially over practically the entire length of the glow discharge channel through the anode so that a magnetron-like pump was formed. Such a magnetron pump gives better starting properties, at low pressures, i.e. H. Pressures below 10¹¹ Torr, however, have a relatively slow but stable noble gas pumping speed because the cathode material has been deposited on the end plates into which relatively few noble gas ions have been driven and subsequently covered by the sputtered cathode material (US Pat. No. 2,993,638).
The invention is intended to provide a gate ion discharge vacuum pump with improved efficiency when pumping noble gases.
The ion getter vacuum pump according to the invention with a hollow anode which has at least one discharge channel, means for generating a magnetic field which runs in the discharge channel and practically in the direction of the axis of this channel in order to constrict the discharge, a cathode made of a getter material , which is arranged at a distance from the anode and is electrically insulated from it, so that an electrical voltage between the anode and the cathode causes a magnetically constricted electrical discharge and thereby ions can be generated to bombard the cathode, which the cathode getter Atomize material on collecting surfaces within the pump so that gases are gettered in the vacuum pump, the cathode having at least one projection made of getter material which protrudes from the cathode coaxially to the discharge channel in the anode,
is characterized in that the cathode projection extends into the discharge channel in the anode substantially less than up to half the total length of this channel, so that the channel comprises a discharge area containing the cathode projection and a discharge area not containing the cathode projection.
According to a further development of the invention, the cathode projection consists of a substance and a cubic body-centered crystal lattice, so that the atomization rate of the cathode projection is greater than when using hexagonally densely packed material, for example titanium, as has been used up to now.
Preferably, the cathode projection can be a cylindrical pin so that atomization is obtained from both the free end of the pin and from the sides of the pin.
Instead, the cathode projection can also consist of a folded metal element, the folded part extending into the anode discharge channel, so that the production of the cathode projection is facilitated.
According to a special embodiment of the invention, the cathode comprises a part with the cathode protrusion and a part isolated from this part, the potential on the first part being independent of both the anode potential and the potential on the second part, so that a pump structure in the form of a triode is achieved.
According to a particularly advantageous development of the invention, the pump has cathode projections that extend into the discharge channels from both sides, so that the pumping speed of the pump is increased.
Some exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the accompanying drawing.
Show in detail:
1 shows a section through a getter ion discharge pump according to the invention;
FIG. 2 shows the part of a second embodiment enclosed in FIG. 1 by the line 2-2; FIG.
3 shows a partial section through a further embodiment of the invention;
Fig. 4 is a partial section through yet another embodiment of the invention;
Figure 5 is a section along line 5-5 in Figure 4;
Fig. 6 is a section through yet another embodiment of the invention; and
7 shows the dependency of the ion current on the pressure to illustrate the ion current characteristic of the pump according to the invention in comparison with known pumps.
1 shows a getter ion discharge pump with a magnetically constricted discharge. The pump has a hollow vacuum vessel 2 with an inlet opening 3, which is connected to the device to be evacuated, not shown. A hollow cylindrical anode 4 is arranged within the vessel 2 between two cathode plates 5 which consist of a suitable getter material, for example titanium. Two cathode projections 6, for example cylindrical pins, are coaxial with the axis of the cylinder anode 4 and extend from the cathode plates 5 far into the anode cylinder 4. The pegs 6 extend into the discharge channel in the cylinder anode 4 much less than half the total length of this channel. The center plane of the cylinder anode 4 is denoted by 7.
The vacuum vessel 2 is arranged between the poles of a permanent magnet 8 with which a magnetic field B which constricts the discharge is generated and which is directed axially through the electrical discharge channel in the anode 4.
The cathode plug 6 and the cathode plates 5 are electrically connected to the vessel 2, which is operated at ground potential. The anode 4 sits on a conductive rod 9 which extends out of the vacuum vessel 2 through a bushing insulator 11. The rod 9 is connected to a voltage source 12 so that the anode 4 can operate at a suitable positive potential to earth, for example +6 kV. The bushing insulator 11 has a cylindrical insulator 13, for example made of alumina ceramic, which is attached tightly to one end of the vessel 2 and to a metal cover 14 which is tightly connected to the rod 9 at the other end. An annular sputter screen 15 sits on the rod 9 to shield the insulator 13 from sputtered cathode material.
During operation, the pump is first evacuated to a pressure in the order of magnitude of 10 Torr by means of a suitable mechanical or sorption pump (not shown). The anode voltage is then applied in order to initiate a magnetically constricted electrical discharge in the gas in the hollow interior of the cylinder anode 4. The inner wall of the cylinder anode forms a discharge channel which is coaxial with the magnetic field B. The end parts of the discharge channel containing the pegs 6 form magnetron interaction areas 16 and 17. In the area between the free ends of the pegs 6, a Penning discharge area 18 is formed.
