DE1901853A1 - Kryosorptionspumpe - Google Patents

Description

Patentanmeldung

The Perkin-Elmer Corp., Horwalk^ Oonn., TJSA

Kryosorptionspumpe

Die Erfindung betrifft eine Kryosorptionspunpe mit einem Pumpenmaterial enthaltenden Pumpenkorper, welcher in ein Bad von flüssigem Kühlmittel einsetzbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumpumpenanordnun^en. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Eryosorptions-Vorpumpenanordnung.

Eine bekannte Technik zum Evakuieren einer eingeschlossenen Atmosphäre auf einen relativ niedrigen Druck besteht "in der Verv/endui].^ von Vor- oder Grobpumpmitteln, durch welche des eint*eschloasene Volumen, beispielsweise von Atnosphäreiiäruck, auf jittüii verminderten Druck in der Größenordnung von Ij-'⁵ torr leerob wird.

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BAD ORIGINAL

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Bei diesen Druck wird dann eine andere Pumpeinrichtung, beispielsweise eine elektronische Ionenpumpe benutzt, die besser geeignet ist, die Atmosphäre auf noch geringere Drücke zu pumpen.

Mit Rücksicht auf die unerwünschte Einführung von Verunreinigungen, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, in die Atmosphäre bei Verwendung einer mit öl arbeitenden Vorpumpe, wurden Kryosorptions-Pumptechniken zum relativ sauberen Vorpumpen benutzt. Generell wird das Kryosorptionspumpen bewirkt, indem Molekularsiebmaterial auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt wird. Bei dieser Temperatur nimmt das Molekularsiebmaterial Gase aus der umgebenden Atmosphäre durch den Mechanismus von Absorption und Adsorption auf.

be-Bei bekannten Anordnungen steht die Kryοsorptionspumpe aus einem Metallkörper von zylindrischer Grundform, welcher das Molekularsiebmaterial enthält, und in einem Kühlmittelbehälter gehaltert ist, welcher flüssigen Stickstoff enthält. Bin Kühlbehälter aus Polystyren dient üblicherweise zur Aufnahme des Kühlmittels. Rohre oder Rohrwendeln verlaufen durch den Körper und gestatten den Durchfluß des flüssigen Stickstoffes innerhalb des Körpers, um die inneren Teile des relativ schlecht wärmeleitenden Siebmaterials zu kühlen.

Die Pumpgeschwindigkeit und dementsprechend der Wirkungsgrad einer Kryosorptionspumpe hängen stark von der Betriebstemperatur des Molekularsiebmaterials ab. Die größte Pumpwirksamkeit tritt ein, wenn das ilolekularsiebmaterial auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff gehalten wird. Der Sorptionsmechanismus führt jedoch zur Erzeugung von Wärme, welche die Betriebstemperatur des MoIekularsiebmateriala anzuheben trachtet, und nachteiligerweise die j^uiapgeacliwindigkeit vermindert»

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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kryosorptionspumpe zu schaffen.

Bine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kryosorptionspumpe zu schaffen, welche verbesserte Wärmeübergangsmittel sur Kühlung eines Sorptionsmaterials aufweist.

Sine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kryosorptionspumpe zu schaffen, die verbesserte Mittel enthält, um ilolekularaietmaterial auf Temperaturen des flüssigen Stickstoffs zu halten.

Die Leichtigkeit, mit welcher atmosphärische Gase, die evakuiert werden sollen, zu dem Siebmaterial strömen und in Kontakt mit diesem kommen, bestimmt auch die Pumpgeschwindigkeit. Bekannte Kryosorptionspumpenanordnungen der zylindrischen Art bieten diesen Gaaen einen relativ gedrosselten Strömungsweg. Versuche, die Drosselung des Gasströmungsweges zu vermindern, führen zu relativ großen und unhandlichen Pumpenkörpern, die nicht ohne weiteres bei vorhandenen Kühlmittelbehältern anwendbar sind.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kryosorptionspumpe zu schaffen, welche Drosselstellen in dem Gasdurchgang wesentlich vermindert, ohne daß die Abmessungen des Pumpenkörpers merklich vergrößert werden.

Verschiedene Punypentechniken benutzen eine Mehrzahl von Kryosorptionspumpen« die nacheinander betrieben werden, um -langsam ab- oder adsorbierte Gase, wie Helium und Neon, aufzufangen. Bekannte Pumpenkörperformen sind nicht ohne weiteres dafür geeignet, daß mehr als ein solcher Körper in den gleichen Kühlmittelbehälter gesetzt wird. Eine Pumpanordnung für aufeinanderfolgenden Betrieb wird daher sperrig und unhandlich.

