DE1414569B2 - Ionen-vakuumpumpe - Google Patents

Description

mit

Y(a) =

A =

tanh	\IA
N1-	K

■ /V₁ ■ K (g - 2a)

(g - 2a) ■ b

401,6

für alle Gase und Gasdrucke, die einen Wert von K zwischen '/₂s l/cm · Sek. und 2 l/cm · Sek. ergeben, mindestens 80%, vorzugsweise etwa 95% ihres Maximalwertes als Funktion von α erreicht (F i g. 7).

2. Ionen-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, bei der der gegenseitige Abstand der beiden Kathoden zwischen 29 und 34 mm, insbesondere bei 31,8 mm, liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a zwischen Kathode (22) und Anode (23) zwischen 5 und 8,9 mm liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionen-Vakuumpumpe, bei der durch eine Glimmentladung zwischen einer Anode und einer Kathode die Kathode zur Zerstäubung gelangt und das zerstäubende Kathodenmetall auf einer Auffangfläche aufgefangen wird, unter Anwendung eines die Elektronenbahnen verlängernden Magnetfeldes, wobei gemäß deutschem Bundespatent 1 098 667 die Anode flächenmäßig und/oder raummäßig so unterteilt ist, daß in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes eine Vielzahl getrennter, gleichzeitig auftretender Glimmentladungen sich ausbildet und die Anode zellenförmig ausgebildet ist und aus einer Mehrzahl in Richtung des Magnetfeldes orientierter, nebeneinanderliegender, an ihren Stirnflächen offener Zellen besteht und wobei die zellenförmige Anode zwischen zwei zueinander parallelen Kathodenplatten angeordnet ist.
Bei einer derartigen Ionen-Vakuumpumpe hängt die Pumpgeschwindigkeit unter anderem von der Höhe der Anodenzellen ab, und zwar steigt die Pumpgeschwindigkeit solcher Pumpen in einem bestimmten Bereich im wesentlichen linear mit der Höhe der

ίο Anodenzellen. Wenn jedoch die Höhe der Anodenzellen etwa gleich dem Abstand der beiden Kathodenplatten gewählt wird, so ergibt sich eine gegen Null tendierende Geschwindigkeit, da dann der Strömungswiderstand der Gase in die Pumpflächen im Inneren der Anodenzelle immer größer wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch geeignete Wahl der Abmessungen einer Pumpe der eingangs genannten, dem Hauptpatent entsprechenden Art eine optimale Pumpgeschwindigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei vorgegebenem gegenseitigem Abstand g beider Kathodenplatten vorgegebener Anzahl JV₁ von Anodenzellen pro Längeneinheit und vorgegebener Anodenlänge b sowie bei dem, für das jeweils zu pumpende Gas bei dem jeweils herrschenden Gasdruck ermittelten Wert K, wobei K(g — 2a) die gemessene Pumpgeschwindigkeit einer einzelnen Anodenzelle für das jeweilige Gas und den jeweiligen Gasdruck ist, der Abstand α zwischen einer Kathodenplatte und der Anode so gewählt ist, daß die Funktion Y von a

Y(a) =

tanh \[Ä~

- 2a)

mit

A =

N₁ ■ K_ (g - 2a) ■ b
401.6 a²

für alle Gase und Gasdrucke, die einen Wert von K zwischen '/25 V^cm " Sek. und 2 l/cm · Sek. ergeben, mindestens 80%, vorzugsweise etwa 95% ihres Maximalwertes als Funktion von α erreicht.

Der Wert von K, der aus der Messung der Pumpgeschwindigkeit einer einzelnen Anodenzelle, deren Pumpgeschwindigkeit nicht durch Strömungswiderstände beeinträchtigt ist, gewonnen wird, ist gegenüber einer Variation von α im wesentlichen konstant. Man wird daher so vorgehen, daß zunächst ein etwa passender Wert von α gewählt wird, daß dann die Pumpgeschwindigkeit einer einzelnen Anodenzelle gemessen wird, daß daraus K berechnet wird und daß entsprechend der oben gegebenen Regel der günstige Wertebereich von α ermittelt wird und die Anode darauf gegebenenfalls entsprechend dem ermittelten Wert von α modifiziert wird. Es wurde dabei gefunden, daß der auf diese Weise ermittelte optimale Wertebereich von α durch eine Änderung des Wertes K, die z. B. auf einer Änderung der zu pumpenden Gasart, der an den Elektroden anliegenden Spannung oder des Magnetfeldes beruhen kann, nur wenig beeinflußt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigt:

F i g. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe, teilweise in geschnittener Form,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die in F i g. 1 dargestellte Pumpe, ebenfalls in teilweise geschnittener Form,

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung entsprechend der Schnittlinie 4-4 der Fig. 1,

F i g. 4 eine grafische Darstellung, die die Abhängigkeit der Pumpgeschwindigkeit pro Längeneinheit der Anode von dem Kathoden-Anoden-Abstand wiedergibt,

F i g. 5 eine grafische Darstellung des in einer Anodenzelle sich ergebenden Strömungsleitwertes in Abhängigkeit vom Kathoden-Anoden-Abstand,

F i g. 6 eine grafische Darstellung der ausnutzbaren Pumpgeschwindigkeit pro Einheit der Anodenlänge in Abhängigkeit des Kathoden-Anoden-Abstandes, wobei ein bestimmter Abstand der Kathodenplatten voneinander vorausgesetzt ist.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 in ihren Einzelheiten dargestellte ionische Vakuumpumpe besteht aus einem Pumpengehäuse 14. Das Gehäuse 14 bildet eine mittlere rechteckige Kammer 15, an die sich zwei nach außen erstreckende kleinere rechteckige Kammern 16 anschließen, wobei die Verbindung der kleineren äußeren Kammern mit der größeren mittleren Kammer 15 über sich in der Längsrichtung erstreckende, an letzterer vorgesehene, öffnungen erfolgt. Das Pumpengehäuse 14 ist durch die Deckelfläche 17 und die Bodenfläche 18, die mit den Seitenflächen des Gehäuses 14 verbunden sind, luftdicht verschlossen.

Ein zylindrischer Pumpstutzen 19 ist an der Deckelfläche 17 vakuumdicht befestigt und umschließt eine öffnung, die den Zutritt zu der mittleren Kammer 15 bildet.

Die Pumpsysteme der Ionen-Vakuumpumpe sind in den beiden kleineren seitlichen Kammern 16 angeordnet. Die Pumpsysteme bestehen aus je zwei parallel und im Abstand voneinander angeordneten Kathodenplatten 22, wobei die Kathode aus reaktionsfähigem Material, wie z. B. Titan, besteht, und die rechteckige, zellenförmig ausgebildete Anode kann ebenfalls aus Titan bestehen. Die zellenförmige Anode 23 ist zwischen den Kathodenplatten 22 an mehreren isolierenden Distanzierstücken 24 befestigt. Die Isolierstücke 24 isolieren die Anode von der Kathodenanordnung und stellen weiterhin den richtigen Abstand zwischen den Kathodenplatten 22 und der zellenförmigen Anode 23 sicher.

Ein Magnetfeld, das eine Stärke zwischen 1000 und 2000 Gauß haben kann, ist senkrecht zur Fläche der Kathodenplatten 22 gerichtet und wird durch mehrere rechteckige Magnete 34 erzeugt.

Im Betrieb wird ein positives Potential, das zwischen 3 und ,10 kV liegen kann, der Anodenanordnung 23-zugeführt. Das Vakuumgehäuse 14 und die Kathodenplatten 22 werden vorzugsweise auf Erdpotential betrieben, so daß keine Gefährdung des Bedienungspersonals sich ergibt. Es ergeben sich bei Anwendung dieser Spannungen intensive elektrische Felder zwischen der zellenförmigen Anode 23 und den Kathodenplatten 22. Dieses elektrische Feld bewirkt einen Durchbruch in dem Gas innerhalb der Pumpe, und 2s bildet sich eine Glimmentladung in der zellenförmig lufgebauten Anode 23 und zwischen der Anode 23 und ien Kathodenplatten 22 aus. Die Glimmentladung iat zur Folge, daß positive Ionen auf die Kathodenmatten 22 getrieben werden und dort reaktives Katholenmaterial losgeschlagen wird, welches in Richtung luf die in der Nähe befindliche Anode 23 zerstäubt und dort gasförmige Moleküle, die mit dem zerstäubenden Material in Berührung kommen, bindet. Es werden auch Atome selbst in den Kathodenplatten eingegraben. Auf diese Weise werden Moleküle aus dem übrigen Vakuumsystem in den Bereich zwischen den Kathodenplatten 22 strömen und dort weggepumpt, wodurch der Druck in dem Pumpengehäuse 14 und den mit demselben verbundenen Teilen des Vakuumsystems erniedrigt wird.

Die Bemessung des magnetischen Luftspaltes ergibt sich aus Ökonomiebetrachtungen und ähnlichen Überlegungen. Die Breite des magnetischen Luftspaltes . bestimmt den Abstand g zwischen den Kathodenplatten 22, da sowohl die Wandstärke des Pumpen- gehäuses 14 als auch die Stärke der Kathodenplatten bei Pumpen, die mit einer Pumpgeschwindigkeit zwischen 1001/Sek. und 50001/Sek. arbeiten, im wesentlichen einheitlich ist, wenn es sich um Pumpen handelt, die bis zur Größenordnung 10~⁹ mm Hg arbeiten. Im allgemeinen ist in diesem Fall die Wandstärke des Pumpengehäuses 14 etwa 3,6 mm, und die Kathodenplatten haben eine Stärke von 2,3 bis 3,5 mm.
Die effektive Pumpgeschwindigkeit S einer Pumpenanordnung, die aus N-Anoden-Zellen besteht, beträgt

S = NS₀, (1)

wobei S₀ die für eine einzelne Zelle maßgebliche Pumpgeschwindigkeit ist. Die Pumpgeschwindigkeit einer Zelle S₀ ist im wesentlichen proportional der Höhe h der Zelle. Dementsprechend besteht die nachfolgende Beziehung

-2a). (2)

In Gleichung (2) ist K abhängig von der Spannung V, dem Magnetfeld B, der Geometrie der Zelle, dem Kathodenmaterial, dem zu entfernenden Gas und dem Druck, wobei α den Kathoden-Anoden-Abstand bezeichnet. Es .kann daher Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:

S = NKh = NK(g - 2a).

Die gesamte Anzahl der Anodenzellen N kann als Produkt der Länge I der Anode mit der Zahl N₁ geschrieben werden, wobei N₁ die Anzahl Zellen pro Längeneinheit ist. In dieser Schreibweise kann Gleichung (3) wie folgt geschrieben werden:

4--w.

K (g - 2a).

Diese Beziehung ist in Fig. 4 dargestellt, die die

Pumpgeschwindigkeit S pro Längeneinheit der Anodenlänge / in Abhängigkeit des Kathoden-Anoden-Abstandes α wiedergibt, wobei angenommen ist, daß der Kathodenabstand g konstant ist. F i g. 4

zeigt eine lineare Beziehung zwischen -j und a.

Es ist indessen nicht möglich, die charakteristische Geschwindigkeit S zu erzielen, da im allgemeinen, wenn die Tiefe der Anodenzellen h zunimmt, der Abstand zwischen der Anode und den Kathodenplatten abnimmt, und dadurch wird der Strömungswiderstand in den Pumpbereich hinein größer, so daß die Geschwindigkeit, mit der Moleküle abgepumpt werden können, gegenüber dem Wert geringer ist, der sich einstellen würde, wenn keine Begrenzung durch die Widerstandszunahme auftreten würde.

Benutzt man statt des Strömungswiderstandes den Strömungsleitwert C in die Anodenzellen hinein, so kann dieser Leitwert durch den Kathoden-Anoden-Zwischenraum hindurch angenähert werden durch einen aus Platten bestehenden Kanal, wobei für Luft der Leitwert für die beiden Kathoden-Anoden-Zwischenräume sich wie folgt ergibt:

C = 2 x 200,8

C = 401,6 4-·
b

In den vorgenannten Gleichungen bedeutet b die Breite der zellenförmig ausgebildeten Anode 23, wie in Fig. 3 dargestellt ist. F i g. 5 zeigt den Leitwert pro Einheit der Anodenlänge / in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Kathode und Anode.

Dividiert man Gleichung (4) durch Gleichung (6), so ergibt sich der nachfolgende Ausdruck:

^N' ^K
401,6

- ^2a)^b

Gleichung (7) gibt nicht die tatsächlich ausnützbare Geschwindigkeit S' der Pumpenanordnung am Eingang des Pumpbezirkes zwischen den beiden Kathoden wieder, weil einige der Zellen der Anode von dem Eintritt in den Pumpraum entfernt liegen. Es wird daher ein größeres Gasvolumen durch die Anodenzellen fließen, welche in der Nähe der Eintrittsöffnung liegen als sich in einem gewissen Abstand von der Eintrittsöffnung ergibt. Berücksichtigt man diese Verteilung der Pumpfähigkeit, so hängt die tatsächlich ausnützbare Geschwindigkeit S' der Pumpenanordnung von der charakteristischen Pumpengeschwindigkeit S der Anordnung in Form der nachfolgenden Gleichung ab:

S'

tanh /^-

Aus Gleichung (8) kann S'durch die Länge / bestimmt werden, indem man die Beziehung benutzt:

S'
I

S' S

I "

Gleichung (9) ergibt sich in Abhängigkeit der Größen a, b, g, N₁ und K. Indem man die Pumpgeschwindigkeit einer einzelnen Zelle, bei der der Widerstand bzw. die Leitfähigkeit nicht ausschlaggebend ist, durch eine Messung bestimmt, unter Zugrundelegen eines bestimmten Wertes g und α und der zugehörigen Parameterwerte, von denen K abhängt, kann K gemäß Gleichung (2) bestimmt werden. Dann kann die ausnützbare Geschwindigkeit S' in Abhängigkeit vom Kathoden Anoden-Abstand α für bestimmte Werte B, g, N₁ und K entsprechend Gleichung (9) aufgetragen werden. Die punktierte Linie in F i g. 4 zeigt die fats'
sächlich ausnutzbare Pumpgeschwindigkeit -j- im

Vergleich zu den charakteristischen Werten -γ, die

in Form der ausgezogenen Linie in Fig. '4 gezeigt sind. Man erkennt, daß für die ausnutzbare Geschwin-

digkeit -γ sich ein Optimum bei a = a₀ ergibt.

In gewissen Fällen, beispielsweise bei außerordentlieh niedrigen Drücken, kann es unerwünscht sein, die maximale Geschwindigkeit auszunutzen, da die Eigenschaften der Glimmentladung bei weiten Kathodenabständen schlechter werden. Wenn daher der Kathoden-Anoden-Abstand bei Pumpen festgelegt werden soll, welche beständig bei sehr niedrigen Drücken arbeiten, so kann es ratsam sein, einen Kathoden-Anoden-Abstand auszuwählen, der kleiner als a₀ ist, ohne sehr viel auf Pumpgeschwindigkeit zu verzichten.

F i g. 6 zeigt eine Darstellung von -j in Abhängigkeit von α für eine Pumpe, bei der g = 31,8 mm und b — 76,2 mm und N₁ = 12 gilt, und zwar für verschiedene Werte von K, die in Liter/cm · Sek. angegeben sind. Man erkennt aus der Darstellung, daß, wenn der Wert von α innerhalb des Bereiches zwischen 5,1 und 8,9 mm liegt, innerhalb eines weiten Bereiches der Werte für K die Pumpgeschwindigkeit S' ihren Optimalwert hat. Bei einem in der Mitte dieses Bereiches liegenden Wert von 7 mm ergibt sich praktisch für sämtliche dargestellten Werte von K eine maximale Pumpgeschwindigkeit S', und es kann α weiter oben oder weiter unten innerhalb dieses kritischen Bereiches zwischen 5,1 und 8,9 mm gewählt werden, wenn der maßgebliche Wert von K im Betrieb der Pumpe klein oder groß zu erwarten ist. Der kritische Bereich gilt für Kathodenabstände zwischen 29,2 und 34,3 mm. Man erkennt aus den in F i g. 6 wiedergegebenen Kurven, daß für große Werte von K es wichtig ist, innerhalb des kritischen Bereiches zu liegen,

S'
da die Steilheit der Kurven -j in Abhängigkeit von a in der Nähe des Maximalpunktes um so größer ist, je größer K ist.

Versuchsergebnisse, die an Anordnungen erzielt wurden, die der vorstehend angegebenen Bemessungsregel entsprechen, erwiesen sich in guter Übereinstimmung mit den zu erwartenden Werten. Eine Vakuumpumpe, deren Kathodenabstand g im wesentliehen demjenigen entsprach, welcher bei den Kurven der F i g. 6 zugrunde gelegt wurde, arbeitete mit einem X-Wert, der im wesentlichen der Kurve K = 0,531/ cm ■ Sek. entsprach, und es wurde ein Kathoden-Anoden-Abstand von a = 8,1 mm verwendet. Gemäß F i g. 6 arbeitete die Pumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von 95% ihrer maximal ausnutzbaren Geschwindigkeit. Frühere Pumpen dieser Art wurden mit einem Abstand g verwendet, der im wesentlichen dem Abstand entsprach, für welchen die Kurven in F i g. 6 maßgeblich sind, und der Betrieb fand bei einem X-Wert statt, der im wesentlichen dem Wert K = 0,27 l/cm ■ Sek. entsprach, wobei der Kathoden-Anoden-Abstand α nur 3 mm betrug. Es arbeiteten daher gemäß F i g. 6 diese Pumpen mit einer Pumpgeschwindigkeit, die nur 78% der maximal ausnutzbaren Geschwindigkeit betrug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Ionen-Vakuumpumpe, bei der durch eine Glimmentladung zwischen einer Anode und einer Kathode die Kathode zur Zerstäubung gelangt und das zerstäubende Kathodenmetall auf einer Auffangfläche aufgefangen wird, unter Anwendung eines die Elektronenbahnen verlängernden Magnetfeldes, wobei gemäß deutscher Patentschrift 1 098 667 die Anode flächenmäßig und/oder raummäßig so unterteilt ist, daß in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes eine Vielzahl getrennter, gleichzeitig auftretender Glimmentladungen sich ausbildet und die Anode zellenförmig ausgebildet ist und aus einer Mehrzahl in Richtung des Magnetfeldes orientierter, nebeneinanderliegender, an ihren Stirnflächen offener Zellen besteht und wobei die zellenförmige Anode zwischen zwei zueinander parallelen Kathodenplatten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebenem gegenseitigem Abstand g beider Kathodenplatten (22), vorgegebener Anzahl N₁ von Anodenzellen pro Längeneinheit und vorgegebener Anodenlänge b sowie bei dem für das jeweils zu pumpende Gas bei dem jeweils herrschenden Gasdruck ermittelten Wert K, wobei K(g — 2a) die gemessene Pumpgeschwindigkeit einer einzelnen Anodenzelle für das jeweilige Gas und den jeweiligen Gasdruck ist, der Abstand a zwischen einer Kathodenplatte (22) und der Anode (23) so gewählt ist, daß die Funktion 7 von a