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Die
Erfindung betrifft eine Orbitron-Ionengetterpumpe, bestehend aus
einem Flansch mit elektrischen Durchführungen, einen mit
dem Flansch verbundenen oder verbindbaren, bevorzugt zylindrischen
Pumpenkörper sowie einer Einlassöffnung, einer
am Flansch isoliert geführten, in Längsrichtung des
Pumpenkörpers verlaufenden stab- oder drahtförmigen,
langgestreckten Anode und einer Elektronenquelle, wobei die von
der Elektronenquelle emittierten Elektronen die Anode mit einer
möglichst großen freien Weglänge umkreisen,
um hierbei eine Vielzahl von zu pumpenden Restgaspartikeln zu ionisieren,
gemäß Oberbegirff des Patentanspruchs 1.
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Ionengetterpumpen
stellen eine Sonderform von Sorptionspumpen dar, bei der Restgaspartikel, nämlich
Atome oder Moleküle durch Elektronenstoß ionisiert
und durch ein elektrisches Feld auf eine Oberfläche gezielt
beschleunigt werden. Auf dieser Oberfläche werden dann
die Restgaspartikel chemisch gebunden oder implantiert und sind
somit dem Restgas entzogen. Bei einer Ionengetterpumpe werden daher
Restgase nicht aus der entsprechenden Vakuumkammer entfernt, sondern
es werden die gepumpten Atome an den Innenseiten des Pumpenkörpers
festgehalten und dort vergraben.
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Um
eine effektive Ionisierung der Restgasatome oder -moleküle
zu erreichen, müssen die Elektronen eine möglichst
große Strecke zurücklegen können. Dies
ist einerseits durch die Anordnung von Magneten möglich,
indem die Elektronen durch die Lorentz-Kraft abgelenkt und auf einer
definierten Bahn gehalten werden.
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Ohne
den Einsatz von Magneten arbeitet jedoch die Orbitron-Pumpe. Um
eine möglichst große Anzahl von Restgaspartikeln
zu ionisieren, umlaufen hier die Elektronen eine zentral angeordnete,
im Regelfall stabförmige Anode, die von einem zylindrischen
Körper, als Kathode geschaltet, umgeben ist.
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Die
dortige Ionengetter-Hochvakuumpumpe ist in der Lage, Elektronen
auf wendelförmige Bahnen um eine Anoden-Getter-Anordnung
zu zwingen. Die vorbekannte Orbitron-Ionengetterpumpe umfasst einen
Pumpenkörper, der von einem Endflansch abgeschlossen wird
und welcher mit einer Einlassöffnung versehen ist. Der
Einlass ist am Ausgangsflansch eines Vakuumsystems befestigbar.
Innerhalb der Pumpe befindet sich eine gerade, stangenförmige
Anode, z. B. aus Wolfram, mit einem Durchmesser von ca. 1,5 mm.
Auf der Anode befinden sich Platten aus Titan. Weiterhin ist ein
Heizfaden innerhalb der Pumpe angeordnet. Die Anode liegt auf positivem
Potential, wobei der Pumpenkörper selbst geerdet wird.
Nach dem Erwärmen des Heizfadens werden Elektronen abgegeben,
die entlang der Länge der Pumpe spiralförmig um
den Anodenstab laufen. Um eine Sublimation von Titan als Gettermaterial
zu verhindern, wird gemäß der Lösung
des zitierten Standes der Technik eine Kappe auf den Anodenstab geschoben,
wobei die Kappe aus einem Material besteht, das einen geringeren
Dampfdruck und einen höheren Schmelzpunkt als das Getterquellenmaterial aufweist.
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Bei
der Getterpumpe nach
US 5,324,172 sind
um eine Heizquelle Lamellen angeordnet, die aus einem Gettermaterial
bestehen. Die Heizquelle dient dem Erwärmen des Gettermaterials
auf eine Aktivierungstemperatur. Die Lamellen sind so orientiert,
dass die Innenwandung des Pumpenkörpers nicht von Teilchen
beaufschlagt werden kann.
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Aus Vacuum,
Volume 26, No. 12, Seiten 531 bis 535, ist eine Experimentalausführung
eines Orbitrons bekannt, um die Elektronenverteilung innerhalb des
Orbitrons bestimmen zu können. Ausgehend von einer in einem
Zylinderkörper befindlichen, langgestreckten Anode wird
diese Anode von einer partiell durchlässigen Kathode umgeben,
die aus streifenförmigen Elementen besteht.
