DE1539154C3

DE1539154C3 - Ionengetterpumpe

Info

Publication number: DE1539154C3
Application number: DE1967N0031771
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.- Phys. Dr. 5103 Brand Flunkert; Anton Dipl.-Phys. Dr. 5100 Aachen Klopfer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-12-12
Filing date: 1967-12-09
Publication date: 1978-09-07
Also published as: GB1204325A; DE1539154B2; CH480732A; DE1539154A1; NL6716509A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionengetterpumpe mit einer Penning-Gasentladung zwischen zwei parallelen kalten Kathodenplatten, die zumindest an ihrer Oberfläche aus einem Getter, wie z. B. Titan, bestehen, und senkrecht dazu angeordneten wabenförmigen Anodenzellen, wie näher im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben.

Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 32-33 823 und aus der DT-AS 10 98 667 bekannt. Die /5 dort benutzten Kathodenstäbe weisen jedoch einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Weiterhin ist es aus der US-PS 31 12 864 bekannt, zwischen zwei Kathodenplatten mehrere nebeneinanderliegende Anodenzellen und zugleich auch mehrere Anodenzellen übereinander anzuordnen. In einer derartigen Anordnung bestehen die Kathoden selbst aus zu den Kathodenplatten parallelliegenden Kathodenscheiben, die also dann in axialer Richtung der übereinander angeordneten Anodenzellen diese voneinander trennen. Die genannten Kathodenscheiben sind außerhalb der Anodenzellen an einem stabförmigen Halter befestigt, der einen vierkantigen Querschnitt aufweisen kann.

Es ist weiterhin aus den US-PS 32 17 973 und 32 17 974 eine Anordnung für eine Getterionenpumpe bekannt, bei der in einer Ausführung die Anode stabförmig ausgebildet ist und innerhalb einer Kathodenzelle liegt. Diese Kathodenzelle hat nun eine von der zylindrischen Form abweichende Wandung, die scharfe Kanten sowohl quer als auch parallel zur Richtung des angelegten magnetischen Feldes aufweisen kann. Wenn aber der Außenmantel einer derartigen Anordnung z. B. nicht eckig ist oder rund, ist es schwierig, eine Wabenanordnung zur verwirklichen, weil nämlich der Raumbedarf einer derartigen Anordnung sehr groß wird. Außerdem sind die Zerstäubungen bei derart großen um die Anode herum angeordneten Kathoden sehr ungünstig.

Aus der US-PS 31 41 605 ist eine Getterionenpumpe h5 mit zylindrischen Kathodenstäben bekannt. Es ist angegeben, daß die Kaihodenstäbe nicht nur zylindrisch zu scm brauchen. Dieser Hinweis ist. unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die US-PS 32 33 823 dahingehend zu verstehen, daß die Kathodenstäbe auch konisch ausgebildet werden können. Zusätzlich können sie an ihrer Oberfläche rauh sein.

Die US-PS 31 12 863 zeigt Anodenzellen, zu denen axial versetzt und außerhalb der Anodenzellen sogenannte Kathodenstäbe in Form von Spitzen angeordnet sind, und zwar entweder frei stehend oder auf einer Platte befestigt. Welchen Querschnitt diese Spitzen aufweisen, darüber fehlt eine Angabe. Aufgrund der Zeichnung sind es Kegel. j

Es hat sich herausgestellt, daß mit diesen bekannten ^;

Gasentladungsvorrichtungen in Form einer Getterionenpumpe zwar sehr gut Stickstoff gepumpt werden konnte, daß sich aber beim Pumpen von Edelgasen Schwierigkeiten ergaben.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, eine Ionengetterpumpe zu schaffen, mit der auch Edelgase, und zwar insbesondere Argon, ohne weiteres gepumpt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer lonengetterpumpe der eingangs genannten Art nach der Erfindung Maßnahmen vorgeschlagen, wie sie im f"g Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschrieben sind. "

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Maßnahmen ergriffen werden, wie sie in den Kennzeichen der Unteransprüche beschrieben sind.

Bei Einsatz der Maßnahmen nach der Erfindung können lonengetterpumpen mit stabileren Pumpleistungen auch bei niedrigeren Drücken gebaut werden. Außerdem kann eine derartige Ionengetterpumpe auch bei niedrigeren Drücken bereits zünden. Die Kathodenstäbe, können massiv oder rohrförmig ausgebildet werden. Sie können auch aus aufeinandergelegten Streifen bestehen. Die Mantelflächen der Anodenzellen müssen nicht unbedingt geschlossen werden.

