DE1204358B - Ionen-Zerstaeubungs-Vakuumpumpe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F04f

Deutsche KL: 27 d-5/02

Nummer: 1204 358

Aktenzeichen: V 23302 VIII c/27 d

Anmeldetag: 19. November 1962

Auslegetag: 4. November 1965

Die Erfindung betrifft eine Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe und insbesondere eine Anode für eine solche Vorrichtung mit kritischen Abmessungen zur Verwendung in relativ starken magnetischen Feldern.

In der deutschen Patentschrift 1128 946 ist die Erzielung einer optimalen Pumpleistung einer Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe beschrieben, welche das Prinzip der Glimmentladung benutzt und in einem gegebenen magnetischen Feld arbeitet. Die Anmeldung lehrt, daß der Durchmesser (d) der Zellen in der Netzanode einer Pumpe, die in einem magnetischen Feld (B) arbeitet, derart bemessen sein soll, daß das Produkt (Bd) innerhalb des Bereiches von 0,38 bis 0,78 Kilogauss · cm liegt.

Gemäß dieser Lehre bestand eine Möglichkeit der Konstruktion von Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpen darin, einen wirtschaftlichen Permanentmagneten zu wählen, der ein maximales magnetisches Feld mit geringsten Kosten erzeugt. Die Anode der Pumpe wird dann mit einer gegebenen Zellengröße unter Anwendung der genannten Lehre konstruiert, so daß eine optimale Pumpgeschwindigkeit pro Raumeinheit erhalten wird. Wenn nun in dem interessierenden Apparat ein starkes magnetisches Feld bereits besteht, wäre die Verwendung dieses Feldes für die Arbeit der Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe erstrebenswert, da dadurch die Notwendigkeit eines besonderen Permanentmagneten wegfällt. Wenn jedoch das zur Verfügung stehende magnetische Feld sehr stark ist, z. B. größer als 3 Kilogauß, und die Lehren, wie sie in dem vorgenannten Patent offenbart sind, benutzt werden, kann der Zellendurchmesser der Anode zur Erzielung einer optimalen Pumpgeschwindigkeit pro Raumeinheit zu klein für eine wirtschaftliche Fabrikation werden, und wenn die Anode mit diesen kleinen Zellendurchmessern hergestellt wird, kann die Kraftdichte bei hohem Druck derart sein, daß die Kühlung der Anode schwierig wird.

Unter optimaler Pumpgeschwindigkeit wird im folgenden die für eine gegebene magnetische Feldstärke durch Anpassung des Durchmessers der Anodenzelle an das magnetische Feld optimal erzielbare Pumpgeschwindigkeit pro Raumeinheit verstanden. Beobachtungen zeigen, daß wenn eine Pumpe eine Anode besitzt, die für optimale Pumpgeschwindigkeit innerhalb eines gegebenen magnetischen Feldes konstruiert war, ihre Pumpgeschwindigkeit durch Steigerung der magnetischen Feldstärke weiter gesteigert werden konnte. Die Pumpgeschwindigkeit erreicht ein Maximum und fällt dann mit weiterer Zunahme des magnetischen Feldes ab. Nachstehend wird als

Ionen-Zerstäubungs-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:
Robert Lawrence Jepsen, Los Altos, Calif.
X₅ (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1961
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maximale Pumpgeschwindigkeit die pro Raumeinheit

as für einen gegebenen Zellendurchmesser durch Anpassung des magnetischen Feldes an den gegebenen Anodenzellendurchmesser auf ein Maximum gebrachte Pumpgeschwindigkeit bezeichnet. Natürlich ist die Form der Zelle nicht auf Zylinder beschränkt; der Durchmesser bezieht sich bei nicht zylindrischen Zellen auf den Durchmesser des kleinsten Kreises, der in die Öffnung quer zu der Zellenachse eingezeichnet werden kann.
Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Anode einer Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe mit einer praktischen Zellengröße, ausreichender Pumpgeschwindigkeit und ausreichender Kühlung, wenn sie in einem relativ starken magnetischen Feld benutzt wird.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Offenbarung einer Anodenzelle für eine Ionen-Zerstäubungs-Vakuum-Pumpe, bei welcher das Produkt aus Zellendurchmesser und magnetischem Feld ungefähr 6,5 Kilogauß · cm beträgt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines bestimmten maximalen Durchmessers für die einzelnen röhrenförmigen Anodenzellen, derart, daß der Durchmesser der Anodenzellen unter dieser bestimmten Abmessung ausgewählt werden kann.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt

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Fig. 1 eine Aufsicht, teilweise im Querschnitt, überziehen könnte und ungewünschten Spannungseiner typischen elektrischen Ionen-Zerstäubngs-Vaku- Zusammenbruch oder Stromableitung über den Isoumpumpe, lator zur Folge haben könnte. Eine ringförmige

Fig. 2 die graphische Darstellung der Pump- Feder29 liegt um den Ring21 herum, um eine

geschwindigkeit pro Raumeinheit gegen die magne- 5 schnelle Anschlußmöglichkeit der (nicht gezeigten)

tische Feldstärke in Abhängigkeit des Durchmessers Stromverbindung an die Vakuumpumpe zu gewähren,

der Anodenzelle, Während des Betriebes wird die Pumpe in ein

Fig. 3 eine graphische Darstellung der magne- magnetisches Feld gebracht, welches eine Intensität B tischen Feldstärke gegen den reziproken Wert des aufweist und dessen Feldlinien durch die einzelnen Durchmessers der Anodenzelle als Funktion der i° Zellen der Anode 16 im wesentlichen parallel zu maximalen Pumpgeschwindigkeit für eine gegebene deren Längsachse und senkrecht zu den Kathoden-Ionenzerstäubungspumpe, platten 24 verlaufen. Hierbei steht die Pump-

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist ein flacher recht- geschwindigkeit der Ionenzerstäubungspumpe in Bewinkliger Topfteil 11 aus z.B. rostfreiem Stahl an Ziehung mit dem Produkt aus dem Magnetfelds und seinem geflanschten offenen Ende mit einer recht- *5 dem Durchmesser J der einzelnen Anodenzelle und winkligen Verschlußplatte 13 abgeschlossen, die ent- für ein gegebenes Magnetfeld besteht eine optimale lang ihres Umfangs an einen Flansch 12 des Teiles 11 Größe für den Zellendurchmesser, nach welcher die angeschweißt ist, so daß eine im wesentlichen recht- Pumpgeschwindigkeit abfällt mit Zunahme der winklige vakuumdichte Kammer 14 gebildet wird. Größe J.

Eine rechtwinklige Netzanode 16 aus z. B. Titan a° Häufig besteht in einem Gefäß, welches evakuiert wird am Ende eines leitenden Stabes 17 aus z. B. werden soll, bereits aus anderen Gründen ein magnerostfreiem Stahl getragen, der sich nach außen aus tisches Feld. Wenn eine Ionen-Zerstäubungs-Vakuder rechtwinkligen Vakuumkammer 14 durch eine umpumpe konstruiert werden könnte, die dieses Feld öffnung 18 in einer ihrer kurzen Seitenwände er- benutzte, würde die Notwendigkeit eines zusätzlichen streckt. Der leitende Stab 17 ist isoliert und getragen =5 Magnetfeldes entfallen. Wenn das Magnetfeld gerinvon der Vakuumkammer 14 durch Zwischenbau ger als 3 Kilogauß ist, besteht im allgemeinen keine eines ringförmigen Isolierrahmens, enthaltend z. B. Schwierigkeit bei der Konstruktion der Vakuumeinen Kovar-Ring 21, der an die Öffnung 18 ange- pumpe, da der optimale Zellendurchmesser geringer schweißt ist, einen weiteren Kovar-Ring 22, der an als 8 mm betragen kann und keine zusätzlichen Vorden Stab 17 angeschweißt ist und einen röhrenförmi- 30 kehrungen zur Kühlung notwendig wären. Wenn gen keramischen Isolator 23, der mit den Ringen 21 jedoch das Magnetfeld stärker als 3 Kilogauß ist und und 22 verbunden ist. Das äußere freie Ende des der optimale Zellendurchmesser verwendet wird, Stabes 17 dient dazu, einen Anschluß zu liefern, um wird die Überhitzung der Pumpe bei ziemlich hohen eine positive Ladung an die Anode 16 anzulegen Drücken zum Problem. Wenn das Magnetfeld zugegenüber den beiden im wesentlichen rechtwinkligen 35 mindest 8 Kilogauß beträgt, dann führt die Kon-Kathodenplatten 24, die innerhalb der Vakuum- struktion einer Anode unter Verwendung der Lehren kammer 14 angeordnet sind. Die Anode 16 befindet . obiger Anmeldung zu einem Zellendurchmesser von sich zwischen den und im Abstand zu den beiden weniger als 8 mm, wodurch auch die Herstellungs-Kathodenplatten 24. kosten erhöht werden. Mit sehr starken Magnet-

