DE1489222A1 - Vorrichtung fuer magnetisch zusammengeschnuerte Glimmentladungen - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT

8000 MÖNCHEN 23 · MAINZER STRASSE5 V1 122 D

H89222

Dr. Expl.

VARIAN ASSOCIATES

Palo Alto, California

V. St. v. Amerika

"Vorrichtung für magnetisch zusammengeschnürte Glimmentladungen"

Prioritätr Vereinigte Staaten von Amerika vom 29· Juli I963 US-Serial Number 290,109

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen für magnetisch zusammengeschnürte Glimmentladungen und insbesondere eine verbesserte Anode für solche Vorrichtungen mit kritischen Proportionen, durch die der Ionenstrom bei niedrigen Drucken bis zu niedrigeren Drucken herab aufrecht erhalten wird als in bekannten Vorrichtungen. Durch eine solche kritisch proportionierte Anode wird der Betriebsbereich von Vorrichtungen, bei denen das Prinzip der magnetisch zusammenge-

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schnürten Glimmentladung ausgenutzt wird, wie beispielsweise elektrische Vakuumpumpen und Vakuummeter, nach sehr niedrigen Drucken hin ausgedehnt.

iäs sind bereits Vakuumpumpen und Vakuummeter gebaut worden, die mit einer magnetisch zusammengeschnürten Glimmentladung im Inneren einer rohrförmigen Anode mit offenen Enden versehen waren, die zwischen zwei Kathodenplatten im Abstand von diesen angeordnet war, wobei ein Magnetfeld durch die Anode fahrte. Durch die magnetisch

zusammengeschnürte Glimmentladung erzeugte positive Ionen wurden gegen die Kathodenplatten gerichtet. Im Falle der Pumpe rufen die auftreffenden Ionen ein Zerstäuben eines reagierenden Kathodenwerkstoffes hervor. Der zerstäubte Werkstoff wird aui den Innenflächen der Pumpe gesammelt, v/o er daau dient, lioleküle im Gaszustand aufzufangen, die damit in Berührung kommen. Auf diese V/eise wird der Gasdruck in einem die Kathode und Anode enthaltenden Gefäss herabgesetzt, Im Falle des Vakuummeters werden die auftreffenden Ionen von der Kathode gesammelt und der Ionenstrom wird gemessen, so dass eine Anzeige des Gasdruckes im Inneren der Einrichtung vermittelt wird, an die das Vakuumiaeter angesetzt ist.

Es besteht eine Beziehung zwischen der Pumpgeschwindigkeit S, dem Strom I und dem Druck P, S = K (i/P), wobei K ein Parameter ist, der von der Pumpenform, den Betriebsbedingungen u. dgl. abhängt. Bei bekannten Einrichtungen wird die Entladungsintensität (l/p) bei niedrigen Drucken herabgesetzt. Die Pumpgeschwindigkeiten

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(bei Pumpen) oder die Empfindlichkeit (bei Vakuuraraetern) wird deshalb ebenfalls reduziert. Eine Aufrechterhaltung der Entladungsintensität oder des Ionenstroms bei niedrigen Drucken dehnt den Betriebsbereich durch Erhöhen der Pumpgeschwindiykei t oder der Empfindlichkeit beim Vakuummeter zu niedrigeren Drucken hin aus.

Gemäss der US-l'atentschrift 3 028 071 gibt es einen kritischen minimalen Durchmesser oder eine minimale viuerabmcssung d für die

einzelnen rohrförmigen Anodenzellen für jeden bestimmten Wert der Intensität B des Magnetfeldes. Der Ionenatrom in Zellen mit einem Durchmesser kleiner als d wird praktisch zu Hull, leiter gibt es

bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke B einen optimalen Dprchmesser d , der mit d in Beziehung steht, und ein Produkt

