DE1539152A1 - Hochvakuumpumpe - Google Patents

Description

BAI2ERS VAKUUM GMBH, Seehofstrasse 11, 6 - Frankfurt a.M.-To

Hochvakuumpumpe .

—R Zur Herstellung sehr hoher Vakua von Io Torr und darunter werden heute Diffusionspumpen mit gekühltem Baffle, Ionengetterpunipen, sowie Kryopumpen verwendet. Sollen, wie z.B. bei thermonuklearen

. Fusionsexperimenten, in sehr gi'ossen Rezipienten hohe Sauses- m

schwindigkeiten angewandt werden, so reichen hierzu Diffusicnspumpen meist nicht mehr aus, da diese bekanntlich im Verhältnis zur thermischen Molekülgeschwindigkeit die Gasteilchen mit einer um etwa eine Grb'ssenordnung kleineren Geschwindigkeit absaugen. Hierzu kommt, dass wirksame Baffle die effektive Sauggeschwindigkeit stark herabsetzen. Ionengetterpumpen besitzen zwei an hoher Spannung von 1-5 kV liegende Elektroden, zwischen denen eine Gas-.entladung brennt, welche das abzupumpende Gas ionisiert. Durch ein passend gerichtetes, von aussen angelegtes Magnetfeld werden die in der Gasentladung enthaltenen Elektronen zu einer grösseren mittleren

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freien Weglänge gezwungen und darait eine höhere beute erzielt. Die Kathode besteht meist aus einem hochwirksimen Gettermetall, wie Zirkon, Molybdän oder Titan, und wird durch die auf sie prallenden, durch das elektrische Feld beschleunigten positiven Ionen verdampft, wodurch oich das Gettermaterial auf der Anode niederschlägt und grosse Mengen neutralen Gasea sorbiert. Die Getterwirkung beschränkt sich auf chemisch aktive Gase; inaktive und Edelgase werden nur durch unmittelbare Ionisation in die Kathode eingeschlossen und damit "abgepumpt". Ionengetterpumpen kennen nur in Kombination mit anderen Punpverfahren, meist Diffuslonspurr.pen angewandt werden, da die aktive Getteroberfläche bei sehr niedrigen Drücken hergestellt werden muss.

Kryopumpen enthalten Kondensationsflächen, die auf sehr tiefen Temperaturen gehalten werden. Ihre Wirkung beruht darauf, dass die Gasmoleküle, die auf diese Kondensationsflächen prallen, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit festgehalten und zu einer zusaR«nenhängenden Schicht kondensiert werden. Die mit diesem Verfahren erreichbaren tiefsten Drücke hängen vom Partialdruck der gepumpten Gaskomponente bei der an der Kondensationsfläche herrschenden Temperatur ab. Stickstoff kann mit einer auf die Temperatur des flüssigen Heliums gekühlten Kondensationsfläche auf etwa Io Torr abgepumpt werden. Für Wasserstoff, der für die bereits erwähnten thermonuklearen Fusionsexperimente benutzt wird, ist der Haftkoeffizient ("Sticking-Koeffizient") bei ^,2⁰K noch sehr klein; um dieses Gas wirksam abpumpen zu können, muss das Heliumbad der Kondensationsfläche durch Abpumpen auf mindestens 2,5 K abgekühlt werden. Helium kann natürlich überhaupt nicht mit dieser Methode .gepumpt werden.

Vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der vorbeschriebenen, bekannten Pumpverfahren, die sich besonders im Ultrahochvakuum offenbaren ,und eignet sich gleichermassen zur Erzeugung eines sehr hohen Vakuums in chemisch aktiven wie inaktiven und Edelgasen.

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Die Grundlage der neuen Hochvakuumpumpe be±eht darin, di-3 a-r. sich bekannte Ionengetterpumpe mit einem Kühlbad von sehr tiefer Temperatur, vorzugsweise der des siedenden flüssigen Heliums zu.versehen uud mindestens eine der Elektroden auf dieser Temperatur zu halten. Der grosse Vorteil, der sich daraus ergibt, besteht darin, dass diese Pumpe auch ohne angelegte Spannung als Kryopumpe wirkt und einen

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Druck von Io Torr, bezogen auf Stickstoff oder Sauerstoff erzeugt.

