DE1076879B - Ionen-Getter-Pumpe - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Ionen-Getter-Pumpe mit kontinuierlicher oder intermittierender Zuführung des Gettermetalls in Pulver-, Draht- oder Stückform.

Von Ionen-Pumpen bzw. Ionen-Getter-Pumpen sind bereits verschiedene Ausführungsformen bekanntgeworden. Die bisher günstigsten technischen Lösungen vereinen die folgenden Vorteile:

1. Im Gegensatz zu den Öldiffusions- und Hg-Dampf-Pumpen liefern derartige Pumpen keine schädlichen Restdämpfe in den Rezipientenraum.

2. Gemäß ihrer Arbeitsweise erübrigt sich bei ihnen die Zwischenschaltung von Kühlfallen zwischen Pumpe und Rezipient, so daß die Saugleistung nicht durch den Strömungswiderstand der Kühlfalle kritisch gemindert wird und alle die Kornplikationen fortfallen, die mit dem Bau und dem Betrieb von Kühlfallen verbunden sind.

3. Die wirksame Sauggeschwindigkeit bleibt bei Ionen-Pumpen bzw. Ionen-Getter-Pumpen auch bei Drucken unter 1O^-6 Torr im Gegensatz zu den Standardausführungen von Öldiffusions-Pumpen und Hg-Dampf-Pumpen voll erhalten, so daß das Grenzvakuum dieser Pumpen fast nur noch durch die Gasabgabe der Innenflächen der Pumpenwerkstoffe bestimmt wird, d. h. also praktisch bei IO-⁸ bis IO-⁹ Torr liegt.

4. Die Pumpen besitzen unmittelbar nach ihrer Einschaltung die volle Sauggeschwindigkeit, so daß bei ihnen die Zeitverluste durch lange Anheizzeiten, welche bei der Inbetriebsetzung von Öldiffusions- und Hg-Dampf-Pumpen bisher in Kauf genommen werden mußten, fortfallen.

5. Die Ionen-Pumpen mit Getterwirkung evakuieren auch nach ihrer Abschaltung noch viele Stunden weiter.

Trotz dieser überlegenen Eigenschaften haben bisher Ionen- und Ionen-Getter-Pumpen in der Praxis kaum Verbreitung gefunden. Die Ursache hierfür liegt darin, daß auch die besten bekanntgewordenen Lösungen noch die folgend aufgezählten Nachteile aufwiesen:

a) komplizierte Arbeitsweise mit komplizierter Schaltung und Stromversorgungsanlage,

b) kompliziertes Pumpensystem, welches periodische Erneuerung von Elektroden, z. B. der hochbeanspruchten Glühkathoden, erfordert,

c) hoher, Energieverbrauch,

d) ungenügende Betriebssicherheit und Notwendigkeit einer laufenden Überwachung.

Die Vereinigung der aufgezählten Vorteile und die Beseitigung der erwähnten Nachteile für Ionen-Getter-Pumpen wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß zur Hochheizung einer Anode und damit zur Einleitung der Verdampfung des Gettermetalls Ionen-Getter-Pumpe

Anmelder:

VEB Vakutronik,
Dresden-A 21, Dornblüthstr. 14

Dr. h. c. Manfred von Ardenne,

Dresden-Bad Weißer Hirsch,
ist als Erfinder genannt worden

die Anodenverlustleistung einer Titanniederdruckentladung in einem axial aufgebauten Magnetfeld herangezogen ist.

An Hand einer Zeichnung wird an einem Ausführungsbeispiel der Gegenstand nach der Erfindung dargestellt und näher beschrieben.

Das Pumpengehäuse besteht in dem gezeichneten Beispiel aus einem zylindrischen Eisenrphr 1, welches mit zwei Anschlußflanschen und zur eventuellen Wasserkühlung mit einer aufgelöteten Rohrschlange 2 versehen ist. Der obere Flansch dient zur Verbindung mit dem Rezipienten, der untere Flansch zur Verbindung mit einer Eisenplatte, welche beispielsweise den Teil des Pumpensystems trägt, einschließlich der Strom- und sonstigen Durchführungen, welcher zum gelegentlichen Kathodenwechsel und zum gelegentlichen Nachfüllen von Gettermetall bequem zugängig und daher auswechselbar gehalten sein sollte. Ebenso wie das zylindrische Rohr 1 ist auch die zuvor erwähnte Platte 3 aus Eisen hergestellt, um den äußeren Feldlinienschluß des für die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Pumpe notwendigen Magnetfeldes zu gewährleisten. Das zwischen den Polschuhen 4 und 5 mit einer Stärke von mehreren hundert Örsted herzustellende Magnetfeld wird durch die Permanentmagnete 6 und 7 erregt. Der äußere Feldlinienschluß zwischen dem Außenpol des Permanentmagnets 7 und dem zylindrischen Gehäuseteil 1 erfolgt durch den Eisenteil 8 über eine Anzahl Eisenstege.

