DE1089112B

DE1089112B - Vacuum pump

Info

Publication number: DE1089112B
Application number: DEC18308A
Authority: DE
Inventors: Rostas Ernest
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1958-02-13
Filing date: 1959-01-29
Publication date: 1960-09-15

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, in der das zu pumpende Gas ionisiert und das Plasma einem zum Absaugen der Ionen vorgesehenen Feld ausgesetzt wird und in der ein mit der Gaseinlaßöffnung in Verbindung stehender Raum ein Entladungssystem mit zwei Elektroden enthält, von denen die eine zylindrisch ist und gegen die andere eine positive Spannung führt, und einem parallel zur Achse des Systems angeordneten Magnetfeld unterworfen wird.The invention relates to a vacuum pump in which the gas to be pumped is ionized and the plasma is ionized is exposed to the field provided for sucking off the ions and in which one communicates with the gas inlet opening standing room contains a discharge system with two electrodes, one of which is cylindrical and against the other carries a positive voltage, and one arranged parallel to the axis of the system Magnetic field is subjected.

In derartigen Ionenpumpen bisher bekannter Bauart wird das zu pumpende Gas in einem dem Hochvakuumeingang benachbarten Bereich ionisiert, wobei das auf das Plasma einwirkende elektrische Feld einen Ionenstrom absaugt und ihn gegen die eine an der Vorpumpenseite angeordnete Elektrode richtet. Dort entladen sich die Ionen und können durch die Vorpumpe angesaugt werden. Bei anderen Pumpenausführungen werden die Ionen durch die Elektrode selbst absorbiert, auf der sie auftreffen.In such ion pumps of a previously known type, the gas to be pumped is in a high vacuum inlet adjacent area ionized, whereby the electric field acting on the plasma a Sucks ion current and directs it against the one arranged on the forepump side electrode. there the ions discharge and can be sucked in by the backing pump. With other pump designs the ions are absorbed by the electrode itself that they hit.

Bei der überwiegenden Mehrheit solcher bekannter Pumpen wird die Ionisation des Gases entweder durch eine zwischen in dem zu pumpenden Gas selbst enthaltenen kalten Elektroden stattfindende selbständige Entladung oder durch einen von einer Glühkathode herrührenden Elektronenstrom bewirkt. Nach einem älteren Erfindungsvorschlag des Erfinders wird als Ionisierungsmittel eine Entladung mit Sekundärelektronen benutzt, die sich zwischen kalten Elektroden aufbaut, an denen eine Hochfrequenzspannung liegt. Eine solche Pumpe vereinigt gewisse Vorteile in sich, die die beiden vorgenannten Pumpenarten aufweisen, d. h. den Vorteil selbständiger Entladung und den Vorzug der Verwendung einer Glühkathode. Ihre Wirksamkeit ist nämlich auch bei größtem Hochvakuum gegeben, wie es bei Pumpen mit Glühkathode der Fall ist; jedoch weist sie die Robustheit, die Einfachheit der Konstruktion und Instandhaltung von Pumpen mit selbständiger Entladung auf. 'In the vast majority of such known pumps, the gas is ionized by either an independent discharge taking place between the cold electrodes contained in the gas to be pumped or caused by a stream of electrons originating from a hot cathode. After a older proposal of the inventor is a discharge with secondary electrons as the ionization means used, which builds up between cold electrodes to which a high-frequency voltage is applied. Such a pump combines certain advantages that the two aforementioned types of pumps have, d. H. the advantage of independent discharge and the advantage of using a hot cathode. Her This is because it is effective even at the greatest high vacuum, as is the case with pumps with a hot cathode the case is; however, it exhibits the robustness, simplicity of construction and maintenance of Pumps with automatic discharge. '

Bei einer ebenfalls bereits bekannten Vakuumpumpe, bei der als Elektronenquelle statt einer Glühkathode auch eine in dem Gas selbständige, durch ein axiales Magnetfeld beeinflußbare Penningentladung dienen kann, umgibt die Metallwand der Pumpe die positive Penningelektrode, wobei in dem Raum zwischen den beiden Elektroden keine Entladung stattfindet. Außerhalb des Entladungsraumes ist hierbei eine eine axiale Feldkomponente aufweisende magnetische Linse angeordnet, die auf die Entladung nicht einwirkt, sondern lediglich als Hilfsmittel dazu bestimmt ist, die aus der Entladung gewonnenen Ionen in Richtung auf die Vorpumpe zu fokalisieren.In the case of a vacuum pump, which is also already known, in which the electron source is used instead of a hot cathode a Penning discharge which is independent in the gas and can be influenced by an axial magnetic field also serve can, the metal wall of the pump surrounds the positive Penning electrode, being in the space between the no discharge takes place on both electrodes. Outside the discharge space there is an axial one Arranged having field component having magnetic lens, which does not act on the discharge, but is only intended as an aid to the ions obtained from the discharge in the direction of the backing pump to focus.

Die Erfindung betrifft eine Pumpe, die insofern an den vorerwähnten Erfindungsvorschlag erinnert, als sie ebenfalls mitSekundärelektronenentladung arbeitet; VakuumpumpeThe invention relates to a pump which is reminiscent of the aforementioned inventive proposal, as it also works with secondary electron discharge; Vacuum pump

Anmelder:Applicant:

Compagnie Frangaise Thomson-Houston,
ParisCompagnie Frangaise Thomson-Houston,
Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. C. elemente, Patentanwalt,
Deggendorf, Krankenhausstr. 26Representative: Dipl.-Ing. C. elements, patent attorney,
Deggendorf, Krankenhausstr. 26th

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 13. Februar 1958Claimed priority:
France, February 13, 1958

Rostas Ernest, Paris,
ist als Erfinder genannt wordenRostas Ernest, Paris,
has been named as the inventor

die Pumpe gemäß der Erfindung unterscheidet sich jedoch von dem älteren Erfindungsvorschlag vollkommen in ihrer Betriebsweise'und insbesondere durch die die Sekundärelektronen erzeugende Einrichtung. Ihr bedeutendstes Merkmal und ihr besonderer Vorteil bestehen darin, daß die elektrische Stromversorgung keine Hochfrequenzleistung benötigt, sondern sich einfach einer Gleichspannung bedient.however, the pump according to the invention differs of the older proposed invention completely in their mode of operation and in particular by the the secondary electron generating device. Their most significant feature and their particular advantage exist in that the electrical power supply does not require high frequency power, but simply itself operated by a DC voltage.