Wird nun die Ionengetterpurape in Betrieb gesetzt und bei hoher Spannung eine schwache Gasentladung aufrecht erhalten, so wird von der Kathode, die aus Titan oder Zirkon besteht, Material verdampft und an der Anode niedergeschlagen. Dieser Metallniederschlag wirkt für chemisch aktive Gase, wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, Wasserdampf als wirksames Getter, dessen Haftwahrseheinlichkeit bei Zimmertemsperatur zum Abpumpen dieser Gass ausreicht, dessen Wirksamkeit aber bei sehr tiefen Temperaturen aus^erordentlich stark zunimmt und ausreicht, sogar Viasserstoff abzupumpen. Die gleiche Gasentladung bewirkt, dass auch Edelgase ionisiert und durch loneneinfang an der Kathode entfernt werden. Auch die Pumpwirkung durch Ioneneinfang wird durch Kühlung der Kathode auf sehr tiefe Temperaturen wesentlich vergrössert. Es ist bekannt, dass die Getterwirkung stark von der Struktur des auf der Anode niedergeschlagenen Metallfilms abhängt und besonders gross ist, wenn diese amorph oder auch atomar rauh ist. Die erfindungsgemässe Kühlung von Anode oder beider Elektroden auf sehr tiefe Temperaturen begünstigt die-Bildung solcher amorpher ύ

oder atomar rauher Schichten aussergewöhnlich und verstärkt die Pumpewirkung durch das Gettermaterial merklich. ·

Ein weiteres wesentliches Merkmal des Erfindungsgedankens besteht darin, das Bad mit sehr tiefer Temperatur gleichzeitig zur Erzeugung des für eine leistungsfähige tJ Ionengetterpumpe erforderlichen Magnetfeldes heranzuziehen. Seit einigen Jahres stehen hierfür bekanntlich die sogenannten harten Supraleiter zur Verfügung, das sind Metallegierungen undverbindungen, wie z.B. Nb-Zr, Nb-Ti oder Nu Sn, die auch bei sehr hohen Magnetfeldern von 5o-15o kG noch supraleitend sind und ausserdem einen hohen Sprungpunkt zwischen Io und l8°K aufweisen. Erfindungsgemäss wird

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nun das schon vorhandene Kühlbad mit z. B. flüssigem Helium de.au verwendet, eine eisenlose Magnetspule aus supraleitendem Draht zu kühlen und damit ohne OHM-sche Sterlustleistung· ein hohes Magnotfeld im Raum zwischen den Elektroden der Ionengetterpumpe zu erzeugen. Ferner ist bekannt, dass auch die Pumpleistung dieser Pumpen stark mit wachsendem Magnetfeld zunimmt, da die Ionisationswahrscheinlichkeit der Elektronen fa,st proportional zur Stärke des Magnetfeldes wächst. Es bereitet nach den heutigen Kenntnissen keine Schwierigkeit, in der ionengetterpumpe mit Hilfe supraleitender Spulen Magnetfelder von Io ooo bis 2o ooo Gauss in grosson Volumina ^ aufrechtzuerlialten und damit viel stärkere Pumpleistungen zu erzielen. Supraleitende Spulen lassen sich gleichermassen auch fü^eisenarmierte Magneten anwenden. Zur Aufrechterhaltung dieser Magnotfelder braucht nur zum Aufbau des Magnetfeldes e Strom zugeführt werden; durch d einen supraleitenden Nebenschluss kann nach bekannter Methode ein Dauerstrom in der Magnetwicklung erzeugt werden, der keiner äusseren Stromzuführung bedarf.

Sind beide Elektroden einer Ionengetterpumpe auf sehr tiefe Temperaturen gebracht, so überlagern sich die Effekte des Krycpumpena, d.h. der Kondensation fester Gasschichten mit denen des loneneirf angs und der Ablagerung des Gettermaterials, das sich feindispers ausscheidet und eine wirksame Getterwirkung ausübt.

Die Erfindungsgedanken sind durch'einige Beispiele in den Fig. 1 bis erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen lonengetterpumpen mit gekühlter Anode, die als gesohloseenea KUhlbad ausgebildet 1st und eino supraleitende Spule zur Herstellung eines starken Magnetfeldes enthält.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Pumpe, jedoch mit einem mehrteiligen Anodengefäss und mit einem die Pumpanordnung umgebenden System von Strahlungsschutzblechen.

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Pig. 4 zeigt einen zylindersyaimetrischen Aufbau einer erfindungsgemässen Pumpe, bei der die aussenliegende supraleitende Magnetspule ein axiales Feld erzeugt und die innenliegende Kathode wahlweise gekühlt werden kann, uir. den Ioneneinfang zu verstarken.

