DE1177278B - Ionenvakuumpumpe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 04 f

Deutsche Kl.: 27 d-5/04

Nummer 1177 278

Aktenzeichen: N19156 VIIIc/27 d

Anmeldetag: 8. November 1960

Auslegetag: 3. September 1964

Die Erfindung betrifft Hochvakuumpumpen, bei welchen Gasatome bzw. Gasmoleküle durch elektronischen Stoß ionisiert werden und bei welchen die Ionen durch äußere Kraftfelder in Berührung mit einem Getterungsmaterial gezwungen werden, welches sie durch Absorption oder Adsorption aufnimmt.

Ionengetterungspumpen sind bereits seit geraumer Zeit bekannt. Bei diesen Pumpen schwingen die Elektronen zwischen zwei auf Kathodenpotentional gehaltenen Elektroden hin und her, welche sie nicht erreichen können, da sie durch starke magnetische Felder daran gehindert werden, nach der Seite zu entweichen. Pumpen dieser Art wurden mit Erfolg in allseits abgedichteten Vakuumgeräten angewandt.

Die Erfindung beinhaltet eine Ionengetterungspumpe, bei welcher die Bewegungen der erzeugten Elektronen durch rein elektrische Felder derart gesteuert werden, daß zumindest der größte Teil der Elektronen erst dann auf der Elektrode ankommt, wenn er mit Gasmolekülen zusammengestoßen ist.

Die Erfindung geht demgemäß von einer Ionenvakuumpumpe mit einer mit Gettermaterial ausgekleideten Kastenelektrode mit zylindrischer Wandung und einer auf der Symmetrieachse des Zylinders angeordneten Axialelektrode aus, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl von einer Elektronenkanone in tangentialer Richtung in den von der Kastenelektrode umschlossenen Raum eintritt, in dem er einem rein elektrischen Feld ausgesetzt wird, das zwischen der als Anode dienenden Axialelektrode und der als Ionenkollektor dienenden, negative Vorspannung führenden zylindrischen Wandung ausgebildet ist.

Dabei wirkt die Kastenelektrode, deren Inneres natürlich in Verbindung mit dem zu evakuierenden Raum steht, als Kathode, während die Axialelektrode als Anode arbeitet. Mit »tangential« ist eine Richtung gemeint, die zu einer beliebigen rotationssymmetrischen Fläche tangential verläuft, die auf die Symmetrieachse der Kastenelektrode zentriert und von dieser Achse entfernt gelegen ist, d. h. die zwischen der Axialelektrode und der Kastenelektrodenwandung liegt.

Die Wandungen der Kastenelektrode werden auf einem Potential gehalten, welches entweder gleich oder kleiner als das Potential der Kathode der Elektronenkanone ist, so daß die von der Elektronenkanone ausgesandten Elektronen an keinem Punkt der Kastenelektrode auftreffen können. Die Elektronen werden außerdem.daran gehindert, auf die positive Elektrode in der Geräiteachse aufzutreffen, da ihr Schwungmoment sie an der Axialelektrode vorbei-Ionenvakuumpiunpe

Anmelder:

National Research Development Corporation,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,

Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Als Erfinder benannt:
Dennis Gabor, London

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. November 1959
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führt und sie veranlaßt, um diese Elektrode herumzuschwirren, bis sie auf ein Gasatom oder Gasmolekül auftreffen. Das Gerät wird so betrieben, daß die Potentialdifferenz zwischen der Kastenelektrode und der Axialelektrode hoch genug ist, um eine Ionisation herbeizuführen. Die durch den Elektronenstrahl erzeugten Ionen wandern zu den Wandungen der negativ geladenen Kastenelektrode, welche entweder aus Getterungsmaterial bestehen oder mit solchem Material ausgekleidet sind, was zur Folge hat, daß zumindestens ein beträchtlicher Teil der durch die Neutralisation der Ionen gebildeten Atome fortgesetzt absorbiert bzw. adsorbiert wird.

Gegenüber den bekannten Pumpen hat die erfindungsgemäße Ionenvakuumpumpe den Vorteil, daß sie ohne Permanentmagnete arbeitet und daher ein geringes Gewicht aufweist. Außerdem erzeugt die erfindungsgemäße Ionenvakuumpumpe wegen des Fehlens der Permanentmagnete keine magnetischen Streufelder und ermöglicht dadurch die Anwendung in Verbindung mit elektronenoptischen, gegenüber magnetischen Feldern bekanntlich sehr empfindlichen Geräten, wie beispielsweise in Verbindung mit Kathodenstrahlröhren oder elektronischen Kameras. Außerdem weist die Ionenvakuumpumpe nach der Erfindung «ine iür die Adsorption bzw. Absorption günstige große Oberfläche des Gettermaterials auf,

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und sie ermöglicht durch die erfindungsgemäße Führung der Elektronen eine günstige Ausnutzung dieser Elektronen zur Stoßionisation.

