DE1539127A1 - Vakuumvorrichtungen - Google Patents

Description

Granville - Phillips Company U.S₀ 562 825 Boulder, Colorado, USA prio 5-7» 1966

Neuanmeldung 2. September 1966 Vakuumvorrichtungen

Die Erfindung betrifft Ionen~Pumpvorrichtungen und Druckmeßgeräte und insbesondere verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur Erzielung' einer großen (Jesaintweglänge für durch ihr Winkelmoment eingefangene geladene Teilchen in einen elektrostatischen Feld»

In den letzten zehn Jahren hat die Technik zur Erzeugung niedriger Drucke wesentliche Fortschritte gemacht«, Eine der wichtigsten Entwicklungen stellt die sogenannte "Ionengetterpumpe* dar, welche bei zahlreichen Anwendungen denherköamllohen Vorrichtungen, wie Diffuslonsprapen oder mit Schaufeln oder Flügeln arbeitenden mechanischen Pumpen überlegen ist,

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Pumpen besitzen die lonengetterpumpen keine bewegten Teile, enthalten keine Flüssigkeiten wie Öl oder quecksilber und fördern die zu entfernenden Gase auch nicht an die äußere Atmosphäre. 909845/0417

Bei lonengetterpunpen werden stattdessen aus einer geeigneten Quelle Elektronen freigesetzt und In einem Bereich innerhalb der Pumpe bewegt, bis sie mit hinreichender Energie auf GaemolekUle treffen, um diese zu ionisieren, oddr von einer Elektrode eingefangen werden. Die auf diese Weise erzeugten Gasionen werden durch geeignete elektrische Felder beschleunigt und treffen dann auf geeignete Oberflüchen auf, wo sie eingeschlossen werden. Gleichzeitig wird ^ Getteriuaterial zerstäubt oder verdampft oder auf andere Veise auf bestimmten Inneren Oberflächen niedergeschlagen, so daß die eingeschlossenen Ionen weiter abgedeckt werden« Das frisch niedergeschlagene Gettermaterial reagiert mit chemisch aktiven Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff auch ohne vorherigen Ionenbildung _o Die derart gebildeten chemischen Verbindungen werden an den inneren Oberflächen der Pumpe festgehalten.

Je länger nun der Weg eines Elektrons vor dem Einfang durch ' eine Elektrode ist, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Ionisierenden Zusammenstoßes mit einem Gasmolekül, welches dadurch aus dem System entfernt wird«, Zur Erzielung der für einen wirksamen Ionengetter-Punpeffekt erforderlichen großen Weglängen der Elektronen wurden bisher zwei grundsätzlich verschiedene Methoden mit jeweils verschiedenen Modifikationen angewandt»

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Bei der einen, als "Evaporion-Verfahren¹* bezeichneten und in den USA-Patentschriften 2 850 225, 2 888 189 und 2 894 beschriebenen Arbeitsweise werden die ionisierenden Elektronen durch Gitter hin und her geleitet» Da Jedoch selbst bei einem su 95 % offenen Gitter im wesentlichen alle Elektronen nach nur einigen Dutzend Durchgängen eingefangen werden, ist die erzielte Veglänge der Elektronen relativ kurz,,

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Die zweite, unter der Bezeichnung "Zerstäuber-Ionen-Verfithren" bekannte, ia der USA-Pa tentechrif'fc 2 993 638 beschriebene Arbeitsweise verwendet aagnetisehe und elektrische Felder zur Führung d*r Elektronen_o Derartige Vorrichtungen αtellen eiiae wesentlich© Verbesserung gegenüber der Evaporien-Metfeeße der, de die Elektronen nicht «ehr durch Gitter htßdurohgeführt werden, sondern stete in freien Raum simulieren. Zur Erzielung einer hohenPumpgesehwindigkeit sties en jedoch Mehrfachzeil-Anordnungen benutzt und diese Seilen zur Erzeugung der erforderlichen starken Magnetfelder «wischen die Polflüchen ?on Peraanentmagiteten eingebracht werden« Bei diesen Vorrichtungen ist es daher schwierig und aufwendig« bei noch in die engen Zwischenräume swisehen d«n heutigen Permanentmagneten passenden Zellen einen hohen Gasleitwert aufrechtzuerhalten, Derartige Permanentmagnete eind ferner massig, schwer und aufwendig und erzeugen sudem unerwünschte Streufelder* Wegen

der engen Platzverhältnisse .ist es fast unmöglich, das 309845/0417

Getter-Material gleichmäßig in den Entgasungeraum zu verdampfen um die Pumpwirkung zu verbessern oder zuvor eingeeohlossene Ionen zu bedecken. Bei derartigen Vorrichtungen wird daher das frische Getter-Material durch Zerstäubung erzeugt, jedoch 1st dazu eine so intensive Zerstäubung erforderlich, daß die Gefahr besteht, das zuvor eingeschlossenes Gas wieder aufgedeckt wird,,

Ein drittes Verfahren zur Erzeugung langer Elektronenwege wurde von J, R* Pierce in seinen Buch "Theory and Design of Electron Beams" (Van Nostrand Co₀, Inc., New York, 19^9) auf den Selten 33 und 34 vorgeschlagene Der Autor beschreibt darin die Führung von Elektronen durch Konservierung ihres Winkelaonents in rein elektrostatischen Feldern ohne Verwendung von Gittern oder Magnetfeldern« In Abschnitt 4, 2 seines Buches "Radial Electric Fields; Conservation of Angular Momentum" schreibt der Autor:

"Betrachtet sei ein Feld, in welchen das Potential lediglich eine Funktion des Kadius 1st,. Ein derartiges Feld kann ladungsfrei sein oder eine nennenswerte Ladung durch bewegte Elektronen (Raunladung) enthalten. Wenn F₀ in einem solchen Feld gleich Null 1st, gilt:

2 *
worin r O konstant ist„ Wenn man beispielsweise

Elektronen betrachtet, welche die Innenfläche einer 909845/0417

zylindrischen Kathode mit einer Anfangsgesohwindigkeit (beispielsweise thermische Geschwindigkeit) verlassen und gegen eine kleine zylindrische Anode angezogen werden, _o,<>"

Der Autor zeigt dann, daß man bei einer Injektion der Elektronen mit einem geeigneten Winkelmoment erreichen kann, daß die Elektronen die zentrale Anode verfehlen. Elementare Energiebetrachtungen zeigen, daß die Elektronen > bei einem Austreten aus einer quelle mit einem Potential "

zwischen der Kathode und der Anode eine zum Erreichen der Kathode unzureichende Energie besitzen. Derartigen Elektronen fehlt es ferner an der nötigen Energie um aus den Knden der zylindrischen Diode auszustreten, unabhängig davon ob die Kathode mit Endkappen versehen ist oder nicht. Die Elektronen werden somit gezwungen kontinuierlich um die Anode zu kreisen, bis sie entweder auf die Elektronenquelle auftreffen, aus der sie ausgetreten sind, oder durch Asymmetrien des Feldes oder Zusammenstoß mit einem g

Ga;molekül ihr Winkelmoment ganz oder teilweise verlie» renn Die auf diese Weise erzeugten Gasionen werden durch das radiale Feld in Richtung auf die Kathode beschleunigt und dort, wie bei jeder Ionengetter-Pumpe eingefangen»

Eine auf der vorstehend beschriebenen Anordnung basierende Vorrichtung zum wirksamen Einfangen von Elektronen erfordert jedoch die Entwicklung einer Vorrichtung und

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einer Methode zur Injektion von Elektronen mit geeigneter Energie und geeignetem Winkelmoment, wobei die Vorrichtung so angeordnet sein muß, daß sie das radiale Feld nicht nennenswert stört, damit eine möglichst hohe Anzahl von Elektronen in eingegangenem Zustand gehalten werden kann*

Gemäß der ÜSA~Patentschrift 3 118 077 wird eine Elektronenkanone verwendet, um einen wohldefinierten Elektronenstrahl

fc tangential in den Kingraum zwischen Kathode und Anode zu richten. Eine derartige Anordnung hat jedoch verschiedene schwerwiegende Naohtelle. Einerseits treten die Elektronen aus der Elektronenkanone sämtlich mit nahezu gleichem Winkelmoment und gleicher Energie aus und nehmen daher, abgesehen von einer geringen Raumladungsstreuung samtlich den gleiohen Weg. Der gesamte Elektronenweg liegt ferner im wesentlichen in der gleichen Ebene, so daß alle Elektronen in einem sehr geringen Volumen der Vorrichtung konzentriert werden. Hierdurch wird eine Raumladung aufge-

" baut, welche die zwischen Anode und Kathode stabil kreisend gehaltene Ladungsmenge stark begrenzt« Schließlich kollidieren die meisten der Elektronen naoh nur wenigen Umläufen um die Anode mit der in der Eben· der kreisenden Elektronen liegenden Elektronenkanone. ■