Die Innenmantelfläche jeder Anodenzelle besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff, an dem der zerstäubte Kathodenwerkstoff fest haftet, um einen Kurzschluß zwischen der Anode und der Kathode zu vermeiden, der im Betrieb durch Abblättern von zerstäubtem Kathodenwerkstoff von der Anode auftreten könnte. Wenn die Kathode aus Titan besteht, kann die Anodenzelle aus rostfreiem Stahl bestehen. ._

lonengetterpumpen mit Vorrichtungen nach der 'Jr Erfindung können bis zu Drücken von wenigen ICH Torr eine gute Pumpwirkung in bezug auf Edelgase aufweisen. Andererseits kann die Entladung bei Drücken von weniger als 10~¹⁰ Torr stabil bleiben und sogar bei 10-¹⁰ Torr kann die Kaltkathodenentladung unverzüglich anspringen, dies im Gegensatz zu lonengetterpumpen und Ionisationsmanometern mit Kathodenstäben mit kreisförmigem Außenquerschnitt oder ohne Kathodenstäbe, bei denen es sich herausgestellt hat, daß bei diesen niedrigen Drücken die Entladung erst mit erheblicher Verzögerung anfängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher ^! beschrieben. Es zeigt ;

Fig. 1 und 2 schematisch eine einzelne Zelle einer Vorrichtung nach der Erfindung in Seitenansicht bzw. in der Draufsicht, ^:

F i g. 3a und 3b Querschnitte durch einen angefresse- ; nen Kathodenstab.

F i g. 4 eine Seitenansicht einer einzelnen Reihe einer aus Wabenanoden bestehenden Zellenanordnung,

Fig. 5a und 5b detaillierter eine Seitenansicht bzw. : eine Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform j

einer aus Wabenanoden bestehenden Zellenanordnung.

In den F i g. 1 und 2 ist eine stabförmige Kathode 1 mit quadratischem Querschnitt zentral in einer Anodenzelle 2 angeordnet, die aus vier ebenen Wänden besteht, die in gleichen Abständen je parallel zu einer Seite des Außenquerschnittes des Kathodenstabes angebracht sind, d. h. so, daß die vier Innenflächen der Anodenzelle die gleiche Orientierung wie die vier Außenflächen des Kathodenstabes aufweisen. Der massive Kathodenstab 1 verbindet und wird an den beiden Enden abgestützt durch Kathodenplatten 3 und 4, die elektrisch mit ihm verbunden sind. Der Kathodenstab 1, die Kathodenplatten 3 und 4 und die Anodenzelle 2 sind in einer nicht dargestellten Hülle untergebracht, die eine öffnung zum Anschluß an ein zu evakuierendes Vakuumsystem aufweist. Die Anode und die Kathode sind elektrisch voneinander isoliert und werden in der Hülle abgestützt. Der Kathodenstab 1 besteht aus einem reaktiven Gitterwerkstoff wie Titan, Zirkon oder Tantal, und die Anodenzelle 2 besteht aus einem Werkstoff, an dem de'r Kathodenwerkstoff leicht haftet. Wenn die Kathode aus Titan besteht, kann die Anode aus rostfreiem Stahl bestehen.

Im Betrieb wird eine elektrische Spannungsquelle mit einer Spannung von mehreren tausend Volt über einen Reihenwiderstand zwischen die Anode und die Kathode geschaltet. Es sind auch Mittel vorgesehen, um in der Entladungsstrecke zwischen der Anode und der Kathode ein parallel zur Längsachse des Kathodenstabes verlaufendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld kann eine magnetische Dichte von z. B. mehreren huntertstel Tesla liefern. Es sei angenommen, daß anfangs der Druck im Vakuumsystem und in der Umhüllung so niedrig ist, daß eine elektrische Kaltkathodenentladung zwischen der Anode und der 35·· Kathode anspringen kann. Dies hat Zerstäubung der Kathode zur Folge, wodurch sich in bekannter Weise eine Pumpwirkung ergibt. '

Wenn das zu pumpende Gas Argon enthält, tritt bei den üblichen lonengetterpumpen eine Argoninstabilität in Erscheinung. Es handelt sich dabei um eine geringe Druckänderung, die u. a. dadurch verursacht wird, daß zunächst durch einen Prozeß, der wahrscheinlich darin besteht, daß Argonatome durch bei der Zerstäubung auf die Kathode selbst auftreffende reaktiven Metallteilchen bedeckt werden, Argon an einer Kathodenfläche angereichert wird, während bei weiterer Zersetzung der Kathode im Verlauf des Ionisationsprozesses diese Argonatome wieder frei werden, wodurch der Argon-Druck zunimmt. Es ergibt sich eine Reihe derartiger Zyklen, wodurch es unmöglich ist, Argon gleichmäßig zu pumpen. Die Schwierigkeit tritt auf, weil sich Argon als Edelgas chemisch nicht mit dem reaktiven Gettermaterial verbinden kann.