Die Vakuumpumpe gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden zumindest im wesentlichen zylindrisch und koaxial zueinander angeordnet sind, von denen die innere einen Sekundäremissionskoeffizienten größer als Eins besitzt und eine gegenüber der äußeren Elektrode negative Spannung führt, und die Halbmesser der Elektroden, die angelegte Spannung und die magnetische FeIdstärke so bemessen sind, daß zwischen den Elektroden sich eine auf kaskadenartiger Erzeugung von Sekundärelektronen beruhende Entladung ausbildet. Bei einem ziemlich kritischen, von den Durchmessern der beiden Elektroden und der angelegten Spannung abhängigen Wert der magnetischen Induktion genügt die Anwesenheit von einigen Elektronen in dem Raum zwischen den Elektroden, um eine Elektronenentladung auszulösen. Die Anfangselektronen können hierbei von einer Feldemission, einer anfänglich geringen Ionisation des verdünnten Gases oder von einer Hilfselektrode herrühren.The vacuum pump according to the invention is characterized in that both electrodes at least are arranged substantially cylindrical and coaxial with one another, the inner one of which has a secondary emission coefficient is greater than one and has a negative voltage compared to the outer electrode, and the radius of the electrodes, the applied voltage and the magnetic field strength are dimensioned so that between the electrodes a discharge based on the cascade-like generation of secondary electrons is formed. at a rather critical one, which depends on the diameters of the two electrodes and the voltage applied The presence of a few electrons in the space is sufficient for the magnetic induction value between the electrodes to trigger an electron discharge. The initial electrons can do this from a field emission, an initially low ionization of the diluted gas or from an auxiliary electrode originate.

Die Erfindung beruht auf folgender physikalischer Erscheinung. In zylindrischen Magnetrons überschreitet unter gewissen Betriebsbedingungen die An-The invention is based on the following physical phenomenon. Exceeds in cylindrical magnetrons under certain operating conditions

009 607/99009 607/99

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odenstromstärke in beachtlichem Maße die Normal- gegeben werden können. Es wurden auch bereits Magröße der Elektronenemission der Kathode, und dies gnetrone mit kalter Kathode gebaut, bei denen die ' insbesondere bei hohen Anodenspannungen, wie ma'n Entladung mittels einer heißen oder kalten Hilfssie bei Impulsbetrieh verwendet. Recht häufig beob- kathode oder auch durch eine selbständige Gasentlaachtet man gleichzeitig eine Erhitzung oder gar Über- 5 dung gezündet wird.odenstromstrom to a considerable extent that can be given normal. There were already magnitudes the electron emission of the cathode, and this gnetrone built with a cold cathode, in which the ' especially with high anode voltages, such as discharging by means of a hot or cold auxiliary sieve used in pulsed mode. Quite often an observation cathode or an independent gas discharge heating or even overburdening is ignited at the same time.

