DE1240619B - Ionenvakuumpumpe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche Kl.: 27 d - 5/04

Nummer: 1 240 619

Aktenzeichen: U 7461 VIII c/27 d

Anmeldetag: 15. September 1960

Auslegetag: 18. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenvakuumpumpe.

Ionenvakuumpumpen, bei welchen eine Entladung bei kalter Kathode in einem Magnetfeld Verwendung findet, sind bekannt. Bei solchen Pumpen wird ein elektrisches Feld zwischen Kathode und Anode gebildet. Ein Magnetfeld wird im wesentlichen parallel zur Anodenoberfläche gebildet. Die von der Kathode zur Anode wandernden Elektronen werden durch das Magnetfeld abgelenkt und durchlaufen einen relativ langen Weg. Die Elektronen kollidieren mit den Gasmolekülen und bilden Ionen, Atome (dissoziierte Moleküle) und metastabile Moleküle. Die letzteren beiden Arten werden hauptsächlich auf der reaktiven Oberfläche der Anode gefangen. Die reaktive Oberfläche der Anode wird ständig durch Kathodenzerstäubung wieder aufgefüllt. »Zerstäubung« bedeutet das Entfernen von Material von einer Oberfläche, die sich auf Kathodenpotential befindet, durch ein Bombardement mit positiven Ionen. Dies ist analog der thermischen Verdampfung oder Sublimation.

Die bekannten Ionenvakuumpumpen oder elektronischen Vakuumpumpen sind, wenngleich sie ein relativ hohes Vakuum erzeugen, durch die Pumpgeschwindigkeit beschränkt. Diese Beschränkung hinsichtlich des Fördervolumens oder der Evakuierungsgeschwindigkeit beruht auf zwei hauptsächlichen Ursachen. Eine hiervon ist die relativ kleine Abmessung der Vakuumpumpen, die mit dem begrenzten Spannungsbereich und dem verfügbaren Magnetfeld Verwendung finden können. Die zweite Begrenzungsursache liegt in der Geschwindigkeit, mit welcher eine Kathodenzerstäubung mit Übertragung von Kathodenmaterial auf andere Oberflächen möglich ist. Die Pumpwirkung ist von zwei primären Vorgängen abhängig, erstens von der Erzeugung chemisch aktiver Phasen, wie Atomen und metastabilen Molekülen, und zweitens von der Fixierung dieser chemisch aktiven Phasen durch Niederschläge versprühten Kathodenmaterials, wie Titan oder eines sonstigen reaktiven Metalls oder einer Legierung.

In manchen Fällen ist es erwünscht, die Pumpgeschwindigkeiten für kurze Zeiten zu erhöhen. Ein solcher Fall tritt auf während der Umwandlung mit einem Oxyd bedeckter Kathoden im Verlauf der Bearbeitung von Vakuumröhren. Wenn eine mit Oxyd bedeckte Kathode umgewandelt wird, werden große Volumina von Kohlendioxydgas in einer kurzen Zeitspanne entwickelt. Während dieser kurzen Zeitspanne wird eine bedeutend größere Pumpgeschwindigkeit benötigt als während des übrigen Ionenvakuumpumpe

Anmelder:

Ultek Corp., Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,

Hamburg 13, Innocentiastr. 30

Als Erfinder benannt:

Lewis D. Hall, Palo Alto, Calif.;

John William Sugg, San Mateo, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. September 1959
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Teils der Bearbeitung der Röhre. Da die erhöhte

²S Geschwindigkeit nur für einen kleinen Bruchteil des gesamten Bearbeitungsvorganges erforderlich ist, ist es unwirtschaftlich, eine Pumpe mit kalter Kathodenentladung von hinreichender Größe zu benutzen, d. h. eine Pumpe, die groß genug ist, um die Gasbelastungsspitze ohne Überbeanspruchung zu bewältigen. Es ist bedeutend wirtschaftlicher, eine Pumpe vorzusehen, die bei Normallast wirtschaftlich arbeiten kann und erforderlichenfalls eine höhere Pumpgeschwindigkeit zu entwickeln vermag. Eine solche Pumpe ist in allen Fällen, bei denen Gaslastspitzen auftreten können, äußerst vorteilhaft.