Es hat sich herausgestellt, daß durch die Verwendung eines Kathodenstabs mit quadratischem Querschnitt von der beschriebenen Art Argon bei Drücken bis zu 5-10-⁴ Torr und mit einer Geschwindigkeit, die 12 % der Geschwindigkeit beträgt, mit der die gleiche Pumpe Stickstoff pumpt, nahezu gleichmäßig gepumpt werden to kann. Es hat sich auch herausgestellt, daß mit einer derartigen Gestaltung der Kathode durch Pumpen Drücke von weniger als 2-10-¹¹ Torr erreicht werden können.

Es wurde gefunden, daß bei einem Kathodenstab mit <>■-> quadratischem Querschnitt die Kathodenzerstäubung nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Stabes verteilt auftritt. Eine derartige Kathode zeigt nach einiger Zeit Abnutzungserscheinungen, Anfressung an den in F i g. 3a und b mit 5 bezeichneten Stellen, so daß der Querschnitt die in F i g. 3a dargestellte Form erhält, wobei ein derartiger Querschnitt typisch für den größeren Teil des Kathodenstabes ist. Die Kathodenplatten 3 und 4 zeigen keine Neigung zur Zerstäubung, dies im Gegensatz zu bekannten lonengetterpumpen mit Kathodenendplatten ähnlich den Kathodenplatten 3 und 4, jedoch ohne Kathodenstab. Während bei bekannten lonengetterpumpen die Platten und Stäbe üblicherweise aus einem reaktiven Metall wie Titan bestehen, können bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung die Kathodenplatten 3 und 4 auch aus rostfreiem Stahl bestehen. Auch ist es möglich, die Platten völlig fortzulassen, wobei der Kathodenstab in anderer Weise abgestützt wird und mit einer geeigneten elektrischen Verbindung mit der elektrischen Spannungsquelle versehen ist.

Obgleich die Kathode beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die Form eines Stabes hat, kann sie auch als Hohlrohr ausgebildet sein. Die Kathode kann z. B. aus einem prismatischen Rohr bestehen, das einheitlich oder aus Streifen zusammengesetzt sein kann.

Obgleich der Außenquerschnitt des Kathodenstabes beim beschriebenen Ausführungsbeispiel quadratisch ist, kann er auch die Form eines anderen gegebenenfalls regelmäßigen Vielecks haben. Es ist sogar möglich, daß die bessere Wirkung der Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Kathodenstab oder -rohr erzielbar ist, der oder das gar keine ebenen Flächen hat, sofern der Außenquerschnitt nicht kreisförmig ist. Es ist r.ämlich möglich, daß die bessere Wirkung der Vorrichtung nach der Erfindung die Folge des verstärkten elektrischen Feldes ist, das im Betrieb in der Nähe derjenigen Teile der Oberfläche des Kathodenstabes oder -rohrs auftritt, die den geringsten Krümmungshalbmesser haben. Deshalb weist der Außenquerschnitt des Kathodenstabs oder -rohrs vorzugsweise mindestens eine Kante oder Sprungstelle auf.

Mehrere Anodenzellen nach F i g. 1 und 2 können in Form von Waben angeordnet werden. Eine Reihe von Anodenzellen in einer derartigen Wabenform ist in Seitenansicht in F i g. 4 dargestellt. In F i g. 4 sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in den F i g. 1 und 2 bezeichnet. Bei einer baulich zweckmäßigen Ausführungsform sind die aneinander grenzenden Anodenwände benachbarter Anodenzellen vereinigt, so daß einfache Trennwände zwischen diesen Zellen entstehen. Solche Wabenanoden sind für lonengetterpumpen bekannt. Wie Fig.4 zeigt, können die Endkathodenplatten bei jeder Zelle so verlängert werden, daß sie sich an die entsprechenden Platten der benachbarten Anodenzellen anschließen, wodurch sich für die ganze Wabenanode ein Paar paralleler Platten ergibt.

