DE1246933B - Elektrodenanordnung fuer Ionenvakuumpumpen und Vakuummanometer - Google Patents

Description

DEUTSCHES mTTWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 27 d-5/04

Nummer: 1246 933

Aktenzeichen: V 21742 VIII c/27 d

Anmeldetag: 14. Dezember 1961

Auslegetag: 10. August 1967

Es sind mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionenvakuumpumpen und nach dem Penning-Typ arbeitende Vakuummanometer bekannt, bei denen unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen die Kathode der Pumpenanordnung bzw. des Manometers zerstäubt.

Im allgemeinen ergibt es sich bei derartigen Ionenpumpen, daß reaktionsfähige Gase einer intensiveren Pumpwirkung unterliegen als Edelgase. Analoge Erscheinungen ergeben sich bei Manometeranordnungen des Penning-Typs, insofern bei reaktionsfähigen Gasen und Edelgasen sich unterschiedliche Druckanzeigen ergeben, die einen niedrigeren Edelgasdruck vortäuschen als tatsächlich der Fall ist.

Um mit Gasentladung arbeitende Ionenvakuumpumpen und Vakuummanometer für die Verarbeitung von Edelgasen zu verbessern, ist es bereits vorgeschlagen, die unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen zerstäubende Kathode gitterförmig oder mit eingeschnittenen Nuten auszubilden, so daß sich Oberflächenbereiche ergeben, die nur der Zerstäubung bei streifendem Einfallswinkel durch auftreffende Ionen unterliegen, während andere Oberflächenbereiche einen steilen Einfallswinkel den Ionen bieten und daher einem unterschiedlichen Abbrand unterliegen. Hinsichtlich des Verhaltens gegenüber Edelgasen wirkt sich wahrscheinlich bei diesen Anordnungen der Umstand aus, daß die Edelgase im wesentlichen durch an der Kathode sich wieder ablagerndes zerstäubtes Kathodenmaterial eingegraben werden und diese die eingegrabenen Edelgasmoleküle enthaltenden Stellen der Kathoden gegenüber dem direkten Aufprall weiterer Ionen besser abgeschirmt sind, so daß es nicht zu einer Wiederfreigabe bereits eingegrabener Edelgasmoleküle kommt.

Die Ausbildung der zerstäubenden Kathode in Form einer gitterförmigen oder einer eingeschnittene Nuten aufweisenden Elektrode hat andererseits den Nachteil, daß sich der an den verschiedenen Elektrodenstellen unterschiedlich ergebende Abbrand nachteilig auf die Lebensdauer der Kathode auswirkt. Die Erfindung bezweckt daher, eine erhöhte Lebensdauer der Kathode sicherzustellen.

Eine Elektrodenanordnung für mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionenvakuumpumpen und für Vakuummanometer des Penning-Typs, bei der die unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen zerstäubende Kathode gitterförmig oder mit eingeschnittenen Nuten ausgebildet ist und Oberflächenbereiche aufweist, die nur streifende Einfallswinkel mit den auftreffenden Ionen bilden, und andere Oberflächenbereiche aufweist, die steile Einfallswinkel mit den-Elektrodenanordnung für Ionenvakuumpumpen
und Vakuummanometer

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:

Shermann Lloyd Rutherford, Palo Alto, Calif.;
Arthur Berrill Francis,
William Arthur Lloyd, Sunnyvale, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Dezember 1960
(78 058)

selben bilden und daher einem unterschiedlichen Abbrand unterliegen, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die Rippen- oder Gitterstruktur der Kathode an den Stellen intensiveren Abbrandes dichter ausgebildet ist als an den Stellen geringeren Abbrandes.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung in Form mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren erörtert.

F i g. 1 stellt das Schaltbild eines typischen Evakuierungssystems dar, bei dem eine mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionenvakuumpumpe mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung verwendet wird;

F i g. 2 ist eine teilweise im Querschnitt gezeichnete Draufsicht einer elektrischen Vakuumpumpe, bei der eine verbesserte, mit Nuten versehene Kathode gemäß der Erfindung verwendet ist;

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt von F i g. 2 entlang der Linie III-III in Blickrichtung der Pfeile;

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung des Druckes als Funktion der Zeit, die die Argon-Instabilität zeigt, welche bei Verwendung der bekannten flachen Kathodenplatten auftritt;

F i g. 5 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnittes einer bereits vorgeschlagenen Vorrichtung, die dem in F i g. 3 dargestellten, durch die Linie

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VI-VI abgegrenzten Bereich entspricht und die in schematischer Darstellung den Pumpenmechanismus und den Kathodenabbrand zeigt;

F i g. 6 ist eine vergrößerte Darstellung eines durch die Linie VI-VI abgegrenzten Bereiches von F i g. 3, der schematisch den Pumpmechanismus und den Kathodenabbrand bei Anwendung der Erfindung zeigt;