Ee wurde nun gefunden, daß man diese und andere Schwierigkeiten vermeiden kann« wenn man die Elektronen so in

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den Riegraum zwischen Kathode und Anode einführt, daß ihre Wege im wesentlichen den ganzen Raum ausfüllen und die Elektronen in axialer Richtung von der emittierenden yuelle weggeführt werden«, Die Elektronen werden dabei zwar sämtlich mit im wesentlichen dergleichen Energie_c jedoch verschiedenen Vinkelmosenten eingeführt, welche kontinuierlich Über einen Bereich zwischen zu einer sofortigen Kollision mit der Anode führenden kleinen Werten und zu vollständigem Verfehlen der Kathode führenden Vierten verteilt sind. % Die Elektronen werden ferner in einen solchen Bereich des elektrostatischen Feldes eingeführt, in welchem das Feld eine axiale Komponente besitzt. Derartige axialo Feldkomponenten bestehen beispielsweise in den Bereichen, in denen die Anode vor der Kathode endet oder eine Endkappe das Ende der Kathode abdeckt* Die auf diese Weise eingeführten Elektronen neigen dazu, um die Anode in einer unbegrenzten Zahl von bestimmten Wegen umzulaufen« Da jedem Elektron eine axiale Geschwlndlgkeitekomponente erteilt wird, folgen die Elektronen rosettenartlg gewendelten Bahnen t welche von der Emissionsquelle wegführen. An dem der Emisoionsvorrichtung gegenüberliegenden Ende der Vorrichtung verbleibt das Feld zylindrisch symmetrisch, so daß die Elektronen ohne Veränderung des Betrages ihres Winkelmoments reflektiert werden und um die Anode in Richtung auf die Emiesionsvorrichtung zurück rotieren. Nach Erreichen des Emissionsendes der Vorrichtung durchläuft ein Teil der Elektronen eine weitere Umlauffolge der vor-909845/0417

stehend beschriebenen Art. Auf diese Weise kann die durchschnittliche Weglänge der Elektronen im Vergleich zu den mit den vorbekannten Vorrichtungen erzielten Weglängen um mehr als das Hunderttausendfache verlängert werden. Dabei nähert sich die umlaufende Ladungsmenge den theoretischen Maximum, d„ h„ der Ladung auf dem durch die Anoden-Kathoden-Anordnung gebildeten Kondensator.

fc Nach einer bevorzugten Ausführung8form wird zwischen Kathode und Anode eine mit der Anode konzentrische Gitterelektrode angeordnet und auf einem Potential zwisohen dem der Anode und dem der Kathode gehalten« Die Elektronen werden dabei in den Ringraum zwischen der Gitterelektrode und der Anode mit solcher Energie und solcher Winkelmomentverteilung eingeführt, daß sie in erzwungenen Umlaufbahnen um die Anode gehalten werden« Hinsichtlich der kreisenden , Elektronen wirkt die Gitterelektrode in der gleichen Weise, wie die Kathode der weiter oben beschriebenen Diodenstmk-

* tür. Die umlaufenden Elektronen durchlaufen sehr lange Wege und erreichen hinsichtlich der Anregung oder Ionisierung von zwischen Anode und Gitterelektrode vorhandenen GasmolekUlen einen hohen Wirkungsgrad. Die auf diese.Weise erzeugten positiven Ionen werden durch das elektrostatische Feld aua den von der Gitteranode urneohloeoenen Raum heraus radial nach außen beschleunigt» Durch das elektrostatische Feld zwischen der Gitterelektrode und der Kathode werden Ionen weiter in Richtung auf die Kathode be-

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schleunigt und auf dieser eingeschlossen* Die Kathode besteht dabei aus einem Gettermat.eriai, beispielsweise Titan, oder vorzugsweise aus einem Metall, wie beispieleweise rostfreiem Stahl, auf welche kontinuierlich oder diskontinuierlich eine Beschichtung mit Gettermaterlal aufgedampft wird«

Bei der Diodenstruktur ohne Gitterelektrode besitzen die Ton der Anode entfernt gebildeten Ionen keine hinreichende Energie, um in der Kathode eingeschlossen zu werden. Bei ™

der Triodenanordnung werden alle in dem Raun zwischen d^er Anode und der Gitterelektrode erzeugten Ionen auf eine hinreichend hohe Energie beschleunigt, daß sie in der Kathode eingeschlossen werden.

Ein weiterer Vorteil der Triodenkonfiguration beruht auf der Tatsache, daß experimentell festgestellt wurde, dafl die Blektronenraumladung um die Anode bei den zu einem guten Wirkungegrad führenden Elektronendichten instabil ' ' d ist» Daher können einige Elektronen durch Raumladungsoszillationen, Zusammenstöße oder auf andere Weise hinreichende zusätzliche Energie erlangen, um bei der Diodenvorrichtung bis zur Kathode zu gelangen. Hierdurch enthält der zur Kathode gelangende Strom aueser Ionen auch Elektronen und ist daher kein Maß mehr für den Gasdruck in der Diodenetruktur» Demgegenüber werden bei der Triodenanordnung alle den Raum zwischen der Anode und der

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Gitterelektrode etwa verlassende Elektronen duroh das elektrostatische Fold zxfleehen der Gitterelektrode und der Kathode zurüokgelenkt, so daß der der Kathode zufließende Strom aussohließlich aus positiven Ionen besteht und ein verläßliches Maß für den Druck In Bereich zvlsohen der Anode und der Gitterelektrode darstellt, so daß die Pumpe den in ihr herrechenden Gasdruck messen kann.

Bei Verwendung der Triodenanordnung läßt sich jedoch noch ein weiterer Vorteil erzielen« Venn man die Gitterelektrode näher an der Anode anordnet, wird die Kapazität von Gitterelektrode und Anode und damit die elektrische Ladung auf dem aus Gitterelektrode und Anode bestehenden Kondensator vergrößert_o Hierdurch wird die obere Grenze für die umlaufende Elektronenladung erhöht mit einer entsprechenden Steigerung der Ionenerzeugung, Besonders wesentlich ist, daß diese Steigerung ohne (juerschnittsverringerung der Kathode und somit ohne Verminderung des Gasleitwertes in die Kathode erzielt wird.

Ks wurde ferner gefunden, daß man die Leistung der erfindungegemäOen Triodenvorrichtung weiter verbessern kann, wenn man eine Mehrzahl von jeweils aus einer Gitterelektrode und einer Anode bestehenden Strukturen innerhalb einer einzelnen Kathode anordnet. Dies führt zu einer erhöhten Pumpgeschwindigkeit fUr sowohl aktive

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als auch inerte Gase, wie weiter unten im einzelnen beschrieben werden wird..

Erfindungsgemäß sollen deiaentspreohend nun neuartige elektrostatische Ionengetterpumpen mit Mehrfachzellanordnung, neuartigen, das elektrostatische Feld nur geringfügig störenden und den umlaufenden Elektronen nur ein kleines physikalisches Ziel bietenden Elektronen-Injektorvorrichtungen, und gegebenenfalls verbesserter Anordnung einer J Sublimiervorrichtung vorgeschlagen werden. Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art stellen auch verbesserte Vakuummeßgeräte dar, deren Meßwerte genau auf der Anzahl von Gasteilchen im Meßraum basieren.

Im folgenden werden bevorzugte AuoiIihrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.. 1 eine sehematische Darstellung einer einzeiligen ™ Ionengetterpumpe,

Fig ^ 2 eine schenatische Darstellung einer bevorzugte^ Ausführungsform einer Mehrzellen-Ionengetterpumpe,

Fig. 3 eine sohematische Darstellung einer als Ionisations-VakuuQuneßgertit verwendeten abgewandelten AuefUhrungsforia der Erfindung,

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Pig„ 4 eine schematisohe Darstellung eines lonisations-VakuummeDrohres mit einer abgewandelten Tetroden-Aus fUhrungs form der Erfindung,

Fig„ 5 eine AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Injektorvorrichtung,

Figo 6 eine bevorzugte AusfUhrungsform der erfindungsgemUßen Injektorvorrichtung,

FIg_n 7 eine schenatlsche Darstellung oiner Diode zur Er-) läuterung der optimalen Anordnung der Elektronen-

Injektorvorrichtung,

Figo 8 eine schematische Darstellung der fUr die erfindungsgemäße VQrriohtung typischen rosettenförmigen Umlaufbahn der eingefangenen Elektronen,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Gesamtenergie und verschiedener Energiekomponenten der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung umlaufenden Elektronen und

Fig.10 eine schematisohe Darstellung einer Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Figo ?.

