DE1764062A1 - Hochvakuumpumpe - Google Patents

Description

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT _{y1 pi66 D}

D-8 MÜNCHEN 23 MAINZER STRASSE 5

VARIAN ASSOCIATES
Palo Alto / California
T. St. von Amerika

Hochvakuumpumpe

Priorität: 5· April 1967» Vereinigte Staaten von Amerika Serial No. 628,590

Zusammenfassung»

Hochvakuum-^ntladungspumpen nach Penning werden beschrieben, bei denen die Kathoden der Penningzellen mit Offnungen versehen sind, um einen Ionenstrahl aus dem Penning-Entladungebereich herauszulassen. Die Ionenstrahlen werden auf eine Auffängerelektrode gerichtet, die auf dem Potential der Penninganoden oder darunter liegt, so dass die Ionen in die Aufiängerelektrode hineingetrieben werden. Ein Getter-Sublimationselement, das durch Elektronenbombardierung auf Sublimationatemperatur erhitzt werden kann, aublimiert Gettermaterial, beispielsweise Titan, über die mit Ionen bombardierten Oberflächen der Auffängerlektrode, so dass die Ionen

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in das sublimierte Gettermaterial eingebettet und mit diesem bedeckt'werden. Edelgase werden durch die Gasionisierung und die Ioneneinbettung gepumpt, während aktive Gase hauptsächlich mit Hilfe des sublimierten Gettermaterials gepumpt werden. Auf diese Weise hat die Pumpe für aktive Gase eine Pumpgeschwindigkeit, die charakteristisch für ^üublimationapumpen ist, und eine Pumpgeschwindigkeit für Edelgase, die sowohl besser als die von Dioden- und Trioden-Pumpen nach Penning als auch Orb-Ion-Pumpen ist.

Aueführungsform einer erfindungsgemässen Pumpe wird beschrieben, bei der Deflektorelektroden vorgesehen sind, um die positiven Ionenstrahlen zu Auffängerflächen der Pumpe abzulenken, die am leichtesten mit sublimiertem Gettermaterial bedeckt werden. 3ei einer anderen Ausführungsform sind die Magnete, mit denen das axiale Magnetfeld der Penningzellen erzeugt wird, außerhalb des Vakuumgefäßes der Pumpe angeordnet, und eine Sektion des Pumpengefäßes besteht aus magnetischem Werkstoff, um einen Verlust an Magnetfeld zu verhindern. Bei einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Penning-Zellen-Pumpelemente um den Umfang des Vakuumgefäßes herum angeordnet, wobei diese Elemente auf ein mittig angeordnetes Sublimatorelement hervorstehen und dieses umgeben, ^ei nooh einer Ausführungsform bestehen die Kathodenelektroden der Penningzellen aus mit Öffnungen versehenen Magnetpolschuhen.

Stand der Teohniki Ea sind bereits Sublimationeelemente zur Verwendung In mehrzelligen Penning-Pumpen bekannt geworden. Eine solche Pumpe ist in der US-Patent-

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schrift 5,112,864 beschrieben. Bei dieser Pumpe sublimierte der S mator lediglich Gettermaterial auf exponierte Oberflächenbereiche innerhalb des Pumpengefäßes, beispielsweise auf die äußeren Oberflächen der Anode und die exponierten Kanten der Kathodenplatten. Bei dieser Pumpe wurde festgestellt, dass die Pumpgeschwindigkeit für Edelgase nicht merklich höher lag als die Pumpgeschwindigkeit, die von den Penningzellen alleine erreicht wurde. Erwartungsgemäß wurden jedoch die aktiven Gase N und 0_ mit Geschwindigkeiten gepumpt, die charakteristisch für eine reine ^üublimationspumpe sind.