Die Kathodenplatten 24 sind aus einem reaktions- 40 feldern schließlich würden die sehr kleinen Zellenfähigen Metall hergestellt und mechanisch in ihrer durchmesser wirtschaftlich unausführbar. Wenn z. B. Lage gehalten gegenüber den großen flachen Seiten- ein Magnetfeld von 20 000 Gauß zur Verwendung in wänden der Vakuumkammer 14 mit Hilfe von vier einer Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe zur Ver-Kathodenabstandsplatten 25. Die Kathodenabstands- fügung stände, betrüge der optimale Zellendurchplatten 25, z. B. aus nicht rostendem Stahl, sind jede 45 messer etwa 0,2 mm oder weniger. Eine Netzanode mit zwei halbzylindrischen Ohren 26 versehen, die mit dicht aneinanderliegenden Zellen mit einem abstehen und eine richtige Abstandhaltung zwischen Durchmesser von 0,2 mm ist teuer und mühsam herden Kathodenplatten 24 gewährleisten. Die Katho- zustellen und verlangt Spezialwerkzeuge,
denplatten 24 können aus irgendeinem reaktions- In F i g. 2 sind nun typische Pumpgeschwindigfähigen Kathodenmetall bestehen,z.B. Titan, Chrom, 50 keiten pro Raumeinheit einer Vakuumpumpe gegen Zirkonium, Gadolinium und Eisen. Die Anode 16 die magnetische Feldstärke B für drei verschiedene und die Kathode 24 sind jedoch vorzugsweise aus Durchmesser für Anodenzellen aufgetragen. Kurve J₁ demselben Material gefertigt, um ein Abblättern der stellt in Beziehung zu dem Magnetfeld die Pumpkondensierten Schicht des Kathodenmaterials auf geschwindigkeit für eine Anode mit einem Zellender Anode zu verhindern. 55 durchmesser J₁ dar; J₂ stellt dann die Pumpgeschwin-

Eine andere Seitenwand der Vakuumkammer 14 digkeit für eine Anode mit einem Zellendurchmesser

ist offen, um die hohle Leitung 27 aufzunehmen, die J₂, der kleiner als J₁ ist, dar. Kurve J₃ schließlich

irgendeinen geeigneten inneren Durchmesser haben stellt die Pumpgeschwindigkeit einer Anode mit

kann, entsprechend der gewünschten Pumpgeschwin- einem Zellendurchmesser J₃ dar, der kleiner ist als

digkeit. Die hohle Leitung 27 stellt die Verbindung 60 J₂. (Diese Kurven wurden aus Versuchen gewonnen,

mit dem zu evakuierenden Gefäß her und ist mit bei denen die Zellen zylindrisch waren und J₁, J₂

einem geeigneten (nicht gezeigten) Befestigungs- bzw. J₃ 0,3, 0,2 bzw. 0,15 Zoll betrugen undWasser-

flansch versehen. stoff gepumpt wurde. Die Pumpgeschwindigkeit ist

Ein runder, radialer Schirm 28 aus z. B. Molybdän in Litern pro Sekunde pro Kubikzoll aufgetragen,

wird quer auf dem leitenden Stab 17 getragen und 65 und das Magnetfeld ist in Kilogauß bemessen und

ist innerhalb des Ringes 21 angeordnet, um den Iso- in logarithmischem Maßstab aufgetragen, um die

lator 23 von dem versprühten Kathodenmaterial ab- Spitzen der Kurven scharf zu zeigen). Für jeden ge-