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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kryosorptionspumpe zu schaffen, deren Pumpenkörperform dafür eingerichtet ist, daß er mit einem oder mehreren ähnlichen "Formen in einem Kühlmittelbeha,lter angeordnet werden kann.

Die Kryosorptionspumpe nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Hohlkörper von quaderförmiger Grundform, in welchem eine !!enge von Molekularsiebmaterial angeordnet ist, Mittel zur Bildung eines im wesentlichen ungedrosselten Strömungsweges für G-ase längs des Hohlkörpers und zur Gewährleistung eines ständigen Zuganges zu dem Molekularsiebmaterial längs dieses Strömungsweges und Mittel zur Gewährleistung des Zutritts zum Inneren des Hohlkörpers für die zu pumpenden Gase.

Wach der vorliegenden Erfindung enthält eine Kryosorptionspumpe, die in einem Bad aus flüssigem Kühlmittel angeordnet werden kann, einen geschlossenen quaöerförmigen Körper, der aus Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist und einen Einlaß zum Eintritt der zu pumpenden Gase enthält. Es sind Mittel zur Bildung eines im wesentlichen ungedrosselten Gasströmungsweges in Längsrichtung durch den Körper vorgesehen, welche einen ständigen Zutritt längs der lange des Strömungsweges zu einem umgebenden Volumen des geschlossenen Körpers ermöglichen. Dieses Volumen enthält ein I'.Iolekularsieb-Sorptionsmaterial, welches Gase pumpt, wenn •es auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt ist· Eine Mehrzahl von l&nglichen Metallstreifen ist in Wärmeaustausch mit dem Gehäusekörper angeordnet und erstreckt sich durch das das Sorptionsmaterial enthaltende Volumen. Durch diese Anordnung wird ein wirksamer Wärmeübergang zwischen einem äußeren Kühlmittel und dem Ilolekularsiebmaterial sichergestellt, während für die zu pumpenden Gase ein im wesentlichen ungeärosselter Strömungsweg zu dem uoI'Skularsiebaiaterial gewährleistet ist.

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Die Pumpe liefert daher wesentlich verbesserte Pumpeigenschaften für eine vorgegebene verwendete Menge von Molekularsiebmaterial.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

!Figur 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein Vorpumpsystem mit einer Kryosorptionspumpe, die nach Merkmalen der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.

Figur 2 ist eine Seitenansicht, teilweise weggeschnitten und teilweise im Schnitt und zeigt die Kryosorptionspumpe nach der vorliegenden Erfindung.

Figur 3 ist eine Ansicht der Pumpe, teilweise im Schnitt längs der Linie 5-3 ύοώ. Figur 2.

Figur 4 ist ein Schnitt längs Linie 4-4 von Figur 2. Figur 5 ist ein Schnitt längs der Linie 5-5 von Fig.2.

Figur 6 ist eine Ansicht eines Siebkörpers, wie er bei der Pumpe von Figur 2 benutzt wird und

Figur 7 ist eine Kurve, welche das Verhalten einer nach

der Erfindung aufgebauten Pumpe und einer Kryosorptionspumpe nach dem Stand der !Technik veranschaulicht.

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In Figur 1 ist ein geschlossener Körper 10, der zu evakuieren ist, mit einem Verteilerstück 12 über geeignete !Rohrverbindung 14 verbunden. Mit dem Verteilersrtück sind Pumpmittel verbunden, die von einer öllosen mechanischen Pumpe 16 und einer Mehrzahl von Kryosorptionspumpen 17, 18 und 19 gebildet werden. Es sind geeignete Ventile 20 vorgesehen, durch welche diese Pumpen einzeln oder parallel mit dem Verteilerstück und somit mit dem Körper 10 verbindbar sind. Auslaßventile 21 sind zwischen d^n Ventilen 20 und den Pumpenkörpern 17» 18 und 19 vorgesehen, um die gepumpten Gase nach Benutzung ins 5"reie zu lassen, wie nachstehend im einzelnen noch angegeben wird. Me öllose mechanische Pumpe 16 "besteht aus einem Gebläse mit einem Gebläserad, welches von einem elektrischen Motor angetrieben wird. Die Kryosorptionspumpen enthalten jede Molekularsiebmaterial zum Sorptionsaupumpen des Körpers 10. Diese Pumpen sind in einem Kühlbehälter 22 eingetaucht, welcher flüssigen Stickstoff 24 enthält. Die KryosorptionspuBipenkÖrper werden von dem Verteilerstücic 12 gehalten, wodurch die Pumpen 17» 18 und 19 von dem flüssigen Stickstoff allseitig umgeben sind. Die verschiedenen Rohrleitungen und Fittings sind in üblicher Weise zur Verwendung bei Vakuum abgedichtet.