Die bereits bekannten elektronischen Vakuumpumpen sind jedoch grundsätzlich Anordnungen mit konstanter Fördergeschwindigkeit. Bei den Pumpen mit kalter Kathodenentladung erzeugt die Entladung einen solchen Überschuß an chemisch aktiven Phasen (Atomen, metastabilen Molekülen), daß die versprühten Niederschläge ebenso schnell gesättigt werden wie sie niedergeschlagen werden. Demzufolge ist die Geschwindigkeit, mit der Gasmoleküle in den Pumpen mit kalter Kathodenentladung fixiert werden, direkt proportional der Geschwindigkeit, mit der das reaktive Material versprüht wird. Außerdem ist die Sprühgeschwindigkeit dem Druck in der Pumpe direkt proportional. Da die Fördergeschwindigkeit der Pumpe direkt proportional der Geschwindigkeit, mit der die Gasmoleküle fixiert werden, und umgekehrt

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proportional dem Druck ist, ergeben die Pumpen mit Im folgenden ist die Erfindung an Hand der kalter Kathodenentladung eine konstante Förder- Zeichnung beispielsweise näher erläutert,
geschwindigkeit. Nach einem Vorschlag der vor- F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer liegenden Erfindung wird ein Verdampfer benutzt, Stapeleinheit von Vakuumpumpen gemäß der Erder kein Gas aktiviert, sondern nur reaktives Material 5 findung;

niederschlägt. Der zusätzliche Niederschlag des re- F i g. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie 2-2

aktiven Materials fixiert zusätzliche Gasmoleküle und von Fig. 1;

erhöht dadurch die Fördergeschwindigkeit der F i g. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines

Pumpe. Da die Verdampfungsgeschwindigkeit leicht Kathodenaufbaues gemäß der Erfindung;

kontrolliert werden kann, läßt sich die Zahl der zu- io F i g. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines

sätzlichen fixierten Moleküle und demgemäß die Einsatzes mit mehreren Einheiten von Vakuum-

volumetrische Pumpgeschwindigkeit oder Förder- pumpen nach der Erfindung;

leistung leicht innerhalb gewisser Grenzen kontrol- F i g. 5 ist eine Ansicht der Umhüllung bei Verlieren bzw. beeinflussen. Wendung eines Verdampfers gemäß der Erfindung,

Außer den erwähnten, mit einer Entladung bei 15 und

kalter Kathode arbeitenden Ionenvakuumpumpen F i g. 6 ist eine Querschnittsansicht eines vollstän-

sind auch solche bekannt, bei denen mit einer in ein digen Gerätes, das Einsatz und Umhüllung umfaßt.

Pumpengefäß eingeschlossenen Ionisierungsvorrich- Bei F i g. 1, 2 und 3 sind acht Anoden 11 zusam-

tung eine thermische Verdampfervorrichtung, welche men mit Tragelementen durch Verschweißen oder

eine heizbare Verdampferquelle für Getterstoffe und 20 _ej_n sonstiges geeignetes Verfahren starr verbunden,

eine Niederschlagsfläche enthält, vereinigt ist. Ein Die Anodenelemente bilden eine Anodeneinheit.

Verdampfer, stellt jedoch nur eine sehr kurzlebige Statt der hier beispielsweise verwendeten acht Anoden

Anordnung dar und ist für einen wirtschaftlichen kann auch jede andere beliebige Anzahl Anoden mit-

Betrieb wenig geeignet. einander vereinigt werden, um eine Anodeneinheit

Die Erfindung bezweckt hauptsächlich, eine 25 zu bilden. Im Zentrum der Anodeneinheit befindet Ionenvakuumpumpe zu schaffen, die eine gedrängte sich ein Kathodenstamm oder Schaft 15, an dem eine und leichte Bauweise hat. Ferner soll die neue Reihe von Kathoden 17 starr befestigt ist. Die Ka-Pumpenanordnung in der Lage sein, eine besonders thoden 17 sind in geeigneter Weise in der Anodenhohe Pumpgeschwindigkeit zu entwickeln. Weiter soll einheit angeordnet, so daß für eine Isolation gegenr für eine Möglichkeit gesorgt sein, die volumetrische 3° über der Anode gesorgt ist. Wie in der Zeichnung Pumpgeschwindigkeit oder Förderleistung der Pumpe dargestellt, erfüllt der Isolator 19 diese Aufgabe. Die zu verändern. Gesamtanordnung umfaßt eine Anzahl von Pumpen-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenvakuum- einheiten, wobei jede Pumpeneinheit eine Anode und

pumpe mit einer Einrichtung zum Verdampfen von eine damit zusammenarbeitende Kathode enthält.

