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Ionen-Getter-Pumpe Die Erfindung betrifft eine als Ionen-Getter-Pumpe
bekannte Pumpe, in der die Kathode einer wabenartig in Zellen aufgeteilten Anode
an den offenen Zellenseiten zugeordnet ist, vorzugsweise Ionen-Getter-Zerstäubungspurnpe
mit einer Kathode, die das Gettermaterial enthält. In der bevorzugten Ausführung
wird das Gas durch das Gettermaterial, das von der Kathode zerstäubt wird, gebunden.
Eine andere bekannte Möglichkeit ist die Anwendung des Gettermaterials durch Verdampfung.
Die genannten Pumpen besitzen ein an die zu evakuierende Apparatur anschließbares
vakuumdichtes, meist aus Metall oder Glas bestehendes Gehäuse, welches eine elektrische
Gasentladungsanordnung enthält. Zur Erhöhung der Pumpleistung ist den bekannten
Anordnungen in der Regel noch ein Magnetfeld derart zugeordnet, daß die Kraftlinien
die Elektroden sowie die Hohlräume in Richtung der Zellenachsen durchsetzen. Dadurch
wird eine Verlängerung der Elektronenwandungswege erzielt, weil diese bekanntlich
unter Beeinflussung mittels eines Magnetfeldes zu Spiralbahnen werden. Die Erhöhung
der Elektronenwege bringt aber gleichzeitig eine Erhöhung der Ionisationswahrscheinlichkeit
und damit der Pumpleistung mit sich.
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Das Wirkungsprinzip der Ionen-Getter-Pumpen beruht bekanntlich darauf,
daß die aus der Kathode austretenden Elektronen, die durch ein elektrisches Feld
beschleunigt werden, beim Zusammenstoß mit Gasteilchen diese ionisieren und daß
dann die Ionen durch Gettermaterial gebunden werden. Die entstehenden positiven
Gasionen werden bei den Ionen-Getter-Zerstäubungspumpen auf die Kathode zu beschleunigt
und werden bei ihrem Aufschlagen auf der Kathode zum einen Teil absorbiert, zum
anderen Teil lösen sie Teilchen des Kathodenmaterials ab. Dabei bilden die Ionen
mit diesen Teilchen bzw. den Kathodenmaterialien eine feste Verbindung und verschwinden
dadurch aus dem Gasraum. Die eigentliche Pumpwirkung besteht also in der elektrisch
eingeleiteten Ionisation der Gasteilchen und der darauffolgenden Absorption und
Verbindungsbildung zwischen den Ionen und dem Kathodenmaterial, sie ist also im
Endeffekt eine Getterung.
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Die bekannten Ionen-Getter-Pumpen können erst benutzt werden, wenn
in der zu evakuierenden Apparatur bereits ein Vakuum von mindestens 10J2 bis 10-3
Torr herrscht.
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Zur Erzeugung des Vorvakuums sind aber bei allen bekannten Pumpen
mechanische Pumpen, etwa rotierende Vorpumpen und unter Umständen zusätzlich noch
eine Diffusionspumpe notwendig, um das zu evakuierende Gefäß für den Einsatz der
Ionen-Getter-Pumpe vorzubereiten. Dies ist aber nachteilig, weil diese Vorpumpen
wegen ihres Aufbaues nur in bestimmter räumlicher Lage betriebsfähig sind und die
Anbringung in dieser Lage, insbesondere bei beweglichen Vakuumapparaturen, etwa
einer in verschiedenen räumlichen Lagen zur Anwendung gelangenden Elektronenbeschleunigungseinrichtung,
Schwierigkeiten bereitet. Nach einer vorbekannten Regel sollen die Zellen der Anoden
zur Erzielung optimaler Pumpwirkung eine lichte Weite haben, die bei größerer Stärke
des an die Zellen angelegten axialen Magnetfeldes kleiner sein soll als bei kleinerem
Magnetfeld. Das Vorvakuum ist dabei aber nicht erwähnt.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, Ionen-Getter-Pumpen
zu schaffen, die auch bei höheren Drücken einsatzfähig sind. Sie geht dabei davon
aus, daß die Pumpwirkung einer Ionen-Getter-Pumpe abhängig ist von Spannung und
Stromstärke der Entladung sowie von den geometrischen Abmessungen der Entladungsräume.
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Erfindungsgemäß ist daher eine Ionen-Getter-Pumpe, in der die Kathode
einer wabenartig in Zellen aufgeteilten Anode an den offenen Zellenseiten zugeordnet
ist, vorzugsweise Ionen-Getter-Zerstäubungspumpe mit einer Kathode, die das Gettermaterial
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode nebeneinander Zellen mit unterschiedlicher
lichter Weite enthält, die derart bemessen sind, daß sie zur Druckerniedrigung bei
verschiedenen Ausgangsdrücken wirksam sind, wobei die lichte Weite der Zellen für
höhere Ausgangsdrücke kleiner ist als diejenige der
bei niedrigeren
Drücken wirksamen Zellen. Dadurch wird es möglich, den Einsatzbereich der Ionen-Getter-Pumpen
so weit zu erweitern, daß man. sie schon bei einem Druck von etwa 1 Torr einsetzen
kann. Es ist dabei nicht mehr notwendig, eine Vorpumpe mit der Vakuumapparatur baulich
zu vereinigen, weil es wegen des höheren Druckes genügt, wenn eine unabhängig aufgestellte
Pumpe benutzt wird, die über einen Schlauch mit der Apparatur verbunden ist.
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Die Zellen kleinerer lichter Weite sind bei höheren Drücken besonders
wirksam, wenn sie in größerer Anzahl vorgesehen sind als die Zellen für niedrige
Ausgangsdrücke. Die größere Anzahl kleiner Zellen ergibt nämlich eine größere Absorptionsfläche,
durch welche die Pumpgeschwindigkeit bei dem höheren Druck zur Beseitigung der anfallenden
größeren Gasmenge erhöht wird. Bei niedrigeren Drücken erlischt in ihnen die Entladung,
weil die wegen der Abmessungen möglichen Ionisationswege für diese Drücke zu klein
sind. Die großen Zellen dagegen sind nur bei kleinen Drücken wirksam, weil dann
die Ionisationswege der vorhandenen Anzahl von Gasteilchen angepaßt sind.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Pumpe beruht außerdem auch darauf,
daß die Gasaufzehrung einer Gasentladung mit der Dichte des auf die Kathode treffenden
Ionenstrahles wächst. Um eine besonders hohe Wirksamkeit der Entladung zu erzielen,
muß also dafür gesorgt werden, daß die Auftrefffläche der Ionen auf der Kathode
möglichst klein gehalten wird. Die Ionenentladung soll sich zur Kathode hin näherungsweise
auf einen Punkt oder mindestens auf eine möglichst kleine Fläche zusammenschnüren,
so daß infolge starker Energiekonzentration eine die Verbindungsbildung begünstigende
hohe Temperatur und damit hohe Pumpwirkung erhalten wird.
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Die Auftrefffläche der Ionen auf der Kathode ist hauptsächlich vom
Druck im Entladungsraum und von den Abmessungen der Elektroden abhängig. In guter
Näherung kann man damit rechnen, daß vergleichbare Entladungsformen erzielt werden,
wenn bei einer rohrförmigen Anode das Produkt aus Druck und Durchmesser des Anodenrohres
konstant ist. Dies bedeutet, daß der günstigste Anodendurchmesser bzw. Anodenquerschnitt,
also die lichte Weite der Anodenzellen für eine Ionen-Getter-Pumpe, abhängig ist
vom Entladungsdruck, bei dem sie arbeiten soll. Bei hohen Drücken wird daher auch
aus diesem Grund mit Zellen kleiner lichter Weite und bei niedrigen Drücken mit
Zellen großer lichter Weite gute Pumpleistung erhalten.
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Die geometrischen Größenverhältnisse bei den bekannten Ionen-Getter-Pumpen
wurden zur Erzielung guter Entladung und Einschnürung so ausgewählt, ; daß die Länge
des Entladungshohlraumes das 1- bis 4fache des Abstandes einander gegenüberliegender
Wände der Zellen beträgt. Auch bei der Erfindung ist es daher vorteilhaft, diese
Abmessungen einzuhalten. i Die Zellenunterteilung der Anode wird z. B. in bekannter
Weise dadurch erhalten, daß die Zellen in einem Blechrahmen durch Blechstreifen
abgeteilt werden. Die Unterteilung ist aber auch durch Einbohren von Löchern in
eine Metallplatte erzielbar. t Solche Anoden besitzen gegenüber den vorgenannten
bessere Wärmeableitfähigkeit. Bei hohen Drücken besonders wirksame kleine Zellen
sind solche, die als einseitig offene Vertiefungen ausgebildet sind. Diesen Zellen
ist nur an der offenen Seite, also nur einseitig, eine Kathode zugeordnet. In diesen
Zellen ist der Ionisationsweg gegenüber Zellen mit zweiseitig zugeordneten Kathoden
verringert und damit der Entladungsdruck erhöht, weil Schwingungen der Elektronen
zwischen den sonst vorhandenen zwei Kathodenplatten vermieden sind.
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Bei der erfindungsgemäß zu benutzenden Einrichtung, bei welcher die
Anode aus Zellen unterschiedlicher lichter Weite besteht, kann man nach den obigen
Ausführungen ohne besondere Schaltmittel auskommen, weil die wirksame Entladung
von den engen Zellen auf die weiten Zellen selbständig übergreift. Dies beruht einfach
darauf, daß die physikalischen Entladungsbedingungen in verschieden weiten Räumen
vom Druck abhängen. Bei geeigneter Dimensionierung kann also eine Entladungseinrichtung
geschaffen werden, die ohne Zusatz besonderer Schaltmittel eine Apparatur bzw. ein
Gefäß vollständig evakuieren kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Pumpe
Zellen von 1 bis 200 mm2 lichter Weite vereinigt. Die Abstufung kann dabei auch
gruppenweise in Sprüngen erfolgen, wobei sich die lichten Weiten z. B. wie 1:2 oder
1:4 verhalten. Das zahlenmäßige Verhältnis der kleinen Zellen zu den großen Zellen
liegt etwa in der Größenordnung von 100:1, weil bei den kleinen Zellen mehr Entladungen
notwendig sind, um die bei dem höheren Druck vorhandene größere Gasmenge durch eine
Mehrzahl von Entladungen zu entfernen.
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Man kann aber die Entladung auch so gestalten, daß sie bei weiten
Zellen und bei engen Zellen willkürlich einschaltbar ist. Dies geschieht etwa durch
Anwendung verschiedener Spannungen bei den Kathoden, welche den Zellen unterschiedlicher
Größe zugeordnet sind, indem etwa die Kathode entsprechend ihrer Zuordnung zu den
verschieden großen Anodenzellen in einzelne Teile zerlegt ist, die besondere Zuleitungen
für die Spannung besitzen.
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Die unterschiedliche Spannung kann etwa durch Vorwiderstände erhalten
werden, wenn nur eine Spannungsquelle benutzt werden soll. Es ist aber auch möglich,
daß einzelne Kathoden ganz abgeschaltet werden. Dies ergibt den Vorteil, daß die
Zellen verschiedener lichter Weiten auch gesondert verwendet werden können, z. B.
wenn nur ein geringes Vakuum notwendig ist.
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Die Anode der Pumpanordnung kann aus einem einheitlichen Wabenkörper
mit unterschiedlich großen Zellen bestehen, so daß die Pumpe für einen sehr großen
Druckbereich anwendbar ist. Die Gesamtanordnung kann aber auch aus einzelnen Wabenkörpern
aufgebaut sein, die in einem oder auch in mehreren dichten Gehäusen untergebracht
sind. Die Gehäuse können untereinander mit einer Leitung, die ihrerseits an die
zu evakuierende Apparatur angeschlossen ist, verbunden sein. Sie können aber auch
in der Form unabhängiger Pumpen selbständig an die zu evakuierende Apparatur angeschlossen
werden. Dies ergibt die Möglichkeit, beispielsweise eine Pumpe mit engen Waben bei
hohen Drücken selbständig zu betreiben, sofern kein hohes Vakuum benötigt wird.
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Auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Ionen-Getter-Pumpe
ist die Anwendung eines Magnetfeldes möglich und vorteilhaft. Da die Erhöhung der
Wanderungswege der Elektronen, insbesondere
bei niedrigen Drücken,
besonders vorteilhaft ist, kann bei der Pumpe nach der Erfindung auf die Erstreckung
des Magnetfeldes auf die kleinen, insbesondere bei hohen Drücken wirksamen Zellen
verzichtet werden. Dabei ist es aber auch möglich, entsprechend der Abstufung der
lichten Weiten ein abgestuftes Magnetfeld zu benutzen.
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Nachfolgend werden im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung weitere
Einzelheiten der Pumpe nach der Erfindung geschildert. Die Zeichnung enthält in
F i g. 1 die schematische Darstellung einer beispielsweisen Ausführung der Erfindung,
bei welcher die dem Beschauer zugewandte Kathodenplatte und der ebenfalls an dieser
Seite liegende Magnetpol teilweise abgebrochen sind, damit die Wabenverteilung der
Anode sichtbar wird, in F i g. 2 die Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Ausführung,
bei welcher die den Waben unterschiedlicher lichter Weite zugeordneten Kathoden
voneinander unabhängig an Spannung gelegt werden können, in F i g. 3 die Schnittzeichnung
durch eine Ausgestaltung, bei welcher nur den Zellen mit größerer lichter Weite
ein Magnetfeld zugeordnet ist, in F i g. 4 eine Anordnung, bei welcher die Zellen
mit kleiner lichter Weite quer zu denjenigen mit größerer lichter Weite liegen und
nur einseitig offene Vertiefungen sind, denen an der Öffnung die Kathode vorgelagert
ist, und in F i g. 5 die schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher die
Anodenteile mit Zellen unterschiedlicher lichter Weite in voneinander getrennten
Gehäusen untergebracht sind.
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Bei der in der F i g. 1 dargestellten Ionen-Getter-Pumpe sind die
beiden Kathodenplatten 1 und 2 in dem Glaskolben 3 untergebracht. Der Glaskolben
3 wird mit seinem Anschlußstutzen 4 an die nicht dargestellte Hochvakuumapparatur
angeschmolzen. Die Anode 5 besteht aus einem aus 1,5 cm breitem Blech gebogenen
rechteckigen Rahmen, in welchem durch weitere Bleche unterschiedlich große Fächer
abgeteilt sind. Zu beiden Seiten der Kathodenplatten 1 und 2 sind der Anordnung
von außerhalb des Glaskolbens 3 her die beiden Pole 6 und 7 des Magneten 8 zugeordnet,
dessen Feldstärke 800 Gauß beträgt. Durch die Gleichspannungsquelle 9 wird zwischen
den Kathodenplatten 1 und 2 und der Anode 5 eine Spannung von 3000 V aufrechterhalten.
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Die Anode ist durch das Einbringen der Blechunterteilung in drei Gruppen
10, 11 und 12 verschieden großer Zellen unterteilt, deren der übersichtlichkeit
halber in der Zeichnung nur angedeutete Anzahlen sich wie 1:10:100 und deren lichte
Weiten sich wie 1:4:8 zueinander verhalten. Daran ist die Gruppe 10 mit einer
lichten Weite von 16 mm2, die die Gruppe 11 mit einer solchen von 64 mm- und die
Gruppe 12 mit einer solchen von 254 mm2 beteiligt.
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Die Darstellung in der F i g. 2 umfaßt lediglich einen schematischen
Querschnitt durch eine Anode 13 und die Kathodenplatten 14 bzw. 14', 15 bzw.15',
16 bzw. 16'. Die Gleichstromquelle 17 ist über die Leitung 18 mit der Anode 13 und
über die Leitung 19 mit den Kathodenplatten 14-14', 15-15' und 16-16' verbunden.
Zur Einschaltung der Spannung der Kathodenplatten gegenüber der Anode 13 sind zwischen
der jeweiligen Verbindung zwischen der Kathodenplatte und der Stromquelle 17 die
Schalter 20, 21 und 22 vorgesehen; damit wird die gleiche Wirkung wie bei der Anordnung
nach F i g. 1 erhalten, d. h., beim Evakuieren schalten sich automatisch die Zellen
kleinerer lichter Weite aus, und diejenigen großer lichter Weite werden wirksam.
Bei dieser Ausführung kann aber durch entsprechende Einschaltung bei höherem Druck
in den kleineren Zellen die Entladung aufrechterhalten, in den großen Zellen aber
eine bei diesem Druck für den Pumpvorgang wirkungslose, aber stromverbrauchende
Entladung vermieden werden. Auch bei dieser Ausführung kann den Kathodenplatten
ein nicht dargestelltes Magnetfeld zugeordnet werden.
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In der F i g. 3 ist im Querschnitt eine Elektrodenanordnung gezeichnet,
bei welcher die Anode mit 23 bezeichnet ist und die Kathode mit 24. Die Anode 23
ist ein Metallblock, der an einer seiner Stirnseiten einen Einschnitt 25 besitzt.
Die verschieden großen Zellen sind durch Einbohren von Löchern erhalten. Senkrecht
zu dem Einschnitt sind die kleineren Zellen als Löcher eingebohrt, so daß bei jedem
Durchbohren jeweils zwei Zellen erhalten werden. Zur Ausnutzung dieser Anordnung
ist die Kathode an der Stelle, die dem Einschnitt 25 benachbart ist, mit einer Ausbuchtung
versehen, welche in den Einschnitt 25 paßt, ohne die Anode 23 zu berühren. Um das
Verhältnis des Kathodenabstandes zur lichten Weite der Zellen klein zu halten, ist
der Abstand der Kathode 24 von den kleinen Zellen kleiner gehalten als derjenige
bei den großen Zellen. Auch hier sind die Anode und die Kathode mit einer Gleichstromquelle
26 verbunden. Außerdem sind den größeren Zellen der Anode die beiden Pole 27 und
28 eines Magneten zugeordnet.
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Durch die Benutzung eines kompakten Metallkörpers als Grundkörper
der Anode 23 und durch die Verwendung runder Bohrlöcher als Zellen ist wegen der
größeren Querschnitte der stehenbleibenden Wände eine bessere Wärmeableitung erzielt.
Dies ist wichtig, weil bei der Entladung eine Erwärmung auftritt. Durch die Anbringung
der kleineren Zellen an der mit dem nutartigen Einschnitt 25 versehenen Stirnfläche
der Anode 23 ist es möglich, eine Mehrzahl dieser kleinen Zellen im Vergleich zu
der Einrichtung nach F i g. 1 und 2 auf dem gleichen Raum unterzubringen. Durch
die Ausbildung der Kathodenplatten als im wesentlichen U-förmig die Anode 23 umhüllende
Platte werden Nebenentladungen zwischen Anode 23 und Kathode 24 vermieden. Dadurch
werden die Entladungen auf die Bereiche beschränkt, die in den Zellen liegen und
einen punktförmigen Aufschlag der Ionen auf der Kathode 24 bewirken.
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Bei der in schematischem Schnitt dargestellten Ausführung in F i g.
4 sind die Zellen kleinerer lichter Weite 29 senkrecht zu den Zellen größerer lichter
Weite 30 angeordnet. Die kleineren Zellen stehen nur einseitig der U-förmig die
Anode 31 umgebenden Kathode 32 an ihrem U-Steg gegenüber. Die Anbringung der kleinen
Zellen 29 an der einen Stirnfläche der Anode 31 hat außerdem den Vorteil einer besseren
Raumausnutzung und bietet überdies eine Gelegenheit, die kleineren Zellen der Wirkung
eines Magnetfeldes bei kleinem Raumaufwand zu entziehen. Analog zu der Ausführung
nach F i g. 3 können in einfacher Weise zu beiden Seiten der Einrichtungen die beiden
Pole eines nicht dargestellten Magneten angeordnet werden. Auch bei dieser Anordnung
ist
eine Stromquelle 33 mit ihrem Pluspol an der Anode 31, mit ihrem Minuspol an der
Kathode 32 angeschlossen.