Die Figuren 2 bis 6 veranschaulichen im einzelnen eine Ausführungsform einer Kryosorptionspumpe, die nach den ilerkmalen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Pumpe enthält einen quaderförmigen geschlossenen Körper 30, der aus äilanwandigem, wärmeleitendem Metallblech besteht. Ein besonders geeignetes Material ist Mekel 200. Der spezielle dargestellte' quaderföruige Körper weist ein erstes Paar von relativ schmalen, ebenen, gegenüberliegenden, langgestreckten Seitenteilen 32 und 34 der lange 1 und der Tiefe ö auf, und relativ breite, ebene, gegenüberliegende langgestreckte Seitenteile 36 und 38 der länge 1 :----id der Breite w.

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Von diesen Seitenteilen und einem Oberteil 39 und einem Unterteil 40 wird ein Pumpenkörper gebildet. Diese Glieder können von getrennten Teilen gebildet werden, die zu dem Körper verschweißt werden, oder sie können !zusammenhängende Abschnitte bilden, die geeignet gefaltet und an den ITahtstellen verschweißt werden, um das Gehäuse zu bilden.

Ein in Figur 6 perspektivisch dargestellter Siebkörper 42 ist zur Bildung eines im wesentlichen ungedrosselten Strömungsweges für aus dem geschlossenen Körper 10 abzupumpende G-ase in dem Pumpengehäuse vorgesehen. Es ist eine Mehrzahl von solchen Siebkörpern vorgesehen, äie sich zentral länts der längsrichtung des Pumpenkörpers erstrecken. Der Siebkörper besteht aus dünnwandigem Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl 304, welches an seiner Oberfläche Perforationen besitzt. Die Größe der Perforationen ist so gewählt, daß keine Molekularsiebteilehen durch die Perforationen hindurchtreten können. Bine Fläche der Siebkörper· ist mit einem zugehörigen Versteifungsteil 44 punktverschweißt. Die Versteifungsteile sind ihrerseits mit der Oberfläche 36 und 38 des Pumpenkörpers punktverschweißt. Dadurch sind die Siebkörper fest innerhalb des geschlossenen Pumpenkörpers gehsltert.

Eine Ilehrzahl von langgestreckten, relativ dünnen, steifen Streifen 46 aus Metall dienen als "Särmeübergangsripj.en und erstrecken sich von den Inuertflachen 38 und 36 einwärts euf die Siebkörper hin. Diese ;ietall3treifen 46 sind mit den Flächen 36 und 3ö hartverlötet und werden von diesen gehalten und sind aus einen Hate- -rial, beispieli-.veise Nickel 200, von hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, './ie i.i den Figuren 2 und 4 dargestellt ist, unterteilen diese iletallstre fen zusammen nit den Siebkörpem 42 das Innere des rumpenKÖrpers.

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Ein Sorptionsmaterial 47, welches von einem üblichen Molffcular- * j ..;■■■ siebmaterial, wie kristallinem Kalzium-Aluminium-Silikat, j gebildet wird, ist in dem Körper angeordnet, und füllt diese so gebildeten Kammern bis zu einem Niveau 48, wie in Figur 2 dargestellt ist. An der oberen Fläche 39 des Pumpenkörpers ist eine Einlaßleitung 50 angeschweißt, welche den Eintritt von Gasen,, , / die von dem Körper 10 über das Verteilerstück 12 abgepumpt werdea, ψ zum Inneren des Pumpenkörpers gestattet. Ein entgegengesetztes j Ende der leitung 50 ist mit einer lösbaren Kupplung 52 verbunden... Die von dem Körper 10 abgepumpten Gase strömen durch die Leitung 50 und finden im wesentlichen ungedrosselten Zugang zu dem MpIe-

kularsiebmaterial durch den Siebkörper 42 längs der Länge des

♦ i Pumpenkörpers 30. .