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Die
derartige Kathode wiederum ist von Kollektorplatten außenseitig
umgeben, wobei die Kollektorplatten dem Auffangen von Elektronen
dienen, die durch die teilweise transparente Kathode gelangen.
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Zum
Stand der Technik sei ergänzend noch auf die
US 3,588,593 , die
DE 102 41 549 B4 , die
GB 1,140,815 oder die
GB 1,054,133 aufmerksam
gemacht.
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Wie
bereits eingangs dargelegt, ist die Grundvoraussetzung für
eine effektive Betriebsweise bei Ionengetterpumpen die Erzeugung
relativ langer Elektronenbahnen, welche die Wahrscheinlichkeit der
Ionisierung eines Gasteilchens durch das Elektron vergrößern.
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Je
kürzer die durchschnittliche Elektronenbahnlänge
ist, desto mehr Elektronen werden für die gleiche Pumpleistung
benötigt, was einerseits die erforderliche elektrische
Leistung aufgrund eines höheren Stromflusses vergrößert
und wobei in nachteiliger Weise eine ungewollte Temperaturerhöhung
eintritt.
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Bei
den Orbitronpumpen kreisen Elektronen um einen Anodendraht, wobei
das rotationssymmetrische Potential um die Anode eine logarithmische Abhängigkeit
aufweist, die zu quasi rosettenförmigen Bahnen führt.
Durch Abweichungen von der idealen Rotationssymmetrie, die erforderlich
sind, um Elektronen mit geeigneter Energie in die Orbitronpumpe zu
injizieren, werden die Elektronenbahnen jedoch gestört
und können derart verändert werden, dass die tangentiale
Geschwindigkeitskomponente nicht mehr ausreichend ist, um im inneren
Scheitelpunkt der Bahn die Anode zu verfehlen. Die davon betroffenen
Elektronen treffen mit einer hohen Energie auf die Anode auf und
heizen diese.
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Ionisierte
Gasteilchen hingegen werden nach außen beschleunigt, wo
sie auf die elektrisch neutrale Innenwand der Pumpe auftreffen.
Ein Pumpeffekt ist dann gegeben, wenn die Ionen an dieser Wand haften
bleiben oder bei größeren Energien in die Wandung
implantiert werden. Um das Pumpen neutraler Gasteilchen zu ermöglichen,
müssen die Wände immer wieder mit neuen, getterfähigen
Materialien beschichtet werden. Dies wird üblicherweise durch
direktes oder indirektes Heizen eines oder mehrerer Titankörper
im Pumpeninneren realisiert.
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Titankörper,
die gemäß
US
3,357,634 am Anodendraht befestigt sind und indirekt durch
auf sie eintreffende Elektronen geheizt werden, haben den Nachteil,
dass sie durch ihr Volumen die Lebensdauer der freien Elektronen
verringern. Zudem ist die Sublimationsrate unabhängig vom
Druck, wodurch unnötig viel Gettermatieral auf die Wände
aufgetragen werden kann, was wiederum häufig zu einem sogenannten
Abpellen der Schicht von der Wand mit weiteren Folgeschäden
führt.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Orbitron-Ionengetterpumpe anzugeben, welche über verbesserte Pumpeigenschaften
verfügt, die eine hohe Lebensdauer aufweist und mit geringen
Kosten hergestellt werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Orbitron-Ionengetterpumpe
gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch
1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen umfassen.
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Es
wird demnach von einer Orbitron-Ionengetterpumpe, bestehend aus
einem Flansch mit elektrischen Durchführungen, ausgegangen.
Weiterhin ist ein mit dem Flansch verbundener oder verbindbarer
zylindrischer Pumpenkörper sowie eine Gaseinlassöffnung
vorhanden. Die funktionswesentliche Anode ist am Flansch isoliert
geführt und verläuft in Längsachsenrichtung
des Pumpenkörpers. Dabei ist die Anode stab- oder drahtförmig
langgestreckt. Weiterhin ist eine Elektronenquelle vorhanden. Die
von der Elektronenquelle emittierten Elektronen umkreisen die Anode
mit einer möglichst großen freien Weglänge,
um hierbei eine Vielzahl von zu pumpenden Restgaspartikeln zu ionisieren.
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Erfindungsgemäß ist
eine Trennung des Ionisierungsraums vom Pumpraum realisiert, und
zwar durch die Anordnung eines zylindrischen Gitters, in dessen
Mitte sich die Anode befindet.
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Außenseitig
des zylindrischen Gitters befindet sich eine das Gitter umgebende
Anordnung von langgestreckten Lamellen aus Gettermaterial. Die durch
das Gitter hindurchtretenden Ionen werden beim Betrieb der Orbitron-Ionengetterpumpe
zur Lamellenanordnung hin beschleunigt.