Zusammenfassung der Erfindung:

•Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Hochvakuumpumpe nach Penning zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird in einer mehrzelligen Penning-Pumpe eine mit Öffnungen versehene Kaltkathodenelektrode vorgesehen, um Strahlen aus positiven Ionen zu erzeugen, die auf eine Auffängereiektrode gerichtet werden, auf der sie in Gettermaterial eingebettet und mit diesem bedeckt werden, das von einem Sublimator innerhalb des Puapengefäßes sublimiert wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die mit Öffnungen versehene Kalkathodenelektrode auch als Polschuh der Magnetstruktur ausgebildet, die das axiale Magnetfeld der Penningeze11en liefert, eo dasβ die Ausnutzung des .verfügbaren Magnetfeldes verbessert wM.

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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind Ionenstrahl-Deflektorelektroden vorgesehen, um die Ionenstrahlen zu Auffängerflächen abzulenken, die leichter mit eublimiertem Gettermaterial bedeckt «erden können.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Magnet zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes der Penningzellen außerhalb des Vakuumgefäßes der Pumpe angeordnet, und besteht eine Sektion des Gefäßes aus einem Magnetwerkstoff, um den Magnetfluß durch das Gefäß zur Poletruktur innerhalb des Gefäßes durchzulassen, so dass ein Streufluß auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Nach noch einer Weiterbildung der Erfindung sind die Penningzellen in ^lementen gruppiert, die zum Mittelbereich des Vakuumgefäßes der Pumpe hervorstehen, wobei dieser Mittelbereich eine °ublimatoreinheit'enthält, so dass eine Pumpe mit relativ grosser Kapazität geschaffen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigern

. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische und teilweise schematische Darstellung einer Hochvakuumpumpe nach der Erfindung! Fig. 2 einen Sohnitt länge dar Linie 2-2 in *ig. 1j

Fig. 3 schematisch einen Querschnitt durch eine andere Aueführungsform der Erfindung!

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Pig. 4 einen Teil-Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 5 schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Hochvakuumpumpe 1 dargestellt. Die Pumpe 1 enthält einen Satz Penning-Glimmentladungs-Pumpelemente 2, die a> Boden eines zylindrischen Vakuumgefäßes 3 angeordnet sind, das beispielsweise aus unmagnetischem rostfreien Stahl besteht. Das obere ^nde des zylindrischen Gefäßes 3 ist über ein mit Flansch versehenes Anschlußrohr 4 mit einer nicht dargestellten zu evakuierenden Einrichtung verbunden.

Die Penningpumpelemente 2 bestehen aus zwei Kaltkathodenplatten 5» die sich vom Boden nach oben in das Innere der zylindrischen Puapkammer erstrecken. Die Kathodenplatten sind um beispielsweise 38 mm (1,5") voneinander entfernt. Sine mehrzellige Anode 6 ist zwischen den voneinander entfernten Platten 5 angeordnet. Die Zellenanode 6 besteht aus einer Reihe von in kleinem Abstand voneinander befindlichen Metallrohren mit offenen Enden, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, die punktgeschweißt Bind, um die mit Öffnungen versehene Anοdenstruktur zu bilden. In einem typischen Ausführungsbeispiel sind die Anodenzellen 31 mm (1,2") lang und haben einen Durchmesser von 23 mm (O,9^M)· Statt dessen können die Zellen auch quadratischen Querschnitt haben.

Die Zellenanode 6 ist isoliert gegenüber den Kathodenplatten 5 mit zwei Haltearmen 7 und -t-Bolatoren θ befestigt. Die ^altearoe 7 überspannen den

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Spalt zwischen den Kathodenplatten 5, und die Isolatoren θ werden von den Haltearmen 7 getragen. Sie Isolatoren β sind τοη Sprühschirmen 9 umgeben, um einen Kurzschluß der Isolatoren θ durch Metall zu verhindern, das auf deren 3eiten kondensiert.