In Figc 1 1st eine einzellige Struktur sohematlsoh dargestellt mit einer Kathode 202, einer Anode 203 und einer Gitterelektrode 204, welche sämtlich koaxiale Zylinder darstellenο Die Emissionsvorrichtung 215 ist zwischen der Anode 205 und der Gitterelektrode 204 angeordnet.,

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Da die Gitterelektrode 204 der Anode 203 wesentlich näher liegt, als die Kathode 202, ist die Kapazität zwischen der Gitterelektrode 204 und der Anode 203 erheblich größer als die Kapazität eines Systems, welches nur die Anode und die Kathode ohne zwischengeschaltete Gitterelektrode enthält. Daraus folgt, daß auf dem aus der Anode und der Gitterelektrode stehenden Kondensator eine erheblich höhere Ladung gespeichert werden kann, als auf den aus Anode und Kathode ohne Gitterelektrode bestehenden Kondensator. Da die um die Anode stabil umlaufende Elektronenladung auf ™

etwa 50 bis 75 # der gebundenen Ladung des Kondensators begrenzt ist, ermöglicht der Kondensator aus Anode und Gitterelektrode eine starke Erhöhung der umlaufenden Elektronenanzahl, so daß der zugehörige Ionenpumpeffekt entsprechend ansteigt«,

Die gleiche Steigerung der Ionenpumpkapazität könnte an sich auch durch Verringerung des Durchmessers der Kathode 202 auf den Durchmesser der Gitterelektrode 204 bewirkt i

werden, jedoch würde dies eine sehr erhebliche Verringerung der Pumpkapazitat für aktive Gase bedeuten. Eine Erhöhung der Kapazität durch Vergrößerung des Anodendurchmessers würde andererseits durch Verkürzung des Elektronenweges *zu -einer schwerwiegenden Beeinträchtigung des lonenpumpeffekts führen und durch Störung des Strömungsweges auch den Gasleitwert der Vorrichtung herabsetzen,, Bei Pumpen dieser Art muß berücksichtigt werden, daß es

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sich eigentlich um zwei Pumpen mit verschiedenen Funktionen handelt, die nicht immer übereinstimmen. Derartige Vorrichtungen müssen sich einerseits zur Entfernung von chemisch aktiven Gasen, vie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff eignen und andererseits auch in der Lage sein, die chemisch inaktiven Gase, wie Xenon, Krypton, Neon, Argon und Helium aus dem System zu beseitigen» Die aktiven Gase bilden kein besonderes Problem, *. da sie duroh Schichten aua geeigneten» Gettermaterial, beispielsweise Titan_B durch chemische Reaktion leicht eingefangen werden. Die Atome der inaktiven Gase müssen andererseits durch Elektronenbeschuß ionisiert werden^um positive Ionen zu erzeugen, welche dann gegen geeignete Sammelflächen getrieben und unter einer Schicht von frisch aufgebrachtem Gettermaterial eingeschlossen werden,

Die Unstimmigkeiten entstehen dadurch, daß durch das System ein im Vergleich zu den inaktiven Gasen ^oträoht- * lieh größeres Volumen an <*'·~^Λ,?,νβη Gasen behandelt werden muß. Aus den vorstehend © ahnten Gründen wird eine auf die Behandlung von groß^ Volumina aktiver Gase ausgelegte Pumpe wegen der verringerten Kapazität eines Systems mit in großem Abstand von der Anode angeordneter Kathode nur eine geringe Ionenpumpkapazltät besitzen. Umgekehrt führt eine Erhöhung der Ionenpumpkapazltät durch Annäherung der Kathode an die Anode zu einer Verringerung des aktiven

Gasleitwertes der Kathode mit der dritten Potenz ihres 909845/0417'

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Durchmessers. Dies stellt offensichtlich eine schwerwiegende Beschränkung der Dioden-Ionengetterpumpen dar, wodurch die jeweils gewählte Lösung einen Kompromiß zwischen den Pumpkapazitüten für aktive und inaktive Oase

darstellt, bei welchem beide Werte mehr oder weniger herabgesetzt sind·

Durch Verwendung der erf indnngsgemKß' vorgeschlagenen Triodenanordnung gemäß Fig. 1 ist es nun möglich, durch Beibehaltung der Kathode 202 grollen Durchmessers einerseits einen hohen Gasleitwert für aktive Oase und andererseits durch Anwendung der eine höhe Kapazität aufweisenden Gitterelektroden-Anoden-Anordnung gleichzeitig eine optimale Pumpleistung fur inaktive Gase zu erreichen. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, daß das zur Erzeugung einer großen Durchschnittsweglänge der Elektronen erforderliche, radialsynmetri sehe elektrostatische Feld durch Verwendung einer die Anode koaxial umgebenden hohlzylindrischen Gitterelektrode erzielt wird und von der Form oder Anordnung der Kathode relativ zu diesem System aus Gitterelektrode und Anode unabhängig ist.

In FIg, 2 ist ein System mit einer im Vergleich zu der Vorrichtung gecäO Flg. 1 erhöhten lonenpumpkapazitüt bei gleichzeitig-unverminderter Pumpgeschwindigkeit für aktive Gase dargestellt. Im Inneren der Kathode 202 ist dabei

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eine Mehrzahl von kleineren Zellen aus jeweils einer anode und einer diese koaxial umgebenden Gitterelektrode angeordnet, wobei jede der Zellen wegen dee geringen Abstandet zwischen Gitterelektrode und Anode sowohl eine höhere . Kapazität, als auch eine höhere lonenpumplelstung besitzt. Jede dieser kleineren Zellen benötigt zwar ihre eigene Elektroneninjektorvorricntung, jedoch gentigt eine einzige, bezogen auf die Kathode zentral angeordnete quelle für Gettermaterlal für eine gleichmäßige Ablagerung desselben„ Bei Verwendung von Mehrfachzellen der in Fig. 2 dargestellten Art, in der jede Zelle einer der Gitterelektroden-Anoden-Kombination entspricht, kann eine durch Leitung beheizte Subl!nietvorrichtung verwendet werden.. Derartige durch Leitung beheizte Sublimiervorrichtungen beruhen im allgemeinen auf der Heizwirkung eines durch das zu subliiDierendo Material selbst oder ein an dieses angrenzendes Material geleiteten elektrischen Stromes. Obgleich in Pigc 2 eine schenatisohe Darstellung einer bevorzugten Anordnung der kleineren Zellen dargestellt ist, erscheint es nicht erforderlich, weitere mögliche Anordnungen für eine Mehrzahl derartiger Zellen in einer einzelnen Kathode zu erläutern, da den Fachmann aufgrund der gegebenen Lehre zahlreiche verschiedene Möglichkeiten für geeignete Anordnungen geläufig sind.

Der Mittelbereich 200 der äußeren Kathode 202 zwischen den Gitterelektroden 20%, 206, 208 und 210 besitzt ein

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relativ niedriges Potential und eignet sich daher für die Anordnung einer sich lUngs der Mittelachse der Kathode erstreckenden, durch elektrische Leitung beheizten Sublimiervorrichtung. Eine hierfür geeignete Sublimiervorrichtung ist in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung

(U,S. 556 683) beschriebenο Die IHngs der Mittelachse angeordnete Sublimiervorrichtung 212 erzeugt zum Pumpen von aktiven Gasen auf der Innenfläche der Kathode eine sehr gleichaKesige Schicht aus frischem Gettermaterlalo I Bei Diodenvorrichtungen nuß dagegen eine in der Mittelachse der Kathode angeordnete, durch elektrische Leitung beheizte Sublimiervorrichtung gleichzeitig als Anode dienen und somit mit einem hohen Potential betrieben werden„ Hierdurch wird der Betrieb und die Steuerung außerordentlich erschwert. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mehrzelligen Vorrichtung wird dieses Problem vollständig vermieden und eine Anordnung erhalten, welche wegen der Hehrzahl der Zellen eine hohe Pumpgeschwindigkeit für inaktive Gase und gleichzeitig infolge der großen Oberfläche des an der Innenwand der Kathode 202 niedergeschlagenen Geiterziaterials eine hohe Pumpgeschwindigkeit für aktive Gase aufweist.

