DE1083485B - Verdampfer-Ionenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdampfer-Ionenpumpe, bei der das freie Ende eines drahtförmigen Gettermaterials mittels eines fokussierten Elektronenstrahles, der auf das freie Ende des Getterdrahtes auftrifft, kontinuierlich oder intermittierend verdampft wird.

Als Verdampfer-Ionenpumpen werden solche Hochvakuumpumpen bezeichnet, die das Verdampfen von Gettermaterialien in Verbindung mit elektrischen Ionisationsvorgängen zur Erzeugung eines Hochvakuums benutzen. In diesen Pumpen wird ein Gettermaterial, meist ein Titandraht, kontinuierlich oder intermittierend verdampft, so daß sich das Gettermaterial auf den Innenwänden der Pumpe niederschlägt. Außerdem werden in diesen Pumpen durch geeignete Vorrichtungen Elektronen erzeugt, die eine Ionisation des noch vorhandenen Restgases bewirken. Damit diese Ionisation recht vollständig ist, sind auch Elektrodenanordnungen vorgesehen, die den Elektronen eine möglichst große Flugstrecke geben, so daß sie mit recht vielen Molekülen der Gasreste zusammenstoßen. Diese Elektroden sind so angeordnet und so an eine entsprechende Spannung gelegt, daß ein möglichst großer Teil der entstehenden Gasionen in den Getterniederschlag hineingetrieben und dort chemisch gebunden wird. Hier werden die so aus dem Rezipienten beseitigten Gasreste durch weitere Schichten des Gettermaterials überdeckt. Sie werden dadurch endgültig aus dem Pumpeninnern und damit auch aus dem angeschlossenen Vakuumraum entfernt, so daß der Druck stark sinkt. Diese Vakuumerzeugung hat gegenüber den vor kurzem fast ausschließlich benutzten Diffusionspumpen den Vorteil völliger Dampffreiheit des Vakuums.

Die Pumpen arbeiten mit den üblicherweise benutzten Vakuumaggregaten in der Weise zusammen, daß sie nach einer anfänglichen Evakuierung und nach dem darauffolgenden Abschließen dieses Pumpenaggregates von dem Vakuumrezipienten die weitere Evakuierung bewirken und das Vakuum über lange Zeiten aufrechterhalten. Um nun diese Pumpen gut und arbeitssicher zu machen, ist meist noch eine Einrichtung vorgesehen, die im ersten Moment eine etwas größere Menge von Gettermaterial verdampft, um zunächst ohne Ionisierung des Restgases von dem Anfangsvakuum auf einen genügend kleinen Druck zu kommen. Im weiteren Verlauf wird dann jeweils kontinuierlich oder intermittierend Gettermaterial verdampft, sobald ein kleiner Druckanstieg bemerkbar wird. Um nun diese Pumpen über lange Zeiten benutzbar zu machen, ist im allgemeinen eine Rolle mit drahtförmigem Gettermaterial vorgesehen, die die nötige Menge Gettermaterial über lange Zeiten, beispielsweise mehrere Wochen oder Monate, liefert.

Verdampfer-Ionenpumpe

Anmelder:

W. C. Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M., Heraeusstr. 12/14

Dr. Albert Lorenz, Hanau/M.,

und Werner Blaske, Ravolzhausen bei Hanau/M.,

sind als Erfinder genannt worden

In den bisher gebauten Verdampfer-Ionenpumpen wurde nun die Verdampfung des Gettermaterials in der Form vorgenommen, daß das drahtförmige Material einem kleinen geheizten Verdampfungstiegel zugeführt wurde. Dieser Tiegel kann innerhalb oder außerhalb der Elektrodenkonfiguration angebracht sein, die der Verlängerung der Flugstrecken und der Beseitigung des Gases dient. Bei dieser Anordnung haben sich aber gewisse Nachteile bemerkbar gemacht. Der Draht wird dem Verdampfungstiegel durch ein kleines Führungsröhrchen zugeführt. Wenn dieses Führungsröhrchen bis nahe zum Tiegel reicht, so wird seine öffnung durch die verdampften Metallmengen leicht zugesetzt, und der Niederschlag behindert die weitere Förderung des Getterdrahtes. Befindet sich das Ende des Führungsröhrchens aber eine größere Strecke vom Tiegel entfernt, so geschieht es in gewissen Fällen, daß der frei weiterlaufende Draht an dem Tiegel vorbeiläuft und nicht verdampft wird. Beides führt dazu, daß die Pumpe nicht weiter benutzt werden kann und die Evakuierung oder das Aufrechterhalten des erzeugten Vakuums unterbrochen werden muß, weil die nach außen abgeschlossene Pumpenkonstruktion zur Beseitigung des Fehlers geöffnet werden muß.