F i g. 7 ist eine isometrische Ansicht einer mit Nuten versehenen Kathode gemäß der Erfindung, die durch eine Vielzahl eng benachbarter gerader Nuten gebildet ist, die in die Oberfläche der Kathodenplatte eingefräst sind, und die dazwischen nicht mit Nuten versehene Bereiche aufweist, die in Fluchtung mit den Achsen der Glimmentladungssäulen angeordnet sind;

F i g. 8 ist eine isometrische Ansicht einer mit Nuten versehenen Kathodenausführung gemäß der Erfindung, bei der die keine Nuten aufweisenden Bereiche der Kathode als Einsätze aus festem Kathodenmaterial ausgebildet sind;

F i g. 9 ist eine isometrische Ansicht eines ionendurchlässigen Zerstäubungsfanggitters gemäß der Erfindung, bei dem die einem intensiven Ionenbeschuß ausgesetzten Teile als feste Stücke ausgebildet sind;

Fig. 10 ist eine isometrische Ansicht einer abgeänderten Ausführungsart gemäß Fig. 9;

Fig. 11 ist eine vergrößerte isometrische Teildarstellung des Kathodenaufbaues einer Triodenpumpanordnung, bei der das ionendurchlässige Zerstäubungsfanggitter mit vergrößerten Öffnungen in den Bereichen versehen ist, die einem intensiven Ionenbeschuß unterliegen, und der sammelnde Bereich des Kathodenaufbaues, der einem intensiven Ionenbeschuß unterliegt, mit Abschnitten vergrößerter Dicke ausgestattet ist;

F i g. 12 ist eine vergrößerte isometrische Darstellung einer abgeänderten Ausbildungsart der Anordnung gemäß Fig. 11;

Fig. 13 ist eine Draufsicht einer mit spiralförmigen Nuten versehenen Zerstäubungskathode gemäß der Erfindung;

Fig. 14 zeigt einen Querschnitt der Konstruktion gemäß F i g. 13 längs der Linie 14-14 in Blickrichtung der Pfeile;

F i g. 15 zeigt eine abgeänderte Ausführungsart der Konstruktion gemäß F i g. 14;

Fig. 16 ist eine Draufsicht einer mit Ringnuten versehenen Zerstäubungskathode gemäß der Erfindung, und

Fig. 17 zeigt einen Querschnitt der Konstruktion gemäß Fig. 16 längs der Linie 17-17 in Blickrichtung der Pfeile.

In Fig. 1 ist das schematische Schaltbild einer elektrischen Vakuum-Pumpanlage gemäß der Erfindung dargestellt, die zum Evakuieren irgendwelcher Bauteile dient. Im einzelnen ist eine elektrische Vakuumpumpe 1 über eine Hohlleitung 2 mit einem Absauganschluß 3 und von da über eine Hohlleitung 4 mit dem Bauteil 5 verbunden, der evakuiert werden soll. Der Absauganschluß 3 soll als Verbindungsmechanismus dienen, durch den der Teil 5 und die zugehörige Leitung 4 abgenommen und durch einen anderen Teil und eine andere Leitung ersetzt werden können, um aufeinanderfolgend eine Vielzahl von Bauteilen 5 evakuieren zu können. Mit dem Absauganschluß 3 ist ebenfalls eine mechanische

Flügel-Vakuumpumpe 6 verbunden, und zwar über die Leitung 7 und das Abschaltventil 8.

Zum Evakuieren des Bauteiles 5 wird die mechanische Flügelpumpe 6 eingeschaltet, um so den Druck innerhalb des Bauteiles auf einen Wert von 5 bis 20 Mikron zu verringern, wonach das Ventil 8 geschlossen und die elektrische Vakuumpumpe 1 angeschaltet wird.

Die Pumpe 1 wird von einer Spannungsquelle 9, z. B. dem 60-Hertz-Netz, über einen Transformator 11 mit den Betriebsspannungen versorgt. Die Sekundärwicklung des Transformators 11 speist einen Gleichrichter 12 und im Nebenschluß einen Glättungskondensator 13, so daß eine Gleichspannung zwischen der Anode und den Kathodenteilen der elektrischen Vakuumpumpe 1 angelegt werden kann, wie im einzelnen noch unten beschrieben ist. Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsart der Pumpe eine Gleichspannung verwendet ist, läßt sich die Pumpe auch mit Wechselspannungen betreiben.

Gemäß den Fig. 2 und 3 ist ein flacher, rechteckiger, schalenförmiger Teil 14, z. B. aus nichtrostendem Stahl, an dem offenen, mit einem nach außen weisenden Flansch versehenen Ende durch eine rechteckige Abschlußplatte 15 verschlossen, die an ihrem Umfang mit dem Flanschbereich des schalenförmigen Teiles 14 verschweißt ist und somit einen im wesentlichen rechteckigen, vakuumdichten Behälter 16 bildet.