hitzung der Kathode, und man hat bisher geglaubt, Gemäß dem grundlegenden Gedanken vorliegender daß auf Grund dieser gegebenenfalls durch ein Elek- Erfindung wird die Entladung durch Sekundärelektronenbombardement verursachten Erhitzung die tronen, die sich in einem gekreuzten elektrischen und außergewöhnliche Stromstärke sich in jedem Falle er- magnetischen Feld aufbaut und soeben beschrieben klären ließe. Jedoch stellt sich diese Erscheinung fast io wurde, als Ionisierungsmittel in einer Ionenpumpe beunabhängig von der Kathodentemperatur ein. Man nutzt. Die Pumpe gemäß der Erfindung weist daher im kann nicht nur die Kathodentemperatur durch Ver- wesentlichen ähnlich einem zylindrischen Magnetron minderung oder notfalls Abschaltung der Heizspan- einen gleich diesem einem gekreuzten elektrischen und nung auf ihrem Ursprungswert halten, sondern man magnetischen Feld ausgesetzten Entladungsraum und kann nach Einstellen des Stroms die Kathode auch auf 15 Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes auf, Temperaturen kühlen, bei denen sie normalerweise das dazu dient, die nach ihrer Entladung durch eine nicht mehr emittiert. Schließlich lassen sich durch Aus- Vorpumpe angesaugten oder durch einen als Getter tausch der Kathode gegen eine kalte Elektrode Ströme wirksamen Körper absorbierten Ionen abzusaugen,
von der gleichen Größenordnung wie mit einer Glüh- Eine solche Entladung ist ein sehr starkes Ionisiekathode unter der Bedingung erreichen, daß man einen 20 rungsmittel. Bereits der Anodenstrom erreicht leicht verhältnismäßig niedrigen Anfangsstrom einstellt. Zu die Größenordnung von mehreren 10¹ Ampere, jedoch diesem Zweck bringt man, beispielsweise in den Ent- stellt der auf die Anode auftreffende Strom nur einen ladungsraum, Elektronen ein, die von einer Glüh- geringen Bruchteil des Elektronenstroms dar, der in kathode herrühren oder durch eine Feldemission er- dem Raum zwischen Anode und Kathode umläuft und zeugt werden. Von der Anfangsstromstärke aus er- 35 das in diesem Raum enthaltene Gas ionisieren kann, reicht der Strom seinen stabilen Endwert innerhalb Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Pumpe hat die einiger hundertstel Mikrosekunden. Man kann die Er- erwähnten Vorzüge, die die Pumpe mit Hochfrequenzscheinung auch durch eine selbständige Entladung aus- elektronenentladung aufweist, insbesondere die Robustlösen, indem man die Röhre mit einem Gas unter ge- heit und Wirksamkeit bei sehr großem Hochvakuum; ringem Druck, beispielsweise mit Wasserstoff bei 30 jedoch zu ihrem weiteren Vorteil ist ihre Stromversoreinem Druck von 10~²Torr füllt; jedoch die Erschei- gung einfacher, da sie keine Hochfrequenzleistung benung selbst beruht nicht auf einer Ionenentladung, nötigt. Das verwendete Entladungssystem kann grunddenn sie ist nach Auspumpen des Gases sogar bei sätzlich ein während des Betriebs schwingendes Vielgrößtem Hochvakuum vorhanden. Außerdem ist es schlitzmagnetron sein; gewöhnlich besteht jedoch nicht notwendig, daß das Magnetron schwingt; ein 35 Interesse, ein Magnetron mit glatter Anode zu verMagnetron mit ungeschlitzter Anode läßt einen fast wenden, das während der Entladung nicht schwingt, ebenso hohen Strom fließen wie ein schwingendes wobei der Elektronenstrom ungefähr die gleichen Vielschlitzmagnetron bei gleichen Anoden- und Werte wie in den beiden genannten Systemarten er-Kathodenabmessungenj reicht. Die Anode kann entweder durch Gleichspan-Gemäß jüngsten experimentellen Erfahrungen kann 40 nung oder durch Impulse, aber auch durch eine diese Entladungserscheinung nur auf einem Sekun- Wechselspannung stromgespeist werden, wobei die däremissionseffekt beruhen. Ein Teil der an der Ent- Röhre selbst als Gleichrichter dient. Im letzteren Falle ladung teilnehmenden Elektronen muß zur Kathode ist es vorteilhaft, dem magnetischen Gleichfeld eine zurückkehren, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die Wechselkomponente zu überlagern; man kann somit ausreicht, um dort Sekundärelektronen auszulösen. Man 45 während eines beachtlichen Teils der Wechselspanfindet übrigens, daß unter gewissen Betriebsbedingun- nungsperiode Werte der Anodenspannung und magnegen der Stromendwert vom Sekundäremissionskoeffi- tischen Induktion erreichen, die für die Entladung zienten des Kathodenmaterials abhängt. Jedoch hat man nahezu optimal sind.heating of the cathode, and it has hitherto been believed, according to the basic idea of the present invention, that on the basis of this, if necessary, by an elec- magnetic field and clarify just described. However, this phenomenon occurs almost as an ionizing agent in an ion pump regardless of the cathode temperature. One uses. The pump according to the invention can therefore not only keep the cathode temperature at its original value by essentially reducing the temperature of a cylindrical magnetron or, if necessary, switching off the heating voltage, but also keeping the discharge space exposed to a magnetic field and after Adjusting the current also means the cathode 15 means of generating an electric field, temperatures at which it normally serves to cool the cathode which is no longer emitted after its discharge by a. Finally, ions can be sucked in by a backing pump or absorbed by a body that acts as a getter from the cathode for a cold electrode.
of the same order of magnitude as with an incandescent. Already the anode current easily reaches a relatively low initial current. To the order of magnitude of several 10 ¹ amperes, however, for this purpose, the current striking the anode, for example, only introduces a charge space, electrons that come from an incandescent small fraction of the electron current that originate in the cathode or field emission causes the space between anode and cathode to circulate and be generated. From the initial current strength, the gas contained in this space can ionize, the current reaches its stable end value within. The pump proposed according to the invention has a value of a few hundredths of a microsecond. The advantages mentioned above, which the pump with high-frequency appearance also has through an independent discharge from electron discharge, in particular the robust ones, can be solved by filling the tube with a gas under unit and effectiveness at a very high high vacuum; ring pressure, for example with hydrogen at 30 but to your further advantage is your power supply a pressure of 10 ~ ² torr fills; however, the appearance is simpler since it does not require any high-frequency power. The discharge system used can be because, after the gas has been pumped out, there is also a very high high vacuum that oscillates during operation. In addition, it is to be a slot magnetron; however, it is usually not necessary that the magnetron oscillate; An interest in using a magnetron with a smooth anode, a magnetron with an unslit anode, allows a magnetron that does not oscillate during discharge to flow as high a current as an oscillating one, the electron current being roughly the same multi-slot magnetron with the same anode and values as in the two System types mentioned er-cathode dimensionsj is sufficient. According to the latest experimental experience, the anode can be supplied with current either by direct voltage or by impulses, but also by this discharge phenomenon only on one second alternating voltage, whereby the emission effect is based. A part that serves as a rectifier on the Ent tube itself. In the latter case, the electrons participating in the charge must go to the cathode, it is advantageous to return one of the magnetic constant field, and indeed with a speed to superimpose the alternating component; one can therefore be sufficient to release secondary electrons there. Incidentally, during a considerable part of the alternating voltage it is found that, under certain operating condition periods, values of the anode voltage and the final current value of the secondary emission coefficient reach induction, which depends on the discharge cient of the cathode material. However one has to be almost optimal.

bisher nicht in ausreichender Weise zu erklären gewußt, Was das Absaugen von Ionen aus dem Plasma undSo far not known in a sufficient way to explain what the suction of ions from the plasma and

von wo die kinetische Energie der rückläufigen Elek- 50 ihre Evakuierung betrifft, ist zu bemerken, daß dieFrom where the kinetic energy of the retrograde elec- tric relates to its evacuation, it is to be noted that the

tronen herrührt. Beim schwingenden Magnetron kann unter dem Einfluß des radialen elektrischen Feldes er-tronen comes from. In the case of a vibrating magnetron, the influence of the radial electric field

allerdings ein durch gewisse Phasen ihres Abgangs zeugten Ionen in schwach gekrümmten Bahnen auf diehowever, through certain phases of their departure, ions produced in weakly curved orbits on the

von der Kathode gekennzeichneter Teil der Elektronen Kathode zu gelenkt werden. Dies macht ihre Beseiti-Part of the electron cathode marked by the cathode to be directed. This makes their elimination

Hochfrequenzenergie aufnehmen, statt abzugeben. g"ung durch Absorption sehr einfach. Wenn.der betref-Absorbing high-frequency energy instead of releasing it. very easy to process by absorption.