Figuren 5 und 6 zeigen bevorzugte Ausführungsformen von zwischen die Gitterelektrode und die Anode der in den Figuren i und 2 dargestellten Systeme angeordneten Elektr0n©ninjektorvorrichtungen_e Da3 derartigen Injektorvor-90*845/04-17

richtungen zugrunde liegende Problem besteht hauptsächlich darin, die Elektronen mit der geeigneten Energie und einem geeigneten Winkelmoment einzuführen, und dabei weder die notwendige Symmetrie der elektrostatischen Felder nennenswert zu beeinträchtigen, noch ein größeres physikalisches Ziel für die Elektronen zu erzeugen„

Untersuchungen über das Potentialfeld in der Umgebung W eines sehr feinen Drahtes haben gezeigt, daß die Störungen des umgebenden Feldes durch den Draht alt abnehmendem Durchmesser des Drahtes weitgehend um den Draht selbst herum lokalisiert werden. Andererseits ist das elektrische Feld um einen feinen Draht fast unabhängig von dem Feld, in welches der Draht eingeführt wird»

Hieraus ergab sich als geeignete Emmittiervorriehtung ein sehr feiner Draht von vorzugsweise rechtwinkligem oder . quadratischem oder kreisförmigem muersch^nitt mit einer zur Erzeugung der §<um ...» Emission gerade ausreichenden LKnge. Dieser Draht ^ d zweckmäßig an einem Ende der Dioden- oder Triodenvorriehtung zwischen der Anode und der nächstfolgenden Hußeren Elektrode angeordnet, so daß seine LUngsaohse der Anode in einem radialen Abstand parallel verläuft ρ welcher durch Auswertung eines Potentialenergiediagramms der in Fig. 9 gezeigten Art in der weiter unten beschriebenen Weise ermittelt werden kann«. Der Draht wird zweckmäßig in solcher Entfernung vom Ende der Diode oder

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Triode angeordnet, daß er nicht hauptsHchlich in dem axialen Feld nahe den Ende der Vorrichtung liegt, andererseits von dieses Ende nicht soweit entfernt ist , daß die wirksane Länge der Vorrichtung merklich verkürzt wird oder der Draht zu velt in den Radialfeidbere^J.ch hineinragt.

Eaisobnsvorrichtungen alt Fadenträgern und Schild besitzen gewöhnlich einen relativ großen geometrischen querschnitt gegenüber umlaufenden Elektronen und stören auch die ,

symmetrische Potentialverteilung,, Die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Eicisslonsvorrichtungen führen zu einer erheb Hohen Verminderung dieser Schwierigkeiten.

Fig» 5 zeigt ein haarnadelfHrmig umgebogenes dünnes Band 218, vorzugsweise aus einem hitzebeständlgen Metall, wie beispielsweise Iridium,mit einer Dicke von etwa 0,05 mm und einer Breite von etwa 0,15 «■· Die Abmessungen können jedoch je nach den Verhältnissen des Einzelfalles entsprechend variiert werden. Das Band kann vor dem Umbiegen { auf etwa der Hälfte seiner Länge einseitig mit einem etwa 0 _f05 mm starken Überzug aus einem Hochtemperatur-Isoliermaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, Beryllium-62yd oder Thoriumoxyd beschichtet werden. Das Band wird dann haarnadelföruig umgebogen und der Iβöllerüberzug festgebrannto Auf diese Weise wird eine Fadenstruktur mit einem querschnitt von nur etwa 0_p15 x 0,15 bub erhalten«

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Zur Vermeidung einer direkt auf die,Anode gerichteten Emission werden die Außenflächen des Bandes mit einem Überzug 222 aus einem Material mit einer sehr niedrigen Austrittsarbeit, beispielsweise Thoriumoxyd oder Lanthanhexaborld versehen* Die Kanten 221 des Metallbandes 218 werden nicht beschichtet, sondern blank gelassen. *

Die EmIttlervorriohtuhg wird in der Dioden- oder Trioden- || vorrichtung so angeordnet, daß der Faden parallel zur

Anode liegt und die Flächen geringer Austrittsarbelt in die in FIg_n 7 dargestellte e-Kiohtung zeigen. Auf diese Weise tritt beim Erhitzen des Fadens die Elektronen· emission bei den beschichteten Flächen niedriger Austritts· arbeit bereits bei so niedrigen Temperaturen ein, bei denen noch keine Emission von den Kanten des Metallbnndes erfolgt. Da die exmittierende Struktur einen so geringen querschnitt besitzt, wird sie Ib Betrieb von einem sehr intensiven elektrischen Feld umgeben. Daher erlangen die in dor e-Richtung emmittlerten Elektronen eine erheblich· Geschwindigkeit in Θ^-Richtung und damit ein beträchtliches Winkelmoment, bevor sie aus dem fast reinen ©-gerichteten elektrischen Feld auetreten, in welchem sie eomittiert werdenο Auf diese Weise werden gerichtete Elektronengeschwindigkeiten erzielt aus einer Struktur, deren Gesamtquerschnitt denjenigen der bisher Üblichen DrahtemHlttiervorrichtung nicht übersteigt_o

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Da die Emm'ittiervorrichtung Haarnadelform besitzt, wirft eine Expansion koine Probleme auf_p so daß keine Federn benötigt werden, welcho die physikalischen Abmessungen vergrößern und das symmetrische Potentialfeld stören würden,, Da ferner der.Überzug mit geringer Austrittsarbeit nicht über die gesamte Länge des Metallbandes herabgezogen ist, liegen die größeren MetalltragstKbe 223 völlig außerhalb des Emlssionsbereiohes und verursachen keine Schwierigkeiten _o

Die bevorzugte Aus fiihrungsform der erfindungsgemäß verwendeten Klektronenemm'ittlervorrichtung 1st InFIg₀ 6 perspektivisch dargestellt. Die eigentliche EmmUttiervorrichtung 224 wird zweckmäßig durch elektrochemisches Xtzen aus einem Metallblech, beispielsweise reinem Wolfram, erzeugt,, Hierzu kann man beispielsweise ein etwa 0,1 ram dicke« Blech mit einer lichtelektrischen Beschichtung versehen und dann durch eine geeignete Maske hindurch belichten, um die durch Ätzung zu entfernenden Bereiche aufzuzeichnen» Die auf diese Weise erhaltene fadenförmige Struktur kann zweckmäßig auf einer Platte 227 aus beispielsweise Aluainiumoxyd befestigt werden« Die Platte 227 dient dabei zur mechanischen Unterstützung und zur elektrischen Isolierung der Emprtttiervorrichtüng_e Diese einfache, einstückige streifenförmige Emjslttiervorriohtung ergibt eine roiohlicho Emission Über einen großen

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Bereich verschiedener Winkelmomente bei gleichzeitig vernachlässigbar geringer Emission in Richtung der Anode, sofern sie mit Ihrer Fläche 226 in einer annähernd in Θ-Richtung verlaufenden Ebene angeordnet ist. Da die FlSohe erheblich größer ist, als die Fläche der Kante 225 be· trägt die Emission in Θ-Ric.htung bei einer Anordnung der Fläche 226 in radialer Richtung und einer Stegbreite W In Flg.. 6 von etwa 0,3 m und einer Dicke von etwa 0,1 an das sechsfache der Emission in radialer Richtung. Diese Emjn'ittiervorrichtung erzeugt ferner lediglich eine vernachlässigbar geringe Verzerrung der zylindersymmetrischen Potentialverteilung zwischen Anode und Gitterelektrode, so daß εie die Weglänge der umlaufenden Elektronen nicht merklich verringert.

Da die Vorrichtung schließlich an ihrer Basis 227 zur Bildung der Tragvorrichtung unter einem rechten Winkel abgebogen ist, wird eine ungleiohmitssige thermische Ausdehnung der Schenkel au*- .tisch durch eine Biegung der Tragteile kompensiert,, ρ daß die üblicherweise für Hoch» temperatur-EmjAttiervor* lohtungen erforderlichen Halterungsfedern nicht benötigt werden.

Es wurde weiter gefunden, daß das Verhältnis des Gitterelektrodendurchmessers zum Anodendurchmesser die Ionenpumpgeschwindigkeit erheblich beeinflußt. Dieses Verhältnis wurde zu etwa 15_c4 bestimmt. Bei einem Durchmesser 909845/041 7

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der Gitterelektrode von etwa 36,5 ram würde sich somit ein Anodendurchmesser von etwa 4 mm ergeben.

Die lonenpumpgesohwlndigkelt wird ferner durch den Durchmesser und den Abstand der Drähte der Gitterelektrode beeinflußtο Bei einem Durchmesser der Gitterelektrode von 36,5 mm und einem Anodendurohmesser von etwa k mm beträgt der optimale Durohmesser des Drahtes der Gitterelektrode etwa 0,53 mm und der optimale Drahtabstand etwa 6,3 mm.

