DE1194093B - Mit Kathodenzerstaeubung arbeitende Ionen-Vakuumpumpe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F04f

Deutsche Kl.: 27 d - 5/04

Nummer: 1194 093

Aktenzeichen: V 20332 VIII c/27 d

Anmeldetag: 14. März 1961

Auslegetag: 3. Juni 1965

Es sind Ionen-Vakuumpumpen bekannt, bei denen durch eine Glimmentladung zwischen einer Anode und einer Kathode die Kathode zur Zerstäubung gelangt und das zerstäubende Kathodenmetall auf einer Auffangfläche aufgefangen wird und bei denen die Elektronenbahnen durch Anwendung eines Magnetfeldes verlängert werden und die Anode flächenmäßig oder raummäßig so unterteilt ist, daß in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes eine Vielzahl getrennter, gleichzeitig auftretender Glimmentladungen sich ausbildet. Man hat bei derartigen Anordnungen das Vakuumgehäuse der Pumpe auch bereits flach dosenförmig ausgebildet, wobei der zur Zuführung der Hochspannung dienende Durchführungsisolator zugleich als ein das Anodensystem tragendes Organ ausgebildet ist.

Ein weiterer Vorschlag des Erfinders geht dahin, die Pumpenanordnung langgestreckt in der Weise auszubilden, daß das Pumpengehäuse einen mittleren von Elektrodensystemen nicht ausgenutzten koaxial zur Achse des Pumpstutzens liegenden Ansaugraum bildet und das Elektrodensystem in Teilen des Pumpengehäuses untergebracht ist, die sich von dem Ansaugraum radial nach außen erstrecken. Die die Elektronenbahnen verlängernden Magnetfelder der Pumpenanordnung sind dabei senkrecht zur Längsachse des langgestreckten Pumpengehäuses gerichtet. Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, daß der Zutritt der abzupumpenden Gase zu den Elektronensystemen günstig gestaltet ist, andererseits ist die langestreckte Bauweise einer solchen Pumpenanordnung für viele Zwecke nachteilig.

Eine mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionen-Vakuumpumpe mit Mitteln zur Erzeugung eines das Elektrodensystem durchsetzenden Magnetfeldes, bei der das Pumpengehäuse einen mittleren vom Elektrodensystem nicht ausgenutzten, koaxial zur Achse des Pumpstutzens liegenden Ansaugraum aufweist und das Elektrodensystem in Teilen des Pumpengehäuses untergebracht ist, die sich von dem Ansaugraum radial nach außen erstrecken, kennzeichnen sich gemäß der Erfindung dadurch, daß das Pumpengehäuse flach dosenförmig ist und das Magnetfeld im wesentlichen parallel zur Richtung der Achse des Ansaugraumes verläuft.

Die erfindungsgemäße Pumpenform ist einerseits von kurzer gedrungener Bauweise, was sich sowohl für die Herstellungsweise als auch die Anordnung der Magneten günstig auswirkt, andererseits bietet sie den günstigen Zutritt der abzupumpenden Gase Mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionen-Vakuumpumpe

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Renn Zaphiropoulos, Los Altos, Calif.;

William Arthur Lloyd,

Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 24. März 1960 (17 346) - -

zu dem Elektrosystem, weil der Ansaugraum in Verlängerung des Pumpstutzens der Pumpenanordnung liegt und von den sich radial ansetzenden Elektroden nicht beeinträchtigt ist.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß ein Pumpstutzen sowohl an der oberen als auch unteren Deckelfläche des Pumpengehäuses vorgesehen ist, so daß eine Mehrzahl derartiger Pumpen, je nach Bedarf, in Serie übereinander angeordnet werden kann.

Nachstehend sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und in den Figuren dargestellt. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Pumpe,

F i g. 2 einen Längsschnitt entsprechend der Schnittlinie2-2 der Fig. 1,

F i g. 3 einen teilweisen Längsschnitt, der eine Mehrzahl in Serie geschalteter Pumpen zeigt,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 5 eine weitere Ausführungsform, welche ebenfalls eine Mehrzahl in Serie geschalteter Pumpen wiedergibt,

Fig. 6 einen Längsschnitt entsprechend der Schnittlinie 6-6 der F i g. 4.

Die in Fig. 1 dargestellte Vakuumpumpe besteht aus einem flachen zylindrischen dosenförmigen Gefäß 1, welches einen sich nach außen erstreckenden

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Flansch 2 hat, an dem eine Deckelplatte 3 befestigt ist, beispielsweise unter Schutzgas angeschweißt ist. Die Platte 3 hat in der Mitte eine öffnung. Das Gehäuse 1 und die Platte 3 können beispielsweise aus nichtrostendem Stahl von 3 mm Stärke bestehen.

