DE1228750B - Zerstaeubungs-Ionengetterpumpe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIj

Deutsche KL: 27 d-5/04

Nummer: 1228 750

Aktenzeichen: L 38623 VIII c/27 d

Anmeldetag: 1. April 1961

Auslegetag: 17. November 1966

Die Erfindung betrifft eine Ionengetterpumpe, bei der durch Kaltkathodenentladung eine Zerstäubung der Elektrodenoberflächen eintritt und das zerstäubte Gettermaterial auf einer Auffangfläche niedergeschlagen wird.

Zur Erzeugung eines Hochvakuums sind bereits Ionengetterpumpen in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Diese enthalten eine Verdampfer- oder Zerstäuberquelle, wobei das Gettermaterial entweder durch Erhitzung aus einem Vorratsgefäß verdampft oder von einer metallischen Oberfläche durch die Einwirkung einer Kaltkathodenentladung zerstäubt wird. Da in derartigen Getterpumpen neutrale Gasmoleküle schlechter gegettert werden als ionisierte oder angeregte Teilchen, verwendet man zusätzliche Ionisierungsvorrichtungen, welche die neutralen Gasmoleküle in geladene oder angeregte Teile umwandeln. Zur Ionisierung oder Anregung ist ein Stoß eines Elektrons erforderlich, und die Wirkung der Ionisierung wird wesentlich erhöht, wenn es gelingt, relativ lange Elektronenbahnen innerhalb des zu ionisierenden Gasvolumens hervorzurufen, so daß sich die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes zwischen einem neutralen Gasmolekül und einem Elektron wesentlich erhöht. Zur Erreichung dieser erwünschten Verlängerung der Elektronenbahnen sind bisher überwiegend statische Magnetfelder angewendet worden, welche den Elektronen eine Kreisbewegungskomponente erteilen, wobei diese gegenüber der ursprünglichen bevorzugten radialen Bewegung in einem rotationssymmetrischen System eine erhebliche Wegverlängerung erfahren.

Die Anwendung der statischen Magnetfelder zur Verlängerung der Elektronenbahnen bringt erhebliehe Nachteile mit sich, weil zur Erzielung einer ausreichenden Wirkung hohe Magnetfeldstärken erforderlich sind, die nur mit Permanentmagneten von hohem Gewicht bzw. Magnetspulen mit erheblichem Leistungsverbrauch erzeugt werden können. Derartige Permanentmagnete sind wegen der Menge des hochwertigen Magnetmaterials kostspielig, und die Verwendung von Magnetspulen bedingt, abgesehen von dem hohen Wirklichkeitsverbrauch, eine Kühlung der Spule, wodurch die Anordnung weiter kompliziert wird.

Die Erfindung stellt sich die technische Aufgabe, eine Zerstäubungsionengetterpumpe anzugeben, bei welcher das Gettermaterial unter dem Einfluß der elektrischen Entladung von den Kathodenoberflächen zerstäubt und auf einer Getteroberfläche niedergeschlagen wird.. Hierzu wird erfindungsgemäß vor-Zerstäubungs-Ionengetterpumpe

Anmelder:

E. Leybold's Nachfolger,

Köln-Bayental, Bonner Str. 504

Als Erfinder benannt:

