DE1240620B - Ionen-Getter-Vakuumpumpe - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTTW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutschem.: 27 d-5/04

Nummer: 1 240 620

Aktenzeichen: V 22569 VIII c/27 d

Anmeldetag: 28. Mai 1962

Auslegetag: 18. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionen-Getter-Vakuumpumpe, bei der quer zur Längsachse der Durchtrittsleitungen zwischen einer Anodenstraktur und einer Kathodenstruktur mehrere Glimmentladungsstrecken verlaufen und innerhalb des die Anoden- und die Kathodenstruktur umgebenden Vakuummantels Magnete vorgesehen sind, um ein koaxial zu den Glimmentladungsstrecken verlaufendes Magnetfeld zu erzeugen.

Bei solchen Vakuumpumpen verläuft ein ma- ίο gnetisches Feld durch die Anode, um die Elektronen in der Glimmentladung entlang spiralförmiger Bahnen zu führen. Durch die Glimmentladung erzeugte positive Ionen werden durch elektrische Felder gegen die Kathodenplatten getrieben, so daß die auf die Kathodenplatten auftreffenden Ionen die Zerstäubung eines empfindlichen Kathodenmaterials verursachen. Das zerstäubte Material wird auf den Innenflächen der Pumpe niedergeschlagen, wo es zum Einfangen gasförmiger Moleküle dient, die damit in Berührung gelangen. Ferner tritt eine gewisse Diffusion von Gasen, insbesondere von Wasserstoff, in die Kathode auf. Auf diese Weise wird der Gasdruck in dem als Vakuummantel dienenden Pumpenmantel, der die Kathode und die Anodenelemente umgibt, verringert. Da der Ionenstrom eine lineare Funktion des Gasdruckes ist, kann die obengenannte Einrichtung auch als Vakuummeter dienen.

Bei solchen Vakuumpumpen sind die Kathodenplatten und die Anode in dem Vakuummantel angeordnet, wobei der Mantel einen Durchlaß aufweist, der zur Verbindung der Pumpe mit dem zu evakuierenden System dient. Der Magnet ist gewöhnlich ein Stahlmagnet oder ein Ferrit. Der Magnet wird häufig außerhalb des Mantels der Vakuumpumpe so angeordnet, daß sein magnetisches Feld durch die Kathodenplatten und die zellenförmige Anode verläuft. Dies hat bei größeren Pumpen mit großen Anoden-Kathoden-Flächen zu komplizierten Ausbildungsformen der Umhüllung geführt, die es gestatten, die notwendige Anzahl der äußeren Magnete vorzusehen.

In anderen Fällen wurde es als wünschenswert festgestellt, die Anoden-Kathoden-Elemente direkt in dem Gefäß anzuordnen, das evakuiert werden soll. Wenn in einem derartigen Gefäß schon ein magnetisches Feld für einen anderen Verwendungszweck vorhanden war, wurden die Pumpenelemente so angeordnet, daß sie dieses magnetische Feld ausnutzten. In denjenigen Fällen, bei denen kein magnetisches Feld bereits verfügbar war, wurden die Magnete außerhalb des Gefäßes so angeordnet, wie dies bei üblichen Pumpenausführungen der Fall ist.

Ionen-Getter-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. (V.StA.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. Mai 1961 (113 356)

In einigen Fällen wäre es jedoch vorteilhaft, das notwendige magnetische Feld durch Anordnung der Magnete in dem zu evakuierenden Gefäß selbst zu erzeugen, wenn diese Gefäße nicht schon ein geeignetes Magnetfeld aufweisen, und die Magnete so nahe wie möglich den Anoden-Kathoden-Elementen anzuordnen. Es ist bereits bekannt, die Magnete in der Umhüllung einer gesondert an ein zu evakuierendes Gefäß angesetzten Vakuumpumpe anzuordnen, um die Verwendung komplizierter Pumpenumhüllungen zu vermeiden, die bei der Anordnung äußerer Magnete erforderlich sind. Derartige Magnete bestehen jedoch aus einem vakuumtechnisch sehr schlechten Material, das porös und verschmutzt ist, und üben deshalb einen sehr nachteiligen Einfluß auf die Arbeitsweise der Pumpe aus. Die Belastung des Pumpensystems wird dadurch erhöht, weil dann auch Gase aus dem porösen magnetischen Material gepumpt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der letztgenannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht hat.