Eine merkliche Minderung der Sauggeschwindigkeit durch diese Stege findet bei wirtschaftlicher Bemessung ihres Querschnittes noch nicht, statt. Die bei Herausnahme des von der Platte 3 getragenen Pumpensystems erfolgte Auftrennung liegt bei der

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gezeichneten Anordnung zweckmäßig zwischen dem Permanentmagnet 7 und dem oberen Polschuh 4.

Das beispielsweise durch die erwähnten Elemente erzeugte Magnetfeld erlaubt den Betrieb einer in bezug auf Bedarf an elektrischer Leistung und in bezug auf Bedarf an zugeführtem Gettermetall außerordentlich ökonomischen Titandampfentladung. Diese Titanniederdruckentladung bildet sich aus zwischen der Glühkathode 9 und der tellerartigen Anode 10. Die von der Glühkathode ausgehenden und im Kathodenfall beschleunigten Primärelektronen folgen im wesentlichen den Feldlinien des Magnetfeldes und ebenso auch die durch Ionisationsakte zusätzlich gebildeten sekundären und tertiären Elektronen, so daß die Hauptentladung eine Plasmasäule darstellt, die etwa die äußere Begrenzung 11 aufweist. Zur Ingangsetzung dieser Hauptentladung wird zunächst der Ionenraum der Pumpe über den Vakuumstutzen 12 durch eine mechanische Vorpumpe (z. B. eine Roots-Pumpeneinheit) auf einen Druck von etwa 10—3 Torr evakuiert. Dann wird die Glühkathode 9 geheizt und unmittelbar anschließend die Stromquelle für die Pumpe angeschlossen. Abgesehen von der Versorgung für die Glühkathode braucht diese Stromquelle nur eine einzige Spannung, nämlich die Gesamtspannung von etwa 800 V mit einer Gesamtstromentnahme von 0,6 bis 0,8 Amp. bei ausgeführten Versuchspumpen zur Verfügung zu stellen. — Zur besseren Übersichtlichkeit sind in der Schemazeichnung die erforderlichen Stromdurchführungen durch das Pumpengehäuse im Bereich des zylindrischen Gehäuseteiles rechts gezeichnet, während sie praktisch in der unteren Flanschplatte 3 bei ausgeführten Modellen liegen. — Unmittelbar nach Anschluß der Stromquelle bildet sich im zunächst bestehenden Vakuumraum eine Restgasentladung aus, deren Anodenverlustleistung die tellerartige Anode 10 — z. B. eine Wolframanode kleiner strahlender Oberfläche — auf eine Temperatur von etwa 1800 bis 2000° C bringt. Nunmehr wird mit Hilfe eines außen angebrachten Motors über die Welle 13 die Zufuhr des Gettermetalls in Gang gesetzt. Das Gettermetall befindet sich beispielsweise in Pulverform im Vorratsraum 14 des oberen Polschuhes 4. Das pulverförmige Gettermetall, wie Titan, wird z. B. aus dem Vorratsraum durch die Förderschnecke 15 mit gegenläufigen Windungen mit pro Zeiteinheit gleichmäßiger Menge von z. B. 0,1 bis 0,2 g/Stunde in den Raum 16 befördert, von dem aus das Pulver durch die Glühkathodenwendel hindurch zur Anode 10 fällt. Fast unmittelbar nach dem Aufprall verdampft das Gettermetall. Ein Teil davon wird in der zunächst bestehenden Restgasentladung ionisiert und wandert in Form von Metallionen in der Säule 11 in Richtung zur Kathode. Ein anderer Teil, und zwar der größere Anteil, schlägt sich auf den entsprechenden Innenwandungen des Pumpengehäuses nieder und gettert das Restgas. In diesem Augenblick der Inbetriebnahme ist das Ventil zur Vorvakuumpumpe zu schließen, und in sehr kurzer Zeit verbessert sich durch die Getterwirkung das Vakuum von etwa 10-3 Torr auf Werte von unter 10-s Torr. Gleichzeitig geht die Restgasentladung in eine reine Titandampfentladung mit z. B. 150 V Entladungsspannung und 0,5 Amp. Entladungsstrom über. Die Pumpe hat damit ihre Arbeitsweise als Getter-Pumpe voll aufgenommen.

Das zu verdampfende Gettermetall wurde der Anode 10 in Form von Metallpulver zugeführt. Statt dessen kann auch Gettermetall in bekannter Weise in Form von Draht, z. B. durch kontinuierlichen Vorschub in seitlicher Richtung dicht oberhalb der Anodenpfanne, zugeführt werden.