Man hat daher die Vermutung aufgestellt, daß im 55 fende absorbierende Stoff, wie z. B. Tantal, selbstIt has therefore been assumed that in the 55 fende absorbent material such. B. Tantalum, itself

statischen Betrieb anscheinend von außen nicht fest- einen genügend großen Sekundäremissionskoeffizientenstatic operation apparently not fixed from the outside - a sufficiently large secondary emission coefficient

stellbare Schwingungen sich infolge einer Relativ- hat, kann man ihn als Kathodenmaterial verwenden,adjustable vibrations as a result of a relative- it can be used as a cathode material,

bewegung verschiedener Elektronenfolgen erregen, wie Ist dies nicht der Fall, wie z. B. bei Verwendung vonexcite movement of various electron sequences, such as If this is not the case, such as. B. when using

dies ähnlich beim Doppelstromverstärker auftritt. Eine Titan als Absorptionsmittel, so kann die Kathode austhis occurs similarly with the double current amplifier. A titanium as an absorbent, so the cathode can be made from

andere Hypothese vermutet einen Energieaustausch 60 einem Käfig großer Durchlässigkeit gebildet sein, derAnother hypothesis assumes an energy exchange 60 to be formed in a cage of great permeability

zwischen den Elektronen, während sie sich auf ihren aus einem Stoff mit hohem Sekundäremissionskoeffi-between the electrons, while they are made of a substance with a high secondary emission coefficient.

epizykloidalen Bahnen kreuzen. zienten, z. B. aus Wolfram besteht und der das absor-cross epicycloidal pathways. cient, e.g. B. consists of tungsten and the absor-

Trotz der Lücken dieser Theorie ist die im Ma- bierende Element koaxial umgibt; letzteres muß aufDespite the loopholes in this theory, the measuring element is coaxially surrounding it; the latter must be on

gnetron mit Kaltkathode auftretende Entladung durch einem gegenüber dem der Kathode gleichen oder mehrGnetron with a cold cathode occurring due to a discharge equal to or greater than that of the cathode

Sekundärelektronen eine völlig sichere und wiederhol- 65 negativen Potential gehalten werden. Für die IonenSecondary electrons are kept at a completely safe and repeatable 65 negative potential. For the ions

bare Erscheinung, und zwar auf Grund dessen, daß hat der Kathodenaufbau eine größere Durchlässigkeitappearance due to the fact that the cathode structure has a greater permeability

man sehr hohe Stromdichten erreicht, die zur Erzeu- als für die Elektronen, da die Ionenbahnen nahezuvery high current densities are achieved, which are used for the generation than for the electrons, since the ion paths are almost

gung von Zentimeter- und Millimeterwellen großer senkrecht auf der Kathodenoberfläche stehen, wäh-of centimeter and millimeter waves are perpendicular to the cathode surface, while

Leistung notwendig sind. Diese Dichten betragen oft rend die Elektronenbahnen gegenüber der SenkrechtenPerformance are necessary. These densities are often equal to the electron orbits compared to the vertical

ein Vielfaches von denen, die von Glühkathoden ab- 70 dieser Fläche stark geneigt liegen. Die Kathodenele-a multiple of those that are strongly inclined from the hot cathode on this surface. The cathode element

mente behindern daher den Durchgang von Ionen nur wenig, werden jedoch von den Elektronen getroffen, die auf diesen Elementen Sekundär elektronen auslösen können. Dieser Unterschied in der Durchlässigkeit ist in noch verstärktem Maße vorhanden, wenn die Kathodenelemente in radialer Richtung größere Ausmaße aufweisen als in tangentialer Richtung, beispielsweise aus flachen Stäben bestehen, die parallel zueinander derart angeordnet sind, daß ihre Schmalseiten die Oberfläche des Kathodenzylinders bilden. .ments therefore hinder the passage of ions only a little, but are hit by the electrons, which can trigger secondary electrons on these elements. This difference in permeability is present to an even greater extent when the cathode elements are larger in the radial direction Have dimensions than in the tangential direction, for example consist of flat bars that are parallel are arranged to one another in such a way that their narrow sides form the surface of the cathode cylinder. .

In Pumpen, die für einen Betrieb in Verbindung mit einer Vorpumpe vorgesehen sind, kann das Problem des Absaugens von Ionen auf folgende Weise gelöst werden. Man ruft im Innern der — wie oben beschrieben ·—· in Form eines Käfigs gehaltenen ig Kathode ein elektrisches Feld hervor, das den Ionen eine zur Achse der Kathode parallele Bewegungskomponente erteilt. An einem oder beiden Enden der Zylinderkathode ist über eine Rohrleitung die Vorpumpe angeschlossen. Die dort eintretenden Ionen entladen sich entweder auf einer Sammelelektrode oder an den Wänden der Rohrleitung selbst und werden durch die Vorpumpe angesaugt.In pumps that are intended to be operated in conjunction with a backing pump, this can Ion suction problem can be solved in the following way. One calls inside the - as above described · - · ig cathode held in the form of a cage produces an electric field which the ions a component of movement parallel to the axis of the cathode is given. At one or both ends of the cylinder cathode the backing pump is connected via a pipeline. The ions entering there are discharged either on a collecting electrode or on the walls of the pipeline itself and through the Backing pump sucked in.