Die Erfindung ist von besonderem Vorteil in Verbindung mit elektronischen Geräten, beispielsweise mit Kathodenstrahlröhren od. dgl., deren Betriebsspannungen genügend hoch und in den damit zusammenhängenden Geräten verfügbar ist, so daß keine besondere Hochspannungsquelle benötigt wird. Die Erfindung ist von besonderem Wert in Verbindung mit Kathodenstrahlgeräten, beispielsweise in Verbindung mit Projektionsröhren oder Farbfernsehröhren, bei welchen infolge Hochleistungsbetrieb eine starke Gasentwicklung auftritt, bzw. bei Röhren, welche komplizierte Elektrodenkonstruktionen oder ausgedehnte Metallwandungen aufweisen, welche nicht vollständig entgast werden können. Durch die Erfindung ist es darüber hinaus noch möglich, in derartigen Geräten Isoliermaterialien, beispielsweise Silikone, unterzubringen, die sonst in abgeschlossenen Hochvakuumgeräten wegen ihrer Neigung zur fortgesetzten Gasabgabe nicht Anwendung finden könnten.

Die Erfindung wird nunmehr nachstehend beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es stellen dar:

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Getterungsionenpumpe nach der Erfindung und

F i g. 2 einen Axialschnitt durch diese Pumpe.

Die negative Elektrode der in Fig. 1 dargestellten Hochvakuumpumpe hat die Form eines Kastens mit zylindrischer Wandung 1 und Stirnplatten 2 und 3, deren letztere aus Metallgaze besteht, um den in der umgehenden zu evakuierenden Vakuumkammer noch enthaltenen Gas Zutritt zu geben. Die positive Elektrode bzw. Anode des Gerätes hat die Form eines Drahtes oder Stabes 4, welcher mittels Isolierringen 5 an den Endplatten der Kastenelektrode befestigt ist. Eine Elektronenkanone 6, welche eine heiße Kathode 7, ein Gitter 8 und eine durchbrochene Anode 9 aufweist, ist derart in der Wandung 1 der Kastenelektrode befestigt, daß ihre Achse in tangentialer Richtung einen um die Achse der Kastenelektrode gelegten Kreis vom Radius R tangential berührt. Das Gitter 8 wird vorzugsweise auf Kothodenpotential gehalten, während das Potential der Anode 9 hoch genug gehalten wird, um aus der Kathode einen genügend starken Elektrönenstrom herauszuziehen, wobei jedoch dieses Potential unter demjenigen der Anode 4 liegen sollte. Diese Spannungswahl ergibt sich aus dem Gesichtspunkt der Energieersparnis und aus der Forderung, daß die Anode 9 die Rotationssymmetrie des innerhalb der Kastenelektrode befindlichen elektrischen Feldes möglichst wenig stören sollte.

In F i g. 1 der Zeichnung ist eine typische Elektronenbahn in gestrichelten Linien eingezeichnet. Daraus ist ersichtlich, daß- die Elektronen die Axialelektrode ungefähr in Zykloidenbahnen umschwirren. Wenn das Potential der durchbrochenen Anode 9 dem Wert V₁ entspricht, so haben die durch die Anodendurchbrechung austretenden Elektronen mit Bezug auf die Axialelektrode ein Schwungmoment vom Wert

durch welches sie in Bewegung gehalten werden. Ist r der Radius der Anöde" 4 und V₂ das Potential dieser Anode, so wird, wenn

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ist, kein Elektron den Draht 4 erreichen können, da das höchste innerhalb des Gerätes zur Verfugung stehende Patential V₂ nicht hoch genug ist, um für den Radius r die rechte Seite der Gleichung gleich der linken Seite derselben zu machen. Aus diesem

ίο Grunde ist der Radius r für die Elektronen nicht erreichbar.

Ist beispielsweise das Potential F₂ gleich 10000 V und das Potential V₁ gleich 100 V, so können die Elektronen einen Elektrodendraht nicht erreichen, dessen Radius r kleiner als ein Zehntel des Radius R ist. In der Praxis wird eine gewisse Toleranz für Störungen in der Rotationssymmetrie des elektrostatischen Feldes der Elektronenkanone vorgesehen sein müssen, und es ist infolgedessen zweckmäßig, den Radius des Elektrodendrahtes etwas kleiner zu machen, als sich aus der obigen Momentenbeziehung ergibt. Eine untere Grenze für den Radius r ergibt sich aus der Erhitzung des Drahtes 4 durch die Elektronen, welche bereits mit Gasmolekülen zusammengestoßen sind. Es ist infolgedessen zweckmäßig, den Elektrodendraht aus Wolfram oder aus Titan herzustellen oder demselben die Form einer Schraube zu geben, welche ein Getterungsmaterial umschließt, welches nach und nach verdampft.

