DE1000960B

DE1000960B - Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE1000960B
Application number: DEG14274A
Authority: DE
Inventors: Anatole Matvey Gurewitsch; Willem Fredrik Westendorp
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1953-04-24
Filing date: 1954-04-24
Publication date: 1957-01-17
Also published as: GB834655A; GB753264A; BE528321A; FR1101015A; US2858972A; US2925214A; DE1094401B; FR71663E; US2755014A; CH363756A; FR71662E; NL112031C

Description

DEUTSCHES

kl. 27 d

INTERNAT. KL. F 04 f

PATENTAMT

G 14274 Ia/27 d ANMELDETAG: 2 4. A P R I L 1 9 5 4

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. JANUAR 1957

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Vakuumpumpen und bezieht sich auf eine Vakuumpumpe, bei welcher von einer Ionenentladung Gebrauch gemacht wird.

Es sind Ionenpumpen bekannt, in welchen die Moleküle des Restgases durch Stoß von Elektronen ionisiert werden, die aus einer Glühkathode emittiert und in einem zwischen der Kathode und einer Anode liegenden elektrischen Feld beschleunigt wurden. Um die Ausbeute zu erhöhen, kann ein transversales Magnetfeld vorgesehen sein. Die ionisierten Restgasmoleküle werden durch ein weiteres elektrisches Feld abgesaugt und in Richtung auf das Vorvakuum beschleunigt und somit aus dem Rezipienten entfernt. Für alle bekannten Ionenpumpen wird deshalb eine Vorvakuumpumpe benötigt. Für abgeschmolzene Vakuumsysteme sind sie nicht geeignet; sie haben gegenüber den in der Hochvakuumtechnik gebräuchlichen Diffusionspumpen jedoch den Vorteil, daß keine Treibmitteldämpfe auftreten können.

Um ein Vakuum in einem abgeschmolzenen Gefäß aufrechtzuerhalten, sind auch chemisch aktive Getter benutzt worden, die jedoch den manchmal schwerwiegenden Nachteil besitzen, daß sie nur begrenzte Gasmengen und keine inerten Gase absorbieren können.

Die Erfindung bezweckt, eine Ionenpumpe zu schaffen, die keine Vorpumpe benötigt, also an abgeschlossenen Systemen, z. B. Großsenderöhren, Verwendung finden kann, und die die erwähnten Nachteile der Getter weitgehend vermeidet.

Erfindungsgemäß ist eine Vakuumpumpe, in welcher Gasmoleküle durch zwischen mindestens zwei Elektroden beschleunigte Elektronen ionisiert werden, bei welcher ferner ein zeitlich konstantes axiales magnetisches Feld die Elektronenwege vor dem Auftrennen auf eine der Elektroden verlängert, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasionen nach ihrer Beschleunigung auf eine verhältnismäßig hohe Energie durch quer zur Bahnrichtung dieser Ionen gelegene Körper absorbiert werden.

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch dargestellte erfindungsgemäße Ionenvakuumpumpe ;

Fig. 2 stellt eine Seitenansicht der in Fig. 1 veranschaulichten Pumpe dar;

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäß an eine Hochvakuumelektronenröhre angefügte Pumpe;

Fig. 4 bis 6 sind vereinfachte Darstellungen anderer Ausführungsformen der Erfindung, und

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der senkrechten Schnittebene 7-7 in Fig. 6.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 enthält ein zylindrisches evakuierbares Gehäuse 1 aus nicht magnetischem Material, beispielsweise aus rostfreiem Vakuumpumpe

Anmelder:

General Electric Company, Schenectadyv N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 24. April 1953