Diese Pumpenkörperanordnung ist besonders vorteilhaft, da sie einen relativ hohen Grad von Wärmeleitfähigkeit zwischen deffl flüssigen Stickstoff 24 und dem Molekularsiebmaterial 47 durch den ganzen Körper hindurch gewährleistet. Dadurch wird die wäh-

} rend des Sorptionsprozesses erzeugte Wärme wirksam von dem MoIe-J kularsiebmaterial abgeführt und das Mo_lekularsiebmaterial dadurch * dicht bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes gehalten, was ¹ einen relativ sehr wirkungsvollen Pumpbetrieb zur Folge hat. Weiterhin finden die in den Pumpenkörper durch den Einlaßkanal 50 eintretenden Gase Zugang zu dem Molekularsiebmaterial über einen im wesentlichen ungedrosselten Strömungsweg durch die Mehrzahl von Siebkörpern 42. Es hat sich gezeigt, daß eine nach den Merkmalen der Erfindung aufgebaute Pumpe für ein spezielles Gewicht von Molekularsiebmaterial wesentlich verbesserte Pumpeigenschaften, verglichen mit vorbekannten Kryosorptionspumpen, zeigt.

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ORiOINAt INSPECTED

figur 7 ist eine Druck-gegen-Pumpzeit-Gharakteristik und zeigt das Verhalten einer naoh den Merkmalen der vorliegenden Erfindung aufgebauten Pumpe und einer vorbekannten zylindrischen Pumpe zum Vergleich. Die Kurve 80 zeigt das Verhalten der vorbekannten Pumpe, während die Kurve 82 das Verhalten der erfindungsgemäßen Pumpe veranschaulicht. Der Versuch wurde unter ähnlichen Bedingungen für beide Pumpen durchgeführt, bei welchen 1,5 kg Siebmaterial in einem 188 !-System benutzt wurde. Das System war ursprünglich auf Atmosphärendruck und jede Pumpe wurde einem Ausheizen bei Zimmertemperatur und einer Vorkühlung von 10 Minuten unterworfen.

Nach Durchführung des Pumpvorganges wird die Kryosorptionspumpe zur Wiederverwendung vorbereitet, indem die Temperatur des Molekularsiebmaterials auf etwa 25⁰O oder darüber angehoben wird. Die während des Pumpvorganges absorbierten und adsorbierten Gase werden dadurch über die Auslaßventile 21 freigesetzt. Zu diesem Zweck sind elektrische Heizstäbe 60 und 62 in rohrförmigen Körpern 64· bzw.. 66 angeordnet, die sich durch den Pumpenkörper hindurch erstrecken. Die rohrförmigen Teile sind mit den oberen und unteren Jlächen 39 und 40 verschweißt, und die Heizstäbe erstrecken sich über die länge des Körpers und sind in mechanischem Kontakt mit den Bohren durch Heizkörperträger 68 und 70 gehaltert, um eine wirksame thermische Kupplung zwischen diesen sicherzustellen. Der Pumpenkörper ist daher vorteilhaft, indem er relativ einfache Mittel zu Wiederaufbereitung des Molekularsiebmaterials aufweist.

Die Evakuierung des Körpers 10, der in Pigur 1 dargestellt ist, wird üblicherweise dadurch bewirkt, daß zunächst die öllose mechanische Pumpe 16 in Betrieb gesetzt wird, während die Kryosorptionspumpe η 18 von dem Vakuumsystem durch die Ventile 20 getrennt sind. Es bat sich gezeigt, daß die Pumpe 16 in der Größenordnung von der atmosphärischen Gase in den Körper 10 pumpt.

Bann wird eine erste Pumpe 17 der Kryos orp ti ο nspumpen an dae Verteilerstück angeschlossen, nachdem die Pumpe 16 abgetrennt ist· Die Pumpe 17 pumpt während einer relativ kurzen Zeitdauer und wird dann abgeschaltet. Dann wird eine zweite Pumpe 18 der Pumpen an den Verteiler angeschlossen. In ähnlicher Weise wird dann die dritte Pumpe 19 an das Verteilerstück angeschlossen, nachdem die zweite Pumpe 18 abgetrennt worden ist. Diese Methode ist besonders vorteilhaft, da sie ein Ausspülen der Meon- und Helium-Komponenten bewirkt, und bewirkt, daß diese Komponenten von anderen Gasen, die für das Abpumpen mit Molekularsieb geeignet sind, eingeschlossen werden. Ein Abtrennen während einer Gasströmung zu den Pumpen bewirkt auch ein solches Auffangen und Einschließen.

Es ist eine Kryosorptionspumpe beschrieben worden, welche besonders vorteilhaft ist, indem sie eine relativ hohe und wirksame Wärmeleitung gewährleistet, um das Molekularsieb-Pumpenmaterial auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffes zu halten, und dadurch ein wirksames Abpumpen sicherzustellen. Die Pumpenanordnung ergibt außerdem einen verbesserten Zugang zu dem Pumpenmaterial, für Gase, die abgepumpt werden sollen. Außerdem ist die quaderförmige Gestalt des Pumpenkörpers geeignet dafür, daß eine Hehrzahl solcher Pumpen in einem Kühlbehälter angeordnet werden.