Es sind weiterhin Vorschläge bekanntgeworden, das Ende eines Getterdrahtes mittels eines fokussierten Elektronenstrahles zu verdampfen. Hierbei wird das Drahtmaterial nicht nur in fester Form durch ein Elektronenbombardement von Gasen befreit, die es später durch Adsorption wieder aufnehmen und dadurch das Vakuum in gewissem Grade verbessern kann. Das Drahtende wird vielmehr durch die auftreffenden Elektronen so weit erhitzt, daß es verdampft, schon in feinverteiltem, gasförmigem Zustand die Restgase bindet und auch durch die Bildung

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großer frischer Niederschlagsflächen weitere Gase binden oder hineingeschossene Ionen festhalten kann. Dabei wurden Drähte benutzt, die aus Teildrähten eines leicht verdampfbaren Gettermaterials und eines schwer verdampfbaren Metalls bestanden. Diese Einrichtungen sehen aber _■ irgendwelche Elektroden od. dgl. in der Nähe des verdampfenden Drahtendes vor und behindern dadurch die sich entwickelnden Getterdämpfe am Niederschlagen auf weiter entfernten größeren Flächen. Die nahen Elektroden vermindern also die Größe der erreichbaren Getterfläche und damit der Pumpwirkung beträchtlich.

Die Beseitigung dieser Nachteile ist aber in überraschend einfacher Weise möglich und bildet das Ziel der Erfindung. Hierbei wird kein geheizter Körper und keine auf kurze Entfernung wirkende Elektrodenanordnung zum Verdampfen benutzt, sondern das frei schwebende Ende des Drahtes aus Gettermaterial mittels eines längeren, auf das Drahtende auftreffenden, fokussierten Elektronenstrahlbündels verdampft. Dies wird gemäß der Erfindung ermöglicht durch einen gesonderten Pumpen-Raumteil, der die an sich bekannten Einrichtungen zur Erzeugung, Beschleunigung und Fokussierung des Elektronenstrahls aufnimmt und durch eine öffnung mit dem Pumpeninnenraum in Verbindung steht, in dem der fokussierte Elektronenstrahl das freie Ende des Getterdrahtes in einem Punkte schneidet und das Gettermaterial verdampft.

Es hat sich als besonders praktisch erwiesen, daß die Vorschubrichtung des Getterdrahtes, die in an sich bekannter Weise der Flugrichtung des Elektronenstrahles entgegengesetzt ist, die Flugrichtung des Elektronenstrahles etwa in der Nähe des Brennpunktes schneidet und mit ihr einen relativ kleinen Winkel, vorzugsweise von weniger als 30°, bildet.

Die Achse des Elektronenstrahlbündels kann beliebig zu der Konfiguration der Elektroden stehen, die zur Ionisation des Restgases dienen. Es hat sich aber als besonders zweckmäßig erwiesen, das Elektronenstrahlbündel an der Elektrodenkonfiguration vorbeizuführen, und zwar etwa senkrecht zur Achse dieser Konfiguration. Um nun nicht den Raum, der von den Elektroden, die der Ionisierung und Beseitigung des Restgases dienen, eingenommen wird, durch das Zuführungsröhrchen abzuschirmen, ist es günstig, daß der Getterdraht von der Seite dem Elektronenstrahlbündel zugeführt wird, die den Elektroden entgegengesetzt ist.

Die Verdampfung von dünnen, frei schwebenden Drähten macht gewisse technische Schwierigkeiten. Sie wurden in einfachster Weise schon dadurch überwunden, daß der zu verdampfende Draht aus mehreren Teildrähten gebildet wird, die teils aus dem Gettermaterial, z. B. Titan, teils aus einem höherschmelzenden Metall, z. B. Tantal, gefertigt sind. Das höherschmelzende Metall bildet dann gewissermaßen einen Träger für das geschmolzene Gettermaterial, so daß es ohne weitere Schwierigkeiten verdampft.

Mit Hilfe solcher Verbunddrähte ist es auch möglich, die Gettermaterialien auf spezielle vorhandene Gase einzustellen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nicht nur Teildrähte aus einem Gettermaterial zu verwenden, sondern gleichzeitig verschiedene Gettermaterialien mit Teildrähten aus höherschmelzenden Metallen zu vereinigen. So kann man durch eine bestimmte Kombination von Gettermaterialien vorzugsweise bestimmte Gase oder Gaskombinationen in überraschend günstiger Weise abpumpen.