Willem Fredrik Westendorp und Anatole Matvey Gurewitscii, Schenectady, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Stahl, eine ringförmige Elektrode 2 und scheibenförmige oder plattenförmige Elektroden 3 und 4. Die Ringelektrode 2, die beispielsweise aus Molybdän odier Wolfram bestehen kann, ist etwa in der Mitte des vom Gehäuse 1 umschlossenen Raumes angeordnet und auf einem leitenden Stab 3' angebracht, der an einer leitenden Kappe 5 sitzt, die ihrerseits. a.m Gehäuse 1 über ein Isolierrohr 6 befestigt ist. Die Elektroden 3 und 4, welche aus Graphit, aus Titan, aus Magnesium, aus Aluminium oder aus rostfreiem Stahl bestehen können, können an den Endplatten des Gehäuses 1 mittels durch Punktsdhweißung befestigter Klammern 7 befestigt werden.

Das bereits erwähnte magnetische Feld kann mittels eines permanenten Magneten 8 von hoher Koerzitivkraft erzeugt werden, der mit seinen Polenden.9 und 10 an Weicheisenpolschuhen 11 und 12 anliegt. Die Polschuhe 11 und 12 sind koaxial zu den Elektroden 2, 3 und 4 angeordnet und liegen in den beiden Öffnungen nicht magnetischer distanzförmiger Teile 13 und 14, die mittels Schraubenbolzen 15 undi Muttern 16 befestigt sind. Die Polschuhe 10 und 11 liegen an den Außenseiten der Endscheiben des Gefäßes 1.

Um die Pumpe in Betrieb zu setzen, wird die Sekundärwicklung 17 eines Aufwärtstransformators 18 mit der einen Klemme über die leitende Kappe 19 an die Ringelektrode 2 und mit der anderen Klemme über eine Leitung 20, die zum Gehäuse 1 führt, an die

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Scheiben- oder Plattenelektroden Z, 4 angeschlossen. Die Primärwicklung 21 des Transformators 18 wird von einer Wechselstromquelle 22 über einen Spartransformator und einen Strombegrenzungswiderstand 24 gespeist.

Für den Betrieb kann die Ionenpumpe über eine Leitung 26 an einen Rezipienten, beispielsweise an die Hochvakuumröhre 25 in Fig. 3, angeschlossen werden. Da die Pumpe ein Vorvakuum bis auf ein hohes

scheiben für eine längere Zeitspanne, beispielsweise einige Stunden lang, in einem Vakuumhochfrequenzofen auf etwa 1000⁰C erhitzt und dadurch vollständig entgast.

Die wiedergegebenen Betrachtungen zeigen die Betriebseigenschaften der erfindungsgemäßen Pumpe.

Die Beziehung zwischen der Pumpgeschwindigkeit -j— (wobei Λ^Γ die Gesamtzahl der absorbierten Ionen ist),

Vakuum erniedrigt, muß der Rezipient vorweg auf ein io dem Entladungsstrom i, der Spannung V und dem

\^akuum von 10 oder 100 Mikron, beispielsweise mittels einer mechanischen Pumpe, entlüftet werden. Wenn die Erregerspannung zwischen die Ringelektrode 2 und die Plattenelektroden 3 und 4 gelegt wird, wird eine selbständige Gasentladung eingeleitet. Wenn die Spannung der Stromquelle 22 in einem betrachteten Zeitpunkt solche Polarität hat, daß die Ringelektrode 2 positiv gegenüber den Plattenelektroden 3 und 4 ist, so werden die freien Elektronen innermagnetischen Feld B kann in erster Annäherung folgendermaßen angesetzt werden:

^=Ki-XN. (1)