Die Anordnung der Emjrfittlervorriohtung beeinflußt ebenfalls die Ionenpumpleistung» Wenn die Emjiittiervorrichtung 15 mm von der Hittelachse der Anode angeordnet 1st, ergibt sich eine Argonionenpumpgeschwindigkeit pro Zelle von 10,6 l/seo bei den vorstehend angegebenen Abmessungen der Anode und des Gitterelektrodendurchmessers„ Wird die Emotttleitvorrichtung demgegenüber um .0,8 mm der Anode genähert, sinkt die Pumpgeschwindigkeit auf 8,1 l/sec pro Zelle. Auch die axiale Stellung der Spitze der Emmlttiervorrichtung bezogen auf den weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 10 beschriebenen Anodensehild beeinflußt die Ionenpumpgeechwlndigkeit. Die optimale Stellung der Spitze der Emalttiervorrichtung liegt bei einem radialen Abstand von 15,2 mm etwa 12₀7 mm vom Anodenende. Eine Veränderung der axialen Stellung der Emjri tt leitvorrichtung um £ 6 _p 3 mm verringert die lonenpumpgeschwindlgkelt

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- 24 für Argon um etwa 25 #«

Wie weiter unten gezeigt werden wird, gibt es für die axiale Stellung der Spitze der EmptiLttiervorriohtung kein einheitliches Optimum für sämtliche radialen Abstände von der Anode, sondern für jeden Abstand vom Anodenschlld, in des eine Komponente eines axialen elektrischen Feldes existiert gibt es eine entsprechende optimale Radialdistanz von der Anode.

Wie die vorstellenden Ausführungen zeigen, ist sowohl die radiale, als auch die axiale Stellung der Elektronen» injektorvorrichtung wesentlich. Zum Verständnis der Ursachen dieser Abhängigkeit ist es erforderlich, bis zu einem gewissen Grade in die Theorie der Elektronenbewegung in einer zylindrischen Diode einzudringen«, Dabei werden sich auch Kriteria für die Wahl der zur Erzielung eines maximalen Gesamtelektronenweges und damit einer maximalen Ionisationswirlrang bei jedem gegebenen Druck geeigneten Werten für die Elektronenenergie und die Winkelmomente ergeben, per Gesamtelektronenweg ist dabei definiert als Produkt aus der Anzahl n_f der umlaufenden Elektronen und der Durchschnittsweglänge JL eines Elektrons zwischen Elektroden. Die folgende Ableitung bezieht sich auf die Verhältnisse bei einer Diode, jedoch kann der Raum zwischen dor Anode und der Gitterelektrode einer

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- 25 Triode in entsprechender Weise behandelt werden.

Betrachtet aan die Bewegung eines Elektrons in einer langgestreckten sylindrisohen konzentrischen Diode 230 der in Fig» 7 gezeigten Art alt einer zentralen Anode 232 und be* zeichnet das gegenüber der Kathode 234t. positive Potential an eines Punkt P la Abstand r* yon der Anödenaltte als f(r) , so gilt für die auf ein Elektron ia Punkt P wirkende elektrische Kraft die Gleichung: d

A In

(1)

In der /t den radialen Abstand zu einem willkürlich gewählten Punkt in Metern, R₁ den Anodenradius in Metern, R₂ den Kathodenradius in Metern, V_& das Anodenpotential gegenüber der Kathode in Volt und € die Elektronenladung in Couloab darstellen. Die Bewegungsgieiohungen für ein Elektron in xjllndrisohen Koordinaten sind:

P(r) » ar.- are⁸ (2)

ar θ ♦2are * 0 (3)

Worin die Anzahl der Punkte über einem Symbol der Anzahl der Differentiationen nach der Zeit bedeuten (eine vollständigere Behandlung der Bewegung in einem Zentralkraft-

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fold sind in dem Buch von K₃ Goldstein, "Classical Mechanics", Addiaon-Wesley, Reading, Mass», 1950, Seite 58 beschrieben. Wenn man die vorstehende Gleichung (3) mit J» multipliziert und umschreibt, so ergibt sieh die Gleichung:

Diese Gleichung zeigt, daß das Winkelmoment L des Elektrons unverändert bleibt. Wenn man nun θ in Gleichung (2) gemäß der Beziehung der Gleichung (h) durch L ersetzt, ergibt sich die Gleichung:

(r) * P(r) + ^T » nur 15)

Wenn man die Gleichung (2) in der For« der Gleichung (5) schreibt, erhält man einen Ausdruck in der Fora des zweiten Newton¹sehen Gesetzes:

f > >a (6)

Dabei kann P{tc) als die auf das Elektron einwirkende Kraft, P(r) als die auf das Elektron wirkende elektrische Kraft und L²/»r ³ als sogenannte "Zentrifugalkraft" angesehen werden. Auf der rechten Seite der Gleichung (5) ist das Produkt aus Masse und der r-Komponente der Beschleunigung angegeben«

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Zur Untersuchung der Elektronenbewegung 1st es nützlich, auch die effektive Potentialenergie ff(r ) *u betrachten, welche der folgenden Gleichung entspricht:

Kr) « -fr(r)dr (7)

In Pig. 9 ist für ein Elektron in der Diode gemäß Fig. 7 die elektrische Potentialenergie -€<f(r ) für ein Anodenpotential von 4000 V gegenüber der Kathode, einen Anoden- * radius R. von 11,9 ■■ und eine» Kathodenradius R„ von 18p3 mn graphisch dargestellt. Die vorstehenden Randbedingungen und Abmessungen wurden lediglich als Beispiel sur besseren Erläuterung gewählt. Wenn man nun f (K₂) gleich Null, Y (R₁) gleich V_ft und 1 (R₂) gleich L²/2»r ² wählt, läßt sich leicht zeigen, daß fUr f (r ) die folgende Gleichung gilt:.

* Or).. «γ _{(r) +}-i^ (β)

2er

Wenn man diese Gleichung auf ein Elektron anwendet, 1st -C negativ. Der Ausdruck L /2er stellt daher die imaginäre Potentialenergie dar, welche durch die iBaginKre Zentrifugalkraft L /ar * er fleugt wird ο In den Patentansprüchen wird dies aur Vereinfachung als "Zentrifugalenergieitomponente" der gesamten Potential energie bezeichnet;·- ■ _■■:■■■:■■.■■'

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Fig. 9 zeigt die entsprechenden Kurven für die elektrische Potentialenergie -i 'jf(r) eines Elektrons zwischen Anode und Kathode, sowie den AusdruckL²/2mr² für ein Elektron Bit maximalem Wlnkelaoment ,sowie vier weitere Kurven (l) bis (4) fürrerechiedene Bruchteile des Maximalwertes dieses Auedrucke für jeden Wert τοη r.

Venn «an den Vert von € <f (?) algebraisch zu des Wert τοη L²/2mr² hinzuaddiert, erhält aan die effektive Potentialenergie · (r) eines Elektrons alt dem zugehörigen Vlnkelmoment. Die Kurven 1 bis k geben daher die effektive
Potentialenergie ff (r) wieder, welohe durch Addition jeder der Kurven (l) bis (h) alt der Kurve für +€<f(r) erhalten wird.

Die Kurve 1 in Fig. 9 stellt eine aus einer unbegrenzten Anzahl von attglionenPotentialmulden dar, welche verschiedenenWinkelnoBentwerten entsprechen. Wenn man ein
Elektron mit einem Vlnkelmoment gemttO der Kurve 1 betrachtet, so ist aus der Kurve abzulesen, daß die Wendepunkte eines Elektrons mit der Gesamtenergie entsprechend der
Ebene A-A bei r » j und r χ k liegen werden (vgl. Fig. 8 und 9). Da die Radien dieser Wendepunkte zwischen dem
Anodenradius und dem Kathodenradius liegen, wird das
Elektron bei einer Gesamtenergie gemäß der Ebene A-A umlaufen. Bei einem Elektron mit dem gleichen Winkelmoment

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aber einer Gesamtenergie entsprechend der Ebene B-B fallen die Wendepunkte zusammen und die Umlaufbahn 1st ein Kreis vom Radius r «go Eine derartige Elektronenbahn kann jedoch nur erzeugt «erden, wenn die Elektronen-Injektion·^ vorrichtung bei r = g angeordnet ist. Elektronen mit einer niedrigeren Gesaatenergie, als der Ebene B-B entspricht, können zvar auf keine Weise einen Winkelmosent gemäß der Kurve i, wohl aber ein Winkelmoment gemäß der Kurve h der Figo 9 erlangen. Ein Elektron mit einem Winke !moment (J gemäß der Kurve 2 und einer Gesamtenergie entsprechend der Ebene C-C kann ment um die Anode umlaufen, da der.innere Wendepunkt bei einem Radius liegt, der geringer 1st, als der Anodenradius. Das gleiche gilt für Energieebenen oberhalb von

Die vorstehenden Ausfuhrungen zeigen, daß den Elektronen in Abhängigkeit von ihrer Gesamtenergie und ihrem Winkelmoment nur jeweils bestimmte Bereiche der Diode zuganglieh sind. Wenn bei der Vorrichtung gemäß der USA-Patentschrift 3 118 077 beispielsweise alle Elektronen mit einer gleichen, der Ebene A-A entsprechenden Gesamtenergie und einem Winkelmoment gemäß Kurve 1 der Fig. 9 eingeführt werden, wurden sich bei Radiuswerten für r < j und r > k mit Ausnahme geringfügiger Raumladungs-Streueffekte keine ElektronenbefindenΌ Ferner würde lediglich die in Fig.8 dargestellte Umlaufbahn im Bereich zwischen j £ r ^k

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- 3o -

auftretenο Offensichtlich können Jedoch bei geeigneter Wahl der Gesaatenergie und des Winkelaoaentberelchs weitere Elektronen in den unbesetzten Rttuaen milaufen. Die Bestimmung geeigneter Werte wird im folgenden erläutert.