Zur Erzeugung des im Innern der Kathode notwendigen elektrischen Feldes kann man entweder eine gegebenenfalls in Gitter- oder Ringform gehaltene und nahe am Eingang der Rohrleitung angeordnete negative Elektrode oder eine nahe am anderen Ende der Kathode vorgesehene positive Elektrode oder beide gleichzeitig verwenden. Mit der Erfindung wird jedoch auch eine besondere Elektrodenanordnung vorgeschlagen, die folgende Gegebenheiten berücksichtigt. Die in den Kathodenkäfig eindringenden Ionen haben an ihrer Anfangsstelle radiale Geschwindigkeiten, deren Werte sich von Null bis auf einen dem Anodenpotential entsprechenden Maximalwert erstrecken. Was die langsamen Ionen anbetrifft, so würde ein schwaches axiales Feld dazu ausreichen, sie in die Rohrleitung der Pumpe und sogar in lange Kathodenaufbauten eintreten zu lassen; damit aber auch die +0 schnellen Ionen in Richtung auf die Öffnung der Rohrleitung laufen, statt die Kathode radial zu durchqueren, muß das im Innern der Kathode herrschende Feld im allgemeinen eine Radialkomponente besitzen, die die radiale Geschwindigkeitskomponente der Ionen zumindest teilweise aufhebt. Grundsätzlich erzeugt jede im Innern der Kathode oder der Rohrleitung angeordnete und auf einem dieser gegenüber positiven Potential gehaltene Elektrode ein Feld, das axiale und radiale Komponenten besitzt; dies zeigt Fig. 1 für den Fall, daß eine ebene Elektrode 1 innerhalb eines zylindrischen Aufbaus 2 angeordnet ist, wobei jedoch das durch die Kraftlinien 3 dargestellte Feld mit der Entfernung von der Kathode rasch abnimmt. Aus diesem Grund wird als Elektrode ein Rotationskörper mit sich verringerndem Durchmesser, beispielsweise ein Kegel, vorgeschlagen, der in den von der Kathode eingeschlossenen Zylinderraum hineinragt. Fig. 2 zeigt schematisch eine solche Anordnung. Das durch die Elektrode 4 verursachte und in dem unteren Teil dieser Figur durch die Kraftlinien 5 veranschaulichte Feld hat über die gesamte Länge der Kathode 6 eine Form, die geeignet ist, die Ionen in Richtung auf die Öffnung der Rohrleitung? zu reflektieren. Die Linien8 und 9 stellen schematisch die Bahnen zweier schneller Ionen dar. Was die langsamen Ionen anbetrifft, so kann es vorkommen, daß das Feld sie wieder aus der Kathode heraustreten läßt, wie es schematisch durch die Bahn 10 angedeutet ist; die langsamen Elektroden können jedoch in dem Feld eine axiale Geschwindigkeitskomponente gewinnen und nach einem oder mehreren Durchläufen durch die Kathodenfläche schließlich in die Rohrleitung 7 eintreten.To generate the electrical field required inside the cathode, either an optional Negatives held in a grid or ring shape and placed close to the entrance of the pipeline Electrode or a positive electrode provided near the other end of the cathode, or both use at the same time. With the invention, however, a special electrode arrangement is also proposed, takes into account the following conditions. The ions entering the cathode cage have at their starting point radial velocities, the values of which vary from zero to one of the anode potential corresponding maximum value. As for the slow ions, a would weak axial field is sufficient to get them into the pipeline of the pump and even into long cathode assemblies to let in; but with it also the +0 fast ions in the direction of the opening of the pipeline instead of traversing the cathode radially, the inside of the cathode must run Field generally have a radial component, which is the radial velocity component of the ions at least partially cancels. Basically, each generated inside the cathode or the pipeline and a field on one of these electrodes held opposite positive potential, the axial and has radial components; this shows Fig. 1 for the case that a flat electrode 1 within a cylindrical Structure 2 is arranged, however, the field represented by the lines of force 3 with the distance decreases rapidly from the cathode. For this reason, a rotating body is used as the electrode decreasing diameter, for example a cone, proposed that of the cathode enclosed Cylinder space protrudes. Fig. 2 schematically shows such an arrangement. That through the Electrode 4 and illustrated in the lower part of this figure by the lines of force 5 Over the entire length of the cathode 6, the field has a shape which is suitable for the ions in the direction of the Opening of the pipeline? to reflect. The Lines8 9 and 9 schematically represent the trajectories of two fast ions. As for the slow ions, see above it can happen that the field lets them step out of the cathode again, as shown schematically by the track 10 is indicated; however, the slow electrodes can have an axial velocity component in the field win and finally after one or more passes through the cathode surface enter the pipe 7.

Das Zünden der Elektronenentladung erfordert in den meisten Fällen kein besonderes Mittel; es genügt, von einem Anfangsdruck des zu pumpenden Gases auszugehen, bei dem eine selbständige Ionenentladung erfolgt, die mit Verbesserung des Vakuums der Elektronenentladung weicht. Um von Erregungsbedingungen jedoch unabhängig zu sein, ist man mitunter interessiert, in der Pumpe eine Glühhilfskathode oder eine mit Feldemission arbeitende kalte Kathode anzuordnen. Diese Hilfsbestandteile können beispielsweise in der Verlängerung der Hauptkathode angeordnet werden.In most cases, the ignition of the electron discharge does not require any special means; it is sufficient, to assume an initial pressure of the gas to be pumped at which an independent ion discharge takes place, which gives way to the electron discharge as the vacuum improves. To from excitation conditions However, to be independent, one is sometimes interested in an auxiliary incandescent cathode or in the pump to arrange a cold cathode working with field emission. These auxiliary components can, for example be arranged in the extension of the main cathode.