B ) I,

und es ist daher

in welcher i = f (V₁ p, B), p der Druck im Gehäuse 1 ist, K eine Funktion von V ist und λ eine Konstante bei konstanter Temperatur ist, welche das von den Elektroden 3 und 4 absorbierte Gas kennzeichnet. Für halb des Gehäuses 1 nach der positiven Ringelektrode a° konstante Werte von V, p und B lautet die Lösung hin beschleunigt, können jedoch diese Elektrode oder der Differentialgleichung (1) Anode wegen des axialen magnetischen Feldes nicht
erreichen. Die Elektronen beschreiben vielmehr
schraubenlinienförmige Bahnen längs der magnetischen Kraftlinien. Während der Spannungshalbwelle, 25
in welcher die Ringelektrode positiv ist, führen also
die Elektronen zahlreiche Schwingungen um die Ebene
des Ringes 2 zwischen den Elektroden 3 und 4 aus.
Der Elektronenweg wird somit stark verlängert, und
die Elektronen können, zahlreiche Gasmoleküle treffen 30

und ionisieren, bevor sie schließlich den positiven Auf Grund dieses Ergebnisses kann man das VerRing 2 erreichen. Bei jeder Stoß ionisation entsteht halten einer erfindungsgemäßen Ionenvakuumpumpe dann ein weiteres Elektron, welches seinerseits peri- qualitativ bereits folgendermaßen voraussagen: odisch beschleunigt wird und weitere Ionen bilden In einem Rezipienten mit einer gewissen Undichtig-

kann. Da die Gasionen eine positive Ladung besitzen, 35 keit, die durch die Einströmung einer Menge L je werden sie in der Richtung zu den negativen Platten- Zeiteinheit gegeben ist, bildet sich ein dynamischer elektroden 3 und 4 beschleunigt und dringen in diese Gleichgewichtszustand aus, derart, daß die Pump-

dN

dN dt

geschwindigkeit -7-gerade die Einströmung in den

ein, wodurch sie also aus dem Innenraum des Gehäuses 1 entfernt werden. Beim Eindringen der Gasionen
in die negativen Elektroden werden Sekundärelektronen 40 Rezipienten kompensiert. Man kann also schreiben und Photoelektronen gebildet, welche in gleicherweise ,„

zur Aufrechterhaltung der Entladung beitragen. Wäh- „ = £ = Ki XN (4)

rend derjenigen Halbwelle der- Wechselspannung, in ^

der die Ringelektrode 2 negativ gegenüber den Plattenelektroden ist, findet keine Gasentladung statt. Gewünschtenf alls kann auch eine dauernd brennende Gasentladung erzeugt werden, wenn man nämlich die Wechselspannungsquelle durch eine Gleichstromquelle ersetzt und die positive Klemme dieser Gleichspannung an die Ringelektrode anschließt.

und daher auch

Ki = L + λΝ .

Wenn daher ein geringerer Druck hergestellt werden soll, muß der Entladungsstrom gesteigert werden.

Es ist wichtig, daß die Plattenelektroden 3 und 4 Dies läßt sich durch Erhöhung der Spannung V eraus einem Material bestehen, welches beträchtliche reichen, was wiederum eine gleichzeitige Erhöhung Mengen des betreffenden Gases absorbieren kann. Ist der magnetischen Feldstärke erforderlich machen dies nicht der Fall, so kann man die Ionen aus dem kann. Die Erhöhung der Spannung über eine be-Innenraum des Zylindergehäuses 1 nicht abführen und 55 stimmte Grenze ohne gleichzeitige Erhöhung der das gewünschte hohe Vakuum nicht erzeugen. Mit magnetischen Feldstärke bewirkt nämlich, daß Elek-Elektroden 3 und 4 aus Graphit ließen sich sehr gute troden die Ringelektrode erreichen, können, bevor sie Ergebnisse erzielen. Außerdem haben sich Titan, Alu- eine genügende Zahl von Ionen gebildet haben, so daß minium, Magnesium, rostfreier Stahl oder Kombi- die Pumpgeschwindigkeit sinkt. In einer abgeschmolnationen dieser Materialien bewährt. Geeignete Ent- 60 zenen Röhre, beispielsweise der Röhre nach Fig. 3, gasungsverfahren für die verschiedenen Materialien wird der Druck stetig vermindert, bis die Pumpsind! in dem. Buch von Dushman, »ScientificFoundations of Vacuum Technique«, 1949, beschrieben. Im
einzelnen sei erwähnt, daß Graphitelektroden nach
Abdrehen auf die gewünschte Dicke und Form durch 65
Erhitzung in Luft auf etwa 800 bis 1000° C entgast
werden können. Sodann werden die Graphitelektroden
kurzzeitig in destilliertes Wasser eingetaucht und sodann in einer Wasserstoffatmosphäre 10 Minuten lang
auf etwa 1100° erhitzt. Dann werden die Graphit- 70

geschwindigkeit sehr klein wird. Man kann also schreiben

dN

N-

(6)