Ein ebenfalls zweckmäßigerweise aus nichtrostendem Stahl bestehender Rohrstutzen 3' ist an der Deckelplatte 3 vorgesehen und steht mit dem mittleren Kammerteil 2' über die in der Deckelplatte 3 vorgesehene öffnung in Verbindung. Ein Ringflansch 6, der ebenfalls aus nichtrostendem Stahl bestehen kann und entsprechende Ringnuten hat, ist am Ende des Rohrstutzens 3' vakuumdicht angeschweißt. Ein weiterer Pumpstutzen 4' hat einen ähnlichen Ringnuten besitzenden Flansch 5 und kann luftdicht an den Flansch 6 angesetzt werden zu dem Zwecke, die Pumpe mit der zu evakuierenden Vorrichtung zu verbinden.

Die Flansche 5 und 6 werden durch mehrere Schraubbolzen 4' zusammengehalten, durch welche dazwischen gelegte Dichtungsringe, die beispielsweise aus Kupferblech bestehen können, zusammengepreßt werden.

Zwei Kathodenplatten 8, die beispielsweise aus 3 mm starkem reaktionsfähigem Metall wie Titan oder Zirkon bestehen, sind am Boden des Gehäuses 1 und an der oberen Platte 3 mittels Keramikisolatoren 11 befestigt. Andere reaktionsfähige Materialien, die auch benutzt werden können, sind Molybdän, Wolfram, Tantal, Magnesium, Kalzium, Strontium, Niob, Eisen, Chrom, Nickel, Barium, Torium, die Übergangselemente der IV., V. und VI. Gruppe des Periodischen Systems unter Einschluß der Seltenen Erden. Es ist zu beachten, daß die die Kathode bildende Platte 8 an der Deckelplatte 3 befestigt ist und in der Mitte eine Öffnung hat, so daß eine direkte Verbindung des Mittelteiles der Kammer 2' mit dem Rohrstutzen 3' besteht.

Zwischen den Kathodenplatten 8 ist die aus rechteckigen Zellen bestehende Anodenanordnung 9 vorgesehen, die beispielsweise aus miteinander durch Punktschweißung verbundenen Titanstreifen bestehen kann, wobei ein innerer Streifen den Mittelteil der Kammer 2' bildet. Die zellenförmige Anodenanordnung 9 bildet in dem Gehäuse 1 eine im wesentlichen ringförmige Wabenanordnung, wobei die Waben quadratischen Querschnitt haben. Die Anordnung kann aus verschiedenen Gruppen bestehen, die einzeln ausgebaut und wieder eingesetzt werden können. Eine Mehrzahl keramischer Isolatoren 11 erstrecken sich senkrecht zu den Kathodenplatten 8 und tragen die Anodenanordnung 9 in geeignetem Abstand von den Kathodenplatten 8, wobei die Isolatoren so ausgebildet sind, daß sie eine hohe Spannung zwischen der Anodenanordnung 9 und der Kathodenanordnung 8 zu erzeugen gestatten.

Die Isolatoren 11 bestehen aus einem länglichen, eine Längsbohrung besitzenden Zylinderkörper 12, der beispielsweise aus Aluminiumoxydkeramik bestehen kann und an den Enden von zwei becherförmigen Abschirmungen 13, die koaxial und im Abstand vom Isolierkörper 12 angeordnet sind und sich über dessen Enden erstrecken, abgeschirmt wird. Die Abschirmungen 13 des Isolators bestehen zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie die Kathodenplatten 8, damit ein Abbröckeln von zerstäubtem Kathodenmaterial, welches sich auf den Abschirmungen niederschlägt, vermieden wird. Durch die Bohrungen der Isolatoren 12 und durch die Abschirmungen 13 und durch entsprechende Löcher in den Kathodenplatten 8 erstreckt sich ein Verbindungsbolzen 14, an dessen Enden Sicherungsringe 15 vorgesehen sind, welche die gesamte Anoden-Kathoden-Anordnung zusamenhalten. Die zellenförmig ausgebildete Anodenanordnung wird durch Platten 16 mit den Isolatoren 12 zusammengehalten, wobei

ίο die Platten 16 an der Anodenanordnung befestigt sind und zwischen Ringen 17 des Isolators 12 festgehalten werden.

Ein Hochspannungsisolator 19 erstreckt sich von dem zylindrischen Rohrstutzen 3' und dient dem Zweck, daß eine Hochspannungsleitung 18 isoliert durch das geerdete Pumpengehäuse 1 eingeführt wird. Ein Metallstreifen 21, der beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, ist an dem Leiter 18 mittels einer Klammer 22 befestigt und ist an die Anodenanordnung 9 angeschraubt oder in sonstiger Weise befestigt.