Dr. Hans-Georg Nöller, Köln

geschlagen, daß die zur Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung erforderliche Verlängerung der Elektronenbahnen durch ein dynamisches, elektromagnetisches Führungsfeld hervorgerufen wird. Die in der Ionisierungsvorrichtung erzeugten Elektronen werden also der Einwirkung hochfrequenter Wechselfelder ausgesetzt und zu Pendelbewegungen oder Bewegungsvorgängen in weitgehend geschlossenen Raumkurven angeregt. Der Begriff des elektrischen Wechselfeldes soll dabei auch solche Feldkonfigurationen einschließen, bei denen dem elektromagnetischen Führungsfeld elektrostatische Stabisolierungskomponenten unterlagert sind.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist zur Verlängerung der Elektronenbahnen ein mit einer Hochfrequenzspannung gespeistes Vielpolfeld mit α · 2" Polpaaren vorgesehen. Dabei kann sowohl eine zylindersymmetrische als auch eine kugelsymmetrische Anordnung gewählt werden. Unter dem Gesichtspunkt eines besonders guten Wirkungsgrades erscheint jedoch die kugelsymmetrische Anordnung vorteilhafter. Derartige Vielpolfelder sind an sich bereits als Mittel zum Fokussieren von geladenen Teilchen bekannt. Es sind beispielsweise nach diesem System Anordnungen zur Massentrennung vorgeschlagen worden. Betrachtet man als Beispiel den Sonderfall des Vierpolfeldes, so wirkt auf die Elektronen eine stabilisierende Kraft, welche sie im Entladungsraum auf bestimmten Raumkurven festhält, sofern eine mathematische Beziehung zwischen der Ladung und der Masse des Elektrons sowie der Spannung und deren Frequenz und ferner

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der Geometrie des Aufbaus in der gewählten Anordnung eingehalten wird. Diese Beziehung lautet

e-V

m- ω · a²

<q

Die Beziehung ist sowohl für kugelsymmetrische als auch für zylindersymmetrische Anordnungen gültig, bei denen der freie Raum zwischen zwei Elektroden in Hyperboloidform von einer Ringelektrode, welche gleichfalls eine Hyperbel als Erzeugende aufweist, umschlossen wird.

Der Faktor α in der vorangegangenen Gleichung stellt die Parametergröße der erzeugenden Hyperbeln dar, welche durch Rotation um Symmetrieachsen die Elektrodenflächen erzeugen. Die Hyperbeln können in an sich bekannter Weise auch durch Geradenstücke unterschiedlicher Steigung oder andere Kurvenstücke angenähert werden. Bei Erfüllung der angegebenen Bedingung wird die Bahnlänge theoretisch unendlich, d. h., die Elektronen werden dauernd auf ihren Bahnen stabilisiert und können nicht mehr aus dem Entladungsraum austreten. In praktischen Ausführungsformen gelingt zwar keine vollständige Stabilisierung, die Elektronen verweilen jedoch längere Zeit innerhalb des Entladungsraumes, so daß eine hinreichende Erhöhung der Ionisierungswahrscheinlichkeit eintritt, und die erforderliche Entladung auch bei tiefsten Drücken, z. B. unterhalb 10~⁸ Torr, aufrechterhalten werden kann. Es kann dabei zweckmäßig sein, die Spannung an den Elektroden so zu wählen, daß die gebildeten Ionen gegen mindestens eine der Elektrodenflächen beschleunigt werden und deren Oberfläche zerstäuben, wobei durch das zerstäubte Elektrodenmaterial eine Getterung der Ionen in einer auf den Elektroden und/oder außerhalb niedergeschlagenen Getterschicht erfolgt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Elektroden Durchbrechungen auf, durch welche Ionen hindurchtreten, die gegebenenfalls außerhalb des Vielpolfeldes durch entsprechend angelegte Spannungen nachbeschleunigt werden können und auf innere Oberflächen des Pumpenkörpers auftreffen, welche dabei zerstäubt werden. Unter Umständen kann durch die Elektrodendurchbrechungen auch das von den Elektrodenoberflächen durch auftreffende Ionen zerstäubte Gettermaterial hindurchtreten und im Pumpengehäuse weitere wirksame Getterschichten bilden. Die Durchbrechungen ermöglichen ferner das Eintreten der im Pumpenkörper vorhandenen Gase in den von den Elektroden umschlossenen Entladungsraum.

Zur Zündung der Kaltkathodenentladung, d. h. zur Erzeugung einer gewissen Mindestzahl von Ladungsträgern, können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an sich bekannte Ionisierungshilfsmittel vorgesehen sein. Man kann beispielsweise ein zusätzliches System zur Kaltkathodenentladung (Penning-Magnetron) oder eine Glühemissionskathode sowie ein radioaktives Präparat anordnen.