Aus Pig, 9 ergibt sich, dan ein Elektron alt einer Gesaatenergie entsprechend der Ebene A-A nur dann ein Wlnkel-■oment gemäß Kurve 1 erlangen kann, wenn es bei einem Radius r von J ^ r £ k eingeführt wird. Eine Injektion außerhalb dieser Grenzen würde eine negative kinetlsohe Energie und eine iaaginäre Geschwindigkeit erfordern» Daher sind alle Winkelaoaente geaäß Kurve 1 oder aller darüber liegenden Kurven für alle bei r * 10 aa alt einer Energie geaäß der Ebene A-A eingeführten Elektronen verboten. Ua weitere Ualaufbahnen und deaentspreobend ein größeres Voluaen der Diode für die Elektronen zugänglich zu aaohen, auß aan offensichtlich die Gesaatenergi« der Elektronen erhöhen. Bei einer Steigerung der &e@aatenergie über die Eben· A-A j»* vas, wird der äußere Wendepunkt wegen der Flachheit der rve für > J£ ^ {τ} in Kathodennähe nach größeren Werten für r verschoben. Auf diese Weise wird ein gesteigerter Anteil des Volumens der Diode für die umlaufenden Elektronen zugänglich«

Es ist klar, daß nan die Gesamtenergie bis zur Ebene D-D steigern kann, bevor einige Elektronen alt geringen Win—

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kelaomenten auf der Kathode auftreffen* Die Ebene D-D liegt in der Schalttebene von Kathode und Anode »it der Kurve 4, welche des niedrigsten Winkelaoeent entspricht, bei weloheB ein Elektron bei einer Pctentlaldlffereiis τοη 4000 V noch ualKuft. Bei geringfügiger Erhöhung der Energie Über die Ebene D-D hinaus können einige «uror eingefangene Elektronen die Anode oder die Kathode errelohen. Experimentell wurde festgestellt, daß eine Steigerung der Energie um 0,453 x iO~ⁱ⁶ Joule (vgl. Pi«. 9) ein Abfallen der GeeaBtelektrenenveglange auf den fünf ten Teil Terureaeht„ Elektronen alt einer Energie geaBß der Ebene D-D und einem im Vergleich zur Kurre 4 geringeren Vinkelaoaent treffen die Anode oder die Kathode und erreichen daher keine Umlaufbahn.

Elektronenmit einer Energie geaäß der Ebene D-D können kein höheres WlnkelBoaent erlangen, als der Kurre 3 entspricht. Dies entspricht der weiter oben getroff exten Feststellung, daB Elektronen alt einer Energie geaKß der Ebene B-B kein htfheres Vinkelaoaent erlangen können, als der Kurve i entspricht. Die Elektronen alt einer Energie geaHß der Ebene B-B kennen jedoch darttberhlnaus nur dann ein VinkelBOBentgeaäB der Kurve lerrelohen, venn sie in einem Punkt eaaittiert worden, für den reg ist, d, h, den Schnittpunkt des Minimume der Kurve 1 mit der Ebene B-B,'Entsprechend kennen Elektronen mit einer Energie

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BAD ORiGiNAb

gemttß der Ebene D-D maximal ein Winkelmoment erlangen, welches derjenigen Kurve für den Ausdruck L /2er entspricht, deren Minimum in der Ebene D-D liegt. Die· ist aber die Kurve 3 und der Schnittpunkt liegt bei r ■ ■·

2 2

Alle anderen L /2mr -Kurven Bit einem gegenüber der Kurve 3 geringeren Winkelmoment haben Minima unterhalb der Ebene D-D. Sie schneiden daher die Ebene D-O an zwei Stellen, wouSuroh die in Fig. 8 dargestellten rosettenfttrmigen Umlaufbahnen erzeugt werden, sofern das VinkelmoHent nicht unter den Wert der Kurve % liegt.

Die Minima der Kurven mit Winkelmomenten.unterhalb desjenigen der Kurve 3 liegen links des Punktes r ■ ■, d« h. näher an der Anode. Dies bedeutet, daß die maximale Zahl verschiedener Umlaufbahnen dann erzielt wird, wenn die Elektroneninjektionsvorrichtung bei r β m angeordnet wird. Dies ergibt sich auch daraus, daß den durch eine Injektionsvorrichtung bei r s 2,5 um mit einer Gesamtpotentialenergie gemäß der Ebene A-A (entsprechend dem Punkt a) eingeführten Elektronen, die durch die Kurve h definierte Umlaufbahn, nicht aber die durch die Kurve 1 definierte Umlaufbahn zugänglich sind, da der Punkt a außerhalb der Wendepunkte der Kurve 1 liegt. Die lonisierungswirkung der eingeführten Elektronen erreicht jedoch ihr Maximum bei dor maximalen Anzahl von Umlaufbahnen in dem Raum zwischen Anode und Kathode. Dementsprechend wird durch

einfaches Verschieben der Elektroneninjektorvorrichtttng 909845/0417

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vom Punkt a zum Punkt b der Fig. 9 eine grttßere Anzahl Ton Umlaufbahnen ermöglicht. So stehen beispielsweise den durch" einen bei Re 7,5 mm angeordneten Injektor ait einer Energie gemäß der Ebene A-A eingeführten Elektronen die Umlaufbahnen sowohl der Kurve 1, als auch der KurveΛ

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, zur Verfügung. Da die Miniaa der L-/2Mr -Kurvenalt zunehmenden Winkelmoment in zunehmend gruDerem Abstand von der Anode liegen, führt offensichtlich ein· Verschiebung der Injektionsvorrichtung von der Anode weg zu einer *

steigenden Anzähl zugänglicher Umlaufbahnen. VIe bereite erwähnt, ist die maximale Strecke, um welche die Elektroneninjektorvorriohtung von der Anode wegbewegt werden kann durch r » m definiert.

Die vorstehende Analyse zeigt, daß man zur Erzielung eines maximalen Gesamtelektronenweges die Elektronen zweckmäßig aus einem radialen Abstand r * m mit einer Gesamtpotentialenergie entsprechend der Ebene D-D der Fig. 9 g und einem Winkelmoment zwischen dem durch die Kurve 3 gegebenen Maximalwert und dem durch die Kurve h gegebenen Minimalwert einführt.

In der Praxis 1st die Kurve für die elektrische Potentialenergie + ϊψ{τ) gegenüber der in Fig. 9 dargestellten, die Raumladungs- und Endeffekte vernachlässigenden theoretischen Kurve in der Nähe der Kathode stärker abgeflacht,

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jedoch wird dadurch die vorstehende Analyse in keiner Weise beeinträchtigt, sondern ledlglioh alle Potentialenergiekurven um den Betrag naoh oben versohoben, ue den die Kurve für die elektrische Totentialenergie ♦ {<f(r) aufwärts versohoben ist. Zur Anwendung der vorstehend dargelegten Analyse auf eine praktisch hergestellte Vorrichtung werden die Elektronen bei r s a in der aus Fig.9 für den Idealfall bestimmten Welse mit einer Gesaotenergie gemäß der Ebene U-O und einem Wlnkelmoaent zwischen den Kurven 3 und 4 eingeführt, dann wird die tatsächliche Form der Kurve für die elektrische Potentialenergie + jpf (r) bei mit Raumladung gesättigter Diode nach bekannten Verfahren, beispielsweise durch Elektronenstrahl oder Langmuir-Untersuohungen experimentell bestimmt (die Form der Kurve ist von der genauen radialen Anordnung der Euyalttiervorrichtung nicht stark abhängig, solange die Raumladung des Diodenvolumens begrenzt ist). Nachdem die Form der Kurve für die elektrische Potentialenergie + -P Ψ (?) bestimmt ist, können die Kurven für die Potentialmulden in der vorstehend beschriebenen Weise errechnet werden und der Injektionsradius r « m ergibt sich aus der Lage des Minimums der Kurve 3.