Im Betrieb wird eine Spannung von etwa 3000 Volt der Anodenanordnung über die Zuleitung 18 zugeführt, so daß eine Glimmentladung zu den Kathodenplatten 8 unterhalten wird.

Ein magnetisches Feld von 1000 bis 1800 Gauß wird senkrecht zu den Kathodenplatten 8 durch eine Mehrzahl Permanentmagnete 25 erzeugt, wobei die Permanentmagnete zweckmäßigerweise aus Nickelaluminiumstahl bestehen. Mit den Permanentmagneten 25 sind Polstücke 26 aus Eisen verbunden. Die Permanentmagnete 25 und die Polstücke 26 sind an dem Vakuumgefäß 1 mittels Halterungsstücken 23, die an dem Vakuumgefäß 1 angeschweißt sein können, befestigt. Bolzen 24 durchsetzen die Halterungen 23 und die Polstücke 26 und sind in Löcher in den Magneten 25 eingeschraubt.

Die Polstücke 26 können jede beliebige Anordnung aufweisen, es kann sich beispielsweise um eine gleiche Anzahl Polstücke und Permanentmagnete 25 handeln. Eine andere Anordnung ist, daß zwei halbkreisförmige Polstücke 26' an dem Pumpstutzen angesetzt sind, was den Vorteil hat, daß sich keine Luftspalte des magnetischen Feldes ergeben und dadurch ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird. Eine weitere Ausführungsform der Polstücke ergibt sich aus den Anordnungen gemäß den Fig. 4 und 5.

Im Betrieb wird die Vakuumpumpe auf einen Druck von etwa 10~² mm Hg mit einer mechanischen Pumpe ausgepumpt. Ein positives Potential von etwa 3000 Volt wird an die zellenförmige Anodenanordnung 9 in bezug auf die Kathodenplatten 8 gelegt. Ein magnetisches Feld wird durch die Permanentmagnete erzeugt in einer Stärke von 1000 bis 1800 Gauß. Das magnetische Feld ist senkrecht zu den Kathodenplatten 8 gerichtet und eine Glimmentladung ergibt sich in dem Raum zwischen der zellenförmig ausgebildeten Anode 9 und den Kathodenplatten 8.

Bei der Glimmentladung werden positive Ionen erzeugt, und diese Ionen bombardieren die negativen Kathodenplatten 8, wodurch eine Zerstäubung des reaktionsfähigen Materials der Kathodenplatten 8 sich ergibt. Das zerstäubte reaktive Material der Platten 8 wird zum größten Teil auf den Flächen der zellenförmigen Anodenanordnung 9 aufgefangen. Moleküle gasförmigen Zustandes, welche in Berührung mit dem gerade niedergeschlagenen reaktiven

Kathodenmaterial kommen, werden absorbiert und daher aus dem gasförmigen Zustand entfernt, so daß das Vakuumgefäß 1 und die damit in Verbindung stehenden Kammern evakuiert werden.

Edelgase, wie etwa Argon, werden zunächst dadurch entfernt, daß Argonionen in den Kathodenplatten eingegraben werden und daß darauf zerstäubtes reaktionsfähiges Material der Kathodenplatten 8 oberhalb der Regionen abgeschieden wird, wo sich die Argonionen festgesetzt hatten, so daß dadurch endgültig das sich eingrabende Argon überdeckt wird.

In Fig. 3 ist eine der Fig. 2 ähnliche Anordnung gezeigt, bei der die Bodenplatte des Vakuumgefäßes 1 in der Mitte eine Öffnung hat ebenso wie die obere Deckelplatte 3 und die obere Kathodenplatte 8, und es ist ein weiterer zylindrischer Rohrstutzen 27 an der Bodenplatte des Vakuumgefäßes 1 angeordnet, so daß der Rohrstutzen die Öffnung in der genannten Platte umgibt. Ein ringörmiger Flansch 5' ist am Ende des zylindrischen Rohrstutzens 27 vorgesehen, so daß der Flansch mit dem oberen Flansch einer weiteren Vakuumpumpe 35 verbunden werden kann. Die Magnete, die in F i g. 3 nicht dargestellt sind, können in geeigneter Weise an dem Vakuumgefäß angeordnet sein. Auf diese Weise können mehrere Pumpen in Serie geschaltet betrieben werden, was die Pumpgeschwindigkeit und Pumpkapazität vergrößert.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 4 und 6 gezeigt. Hier findet ein rechtwinkliges kastenförmiges Vakuumgefäß 41 Anwendung, welches einen nach außen gerichteten Flansch besitzt und in der Mitte eine Öffnung in der Deckelplatte 43 hat, wobei die Platte 43 mit dem Flansch des Gefäßes 41 unter Schutzgas verschweißt ist. Ein zylindrisches Anschlußrohr 44 ist an der oberen Deckelplatte 43 angeordnet und steht mit einer rechteckigen mittleren Kammer 42 des Vakuumgefäßes 41 in Verbindung. Das Vakuumgefäß 41, die Deckelplatte 43 und der Anschlußstutzen 44 sind bei dieser Ausführungsform aus denselben Materialien hergestellt wie die entsprechenden Teile der in den F i g. 1 bis 3 beschriebenen Pumpe.