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Ausgestaltend
ist die Anode in Längsachsenrichtung des Pumpenkörpers
oder des zylindrischen Gitters, bevorzugt auf der Längsachse
dieses liegend, angeordnet. Pumpenkörper und zylindrisches
Gitter befinden sich dabei in einer konzentrischen Anordnung.
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Das
Gitter ist ein bevorzugt feinmaschiges Gitter mit maximal offener
Fläche.
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Elektrisch
liegt das zylindrische Gitter auf 0 V Potential und die Lamellenanordnung
auf negativem Potential.
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Die
Lamellenanordnung ist so ausgebildet und räumlich orientiert,
dass die ionisierten Gasteilchen an den Lamellen reflektiert, auf
die Rückseite einer benachbarten Lamelle oder die Innenseite
des Pumpenkörpers gelangen und dort implantiert werden.
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Die
einzelnen Lamellen der Lamellenanordnung stehen unter einem von
der Radialen abweichenden Winkel, z. B. im Bereich zwischen 15° und 30°,
bevorzugt 20°.
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Der
Abstand zwischen den Lamellen und die Winkellage der Lamellen ist
so gewählt, dass einem radial nach außen fliegenden
ionisierten Gasteilchen kein Durchtrittsspalt zur Verfügung
steht.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Anode in Flanschnähe
mittels einer Bodenplatte geführt. Die Bodenplatte weist
eine zentrische Ausnehmung mit einem isolierenden Einsatz auf.
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Der
isolierende Einsatz besitzt einen Innendurchmesser, der größer
oder gleich als der Anodendurchmesser ist.
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Der
isolierende Einsatz steht zum Pumpeninneren gegenüber der
Ebene der Bodenplatte vor und wird bei einer bevorzugten Ausführungsform
von einer metallischen Hülse außenseitig umgeben.
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Auf,
in oder an der Bodenplatte ist die Elektronenquelle, z. B. als Heizfilament
befindlich.
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Mit
der vorgestellten Lösung gelingt es demnach, die Vorteile
der magnetfeldfreien Orbitronpumpe mit denen von Ionenzerstäuberpumpen
zu vereinen. Hierfür werden, wie dargelegt, der Ionisierungs- und
Pumpraum durch ein bevorzugt zylindrisches Gitter getrennt, in dessen
Mitte die langgestreckte Anode befindlich ist. Da irgendwelche Getterkörper, insbesondere
Titankörper im Ionisierungsraum entfallen, kann die Anode
eine quasi beliebige Gestalt und insbesondere Dicke aufweisen, die
für eine optimale Ionisierung der zu pumpenden Gasteilchen
notwendig ist.
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Wie
erläutert, wird als Elektronenquelle eine Heißkathode
verwendet, die in der Nähe eines Zylinderendes auf der
Bodenplatte im entsprechenden optimalen radialen Abstand positioniert
wird.
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Außerhalb
des auf Massepotential befindlichen Gitters werden die Ionen auf
die Anordnung von Lamellen aus Gettermaterial beschleunigt, die
in einem solchen Winkel zur annähernd radialen Flugrichtung
der Ionen stehen, dass diese eine hohe Sputterausbeute besitzen
und dass neutralisierte, reflektierte Ionen ohne großen
Energieverlust auf die Innenwand der zylindrischen Pumpe auftreffen
und dort implantiert werden können. Das von den Lamellen
gesputterte Material wird sich dabei zu großen Teilen auch
an der Innenwandung des Pumpenkörpers ablagern, dort die
aktiven Gase gettern sowie implantierte Teilchen weiter vergraben.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
Längsschnittdarstellung durch die erfindungsgemäße
Orbitron-Ionengetterpumpe und
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2a,
b Schnittdarstellungen entlang der Linien gemäß 1.
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Bei
der Orbitron-Ionengetterpumpe gemäß Ausführungsbeispiel
ist zunächst ein Flansch 1 mit Ausnehmungen zur
Befestigung, z. B. mittels Schrauben vorhanden. Dieser Flansch 1 geht
entweder unmittelbar in einen Pumpenkörper 2 über
oder ist mit einem derartigen Pumpenkörper verbindbar. Der
Pumpenkörper 2 weist die Form eines Hohlzylinders
auf und verfügt über einen Gaseinlass 3. Üblicherweise
bestehen sowohl der Flansch 1 als auch der Pumpenkörper 2 aus
einem hochvakuumtauglichen Material wie rostfreier Edelstahl, Kupfer
oder Aluminium.