Die Kathodenplatten 5 dienen auch als Magnetpolschuhe eines magnetischen Kreises, der ein axial gerichtetes, die Glimmentladung einschnürendes Magnetfeld in den Penningaellen der Anode 6 erzeugt. Die Kathodenplatten 5 bestehen aus Weicheisen und sind am Boden des Gefäßes 3 alt zwei Hilfspolschuhen 11, beispielsweise aus Weicheisen, mit dreieckigem Querschnitt abgestützt. Ein C-förmiger Permanentmagnet 12 ist außerhalb des Bodens des Gefäßes 3 angeordnet, und die Pole des Magneten 12 stimmen durch die Takuumwand mit den Grundflächen der Hilfspolschuhe 11 überein. Sie Oberflächen der Magnetpolschuhe 5 und 11, die am Gefäß anliegen, sind genutet, um zu verhindern, dass Gase dazwischen gefangen werden.

Der Boden 13 des Vakuumgefäßes ist gemäß Fig. 2 ausgebildet, Genauer gesagt, der Boden 13 besteht aus einem magnetischen rostfreien Stahl mit Ausnahme eines Mittelstreifens 13', der aus unmagnetischen rostfreien Stahl besteht. Sie Pole des Permanentmagneten 12 passen mit den Sektionen 13 zusammen, während der Gefäßstreifen 13't der zwischen den Polen des Magneten 12 liegt, nioht magnetisch ist, um zu verhindern, dass das Magnetfeld des Magneten durch das Gefäß kurzgeschlossen wird. Sie magnetischen Sektionen 13 des Gefäßes, die beispielsweise 0,51 mm (0,020") stark sind,

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erlauben es, dass der Magnetfluß des Magneten 12 leicht durch das Gefäß 3 zu den darin angeordneten Polstrukturen fließt. In einem typischen Ausführungsbeispiel erzeugt der Magnet 12 ein Feld von 1700 Gauss in den Anodenzellen. Die Polschuhe 5 und 11 sind bei 21 mit Öffnungen versehen, die mit den Achsen der Zellen der Anode 6 ausgefluchtet sind. In einem typischen Ausführungsbeispiel sind die Löcher 21 Bohrungen von 13 mm (0,5^M) Durchmesser.

Eine Getter-Sublimations-Pumpeinheit 22 ist oberhalb des Penning-Pumpelementsatzes 2 angeordnet. Der Sublimator 22 besteht aus einem Block 23 aus Gettermaterial, beispielsweise Titan, der 13mm (0,5") Durchmesser hat und eine Länge von 25 mm (1^JI)> der an einem Ende eines Wolframstabes 24 befestigt ist, der beispielsweise 1,5 mm (0,060") Durchmesser hat. Der Stab 24 ist am anderen Ende mittels eines nicht dargestellten, geeigneten Durchführungsisolators am Gefäß 3 befestigt. Zwei Drahtstützen 25 und 26, beispielsweise aus Tantal-mit einem Durchmesser von 1,5 ^m (0,060") sind oberhalb des Gettertragstabes 24 und parallel zu diesem angeordnet. Der Drahtträger 25 ist am Gefäß 3 geerdet, und der andere Drahtträger 26 ist mit einem nicht dargestellten Durchführungsisolator am Gefäß 5 befestigt.

Zwei drahtförmige Glühemitter 27 und 28 sind parallel zueinander über die Drahttäger 25 und 26 gelegt. Eine Heizquelle 29» beispielsweise 6 Volt, liegt über den Drahtstützen 25 und 26, um den Glühdrahtemittern 27 und 28 Leistung zuzuführen, die beispielsweise Wolframdrähte von 2,54 mm (0,10") Durchmesser sind. Eine Sublimator-Energiequelle 31» die beispfelsweiee

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+ 2500 Volt gegen Erde liefert, ist an den Blockträger 24 angeschlossen, so dass der Block 23 eine Anode gegenüber den Glühemittern 27 und 2Θ ist, die längs der gegenüberliegenden Seiten des ""lockes 23 angeordnet sind.