Pig. 5 zeigt eine Pumpeanordnung mit zentralem Kühlgefäss mit · flüssigem Helium, das radiale Hohlrippen zur Aufnahme supraleitender Flachspulen besitzt, die ein zirkuläres überall gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugen.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochvakuumpumpe besteht aus der. eigentlichen Pumpgefass 1, das mit Hilfe dos Stutzens 2 durch die Wand der Hochvakuumapparatur in diese hineinragt. Das Pumpsefäst 1, dessen Aussenwand zusammen mit daran befestigten ringförmigen Scheiben 4 die Anode einer Ionengetterpumpe bildet, ist von Gettermaterial in Form von Blechen 5 aus Titan, Molybdän oder Zirkon umgeben. Die Anode besteht aus nichtmagnetischem Material, z. B. V2A-Stahl und wird frei im Rezipienten durch das dünnwandige Rohr 2 gehalten. Die Kathodenbleche dagegen werden von den der Spann' mgszuführung dienenden, durch die Rezipientenwand hindurchgefühlten Elektroden 6 und ? getragen und erlauben das Anlegen einer hohen Gleichspannung zwischen ihnen und dem geerdeten Pumpenßefäsi.1. Innerhalb des Pumpgefässes 1 befindet sich die Magnetspule B aus supraleitendem Draht oder Band, die mittels durch das Rohr 2 herausgeführter Zuleitungsdrähte 9 und Io an eine äussere Stromquelle angeschlossen werden kann.

Nach dem Einfüllen der Kühlflüsigkeit, vorzugsweise flüssigen Heliums, entsteht nach kurzer Zeit im Rezipienten ein hohes Yakuura von etwa lo" Torr. Wird nun eine hohe Gleichspannung zwischen der Kathode 5 und dem geerdeten Pumpgefass mit den daran befestigten Anoden. 4 gelegt und gleichzeitig die Magnetwicklung 8 erregt, so brennt zwischen beiden genannten Elektroden eine Gasentladung, die wegen des starken durch die Magnetwioklung erzeugten Magnetfeldes auch bei sehr niedrigen Drücken nicht erlischt. Die durch Elektronenstoss er-

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zeugten positiven Ionen prallen auf die Bleche 5 aus dem Gettermaterial und verdampfen von deren Oberfläche das Gettermuterial. Dieser schlägt sich an der kalten Anode nieder und der so eräugte aktive Metallfilm von hoher atomarer Unordnung sortiert das abzupumpende Gas in hohem Masse. Ionisierte Edelgasatome werden unter dem Einfluss der hohen elektrischen Feldstärke der Kathodenot.;rflache ebenfalls eingefangen und somit entfernt. Durch zusätzliches Kühlen der Getterbleche kann der letzte Effekt noch verstärkt werden. Die Fig. Ib zeigt im Schnitt nach der Linie A-A der Fig. la, wie die Kathode zweckmässigerweise durch Querrippen in einzelne Zollen aufgeteilt werden kann, um die wirksame Fläche zu vergrößern.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Erfindungsgedanken iot in Fig. 2 dargestellt. In diesem Fall wird das Streufeld einex' kurzen supraleitenden Kryospule 11 ausserhalb von dieser daau benutzt, die Stosswahrscheinlthkeit der Elektronen in der zwischen Anode 12 und Kathode 13 brennenden Gasentladung stark zu vergrössern. Zu diesem Zweck befindet sich die supraleitende Spule 11 in einem vorzugsweise zylindrischen Behälter, dessen Aussenwand die arwähnte Anode mmI bildet und der mit flüssigem Helium gefüllt ist und durch oin&ünnwandiges, schlecht wärmeleitendes Metallrohr 15, das zur Füllung des Behälters dient, an der Wandung 16 des zu evakuierenden Rezipienten ^ befestigt ist. Zur Erhöhung der magnetischen Feldstärke des Streufeldes der Kryospule 11 sind an den Deckel und Boden des Helium-behälters zweckmässig geformte, runde Absehirmbleche 17 befestigt, , die aus einem supraleitenden Material mit toher kritischer Feldstärke, wie z.B. Nb-Zr-oder Nb-Ti-Legierun^en, bestehen. Duch den thermischen Kontakt dieser Bleche mit dem Heliumbad werden diese irr. auprale it enden Zustand gehalten, verhindern das Eindringenmagnetisehen Plusssa in ihr Inneres und konzentrieren damit den Streufluss auf den Bsreieh zwischen Anode 12 und Kathode 13, der für die Gasentladung, d.h. für die Getter-- * wirkung besonders wirksam ist. Die Kathode 13 besteht wi3 in den obigen AusfUhrungsbeispielen aus einem Gettennetall, wie z.B. Titan oder Molyb-