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Bd ,bei dem ein maximaler Ionenstrom für die Entladungsintensität im Druckbereich vom 10~4 bis 10~^ Torr erzeugt wird. Diese Bedingung wird normalerweise dadurch erreicht, dass ein wirtschaftlicher Permanentmagnet gewählt wird, der eine maximale magnetische Feldstärke B bei minimalem Aufwand erzeugt. Die Anode wird dann entsprechend dem Magneten aufgebaut und ergibt dann das Produkt Bd

mit einem Zellendurchmesser d , so dass ein maximaler Ionenstrom im

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Druckbereich von 10 bis 10 Torr erzielt wird. Bei einem typischen Beispiel, wenn eine Magnetfeldstärke B von einem Kilogauss verwendet wird, ergibt ein Zellendurchmesser von 12,7 mm (o,5") einen maximalen Ionenstrom.

Gemäss der älteren Patentanmeldung "723 302 vom 19. November I962 würde der Anodenzellendurchmesser für maximalen Ionenstrom zu klein

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werden, um noch wirtschaftlich hergestellt werden zu können, und die Leistungsdichte so hoch, dass die Kühlung der Anode ein Problem wird, wenn die verfügbare Magnetfeldstärice sehr gross ist, grosser als 3 Kilogauss, wenn ausschliesslich nach den Lehren der US-Patentschrift 3 028 071 gearbeitet wird. Dementsprechend wird in der älteren Anmeldung vorgeschlagen, dass bei Magnetfeldern grosser als 3 Kilogauss eine sehr wirtschaftliche und leicht herzustellende Anode für den Druckbereich von 10"^ bis 10 Torr erhalten wird, wenn das Produkt der IJagnetf eidstärke B und dem Zellendurchmesser d etwa 6,35 cm Kilogauss ist. Bei einem typischen Beispiel, bei dem eine Magnetfeldstärke B von 17 Kilogauss verwendet wird, ergibt ein Zellendurchmesser von 3>8 mm maximalen Ionenstrom.

nach der US-Patentschrift/ Messungen der Pumpgeschwindigkeit einer Vorrichtung/3 028 071 und der älteren Anmeldung wurden bei hohen Drucken durchgeführt (hohe Drucke in diesem Zusammenhang sollen Drucke von 10"^ bis 10 Torr sein) und es wurde festgestellt, dass die Pumpgeschwindigkeit, und der Wert von (i/p), der Entladungsintensität, etwa konstant bleiben. V/eil es bei sorgfältigem Vorgehen möglich ist, mit diesen Vorrich-

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tungen 5 x 10 Torr zu erreichen, wurde angenommen, dass die Pumpgeschwindigkeit bei diesen niedrigen Drucken beibehalten wurde. Eq wurde jedoch festgestellt, dass die Pumpgeschwindigkeit für eine solche Vorrichtung zur magnetisch zusammengeschnürten Glimmentla-

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dung bei niedrigen Drucken (unterhalb 10"' Torr) absinkt.

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Erfindungsgemäsa wurde festgestellt, dass durch Erhöhung des Produktes Bd, insbesondere von d der Grenzdruck (Grenzdruck wird als der Druck definiert, bei dem das Verhältnis l/P auf die Hälfte seines Maximalwertes gefallen ist) herabgesetzt wird, so dass die Pumpgeschwindigkeit bei den sehr niedrigen Drucken beibehalten wird.

Erfindungsgemäss soll also eine verbesserte Vorrichtung für magnetisch zusammengeschnürte Glimmentladungen verfügbar gemacht werden, die bestimmte kritische Anodenproportionen hat, so dass das Betriebsverhalten durch Aufrechterhalten des Verhältnisses i/P und dadurch der Pumpgeechwindlgkeit auf niedrigere Drucke ausgedehnt wird.

Erfindungsgemäss wird eine Anodenzelle für eine Vorrichtung zur magnetisch zusammengeschnürten Glimmentladung verfügbar gemacht, bei der das Produkt der Zellen-Querabmessung d und der magnetischen Feldstärke B grosser ist als 2,5 Kilogauss-cm, wobei die Feldstärke B im Bereich von 0,5 - 3,0 Kilogauss liegt.