Am Ende der Stromzuführungsstange 18, die z. B. aus nichtrostendem Stahl besteht, ist eine rechteckige, z. B. aus Titan hergestellte Zellenanode 17 befestigt, und die Stromzuführungsstange 18 ist durch eine öffnung in einer kurzen Seitenwand des rechteckigen Vakuumbehälters 16 aus diesem herausgeführt. Die Stromzuführungsstange 18 ist vom Vakuumbehälter 16 isoliert und von diesem mechanisch gehalten, und zwar mittels ringförmiger Isolatorrahmen 19, 21 und 22, z. B. aus einer Kobalt-Eisen-Nickellegierung, und durch den zylindrischen Isolator 23, der z. B. aus Tonerdekeramik hergestellt ist. Das freie Ende der Stange 18 dient als Anschluß für die Anodenspannung, die positiv gegenüber zwei im wesentlichen rechteckigen, mit Nuten versehenen Kathodenplatten

24 ist, die weiter unten näher beschrieben sind.

Die Kathodenplatten 24 sind in ihrer Stellung gegen die großen Stirnflächen des Vakuumbehälters 16 mechanisch mittels vier Kathodenabstandshalteplatten

25 verriegelt. Diese aus rostfreiem Stahl bestehenden Platten sind mit halbzylindrischen Ohren 26 versehen, die aus dem Material herausgearbeitet sind und die zur Gewährleistung des genauen Abstandes zwischen den Kathodenplatten 24 dienen sollen. In der bevorstehenden Ausführungsart liegen die Anoden-Kathoden-Abstände in dem Bereich zwischen 2,5 und 15 mm. Die Kathodenplatten 24 können aus einem beliebigen reaktionsfähigen Kathodenmaterial, etwa Titan, Chrom, Zirkon, Gadolinium und Eisen bestehen. Zum Vermeiden des Abblätterns der abgelagerten Kathodenmaterialschicht ist es jedoch wünschenwert, die Anode 17 und die Kathoden 24 aus dem gleichen Material herzustellen. Die verbesserten, mit Nuten versehenen Kathodenplatten 24 sind weiter unten beschrieben.

Eine weitere Seitenwand des Vakuumbehälters 16 ist mit einer öffnung zur Aufnahme der Hohlleitung 2 versehen. Die Hohlleitung 2 steht mit dem zu evakuierenden Bauteil 5 in Verbindung und ist mit einem

passenden, nicht dargestellten Anschlußflansch versehen.

Quer zur Stromdurchführungsstange 18 ist ein kreisförmiger radialer Schutzschirm 27, etwa aus Molybdän, gehalten und innerhalb des Isolatorträgers 22 angeordnet, um den Isolator 23 vor zerstäubtem Kathodenmaterial zu schützen, das sonst den Isolator 23 bedecken könnte und einen unerwünschten Spannungszusammenbruch oder Leckstrom verursachen würde. Um den Isolatorträger 21 ist eine Ringfeder 28 gelegt, so daß man die Verbindung zwischen der nicht dargestellten Stromquellenerdung und der Pumpe 1 schnell unterbrechen kann.

Der flache, rechteckige Vakuumbehälter 16 liegt derart in dem Feld eines hufeisenförmigen Permafientmagneten 29, daß das Magnetfeld H von etwa 1200 Gauß die einzelnen Zellenelemente der Anode 17 im wesentlichen parallel zu deren Längsachse durchdringt. Obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsart gemäß der Erfindung ein magnetisches Gleichfeld verwendet wird, können auch magnetische Wechselfelder oder variierende magnetische Gleichfelder verwendet sein. Zum Beispiel kann das zeitveränderliche magnetische Feld eines Kreisbeschleunigers für Teilchen, z. B. eines Betatrons, verwendet werden.

Zum Betrieb wird eine positive Spannung von 0,5 kV bis z. B. 6 kV über den Stromzuführungsstab 18 an die Anode 17 gelegt. Der Vakuumbehälter 16 und damit auch die Kathodenplatten 24 haben vorzugsweise Erdpotential, um die Gefährdung des Bedienungspersonals herabzusetzen. Wenn diese Spannungen angelegt sind, entsteht ein starkes elektrisches Feld zwischen der Zellenanode 17 und den Kathodenplatten 24. Dieses elektrische Feld erzeugt einen elektrischen Durchbruch des Gases innerhalb der Pumpe, wobei eine Vielzahl eng benachbarter Glimmentladungssäulen gebildet werden, die sich in Richtung des magnetischen Feldes und quer zum magnetischen Feld eng gruppiert erstrecken. Die Glimmentladungssäulen liegen in getrennten Glimmentladungsdurchtritten, die durch die Ränder der Anodenöffnungen oder Wände der Zellenbereiche in der Anode 17 gebildet sind. Bei einer bevorzugten Ausbildungsart ist die Länge I der Anodenzellen größer als deren Durchmesser d.