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Im
Bereich des Flansches 1 sind, wie aus der 1 ersichtlich,
elektrische Durchführungen in vakuumdichter Bauweise vorhanden.
Diese entsprechen dem üblichen Stand der Technik, so dass
auf eine nähere Erläuterung an dieser Stelle verzichtet werden
kann.
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In
Längsachsenrichtung des Pumpenkörpers 2 erstreckt
sich eine Anode 4. Diese Anode ist im gezeigten Beispiel
stabförmig ausgebildet und führt zu einem der
vorerwähnten elektrischen Anschlüsse bzw. Durchführungen
im Flansch 1.
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Als
Elektronenquelle ist ein Filament 5 in Form einer strombeaufschlagbaren
Heizwendel vorhanden. Im gezeigten Beispiel erstreckt sich das Filament 5 mit
seiner Längsachse radial bezogen auf den zylindrischen
Pumpenkörper 2.
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Der
Ionisierungsraum wird gemäß erfindungsgemäßer
Lösung vom eigentlichen Pumpraum durch die Anordnung eines
zylindrischen Gitters 6 getrennt. Dieses zylindrische Gitter
umgibt die Anode 4, wobei bevorzugt die Ausdehnung der
Anode 4 quasi die Längsmittelachse des zylindrischen
Gitters 6 darstellt.
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Außenseitig
des zylindrischen Gitters 6 ist eine das Gitter 6 umgebende
Anordnung von langgestreckten Lamellen 7 befindlich.
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Diese
Lamellen 7 bilden wiederum eine zylindrische Hülse,
gehalten von einer unteren Tragplatte 8 und einer oberen
Tragplatte 9.
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Das
Gitter 6 ist als feinmaschiges Gitter mit maximal offener
Fläche ausgebildet. Elektrisch liegt das Gitter 6 auf
0 V Potential, die Lamellenanordnung 7 auf negativem Potential
und die Anode 4 auf positivem Potential.
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Die
Lamellenanordnung 7 ist so ausgebildet und räumlich
orientiert, dass ionisierte Gasteilchen an den Lamellen reflektiert
werden, auf die Rückseite einer benachbarten Lamelle oder
die Innenseite des Pumpenkörpers 2 gelangen und
dort implantiert werden.
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Die
einzelnen Lamellen der Lamellenanordnung stehen unter einem von
der Radialen abweichenden Winkel.
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Die
Anode 4 wird in der Nähe des Flansches 1 von
einer Bodenplatte 10 geführt, wobei die Bodenplatte 10 eine
zentrische Ausnehmung mit einem isolierenden Einsatz 11 aufweist.
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Der
isolierende Einsatz 11 weist einen Innendurchmesser auf,
der größer oder gleich als der Durchmesser der
Anode 4 ist.
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Der
isolierende Einsatz steht zum Pumpeninnenraum gegenüber
der Ebene der Bodenplatte 10 vor und ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform von einer metallischen Hülse 12 umgeben.
Die metallische Hülse 12 kann auch durch eine
metallische Beschichtung des isolierenden Einsatzes 11 realisiert
werden.
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Die
elektrischen Durchführungen 13 sind in der Ansicht
nach 2b besonders deutlich zu erkennen. Außerdem
ist in der 2a die Ausgestaltung des Gitters 6 ersichtlich
sowie die radial orientierte Anordnung des Filaments 5.
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Zur
Optimierung der Ionisierungseffizienz der Elektronen muss zum einen
die Weglänge der Elektronen bis zum Auftreffen auf ein
Teil der Pumpe, in der Regel die Anode, möglichst groß sein.
Zum anderen sollte sich die kinetische Energie der Elektronen möglichst
viel in einem Bereich aufhalten, bei welchem der Wirkungsquerschnitt
der Ionisation von Gasteilchen durch den Elektronenstoß groß ist.
Dieser Wirkungsquerschnitt ist gasabhängig. Das Maximum
liegt für die meisten Gase in der Nähe von 100 eV,
für Argon als wichtigen Vertreter nichtgetterbarer Gase
liegt das Maximum bereits zwischen 80 eV und 100 eV.
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Zur
Optimierung des Elektronenwegs wurde die Längsausdehnung
des Filaments 5 variiert. Dabei zeigte sich, dass eine
Verlängerung zu einer Halbierung des Elektronenwegs führte.