Zum besseren Verständnis der technischen Merkmale der Erfindung und der durch sie erzielten Vorteile werden folgende drei Ausführungsbeispiele der Pumpe gemäß der Erfindung beschrieben. Diese als Beispiele gewählten Äusführungsformen sind in den Fig. 3, 5 und 6 schematisch veranschaulicht. Fig. 4 stellt in einem Teilabschnitt die Kathode 15 und Elektronenreflektoren 19 der Pumpe der Fig. 3 schaubildlich dar.For a better understanding of the technical features of the invention and the advantages achieved by them the following three exemplary embodiments of the pump according to the invention are described. This as Examples of selected embodiments are illustrated schematically in FIGS. 3, 5 and 6. Fig. 4 shows the cathode 15 and electron reflectors 19 of the pump of FIG. 3 in a partial section represent.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine Pumpe, die zum Betrieb in Verbindung mit einer Vorpumpe vorgesehen ist und bei der die Elektronenentladung durch eine in dem zu pumpenden Gas sich aufbauende Ionenentladung gezündet wird. Das Entladungssystem wird durch die Zylinderanode 11 und die in Form eines Zylinderkäfigs gehaltene Kathode 12 gebildet. Die Anode steht mit einem die Kühlrippen 14 ausgestatteten Metallgehäuse 13 in stofflicher Einheit. Die Kathode besteht aus flachen Stäben 15, die mit ihren Enden in Ringe 16 und 17 eingefügt sind, die die Elektronenreflektoren 18 und 19 haltern. Dieser Aufbau wird in Fig. 4 im einzelnen schaubildlich dargestellt. Der Kathodenaufbau ist auf seiner einen Seite durch die Metallrohrleitung 20, die zur Vorpumpe führt, und auf der anderen Seite unter Zwischenfügung einer Keramikscheibe 21 an der Elektrode 22 abgestützt. Diese Elektrode ist dazu bestimmt, im Innern der Kathode das elektrische Feld zu schaffen, das die Ionen in Richtung auf die Rohrleitung 20 zu lenken hat. Zu diesem Zweck ist die Elektrode 22 mit drei Füßen verbunden, von denen in der Figur nur zwei, nämlich 23 und 24 sichtbar sind, und sie ragt kegelförmig in den Kathodenkäfig 12, 15 hinein. Das zu pumpende Gas fließt über die Metallrohrleitung 25 dem Entladungsraum zu. Die aus dem Plasma in Form von Ionen herausgezogenen Gasteilchen entladen sich an den Innenwänden der Rohrleitung 20 und werden von der Vorpumpe angesaugt. Das Gehäuse ist durch die an das Rohr 20 angeschweißte Metallscheibe 26 und ein Keramikrohr 27 vervollständigt, wobei Verbindungselemente 28, 29 die Schweißverbindungen Keramik—Metall gegen mechanische Kontraktionen schützen. Das Keramikrohr 27 trennt die auf Anodenpotential gehaltenen Teile des Rohrs elektrisch von den am Kathodenpotential liegenden Teilen. Ein lediglich mit seinen ringförmigen Polstücken N und 5* veranschaulichter Elektromagnet erzeugt ein zur Achse des Rohrs paralleles Magnetfeld. Wegen der Potentialdifferenz zwischen den Rohren 25 und 20 ist zwischen das Rohr 20 und das Polstück 5" ein Isolierkörper 30 eingefügt. Es sei angenommen, daß in der dargestellten Anordnung der Elektromagnet sich auf gleichem elektrischem Potential wie die Vorpumpe befindet. Aus diesem Grunde verbindet ein Rohrabschnitt 32 aus einem Isoliermaterial, ζ. B. Glas, den Eingang 33 der Vorpumpe mit dem3 shows in section a pump which is provided for operation in connection with a backing pump and in which the electron discharge is ignited by an ion discharge building up in the gas to be pumped. The discharge system is formed by the cylinder anode 11 and the cathode 12 held in the form of a cylinder cage. The anode is in a material unit with a metal housing 13 equipped with the cooling fins 14. The cathode consists of flat rods 15, the ends of which are inserted into rings 16 and 17 which hold the electron reflectors 18 and 19. This structure is shown in detail diagrammatically in FIG. The cathode structure is supported on one side by the metal pipeline 20, which leads to the backing pump, and on the other side with a ceramic disk 21 interposed on the electrode 22. This electrode is intended to create the electrical field inside the cathode which has to direct the ions in the direction of the pipe 20. For this purpose, the electrode 22 is connected to three feet, of which only two, namely 23 and 24, are visible in the figure, and it projects conically into the cathode cage 12, 15. The gas to be pumped flows through the metal pipe 25 to the discharge space. The gas particles extracted from the plasma in the form of ions are discharged on the inner walls of the pipeline 20 and are sucked in by the backing pump. The housing is completed by the metal disk 26 welded to the tube 20 and a ceramic tube 27, connecting elements 28, 29 protecting the ceramic-metal welded joints against mechanical contractions. The ceramic tube 27 electrically separates the parts of the tube that are kept at anode potential from the parts that are at cathode potential. An electromagnet, illustrated only with its ring-shaped pole pieces N and 5 *, generates a magnetic field parallel to the axis of the tube. Because of the potential difference between the tubes 25 and 20, an insulating body 30 is inserted between the tube 20 and the pole piece 5 ″. It is assumed that in the illustrated arrangement the electromagnet is at the same electrical potential as the backing pump Pipe section 32 made of an insulating material, e.g. glass, the inlet 33 of the backing pump with the

Ausgang 34 der Rohrleitung 20. Die zwischen Anode und Kathodenausgang 20 geschaltete Stromquelle 35 versorgt die Pumpe mit Gleichspannung.Output 34 of the pipeline 20. The current source 35 connected between the anode and cathode output 20 supplies the pump with direct voltage.