Die in der Glimmentladung gebildeten positiven Ionen treffen auf die Kathoden, die bevorzugt aus Titan bestehen. Beim Pumpen von Luft erzeugen die ionisierten N₂-, O₂- und Ar-Moleküle beim Auftreffen auf die Kathode 24 eine merkliche Zerstäubung von Titan oder Titanverbindungen von der Kathode 24 auf die Anode 17. Der größte Teil des Stickstoffs und Sauerstoffs verschwindet dabei als chemische Verbindung mit Titan an der Anode 17 der Pumpe.

Edelgase wie Argon und Helium werden wegen ihrer geringen chemischen Aktivität hauptsächlich infolge Ioneneinbettung in die Kathodenplatten 24 gebunden. Beim Fehlen einer nachfolgenden Diffusion ins Kathodeninnere wird das Pumpen durch diesen Mechanismus dann aufhören, wenn die Menge der vorher eingeschlossenen Gasatome, die durch Zerstäuben wieder austreten, gleich der Menge der neu eingebetteten Ionen ist. Es stellt sich daher nach vielen Betriebsstunden eine Pumpgeschwindigkeitssättigungswirkung bei Argon ein. Da Argon etwa zu 1% in der Luft enthalten ist, kann es bei Verwen-

dung flacher Kathodenplatten zu einer Argon-Instabilität kommen. Die Erscheinung der Argon-Instabilität, die manchmal bei den bekannten Glimmentladungs-Getter-Ionenpumpen mit flachen Kathodenplatten auftreten, ist in F i g. 4 aufgezeichnet.
Das Absaugen der Edelgase geschieht jedoch weiterhin in Bereichen gewisser Kathoden-Konfigurationen, in denen ein Ioneneinschluß in Gebieten des Aufbaues zerstäubten Kathodenmaterials stattfindet. Man hat gefunden, daß bei der bereits vorgeschlagenen Gitterkathode (F i g. 5), die sich durch eine erhöhte Zerstäubung und durch Gebiete auszeichnet, in denen sowohl ein deutlicher Aufbau zerstäubten Kathodenmaterials als auch ein Ioneneinschluß stattfindet, die gewünschte, im Vergleich zu flachen Kathoden erhöhte Pumpgeschwindigkeit für Edelgase vorhanden ist und daher beim Abpumpen von Luft irgendeine Neigung zu Argon-Instabilität nicht auftritt.
F i g. 5 zeigt eine Zerstäubungsgitterkathode der bereits vorgeschlagenen Art. Im einzelnen ist die den offenen Enden der Anodenzellen benachbarte Stirnfläche der Kathodenplatte 24 mit einer Vielzahl in dichtem Abstand angeordneter gerader Einkerbungen versehen, wodurch eine Vielzahl eng benachbarter Kathodenstäbe 31 gebildet sind, und zwar in Gestalt der hervorstehenden Teile zwischen den Einkerbungen. Die Kathodenstäbe 31 können durch Einschneiden von Nuten in die Kathodenplatte hergestellt werden, etwa mit einer gleichlaufenden Schlitzsäge an einer Fräsmaschine.

Der Abstand zwischen benachbarten Stäben 31 soll im Vergleich zum Durchmesser d einer Anodenzelle klein sein, und die Breite der Stäbe 31 soll kleiner sein als der Abstand zwischen den Stäben. Die Tiefe der Einschnitte sollte größer als ihre Breite sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsart ist der Stab etwa 0,3 mm breit, und die Nutbreite beträgt etwa 0,7 mm. Die Tiefe der Einschnitte ist etwa +0 2,5 mm, die Stärke der Kathodenplatte einschließlich der Höhe der Stäbe 31 beträgt etwa 3 mm und der Durchmesser d der Anodenzelle 13 mm.

Der Pumpmechanismus der verbesserten, mit Nuten versehenen Kathoden ist in Fig. 5 dargestellt. t5 Im einzelnen werden einige energiereiche positive Ionen, die nahe der inneren Wände und innerhlab der einzelnen Zellenanodenbereiche 17 gebildet werden, zum negativen Raumladungskern der Glimmentladungssäule hingezogen. Auf die positiven Ionen wirkt zugleich ein axiales und ein radiales elektrisches Feld, um eine radiale Schwingung zu erzeugen, die der axialen Komponente der zur Kathode gerichteten Bahn überlagert ist, so daß die energiereichen positiven Ionen auf die frei liegenden Enden der Kathodenstäbe 31 der mit Nuten versehenen Kathodenplatte 24 in einem merklichen Winkel zur Normalen auf die Kathodenplatte auftreffen. Einige dieser Ionen werden auf die Kathodenplatte 24 in einer merklichen radialen Entfernung vom Schnittpunkt der axialen Mittellinie der Anodenzelle mit der Kathodenplatte 24 auftreffen. Ein Teil des von den freien Enden der Kathodenstäbe 31 zerstäubten Kathodenmaterials wird sich weiter unten in den Kathodennuten ablagern, so daß ein deutlicher Aufbau zerstäubten Materials am Grunde der Nuten auftritt.