Gettermaterial, die zumindest je ein Anoden- und 35 In F i g. 4 ist eine Vielzahl derartiger Einheiten

Kathodenelement, ein diese umschließendes Pumpen- vereinigt, um einen Einsatz zu bilden. Bezüglich der

gehäuse und einen Einlaßanschluß zum Gehäuse- Form des Einsatzes ist es zweckmäßig, die Kathoden-

innern aufweist. Die kennzeichnende Besonderheit stamme 15 an Ober- und Unterseite durch eine Platte

der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß 21 zu vereinigen. Eine solche Anordnung bildet einen

die Ionenvakuumpumpe mit einer Entladung mit kai- 40 starren Gesamtaufbau, in welchem die Kathode und

ten Kathoden betrieben wird und daß eine Einrich- die Anoden voneinander isoliert sind. Das äußere

tung vorgesehen ist, mit der Gettermaterial auf den Gehäuse oder die Umhüllung enthält, wie F i g. 5

Kathoden- und Anodenelementen unabhängig vom zeigt, einen Gehäusekörper 23 und eine Deckplatte

Entladungsvorgang niedergeschlagen wird. 25. An dem Gehäuse können Stutzen 27 angebracht

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung 45 sein, die zum Anschluß an die Apparatur dienen, in können die Anoden- und Kathodenelemente so aus- Verbindung mit welcher die Pumpe verwendet wird, gebildet sein, daß Mehrfachentladungen hervor- Der Verdampfer gemäß der Erfindung wird bei 29 gerufen werden. Die Verdampfereinrichtung kann an dem Gehäuse angeschweißt oder sonstwie aneine Quelle von Gettermaterial und ein damit ver- geschlossen. Der Verdampfer umfaßt, wie deutlicher bundenes Heizelement enthalten. Ferner können die 5° in F i g. 6 zu sehen ist, einen Rohrabschnitt 31 und Anode und die Kathode die Form eines Einsatzes eine Platte 33, auf der das innere Verdampferelement von unabhängigen Einheiten aufweisen, wobei jede 35 gehalten wird.

Einheit mindestens eine Kathode enthält, und Ma- Bei der Ausbildung des Verdampfers ist es vorteilgnetanordnungen mit der Einheit verbunden sind, haft, möglichst viel feuerfestes Material und eine derart, daß ein Magnetfeld parallel zur Achse der 55 möglichst große thermische Leitfähigkeit zwischen zylindrischen Anoden erzeugt wird. Vorzugsweise dem feuerfesten tragenden Teil und dem reaktiven enthält der Einsatz mindestens zwei Einheiten in Material vorzusehen. Bei einer Ausführungsform gehorizontaler Richtung und mindestens zwei Einheiten maß der Erfindung werden die vorstehend erwähnten in vertikaler Richtung. Eigenschaften dadurch erreicht, daß ein Draht oder

Durch die erfindungsgemäße Anwendung einer 60 Streifen aus reaktivem Material um ein Stück eines

Kaltkathodenentladung in Verbindung mit einer Ein- feuerfesten Fadens ohne Windungsabstände herum-

richtung zum Verdampfen und Niederschlagen von gewickelt und das reaktive Material mit dem Faden

Gettermaterial läßt sich die Brauchbarkeit und Lei- auf jeder Windung durch Punktschweißen verbunden

stungsfähigkeit einer Ionenvakuumpumpe in über- wird. Das Schweißen jeder Windung verbessert die

raschender Weise steigern. Insbesondere läßt sich 65 Wärmeübergangseigenschaften, wodurch sich eine

eine bedeutende Steigerung der Pumpgeschwindigkeit niedrigere Fadentemperatur, eine verminderte Ein-

und ein ultrahohes Vakuum mit verhältnismäßig ein- gangsleistung und eine erhöhte Fadenlebensdauer

fächern Aufwand erreichen. ergeben.