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dän,und besitzt die Form schräg gestellter Einzelbleche, die dem abzusaugenden Gas geringen Strömungswiderstand bieten und zum anderen verhindern, dass die durch Ionenbeschuss befreiten Gettoratorne nach aussen ,fliegen können. Diese sollen sich vielmehr auf der Anode 12 •niederschlagen, die als Rohrstück aus V2A-Stahl oder einem gleichgeeigneten Material ausgebildet und an der Behalteraussenwand befestigt ist. DieGetterwirkung dieser sich stetig erneuernden Oberfläche wird erfindungsgemäss stark erhöht durch die Wirkung der sehr tiefen Temperatur, auf der sich die Anode befindet. Die aus einer grossen Anzahl Rippen versehene Kathode 13 ist konzentrisch um die Anode angeordnet und wird an eine relativ hohe negative Spannung gegenüber der geerdeten Anode gelegt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3, bei dem die Anordnung ebenfalls um ein zentrales, als Anode geschaltetes Kühlgefass 1 aufgebaut ist. Jedoch besteht letzteres aus 3 Teilsefässen 21, 22 und 23, die miteinander, wie die Zeichnung zeigt, verbunden sind. In jedem der Gefässe.21, 22 und 23 ist eine eigene;' Kryospüle. 24, 25, 26 vorgesehen. Die Kathoden 27 und 28 sind in den Zwischenräumen zwischen den Anoden angeordnet und werden über die Zuleitung 29 mit negativer Hochspannung versorgt. Die gesamte Anordnung ist von abgewinkelten Strahlschutsblechen 3o umgeben, die den Durchtritt der zu pumpenden Gase ermöglichen, aber gegen direkte Warmeeinstrahlung schützen. Bei Beshickung der AnodengeFÜsse mit flüssigem Helium empfiehlt es sich, für die Strahlensehutzbleche eine Kühlung mit flüssiger Luft vorzusehen oder sie durch thermischen Kontakt mit der Halterung däer tiefgekühlten Anodengefässe auf einex' Zwischentemperatur zu halten. Die beschriebene Pumpe wird von einem flansch 31 getragen, mittels dessen sie an einer Oeffnung des Htsipionter. befestigt werden kann, so dass sie in diesen hineinragt. Die Fis. } b zeigt einen Schnitt nach der Linie Ä - A der Fig 3 a und lässt insbesondere den Aufbau der Kathode erkennen.

Ein zylindersymmetrisches Ausführunissbeispiel ist in Fif,. ~k dargestellt . An dem zylindrischen Pumpenkb'rper hl ist elektrisch isoliert

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die zylindrische Kathode 42 befestigt, die aussen vom Oettsrmetall in Form eines Bleehmar.tels 4j5 umgeben ist, Die Anode besteht aus einem Ringgefäss 44 aus magnetischem Material, das thermisch isoliert an zwei diinnwamügen Bohren 45 und 46 am Dc-ckel des Pumpgefässes gehalten wird, die gleichzeitig zur Füllung mit flüssigem Helium sowie als Abdampfleitung für dieses dienen. Im Ringgefäss 44 befindet sich die Magnetspule 47 aus supraleitendem Material, deren Stromzuleitungen durch die Füllrohre geführt werden. Mit Hilfe des Flansches 48 wird die Pumpe an den zu evakuierenden Rezipienten angeschlossen, Das System aus Ringanode und zentraler Kathode kann auchbhne Pumpbehälter 41 unmittelbar in den Rezipienten eingebaut werden.