Da die Energieebene D-D einem Wert von O,O27i x 1O^-1 Joule entspricht (dies ist in Fig«, 9 stark übertrieben gezeichnet), ist es in der Praxis wirtschaftlich, die

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Emmittiervorrichtung mit einer Geeontelektrorenenergle gemäß der Ebene Ό-0 zu betreiben, welche des firdpotential entspricht. Dies entspricht einer Erdung des Fadens und der Kathode und vermeidet die Notwendigkeit einer getrennten Kraftversorgung zur Vorspannung des Faden#. Der optimale Radius für die Elektroneninjektion r «■ kann dabei aus der Lage des Minimume der Potentialmuldenkurve bestimmt werden, deren Minimum In der Ebene 0-0 liegt. Die in den Figuren 5 und 6 dargestelltes Elektroneninjektions- ™ vorrichtungen erteilen den emittierten Elektronen Winkelnonente im Bereich zwischen den Kurven 3 und 4·

Nachdem vorstehend die Kriterien für die optimale radial· Lage der Emmi federvorrichtung ermittelt wurden, wird im folgenden die optimale axiale Lage derselben diskutiert. Fig. 10 zeigt eine sohomatisohe Darstellung einer Seitenansicht einer Diodenvorrichtung mit einer Kathode 202, einer Anode 203 und einem Anodensohild 2*0, weloher sich λ ringförmig um die Anode 203 erstrecken kann, die vorzugsweise auf dem Potential der Kathode gehalten wird. Der Schild kann auch eine am Ende der Anode angeordnete feste Scheibe umfassen. Der Schild dient hauptsächlich dasn, an den Enden der Diodenvorrichtung trotz der großen Anzahl der an deren Enden angeordneten, zu Feldverzerrungen führenden Anschlüsse und Befestigungstelle ein symmetrisches elektrisches Feld aufrechtzuerhalten. Die-

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ser Schild dient ferner zur Reflexion der in der Diodenvorrichtung umlaufenden Elektronen.

Zur Erläuterung sei angenommen» daß die optimale radiale Entfernung der Emulgiervorrichtung τοη der Anode für eine im Mittelbereioh, d. h. in eine« ausschließlich radialen Feld angeordnete EnjAttiervorriohtung auf die Tor stehend beschriebene Weise bestimmt wurde und dem PunktA in . Fig. 10 entspricht. Obgleich in der Nähe der Enden der Diodenvorriohtung auch ein axiales Feld Torliegen wird, ktfnnen die gleichen Schritte auch zur Bestimmung des optimalen radialen Abst and es der Emmlttlervorrlohtung τοη der Anode für einen gegebenen Abstand derselben vom Ende des Schildes 240 angewandt werden· Es gibt daher, keinen für alle axialen Abstände vom Schild 240 gültigen optimalen radialen Abstand von der Anode 203, sondern für alle diejenigen Abstände vom Schild 240, bei denen das Feld noch eine axiale Komponente besitzt, einen entsprechenden optimalen Radialabstand der Enjiittiervorriohtun« von der Anode. Nachdem die Kurve für die elektrische Potentialenergie + I f (r) für einen gegebenen axialen Abstand Tom Anodensohild 240 bestimmt ist, kann der optimale radiale Abstand auf die vorstehend beschriebene VeIse ermittelt werden. In hinreichender Entfernung vom Anodensohild 240 (beispielsweise beim Punkt A) wo das elektrische Feld keine axiale Komponente enthält, verändert sich der

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optimale radiale Abstand bei Veränderungen des axialen AbjBtandea tob Anodenschlld 240 nicht. Bei einein geringeren axialen Abstand u (Flg. 10) ist jedoch der optimale radiale Abstand ν grSßer als der fir .Punkt A gemessene optimale Abstand n, da die Xilnlenjgleiohen Potentials wegen der Lücke 242 zwischen der Anode und dem Anodensohild 240 eingesogen sind. Wenn der axiale Abstand roa Anodensohild auf β abnimmt, steigt der optimale radiale Abstand auf q (Fig. 10), wobei der Anstieg von τ nach q zur Erläuterung Übertrieben λ dargestellt 1st.

Wenn aa Ende der Diodenvorrlohtung kein Schild 240 angeordnet ist, kttnnen die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ebenfalls zur Bestimmung der optimalen Lage der Emmlttiervorriohtung benutzt werden. So kann nach Ermittlung der Form der Kurve für die elektrische PotentIaIenergie + € ψ (τ) in einem gegebenen Abstand vom Ende der Dlodenvorriohtung, unabhängig von dem an dieser Stelle herr-

■-'--.■* ι

sehenden relativen Verhältnis von axialen und radialen ^

elektrischen Feldern, der optimale radiale Abstand der , Emalttiervorriohtung von der Anode bestimmt werden.

Die vorstehend fUr die Bestimmung des optimalen radialen Abstände* bei Diodenvorrichtungen beschriebenen Maßnahmen können ebenfalls für Trlodenvorridhtungen benutzt werden. So kann man nach Bestimmung der Kurve für die elektrische

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Potentialenergie zwischen der Anode 203 und der Gitterelektrode 204 gemäß Fig. l in einen gegebenen Punkt längs der Achse der Anode 203 die gleichen Maßnalmen zur Ermittlung des optimalen radialen Abstandes der EmpAttiervorrichtung anwenden»

Ia folgenden wird eine al® Ionisations-Vakuummesser rerwendete, abgewandelte AusfUhrungsform der Erfindung anhand der Fig. 3 erläutert.

Bei der Ionisations-Vakuummessung müssen mehrere weitere Bedingungen eingehalten werden, die bei lonenpumpen nicht so wesentlich sind. Zunächst ist es offensichtlich nachteilig, wenn das Meßgerät das Gas pumpt, dessen Druck gemessen werden soll. Aus diesem Grunde werden bei Ionlsations-Vakuummeßgeräten die Sublimationsvorrichtungen absichtlich weggelassen.

Ein weiteres wesentliches Erfordernis liegt darin, daß der gemessene Ionenstrom im Druck streng proportional sein muß. In dieser Hinsicht wurde festgestellt, daß Oszillationen der Elektronenraumladung in Diodenvorrichtungen zu einer Nichtproportionalität von gemessenem Ionenstrom und Druck führen können.. Erfindungsgemäß wird dies durch Verwendung einer speziellen Triodenanordnung vermieden,,

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Eine weitere Ursache für eine NichtproportionalitKt von Ionenmeßgeräten bei sehr niedrigen Drucken ist der sogenannte X-Strahleneffekt. Auf die Anode auftreffende energiereiohe Elektronen verursachen die Emiseon einer weichen X-Strahlung» Venn diese weichen X-Strahlen auf der Kathode auf treffen, werden von dieser Fotoelektronen ausgesaiidt, die zu stärker positiven Elektronen wandern, In der nichtdargestellten äußeren McDsohaltung können diese die Kathode verlassenden Elektronen nicht .von an der Kathode ankommenden Ionen unterschieden werden. Hierdurch wird der druckabhängige Strom von einem druckunabhiingigem Strom Überlagert, so daß der gemessene Strom bei niedrigen Drucken dem Druck nicht proportional ist. Wenn man dagegen eine Tetrodenstruktur der in Fig. 5 dargestellten Art ■it einem UnterdrUckergitter 212 verwendet, kann derX-Strahleneffekt weitgehend reduziert worden. Bei dieser Anordnung wird die Gitterelektrode 208 und die als Ionensammler wirkende äußere Kathode 202 vorzugsweise auf Erd- ä potential, das Unterdrilckergltter 212 relativ dazu negativ und die Anode 214 auf einem positiven Potential von 200 V gegen Erde gehalten. Die Esaittiorvorrichtung 2l6 wird vorzugsweise alt dem Potential der Gitterelektrode 20Ö betrieben,

Die aus der Eij^ittiervorriohtung austretenden Elektronen führen in der veiter oben beschriebenen Weise Umläufe um

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die Anode aus. Die durch Zuaaamenstöße dieser Elektronen mit Gaeuoleküle/) gebildeten Ionen werden von der Anode nach auOen beschleunigt. Obgleich einige davon duroh die Oitterelektrodo 208 und einige duroh das UnterdrUpkergitter 212 eingefangen werden, erreichen die meisten die al· Ionensammler wirkende kathode 202.« Die be Im Auf treffen ' einer weichen X-Strahlung auf den Xoneneammler freigesetzten Fotoelektronen werden jedoon durch das UntordrUoker-

P gitter abgestoßen und kehren sofort sub Ionensammler zurück. Die von der Innenfläche des UnterdrUokergltters freigesetzten Fotoelektronen wandern radial einwärts zur Gitterelektrode oder zur Anode. Die von der Gitterelektrode freigesetzten Fotoelektronen wandern zur Anode» Somit ktfnnen lediglich die auf die Außenfläche des Unterdrückergitter* treffenden Fotoelektronen den Xonensamsler errei· ohen₍ eo daß dieser praktisch nur Ionen auf nimmt und der erzeugte Strom auch bei niedrigen Drucken «in im wesent-

. Hohen genaues Maß des Druckes darstellt. Eine bevorzugte Ausführung·form eines auf dom vorstehend beschriebenen Tetrodenprinzip basierenden erflndungsgemKOen lonieatione-Vakuunmeßgeruts ist in Fig. 4 dargestellt.