Erfindungsgemäss wird ferner eine Anodenzelle für eine Vorrichtung zur magnetisch eingeschnürten Glimmentladung verfügbar gemacht, bei der der Zellendurchmesser d im Bereich von 3,U - 6,5 cm liegt, wenn die Magnetfeldstärke B im Bereich von 1,0 - 2,0 Kilogauss liegt.

Diese und weitere Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen! Fig. 1 ein Blockschema eines typischen Evakuierungssystems mit einer neuartigen Vakuumpumpe mit magnetisch zusammengeschnürter Glimmentladung nach der Erfidnung;

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Figo 2 eine teilweise geschnittene Aufsicht auf eine verbesserte Vakuumpumpe mit magnetisch zusammengeschnürter Glimmentladung nach der Erfindung;

Pig. J einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig» 2;

Fig. 4 die Kurve der Abhängigkeit der Pumpgeschwindigkeit vom Druck für grosses und kleines Bd; und

Fig. 5 Werte des Produktes Bd in Abhängigkeit vom Grenzdruck für einen festen Anodenzellendurchinesser d und für eine feste Magnetfeldstärke B.

In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine erfindungsgemässe Vakuumpumpe mit magnetisch eingeschnürter Glimmentladung dargestellt, wie sie zur Evakuierung eines vorhandenen Gegenstandes verwendet wird. Genauer, die Vakuumpumpe 11 ist mit einer Leitung und über eine erste Hochvakuumverbindung 12, die ein Paar Ultrahochvakuumflansche und eine nicht dargestellte Metalldichtung umfasst, an einen Körper 13 angeschlossen, der evakuiert werden soll. Eine Vakuum-Absorptionspumpe 14 ist ebenfalls an den zu evakuierenden Körper 13 mit Leitungen und durch eine zweite Hochvakuumverbindung 15 und ein Hochvakuumventil 16 angeschlossen. Häufig wird statt der Vakuum-Absorptionspumpe 14 eine mechanische Pumpe verwendet. Um die Anordnungen zu evakuieren wird die Vakuum-Absorptionspumpe in eine Kühlflüssigkeit 17 eingetaucht, beispielsweise flüssigen Stickstoff, der in einem offenen Gefäss 18 gehalten wird. Gasmoleküle vom Raum 13 werden durch die Pumpe 14 angesaugt, so dass der Druck im Raum 14 auf zwischen 5 und 20 oder weniger Mikron abgesenkt wird, und dann wird das Ventil 16 geschlossen und die 7akuumpumpe 11 in Betrieb genommen.

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Die Pumpe 11 wird mit Betriebsspannungen von einer Quelle 19 versorgt, beispielsweise von einem 6O-Hz-Netz über einen Transformator 20. Die Sekundärwicklung des Transformators 20 ist mit einem Gleichrichter 21 und einem dazu parallelen Glättkondensator 22 verbunden, so dass eine Gleichspannung zwischen Anode und Kathode der Vakuumpumpe 11 angeschlossen werden kann, die genauer im Folgenden beschrieben wird.

Gemäss Fign. 2 und 3 ist ein flaches, rechteckiges, schüsselförmiges Element 23, beispielsweise aus rostfreien Stahl, an seinen mit Flanschen versehenen offenen Enden mit einer rechteckigen Deckplatte 24 abgeschlossen, die am Umfang an den Flansch des Elementes 23 angeschweisst ist, so dass ein im wesentlichen rechteckiges vakuumdichtes Gefäss 25 gebildet wird.

