DE1911506A1 - Hochvakuumpumpe - Google Patents

Description

Dipl.Phys. Leo Thul
-Patentanwalt
I7000 Stuttgart-Feuerbach

Kurze Strasse 8

R.L. Hirseh -

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Ho chvakuumpumpe

Die Erfindung betrifft Hochvakuumpumpen, insbesondere solche, bei denen das zu evakuierende Gas durch zirkulierende Elektronenströme ionisiert und anschliessend durch ein Gettermaterial aufgefangen wird, welches fortlaufend wieder aufgefrischt wird.

Eine bereits bekannte Vakuumpumpe, die eine gewisse Ähnlichkeit mit der Erfindung zeigt, verwendet einen Wolframstab, welcher Titanzylinder grösseren Durchmessers, trägt. Diese Anordnung ist koaxial innerhalb einer zylindrischen Hülle befestigt, wobei diese Hülle und die Stabanordnung als Elektroden dienen, an die eine Spannung gelegt wird. Die Stabanordnung ist positiv hinsichtlich der Hülle. Eine Kathode ist so in dem Raum zwischen den beiden Elektroden angeordnet, dass die von ihr emittierten Elektronen entweder radial nach innen zur Stabanordnung oder auf umlaufende Bahnen gerichtet werden, je nach der Richtung, in die. die Elektronen anfangs emittiert werden. Schliesslich werden alle Elektronen von den Titanzylindern aufgefangen, die dadurch bis auf Verdampfungstemperaturen erhitzt werden. Als Folge davon werden die Wände der Hülle mit Titan bedeckt, welches die Gase innerhalb der Hülle bindet.

Die Elektronen ionisieren auf ihrem Weg zum Titan eine Anzahl von Gasmolekülen. Diese Ionen werden von den !fänden der Hülle angezogen und aufgenommen, wobei ein Entweichen der aufgenommenen Ionen durch das fortlaufend verdampfende Titan verhindert wird.

Die Pumpgeschwindigkeit ist durch den Ionisierungswirkungsgrad des Elektronenstromes begrenzt, der wiederum durch die Tatsache begrenzt ist, dass alle Elek-> tronen einen bestimmten Auftreffpunkt auf der Stabanordnung besitzen, wobei einige dieser Elektronen, ohne zu kreisen, direkt auf die Anordnung fliegen, wäh-

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rend die anderen einige Male um sie herum kreisen, bis sie aufgefangen werden. Eine weitere Beschränkung bei der Verwendung dieser Pumpe liegt in der Tatsache, dass das Titan auf der Stabanordnung verbraucht wird, was eine Demontage der Pumpe urü einen Ersatz der Stabanordnung erforderlich macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochvakuumpumpe zu schaffen, bei der die Ionisierung in einer elektrostatisch begrenzten Raumladung erfolgt.

Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Hochvakuumpumpe zu schaffen, in der die Pumpgeschwindigkeit durch Variation der Stärke eines zirkulierenden Elektronenstromes gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäss ist eine Hochvakuumpumpe, bei der das zu evakuierende Gas durch Elektronenströme ionisiert und anschliessend durch ein Gettermateife.1 aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine kugelförmige vakuumdichte negative Hülienelektrode eine kugelförmige, für Gasteilchen durchlässige positive Innenelektrode konzentrisch umgibt, die ihrerseits einen zentral zu beiden Elektroden liegenden freien Raum bestimmt und dass eine steuerbare Elektronenquelle derart in dem Raum zwischen den beiden Elektroden, von denen mindestens eine aus einem bei Beschuss rait geladenen Teilchen verdampfbaren Gettermaterial besteht, angeordnet ist, dass die erzeugten, die Gasmoleküle ionisierenden Elektronenströme unter der Wirkung eines zwischen den beiden _.. Elektroden herrschenden elektrischen Feldes vor dem Auftreffen auf der Innenelektrode auf besagten freien Raum schneidenden Bahnen airkulieren.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen, dass die kugelförmige Innenelektrode mit paarweise diametral gegenüberliegenden Öffnungen versehen ist,, von denen eine der als Glühkathode ausgebildeten, auf der Innenfläche der Aus- _ senhülle angeordneten Elektronenquelle gegenüberliegt. .

Als vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die kugelförmige Innenelektrode aus einer Anzahl bogenförmiger, sich schneidender Blechrippen 11a, lib besteht, die so zusammengesetzt sind, dass sie zwei Sätzen sich jeweils in einem gemeinsamen Kugeldurchmesser 11 c bzw. Hd schneidenden Ringscheiben entsprechen, wobei diese beiden Kugeldurchmesser Hc und Hd aufeinander senkrecht stehen.

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Gtemäss einem anderen Ausführungsbeispiel besteht die kugelförmige Innenelektrode aus einem Drahtnetz.

Als günstig hat sich dabei erwiesen, dass als Gettermaterial Titan verwendet wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung mit teile schematischer Darstellung der StromzufUhrungen.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Innenelektrode des Ausführungsbeispie-ls von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren AusfUhrungsbeispiels.