Gemäß der Erfindung werden die im Vakuumraum, d.h. direkt im zu evakuierenden Gefäß oder in einer gesonderten die Anoden- und die Kathodenstruktur enthaltenden Vakuumpumpe, angeordneten Magnete von einer gasdichten Hülle umschlossen. Der umhüllte Magnet wird dann in dem zu evakuierenden Gefäß oder in der Umhüllung der Vakuumpumpe

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angebracht, so daß der Magnet von dem Pumpbereich abgedichtet ist, so daß die obenerwähnten Nachteile vermieden werden.

Bei einer Ausführungsform der Pumpe nach der Erfindung ist die den Magnet umgebende Hülle evakuiert, so daß die Umhüllung des Magnets einerseits den Magnet von dem Vakuumsystem isoliert und andererseits vorzugsweise zugleich als Kathode der Ionen-Getter-Pumpe dienen kann.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Pumpe nach der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, um ein Kühlmittel entlang der Oberfläche der Hülle zu führen.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Pumpe nach der Erfindung ist die Hülle des Magnets nur teilweise evakuiert und enthält ein nachweisbares Gas, das bei einem Leck in der Hülle in die Pumpe gelangt und so ein derartiges Leck anzeigt. Vorzugsweise ist das in der Hülle belassene Gas das inerte Helium. Dieses kann einfach nachgewiesen werden, ao so daß ein Gerät zum Nachweis eines Lecks, das außerhalb des zu evakuierenden Gefäßes, der Vakuumpumpe oder des Vakuummeters verwendet wird, das Vorhandensein eines Lecks in der Umhüllung des Magnets in dem Gefäß leicht nachweist.

Zweckmäßigerweise besteht die Hülle aus einem dünnen Metall aus gutem Vakuummaterial wie Edelstahl, wobei der Magnet dazu dienen kann, die Wände der dünnwandigen evakuierten Hülle zu stützen.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine längengetreue Ansicht einer Vakuumpumpe gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die in F i g. 1 dargestellte Pumpe, wobei Teile weggebrochen sind, um die Anoden- und Kathodenglieder der Pumpenelemente und die diesen zugeordneten umhüllten Magnete zu zeigen,

F i g. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem Teile weggebrochen und Teile im Querschnitt dargestellt sind, wobei die Pumpenelemente in Form eines Quadrates angeordnet sind,

Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Pumpenelemente konzentrisch angeordnet sind, F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel,

F i g. 6 eine Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem die Umhüllung des Magnets auch als Kathode dient, und

Fig.7 und 8 zwei Ausführungsformen zur Kühlung der umhüllten Magnete, die in den Ausführungsbeispielen verwandt werden.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Vakuumpumpe dargestellt, die einen äußeren Mantelll aufweist, der mit einem hohlzylindrischen Ansatz 12 mit einem Flansch 13 in Verbindung steht, der zum Anschluß dieser Pumpe an das zu evakuierende System dient. Eine Reihe einzelner Pumpeneinheiten 14 sind in radialer Anordnung in der Pumpenhülle 11 vorgesehen. Jede Pumpeneinheit weist eine mehrzellige Anode 15 auf, die an der Pumpenhülle mit Hilfe eines Isolators 16 befestigt ist. In einem Abstand von den offenen Enden der Zellen in der Anode 15 sind zwei Kathodenplatten 17 vorgesehen, die mit Hilfe von Isolatoren 18 auf der zellenförmigen Anodenstruktur 15 oder in anderer geeigneter Weise angebracht sind. Die Kathodenplatten 17 und die zellenförmige Anode 15 sind in dem Spalt zwischen zwei weichen Pol-

stücken 19 angebracht, die an den Enden eines hufeisenförmigen Magnets 21 befestigt sind, der beispielsweise aus einem magnetischen Material wie Stahl besteht. Der Magnet 21 und die Polstücke 19 sind in eine hufeisenförmige Hülle 22 vakuumdicht eingeschlossen, die aus einem guten Vakuummaterial wie Edelstahl besteht. Die umhüllten Magnete sind an der Grundplatte des Pumpenmantels 11 durch ein speichenförmiges Glied 20 befestigt. Hinsichtlich der Kathodenbefestigung ist zu sagen, daß die Kathoden direkt an der Außenfläche des umhüllten Magnets angebracht sein können. Die Anoden können auch an den Kathoden oder Magneten befestigt sein.