F i g. 3a, die ein Querschnitt durch eine teilweise zerstäubte Kathode nach F i g. 1 und 2 oder eine der Kathoden nach F i g. 4 darstellt, zeigt, daß die zerstäubten Teile 5 nicht symmetrisch in jeder Fläche der Kathode auftreten, sondern bei jeder Fläche nach einer Seite verschoben sind. Die Zerstäubungstiefe wird u. a. durch die Betriebszeit der lonengetterpumpe bestimmt. Wenn die Zerstäubung eine im Vergleich zur Stärke der Kathode erhebliche Tiefe erreicht hat, kann durch Richtungsumkehrung des angelegten Magnetfeldes die Zerstäubung nach unangegriffenen Stellen der Kathode verschoben werden, wodurch am anderen Ende jeder Kathodenfläche ein neues Anfressungsmu-

ster 6 entsteht.

Ein solches neues Anfressungsmuster ist in Fig.3b gestrichelt dargestellt. In dieser Weise läßt sich die Lebensdauer der Kathodenstäbe etwa um einen Faktor

2 verlängern.

Die praktische Ausführungsform nach F i g. 5 besteht aus einer Wabenanordnung, die je einen Kathodenstab 1 in eine Anodenzelle 2 aufweisen. Die Kathodenplatten

3 und 4 erstrecken sich jeweils über eine ganze Seite der Wabenanode und tragen die Kathodenstäbe 1. Die Kathodenstäbe 1 und die Kathodenplaten 3 und 4 können z. B. aus Titan bestehen, während die Anodenzellen 2 aus rostfreiem Stahl bestehen können. Die Kathodenplatten 3 und 4 sind durch rinnenförmige Glieder 15 aneinander befestigt, die je an einem Ende der Wabenanordnung liegen. Jedes rinnenförmige Glied trägt zwei elektrische Isolatoren 16, die z. B. aus keramischem Werkstoff hergestellt sein können. Die Isolatoren 16 sind ihrerseits an der Wabenanod^ 2 befestigt, so daß die Wabenanode isoliert innerhalb der beiden Kathodenplatten 3 und 4 abgestützt wird. Um jeden Isolator sind schalenförmige Abschirmungsglieder 17 angebracht, um ihn gegen zerstäubten Werkstoff, der im Betrieb aus den offenen Enden jeder Anodenzelle austreten kann, abzuschirmen.

Die Abmessungen einer praktischen Ausführungsform der Vorrichtung nach Fi g. 5 waren: Gesamtdicke von Kathodenplatte zu Kathodenplatte 44 mm, Höhe der Wabenanode 20 mm; die 36 Anodenzellen für 3x12 Kathoden hatten quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 25 mm, der Querschnitt der Kathodenstäbe war ein Quadrat mit Seitenlänge 2,5 mm, die

ίο Länge und die Breite der Wabenanordnung (einschließlich der rinnenförmigen Glieder) betrugen 328 bzw. 92 mm. Im Betrieb wurde ein Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 5b angelegt, das eine magnetische Dichte von 0,17 Tesla lieferte, während zwischen Anoden und Kathoden eine elektrische Spannung von 5 kV angelegt wurde. Bei diesen Werten ergab sich eine Höchstpumpgeschwindigkeit für Stickstoff (bei etwa 2-10-⁷ Torr) von 40 Liter je Sekunde, und die Pumpwirkung hielt an, bis ein Enddruck von weniger als 2· 10-" Torr erreicht war. Die gleiche Vorrichtung pumpte reines Argon bei Drücken bis zu 5 · 10-⁴Torr völlig gleichmäßig mit einer Höchstgeschwindigkeit von 8,5 Liter je Sekunde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionengetterpumpe mit einer Penning-Gasentladung zwischen zwei parallelen kalten Kathodenplatten, die zumindest an ihrer Oberfläche aus einem Getter, wie z. B. Titan, bestehen, und senkrecht dazu angeordneten wabenförmigen Anodenzellen, in denen zentral Kathodenstäbe angeordnet sind, die mindestens einseitig mit einer Kathodenplatte verbunden sind und die zusammen mit den Anodenzelien parallel zu den magnetischen Kraftlinien ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstäbe (t) auf ihrer äußeren Mantelfläche in axialer Richtung verlaufende Kamen aufweisen.

2. lonengetterpimipe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstäbe (1) quadratischen Querschnitt aufweisen.

3. lonengetterpumpe nach Anspruch 2, dadurph gekennzeichnet, daß die Innenmantelflächen der Anodenzellen (2) zu den Außenmantelflächen der Kathodenstäbe (1) parallel verlaufen.