Eine übliche Glimmentladungs-Steuereinheit 33 liefert eine positive Spannung an die mit Öffnungen versehene Anode 6 gegenüber der geerdeten Kathode 5 und dem Vakuumgefäß 3» und **ar mit einem nicht dargestellten geeigneten Durchführungsisolator. ^

Zum Betrieb wird die Pumpe 1 mit einem vakuumdichten passenden Flansch an eine zu evakuierende Einrichtung angebolzt. Das zusammengesetzte System wird mit mechanischen Pumpen oder Sorptionspumpen, die nicht dargestellt sind, auf einen Druck in der Größenordnung von 5 * 10 Torr evakuiert. Die Sublimationspumpeneinheit 22 und die Penningpumpeneinheit 2 werden dann mit den betreffenden Betriebsspannungen erregt.

Unter diesen Bedingungen werden in jeder der Zellen der Zellenanode 6 Penning-Glimmentladungssäulen aufgebaut. Die Zellen dienen dazu, die Wände der Glimmentladungskanäle zu definieren, die die Glimmentladungesäulen enthalten. In den ^ulimmentladungssäulen spiralen von den gekreuzten und magnetischen Feldern gefangene Elektronen durch die Zellen der Anode 6 zwischen den voneinander entfernten Kathodenelektroden 5 hin und her. Bei diesem Vorgehen werden neutrale Gasmoleküle durch Kollision mit den Elektronen ionisiert, so dass Poaitivionen entstehen. Die Ionen werden

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vom Magnetfeld nicht merklich beeinflußt und werden deshalb rom elektrischei Feld in einen Ionenstrahl auf der Achse der Zellen der Anode 6 fokussiert. Die Ionenstrahlen treten aus den Anodenzellen durch die Löcher 21 in den Kaltkathodenelektroden 5 aus. Es wird also eine Vielzahl τοη parallelen Ionenstrahlen 35 erzeugt, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Die Ionenstrahlen 35 haben ein Strahlpotential, das im wesentlichen gleich dem Anodenpotential ist und sie werden auf die Teile des Gefäßes 3 gerichtet und bombardieren diese, die mit den Achsen der Zellen der Anode 6 und den -führungen 21 der Kathode ausgefluchtet sind. Ein ^eil des geerdeten Gefäßes, das auf Kathodenpotential, dient also als Auffängerelektrode 36, die von den positiven Ionen bombardiert wird, aus denen die Ionenstrahlen 35 bestehen.

In der Sublimatoreinheit 22 erscheint der Getterblook 23 als ^Anode für die Glühdrahtemitter 27 und 2Θ. Der -^lock 23 wird deshalb mit Elektronen von 2,5 kV bombardiert, um aufgeheizt zu werden. Der Strom für die Emitter 27 und 28 wird so eingestellt, dass der -flock 23 auereichend erwärmt wird, um das Gettermaterial zu sublimieren. Ein Metallschirm 30« der auf Ürdpotential arbeitet, ist über der Zellenanode zwischen der Anode 6 und Drahtemittern 27 und 28 angeordnet, um eine Elektronenboabardierung der Anode 6 au verhindern.

Unter "Bublimation" wird i« vorangegangenen und folgenden verstanden, dass das Gettermaterial innerhalb des Puapengefääee verdampft und wieder kondensiert. Während der "Sublimation¹¹ kann das Gettermaterial durch die

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filesige Phase gehen, braucht das aber nicht. In de« speziellen dargeetellen Sublimator ist vorzuziehen, dass die Menge des Getteraaterials in der flüssigen Phase sehr gering ist. In anderen denkbaren Anordnungen kann das ^üettermaterial jedoch auch in einer Schüssel oder dergleichen in der flüssigen Phaee enthalten sein.