Ein Flansch 49 ist an dem Rohrstutzen 44 vorgesehen und dient denselben Zwecken wie der Flansch 6 im vorstehend beschriebenen Falle.

Zwei rechteckige Kathoden 48 sind vorgesehen und werden in ihrer richtigen Stellung durch die Bolzen 40 gehalten.

Zwischen den Kathodenplatten 48 ist die zellenförmige rechtwinklige Anodenanordnung 48 vorgesehen. Die Anoden entsprechen im wesentlichen den Anoden 9 der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß als Ganzes betrachtet die Anodenanordnung rechteckig bzw. quadratisch ist und durch die Hochspannungsanschlüsse 47 zwischen den Kathodenplatten 48 gehalten wird.

Hochspannung wird den Anoden über die Zuführangen 47 zugeführt, wobei die Zuführungen 47 gegenüber dem auf Erdpotential gehaltenen Gehäuse 41 durch Hochspannungsisolatoren 46 isoliert sind, die entsprechende Öffnungen mit den Seitenwandungen des kastenförmigen Vakuumgefäßes durchsetzen.

Ein magnetisches Feld wird durch eine Mehrzahl Permanentmagnete 45 und Polstücke 45' erzeugt, wobei die genannten Polstücke an dem Vakuumgefäß 41 befestigt sind. Es können Magnete verschiedenster Art verwendet werden, beispielsweise können zylindrische Ferritmagnete 56 zwischen aufeinanderfolgenden Pumpen, gemäß Fig. 5, angeordnet sein. Die Ferritmagnete 56 sind mit Polstücken 55 verbunden, welche rechteckige Form haben und eine Öffnung in der Mitte aufweisen, so daß sie über die oberen und unteren Platten des Vakuumgefäßes 41 passen.

Dadurch, daß die Hochspannung durch entsprechende Öffnungen in den Wandungen des rechteckigen Vakuumgefäßes 41 zugeführt wird, kann die Länge der Pumpstutzen kürzer sein, und zwar um ein Stück, welches dem Durchmesser der Hochspannungsisolatoren entspricht, wodurch eine Verringerung der Gesamtgröße der Pumpenanordnung erzielt wird. Diese Verringerung der Größe ist besonders dann wichtig, wenn eine Mehrzahl Pumpen in Serie geschaltet übereinander angeordnet ist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionen-Vakuumpumpe mit Mitteln zur Erzeugung eines das Elektrodensystem durchsetzenden Magnetfeldes, bei der das Pumpengehäuse einen mittleren vom Elektrodensystem nicht ausgenutzten, koaxial zur Achse des Pumpstutzens liegenden Ansaugraum aufweist und das Elektrodensystem in Teilen des Pumpengehäuses untergebracht ist, die sich von dem Ansaugraum radial nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse flach dosenförmig ist und das Magnetfeld im wesentlichen parallel zur Richtung der Achse des Ansaugraumes verläuft.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnete an dem radial nach außen sich erstreckenden Teil des Pumpengehäuses angeordnet sind.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sich radial nach außen erstreckenden Pumpengehäuseteil im Abstand voneinander zwei plattenförmige Kathoden angeordnet sind und zwischen den beiden Kathoden die Anodenanordnung angeordnet ist.

4. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Hochspannungsisolator(en) durch die Seitenwandung des Pumpengehäuses geführt ist (sind).

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungszuführung(en) das tragende Organ für die Anodensysteme bildet (bilden).

6. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodensystem aus einer Mehrzahl zellenförmiger von der Kathodenanordnung getragener Anodengruppen besteht.

7. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Deckelflächen des Pumpengehäuses je einen Pumpstutzen mit Anschlußflansch aufweisen.

8. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die das Elektrodensystem enthaltenden Teile des Pumpengehäuses den Ansaugraum in Form eines ringförmig geschlossenen Raumes umgeben und

der Querschnitt des Pumpengehäuses kreisförmig ist.

9. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die das Elektrodensystem enthaltenden Teile des Pumpengehäuses den Ansaugraum in Form eines ringförmig geschlossenen Raumes umgeben und der Querschnitt des Pumpengehäuses eckig, vorzugsweise rechtwinklig ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift A 23 0481 a/27 d kanntgemacht am 21. 6.1956); französische Patentschrift Nr. 1 207 893.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 096 539.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen