DE1414572A1 - Ionische Getterpumpe - Google Patents

Description

YA 6194/66$ München, den 11» Januar 1962

Dr.H,/Ke.

Varian Associates
611 Hansen Way
Palo Alto, California, USA.

Ionische Getterpumpe

Priorität* ü«S.A.j 27* Januar 1961 F. S. Ser. ίίο. 85 355

Die Erfindung betrifft eine £limmentladungsvorriöhtung und insbesondere eine mit Glimmentladung arbeitende Pumpe mit hoher Aufnahmekapazität·

Elektrische Vakuumpumpen, die mit einer Grasentladung an einer kalten Kathode arbeiten, werden im allgemeinen so ausgebildet, daß im Inneren der Pumpe zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten Kathodenplatten eine zellenförmig ausgebildete Anodsnanordnung vorgesehen ist und die an den Enden offenen Ano&enzellen in der Längsrichtung von einem magnetischen Feld durchsetzt werden. Durch die Glimmentladung werden positive Ionen gebildet und gegen die Kathodenplatten gerichtet und die auftreffenden Ionen bewirken eine Zerstäubung des chemisch"" reaktionsfähigen

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lfateriales der Kathode» Das zerstäubte Material wird an den Innenwandungen der Pumpe aufgefangen, wo es auftreffende gasförmige Moleküle bindet. Auf diese Weise wird der Gasdruck in dem die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung umschließenden Gefäß verringert.

Sie Wirksamkeit derartiger Pumpen ist im wesentlichen durch die Pumpgeschwindigkeit bestimmt) die zum Ausdruck bringt, mit welcher volumenmäßigen Geschwindigkeit die Gase aus dem Vakuumsystem entfernt werden. Die Pumpgeschwindigkeit wird durch verschiedene Faktoren beeinflußt: So ist bei einer bestimmten Konstruktion und Größe der Pumpelemente die Größe des Ionenstromes abhängig von der verwendeten Spannung und von anderen Faktoren. Bei gewissen vakuumtechnischen Verwendungszwecken ist jedoch die tatsächliche Pumpgesohwindlgkeit der Vakuumpumpe weniger von Wichtigkeit als die Durcfasatzkapaaität der Pumpe, welche bestimmt ist durch das Produkt aus dem Arbeitsdruck der Pumpe mit der bei diesem Druck herrschenden Pumpgeschwindigkeit· Die Durchsatzkapazität ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Pumpe Gasmoleküle entfernt. Ein Anwendungsfall, in welchem die Durchsatzkapazität von größerer Bedeutung als die Pumpgeachwindigkeit ist, liegt bei Vakuumarbeiten vor, bei denen große Mengen eines bei der Umwandlung der Kathode sich ergebenden Gases zu gewissen Seitpunkten erzeugt werden und in diesen Zeltpunkten eine große Molekül-mäßige Geschwindigkeit der Beseitigung des Gases erforderlich ist, während eine verhältnismäßig geringe Pumpgeschwindigkeit benötigt wird, um das

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endgültige Vakuum in dem Rohr zu erzeugen*

Es wax bisher die maximal erreichbare Durchaatzkapazität derartiger Pumpen bestimmter Größe in verschiedener Sichtung beschränkt« Die zur Zeit gebräuchlichen Pumpen haben eine im wesentlichen konstante Pumpgeschwindigkeit bei niedrigen Drucken zwischen 10 bis 10"** mm Hg, so daß der Durchsatz durch die Pumpe direkt proportional dem Druck in diesem Arbeitsbereich ist. Ein maximaler Durchsatz ergibt sich Ib dem Druckbereleh zwischen 10 und 10 ^J mm Kg.aus einer Mehrzahl von Gründen, In diesem Druckbereich findet ein Impedanzwechsel in der Glimmentladung einer Pumpe mit kalter Kathode statt, wobei die Impedanz von einem verhältnismäßig hohen Iapedanzwert auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert übergeht und tine starke Zunahme des Ionenstromes und eine Verringerung der Spannung an der Glimmentladungastrecke stattfindet. Diese Verringerung der Spannung bewirkt, daß die Grenzen der Glimmentladung unbestimmt werden und dadurch die Pumpgesohwindigkeit und der maximal erzielbare Durchsatz verringert wird.

Es haben bisher die Versuche, die Durchsatzkapazität einer Pumpe durch Steigerung der Spannung zu erhöhen nicht zu befriedigenden Resultaten geführt. Es ist nicht klar, ob dieses Versagen auf grundsätzliche Eigenschaften der Entladung an der kalten Kathode zurückgehen oder ob hier ein Einfluß der sich ergebenden stärkeren Erwärmung der Pumpenelektroden eine Rolle spielt. Es ist auch bisher unbe-

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kennt» ob der Leistungsumsatz und die Erhitzung der Pumpenelektroden irgendein« grundsätzliche Änderung des Verhaltens der Grasentladung an der kalten Kathode bewirkt, insbesondere wenn es sich um das schwer übersichtliche Gebiet handelt} in welchem die Impedanz sich ändert« Der nachteilige Einfluß eines hohen Leietungeumsatzee wird bei anderen elektrischen Entladungaröhren dadurch unterdrückt« daß in verschiedener Weise Kühlung stattfindet und es wurde auch bisher bereits Kühlung bei elektrischen Vakuumpumpen verwendet. Es wurde bereits bei elektrischen Vakuumpumpen eine Kühlung von außen verwendet. Solche Kühlmittel sind aber nicht wirksam, da das Vakuum eine wärmem&ßige Isolation zwischen dem Kühlmittel und den Pumpenelektroden bedingt*

Es wurde auch eine Kühlung bei Pumpen mit einer emittierenden Kathode verwendet, jedoch aus anderen Gründen· Die intensive Erhitzung der Elektroden für die Zwecke der thermischen Emission hat eine weitgehende Gasabgabe der Wandungen der Pumpe zur Folge, was die Erzielung hoher Vakuum verbietet. Die Kühlung findet daher bei solchen Anordnungen im wesentlichen zu dem Zwecke statt, die Grasabgabe der Wandungen zu verhüten und nicht zu dem Zwecke, die in der Glimmentladung erzeugte Leistung abzuführen.

Die bisherigen Versuche, Kühlmittel bei einer Vakuumpumpe vorzusehen, hatten keinen besonderen Erfolg und klärten nicht, ob ein zuverlässiges Verhältnis zwischen der Kühlung einer Vakuumpumpe mit kalter Kathode und den charakte-

rietiaehen Eigenaehaf te» einer Entladung an einer kalten Kathode bestehen» Se war daher nieht zu erwarten, daß eine wirksame Leistungaabfuhr in einer Vakuumpumpe mit kalter Kathode höhere Betriebsspannungen zulässig machen würde und einen höheren maximalen Durchsatz liefern würde. Es war zunächst zu erwarten, daß die Anwendung von Mitteln zur jDeistungsabfuhr höhere Pumpgesehwindigkeiten liefern würden, Jedoch ^au;r folge haben würden, daS der Impedanzwechsel der Gasentladung bei niedrigeren Drucken stattfin~ den würde. llQtm. dies der fall wäre, hätte sich nur eine sehr geringe Zunahme gegebenenfalls sogar eine Abnahme des maximalen Pumpdurohsatzeabei vorgegebener Pumpengröße ergeben können.

Es hat sich ;]edoeh überraBShenderweise ge zeigt ₉ daß die gemäß der Erfindung zur Anwendung vorgesehenen Kühlmittel zur folge haben, daß der Impeaanswechsel in der Glimmentladung bei höheren Drucken auftritt, als bei Abwesenheit der Kühlmittel der fall wäre. Zusammen mit den größeren Pumpgesohwindigkeiten* die sich infolge des Arbeitens bei höheren Spannungen ergeben, kann man auf diese Weise eine maximale Durchsatskapazität, die zehnmal gr&ter als bei üblichen Pumpen vorgegebener Größe ist, erzielen.

Die Erfindung liefert daher eine räumlich gedrängte mit kalter Kathodenentladung arbeitende ionische Vakuumpumpe von hoher Durchsatzkapazität.

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Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung von Kühlmitteln bei einer mit kalter Kathodenentladung arbeitenden Vakuumpumpe, wobei die Kühlmittel in direktem Kontakt mit der aus reaktivem Material bestehenden Kathode sind und da« durch eine höhere Leistungsabfuhr und eine höhere Buroheat* kapazität zur folge haben«

Die Erfindung betrifft auoh die Anwendung von Kühlmittels bei einer ionischen Vakuumpumpe in solcher Weise, daß die Kühlmittel in direktem Kontakt mit der aus reaktivem Material bestehenden Anode sind, für die Zwecke der Erzielung einer besseren Leistungsabfuhr und höherer Durchsatzkapazitäten. ;' h-*-

Die Erfindung sieht die Anwendung derartiger Kühlmittel vor, daS die Pumpe einen möglichst geringen Abstand zwischen den Polflächen zuläBt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ©rge^ „-.· ben sich aus der nachfolgenden Beschreibung Im^r1Su«^mmen-*· .-hang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen*'-^ *ιλ-..-- ; ·.■;;■

Figur 1 eine gebrochene Seitenansicht einer erfindungs* gemäSen elektrischen Vakuumpumpe?

Figur 2 einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Pumpe j ·

Figur 3 eine«ehar*kteristik_r welche in Abhängigkeit des Druckes die Durchsatzgesehwindigkeit darstellt;

Figur 4 eine Charakteristik, welche in Abhängigkeit des Druckes die Pumpgeschwindigksit darstellt» wobsi Figur 4 ebenso wie Figur 5 sich auf die in Figur dargestellte Pumpenanordnung b®ziehenj

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Figur 5 eine teilweise gebrochene Darstellung einer weiteren Auiführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe.

In den figuren 1 und S ist XO das rechteckige becherförmige lampengehäuse, d*e an seinem oberen Ende einen Flansch aufweist «#d durch eine rechteckige Platte, die an ihrem Umfang Mit dem Flanβoh verschweißt ist, abgeschlossen ist, so daß sieh das rechteckige Vakuumgefäß 7 ergibt. Die rechteckige Yerschlußplatte 6 hat zwei Öffnungen» die durch einen nach innen gerichteten Zylinderstutzen 8 und durch einen nach außen gerichteten Zylinderstutzen 9 verschlossen sind, wobei an dem Zylinderstutgen 9 ein becherförmiger Seil 11 bo angeordnet ist, daß seine offene Seite der Vereehlußplatte abgewendet 1st»

Eine rechteckige zellenförmig aufgebaute Anode 12, die beispielsweise aus Titan bestehen kann, ist in dem Vakuumgefäß 7 aa Ende einer Metallstange 13 angeordnet? die Stange 13 erstreckt sich durch eine öffnung in dem nach innen gerichteten Zylinder θ aus dem Vakuumgefäß7 nach außen« Die Stange 13 wird durch die Durchführungsisolatoren 14, 15 und 16 und den Bylindrisohen Isolator 17 getragen. Das freie Ende der Stange 13 bildet eine Anschlußklemme zum Zufuhren der positiven Anodenspannung. Die beiden rechteckigen Kathodenplatten 18 bestehen aus reaktivem Material.

Die Kathodenplatten 18 sind an ihren Ecken durch die Bänder 19 im Abstand voneinander gehalten und sind an der Ver-

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schlußplatte 6 durch den U-förmigen Tragbügel 21 und den Bolzen 22 so befestigt» daß sie parallel und im Abstand zu der Anode 12 gehalten werden. Die Seitenwandung des VakuumgefäSes 7, die der Verschlußplatte 6 gegenüberliegt» hat eine öffnung und ist an die Pumpleitung 25 angeschlossen, die einen der gewünschten Pumpgeschwindigkeit angemessenen Durchmesser hat. Das die Pumpleitung bildende Rohr steht mit dem zur Anwendung vorgesehenen Vakuumsystem in Verbindung und hat einen geeigneten Anschlußflansch 24·

Ein Hufeisen-Permanentmagnet hat zwei Polstücke 26» die so an dem rechteckigen Vakuumgehäuse 7 angeordnet sind, daß das magnetische Feld die einzelnen Zellen der Anodenanordnung 12 im wesentlichen parallel zu deren Längsachse durchsetzt.

Das Kupferrohr 25 bildet zwei Rechtecke, die an die Kanten der Kathodenplatten 1Θ an der der Anode zugewendeten Seite hart angelötet sind, so daß die Eohre mit von dem Vakuumgefäß umschlossen werden. Dadurch, daß das Kupferrohr 25 an der Anodenseite der Kathodenplatten 18 und nicht zwischen den Kathodenplatten und der Gehäusewandung des Vakuumgefäßes 7 angeordnet ist, ergibt sich keine Vergrößerung des Luftspaltes zwischen den magnetischen Polstücken 26 und keine Gesamtvergrößerung des Pumpengehäuses. Dies ist wichtig im Hinblick auf die geringe Größe, das Gewicht und die " Kosten der zur Erzeugung des magnetischen Feldes geeigneter Stärke erforderlichen Magneten.,Das Ende des Kupferrohres

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erstreckt sich durch zwei öffnungen in dem becherförmigen feil 11« Das duroh das Kupferrohr 25 gebildete Eeehteek ist größer als die Hechteckfläche der Anode 12, so daß daß Bohr sich außerhalb des Glimmentladungsweges zwischen der Anode und den Kathodeziplatten befindet. Das Kupferrohr 25 bildet einen leg für das Kühlmittel, welcher in direktem Kontakt mit den aus reaktivem Material bestehenden Kathodenplatten 18 ist. Der innige Kontakt ist von Wichtigkeit, da die hohen Ieolationseigenaehaften des Vakuums es zur Folge haben, daß bereits die kleinste !Trennung zwischen Kühlmittel und den aus reaktivem Material bestehenden.Kathodenplatten eine beträchtliche Verringerung der Pumpwirkung zur Polge hat.

Typisohe Arbeitsbedingungen einer solchen Pumpenanordnung sehen vor, daß eine positive Spannung zwischen 400 Volt und 10 KV oder mehr an die Anode 12 über den leitenden Stab 13 gelegt wird· Das Vakuumgehäuse 7 und die Kathodenplatten 18 werden zweckmäßigerweise auf Erdpotential gehalten, damit die Gefährdung, des Betriebspersonales verringert wird. Das zugeführte Potential bewirkt ein intensives elektrisches PeId zwischen der zellenförmigen Anode und den Kathodenplatten 18. Das elektrische Feld zusammen mit dem magnetischen Seid bewirkt einen Durchschlag des Gases in der Pumpe, so daß sich eine Glimmentladung innerhalb der zellenförmigen Anode 12, und zwischen der Anode 12 und den Kathodenplatten 18 ergibt. Die Glimmentladung erzeugt positive Ionen» die zu den Kathodenplatten 18 hin getrieben werden und reaktives Kathodenmaterial aus der Kathode her-

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ausschlagen, so daß eine Zerstäubung auf die In der Hält· befindliche Anode erfolgt und eine Getterwirkung der im gasförmigen Zustand befindlichen und mit den saratäubtnden Teilchen in Kontakt gelangenden Molekülen eich ergibt« Auf diese Weise findet eine Reduktion des Drucke β innerhall» dee Vakuumgefäßes 7 und des damit verbundenen Vsüraiassyetemes statt. _r

Die !Figuren 3 und 4 sseigen Arbeitseharakteristiken einer Pumpe gemäß Mgur 1« mr eine Vakuumpumpe mit erfindunga· gemäßen Mitteln zur Kühlung der kalten Kathode bezeichnet die Kurve B die Pumpgesöhwindigkeit In Litern pro Sekunde, als Funktion des Druckes in mm Hg. Die Kurve A gibt den entsprechenden Durchsatz in Mikrolitern pro Sekunde in Ab« hängigkeit des Druckes In mm Hg unter den gleichen Betriebsbedingungen an. Die Kurven C und D entsprechen denselben Betriebsbedingungen der gleichen Pumpe ohne Mittel ssur Kühlung der Kathode» wobei eine Anodenspannungsquelle entsprechend niedriger Stromkapazität benutzt wurde, um ein Überhitzen der Pumpe zu vermeiden. Man sieht, daß der maximal erzielbare Pumpdurchsatz unter Anwendung von Kühlungemitteln flir die Kathode zehnmal größer ist als der maximale Durchsats* der ohne Anwendung von EÖhlungsmitt©*la eraielbar ist.

In Pigur 5 ist ein anderes Ausführungsbeiapiel der Erfindung gezeigt· Die Pumpenanordnung ist im wesentlichen dieselbe wie bei der in Eigur 1 und 2 dargestellten Auaführungeform, ein Unterschied ist jedoch hinsichtlich der Kuhlungsmitt«!

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"141457,

vorhanden« Ee ist das Kupferrohr 25 der figuren 1 und 2 ereetet duroh das Kupferband 31, welches an der Außenkante der Anode 12 und an der Hoehepannungszuführung 13 hart angelötet oder in ähnlicher Welse so befestigt ist, daß ein inniger Sontakt mit der Außenkant« der Anode gewährleistet ist« Scr Durchführungsisolator 32 hat an der Außenseite der Pumpe Hippen, die eine größere Abstrahlungsflache zur Wärmeabfuhr bilden, so daß die Wärme von der Anode 12 Über die Zuführung 13 abgeleitet wird* Die Breite des Kupferbandee 31 ist ebenso groß wie die Breite der Anodenkante, so d«J die Anordnung der Anode und,- des Glimmentladungsweges nicht beeinträchtigt wird* Das Kupferband 31 und die Anodenzuführung 13 bilden ein .Kühlungsmittel, das in innigem . Kontakt mit der Anode 12 ist.

SI« Arbeitsweise der in Figur 5 dargestellten Anordnung und die Wirkungsweise der Kühlmittel sind im wesentlichen dieselben wie in den Figuren 1 und 2.

Ea hat sich gezeigt, daß das Kühlen der Pumpenkathode einen größeren Einfluß hat auf die Durchsatzkapazität der Pumpe; es hat sich gezeigt, daß die maximale Durchsatzkapazität in den meisten Fällen zu erreichen war, nur durch Anwendung von Mitteln zur Kühlung der Kathode* Dies ist insofern von Bedeutung, da die Kühlung der Anode keine besonderen elektrischen Isolationsprobleme mit sich bringt, wie sie beim Kühlen der auf hoher Spannung befindlichen Anode auftreten.

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Es kann indessen unter Umständen zweckmäßig sein» bei einer Pumpenanordnung nur die Anode allein oder auch sowohl die Anode als auch die Kathode zu kühlen*

Die hohe Durchsatzkapazität einer Pumpe mit intensiv ge» kühlter Kathode ist in vielen Fällen von Zweckmäßigkeit» so bei der Herstellung von Vakuumröhren. Wenn der Herstellprozeß so geführt wird, daß große Mengen des sich bei der Kathodenumwandlung ergebenden Grases bei einem Druck von ungefähr 10 mm Hg in der Pumpe erzeugt wird, so entfernt die gekühlte Pumpe während dieser Herstellungsphase dieselbe ißasmengen, die eine nicht gekühlte Pumpe ungefähr der zehnfachen Größe beseitigen würde» Die mittlere Pumpgeschwindigkeit der gekühlten Pumpe ist dann hinreichend, um den gjwünschten Enddruck in dem Rohr zu liefern, wenn während der späteren Herstellung das Gas nur mit geringerer Geschwindigkeit nachgeliefert wird« Man erkennt daher, daß die Verwes^ dung einer ionischen Getterpumpe mit intensiv gekühlter Kathode die Anwendung kleinerer Pumpen in gewiesen Fällen zulässig macht, als bisher möglich war.

Patentansprüche

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Claims (8)

1. Patentanspruch

   1* Ionische Getterpumpe mit einer im Abstand von der Anodenanordnung angeordneten Kathode aus reaktivem Material und mit Mitteln zur Urzeugung eines magnetischen die Elektroden durch· setzenden Feldes, dadurch gekennzeichnet» daß in dem Vakuumgefäß Mittel Eur Kühlung und Wärmeableitung nach außen vorgesehen sind·
2. 2. Pumpe nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet» daß die Zahlungsmittel in innigem Wärmekontakt mit mindestens der einen der Elektrode stehen.
3. 3. Pumpe nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet» daß die Kühlungsmittel zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind.
4. 4. Pumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlungsmittel in innigem Kontakt mit der aus reaktivem Material bestehenden Kathode stehen.
5. 5. Pumpe nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet» daß die Kühlungsmittel aus einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Bohr bestehen.
6. 6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Kühlflüssigkeit durchströmte Rohr zwei Eechteckrah-

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   men bildet» die an den der zellenförmiges Anode zugewendeten Seiten der Kathodenplatten in innigem Wärmekontakt angeordnet und daß die Zellen-förmige Anodenanordnung eine geringere Ausdehnung als die Rahmeninnenfläche hat.
7. 7. Pumpe nach Anspruch 1 ode? einem der folgenden» dadurch gekennzeichnet, daß als JEühlungsmittel am Band der zellenförmig ausgebildeten Anode ein Streifen aus gut leitendem Material vorgesehen ist und der Metallstreifen in innigem Wärmekontakt mit dem die Anode tragenden 33urchführungsieiter steht und zweckmäßigerweise an der Durchführung des Leiteaflf* Hippen zur Wärmeafestrahlung Torgesehen sind»
8. 8. Pumpe nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet» daß das von der Kühlflüssigkeit durchströmte Rohr die Bodenfläohe eines Becherteilea durchsetzt» der vakuumdicht in einen an der Deekelfläche des Pumpengehäuses angeordneten Zylinderstutzen eingesetzt ist*

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