Bei einer typischen Betriebsweise dieser Vakuumpumpe wird den Anodengliedern 15 eine positive Spannung von 0,4 bis IOKilovolt oder mehr über die isolierten Leiterstäbe 15' zugeführt. Der Vakuummantel 11 und die Kathodenplatten 17 befinden sich vorzugsweise auf Erdpotential, um eine Gefährdung des Bedienenden zu vermeiden. Die angelegten Spannungen erzeugen einen Bereich eines starken elektrischen Feldes zwischen der zellenförmigen Anode 15 und den Kathodenplatten 17. Dieses Feld, das mit dem über den Polstücken 19 erzeugten Feld zusammenwirkt, verursacht eine Leitfähigkeit des Gases in dem Anodenbereich, die zu einer Glimmentladung in den Zellen der Anode 12 zwischen den Kathodenplatten 17 führt. Diese Glimmentladung führt dazu, daß positive Ionen zu den Kathodenplatten 17 geführt werden, um eine Zerstäubung des aktiven Kathodenmaterials auf die in der Umgebung liegenden Pumpenelemente einschließlich der Anode zu erzeugen, so daß sich eine Getterung von Molekülen und Ionen im gasförmigen Zustand ergibt, die in Berührung mit diesem zerstäubten Material gelangen. In dieser Weise wird der Druck in dem Vakuummantel und damit in den Einrichtungen, die damit über den rohrförmigen Ansatz 12 in Verbindung stehen, verringert. Es ist zu bemerken, daß die Kathoden-Anoden-Elemente und die Magnetelemente, die oben beschrieben wurden, ebenfalls direkt in dem zu evakuierenden Gefäß angeordnet werden können.

Fig.3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Reihe von Einheiten 23 in quadratischer Anordnung innerhalb eines hohlzylindrischen Mantels 24 einer Vakuumpumpe vorgesehen sind. In diesem Fall bestehen die Magnete 25 aus einem keramischen Material und sind in vakuumdichte Hüllen 26 eingeschlossen. Polstücke 27 aus weichem Eisen sind mit vakuumdichten Hüllen 28 versehen und werden in den Ecklagen dazu verwandt, den Fluß zwischen den Endmagneten zu führen. Die Kathoden 29 werden direkt an den Hüllen befestigt.

Bei dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Pumpe wird eine größere Anzahl von Pumpenelementen und zugeordneten Magneten, die den in F i g. 3 dargestellten entsprechen, in konzentrischer Weise angeordnet, so daß sich maximale Leitwertcharakteristiken ergeben. Die Anodenelemente der Pumpe werden von Isolatoren getragen, die sich durch die Endwand des zylindrischen Vakuummantels erstrecken.

Weil die Polstücke 19, die Permanentmagnete 21 und 25 und die Eckstücke 27 in den obigen Ausführungsbeispielen vakuumdicht in Hüllen 22, 26 und 28 eingeschlossen sind, sind sie von den Pumpbereichen isoliert, weshalb es nicht erforderlich ist, das Gas zu entfernen, das in diesen Magnetstücken

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enthalten ist, obwohl es aus den folgenden Gründen wünschenswert sein kann.

Bei der Verwendung derartiger umhüllter Magnete ist es wünschenswert, daß die den Magnet umgebende Umhüllung aus einem verhältnismäßig dünnen Material besteht, damit gewährleistet ist, daß nur ein geringer Teil des magnetischen Spalts von dem Hüllmaterial eingenommen wird, so daß eine möglichst günstige Ausnutzung des magnetischen Materials erfolgt. Wenn die Hülle nicht evakuiert ist, würde sie sich nach außen wölben, wenn evakuiert wird. Wenn jedoch die Hüllen bei einem Unterdruck von beispielsweise 1 mm Hg oder weniger abgedichtet werden, dann wird die Hülle gegen die Magnete gedrückt, wodurch eine Auswölbung der Hülle praktisch vermieden wird, wenn der Pumpbereich evakuiert wird, und wodurch ferner die Gasmenge herabgesetzt wird, die durch irgendwelche Leckstellen in der Umhüllung der Magnete austreten könnte.

Der Nachweis von Leckstellen nach dem Abdichten der Magnetumhüllungen kann dadurch vereinfacht werden, daß in die Umhüllung der Magnete ein geeignetes Gas wie beispielsweise Helium eingeschlossen wird. Ein übliches Heliumnachweisgerät zum Feststellen von Leckstellen kann dann verwandt werden, um zu überprüfen, ob in der Magnetumhüllung Leckstellen vorhanden sind. Dieser Nachweis von Leckstellen kann ebenfalls verwandt werden, wenn die umhüllten Magnete innerhalb des Vakuumsystems oder der Pumpe angeordnet sind, da ein Heliumaustritt aus irgendeiner der Hüllen in dem System ebenfalls als Heliumaustritt an einer geeigneten zugänglichen Stelle in dem Vakuummantel des Systems oder der Pumpe nachgewiesen werden kann.