Die Durchführung der Erfindung ist ferner in der Weise möglich, daß die die Kaltkathode und die Anode bildenden Elektrodenteile im Innenraum einer.mit Hochfrequenzspannung gespeisten Zylinderspule angeordnet sind und daß außerdem Zusatzelektroden mit weiteren Hochfrequenzspannungen und/oder Gleichspannungen vorhanden sind, welche die Elektronen in der Entladung auf einer Umlaufbahn stabilisieren, welche die Elektrodenoberfläche vorzugsweise nicht erreicht. In dieser Anordnung erfolgt die Verlängerung der Elektronenbahn durch ein dynamisches elektromagnetisches Feld, wobei der magnetische Schwund nach der Maxwellschen Beziehung elektrischer Wirbelfelder hervorruft, weiche die Elektronen auf verlängerten Bahnen führen. Die Einwirkung eines dynamischen elektromagnetischen Feldes ist ohne Verbindung mit den Elementen einer

ίο Getterpumpe bereits bekannt. Die hierdurch erzielte Verlängerung der Elektronenbahnen reicht jedoch zur Aufrechterhaltung der Kaltkathodenentladung in niedrigen Druckbereichen nicht aus, und man muß daher bei dieser Ausführungsform der Erfindung zusätzlich statische oder hochfrequente elektrische Felder an Elektroden anlegen. Hierdurch wird eine ausreichende Stabilisierung der Elektronenbahnen erzielt und bei geeigneter Bemessung von Spannung und Frequenz gleichzeitig den Ionen eine Bewegungskomponente gegen Elektrodenoberflächen erteilt, an denen sie eine Kathodenzerstäubung hervorrufen. Da beim Anlegen einer Wechselspannung die Elektronen im Takt der Frequenz umgepolt werden, ist eine eindeutige Zuordnung von Kathode und Anode nicht mehr möglich, vielmehr wirken die Elektroden zeitweise als Kathodenteile, so daß ihre Oberflächen durch einfallende Ionen zerstäubt werden.

Eine weitere mögliche Ausführungsform zur Verlängerung der Elektronenbahnen sieht die Anwendung eines hochfrequenten Drehfeldes in Verbindung mit zusätzlichen Elektroden auf Gleich- oder Hochfrequenzpotential vor. Dieses wird in bekannter Weise zwischen Elektrodenpaaren, denen eine phasenverschobene Spannung zugeführt wird, erzeugt. Bei zwei

ä„ Polpaaren muß eine 90°-Phasenverschiebung angewendet werden.

Es kann außerdem zweckmäßig sein, wenigstens eine Elektrode innerhalb des Elektrodensystems mit einer Oberflächenbelegung zu versehen, durch die eine Vervielfachung der auftreffenden Elektronen durch Sekundärelektronenemission eintritt. In diesem Fall sind die Elektronenbahnen so zu verlängern, daß ein schleifendes Auftreffen der Elektronen an den Elektrodenoberflächen erfolgt. Eine Stabilisierung auf mehrfach durchlaufenden' Raumkurven ist dabei im allgemeinen nicht mehr erforderlich. Man kann jedoch die Anordnung auch in der Weise ausbilden, daß die an sich auf Raumkurven stabilisierten Elektronen erst bei dem durch Störeffekte schließlich bedingten Verlassen der vorgeschriebenen Bahn, die mit entsprechender Oberflächenbelegung versehenen Elektrodenteile treffen. Dabei werden die neu entstehenden Sekundärelektronen zunächst ebenfalls auf den möglichen Raumkurven stabilisiert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt. Man erkennt ein zylinderförmiges Pumpengehäuse 1, das mit einem Anschlußflansch 2 zum Anschluß der Ionengetterpumpe an einen nicht gezeichneten Rezipienten versehen ist. Im Inneren des Pumpengehäuses 1 sind zwei Elektroden 3 und 4 in Hyperboloidform übereinander angeordnet, und der zwischen den Elektroden 3, 4 vorhandene Zwischenraum wird weitgehend von einer Ringelektrode 5 umschlossen, welche gleichfalls eine Hyperbel zur Erzeugenden hat. Die Elektrode 4 und die Ringelektrode 5 sind über elektrisch leitende Haltestege 41, 51 in Isolierdurchführungen 6, 7 eingesetzt, die zusätzlich einen

vakuumdichten Abschluß zwischen diesen Haltestegen 41, 51 und dem Pumpengehäuse 1 herstellen. Sämtliche Elektroden sind aus einem Werkstoff gebildet, welcher bei Kathodenzerstäubung günstige Gettereigenschaften aufweist, und bestehen in der bevorzugten Ausführung aus Titanblech. Auf der inneren Wandfläche des Pumpengehäuses 1 ist die durch Zerstäubung der Elektroden in der Kaltkathodenentladung erzeugte Getterschicht mit 8 bezeichnet.