Die Wirkungsweise dieser Pumpe entspricht vollkommen der im Beispiel der Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ict in Fig, 5 dargestellt. In dieser Konstruktion ist die Pumpe ebenfalls für den Einbau in den Rezipienten gedacht. Der zentrale, zylindrische Pumpenbehälter aus nichtmagnetischem Msberial besitzt eine Anzahl radialer Hohlrippen 51"bis 56 und ist zentrisch mit einem dünnwandigen Rohr aus thermisch schlechtJleitendem Material am Deckelflansch 59 ^^er Pumpe befestigt. Im Innern der Hohlrippen sind die Flachspulen 60 bis 65 aus supraleitendem Draht untergebracht und ihre Stro.xauführungen durch das Halterohr isoliert nach aussen geführt. Bei Stromerregung erzeugen diese Flachspulen ein zirkuläres iarkes Magnetfeld, das bei Verwendung harter Supraleiter für die Spulen 5-lk kG betragen kann. Der Zentralbehälter und die mit diesem verbundenen Hohlrippen sind im Betrieb mit flüssigem Helium gefüllt, dessen Dampf durch das Rohr 58 entweichen kann; sie stellen die Kathode einer Ionengetterpumpe dar. Als Anode werden Bleche66 aus geeignetem Gettermaterial, wie z.B. Zirkon, Molybdän oder Titan benutzt, die durch die Spannungszuführungen 67 gehalten werden. Letztere wird elektrisch isoliert durch den Deckel 59 geführt; der eigentliche Pumpkörper mit den die Spulen enthaltenden Rippen ist geerdet. .

Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass das abzupumpende Gas im

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Rezipienten ohne merklichen Stromungswi-derstand bzw. Wandverluste an die Kühlrippen gelangen kann, wo es infolge der sehr tiefen Temperatur in fester Form kondensiert. Infolge der zwischen Anode und Kathode liegenden hohen Gleichspannung brennt zwischen den genannten Elektroden eine schwäche Gasentladung und verdiiropft das Getterraetall der Anode, das sioh an den tief gekühlten Hohlrippen niederschlägt und einen aktiven Getterfilo bildet. Dieser Film ist infolge der sehr tiefen Substrattemperatur strukturell stark gestört und besitzt ausgezeichnete Sorptionseigenschaften für das abzupumpende Gas. Wie bei den vorigen Ausführungsbeißpielen lässt sich für dta Erzeugung des Magnetfeldes ein Dauerstrom erregen, der keiner StromveHe von aussen bedarf. Zur Verringerung der zugeführten Strahlung kann ferner, wie in Pig. J5, ein Baffle angebracht werden, das die gesamte Pumpanordnung umfasst und welches durch thermischen Kontakt mit Halterohr 58 auf einer Zwieehenteraperatur gehalten werden kann.

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Claims (1)

1 5 ° 9 1 5

1J Hochvakuumpumpe mit wenigstens zwei an hoher Spannung liegenden Elektroden, bei der iss abzupumpenden Gas in- einem- Magnetfeld e-ine Gaeentladtmg aufrechterhalten wird, wobei die aus Gettermetall bestellende Kathode dur«eh die aufprallenden Gasionen verdampft und Settermetall auf der Anode niedergeschlagen wird und das abzupumpende Sas sowohl durch Getterwirkung ale auch duroli Xoneneinfang an beiden Elektroden so?biert wird, d&du roh* gekenn-. zeichnet, dass wenigstens eine ά&τ beiden Elektroden

. . .,"... .. - eise¹!^.^ m λ. _t/%?°L· weniger als 2u K-beim Betrieb sich auf r¹ t&efersr Tefflpersturyberinde.t·-

W 2, Hochvakuumpumpe naoh Anspniefe 1, ä a d u r 5 h ge·» kennzeichne t₈ dass di® Kühlvorrichtung gleichzeitig zur Kühlung einer supraieitenäen Magnetspule be» nutzt wird.

3· Hochvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das® nach Erregung der supraleitenden Magnetspule durch einen supraleitenden Nebenschluss ein Dauerstrom ohne äuesere Stromzufuhr während des Pumpvorgange aufrechterhalten wird·

4. Hochvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge- * kennzeichne t_e dass Sas die supraleitende Magnetspule enthaltende Kühlgetäas selbst als eine der an Hochspannung liegenden Elektroden ausgebildet iet.

5· Hochvakuumpumpe nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden Zylinderform besitzen und die aussenliegende supraleitende Magnetspule ein axiales Magnetfeld zwischen den beiden Elektroden erzeugt·

6, Hochvakuumpumpe nach Anspruch !,dadurch g β -

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kennzeichnet, dass das Kühlgefäas radiale hohle Rippen star Aufnahme von ja einer supraleitenden Flachspule aufweist, die bei Erregung ein assiinüthalee, am ganzen Umfang gleichberechtigtes Magnetfeld erzeugen, und das zwischen diesen Hohlrippen je eine Gegenelektrode vorgesehen ist.

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