Andere Ionen werden im wesentlichen im Kern der Glimmentladungssäule erzeugt, und ihre Bahn-

kurven haben daher eine sehr geringe radiale Komponente. Diese Ionen werden durch die Anode fokussiert und treffen im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der einzelnen Zellenbereiche der Anode 17 auf die Kathodenplatte 24 auf und erzeugen daher einen beträchtlichen Abbrand der Kathode in diesen begrenzten Bereichen. Dieser Kathodenabbrand verkürzt die Lebensdauer der Zerstäubungskathode im Vergleich zur Lebensdauer einer flachen Kathodenplatte.

Ferner werden Ionen noch an solchen Stellen erzeugt, daß sie Bahnkurven haben, die sie auf Bereiche der Kathodenplatte 24 auftreffen lassen, in denen ein merklicher Aufbau zerstäubten Kathodenmaterials — wie etwa am Grunde der Kathodeneinkerbungen — vorhanden ist. Diese Ionen werden daher in dem abgelagerten Material eingeschlossen und nachfolgend mit zusätzlichem zerstäubtem Kathodenmaterial bedeckt. Diese Mechamismus des Einschließens und Bedeckens bringt die erhöhte Pumpgeschwindigkeit für Edelgase mit sich und ermöglicht die Ausschaltung der Argon-Instabilität, die bei den bekannten flachen Kathodenplatten auftritt.

Bringt man die Kathodenstäbe 31 in guten Wärmekontakt mit der Kathodengrundplatte 24, so ergibt sich eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Anordnungen, bei denen die Stäbe 31 in einem Rahmen lediglich an den Enden der Stäbe gehalten sind. Durch diese höhere Wärmeleitfähigkeit der Kathodenstäbe läßt sich die durch Ionenbeschuß der Stäbe 31 hervorgerufene Wärme an die Grundplatte 24 und von da zu dem Pumpenbehälter 16 leiten, von dem sie abgeführt oder abgestrahlt werden kann. Wenn die Temperatur der Kathodenstäbe 31 zu groß wird, werden die in dem Kathodenmaterial eingeschlossenen bzw. überdeckten Gase ausgetrieben und ergeben einen schädlichen Einfluß auf die Güte der Pumpeigenschaften der Pumpe. Bei übermäßiger Erhitzung der Kathodenstäbe 31 kann zusätzlich eine Formänderung auftreten, wodurch die vorstehend erwähnte bevorzugte Kathodengeometrie zerstört wird und folglich ein schädlicher Einfluß auf die Pumpwirkung der mit Nuten versehenen Kathode auftritt. Durch feste Verbindung der Kathodenstäbe 31 mit dem Kathodenbasisteil 24 längs der angrenzenden Kantenbereiche wird daher zugleich die mechanische Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Kathodenstäbe gegenüber den bekannten, in einem Rahmen gefaßten Kathodenstäben erhöht. Wenn die Kathodenstäbe durch Fräsen hergestellt sind, so ist die Herstellung der Kathodenplatten außerdem leichter, als wenn die einzelnen Kathodenstäbe mit ihren Enden in einen Rahmenteil eingefügt werden.

In den F i g. 6 und 7 ist eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung gezeigt, bei der die Zerstäubungskathode eine mit geraden Nuten versehene Kathodenplatte 34 bildet. Die Dicke der mit Nuten versehenen Kathodenplatte ist in gewissen Bereichen erhöht, indem Teile der nicht mit Schlitzen versehenen Kathodenfläche breite, vorstehende Leisten 35 bilden. Diese Leisten 35 sind im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der magnetisch begrenzten Glimmentladungssäulen angeordnet (in F i g. 7 nicht dargestellt), wodurch dickere Gebiete der Kathodenplatte geschaffen sind, um den starken Ionenbeschuß an diesen Stellen aufzunehmen und dadurch die Lebensdauer der Kathode im Vergleich zu einer

Kathode, bei der die mit Nuten versehenen Bereiche der Kathode dem intensiven Ionenbeschuß ausgesetzt sind, zu vergrößern. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel sind die Leisten 35 bzw. Gebiete mit größerer Dicke der Kathodenstruktur etwa 3 mm breit, wenn Anodenzellen verwendet sind, die einen Durchmesser d der einzelnen Zelle von etwa 15 mm aufweisen. Die Breite w der nicht mit Nuten versehenen Kathodenleiste 35 ist also angenähert 25·/» des typischen Anodenzellendurchmessers d. Die dickeren Kathodenleisten 35 erstrecken kich quer zu dem Teil 34 der mit Nuten versehenen Kathode und ergeben daher eine größere mechanische Festigkeit und eine höhere Wärmeleitfähigkeit der Kathodenstruktur im Vergleich zu solchen mit Nuten Verⁱ sehenen Kathoden, bei denen die Stäbe 31 gleichmäßig verteilt sind.