(7)

In manchen. Fällen kann der Druck zu weit absinken, um die Entladung bei der gegebenen Spannung und dem gegebenen magnetischen Feld aufrechtzuerhalten. Die Entladung kann dann unregelmäßig werden oder vollkommen aussetzen, und der Druck wird sodann nach der Gleichung

dN

~dT

IO

ansteigen, bis die Entladung wieder einsetzt. Dieser Vorgang wiederholt sich sodann.

An Hand der folgenden Tabelle I und II sei der durch die Erfindung erzielbare Fortschritt zahlenmäßig erläutert. In diesen Tabellen sind zwei mit der eingangs geschilderten Pumpe durchgeführte Versuche wiedergegeben. Der Abstand der Elektroden 3 und 4 betrug etwa 7,5 cm und der Elektrodendurchmesser etwa 3,75 cm. Die lichte Öffnung der Ringelektrode 2 entsprach etwa dem Durchmesser der Elektroden 3 und 4. Die Ringelektrode bestand aus Wolfram, und die Elektroden 3 und 4 bestanden aus Graphit und besaßen eine Dicke von etwa 0,15 cm. Die Pumpe war über die Leitung 26 an ein Gefäß von etwa 1300 cm³ angeschlossen.

Tabelle I

Spannung zwischen Ringelektrode

und Scheibenelektroden 5000,00 Volt (eff.)

Magnetische Feldstärke 800,00 Gauß

Betriebsdauer 15,00 Minuten

Anfangsdruck des Heliums 10,00 Mikron

Enddruck des Heliums 0,006 -

Tabelle II

40

Spannung zwischen Ringelektrode

und Scheibenelektroden 10000,00 Volt (eff.)