Das beschriebene Gerät kann hinsichtlich seiner praktischen Ausführung selbstverständlich auf vielerlei Art von dem hier nur beispielsweise beschriebenen Gerät abweichen. So brauchen beispielsweise, wenn die Zylinderwandung der Kastenelektrode in axialer Richtung tief genug ist, keine Stirnwandungen vorgesehen zu werden, da dann nur wenig Gefahr besteht, daß Elektronen oder Ionen aus der Eelektrode austreten. Es kann jedoch stets von Vorteil sein, wenigstens an den stirnseitigen Enden der Zylinderwandung nach innen gerichtete Flansche vorzusehen. In Abwandlung dessen braucht die Außenwandung der Elektrode nicht zylindrisch zu sein. Sie kann vielmehr auch einen beliebig gekrümmten Querschnitt haben, beispielsweise also die Form eines Autoreifens haben, sofern sichergestellt ist, daß sie rotationssymmetrische Form hat. Die Mittelöffnung der Kastenelektrode soll mit Bezug auf den größten Durchmesser der Elektrode möglichst klein sein. Die Axialelektrode bzw. Anode kann auch unabhängig von der Kastenelektrode gehaltert sein. Die Axialabmessungen der Kastenelektrode und das Vorhandensein von Stirnplatten bzw. Flanschen hängt in gewissem Maße von der Sorgfalt ab, mit welcher die Elektronenkanone 7, 8, 9 fokussiert ist und mit welcher vermieden wird, daß die Elektronenbahnen von Ebenen senkrecht zur Achse der Kastenelektrode divergieren.

Die Wandungen der Kastenelektrode bestehen vorzugsweise durchgehend aus Getterungsmaterial, beispielsweise also aus Zirkonium oder Titan; sie können aber auch durch Aufdampfung mit Getterungsmaterial ausgekleidet sein, beispielsweise also mit Barium. Obwohl Barium auch mit Bezug auf neutrale Gase eine Getterungswirkung hat, ist doch bekannt, daß Barium-Getterungsmaterialien bald inert werden und bei Gasdrücken unterhalb eines bestimmten Minimaldruckes, welche in den Bereich der bei Kathodenstrahlröhren oder dergleichen Geräten erforderlichen Gasdrücke fallen, praktisch unwirksam werden. In

Gegenwart von Ionen sind sie jedoch wirksam. Versuche haben gezeigt, daß selbst nach sehr langen Betriebsperioden der Haftfaktor des Gerätes nach der Erfindung immer noch weit über 10% lag, d. h. daß mehr als ein Zehntel der auf die Wandungen auftreffenden Ionen forgesetzt beseitigt wurden.

Die Pumpleistung des Gerätes nach der Erfindung beträgt, wenn sämtliche Ionen dauernd beseitigt wurden, bei einem Druck von 10-³ mm je Milliampere Ionenstrom ungefähr 2 1/sec und bei einem Haftverhältnis von 10% etwa 200 cm³/sec. Bei einem Druck von 10-⁵ Hg, d. h. dem Mindestvakuum, bei welchem Kathodenstrahlgeräte normalerweise arbeiten müssen, steigen diese Leistungsziffern auf 2001/sec und 201/sec. 2001/sec entspricht ungefähr derjenigen Leistung, welche eine Endplatte aus Drahtgaze von einem Durchmesser von 6 cm durchzulassen vermag, weshalb selbst bei niedrigeren Drücken der Strom auf etwa 100 Mikroampere vermindert werden kann, ohne daß Pumpenleistung verlorengeht. Strahlenströme von dieser Größenordnung können von der Hochspannungsquelle von Fernsehröhren ohne weiteres entnommen werden, ohne daß der Netzteil der Geräte über normale Abmessungen hinaus vergrößert zu werden braucht.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das positive Ionenbombardement der Elektronenkanone selbst in schlechtem Vakuum klein ist, da das radiale elektrische Feld die meisten Ionen anstatt zur Kathode unmittelbar auf das Gehäuse hinlenkt.

Es ist infolgedessen anzunehmen, daß die Lebensdauer der Pumpenkathode diejenige der Kathode der Hauptelektronenkanone des zugehörigen Vakuumröhrengerätes überdauert.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ionenvakuumpumpe mit einer mit Gettermaterial ausgekleideten Kastenelektrode mit zylindrischer Wandung und einer auf der Symmetrieachse des Zylinders angeordneten Axialelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl von einer Elektronenkanone (6) in tangentialer Richtung in den von der Kastenelektrode umschlossenen Raum eintritt, in dem er einem rein elektrischen Feld ausgesetzt wird, das zwischen der als Anode dienenden Axialelektrode (4) und der als Ionenkollektor dienenden negative Vorspannung führenden zylindrischen Wandung (1) ausgebildet ist.

2. Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wandung seitlich durch zwei Stirnwandungen (2, 3) abgeschlossen ist, deren eine (3) durchbrochen ist und somit eine Verbindung mit dem zu evakuierenden Raum herstellt.

3. Ionenvakuumpumpe nach Anspuch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone (6) durch die Zylinderwandung (1) hindurchgeführt und so gerichtet ist, daß der von ihr ausgesandte Elektronenstrahl tangential zu einer Zylinderfläche verläuft, die symmetrisch zur Achse der Kastenelektrode angeordnet ist und näher bei der Zylinderwandung als bei der genannten Achse liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 000 960,
249,1068 561.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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