DE1639597B2

DE1639597B2 - Stromversorgungsschaltung fuer eine getter-ionen-pumpe

Info

Publication number: DE1639597B2
Application number: DE1968V0035409
Authority: DE
Inventors: Dale L. El Sobrante Calif. Quinn (V.StA.)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1967-03-06
Filing date: 1968-02-05
Publication date: 1976-12-30
Also published as: GB1169853A; DE1639597A1; FR1567244A; US3412310A

Description

Es wird eine Stromversorgung für eine Getter-Ionen-Pumpe beschrieben, bei der ein sekundärstromabhängiger Streufeld-Transformator zum Aufbau einer Glimmentladung zwischen den Pumpenelektroden benützt wird, an dessen Sekundärwicklung ein Doppelweggleichrichter angeschlossen ist. Diese Stromversorgung ist besonders geeignet, eine Mehrzellen-Getter-Ionen-Vakuumpumpe zu speisen. Bei diesem Pumpentyp wird eine Vielzahl von getrennten, magnetisch eingeschnürten Glimmentladungssäulen nach Penning verwendet, die dazu dienen, das Gas zu ionisieren und die Ionen in ein Gettermaterial zu treiben, um das Gettermaterial zu versprühen und die Ionen einzubetten, das heißt also, durch Gettern und Einbetten zu pumpen. Glimmentladungspumpen im allgemeinen, und Penning-Pumpen im besonderen, stellen für die Stromversorgung eine Belastung dar, die gekennzeichnet ist durch einen Bereich niedriger Impedanz mit hohem Strom bei hohen Drücken, von beispielsweise 10~³ Torr, und einen Bereich hoher Impedanz mit niedrigem Strom bei niedrigen Drücken von beispielsweise 10-" Torr.

Für Getter-Ionen-Vakuumpumpen sind verschiedene Stromversorgungen bekannt. In letzter Zeit wurden überwiegend zwei Arten von Stromversorgungen verwendet. Bei der ersten Art wurde ein »steifer« Transformator in Verbindung mit einem brückenfreien Zweiweggleichrichter und einer kapazitiven Spannungsverdopplerschaltung verwendet Der Ausgangsstrom dieser Stromversorgung ist durch die kapazitive Reaktanz der Spannungsverdoppler-Kondensatoren begrenzt, die mit der Sekundärwicklung des Transformators in Reihe liegen. Für Hochleistungs-Hochstrom-Pumpen wurde der Strombegrenzungskondensator viel zu groß und teuer.

Bei einer zweiten Art Stromversorgung wurde ein Zweiweg-Brückengleichrichter und Streufeld-Transformator verwendet Der Strom wurde durch den Streufeld-Transformator begrenzt In diesem Zusammenhang soll unter »Streufeld-Transformator« ein Transformator verstanden werden, dessen Sekundärwicklung längere Zeit kurz geschlossen werden kann, ohne daß er Schaden leidet. Solche Transformatoren können auch als Transformatoren mit hoher Reaktanz oder sekundärstrombegrenzende Transformatoren bezeichnet werden. Solche Streufeld-Transformatoren arbeiten üblicherweise mit einem magnetischen Nebenschluß um die Sekundärwicklung, so daß, wenn die Reaktanz sich in der Sekundärwicklung aufbaut, ein größerer Teil des Magnetfeldes der Primärwicklung um die Sekundärwicklung herumgeleitet wird. Ein Briikkengleichrichter in Verbindung mit einem Streufeld-Transformator könnte zwar einen ausreichenden Kun-schlußstrom für den Hochdruckbereich des Transformators liefern. Ein solcher Transformator würde jedoch außerordentlich aufwendig, wenn sowohl der hohe Kurzschlußstrom als auch die hohe Leerlaufspannung für den Niederdruckbereich geliefert werden sollte. Bei Betrieb mit üblichen Netzspannungen von 220 bis 240 V erreichte der Netzstrom auch bis zu 30 A. Jede Steigerung der Ausgangsleistung zur Erzielung eines besseren Startverhaltens der Pumpe würde eine größere Netzbelastung als 30 A mit sich bringen, und dann müßten d^:e Bauteile, wie Stecker und Steckdosen, verstärkt werden; als nächste übliche Größe käme eine Nennstromstärke von 50 A in Frage. Hierfür geeignete Bauteile wären jedoch wesentlich größer und teurer.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine bessere Stromversorgung für Glimmentladungs-Vakuumpumpen verfügbar gemacht werden. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer bekannten Stromversorgungsschaltung für eine Getter-Ionen-Pumpe, bei der ein sekundärstromabhängiger Streufeld-Transformator zum Aufbau einer Glimmentladung zwischen den Pumpenelektroden benützt wird, an dessen Sekundärwicklung ein Doppelweggleichrichter angeschlossen ist. Diese bekannte Stromversorgungsschaltung wird erfindungsgemäß dadurch verbessert daß parallel zum Gleichspannungsausgang des Doppelweggleichrichters eine Reihenschaltung von Kapazitäten angeschlossen ist, von der eine Anzapfung mit einem Wechselstromanschluß des Doppelweggleichrichters verbunden ist, derart, daß mit zwei Brückenarmen eine Spannungsvervielfacherschaltung gebildet wird, und daß die Kapazitäten so bemessen sind, daß die Spannungsvervielfachung spätestens bei Drücken über 10~⁴ Tor unwirksam wird. Eine derart aufgebaute Versorgungsschaltung arbeitet in dem Hochdruckbereich der Pumpe als strombegrenzter Doppelweggleichrichter und im Niederdruckbereich der Pumpe als Doppelweggleichrichter mit Spannungsvervielfachung.