Kine rechteckige Zellenanode 26, beispielsweise aus Titan, sitzt auf dem Ende eines leitfähigen Stabes 27, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, der sich aus dem rechteckigen Vakuumgefäss ,25 durch eine Öffnung in einer kurzen Seitenwand nach aussen erstrockt. Der leitende Stab 27 ist gegen das Vakuumgefäss 25 durch ringförmige Isolatoren 28, 29, 30, beispielsweise aus Kovar, und einen zylindrischen Isolator 31, beispielsweise aus Tonerdekeramik isoliert und wird von diesem getragen. Das freie Ende des Stabes 27 dient dazu, einen Anschluss zur Zuführung einer positiven Anodenspannung gegen zwei im wesentlichen rechteckige Kathodenplatten verfügbar zu machen. Die Kathodenplatten 32 bestehen aus einem reaktionsfähigen Metall und sind mechanisch in ihre Lage gegen die grossen flachen Seitenwände des Vakuumgefässes 25 mit zwei Kathoden-Abstandshaltern 33 mechanisch verriegelt.

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ORIGINAL fNSPECTED

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Die Kathoden-Abstandshalter 33» beispielsweise aus rostfreiem Stahl, sind mit h_albzylindrischen Ösen 34 versehen, die aus den Abstandshaltern herausstehen und den richtigen Abstand zwischen den Kathodenplatten 32 gewährleisten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand Anode-Kathode zwischen 3 ^mm und 9 mm. Die Kathodenplatten 32 können aus irgendeinem der vielen reaktionsfähigen Kathodenmetalle bestehen, wie beispielsweise Titan, Chrom, Zirkon, Gadolinium und Eisen. Es ist jedoch erwünscht, um eine Schuppenbildung des kondensierten, zerstäubten Kathodenwerkstoffes zu verhindern, die Anode 26 und die Kathode 32 aus dem gleichen Werkstoff herzustellen.

Eine weitere Seitenwand 35 des Yakuumgefässes 25 ist mit einer Öffnung versehen, in die eine Hohlleitung eingesetzt wird, die jeden beliebigen, mit der gewünschten Pumpgeschwindigkeit verträglichen Innendurchmesser haben kann. Die Hohlleitung steht mit dem Raum 13 in Verbindung, der evakuiert werden soll, und ist mit einem geeigneten Montageflansch versehen.

Ein kreisförmiger Radialschirm 36, beispielsweise aus Molybdän, wird quer zum leitenden Stab gehalten und liegt innerhalb des ersten Rahmens 28, um den Isolator 31 gegen zerstäubtes Kathodenmaterial zu schützen, das sonst den Isolator 31 überziehen und unerwünschte Spannungsüberschläge oder Kriechströme hervorrufen kann.

Eine Ringfeder 37 ist um das Rahmenteil 29 herum angeordnet, um eine schnelle Trennung zwischen dem nicht dargestellten Energieanschluss und der Pumpe 11 zu ermöglichen.

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Ein hufeisenförmiger Permanentmagnet 38 ist so mit Bezug auf das rechteckige Vakuumgefäss 25 angeordnet, dass das Magnetfeld B in einer kritischen Beziehung mit der Querabmessung d der einzelnen zellenförmigen Anodenteile entsprechend einem neu entwickelten Prinzip steht, das weiter unten näher beschrieben wird. Es ist zwar ein Permanentmagnet dargestellt, vorteilhafterweise können aber auch Elektromagneten verwendet werden.

Im Betrieb wird eine positive Spannung von 2,0 Kilovolt oder mehr an die Anode 26 über die Stange 27 angelegt. Das Vakuumgefäss

25 und damit die Kathodenplatten 32 werden vorzugsweise auf Erdpotential betrieben, um die Gefahren für das Betriebspersonal herabzusetzen. Wenn diese Spannungen angelegt sind, ergibt sich ein Bereich eines intensiven elektrischen Feldes zwischen der Zellenanode