Fig. 5 stellt eine Pumpe dar, bei der die Ionen durch Absorption herausgeholt werden und die eine Glühhilfskathode aufweist, die dafür bestimmt ist, die Elektronenentladung zu zünden. Die den Anodenkörper 11 der Pumpe, die Eingangsrohrleitung 25 und die käfigförmige Kathode 12 mit ihrem Ring 16 bildenden Teile sind im wesentlichen die gleichen wie bei der in Fig. 3 veranschaulichten Pumpe, daher auch mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Käfigkathode ist jedoch lediglich an ihrem einen Ende gestützt, und ihre Stabe 15 sind in den Randbereich einer auf den Kathodendurchführungsleiter 37 aufgeschweißten Scheibe 36 eingesetzt. Das freie Ende der Kathode ist mit einer Reflektorelektrode 18 ausgestattet. Der den Kathodendurchführungsleiter bildende Stab 37 haltert unter Einfügung einer Schweißmuffe 38 die Hilfskathode 39. Die Emittierschicht 40, die beispielsweise aus Erdalkalioxyden besteht, befindet sich gegenüber dem einen Rand der Anodenfläche 11. Am anderen Ende der Hilfskathode ist die Reflektorelektrode 41 befestigt. Der Körper dieser Kathode ist aus einem Blech geringer Stärke und kleiner Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Die trotzdem dem Durchführungsstab 37 übertragene Wärme, die sich noch um die durch die Hauptkathode 12 erzeugte Wärme vermehrt, wird durch einen Kühler 42 nach außen abgegeben. Die Hilfskathode wird von dem durch eine Aluminiumschicht isolierten Heizfaden 43 erwärmt, dessen eines Ende bei 44 mit dem Stab 37 verbunden ist und dessen anderes Ende 45 das Gehäuse über die dichte Durchführung 46 verläßt. Im Innern des Kathodenkäfigs ist koaxial zu ihm das aus einem die Gasionen absorbierenden Stoff, z. B. Titan, bestehende Element 47 angeordnet. Das Gehäuse der Pumpe ist über den keramischen Rohrabschnitt 48 und die beiden Scheiben 49 und 50 dicht abgeschlossen, deren abgebogene Ränder mit dem Anodenkörper 13, dem Keramikrohr 48 und dem Durchführungsstab 37 verschweißt sind. Die Scheibe 50 enthält außerdem die luftdichte Heizfadendurchführung. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 liegt der mit seinen Polstücken N und 5 dargestellte Elektromagnet am Kathodenpotential. Aus diesem Grunde ist zwischen dem Polstück N und dem am Anodenpotential liegenden Rohrteil 25 ein Isolierkörper 51 eingefügt. Der Heizfaden der Hilfskathode wird von der Stromquelle 52 gespeist, während die Anodenspannung in Form von Impulsen von einem Impulsgenerator geliefert wird, von dem in der Figur lediglich der Ausgangstransformator 53 dargestellt ist. Zu Beginn eines jeden Spannungsimpulses findet eine gewöhnliche Magnetronentladung in dem die Hilfskathode umgebenden Raum statt. Alsdann breitet sich in axialer Richtung auf das Innere des Aufbaus zu schnell eine Elektronenwolke aus und erzeugt dort die Entladung durch Sekundärelektronen. Fig. 5 shows a pump in which the ions are drawn out by absorption and which has an auxiliary glow cathode which is intended to ignite the electron discharge. The parts forming the anode body 11 of the pump, the inlet pipeline 25 and the cage-shaped cathode 12 with its ring 16 are essentially the same as in the case of the pump illustrated in FIG. 3 and are therefore provided with the same reference numerals. However, the cage cathode is only supported at its one end, and its rods 15 are inserted into the edge region of a disk 36 welded onto the cathode lead-through conductor 37. The free end of the cathode is equipped with a reflector electrode 18. The rod 37 forming the cathode feed-through conductor holds the auxiliary cathode 39 with the insertion of a welding sleeve 38. The emitter layer 40, which consists for example of alkaline earth oxides, is located opposite one edge of the anode surface 11. The reflector electrode 41 is attached to the other end of the auxiliary cathode. The body of this cathode is made of sheet metal of low thickness and low thermal conductivity. The heat which is nevertheless transferred to the lead-through rod 37, which is increased by the heat generated by the main cathode 12, is released to the outside through a cooler 42. The auxiliary cathode is heated by the heating filament 43 insulated by an aluminum layer, one end of which is connected to the rod 37 at 44 and the other end 45 of which leaves the housing via the sealed passage 46. In the interior of the cathode cage is coaxial with it that consists of a substance that absorbs the gas ions, e.g. B. titanium, existing element 47 is arranged. The housing of the pump is tightly sealed by the ceramic tube section 48 and the two disks 49 and 50, the bent edges of which are welded to the anode body 13, the ceramic tube 48 and the lead-through rod 37. The disc 50 also contains the airtight filament feedthrough. In the embodiment of FIG. 5, the electromagnet shown with its pole pieces N and 5 is at the cathode potential. For this reason, an insulating body 51 is inserted between the pole piece N and the tube part 25 at the anode potential. The filament of the auxiliary cathode is fed by the current source 52, while the anode voltage is supplied in the form of pulses from a pulse generator, of which only the output transformer 53 is shown in the figure. At the beginning of each voltage pulse, an ordinary magnetron discharge takes place in the space surrounding the auxiliary cathode. Then a cloud of electrons spreads too quickly in the axial direction onto the interior of the structure and generates the discharge there by secondary electrons.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Fig. 5 beschriebenen Pumpe. In ihr ist die Glühhilfskathode durch ein Feldemissionssystem ersetzt. Da der Aufbau dieser Pumpe zum größten Teil durch die gleichen Elemente wie die der Fig. 5 gebildet ist, beschränkt sich die folgende Beschreibung auf die demgegenüber neuen Teile und deren Funktionen. Die Hauptkathode ist mit einem Flansch 54 ausgestattet, der in einen sehr feinen Grat ausläuft. Dieser Grat ist einer röhrenförmigen Elektrode 55 zugewandt, deren Stützglied 59 einen flachen Teil 60 besitzt, der in bezug auf die Röhrenmittelebene etwa symmetrisch zum Reflektor 18 liegt. Die Sohle des Stützglieds ist auf einem Durchführungselement 61 befestigt, dessen umgebogene Ränder mit den Keramikrohren 62 und 63 verschweißt sind. Die Verbindungselemente 64 und 65 schließen das Gehäuse der Pumpe dicht ab. Die Elektrode 55 ist über einen sehr hohen Widerstand 66 an die Anode elektrisch angeschlossen.FIG. 6 shows a further embodiment of the pump described in FIG. 5. The auxiliary incandescent cathode is in it replaced by a field emission system. Since the construction of this pump is largely due to the the same elements as those of FIG. 5 is formed, the following description is limited to the opposite new parts and their functions. The main cathode is equipped with a flange 54, which ends in a very fine ridge. This ridge faces a tubular electrode 55, whose Support member 59 has a flat portion 60 which is approximately symmetrical to the tube center plane with respect to Reflector 18 lies. The sole of the support member is attached to a bushing element 61, the bent over Edges are welded to the ceramic tubes 62 and 63. The connecting elements 64 and 65 close the housing of the pump tightly. The electrode 55 is connected via a very high resistance 66 electrically connected to the anode.