Die Elektrode 3 ist auf einem am Pumpengehäusel befestigten Isolierstück 9 abgestützt und über eine Verbindungsleitung 10 mit der Elektrode 4 elektrisch verbunden. Damit eine Bedampfung der inneren Oberflächen bei den Isolierdurchführungen 6, 7 vermieden wird, sind auf den Haltestegen 41, 51 metallische Abschirmbleche 11, 12 befestigt, welche an ihrer Oberfläche das aus dem von den Elektroden umschlossenen Innenraum zerstäubte Gettermaterial auffangen, und so die Isolierstoffoberfläche der Isolierdurchführungen 6, 7 gegen eine Metallauflage schützen.

Das Pumpengehäuse 1 ist über eine Verbindungsleitung 13 geerdet. Die Anschlüsse an den Isolierdurchführungen 6, 7 stehen über Zuleitungen 14, 15 mit der Sekundärwicklung 161 eines Übertragers 16 in Verbindung. Die Primärwicklung 162 dieses Übertragers 16 ist über weitere Zuleitungen 17, 18 an einen Hochfrequenzgenerator 19 angeschlossen. Außerdem besteht zwischen der Primärwicklung 162 und der Sekundärwicklung 161 des Übertragers 16 eine zusätzliche kapazitive Kopplung mit Hilfe eines Kondensators 20, der in eine Verbindungsleitung 21 zwischen dem Mittelabgriff der Sekundärspule 161 und dem einen Ende der Primärspule 162 eingeschaltet ist. Eine Batterieleitung 22 steht außerdem mit der Zuleitung 15 in Verbindung und erteilt dadurch den Elektroden 3, 4 und 5 gegenüber dem Pumpengehäuse 1 mit Hilfe einer Hochspannungsbatterie 23 ein zusätzliches, der Hochfrequenz überlagertes Gleichpotential von +2000V. Der freie Anschluß der Hochspannungsbatterie 23 ist bei 24 geerdet. An den Elektroden 3, 4 und 5 sind außerdem Durchbrechungen 25 vorgesehen.

Im Betrieb werden innerhalb der gezeigten Vierpolanordnung (Elektroden 2, 3, 4, 5 sowie Gehäuse) Elektronen auf verschiedenen geschlossenen Raumkurven stabilisiert, welche Ionisierungsvorgänge auslösen und dadurch eine Kaltkathodenentladung herbeiführen. Die in dieser Kaltkathodenentladung vorhandenen ionisierten Gasmoleküle treffen je nach der Phasenlage der Wechselspannung auf bestimmte Elektrodenoberflächen auf, deren Material sie zerstäuben. Ein Teil der Ionen tritt zusammen mit zerstäubtem Elektrodenmaterial durch die Durchbrechungen 25 und wird mit Hilfe der angelegten hohen Gleichspannung im Raum zwischen den Elektroden und der Wandfläche des Pumpengehäuses 1 nachbeschleunigt. Auf diese Weise kann die innere Wandfläche des Pumpengehäuses 1, welche gegebenenfalls mit einem Getterwerkstoff belegt wird, ebenfalls zur Getterzerstäubung herangezogen werden. Da die Elektroden aus einem Getterwerkstoff gebildet sind, besitzt die durch Kathodenzerstäubung entstehende Getterschicht 8 besonders vorteilhafte Gasadsorptionseigenschaften. Die Durchbrechungen 25 in den Elektroden 3, 4 und 5 ermöglichen einerseits ein Hindurchtreten der neutralen Gasmoleküle aus dem Innenraum des Pumpengehäuses in den von den Elektrodenoberflächen umschlossenen Entladuhgsraum und gestatten andererseits ein Hindurchtreten des von den Elektrodenoberflächen zerstäubten Gettermaterials nach der inneren Wandfläche des Pumpengehäuses 1, so daß dort eine wirkungsvolle Getterschicht entsteht.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. lonengetterpumpe, bei der durch eine Kaltkathodenentladung eine Zerstäubung der Elektrodenoberflächen eintritt und das zerstäubte Gettermaterial auf einer Auffangfläche niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung erforderliche Verlängerung der Elektronenbahnen durch ein dynamisches elektromagnetisches Führungsfeld hervorgerufen wird.

2. lonengetterpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektromagnetischen Führungsfeld elektrostatische Stabilisierungskomponenten überlagert sind.

3. lonengetterpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlängerung der Elektronenbahnen ein durch eine Hochfrequenzspannung hervorgerufenes Vielpolfeld mit a ■ 2" Polpaaren angeordnet ist.

4. lonengetterpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des Vielpolfeldes vorgesehene Elektrodenaufbau eine Zylindersymmetrie aufweist.

5. lonengetterpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des Vielpolfeldes vorgesehene Elektrodenaufbau eine Kugelsymmetrie aufweist.

6. lonengetterpumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an den Elektroden so gewählt ist, daß die in der elektrischen Entladung erzeugten Ionen gegen wenigstens eine Elektrode beschleunigt werden und deren Oberfläche zerstäuben, wobei unter der Einwirkung des zerstäubten Elektrodenmaterials eine Getterung eintritt.

7. lonengetterpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden des Vielpolfeldes und außerhalb angeordneten elektrisch leitenden Belegungen, insbesoiidere der inneren Oberfläche des Pumpengehäuses, eine zusätzliche Spannung angelegt ist, welche die aus dem Vielpolfeld austretenden Ionen derart beschleunigt, daß sie beim Auftreffen auf die elektrisch leitenden Belegungen eine Zerstäubung der Oberfläche herbeiführen.

8. lonengetterpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Erzeugung des Vielpolfeldes konzentrisch in einem mit einem Anschlußstutzen versehenen Pumpengehäuse angeordnet sind und derartig gestaltete Durchbrechungen aufweisen, daß die im Pumpengehäuse befindlichen Gase in den Entladungsraum gelangen und das von den Elektrodenoberflächen zerstäubte Gettermaterial auf inneren Wandflächen des Pumgengehäuses niedergeschlagen wird.

9. lonengetterpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei Elektroden

in Hyperboloidfonn gegenüberstehen und daß ferner der freie Zwischenraum zwischen diesen Elektroden durch eine konzentrisch angeordnete Rotationsfläche wenigstens teilweise umschlossen ist, welche als Erzeugende eine Hyperbel auf- 5, weist.

10. Ionengetterpumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung der elektrischen Entladung an sich bekannte Ionisierungshilfsmittel vorgesehen sind.

11. Ionengetterpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als bekanntes Ionisierungshilfsmittel eine Kaltkathodenentladungsstrecke mit Verlängerung der Elektronenbahnen durch ein statisches Magnetfeld vorgesehen ist.

.12. Ionengetterpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltkathode und.die Anode im Innenraum einer mit Hochfrequenzspannung gespeisten Zylinderspule ange- ao ordnet sind und daß außerdem Zusatzelektroden mit weiteren Hochfrequenzspannungen und/oder Gleichspannungen vorhanden sind, welche die Elektronen in der Entladung auf Raumkurven stabilisieren, welche die Elektrodenoberfläche vorzugsweise nicht erreichen.

13. Ionengetterpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlängerung der Elektronenbahnen ein hochfrequentes Drehfeld vorgesehen ist.

14. Ionengetterpumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode innerhalb des Elektrodensystems eine Oberflächenbelegung aufweist, bei der eine Vervielfachung der auftreffenden Elektronen durch Sekundärelektronenemission eintritt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Review of Scientific Instruments«, Bd. 25, Nr.

12, Dezember 1954, S. 1193 bis 1197.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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