26 und den Kathodenplatten 32. Dieses elektrische Feld ruft eine Gasentladung innerhalb der Pumpe hervor, durch die sich eine Glimmentladung innerhalb der Zellenanode 26 und zwischen der Anode 26 und den Kathodenplatten 32 ergibt. Die Glimmentladung sorgt dafür, das positive Ionen, die in die Kathodenplatten 32 getrieben werden, eine Ablösung des reaktionsfähigen Kathodenmaterials bewirken, das dadurch auf die benachbarte Anode 26 zerstäubt wird, so dass eine Getterung der Moleküle im gasförmigen Zustand bewirkt wird, die damit in Berührung kommen. Auf diese Weise werden das Vakuumgefäss 25 und dadurch auch der damit in Verbindung stehende Raum 13 evakuiert.

In Fign. 4 und 5 ist eine graphische Darstellung des erfindungsgemässen Prinzips dargestellt. Genauer, es wurde festgestellt,

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dass durch Vergrössern des Produktes Bd, insbesondere des Wertes von d, eine Entladungsintensität bei niedrigen Drucken beibehalten wird.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Pumpengeschwindigkeit oder der Entladungsintensität von dem Druck für Vakuumpumpen von unterschiedlichen Produkten Bd. Kurve 1 ist die Kennlinie einer bekannten Vorrichtung mit einem kleinen Produkt Bd. Kurve 2 ist die Kennlinie, einer erfindungsgemäss aufgebauten Pumpe mit einem hohen Produkt Bd. Aus der Kurve ist klar ersichtlich, dass durch Erhöhen des Produktes Bd zwar die Pumpgeschwindigkeit in höheren Druckbereichen um einen gewissen Betrag verringert wird, dass dafür aber ein wesentlich niedrigerer Grenzdruck erreicht wird.

Bei einer Versuchsserie wurde der Zellendurchmesser oder die Querabmessung der Zellen d festgehalten und die Abhängigkeit des Grenzdruckes für wachsendes Produkt Bd beobachtet. Die Kurve X in Pig» 5 zeigt graphisch die erzielten Ergebnisse. Bei einer anderen Versuchsserie wurde die magnetische Feldstärke B festgehalten und der Grenzdruck für wachsendes Produkt Bd beobachtet. Kurve Y in Fig. 5 veranschaulicht graphisch die in dieser Versuchsserie erzielten Ergebnisse. Die interessanteste Tatsache, die sich aus diesen Kurven ergibt, liegt darin, dass zwar wiederum der Grenzdruck mit wachsendem Produkt Bd fällt, eine Vergrösserung des Zellendurchmessers d jedoch die schnellere Herabsetzung des Grenzdruckes ergibt.

Ein Entwurfsverfahren zur Aufrechterhaltung von Pumpgeschwindigkeiten bei niedrigen Drucken durch Verringerung des Grenzdruckes

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ergibt sich aus diesen Lehren. Gewöhnlich sind kräftige Magnetfelder nur/entsprechendem Aufwand herzustellen, so dass die Kostenfrage normalerweise eine gewisse maximale Magnetfeldstärke erzwingt. Wirtschaftlich brauchbare Permanentmagnete können heute erhalten werden, die eine maximale Magnetfeldstärke von bis zu 3 Kilogauss bei minimalem Aufwand erreichen. Feldstärken unterhalb von 0,5 Kilogauss würden jedoch nicht brauchbar sein, weil die Querabmessung d so gross sein würde, dass die Pumpgeschwindigkeit pro Volumeneinheit zu niedrig würde. Die Anode der Pumpe wird dann für eine bestimmte Zellengrösse konstruiert, so dass das Produkt Bd grosser ist als 2,5 Kilogauss-cm. Durch weitere Versuche wurde festgestellt, dass ein noch geringerer Grenzdruck als bisher bekannt erreicht werden kann, wenn das Produkt Bd grosser gehalten wird als 2,5 Kilogauss-cm. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt d zwischen 3»8 und 6,5 cm, und B liegt zwischen 1_f0 und 2,0 Kilogauss. Die Anodenzellenlänge (vergl. Fig. 3) wurde so gewählt, dass 1=1 „.· 1»5 d betrug. Auch die Form der Zellen ist nicht auf Zellen mit quadratischem Querschnitt beschränkt, sondern gilt auch für andere Formen, beispielsweise kreisförmige Zellen oder solche mit hexagonalem Querschnitt. Der Durchmesser oder die Querabmessung d soll den Durchmesser des kleinsten Kreises bezeichnen, der in die Öffnung quer zur Zellenachse einbeschrieben werden kann, unabhängig von der Querschnittsform.