Magnetische Feldstärke 800,00 Gauß

Betriebsdauer 15,00 Minuten

Anfangsdruck des Heliums 0,10 Mikron

Enddruck des Heliums 0,0025 -

Mit der erfmdungsgemäßen Pumpe sind Drücke bis zu 5 X 10—⁴ Mikron erreicht worden. Wenn durch langen Betrieb die Plattenelektroden 3 und 4 gesättigt werden, kann das in ihnen absorbierte Gas durch Heizung wieder entfernt werden. Durch diese Heizung wird der obenerwähnte Koeffizient λ wieder erheblich erhöht werden. Höhere Pumpgeschwindigkeiten lassen sich dadurch erzielen, daß man die Betriebstemperatur der Platte 3 und 4 herabsetzt, was jedoch natürlich nur durch zusätzliche Kühlemrichtungen möglich ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt, in welcher wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in Fig. 3. Die Ringelektrode 2 und die Plattenelektroden 3 und 4 befinden sich hier in einem aus Glas bestehenden Gehäuse. Die Ringelektrode 2 wird durch eine Gleiichspannungsquelle 27 gegenüber den Plattenelektroden auf positives Potential gebracht. Als zusätzliche Elektronenquelle dient eine im Gehäuse 1 enthaltene Kathode 28, welche von einer Batterie 29 geheizt wird. Vor Einschaltung des Heizstromes der Kathode 28 muß das Gehäuse 1 auf ein so hohes Vorvakuum gebracht werden, daß die Kathode 28 nicht durchbrennt oder durch Oxydation vergiftet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 werden die ionisierenden Elektronen in einer umlaufenden Raumladung gebildet, damit sie lange Strecken durchlaufen, bevor sie auf die Gasmoleküle auftreffen. Innerhalb eines evakuierbaren Gehäuses 1 ist ähnlich wie in Fig. 4 eine Glühkathode 30 vorhanden und außerdem ein Hohlzylinder 31 und die Scheibenelektroden 32 und 33. Diese letzteren Elektroden liegen beiderseits der Anode 31. Diese befindet sich gegenüber der Scheibenelektrode auf einer von einer Spannungsquelle 34 gelieferten positiven Spannung, während die Glühkathode 30 mittels einer Gleichspannungsbatterie geheizt wird. Das Potential der Kathode 30 gegenüber der Anode 31 und gegenüber den Elektroden 32 und 33 kann mittels eines Potentiometers 36 geregelt werden. Wenn die Anodenspannung und die Stärke des axialen magnetischen Feldes H richtig gewählt sind, so treten die von der Kathode 30 emittierten Elektronen in eine umlaufende Raumladung ein, in der die einzelnen Elektronen eine erhebliche Geschwindigkeit annehmen können, beispielsweise V10 der Lichtgeschwindigkeit. Diese Betriebsweise läßt sich mit der eines Magnetrons mit zylindrischer Anode, das in der Nähe der Sperrspannung arbeitet, vergleichen. Die Elektronen durchlaufen somit sehr lange Wege, bevor sie auf Gasatome auftreffen und die Anode 31 erreichen. Jedes Elektron kann also eine Mehrzahl von Molekülen ionisieren, bevor es an der Anode verschwindet. Die positiven Gasionen werden in Richtung der negativen Elektroden 32 und 33 beschleunigt und dringen in diese Elektroden ein, so daß also die Ionen tatsächlich aus dem Innenraum des Gefäßes 1 entfernt werden. Die Elektroden 32 und 33 bestehen natürlich wieder aus einem gasabsorbierenden Material.

In Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, in welcher eine rotierende Raumladung, ähnlich wie in Fig. 5, zur Gasionisation dient.

Bei dieser Ausführungsform sind die gasabsorbierenden Elektroden 32 und 33 nach Fig. 5 nicht mehr vorhanden, und an ihre Stelle ist ein gasabsorbierender Zylinderkörper 37 getreten. Die Glühkathode 30 ist in einer axial verlaufenden Nut des Zylinderkörpers 37 untergebracht; die von der zwischen dem Zylinder 37 und der Anode 31 rotierenden Raumladung gebildeten Ionen werden in Richtung des Zylinders 37 beschleunigt und dringen in diesen ein. Somit werden auch hier die Gasmoleküle aus dem Innenraum des Gehäuses 1 entfernt, und es wird das gewünschte hohe Vakuum erzeugt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumpumpe, in welcher Gasmoleküle durch zwischen mindestens zwei Elektroden beschleunigte Elektronen ionisiert werden, bei welcher ferner ein zeitlich konstantes axiales magnetisches Feld die Elektronen wege vor dem Auf tr eff en auf eine der Elektroden verlängert, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasionen nach ihrer Beschleunigung auf eine verhältnismäßig hohe Energie durch quer zur Bahnrichtung dieser Ionen gelegene Körper (3, 4 in Fig. 1 und 4; 32, 33 in Fig. 5 und 37 in Fig. 7) absorbiert werden.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper aus Graphit, Titan, Magnesium, Aluminium oder rostfreiem Stahl bestehen.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den absorbierenden Körpern (3, 4 in Fig. 1 und 4; 32, 33 in Fig. 5) eine ringförmige Elektrode (2 in Fig. 1 und 4; 31 in Fig. 5) befindet (Fig. 1, 4 und 5).

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem einen Körper (4)

und der ringförmigen Elektrode (2) eine Glühkathode (28) befindet (Fig. 4).

. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 596 017; USA.-Patentschriften Nr. 2 282 401, 2 578 009, 460 175.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen