DE1177278B - Ionenvakuumpumpe - Google Patents
IonenvakuumpumpeInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J41/00—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas; Discharge tubes for evacuation by diffusion of ions
- H01J41/12—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps
- H01J41/14—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps with ionisation by means of thermionic cathodes
- H01J41/16—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps with ionisation by means of thermionic cathodes using gettering substances
Landscapes
- Vessels, Lead-In Wires, Accessory Apparatuses For Cathode-Ray Tubes (AREA)
- Image-Pickup Tubes, Image-Amplification Tubes, And Storage Tubes (AREA)
Description
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
London
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,
Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14
Als Erfinder benannt:
Dennis Gabor, London
Dennis Gabor, London
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. November 1959
(38 372)
Großbritannien vom 12. November 1959
(38 372)
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,
409 659/104
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
j j
R ■ v" >
r ■ v:
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)
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.
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 000 960,
249,1068 561.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 659/104 8.64 © JS-indesdruckerei Berlin
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