Umgekehrt ergab eine Verkürzung auf z. B. 10 mm eine Erhöhung
des Elektronenwegs. Aus diesem Grund liegt es im Sinne der Erfindung,
das Filament 5 möglichst unauffällig und
wenig störend im Ionisierungsraum anzuordnen.
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Hinsichtlich
des Gitters 6 ist ein solches auszuwählen, das
einer für Ionen vollständig transparenten Fläche
konstanten Potentials nahekommt. Diese Annahme ist als Näherung
eines der feinmaschigen Gitter mit nahezu vollständiger
offener Siebfläche erreichbar. Beachtet werden muss, dass
bei großer Maschenweite durch Dominanz des Außenfelds
der negativ geladenen Lamellen dieses Außenfeld in den Ionisierungsraum
eindringen kann. Eine Abweichung des elektrischen Feldes von der
Rotationssymmetrie tritt nur bis zu einem Abstand vom Gitter auf,
der etwa der Gitterkonstante entspricht. Ergänzend zur
Gewährleistung weitgehend ungestörter Elektronenbahnen
muss das Gitter bei angelegten Spannungen eine Durchlässigkeit
für die ionisierten Gasteilchen besitzen, die vom Ionisierungsraum
in den Pumpenraum gelangen sollen. Bei einer beispielhaft offenen Siebfläche
von 56% gelangen 61% der Ionen durch das Gitter.
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Bei
einer realisierten Ausführungsvariante der Orbitron-Ionengetterpumpe
wurde von einer Wolframanode mit einem Durchmesser von ca. 0,4 mm
ausgegangen. Ca. 80 mm der Anodenlänge befanden sich oberhalb
der Bodenplatte im Ionisierungsraum.
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Die
die Lamellenkonstruktion tragenden Stützbeine sind isoliert
durch die Bodenplatte geführt und mittels eines Stützrings
an der elektrischen Durchführung fixiert. Der Abstand der
beispielhaft 20° zur radialen Richtung gedrehten, 7 mm
breiten und 0,5 mm dicken Lamellen wurde so gering gewählt,
dass ein radial nach außen fliegendes Teilchen nicht zwischen
den Lamellen hindurchfliegen kann. Die obere und untere Tragplatte
wurde so aufgeteilt, dass bis zu 61 Lamellen befestigbar sind.
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Bei
der realisierten Ausführungsform liegt die Bodenplatte 10,
an der das Gitter 6 befestigt ist, auf Massepotential und
wird über weitere Stützbeine gehalten. Das Gitter
selbst ist bei der realisierten Ausführungsform als Zylinder
mit einer Länge von 95 mm bei einem Durchmesser von 38
mm realisiert. Die Maschenweite lag bei 0,682 mm, und zwar bei einer Drahtstärke
von ca. 0,165 mm.
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Durch
Verwendung des isolierenden Einsatzes 11, der ca. 4 mm über
die Bodenplatte 10 vorsteht und der in diesem Bereich einen
größeren Innendurchmesser als der Anodendurchmesser
aufweist, wird verhindert, dass eine leitfähige Schicht zwischen
Anode und Bodenplatte entsteht.
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Darüber
hinaus wurde der isolierende Einsatz 11 mit der erwähnten
metallischen Hülse 12 umgeben, um zu verhindern,
dass emittierte Elektronen von der Anode direkt auf den isolierenden
Einsatz 11 gelangen.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einer Anordnung
mit kreisförmigem Querschnitt ausgegangen. Alternativ besteht
grundsätzlich die Möglichkeit, einen hiervon abweichenden,
z. B. ellipsenförmigen Querschnitt technisch umzusetzen. Dies
ist von Vorteil, wenn mehr als eine Anode zur Erhöhung
der elektrischen Kapazität der Gesamtanordnung Anwendung
finden soll. Dabei können die mehreren Anoden auch dezentral,
nicht auf der Längsmittelachse befindlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flansch
- 2
- Pumpenkörper
- 3
- Gaseinlass
- 4
- Anode
- 5
- Filament
- 6
- Gitter
- 7
- Lamellenanordnung
- 8
- untere
Tragplatte
- 9
- obere
Tragplatte
- 10
- Bodenplatte
- 11
- isolierender
Einsatz
- 12
- metallische
Hülse
- 13
- elektrische
Verbindung und Durchführung bezüglich des Flansches 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3357634 [0005, 0015]
- - DE 1964809 U [0005]
- - US 5324172 [0007]
- - US 3588593 [0010]
- - DE 10241549 B4 [0010]
- - GB 1140815 [0010]
- - GB 1054133 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Vacuum, Volume
26, No. 12, Seiten 531 bis 535 [0008]