A certain fraction of the positive ions generated in the Penning discharge area 18 bombard the pegs 6. Some of these ions are generated in the axis of the discharge channel and bombard the free ends of the pegs 6. Due to the bombardment of the peg ends by the positive ions getter material is atomized from these ends along straight lines which lead away from the ends of the pegs. A considerable percentage of the atomized material is deposited in a ring area on the opposite cathode plate 5, as indicated by the broken lines 19, with any noble gas ions which may be present and which are covered by the subsequently deposited getter material. This deposit causes practically no change in the total weight of the cathode.
Certain other ions which are generated outside the axis of the Penning discharge region 18 bombard the sides of the pegs 6, so that further sputtering of the cathode material from the pegs onto the cathode plates 5 results. The majority of these ions bombard the cones 6 at grazing angles of incidence, so that there is increased atomization from the cones compared with ions that reach the cones at angles normal to the surface of the cones. These ions, which bombard the cones at grazing angles of incidence, ensure that a predominant part of the atomized material is atomized along ray-like paths which leave the cathode surface at substantially the same angle as the angle at which the ions hit.
The grazing impact of the ions thus results in lobes of atomized material, indicated at 20, which further contribute to the deposition of cathode material in the ring pattern indicated at 19. Further ions which do not reach the cones 6 bombard the cathode plates 5 mainly in the area of the most intensive deposition of sputtered cathode material, where they are either gettered or embedded by subsequently sputtered cathode material.
It has been found that the pump form according to FIG. 1 is particularly useful for pumping noble gases thanks to the relatively large deposition of atomized cathode material on the cathode plates 5.
In a preferred embodiment, the pins 6 consist of a body-centered cubic crystallizing material, for example zirconium, molybdenum or tantalum, whereby the rate at which the cathode material is atomized from the pins, compared to the known cathode materials such as titanium, which is a hexagonal close-packed material and is therefore relatively difficult to atomize at grazing angles of incidence, is increased. Tantalum is particularly useful for pumping gases that contain a significant amount of hydrogen, for example air resulting from the decomposition of water vapor, because the solubility of hydrogen in tantalum is a good 20,000 times greater than the solubility of hydrogen in molybdenum.
Toothed cathode plates of known type which have been used in diode pumps have provided a pumping speed for argon that is about 6% of the pumping speed for nitrogen. In the case of a pump of the form shown in FIG. 1 with tantalum cones 6, the pumping speed for argon was about 26% of the pumping speed for nitrogen, so that the pumping speed for noble gases, compared with known diode pumps with toothed cathode plates, improved by a factor of about 4 has been. The pump of FIG. 1 pumps active gases at approximately the same pumping speed as known diode pumps.
The cathode cones 6 preferably have a diameter smaller than 200/0 of the diameter of the discharge channel in order to prevent the shape of the electrical field in the discharge cell from being disturbed too much and the deposition of the atomized cathode material on the cathode plates 5 from being disturbed. On the other hand, however, the cathode pegs 6 should not have too small a diameter, since otherwise atomization may not be obtained from the pegs 6. The pins 6 preferably have a diameter greater than 0.8 mm.
In Fig. 2, another embodiment of the invention is shown. In this embodiment the structure is essentially the same as that according to FIG. 1, only that the cathode pegs 6 ', which protrude into the discharge channel in the anode 4, are conically shaped, in contrast to the pegs 6 according to FIG. 1, which Have a cylindrical shape. The mode of operation is essentially the same as described in connection with FIG. 1, only that the axial alignment of the conical pins 6 'is more critical than that of the cylindrical pins 6 because a slight misalignment of the conical pins 6' with respect to FIG Axis of the discharge channel results in a significantly reduced atomization from the ends of the conical pins 6 '.
In Fig. 3, a further embodiment of the invention is shown. In this case the structure is essentially identical to that according to FIG. 1, only that the anode 4 has a number of discharge channels which are coaxial with the magnetic field B constricting the discharge. The anode with several discharge channels and the pump that works with it have a higher pumping capacity, as this increases with the number of anode cells.
4 and 5, a further embodiment of the invention is shown. In this embodiment the structure is essentially the same as just described in connection with Fig. 3, only that the cathode projections which protrude into the discharge channels of the anode 4 consist of a folded piece of sheet metal which is sawn in at 25 around the cathode projections 6 ". The folded sheet consists of a suitable getter material as has been described above in connection with the pins 6 I.