Da der eigentliche Niederdruckbereich der Pumpe bei Drücken unterhalb von ΙΟ-⁵ Torr liegt, kann der Übergang gemäß einer speziellen Ausbildung der

Erfindung auch in diesen Bereich gelegt werden, indem die Kapazitäten so bemessen werden, daß die Spannungsvervielfachung schon bei Drücken über IO-⁵ Torr unwirksam wird.

Merkmale weiterer spezieller Ausführungsformen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine bekannte Gümmentladungs-Vakuumpumpe mit zugehöriger Stromversorgung;

Fig.2 schematisch eine andere Schaltung als die gemäß F ig. 1;

Fig.3 schematisch eine Stromversorgung nach der Erfindung für Gümmentladungs-Vakuumpumpen;

F i g. 4 das Ersatzschaltbild der Schaltung nach F i g. 3 für den Hochdruck-Arbeitsbereich;

Fig.5 das Ersatzschaltbild für die Schaltung nach Fig. 3 für den Niederdruck-Arbeitsbereich der Pumpe; und

F i g. 6 die Abhängigkeit der Spannung, des Stromes und der Leistung in Prozent der Maximalwerte in Abhängigkeit vom Betriebsdruck der Pumpe.

In Fig. 1 ist eine bekannte Gümmentladungs-Vakuumpumpe 1 und die zugehörige Stromversorgung 2 dagestellt. Die Glimmentladungs-Vakuumpumpe 1 besteht aus einem nicht dargestellten Gefäß, das eine Vielzellenanode 3 enthält, die zwischen zwei Kathodenplatten 4 angeordnet ist. Die Kathodenplatten bestehen aus einem Gettermaterial, beispielsweise Titan, und die Anode 3 wird mit einer nicht dargestellten iiolatoranordnung im Abstand von den Platten 4 gehahert. Ein Magnet 5 ist außerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet und liefert ein Magnetfeld von beispielsweise 1000 Gauß durch die Anode 3, das axial zu den mit offenem Ende versehenen Anodenzellen liegt.

Die Stromversorgung 2 liefert eine maximale positive Spannung von beispielsweise 7,5 kV an die Anode 3 gegenüber den Kathodenplatten 4, wenn unter 10~⁹ Torr gearbeitet wird. Wenn der Gasdruck innerhalb der Pumpe 1 durch eine nicht dargestellte andere Vakuumpumpe auf etwa IO-³ Torr abgesenkt worden ist, sorgt die angelegte Spannung dafür, daß eine Glimmentladung eingeleitet wird. Die Spannung zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 liegt dann bei etwa 400 V, und der Strom wird durch die Stromversorgung 2 begrenzt. Diese Glimmentladung wird als Penning-Entladung bezeichnet und sorgt dafür, daß das Gas ionisiert wird und die positiven Ionen in die Kathodenplatten 4 getrieben wei den, um das Gettermaterial zu versprühen und die Ionen in den Kathodenplatten 4 einzubetten. Das versprühte Material wird auf den Oberflächen innerhalb der Pumpe gesammelt und dient dazu, damit in Berührung kommende Gase zu gettern, so daß diese abgepumpt werden. Bei Drücken unterhalb etwa 3xlO-⁴ Torr ist die Glimmentladung durch eine Vielzahl von Glimmentladungssäulen gekennzeichnet, von denen je eine eingeschnürt und gewendelt innerhalb einer der Anodenzellen verläuft.