In der Zeichnung ist eine Pumpe nach der Erfindung dargestellt. Dier hierbei benutzte Konfiguration der nötigen Teile kann je nach dem Verwendungszweck variiert werden, so daß die dargestellte Konfiguration nur ein Beispiel für die Erfindung darstellt. Die Figur zeigt zunächst, daß die Pumpe an den Vakuumrezipienten 1 mit Hilfe der Flanschverbindung 2 angeschlossen und natürlich auch beliebig oder zu bestimmten Zwecken wieder von ihm abgenommen werden kann. Die Einrichtung stellt also eine Pumpe dar, d. h. ein Gerät zur Entfernung von Gasen aus dem Rezipienten 1, das wahlweise an dem gezeichneten Rezipienten oder an beliebiger anderer Stelle benutzt werden kann.

Die Pumpe selbst besteht aus dem Pumpenkörper 3, der an seinem unteren Ende wiederum einen Flansch besitzt und der in der Zeichnung durch den Blindflansch 4 abgeschlossen ist. An Stelle des Blindflansches 4 können auch über ein gut schließendes

so Ventil Vakuumpumpen der bisher bekannten Bauart, z. B. Diffusionspumpen, angeschlossen werden, um die erste Evakuierung des Innenraumes der Pumpe und des Rezipienten zu bewirken.

In dem Pumpenkörper 3 befindet sich die zylinderförmige Elektrode 5, die in der angedeuteten Weise aus einem großmaschigen Metallgitter besteht und durch Mittel, die nicht gezeigt sind, auf eine positive Spannung gegenüber dem Pumpengehäuse 3 gebracht wird. Oberhalb der zylinderförmigen Elektrode 5 befindet sich der Draht 6, der in bekannter Weise auf eine so hohe Temperatur geheizt wird, daß er Elektronen emittiert und damit jene Elektronen liefert, die innerhalb des feldfreien Raumes der Elektrode 5 die Gasreste dissoziieren und ionisieren. Durch die Spannung, die die Elektrode 5 gegenüber dem Gehäuse hat, wird das Hineintreiben der entstehenden Gasionen in jene Getterschicht bewirkt, die sich auf der Innenseite des Pumpenkörpers 3 niedergeschlagen hat.

Auf der linken Seite befindet sich die Einrichtung 7 zum Erzeugen und Bündeln eines Elektronenstrahles. Sie besteht in der üblichen Weise aus dem isoliert herangeführten Heizfaden 8 und einer elektronenoptischen Einrichtung 9, die die Elektronen bündelt und hier als Magnetspule dargestellt ist. Diese Einrichtung 7 erzeugt den Elektronenstrahl 10, der etwa bei der Stelle 11 seine engsteStelle, d.h. seinen Fokus, besitzt.

An dieser Stelle wird der Getterdraht 12 unter einem Winkel α in das Elektronenstrahlbündel eingeführt. Dabei soll dieser Winkel relativ klein sein, so daß das Elektronenbündel ein nicht zu kurzes Stück des Drahtes 12 erfaßt. Der Draht wird geführt durch das Röhrchen 13, das erst kurz vor dem Punkt 11 endet und in das das Gettermaterial mit Hilfe der Transporteinrichtung 14, die es von der Drahtrolle 16 abspult, hineingeschoben wird, wobei diese Transporteinrichtung 14 im vorliegenden Falle durch eine außerhalb des Vakuums liegende Antriebseinrichtung 15 bedient wird. Diese Antriebseinrichtung 15 kann natürlich auch innerhalb des Vakuums untergebracht, insbesondere mit dem Transporteur 14 fest verbunden und an derselben Stelle angeordnet sein.

In der Figur sind nur die wichtigsten Teile und ihre Anordnung gezeigt, nicht aber die Zuführungen für die nötigen Spannungen und die Teile, die der mechanischen Konstruktion dienen. Wie schon gesagt, befindet sich die drahtförmige Elektronenquelle 6 auf Gehäusepotential, die zylinderförmige Elektrode 5

auf einem Potential, das positiv ist gegenüber dem

Gehäuse und einige hundert Volt beträgt. Der Getterdraht 12 mit den Hilfseinrichtungen 13., 14, 15 und 16 befindet sich ebenfalls auf Gehäusepotential, während die Elektronenquelle 7 für die gebündelten Elektronenstrahlen sich auf einem negativen Potential von einigen tausend Volt befindet. Das Elektronenstrahlbündel 10 besitzt eine Bewegungsrichtung, die im vorliegenden Falle quer zu der Konfiguration der Elektrode 5 und der drahtförmigen Elektronenquelle 6 geht, und sein Brennpunkt 11 wird im wesentlichen durch die fokussierenden Eigenschaften des elektronenoptischen Systems, also der gezeichneten Magnetspule 9, bestimmt. Der Punkt 11 ist also ein Raumpunkt, der durch die Elektronenquelle 7 und die Bündelung der erzeugten Elektronenstrahlen ziemlich genau festgelegt ist.