Ein Einsatz, wie er in F i g. 4 gezeigt ist, wird innerhalb der Umhüllung, von dieser durch Isolatoren 19 und 37 isoliert, angebracht. Am oberen und unteren Ende des Gehäuses werden die Polschuhe 39 des Magneten 41 angeordnet.

Im Betrieb der Pumpe werden die Kathoden und Anoden 17 und 11 mit einer Spannungsquelle verbunden. Das Verdampferelement 35, an welches der Titandraht angeschweißt ist, wird an eine Heizstromquelle angeschlossen. Wenn die Elektronen von der Kathode zu den Anoden gezogen werden, verursacht das von dem Magnet 41 erzeugte Feld einen relativ langen spiralförmigen Weg. Beim Durchlaufen des Weges von der Kathode zur Anode aktivieren die Elektronen zahlreiche Gasmoleküle. Es werden positive Ionen zur Kathode und Titansprühteilchen von der Kathode auf die übrigen Oberflächen gezogen. Neutrale aktivierte Moleküle treffen auf diese übrigen Oberflächen und werden durch das versprühte Titan festgehalten. Das Heizelement 35 verursacht eine zusätzliche Verdampfung von Titan, wodurch eine zusätzliche Menge von Fixierungsmaterial für Gasmoleküle erzeugt wird. Das zusätzlich verdampfte Titan erhöht die Wirtschaftlichkeit der gesamten Pumpe derart, daß eine vergrößerte Evakuierungsgeschwindigkeit erreicht wird. In gleicher Weise erzeugt die vergrößerte Zahl von Anoden und jede der einzelnen Kathoden eine zusätzliche Menge des zu versprühenden Titans, und daher werden die Gasmoleküle mit einer hohen Geschwindigkeit oder zu einem hohen Anteil fixiert.

Das Verdampferelement ist vorzugsweise so angeordnet, daß bei Verdampfung des gesamten Titans auf dem Heizelement ein neues Element leicht eingesetzt werden kann.

Es wurden Vakuumpumpen gemäß der Erfindung gebaut und geprüft. Die Hinzufügung des Verdampfers vergrößerte dabei die Evakuierungsleistung der Pumpe in einem solchen Ausmaß, daß der Druck auf annähernd ein Achtel des Betrages reduziert wurde, der bei Verwendung von Entladungsabschnitten mit kalter Kathode allein erreicht werden würde. Wenngleich bereits Verdampfer sowie Anordnungen mit kalter Kathodenentladung als Vakuumpumpen verwendet worden sind, so ergibt doch die Kornbination beider eine Gesamtpumpgeschwindigkeit,

die größer ist als diejenige der Entladungsanordnung und die des Verdampfers, wenn beide getrennt benutzt werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ionen vakuumpumpe mit einer Einrichtung zum Verdampfen von Gettermaterial, die zumindest je ein Anoden- und Kathodenelement, ein diese umschließendes Pumpengehäuse und einen Einlaßanschluß zum Gehäuseinnern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenvakuumpumpe mit einer Entladung mit kalten Kathoden betrieben wird und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der Gettermaterial auf den Kathoden- und Anodenelementen unabhängig vom Entladungsvorgang niedergeschlagen wird.

2. Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und Kathodenelemente so ausgebildet sind, daß Mehrfachentladungen hervorgerufen werden.

3. Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinrichtung eine Quelle von Gettermaterial und ein damit verbundenes Heizelement enthält.

4. Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Kathode die Form eines Einsatzes von unabhängigen Einheiten aufweisen, wobei jede Einheit mindestens zwei koaxiale zylindrische Anoden und quer dazu mindestens eine Kathode enthält, und Magnetanordnungen mit der Einheit verbunden sind, derart, daß ein Magnetfeld parallel zur Achse der zylindrischen Anoden erzeugt wird.

5. Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz mindestens zwei Einheiten in horizontaler Richtung und mindestens zwei Einheiten in vertikaler Richtung enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 065 561;
deutsche Auslegeschrift A 23048 I a/27 d

(bekanntgemacht am 21. 6. 56);

französische Zusatzpatentschrift Nr. 71 662

(1. Zusatz zum französischen Patent Nr. 1 101 015).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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