Das sublimierte Gettermaterial wird auf der Auffängerelektrode 36 niedergeschlagen, wo es als Schicht dient, in die die Ionen der Strahlen 35 eingebettet werden, wenn sie in die Lage des Getteraaterials hineingetrieben werden* Zusätzlich werden die eingebetteten Ionen «it folgenden Schichten aus niedergeschlagenem Getteraaterial to· Sublimator 22 überdeckt. Wasserkühlrohre 40 sind auf der Außenseite des Gefäßes 3 angeordnet, um die Auffängerelektrode 36 zu kühlen. Dies« Kühlung verhindert, dass die Aufi'ängerelektrode 36 ausgast.

Ionenstrahl-Einbettung ist besonders wirksaa zua Abpuapen von Edelgasen. Zum Beispiel erreicht eine Anode (S> pit 42 Zellen In der Ausführung nach Fig. 1 eine Fluggeschwindigkeit von 40 Liter/sec. für reines Argon, während die Pumpgeschwindigkeit für rein·· Argon einer 42-zeiligen Penningdiode vergleichbarer Größe, in der Sprühkathodenplatten verwendet werden, null Liter/seo. beträgt, und die Puepgeschwindlgkeit für Argon einer 42-zelligen Penning-Triode bei ti Liter/sec. liegt. Bine Orb-Ion-Pumpe vergleichbarer Größe erreioht ein· Puepgeschwlndigkeit von 20 Liter/seo. für reines Argon.

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Aktive Gase werden mit der Pumpe nach Pig. 1 hauptsächlich durch die Getterwirkung des sublimierten Gettermateriafe gepumpt, das auf den verschiedenen Innenflächen der Pumpe 1 kondensiert. Insbesondere liegt die Pumpgeschwindigkeit der Pumpe nach Pig. 1 bei etwa 1000 Liter/sec für Luft. Der Sublimator 22 allein hat jedoch eine Pumpgeschwindigkeit Null für Edelgase wie Argon, Helium usw.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Pumpe dargestellt. Bei dieser Ausführungsform hat das Pumpengefäß 41 ^Kechteckform, und die °ublimatoreinheit 22 ist zentral im Gefäß 41 angeordnet, wobei die Penningpumpensätze 2 von den Seitenwänden des Gefäßes 41 zum zentralen Sublimator 22 vorstehen. In dieser ^Ausführung8form kann die Pumpgeschwindigkeit gegenüber der der Ausführungsform nach Fig.1 merklich erhöht werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsfor» der Erfindung dargestellt. In diesem Falle ist der Pumpenaufbau grundsätzlich gleich de« nach Fig. 1, nur dass plattenförmige Deflektorelektroden 45 an den Ionenetrahlwegen 35 angeordnet sind, um die Ionenetrahlen zu einer Auffängerelektrodenfläche 36' abzulenken, die dichter am Subliaator 22 liegt, so dass Gettematerial schneller auf ihr aufgebaut wird. Die Deflektroelektroden 45 werden auf positivem Potential gegenüber der Anode 6 betrieben.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungeform der Erfindung dargestellt. Auch hier ist der Pumpenaufbau grundsätzlich ähnlich den nach Fig. 1, nur dass

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zwei Satz Penningpumpenelemente 2 nebeneinander auf dem Boden des Gefäßes 3 angeordnet sind. Zusätzlich sind die Kathoden 5 nur auf den einander zuweisenden Seiten mit Öffnungen versehen. Die Außenflächen der Kathodenelektroden 5, die einander zuweisen, bilden also die Auffänger -elektrodenstruktur 36, um die Ionenstrahlen 35 und das sublimierte Gettermaterial aufzunehmen.

Es sind verschiedenePumpenausführungsformen beschrieben worden, bei denen

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die Kaltkathodenelektroden 5 auch als Polschuhe für den Magnetkreis dienen, dies ist jedoch nicht erforderlich. Die Magnetpolschuhe können getrennt sein, oder sogar außerhalb des Pumpengefäßes angeordnet sein. Beispielsweise kann das axiale, die Glimmentladung einsohnürende Magnetfeld durch eine elektrische Spule erzeugt werden, die vollständig außerhalb des Pumpengefäßes angeordnet ist.