StAo

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Claims (12)

: ■ ζ' U ■'. ::■■■ , Granville-Phillips Company U*8. 562 823 Boulder, Colorado, USA- prio 5*7»1966 Patentanspr ff ο he

1. JVakuuavorriehtung mit verbesserter Wirksamkeit gegenüber inaktiven Gaeen, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen hohlzylindrisohe Äussenelektrode (202), ein oder mehrere In deren Innenraum zu deren Längsachse parallel angeordneten Kombinationen aus je einer nohlzylindrisohen | Zwischenelektrode (204) mit ionendurchlässiger, offener Struktur und einer in deren Längsachse angeordneten Innenelektrode (203), Vorrichtungen (215) zum Einführen von durch die Innenelektrode (203) angezogenen geladenen Teilchen, vorzugsweise Elektronen, in ein elektrostatisches Feld im Ringraum zwischen der Innenelektrode (203) und der Zwischenelektrode (20%) mit einer zum Erreichen der Zwischenelektrode (204) unzureichenden Energie und einem Winkelmoment, da& die Mehrzahl der geladenen Teilchen die Innenelektrode (203) verfehlt- . "

2. VakuumvorriGhtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine holUzylindrisehe Äussenelektrode (202), eine Mehrzahl von in deren Innenraum um deren Längsachse herum, vorzugsweise in gleichen Abstanden, achsparallel angeordneten Kombinationen aus je einer ionendurchlSssigen, hohlzylindrisohen Zwischenelektrode (204, 2θ6, 208, 210)

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und einer in deren Längsachse angeordneten Innenelektrcde (205, 207, 209» 211) und einen Bereioh niedrigen Potentials um die Längsachse der Aussenelektrode (202).

3. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine hohl zylindrische Außenelektrode (202) und eine in deren Innenraum koaxial angeordnete Kombination aus einer ionendurchlässigen« hohlzyllndrleohen Arischenelektrode (204) und einer in der Längsachse angeordneten Innenelektrode (203).

4. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch in dem Bereich (200) niedrigen Potentials» vorzugsweise in der Längsachse der Aussenelektrode (202) angeordnete« vorzugsweise durch Leitung beheizte Vorrichtungen (212) zum Auf sublimieren von Qetternaterlal auf die Innenfläche der Aussenelektrode (202).

5. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4» gekennzeichnet durch Vorrichtungen (215) zum Einführen von durch di· Innenelektrode (203) angezogenen geladenen Teilchen· vorzugsweise Elektronen, in den felderfflllten Bingrauu zwischen Innenelektrode (203) und Zwischenelektrode (204): a) mit einem Winkelmoment, das mindestens einer für den Radius der Innenelektrode (203) und den Radius der Zwischenelektrode (204) den gleichen Wert besitzenden mathematischen Funktion A fur die effektive Potential*

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energie und höchstens einer zwei tea mathematischen Funktion B für die effektive. Potentialen«» gie ent·* spricht« deren Miniem» alt dem Wert der Funktion A beim Radiue der Innenelektrode übereinstloBt,

b) einer das Wert der Funktion A.für den Radius der Inneti* elektrode (20?) entsprechenden Oesaittenergie,

c) aus eines den Hinlaum der Funktion B entsprechenden radialen Abstand von der Innenelektrode (20?)·

6. Vakuumvorrichtung· gekennzeichnet dureh eine la wesentlichen hohlzylindrische Aussenelektrode (202)· eine in deren Längsachse angeordnete Innenelektrode (203) und Vorrichtungen (215) sun Einführen von durch die Innen» elektrode (203) angezogenen« geladenen Teilchen, vorzugsweise Elektronen· in ein elektrostatisches Feld zwischen der Innenelektrode (203) und der Aussenelektrode (202):

a) rait einen Winkelaoaent· das mindestens einer für den Radius der Innenelektrode (203) und den Radius der Zwischenelektrode (204) den gleichen Wert besitzenden mathematischen Funktion A für die effektive Potentialenergie und hBohstens einer zweiten raa heaatlsohen · Funktion B für die effektive Potentialenergl· entspricht« deren Minimum mit den Wert der Funktion A beim Radius der Innenelektrode überelnetlanit,

b) einer den Wert der Funktion A für den Radius der Innenelektrode (203) entsprechenden ßejantenergie.

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ο) von einen Punkt mit einen dem Minimum der Funktion B entsprechenden radialen Abstand von der Innenelektrode« an welchen das Feld eine axiale Komponente aufweist·

7. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ftakeanwlcbaet« dass die Vorrichtungen (215) &m Einführen von geladenen Teilchen und die Aussenelektrode (202) gegenüber der Innenelektrode (203) das gleiohe Potential, Vortragsweise

Erdpotential, aufweisen.

8. Vakuumvorriohtung nach Anspruch 1 bis 7* «ekenngeiohnet durch Vorrichtungen zum Einfuhren von Elektronen alt einem im wesentlichen planen, haarnadelfömlgen Streifen aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall, der in einer Richtung eine erheblioh grBssere Oberfläche aufweist» als in der dazu senkrechten Richtung und alt seiner grösseren Oberfläche auf die ®~Riohtung des elektrostatischen Feldes ausgerichtet ist·

9· VakuuBivorrichtung nach Anspruch 8, gekenngelohnet durch einen flachen, haarnadelfSrmigen Metallstreifen(218) mit blanken Seitenkanten (221), eine» auf seinen nach auesen gerichteten Flächen angebrachten Übersug (222) aus einem Material mit im Vergleich ssum Metallstrelfea (218) niedriger Austritt»arbeit, der mit seinen Oberssogenen Flächen in &«3liohtung des elektrostatischen Feldes gerichtet ist und seine Hauptemieeion in Θ-Rioh-

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tung Una nur eis» veriiaehllssigbar geri Sainion in der dazu senkrechten Bichtiuag aufweist.

10. VaJcuuevorricfafcui« neon Anspruch 1 Me 9# durch an den Soden des haarnadal2$nBi8en MetaUbanäee (218) m hinreichende» Jibstand τοη den Soden des Cbarzugea (222) und eoelt aussertialb des befestigte TragatiQ» (223)-

11, Vakuuevorrichtung moh JUaspnaoh 1 tole 10»

durch eine leolleraeliiofci; (220) aof iselien den psvallelen Scherfceln des hssrnsdelf9i»i8Ba !fetallBtreiTeaa (208).

12. Vorrichtung ma gerichteten adtüeren von llektronen, Kekemizelcbaot dureh einen fl&enen, Hetellstreifen (218) sdt blanken Seltentanten (221), eine» auf seinen nmeh aassen gtricliteten Fliehen ans*" brachten Überzug {222} aus einen Material «it Im Vergleich zua Metallstreifen (23B) niedrigtr Austrittsarbeit, gegebenenfeile einer ^poliersehieht (220) λ

zwischen den parjtllelen Schenkeln des Metallstreifene (218) und vorzttggafeiae einer <jttersohnittiilMMBSTnig von 0,15x0,15 β»· -

Vorrichtung nach Ani5pruo3i 12, gekennzeichnet durch eisen aas eines Metalllilech durch ätzen hergeatellten

Metallstreifen (218).

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BADORtGlNAt"

TV

Ik. Vorrichtung zur Vakuummessung unter· weitgehender Ausschaltung des X-Strablen-Bffekts, «»kennzeichnet durch eins im wesentlichen hohlzylindrlsche Aussenelektrode (202)« eine In deren Ltagemonae liegende Iimenelektrode (214), eine zwischen diesen !«»ziel eneeordnete» ienendurchlHseige hohl^ylindrieche Zwieohenelektrode (208)» eine zwisoben dieser und der lnssenelektrode (202) koaxial angeordnete* 1 ililsqrlindrieohe Unterdrüokerelektrode (212)» Vorrlehtwagm (216) »οι Einführen

B| von gelmdenen Teilchen« vorzugsweise Elektronen, in das elektrostatisch© Feld wischen der Innenelektrode (21*) und der Zwischenelektrode (208), Vorrichtungen zur Messung des des Gasdruck proportionalen Stroaes der durch Elektronen erzeugten und durch das elektrostatische Feld zur Aussenelektrode (202) beschleunigten Omsionen und Vorrichtungen wsp Erzeugung eines die Wanderung von auf der Aussenelektrode (202) durch X-Strahlen gebildeten Elektronen unterdrückenden elektrostatischen Feldes zwischen der Ausseneiektrode

* (202) und der Unterdrückerelektrode (212).

St/st

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L e e r s e i t e