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Gemäß F i g. 5 ist in dem Glaskolben 34 eine Entladungseinrichtung,
bestehend aus den zwei Kathodenplatten 35, 36 sowie der Anode 37, untergebracht.
Die Anode 37 sowie die beiden Kathodenplatten 35 und 36 sind mit den beiden Polen
der Stromquelle 38 verbunden. Diese Einrichtung ist mit dem Stutzen 39 an das Verbindungsrohr
40 angeschlossen. Das Verbindungsrohr 40 wird seinerseits an seinem Ende 41 mit
der zu evakuierenden Einrichtung verschmolzen. In dem weiteren Glaskolben 42, der
mit seinem Stutzen 43 ebenfalls mit dem Rohr 40 verbunden ist, befindet sich eine
der vorhergehend geschilderten analoge Anordnung in dem Glaskolben 44, der mit seinem
Stutzen 45 mit dem Rohr 40 verbunden ist. In beiden Anordnungen befinden sich jeweils
zwischen den beiden Anodenplatten 46 und 47 sowie 48 und 49 die Anoden 50 bzw. 51.
Die beiden Kathodenplatten 46 und 47 und die Anode 50 sind an die Gleichstromquelle
52 angeschlossen, und den beiden Kathodenplatten 48 und 49 und der Anode 51 mit
der Gleichstromquelle 53 der Anordnung in dem Glaskolben 44 ist weiter noch der
Magnet 54 in der nach in F i g. 1 geschilderten Weise zugeordnet. Die wesentlichen
Unterschiede der drei Anordnungen bestehen in ihren Anoden, und zwar in der Unterteilung
und der Tiefe der Zellen. Die Anode 37 besitzt eine Zellentiefe von $ mm und 200
Zellen mit einer lichten Weite von je 4 mm2, die Anode 50 eine Zellentiefe von 15
mm und 25 Zellen mit einer lichten Weite von je 25 mm2 und die Anode 51 eine Zellentiefe
von 20 mm und 4 Zellen mit je 225 mm2. Bei dieser Anordnung sind also die für die
verschiedenen Drücke wirksamen Entladungseinrichtungsteile räumlich voneinander
getrennt. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Benutzung der einzelnen Pumpanordnungen
unabhängig voneinander.
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Bei Benutzung einer Pumpe mit unabhängig voneinander schaltbaren Teilen
für die verschiedenen Druckbereiche besteht besonders bei Apparaturen, bei denen
ein laufendes Nachlassen des Vakuums eintritt, der Vorteil, daß eine Einstellung
auf die Nachlaßgeschwindigkeit bzw. die Beseitigung einer Vakuumverschlechterung
und dann Umschaltung auf laufende Aufrechterhaltung des Vakuums mit dem Hochvakuumteil
möglich ist.
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Bei Einrichtungen, bei denen eine laufende Verschlechterung des Vakuums
eintritt, bietet eine erfindungsgemäß aufgebaute Pumpanordnung aber einen weiteren
Vorteil. Große Senderöhren z. B. und Elektronenbeschleunigungsröhren, deren Vakuum
nicht gehalten werden kann, werden bekanntlich mit Getter-Pumpen betrieben, um das
Vakuum trotzdem aufrechtzuerhalten. Es ist aber nicht möglich, die Pumpe abzuschalten,
weil sonst in der verschlossenen Röhre eine Erhöhung des Druckes eintritt, die von
den bekannten Getter-Pumpen nicht mehr beseitigt werden kann. Dies ist besonders
mißlich, weil die Mehrzahl der Röhren dieser Art abgeschmolzen und daher nur umständlich
und kostspielig repariert werden können. Andererseits ist aber ein Ausfall der Pumpmittel
immer möglich. Die Größenordnung; in welcher die erfindungsgemäße Pumpe bei höherem
Druck zu arbeiten beginnt, ermöglicht es bei Geräten der vorgenannten Art, auch
in Fällen, in denen es bisher nicht mehr möglich war, noch ohne Reparatur auszukommen.