The folded sheet metal can be attached to the cathode plates 5 or can be attached above the cathode plates 5 with a suitable carrier, not shown. The folded cathode projections 6 ″ operate essentially in the same manner as the cathode pegs 6 and 6 ′, respectively, which have been described in connection with FIGS.
FIG. 6 shows yet another embodiment of the invention similar to that of FIG. 4, except that the cathode projections 6 ″, which protrude into the anode discharge channels 4, can be operated at a potential which is more negative than that of the cathode plates 5 to get a triode pump.
More precisely, the device is essentially identical to that according to FIG. 4, only that the folded cathode sheets 6 ″ with insulating parts 26 are placed on the cathode plates 5 so that the cathode projections 6 ″ can operate at a cathode potential which is independent of that of the cathode plates 5 is. In detail, a voltage source 27 is connected to the cathode projections 6 ″ by means of conductors 28 in order to operate the cathode projections 6 ″ at a potential that is, for example, 2000 V more negative than the cathode plates 5.
If the cathode projections 6 "work at a potential which is considerably more negative than that of the cathode plates 5, the sputtering from the cathode projections 6" - corresponding to the voltage applied between these projections 6 "and the anode cells 4 is increased, so that the ions which the Bombard the cathode plates 5, the areas on which the cathode material is deposited bombard at lower speeds than the cathode protrusions 6 ″. This results in a relative reduction in the re-atomization of the cathode material deposited on the cathode plates 5. A typical triode operation is thus achieved.
The operating behavior of the triode pump described is, however, improved compared to known triode pumps in that combined magnetron and Penning discharge regions have been produced in the anode cells, and by the increased atomization rate of the cathode material from the cathode projections 6 ″.
7 shows the dependence of the ion current I on the pressure P to illustrate the characteristic of an ion getter pump according to the invention in comparison with a known pump. The broken curve 29 shows the typical ion characteristic of known diode pumps that work with Pennmng discharge cells with magnetically constricted discharge. In this case, the ion current I falls with falling pressure until the discharge is extinguished. The characteristic curve for a pump according to the invention is shown at 31. It can be seen from the characteristic curve 31 that the ionic current I falls with falling pressure until a certain low pressure range is reached in which the current gradually becomes constant and does not fall further with falling pressure.
In the range of very low pressures, the discharge current I is higher than in the known form of the open cell. This makes it easier to start the ion pumps in the low pressure range, and the pump can operate down to lower pressures.
It is believed that the improved low pressure ignition is facilitated by emission from the pins 6. It has been observed that the pump discharge ignites easily at anode voltages of the order of magnitude of 3,000 volts and at pressures lower than 3 x 10-11 Torr.
The pump according to the invention has been described with pairs of cathode projections 6 which extend into the discharge anode channels from both ends, but this is not necessary. If desired, only a single cathode projection needs to reach into the discharge channel. However, the pumping speed is reduced compared to a shape with cathode projections which extend into the discharge channel from both sides.
In the ion getter discharge vacuum pumps described, the cathode projection that extends into the discharge channel defines two different discharge areas in the discharge channel.In the area of the discharge channel that contains the cathode projection, the cathode projection and the coaxial anode channel form a magnetron-like interaction area. A magnetically constricted Penning discharge takes place in the area of the discharge channel that does not contain the cathode projection.
Positive ions generated in the Penning discharge region bombard the cathode protrusion so that the cathode material is sputtered and deposited on the cathode outside the anode. This deposition of atomized getter material is particularly useful for pumping noble gases, since noble gas molecules usually cannot be gettered but must be bound by covering with getter material.
Some of the ions bombard the side surface of the cathode projection in a grazing manner, so that cathode material is further sputtered onto the areas of the structure, while some of the ions generated in the magnetron-like interaction area strike the cathode projection at normal angles of incidence. In a preferred embodiment, the cathode projection consists of a material with a cubic body-centered crystal lattice such as tantalum, molybdenum or zirconium, which is more easily atomized by grazing ions than conventional cathode material such as titanium, which is a hexagonally densely packed substance.
In a preferred embodiment, the cathode projections are made of tantalum, which dissolves hydrogen more easily than certain other substances with a cubic body-centered lattice such as molybdenum. Getter ion discharge pumps with cathode projections according to the invention result in pumping speeds for argon which are approximately 26% of the pumping speed for nitrogen, thus making it possible to increase the pumping speed for noble gases by a factor of four compared with known pumps with toothed cathode plates.