Obwohl eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, versteht es sich doch, daß verschiedene Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne daß von dem Grundgedanken der Erfindung und dem Schutzumfang der Ansprüche abgewichen würde.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Kryoeorptionspumpe mit einem Pumpmaterial enthaltenden Pumpenkörper, welcher in ein Bad von flüssigem Kühlmittel einsetzbar ist,

   gekennzeichnet durch

   einen Hohlkörper (30) von quaderförmiger Grundform, in welchem eine Menge von Molekularsiebmaterial (47) angeordnet ist,

   Mittel (42) zur Bildung eines im wesentlichen ungedrosselten StrÖaningaweges für Gase längs des Hohlkörpers (30) und zur Gewährleistung eines ständigen Zuganges zu dem Molekularsiebmaterial (47) längs dieses Strömungsweges und

   Mittel (50) zur Gewährleistung des Zutritts zum Inneren des Hohlkörpers (30) für die zu pumpenden Gase.

   2· Kryοsorptionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß innerhalb des Hohlkörpers (30) mehrere längliche, wärmeleitende Streifen (46) angeordnet sind, die sich durch diesen Hohlkörper (30) in Längsrichtung erstrecken und in mechanischem Kontakt mit dein Molekularsiebmaterial (47) stehen.

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   3. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Hohlkörper (30) 'und die länglichen Streifen (46) aus einem Material von relativ hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bestehen,

   daß die länglichen Streifen (46) an der Innenfläche dea Hohl- "' körpers (30) angebracht sind und sich von dieser auf die besagten, einen Strömungsweg bildenden Mittel hin erstrecken und \4· J

   daß das Molekularsiebmaterial (47) zwischen den Hohlkörper (30), die Streifen (46) und die besagten Mittel (42) eingefüllt ist.

   4. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß der freie Strömungaweg von einem hohlen, länglichen Innenkörper (42) gebildet wird, der in einer Oberfläche eine Mehrzahl von Perforationen aufweist.

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   5. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß der den Strömungsweg bildende Innenkörper (42) quaderförmig ist und aus Siebmaterial besteht.

   6. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß sich in Längsrichtung des Hohlkörpers (30) längliche Halterungsmittel (64, 66) für ein Heizelement (60, 62) erstrecken, die in wärmeleitendem Kontakt mit dem Hohlkörper (30) stehen.

   7. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet durch

   einen hohlen, rechteckig quaderfÖrmigen Pumpenkörpör (30), welcher eine von einer Mehrzahl von Hetallflächen gebildete länge aufweist und ein Paar gegenüberliegender paralleler Flächen (36, 38) besitzt,

   einen länglichen inneren rechteckigen Körper (42), der perforierte Flächen aufweist und innerhalb des Pumpenkörpers (30) angeordnet ist,

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   eine Mehrzahl von■länglichen wärmeleitenden Streifen (46), die wärmeleitend mit den besagten parallelen Flächen (36, 38) verbunden sind und innerhalb des Pumpenkörpers (30) sieh auf den inneren Körper (42) hin erstrecken,

   eine Menge von Molekularsiebmaterial (47)» welches innerhalb dea Pumpenkörpers (30) angeordnet ist und dessen Kristalle in mechanischem Kontakt mit der Innenfläche des Pumpenkörpers (30), dem inneren Körper (42) und den länglichen Streifen (46) steht, und

   Mittel (50), welche den Zutritt zum Inneren dea besagten Körpers (30) gewährleisten.

   8. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 7*
   gekennzeichnet durch
   eine Mehrzahl innerer rechteckiger Körper (42),

   9. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die inneren Körper (42) aus metallischem Siebmaterial bestehen.

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   10. Kpyosorptionspumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

   daß sich ein rohrförmiger Teil (64, 66) in Längsrichtung durch den Pumpenkörper (30) erstreckt und

   daß ein Heizstab (60, 62) in mechanischem Kontakt mit dem rohrförmigen feil (64, 66) gehaltert ist.

   11. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

   daß der hohle rechtwinklig quaderförmige Pumpenkörper (30) eine Länge 1, eine Breite w und eine Tiefe d besitzt und I¹J^w und w^d ist,

   daß die besagten gegenüberliegenden Flächen (36, 38) die länge urr und Breite des Pumpenkörpers (30) bestimmen und

   daß die Mehrzahl von inneren Körpern (42) zentral längs der Abmessung d des Pumpenkörpers (30) angeordnet sind und sich in Iängsricl tung des Pumpenkörpers (30) erstrecken.

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