Die Stromversorgung 2 besteht aus einem »steifen« Transformator 6 mit einer Primärwicklung 7, die gewöhnlich an Netzspannung von 120 V und 60 Hz. angeschaltet wird? Der Transformator kann jedoch auch für eine Stromquelle von 600 V oder weniger und 25 bis 400 Hz ausgelegt werden. Die Sekundärwicklung 8 des Transformators liegt über dem Eingang einer Zweiweg-Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltunge.

Die Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung 9 weist zwei Eingangsklemmen 11 und 12 und zwei Ausgangsklemmen 13 und 14 auf. Es sind zwei Gleichrichteranne 15 und 16 vorgesehen. Ein Arm 15 liegt zwischen einer Eingangsklemme 11 und einer Ausgangsklemme 13, und der andere Arm 16 liegt zwischen einer Eingangskiemme 11 und der anderen Ausgangsklemme 14. Zwei Kondensatoren 17 und 18 liegen in Reihe über den Ausgangsklemmen 13 und 14. Die Reihenverbindung der Kondensatoren 17 und 18 ist in der Mitte angezapft, um die zweite Eingangsklemme 12 des Gleichrichters 9 zu bilden.

Die Glimmentladung in der Pumpe 1 ist durch zwei Betriebsbereiche gekennzeichnet Einer dieser Bereiche ist ein Hochdruck-Pump- und Anlaufbereich, in dem die Entladung durch eine extrem kleine Impedanz gekennzeichnet ist In diesem Bereich muß also der Strom begrenzt werden, um, im ungünstigsten Falle, ein Aufbrennen der Pumpe oder wenigstens eine Überhitzung der Pumpe zu verhindern, bei der ihre Bauteile ausgasen wurden, wodurch schlechte und unstabile Starteigenschaften hervorgerufen wurden. Bei der Schaltung nach F i g. 1 ist der im Hochdruckbereich gelieferte Strom durch den kapazitiven Blindwiderstand der Kondensatoren 17 und 18 begrenzt, weil jeder pulsierende Ausgangs-Gleichstrom durch die Kondensatoren 17 und 18 fließen muß. Diese Kondensatoren werden außerordentlich aufwendig, wenn relativ große Anlaufströme von beispielsweise 1 A für große Pumpen

I benötigt werden.

Der andere Betriebsbereich der Pumpe 1 ist der Niederdruckbereich, in dem der Druck unterhalb von IO-⁵ Torr liegt. In diesem Bereich wächst die Impedanz der Pumpe auf einen sehr hohen Wert bei weniger als 10-' Torr. Die Schaltung nach Fig. 1 liefert die Hochspannung von beispielsweise 7,5 kV bei einigen Milli-Ampere oder weniger zum Betrieb im Niederdruckbereich.

In Fig.2 ist eine andere bekannte Stromversorgung 21 für Glimmentladungspumpen 1 dargestellt. In diesem Falle ist der Transformator 22 ein Streufeld-Transformator, dessen Sekundärwicklung 8 längere Zeit kurzgeschlossen werden kann, ohne daß der Transformator 22 Schaden leidet. An die Primärwicklung 1 wird eine Netzspannung von 220 bis 240 V gelegt. Der Transformator 22 enthält ein geschlossenes magnetisches Joch 23, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen 7 bzw. 8 auf einen magnetischen Kern 24 des Jochs 23 gewickelt sind. Zwei magnetische Nebenschlüsse 25 liegen zwischen dem Kern 24 und dem Joch 23 an einem Punkt, der den Kern 24 zwischen den Windungen 7 und 8 schneidet. Wenn der von der Sekundärwicklung abgegebene Strom steigt, wächst auf diese Weise die Kernflußdichte, so daß ein größerer Prozentsatz des Magnetflusses durch die Nebenschlüsse 25 zum Joch 23 abgeleitet wird. Die Nebenschlüsse 25 sind so eingestellt und bemessen, daß, wenn die Sekundärwicklung kurzgeschlossen ist, der Kurzschlußstrom einen Wert annimmt, den der Transformator für längere Zeitspannen ohne Schaden liefern kann. In einem typischen Ausführungsbeispiel wird der Sekundär-Kurzschlußstrom auf 1,33 Ampere effektiv eingestellt. Der Effektivwert des Sekundär-Kurzschlußstroms ist das 1,41-fache des Gleichstrom-Kurzschluß-Ausgangsstroms.