F i g. 8 zeigt eine abgeänderte Ausbildungsart, bei der die mit Nuten versehene Kathodenplatte der Zerstäubungskathode mit festen Einsatzstücken versehen ist, die die Bereiche größerer Kathodendicke bilden. Die Kathodeneinsatzstücke 36 liegen im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der Glimmentladungssäulen, die durch die nicht dargestellte Zellenanode 17 erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Ausbildungsart sind die Einsatzstücke 36 durch in der mit Nuten versehenen Kathodenplatte 34 vorgesehene passende öffnungen, z. B. Bohrungen, eingedrückt. Die Einsatzstücke 36 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Kathodenbasisteil 34. Die Einsatzstücke 36 haben im wesentlichen die gleiche Wirkung wie die vorher beschriebenen Kathodenleisten 35 gemäß F i g. 6 und 7, nämlich die Lebensdauer der Kathode zu erhöhen, indem zusätzliches Kathodenmaterial an den Stellen maximalen Ionenbeschusses vorgesehen ist. Die Kathodeneinsatzstück 36 dienen auch zum Erhöhen der Wärmeleitfähigkeit der unter starkem Beschuß stehenden Bereiche der Kathode zur Grundplatte 34 und führen zu einer vergrößerten mechanischen Festigkeit der Kathodenplatte 34.

In F i g. 9 ist eine weitere Ausführungsart gezeigt, bei der eine ionendurchlässige Zerstäubungskathode mit Gitterstruktur 37 Bereiche aus dickerem Kathodenmaterial aufweist, die durch ionenundurchlässige feste Einsatzstücke 38 gebildet sind. Die Einsatzstücke der ionendurchlässigen Zerstäubungskathode liegen im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der Glimmentladungssäulen, die durch die öffnungen in der nicht dargestellten Zellenanode 17 erzeugt werden. Die ionendurchlässige Zerstäubungskathode wird mit einem negativen Potential betrieben als die obenerwähnte Anode 17 und unterliegt dem Ionenbeschuß durch Ionen, welche durch die magnetisch begrenzte Glimmentladung erzeugt werden. Das von dem Gitter 37 zerstäubte Kathodenmaterial wird an bestimmten inneren Bereichen des Gitters 37 und ebenfalls auf der Kathodenplatte 39 gesammelt, die gegenüberliegend zur Anode 17 in bezug auf das Gitter 37 im Abstand angeordnet ist. Wie bei den vorbeschriebenen, mit Nuten versehenen Kathodenausführungsarten unterliegt das ionendurchlässige Zerstäubungsfanggitter 37 einem intensiven Ionenbeschuß in Gebieten, die in Fluchtung mit den Zentren der getrennten Glimmentladungssäulen liegen. Die festen Einsatzstücke 38, die aus demselben Material wie das Zerstäubungsfanggitter 37, etwa aus Titan, Zirkon, Chrom oder Gadolinium bestehen

können, sollen die Lebensdauer des Zerstäubungsfanggitters 37 durch die Bereitstellung zusätzlichen Kathodenmaterials an Stellen maximalen Ionenbeschusses und also maximalen Kathodenabbrandes verlängern.

Die Einsatzstücke 38 dienen auch zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit von den Gebieten starken Ionenbeschusses bis zu anderen Bereichen des Gitters 37 und des nicht dargestellten Rahmens zum Halten des Zerstäubungsfanggitters 37. Die Einsatzstücke 38 verleihen dem Gitter 37 auch eine zusätzliche mechanische Festigkeit. Wie bei den vorerwähnten Ausführungsarten ist die mustergültige Querabmessung des Einsatzstückes 38 etwa 25% der Querabmessung oder des Durchmessers d des Zellenabteiles der nicht dargestellten Anode 17.

In Fig. 10 ist eine abgeänderte Ausführungsart der ionendurchlässigen Zerstäubungskathode mit Gitterstruktur gemäß Fig. 9 dargestellt. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 10 weist das ionendurchlässige Zerstäubungsfanggitter 41 einen Bereich erhöhter Dicke auf, der eine feste Leiste 42 des ionendurchlässigen Zerstäubungsfanggitters 41 bildet. Die Breite der Leiste 42, die den Bereich höherer Dicke bildet, ist vorzugsweise in der Größe von 25% des Durchmessers des jeweiligen Zellenanodenbereiches (nicht dargestellt). Die feste Leiste 42 des Gitters 41 liegt wie bei den vorerwähnten Ausführungsarten im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der Zellenanodenbereiche, um den starken lonenbeschuß aufzunehmen. Die Leiste 42 stellt zusätzliches Kathodenmaterial zum Zerstäuben in den Bereichen großen Ionenbeschusses bereit und erhöht daher die Lebensdauer des Zerstäubungsfanggitters 41.

Die Leiste 42 bringt auch noch eine zusätzliche Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit des Zerstäubungsfanggitters 41 mit sich, wodurch das Betriebsverhalten des mit Leisten versehenen Zerstäubungsfanggitters 41 gegenüber einem gleichmäßig geschützen Gitter vergrößert ist.