Die gezeichnete Anordnung der Glühkathode 9 im Inneren einer Polschuhbohrung des Polschuhes 4 bringt eine Reihe wichtiger Vorteile mit sich. Die Glühkathode befindet sich außerhalb des eigentlichen Magnetfeldes, so daß auch bei ihrem Antrieb mit Wechselstrom keine kritischen Schwingungsbeanspruchungen der Kathode entstehen. Durch das inhomogene Magnetfeld im Bereich der Polschuhbohrung wird die Anwendung einer Kathode relativgroßer Oberfläche möglich, ohne daß dadurch der Querschnitt der unteren Plasmasäule 11 vergrößert wird (magnetische Elektronensammlung). Schließlich ergibt sich der Vorteil, daß die Zufuhr des Gettermetalls durch den freien Innenraum der Kathodenwendel erfolgen kann. Bei dieser Ausführungsform ist es leicht zu erreichen, daß die Kathode selbst eine Lebensdauer von vielen tausend Stunden erhält.

Bekanntlich enthält die atmosphärische Luft etwa 1% Edelgase. Um auch diese Gase mitzuevakuieren, ist es notwendig, zu erreichen, daß die Pumpe für Edelgase mindestens 1% des Sauggeschwindigkeitswertes für Luft besitzt. Da Edelgase durch die chemische Getterwirkung nicht gebunden werden, ist es bekanntlich notwendig, das Pumpensystem so zu gestalten, daß es zugleich auch als reine Ionen-Pumpe wirkt. Bei der Anordnung nach der Abbildung ergibt sich die Ionenpumpenwirkung auf folgende, den weiteren Gegenstand der Erfindung bildende Weise.

Die allseitig aus feindrähtigem Gitter hergestellte Elektrode 17 befindet sich gegenüber der Plasmasäule 11, die sich etwa auf Anodenpotential befindet, auf einem um einige 100 V positiverem Potential. Das der Plasmasäule zunächst liegende innere Gitter der Elektrode 17 zieht — quer zur Richtung der Magnetfeldlinien — aus der Plasmasäule Elektronen in einer Stromstärke von etwa 0,1 bis 0,3 Amp. bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel heraus. Diese somit auf einige 100 V beschleunigten und daher zu einer wirksamen Restgasionisierung besonders befähigten Elektronen — das Maximum der Kurve differentialer Ionisierung liegt zwischen 100 und 200 V bei den in Frage kommenden Gasen — ionisieren nun das Restgas, vor allem also auch die Edelgaskomponente, die im Bereich der Elektrode 17 auch von dem Hauptmagnetfeld und von seinem Streufeld erfüllt ist. Durch diese Tatsache und durch die Reflexion der Elektronen außerhalb der Elektrode 17 in dem vom Pumpengehäuse aufgebauten Elektronenbremsfeld (Pendeln der Elektronen) ergeben sich besonders lange Elektronenbahnen und damit eine ausreichende Restgasionisierung bereits mit den genannten mäßigen Elektronenströmen. Die im Bereich der Elektrode 17 gebildeten Restgasionen werden von dem gleichen Feld, welches die zuvor erwähnte Elektronenrieflexion bewirkt, zum Pumpengehäuse abgesaugt, und zwar mit einem Potentialgefälle von 800 V. Die auf diese Voltgeschwindigkeit beschleunigten Edelgasionen werden auf diese Weise in die sich ständig erneuernde Titankondensatschicht eingeschossen und dort mit einer Ausbeute von etwa 25 % festgehalten.

Claims (4)

Patentansprüche·.

1. Ionen-Getter-Pumpe mit kontinuierlicher oder intermittierender Zuführung des Gettermetalls in Pulver-, Draht- oder Stückform, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hochheizung einer Anode

und damit zur Einleitung der Verdampfung des Gettermetalls die Anodenverlustleistung einer Titanniederdruckentladung in einem axial aufgebauten Magnetfeld herangezogen ist.

2. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma der Gettermetalldampfentladung als Elektronenquelle für dasjenige Teilsystem dient, welches die reine Ionenpumpenwirkung ergibt.

3. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Gettermetalldampfentladung im Inneren der Bohrung eines der beiden Magnetpolschuhe sich befindet.

4. Ionen-Getter-Pumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermetall aus einem Vorratsgefäß, welches mit einer vorzugsweise mechanischen Fördereinrichtung versehen ist, der Entladungsanode zur Verdampfung zuführbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 885 763, 858 738, 927;

französische Patentschrift Nr. 834 938;
britische Patentschrift Nr. 768 003;
USA.-Patentschrift Nr. 2 665 229.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© S09 758/126 2.60