In dem vorliegenden Beispiel wird die Anode von einer Gleichspannungsquelle 67 gespeist. Solange die Hauptentladung nicht gezündet ist, ruft das in der Nähe des Grates des Flansches 54 herrschende starke Feld dort eine kalte Entladung hervor. Der überwiegende Teil der Elektronen wird gegen die Elektrode 55 gelenkt. Der über den Widerstand 66 fließende Strom läßt das Potential an der Elektrode 55 auf einen Ausgleichs wert sinken, der zwar noch hoch, jedoch tiefer als das Potential der Anode ist. Ein gewisser Teil der Elektronen kann also zur Anode wandern, und diese Elektronen dienen dazu, zunächst um den Rand 54 herum eine Entladung durch Sekundärelektronen zu erzeugen, die sich aber· rasch auf die gesamte Länge des Aufbaus fortpflanzt. Zwar verläßt ein Teil der an dieser Entladung teilnehmenden Elektronen die umlaufende Elektronenwolke, da am einen Ende des Entladungsraums sich eine positive Elektrode statt eines Reflektors befindet. Infolge des hohen Werts des Widerstands 66 fällt jedoch das Potential der Elektrode 55 sehr schnell auf nahezu Null, und zwar wegen eines Ableitstroms, der sehr niedrig ist gegenüber demjenigen, den die Entladung durch Sekundärelektronen erzeugen kann. Der flache Teil 60 des Stützglieds 59 wirkt daher nahezu wie ein Reflektor. In the present example, the anode is fed by a DC voltage source 67. As long as the If the main discharge is not ignited, the strong prevailing in the vicinity of the ridge of the flange 54 causes Field a cold discharge out there. Most of the electrons are against the electrode 55 steered. The current flowing through the resistor 66 releases the potential at the electrode 55 a compensation value that is still high, but lower than the potential of the anode. Someone specific Part of the electrons can therefore migrate to the anode, and these electrons serve to initially turn around the edge 54 to generate a discharge by secondary electrons, which however quickly spreads to the entire Length of build propagates. It is true that some of the electrons participating in this discharge leave the circulating electron cloud, as there is a positive electrode at one end of the discharge space instead of a reflector. However, due to the high value of resistor 66, the potential falls of the electrode 55 to almost zero very quickly because of a leakage current which is very low compared to that which the discharge can generate by secondary electrons. The flat part 60 of the support member 59 therefore acts almost like a reflector.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können selbstverständlich miteinander kombiniert werden. Beispielsweise läßt sich die Pumpe der Fig. 3 mit einem zur Kühlung der Anode dienenden Radiator oder auch mit einer heißen oder kalten Hilfselektrode gemäß den in Fig. 5 und 6 dargestellten Pumpen ausstatten. Bei jeder Ausführungsform kann die Pumpe mit Gleichspannung oder Spannungsimpulsen gespeist werden.The exemplary embodiments described can of course be combined with one another. For example, the pump of FIG. 3 can be equipped with a radiator which is used to cool the anode or equip it with a hot or cold auxiliary electrode according to the pumps shown in FIGS. 5 and 6. In each embodiment, the pump can be fed with direct voltage or voltage pulses will.

Claims

Patent claims:

1. Vacuum pump, in which the gas to be pumped is ionized and the plasma is used to suck out the Ion provided field is exposed and in which one communicates with the gas inlet port standing room contains a discharge system with two electrodes, one of which is cylindrical and against the other carries a positive voltage, and one parallel to the axis of the system arranged magnetic field is subjected, characterized in that both electrodes at least are arranged substantially cylindrical and coaxial with one another, of which the inner has a secondary emission coefficient greater than one and one opposite the outer electrode negative voltage leads, and the radius of the electrodes, the applied voltage and the magnetic field strength are such that between the electrodes there is a cascade Generation of secondary electrons based discharge forms.

2. Vacuum pump according to claim 1, characterized in that that the secondary emission electrode is made of a material, e.g. B. tantalum, the gases in absorbed in the ionized state.

3. Vacuum pump according to claim 1, characterized in that the secondary emission electrode is formed from a cage (intersecting spirals, parallel rods, etc.) and is approximately one includes cylindrical body made of a material such as. B. titanium consists of any Has secondary emission coefficient and absorbs gases in the ionized state and the the Voltage of the secondary emission electrode or a sufficiently low negative in relation to the latter Leads to tension in order to exclude any independent discharge between itself and her.

4. Vacuum pump according to claim 1, characterized in that the secondary emission electrode has the shape of a cage and one of its ends to a pipeline leading to a backing pump is connected and in the space surrounded by the electrode and the pipeline Means are provided to generate an electric field that moves the positive ions into the pipeline drifts in.

5. Vacuum pump according to claim 4, characterized by such an arrangement of the electrodes, that the electric field from the cage electrode and the pipeline connected to it on the one hand and a deflection electrode carrying a positive voltage with respect to the cage electrode and the pipeline on the other hand is generated, the positive deflection electrode inside the cage electrode, namely arranged in the vicinity of the end opposite the pipe connection is.

6. Vacuum pump according to claim 5, characterized in that the positive deflection electrode is a Rotary body, for example a cone, and is arranged coaxially to the cage electrode and further has a tip facing the interior of this electrode.

7. Vacuum pump according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the backing pump leading pipeline has such a shape that the ions entering it on their metallic Wall meet.

8. Vacuum pump according to claim 1 to 7, characterized in that the cascade-like Generation of secondary electrons based discharge by an in the extension of the Secondary emission electrode arranged hot cathode is reinforced.

9. Vacuum pump according to claim 1 to 7, characterized in that one or more with tips or metal parts provided with burrs are attached to the end of the secondary emission electrode and an electrode arranged at a small distance from these and applied to such a voltage is that a field emission is triggered on the pointed or ridge-shaped metal parts.

Considered publications:
German Auslegeschriften No. 1000 960, A 23048 Ia / 27d (published June 21, 1956);

British Patent Nos. 684,710, 475,769;
U.S. Patent No. 2,460,175.

1 sheet of drawings