In Fig. 11 ist eine weitere abgeänderte Ausführungsart der Erfindung dargestellt. Im einzelnen ist das ionendurchlässige geschütze Zerstäubungsfanggitter 43 mit vergrößerten Öffnungen versehen, etwa durch Entfernen einer gewissen Anzahl aneinandergrenzender Kathodenstäbe. Die Bereiche, an denen die Stäbe fortgenommen worden sind, liegen im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der Glimmentladungssäulen, die in den Öffnungen in der nicht dargestellten ZelIenanode 17 erzeugt werden. Die Kathodenplatte 39 trägt eine feste Leiste 44, die auf dieser fest aufliegt und im wesentlichen in Dekkung mit der Öffnung in dem Gitter 43 angeordnet ist. Die Leiste 44 und die Kathodenplatte 39 sind im Abstand von dem Gitter 43 und auf der von der Anode 17 entfernten Seite des Gitters angeordnet, um den starken lonenbeschuß aufzunehmen. Die Kathodenleiste 44 ist vorzugsweise in guter Wärmeberührung mit der Kathodenplatte 39, etwa aus dieser herausgefräst oder auf diese aufgelötet oder aufgeschweißt. Wie bei dem vorstehenden Beispiel ist die Breite der Leiste 24 im wesentlichen gleich der Breite der vergrößerten Öffnung in dem Zerstäubungsfanggitter 43, die wiederum annähernd 25% der Querabmessungen der Zellenöffnungen in der nicht dargestellten Anode 17 beträgt.

Die Lebensdauer des ionendurchlässigen Zerstäubungsfanggatters 43 ist im Vergleich zu den gleich-

mäßig geschlitzten ionendurchlässigen Zerstäubungsfanggattern wesentlich vergrößert, da der starke lonenbeschuß nicht auf die verhältnismäßig dünnen und empfindlichen Stäbe des Zerstäubungsfanggitters 43 auftrifft, sondern auf die die dickeren Bereiche des Kathodenaufbaues bildenden Leisten 44. Eine solche Leiste 44 gewährleistet eine größere Wärmeleitfähigkeit für die beim intensiven lonenbeschuß freigesetzte Wärmeenergie und trägt dazu bei, diese ίο unmittelbar zum Pumpenbehälter 16 zu leiten, von wo sie abgeführt oder abgestrahlt werden kann. Die Leiste 44 bringt auch eine zusätzliche mechanische Festigkeit der Kathodenplatte 39 mit sich und vergrößert die Zerstäubung des Kathodenmaterials auf das Zerstäubungsfanggitter 43, wo das zerstäubte Material die damit in Berührung kommenden Gasmoleküle einschließt. Das Gitter 43 und die Leiste 44 können aus irgendeinem passenden Kathodenmaterial angefertigt sein, z. B. aus den bereits obenerwähnten Stoffen, und sind vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Kathodenplatte 39 gefertigt.

In Fig. 12 ist eine abgeänderte Ausführungsart der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsart ist der in Fig. 11 dargestellten ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Kathodenleiste44 in Fig. 11 durch im Abstand angeordnete Teile 45 ersetzt ist. Die Teile 45 sind aus dem gleichen Material wie die gerade beschriebene Leiste 44 und sind vorzugsweise in gutem Wärmekontakt mit der Kathodenplatte 39. Die Kathodenklötze 45 sind im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der getrennten Glimmentladungssäulen angeordnet, die durch die dichtgruppierten Öffnungen in der Zellenanode 17 erzeugt werden (nicht dargestellt). Die Klötze 45 nehmen wie bei der Ausführung gemäß Fig. 11 einen starken lonenbeschuß auf und erhöhen daher die Lebensdauer der Kathode, vergrößern die Wärmeleitfähigkeit von den Bereichen intensiven Beschusses zu der Kathodenplatte 39 und verbessern das Zerstäuben des Kathodenmaterials von den Klötzen auf das Gitter 43.

In den Fig. 13 bis 15 ist eine andere Ausführungsart gemäß der Erfindung dargestellt. Das Zerstäubungsfanggitter ist durch Befestigen eines oder mehrerer Spiralbänder 46 auf einer Kathodenplatte 47 gebildet, z. B. durch Punktschweißen oder Vakuumlöten. Im Zentrum jeder Spiralwindung 46 ist ein Klotz 48 angeordnet. Der Klotz 48 und das Band 46 sind aus einem passenden Kathodenmaterial angefertigt, etwa aus einem der bereits obengenannten Stoffe. Das Band 46 und der Klotz 48 sind in gutem Wärmekontakt mit der Kathodenplatte 47. Der Klotz 48 kann mit Preßsitz in eine in der Kathodenplatte 47 vorgesehene Öffnung eingepreßt sein.
Die Klötze 48 sind im wesentlichen in Fluchtung mit den Achsen der Glimmentladungssäulen, die durch die Öffnungen in der Zellenanode 17 erzeugt sind, angeordnet und nehmen den intensiven lonenbeschuß auf, um so die Lebensdauer der mit Nuten versehenen Kathode durch Erhöhen der Dicke des KathodenmateriaIs in den Gebieten intensiven Ionenbeschusses zu vergrößern. Bei dieser Ausführungsart ist das Spiralband 46 vorzugsweise aus einem federähnlichen Material hergestellt, und das Innenende der Spirale ist körperlich mit dem zentralen Klotz 48 verbunden, etwa durch Vernieten, Punktschweißen oder Verlöten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Konstruktion gemäß den Fig. 13 und 14 sind die oberen