Die Ausgangsspannung von 5300 V effektiv der Sekundärwicklung 8 liegt über den Eingangsklemmen

II und 12 eines üblichen vierarmigen Zweiweg-Brükkengleichrichters 26 mit Ausgangsklemmen 13 und 14

und Gleichrichterarmen IS, 16, 27 und 28. Die Ausgangsklemmen 13 und 14 sind mit der Vakuumpumpe 1 wie im Falle der F i g. 1 verbunden.

Ein Problem bei dieser bekannten Stromversorgung nach F i g. 2 liegt darin, daß keine Spannungsverdopplung vorhanden ist. Damit die Stromversorgung im Niederdruckbereich 7,5 kV Gleichspannung liefern kann und der relativ hohe Kurzschlußstrom von beispielsweise 1,2 A Gleichstrom im Hochdruckbereich geliefert werden kann, wird der Transformator relativ groß und aufwendig.

In Fig.3 ist eine Stromversorgung 31 nach der Erfindung dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schaltung 32 grundsätzlich die gleiche wie die nach F i g. 2, nur daß die Spannungsverdoppler-Kondensatorschaltung der Schaltung nach F i g. 1 hinzugefügt worden ist. Genauer gesagt, sind zwei Kondensatoren 17 und 18 in Reihe über die Ausgangsklemmen 13 und 14 des Brückengleichrichters 32 geschaltet. Die in Reihe geschalteten Kondensatoren 17 und 18 sind in der Mitte angezapft und mit der Eingangsklemme 12 verbunden, so daß einer der Kondensatoren 17 oder 18 parallel zu jeweils einem der Gleichrichterarme 27 bzw. 28 liegt.

Die Werte der Kondensatoren 17 und 18 sind so ausgewählt, daß im Niederdruckbereich bei kleinem Strombedarf eine ausreichende Zeitkonstante vorhanden ist, so daß die Lastimpedanz die Dioden in den parallel liegenden Armen 27 und 28 in den nicht leitenden Zustand vorspannt. In einem solchen Falle arbeitet die Schaltung 32 im Niederdruckbereich wie die Spannungsverdopplerschaltung nach Fig. 1, wie das in F i g. 5 veranschaulicht ist. Wenn andererseits die Pumpe im Hochdruckbereich mit hohem Strom arbeitet, haben die Kondensatoren 17 und 18 zusammen mit der niedrigen Impedanz der Glimmentladungs-Vakuumpumpe eine solch kleine Zeitkonstante, daß die parallelliegenden Dioden voll leitend sind und die Schaltung wie ein Zweiweg-Brückengleichrichter nach F i g. 2 arbeitet, wie das in F i g. 4 veranschaulicht ist

Es ist sehr wichtig, daß die Brücken-Verdopplerschaltung gemäß Fig.3 den gleichen Kurzschluß-Gleichstrom und die gleiche Leerlaufspannung haben kann wie die Brückenschaltung nach Fig.2, jedoch mit einer Sekundärspannung von 2650 V effektiv, was nur die Hälfte der Sekundärspannung des Transformators nach Fig.2 ist Wenn also die Sekundärwicklungen der Transformatoren nach F i g. 2 oder 3 gleichen Kurzschlußstrom liefern müssen, muß der Volt-Ampere Wert des Transformators nach F i g. 2 doppelt so groß sein wie der des Transformators nach Fig.3. Bei einer Primärspannung von 240 V beträgt der Netzstrom des Transformators gemäß Fig.2 etwa 30 A, bei der Schaltung^anordnungjiach Fig. 3 ist der primärsei tig abgegebenei Net&tröm jedoch nur 15 Al, wenn die Sekundärwicklungen kurzgeschlossen sind. Die Kapazität der Kondensatoren 17 und 18 kann so eingestellt werden, daß sich eine Abhängigkeit der Ausgangs-Gleichspannung vom Strom der Schaltung 31 nach F i g. 3 ergibt, die sehr gut der gleichartigen Kurve der Schaltung 21 nach Fig.2 folgt. Eine Herabsetzung des Netzstroms um einen Faktor 2 bedeutet eine erhebliche wirtschaftliche Einsparung. Statt dessen kann der Ausgangs-Gleichstrom der Schaltung 31 nach F i g. 3 auf den doppelten Wert der Schaltung 21 nach Fig.2 erhöht werden, um höhere Anlaufgeschwindigkeiten der Ionenpumpe zu erhalten, ehe der Wert von 30 A für den Netzstrom überschritten wird.