Das im Raumpunkt 11 verdampfende Gettermaterial schlägt sich auf den Innenwänden des Gehäuses 3 nieder. Während des Fluges der einzelnen Getteratome werden schon wesentliche Teile des vorhandenen Gases gebunden. An ihre Stelle treten dann andere Gasmoleküle oder Atome, die aus dem Vakuumrezipienten 1 in das Pumpengehäuse 3 hineindiffundieren. Sie werden von den Elektronen, die von der drahtförmigen Elektronenquelle 6 erzeugt as werden und in dem feldfreien Innern der Elektrode 5 Pendelbewegungen ausführen, teilweise dissoziiert und ionisiert, und diese Ionen geraten in den Raum zwischen der positiv geladenen Elektrode 5 und der ihr gegenüber negativen Gehäusewand 3. Durch das dort herrschende Feld werden sie auf die Innenwand des Gehäuses 3 getrieben und dringen mit ziemlicher Energie in die dort niedergeschlagenen Getterschichten ein. Ist nun diese Schicht ungefähr abgesättigt, so steigt das Vakuum allmählich etwas an und wird durch eine erneute Verdampfung von Gettermaterial wiederhergestellt. In bekannter Weise kann zur Steuerung dieses Vorganges ein Vakuummeter benutzt werden, das über eine Relaiseinrichtung sowohl den Vorschub des Getterdrahtes 12 wie auch die Inbetriebsetzung der Elektronenquelle 7 steuert. Die Elektronenquelle 7 braucht nur immer dann voll eingeschaltet zu werden, wenn eine erneute Verdampfung notwendig ist. Das bedeutet, daß diese Elektronenquelle 7 über längere Zeiten nicht in Betrieb gesetzt oder auch unterheizt wird und dadurch eine lange Lebensdauer besitzt. Der Getterdraht 12 wird durch die Vorschubeinrichtung 14/15 zu beliebigen Zeiten, beispielsweise in den Ausschaltpausen der Elektronenquelle, ein entsprechendes Stück vorgeschoben.

Wenn im Moment der Getterverdampfung größere Mengen von Metalldampf in der Pumpe vorhanden sind, kann es in ungünstigen Fällen passieren, daß dieser Metalldampf eine Gasentladung zwischen der Elektrode 5 und dem Gehäusemantel 3 oder der drahtförmigen Elektronenquelle 6 hervorruft, so daß es in diesen Fällen zweckmäßig ist, während der Verdampfung die an die Elektrode 5 angelegte Spannung abzuschalten.

Eine solche Einrichtung hat sich auch bei längerem Betrieb sehr bewährt und bedeutet einen wesentlichen Fortschritt in der Betriebsbereitschaft der in letzter Zeit bekanntgewordenen sehr vorteilhaften Verdampfer-Ionenpumpen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verdampfer-Ionenpumpe, bei der das freie Ende eines drahtförmigen Gettermaterials mittels eines fokussierten Elektronenstrahles, der auf das freie Ende des Getterdrahtes auftrifit, kontinuierlich oder intermittierend verdampft wird, gekennzeichnet durch einen gesonderten Raumteil (7), der die an sich bekannten Einrichtungen (8, 9) zur Erzeugung, Beschleunigung und Fokussierung des Elektronenstrahles aufnimmt und durch eine öffnung mit dem Pumpeninnenraum in Verbindung steht, in dem der fokussierte Elektronenstrahl (10) das freie Ende des Getterdrahtes (12) in einem Punkt schneidet und das Gettermaterial verdampft.

2. Verdampfer-Ionenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubrichtung des Getterdrahtes (12), die in an sich bekannter Weise der Flugrichtung des Elektronenstrahles (10) entgegengesetzt ist, die Flugrichtung des Elektronenstrahles etwa in der Nähe des Brennpunktes (11) schneidet und mit ihr einen relativ kleinen Winkel (α), vorzugsweise von weniger als 30°, bildet.

3. Verdampfer-Ionenpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle intermittierender Verdampfung in den Verdampfungspausen die Elektronenquelle (7) ausschaltbar oder wenigstens stark unterheizbar ist.

4. Verdampfer-Ionenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle intermittierender Verdampf ung während der Verdampfung des Getterdrahtes (12) die Elektroden (5, 6) keine Spannung führen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 795 551;
Martin Littmann, Getter stoffe und ihre Anwendung, 1938, S. 7.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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