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Claims (10)

freien Kantenbereiche 49 der Spiralrippen, die durch das Band 46 gebildet sind, radial nach außen um einen angemessenen Winkel zwischen 5 und 25° in bezug auf die Normale zur Platte 47 deformiert, wie in F i g. 15 gezeigt ist, wodurch die Pumpwirkung der mit Nuten versehenen Kathode vergrößert wird. Eine solche Deformation des Spiralbandes 46 stellt eine dem Optimum angenäherte Konfiguration dar, die eine verbesserte Zerstäubung und ein besseres Einschließen der Ionen in Bezirken ermöglicht, bei denen ein deutlicher Aufbau zerstäubten Materials innerhalb des Kathodenaufbaues auftritt, so daß die Pumpgeschwindigkeit der Kathodenstruktur für Edelgase optimal ist. In den Fig. 16 und 17 ist eine andere Ausfiihrungsart gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsart ist die Zerstäubungskathode durch Verlöten oder Verschweißen im Vakuum von einem oder mehreren aus Metallpulver gepreßten Teilen 50, z. B. aus Titan, mit der Kathodengrundplatte 51, die z. B. auch aus Titan besteht, gefertigt. Der gepreßte Metallteil 50 kann aus reinem pulverisiertem Titan hergestellt sein, das unter Druck in eine passende Form gebracht ist, z. B. mit einer Vielzahl von konzentrisch angeordneten Stegen 52 und mit einem in der Mitte angeordneten Klotz 53. Der Klotz 53 liegt in Fluchtung mit der Achse einer Glimmentladungssäule, die durch die Öffnungen der Zellenanode 17 erzeugt wird (nicht dargestellt). Der Klotz 53 nimmt den intensiven lonenbeschuß auf, und wie bei den vorerwähnten Ausführungsarten ist auf Grund der festen Konstruktion zusätzliches Material in den Gebieten maximalen Ionenbeschusses zur Vergrößerung der Lebensdauer der mit Nuten versehenen Zerstäubungskathode vorhanden. Patentansprüche:

1. Elektrodenanordnung für mit Kathodenzerstäubung arbeitende Ionenvakuumpumpen und für Vakuummanometer des Penning-Typs, bei der die unter dem Einfluß der auftreffenden Ionen zerstäubende Kathode gitterförmig oder mit eingeschnittenen Nuten ausgebildet ist und Oberflächenbereiche aufweist, die nur streifende Einfallswinkel mit den auftreffenden Ionen bilden, und andere Oberflächenbereiche, die steile Einfallswinkel mit denselben bilden und daher einem unterschiedlichen Abbrand unterliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen- oder Gitterstruktur der Kathode an den Stellen intensiveren Abbrandes dichter ausgebildet ist als an den Stellen geringeren Abbrandes.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode zu beiden Seiten von Bereichen relativ breiter Rippen oder Stäbe aus einer Vielzahl im Abstand von-

einander angeordneter relativ dünner Rippen oder Stäbe bestehende Bereiche aufweist.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche relativ breiter Rippen oder Stäbe in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß die Breite der breiten Rippen oder Stäbe etwa 20 bis 50% des Abstandes dieser Rippen oder Stäbe voneinander bildet.

4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den aus den dünnen Rippen oder Stäben bestehenden Bereichen massive Leisten oder massive Klötze angeordnet sind.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche dichterer Rippenoder Gitterstruktur in Verlängerung der Zellenachsen der zellenförmig ausgebildeten Anoden liegen.

6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterförmig ausgebildete Kathode im Bereich der stärksten Ionenentiadung eine Gitteröffnung aufweist, die durch Gitterstreben größeren Abstandes als an den anderen Stellen der Kathode gebildet wird, und in bzw. hinter der größeren Gitteröffnung breitere, auf einer Grundplatte angeordnete Klötze oder Leisten angeordnet sind.

7. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einer an einer Grundplatte innig befestigten durch Stäbe oder Leisten gebildeten Gitteranordnung besteht.

8. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem von konzentrischen Rippen oder einer spiralförmigen Rippe umgebenen breiteren Klotz besteht.

9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl breiterer Klötze in regelmäßigem Abstand voneinander in dem Zwischenraum zwischen je zwei Gruppen eng nebeneinander angeordneter dünner Längsstreifen angeordnet ist.

10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung durch Aufsintern von Metallpulver auf eine Grundplatte hergestellt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 141 377;
USA.-Patentschriften Nr. 2 663 811, 2 937 301,
302, 2937 304.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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