Es ist zu beachten, daß die Hüllen 11, 24 und 24' der Pumpen eine sehr einfache Form besitzen, da sie hohlzylindrisch ausgebildet sind. Diese einfache Form ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Magnete innerhalb des Vakuummantels in irgendeiner gewünschten Anordnung vorgesehen werden können, ohne eine nachteilige Beeinflussung der Ausführungsform des Mantels. Es ist ferner zu beachten, daß eine Umhüllung der Magnete die Anordnung von Magneten und Anoden-Kathoden-Strukturen an Stellen innerhalb des Pumpenmantels ermöglicht, die einen verbesserten Gaszutritt zu dem Anodenbereich zulassen. Insbesondere erfolgt der Gaszutritt auf zwei Seiten und nicht nur von einer Seite, was bei üblichen Pumpen im allgemeinen der Fall ist.

Ferner ist bei Getter-Ionen-Pumpen, die bisher verwandt wurden und bei denen die Magnete außerhalb des kompliziert ausgebildeten Vakuummantels angeordnet werden, ein optimales Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Pumpenmantels erforderlieh, um die günstigsten Pumpergebnisse zu erzielen. Bei einer konzentrischen Anordnung der Pumpenelemente, die in F i g. 4 dargestellt ist, ist das optimale Verhältnis von Länge zu Durchmesser verringert, d. h. also, daß die Pumpe etwas kürzer ist, weshalb sie besser dazu geeignet ist, in vorgeschriebene Systemabmessungen eingepaßt zu werden.

Ein weiterer Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, daß weniger Beschränkungen hinsichtlich des Leitwerts vorhanden sind, weil die Pumpenelemente und Magnete im Innenraum einer Vakuumkammer beliebig angeordnet werden können, weshalb höhere Pumpleistungen bzw. kürzere Auspumpzeiten

bei vorgegebener Größe des Pumpenelements erzielt werden können. Da diese umhüllten Magnete und Pumpenelemente innerhalb des zu evakuierenden Raumes angeordnet werden können, ist es ferner nicht erforderlich, eine getrennte Vakuumhülle für die Pumpenelemente vorzusehen. Auch braucht keine Verbindung zu dem Mantel des auszupumpenden Systems von einer befestigten Vakuumpumpenhülle vorgesehen werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in F i g. 5 dargestellt, wobei die Pumpenelemente eine wirksamere Ausnutzung des magnetischen Materials ermöglichen. In diesem Fall sind die zellenförmigen Anodenstrukturen 31 zwischen den beiden Kathoden angeordnet. Diese Anoden-Kathoden-Struktur ist ihrerseits zwischen zwei flachen Polstücken 33 aus weichem Eisen angebracht, die an voneinander getrennten Stellen auf umhüllten keramischen Magneten 34 angebracht sind. Der Gaszutritt zu dem Anodenbereich wird durch Öffnungen 35 ermöglicht, die in die Polstücke aus weichem Eisen und die Kathoden eingeschnitten sind. Die Öffnungen in den Kathoden sind an Stellen vorgesehen, die zumindest dazu geeignet sind, von positiven Ionen bombardiert zu werden. Diese besondere Pumpenausführung ist nur durch die Verwendung umhüllter Magnete möglich und praktisch verwendbar.

In vielen Fällen, bei denen umhüllte Magnete Verwendung finden, können die Magnetumhüllungen zweckmäßigerweise aus einem gewünschten Gettermaterial wie Titan bestehen. Diese Hüllen dienen dann selbst als Kathoden zum Zerstäuben des Gettermaterials. Da die umhüllten Magnete in einfacher Weise aus dem Pumpenmantel entfernt werden können, ist dadurch eine Auswechselbarkeit der Elemente gewährleistet, so daß unbrauchbar gewordene Magnethüllen durch neue ersetzt werden können, während eine Wiederverwendung der Magnete möglich ist. Wenn die Magnethüllen auch als Kathoden der Pumpe dienen sollen, ist es wünschenswert, verhältnismäßig dickwandiges Material zu verwenden, beispielsweise mit einer Dicke von 2,5 mm (0,1 Zoll). In diesem Fall ist das Evakuieren der Magnetumhül-Iung nicht so von Bedeutung wie in dem Fall dünnwandiger Hüllen, da sich die dickwandigen Hüllen praktisch nicht nach außen wölben, wenn die Pumpe evakuiert wird. Weil die Kathodenhülle an das magnetische Material anstößt, bestehen in diesem Fall keine Schwierigkeiten hinsichtlich des Spaltabstands zwischen Magnet und Kathode. Ein Teil einer Pumpe, die ähnlich derjenigen in F i g. 3 ist, ist in F i g. 6 dargestellt, wobei die Magnetumhüllung 26' als Kathode dient.