Claims (10)

1i

V1 P166 D

Patentansprüche

/ 1J Hochvakuumpumpe, bestehend aus einer Kaltkathodenelektrode mit zwei von einander entfernten Elektrodenteilen, einer mit Öffnungen versehenen Anodenelektrode, die zwischen den voneinander entfernten KaItkathodenteilen angeordnet ist, wobei die Öffnungen der Anode dazu dienen, eine Anzahl «limmentladungskanäle in der Anode zwischen den voneinander entfernten Kathodenteilen zu bilden, und eine« Sublimator, mit dem Gettermaterial innerhalb der Pumpe sublimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Auffängerelektrode vorgesehen ist, von der ein gewisser Teil so angeordnet ist, dass er Getternaterial erhält, das vom Sublimator eublimiert wird, und dass wenigsten· einer der Kaltkathodenelektrodenteile mit öffnungen versehen ist, die mit den Öffnungen in der Anode ausgefluchtet sind, um mehrere Ionenstrahlwege su schaffen, «ie το» den CUinmenUadungsltanalen in der Anode ausgehen und durch die Öffnungen in der Kathodenelektyode ■« den gewissen Teilen der Auffangerelektrode hindurohlaufea, die so angeordnet sind, dass sie sunlimiertee Qetteraaterial aufnehmen, wedureh die Ionen der lonenstrahlea In sublinierten Qettermaterial eingebettet und von diesem bedeckt werden«

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2. Pumpe nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das durch die Anode in Richtung von einem der voneinander entfernten Kathodenteile zum anderen gerichtet" ist.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander entfernten Kathodenelektrodenteile aus magnetischem Werkstoff bestehen und Polschuhe für die Magnetfelderzeugungeeinrichtung bilden.

4· Pumpe nach Anspruoh 3» dadurch gekennzeichnet, dass beide Kathodenpolsohuhe mit Öffnungen versehen sind, die mit den Glimmentladungskanälen in der Anode auegefluchtet sind, um mehrer· Ionenstrahlwege durch die Polsohuhe au bilden·

5. Pump· nach Anspruch 3 oder 4, mit einem Vakuumgefäß, das die Anode und Kathoden umfaßt, daduroh gekennzeichnet, das· dl* Mafnetfelderzeugungseinrichtung «inen Magneten enthält, der aufierbalb des VakuumgefiBee angeordnet ist, und das Yakuumfefä6 «in« Sektion au· magnetischem Werkstoff enthalt, die »wischen den Polschuhen auf der Innenseite des OefiBes und den Magneten angeordnet sind, der auf der , AuBeBSeite dt· Oefäfles angeordnet ist, so da·· der MafnetfluB leioht

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duroh das OefaS «u den Polsohuhett hindurohtritt.

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6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass eine ^eflektorelektrode in der Nähe der vielen Ionenstrahlwege angeordnet ist, um die Ionenstrahlen zu den bestimmten Teilen der Auffängerelektrode abzulenken.

7· Pumpe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Satz -Anoden- und Kathodenelektroden um den Sublimator herum angeordnet sind, der zentral zu den Sätzen aus Anoden- und Kathodenelektroden liegt.

B. Pumpe nach Anspruch 7 mit einem Vakuumgefäß, dass die Sätze aus Anoden und Kathoden umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sätze aus Anoden und Kathoden von dem Gefäß zum Sublimator hin vorstehen.

9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen ein Betriebspotential an die die Ionenstrahlen aufnehmenden Teile der Auffängerelektrode gelegt wird, das negativ gegenüber dem Potential ist, das im Betrieb an der Anode liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkanal so an der Auffängerelektrode angeordnet ist, daes er mit dieser Wärme austauscht, um den Auffänger in Betrieb zu kühlen.

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