zuschirmen, welches andernfalls den Isolator 23 gebenen Durchmesser steigt die Pumpgeschwindig-

keit mit Erhöhung des Magnetfeldes, bis eine maximale Geschwindigkeit erreicht ist, und dann fällt die Geschwindigkeit ab. Die maximale Geschwindigkeit für die Zelle von kleinerem Durchmesser erreicht ihre Spitze bei größeren magnetischen Feldern als die maximale Pumpgeschwindigkeit der Zellen mit größerem Durchmesser. Dieser Zusammenhang ist in der graphischen Darstellung der F i g. 3 aufgetragen, wo das Magnetfeld in Kilogauß, bei welchem die maximale Pumpgeschwindigkeit bei einem ge- ίο gebenen Zellendurchmesser liegt, gegen den reziproken Wert des Zellendurchmessers in Zoll aufgetragen ist. Die Kurve ist im wesentlichen eine gerade Linie mit einer Neigung von etwa 6,35 Kilogauß · cm.

Gemäß Fig. 2 steigt bei einem Magnetfeld von etwa 7 Kilogauß oder mehr die Pumpgeschwindigkeit pro Raumeinheit mit abnehmendem Zellendurchmesser an. Wenn das Magnetfeld auf etwa 10 Kilogauß gesteigert ist, fällt die Pumpgeschwindigkeit des größten Zellendurchmessers d₁ schnell ab, während ao die Geschwindigkeit des kleinsten Zellendurchmessers rasch ansteigt. Wenn das Magnetfeld weiter erhöht wird auf etwa 17 Kilogauß, befindet sich der kleinste Zellendurchmesser d_s bei seiner maximalen Pumpgeschwindigkeit. Wie oben angegeben, würde, wenn z. B. ein Magnetfeld von 12 Kilogauß zur Verfügung stände, ein Zellendurchmesser von d₂ eine maximale Pumpgeschwindigkeit ergeben. Wenn ein Zellendurchmesser von d₃ verwendet würde, würde die Pumpgeschwindigkeit etwa auf ihrem optimalen Wert sein, jedoch ist eine Anode mit zahlreichen Zellen von kleiner Größe kostspieliger herzustellen als eine Anode mit weniger Zellen von größerer Abmessung. Schließlich wird, da die Pumpgeschwindigkeit höher ist, mehr Strom benötigt bis zu dem Punkt, wo die Kühlung schwierig wird. Es wäre somit der größere Zellendurchmesser, z. B. d₂ gegenüber d._A bei B entsprechend 12 Kilogauß zu bevorzugen. Wenn jedoch der Zellendurchmesser wahllos erhöht würde, würde man finden, daß die Pumpgeschwindigkeit auf einen unwirksamen Wert abgenommen hat, z. B. Ii₁ bei B entsprechend 12 Kilogauß. Die F i g. 3 lehrt, daß, wenn das Produkt aus Magnetfeld und Zellendurchmesser etwa 6,35 Kilogauß · cm beträgt, maximale Geschwindigkeit erreicht wird. Fig. 2 zeigt, daß wenn das Produkt so hoch wie 7,65 Kilogauß · cm ist, die Geschwindigkeit der Pumpe etwa 50% des Maximums beträgt, und da die Neigung der Geschwindigkeitskurve einen starken negativen Wert besitzt, erscheint 6,35 Kilogauß · cm als maximales Produkt, welches man praktisch in einer Ionenzerstäubungspumpe verwenden kann.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ionen-Zerstäubungs-Vakuumpumpe mit einer zerstäubenden Kathode und mit einer Anode, welche in eine Vielzahl kleiner hohler Anodenzellen mit offenem Ende unterteilt ist, und mit Mitteln zur Erzeugung eines magnetischen Feldes koaxial zu den Anodenzellen, dadurch gekennzeichnet, daß für kleinste Abmessung (d) der Anodenzellen quer zu dem Magnetfeld (B) die Beziehung besteht, daß das Produkt (Bd) zwischen 3 und 7,65 Kilogauß ■ cm fällt, wobei das Magnetfeld (B) größer als 3 Kilogauß ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsunterschied zwischen der Anode und der Kathode zwischen 5 und 20 Kilovolt liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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