Bei gewissen Anwendungen von Getter-Ionen-Pumpen ist es wünschenswert, Pumpenelemente wie die Kathode zu kühlen. Dies kann in zweckmäßiger Weise durch ein hindurchströmendes Kühlmittel wie Luft oder Wasser erzielt werden, das durch eine Leitung 30 hindurchströmt, die an den Rändern der Umhüllungen, wie in F i g. 8 dargestellt, befestigt ist. Derartige Leitungen können entweder mit den dünnwandigen umhüllten Magneten der in den F i g. 2 oder 3 dargestellten Art oder mit den dickerwandigen Kathodenumhüllungen der in F i g. 6 dargestellten Art verbunden werden. Im Fall dickwandiger Kathodenhüllen können die Umhüllungen größer als die Magnete ausgeführt werden, so daß sich ein Zwischenraum zwischen beiden Seiten des Magnets ergibt,

Claims (9)

durch den Kühlmittel direkt innerhalb der Umhüllung von der Außenseite des Vakuummantels hindurchströmen kann, wie in F i g. 7 dargestellt ist. Bekanntlich können Zerstäubungsionenpumpen auch als Vakummeter verwandt werden, weil der Ionenstrom eine Funktion des Gasdrucks ist. Deshalb ist die Erfindung auch auf solche Einrichtungen anwendbar, die als Vakuummeter verwandt werden. Ein anderer Vorteil der Verwendung umhüllter Ferritmagnete besteht darin, daß diese auch bei hohen Temperaturen verwendbar sind. Zur Zeit werden große Ferritmagnete hergestellt, indem kleinere Teile zusammengekittet werden. Nach dem Erhitzen auf eine kritische Temperatur, die beispielsweise bei gewissen Ferriten 150° C beträgt, erweicht der Kitt. Im Fall der vorgeschlagenen umhüllten Magnete müssen die Magnete nicht gekittet werden, da die Umhüllung die Magnetstücke zusammenhält. Wenn die Magnetstücke aber zusammengekittet sind, hält die Umhüllung die Stücke selbst dann zusammen, wenn der ao Kitt oder die Bindemittel bei Temperaturerhöhungen erweichen. Es kann ferner zweckmäßig und wünschenswert sein, mit unmagnetisierten Blöcken aus Ferrit während des Zusammenbaus und des Schweißens zu arbeiten. Die Ferrite können dann in der Umhüllung magnetisiert werden, wobei die Umhüllung eine geeignete Halterung für die Magnetstücke darstellt. Patentansprüche:

1. Ionen-Getter-Vakuumpumpe, bei der quer zur Längsachse der Durchtrittsleitungen zwischen einer Anodenstruktur und einer Kathodenstruktur mehrere Glimmentladungsstrecken verlaufen und innerhalb des die Anoden- und die Kathodenstruktur umgebenden Vakuummantels Magnete vorgesehen sind, um ein koaxial zu den Glimmentladungsstrecken verlaufendes Magnetfeld zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

die im Vakuumraum angeordneten Magnete (19, 21; 25; 34) von einer gasdichten Hülle (22,26) umschlossen sind.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnet umschließende Hülle evakuiert ist.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Magnet umschließenden Hülle ein nachweisbares Gas enthalten ist.

4. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Helium ist.

5. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (30) vorgesehen ist, um ein Kühlmittel entlang der Oberfläche der Hülle (22, 26) des Magnets zu führen.

6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung als Kühlleitung ausgebildet ist, die an der Oberfläche der Hülle des Magnets anliegt.

7. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem die Hülle (22, 26) des Magnets besteht, reaktiv ist und als Kathode dient und daß diese Hülle in einem Abstand von den offenen Enden der Druchtrittsleitungen angeordnet und mit diesen ausgerichtet ist.

8. Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Abmessung der Hülle des Magnets größer ist als die Abmessung des Magnets in derselben Richtung, so daß ein Zwischenraum zwischen der Hülle und dem Magnet vorhanden ist, der als Kühlmittelleitung dient (Fig. 7).

9. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnet umschließende Hülle aus zerstäubbarem Gettermaterial besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 094 400.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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