Die Erfindung kann in gleicher Weise auf Vakuummeter angewandt werden. Insbesondere wurde festgestellt, dass die oben mit Bezug auf kritische Proportionen der Anodenabmessungen für Vakuumpumpen mit magnetisch zusainmengfcchnürter Glimmentladung in gleicher Weise auf die Anodenproportionen von Vakuummetern mit magnetisch zusammengeschnürter

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Glimmentladung anwendbar sind, wie sie in der US-Patentschrift 2.197.079 beschrieben sind.

Für Vakuummeter ist es wichtig, dass die Entladungsintensität i/P über grosse Druckbereiche konstant gehalten wird, weil der Strom als unmittelbare Druckanzeige verwendet wird. Ein Vakuummeter kann deshalb aufgebaut ,werden, dessen Ionenstrom und damit dessen Empfindlichkeit bis zu niedrigen Drucken herab aufrechterhalten wird, indem eine Zellenanode mit kritisch proportionierten Zellen nach der Erfindung verwendet wird. Bei Vakuummetern werden allerdings die Kathodenplatten nicht aus reaktionsfähigem Werkstoff hergestellt, sondern aus einem Werkstoff, der entweder nur sehr schwer zu zerstäuben, ist oder der, wenn er zerstäubt, nicht dazu dient, mit ihm in Berührung kommendes Gas aufzufangen oder zu gettern, wenn es erwünscht ist, die Pumpwirkung dee Vakuummeters auf einem Minimum zu halten.

Die Lehren der Erfindung können auch auf Triodenpumpen angewandt werden. Solche Pumpen, in denen eine magnetisch zusammengeschnürte Glimmentladung verwendet wird, und die eine dritte oder eine Kollektorelektrode enthalten, wie beispielsweise in der älteren Anmeldung Y 2O.72O vom 26. Mai I96I vorgeschlagen. Darüber hinaus ist keine Hilfs-Elektronenquelle erforderlich, um eine Entladung bei niedrigen Drucken aufrechtzuerhalten.

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Claims (2)

H89222 V1 P22 D

1.) Vorrichtung für aagnetisoh zusaanengesohnurte Glimmentladung ■it einer Anode, diemit einer Vielzahl von kleinen hohlen« an den Enden offenen Zellen mit einer tiuerabBtenaung d versehen ist, die Auren durob die Anode greifende Löcher gebildet sind« wenigetons einergegenüber den offenen -nden der Anodenseilen angeordneten Kathode» die einen bestimmten Abstand von der Anode hat und mit dieser eine Cliaaentladungsstreoke bildet* und einer Sinriohtung zur Jrzeuguntf eines im wesentllohen koaxial zu den Anodenseilen gerichteten Magnetfeld« der -tHrke B, dadurch gekennzeichnet« dass zur Verstärkung der Glimmentladung bei Prukken unterhalb 10~⁷Torr das Produkt Bd grosser 1st ale 2,5 Kilogauss-c·, trenn B im Bereich von 0,5-3 Kilogaus β liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass d zwisohen 3,θ ca und 6,5 cm liegt, wenn B la Bereioh von 1,0 bis 2,0 Kllogauss liegt.

3· Vorrichtung nach Anspruoh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die L"ngc 1 der Zellen ia wesentlichen gleich oder grösaer ist •la die Querabaessung d.