In F i g. 6 sind graphisch die Betriebscharakteristiken einer typischen Glimmentladungspumpe mit einer Stromversorgung nach Fig.3 dargestellt In einem typischen Beispiel wird der Kurzschluß-Gleichstrom zu 1,2 A gewählt, damit wird die interne Nebenschlußkonstruktion des Transformators festgelegt. Die Leerlauf-Gleichspannung der Stromversorgung wird zu 7,5 kV gewählt, und dadurch wird das Windungsverhältnis des Transformators und der Nennwert der Spitzensperrspannung der Diodengleichrichter für die Brücke 32 festgelegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Gleichrichterarme 15,16,27 und 28 jeweils

eine Reihenschaltung von wenigstens zehn Dioden 1000 PRV, damit jede Diode unterhalb ihrer Nenn-Spitzensperrspannung arbeiten kann. Die Kondensatoren 17 und 18 werden mit einer Kapazität von 0,1 Mikrofarad und einer Nennspannung von 10 kV gewählt

Wie aus der graphischen Darstellung in Fig.6 ersichtlich ist, fällt die Ausgangsspannung der Stromversorgung 31 mit wachsendem Druck, während der abgegebene Strom mit wachsendem Druck steigt. Die zur Pumpe gelieferte Leistung erreicht ihren Maximal-

wert gut im Hochdruckbereich, so daß die Pumpe über den größten Teil des Betriebsbereiches auf der linken Seite des Leistungsmaximums arbeitet. Auf diese Weise liefert die Stromversorgung mehr Leistung an die Pumpe, wenn in dieser ein Gasstoß auftritt, durch den

der Druck im Innern der Pumpe momentan ansteigt Wenn statt dessen das Maximum der gelieferten Leistung weit im Niederdruckbereich läge und die Pumpe auf der rechten Seite des Leistungsmaximums arbeiten würde, würde bei einem solchen Gasstoß die Stromversorgung weniger Leistung liefern und dadurch kann die Pumpe unter Umständen überschwemmt werden.

Wenn auch die Stromversorgung nach Fig.3 in Verbindung mit einer mehrzelligen Glimmentladungs-

Vakuumpumpe nach Penning geschrieben worden ist so ist sie doch auch bei anderen Glimmentladungs-Vakuumpumpen anwendbar, die einen Hochdruck-Betriebsbereich mit niedriger Impedanz und hohem Strom und einen Niederdruck-Betriebsbereich mit hoher lmj

und niedrigem Strom aufweisea

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromversorgungsschaltung für eine Getter-''^ Jonen-Pumpe, bei der ein sekundärstromabhängiger Streufeld-Transformator zum Aufbau einer Glimmentladung zwischen den Pumpeneiektroden benützt wird, an dessen Sekundärwicklung ein Doppelweggleichrichter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Gleichspan- '° nungsausgang des Doppelweggleichrichters (15,16; 27, 28) eine Reihenschaltung von Kapazitäten (17, 18) angeschlossen ist, von der eine Anzapfung mit einem Wechselstromanschluß (12) des Doppelweggleichrichters verbunden ist, derart daß mit zwei '5 Brückenarmen (15, 16) eine Spannungsvervielfacherschaltung gebildet wird, und daß die Kapazitäten (17,18) so bemessen sind, daß die Spannungsvervielfachung spätestens bei Drücken über 10-⁴ Torr unwirksam wird.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streufeld-Transformator (22) einen magnetischen Nebenschluß (25) enthält, der einen Teil des Magnetflusses der Primärwicklung (7) um die Sekundärwicklung (8) herumleitet.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsvervielfacherschaltung eine Spannungsverdopplerschaltung ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (17,18) so bemessen sind, daß die Spannungsvervielfachung schon bei Drücken über 10~⁵ Torr unwirksam wird.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (17,18) Werte im Bereich von 0,01 bis 1 Mikrofarad haben.

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