Rg. 1 zeigt einen kugelförmigen Aufbau, dessen äusserer Teil eine hohle kugelförmige Kathodenschale 1 darstellt, die als hermetisch abgeschlossene Hülle dient. In dieser Schale 1 ist konzentrisch eine weitere kugelförmige Elektrode 2 angeordnet, mit einem kugelförmigen Hohlraum 3 und einer Stangenanordnuns zur Halterung der Elektrode 2. Die Stängenanordnung besteht aus einem verlängerten Isolator 5» der an der Elektrode 2 befestigt ist.

Die Stangenanordnung 4 ist mittels eines Ringes 6 hermetisch abschliessend an der Schale 1 befestigt, wobei der Ri:i3 den Isolator eng umgibt und in eine Öffnung in der Schale 1 eingesetzt ist. Durch den Isolator 5 erstreckt sich koaxial zu diesem ein stabförmiger Leizev 7, der mit seiner Verbreiterung £ an inneren Ende leitend an der Elektrode 2 befestigt ist. Der Leiter 7 ist am äusseren Ende mit der· positiv·*·. ϊΠ "vnr.o einer geeigneten Spannungsquelle verbunden, die durch die Batterie 9 dargestellt ist.

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Die Elektrode 2, die nochmals in Fig. 2 dargestellt ist, wird in einer Aus- ' führungsform aus Metall wie rostfreiem Stahl oder Titan zu kugelförmiger Ge- ■ stalt geformt und enthält innen einen kugelförmigen Hohlraum. Der Aufbau dieser Elektrode 2 ist pffen und sie besitzt mehrere sich verjüngende Öffnungen oder Durchlässe 10. Es können auch andere Formen für die Durchlässe 10 verwendet werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Ebenso können andere Konstruktionen für die Elektrode 2 verwendet werden.

Die Elektrode 2 ist vorzugsweise aus zwei Sätzen von bogenförmigen, dünnen Lamellenblechen 11a und 11b zusammengesetzt, die durch Schweissen oder auf eine andere Art starr und leitend miteinander verbunden sind. Der erste Satz Bleche ist entlang eines gemeinsamen Kugeldurchmessers lic zusammengeschweisst und entspricht sich schneidenden ringförmigen Scheiben. Die Bleche 11b sind entlang eines gemeinsamen Durchmessers lld miteinander verschweisst und entsprechen ebenfalls sich schneidenden ringförmigen Scheiben. Die Bleche lla und 11b sind, damit sie ineinander passen, mit entsprechenden Schlitzen versehen und an den gegenseitigen Schnittstellen verschweisst.

Die Mittelachsen der verschiedenen Öffnungen 10 stimmen mit Radien der oben erwähnten Kugel überein und schneiden sich im Mittelpunkt 12 des Hohlraums und der Schale 1. Diese Öffnungen 10 sind paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei jedes Paar eine gemeinsame Achse besitzt, die mit dem Schalendurchmesser zusammenfällt. Auf der Schale 1 ist eine Glühkathodenanordnung 13 mit den Glühfäden 14 und 15 befestigt, die in den Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 hineinragen. Die Anordnung 13 umfasst geeignete Metallflansche und Isolatoren, Vielehe die Glühfäden 14 und 15 fest in ihrer Lage halten. Aussenanschlüsse 16 und VJ der Glühfäden 14 und 15 sind mit einer geeigneten Spannungsquelle 1& verbunden. Vorzugsweise fluchten die Glühfäden l4 und 15 mit den Achsen der Öffnunger. 10, um die Elektronenaufnahme durch die Anode 2 möglichst niedrig zu halten.

Eine Gaszuführungsanordnung 19 ist an der Schale 1 montiert und besteht aus einem kurzen Rchrstück 20 mit einem koaxial eingepassten Ringelement 21, an dem eine mit einem gewissen Abstand zu diesem angeordnete und die öffnung 23 · verdeckende Platte 22 befestigt ist.

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Das eintretende Gas strömt durch die Öffnung 23 und um die Platte 22 herum in das Innere der Schale 1. Ein weiteres Rohrstück 24 ist auf der Schale 1 zwecks Anschlusses an eine sogenannte Vorpumpe befestigt, mit welcher der

-2 Druck innerhalb der Schale 1 auf einen Wert von ca. 10 Torr herabgesetzt

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Innenelektrode 2 aus Titan oder einem anderen geeigneten Gettermaterial mit gleichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, während die Schale 1 aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen geeigneten Material hergestellt ist.

Während des Betriebes ist das Rohrstück 20 mit dem zu evakuierenden Gefäss verbunden, während das andere Rohrstück 24, wie oben bereits erklärt, an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.

Die Gasmoleküle aus dem zu evakuierenden Gefäss treten durch das Rohrstück in die Schale 1 ein, wobei einige von ihnen in neutraler Form vom Titan des Elementes 2 aufgenommen werden. Es ist jedoch möglich, dass die Oberfläche der Elektrode 2 in kurzer Zeit so vergiftet ist, dass keine weiteren Gasmoleküle aufgenommen werden. Um diesen Nachteil zu vermeiden, erhält man gemäss der Erfindung fortlaufend eine saubere, nicht vergiftete Titanoberfläche durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden 1 und -2. Die von den Glühfäden 14 und 15 emittierten Elektronen fliegen zur Elektrode und werden schliesslich von dieser aufgefangen. Dadurch wird die Elektrode aufgeheizt, wobei Titan verdampft und sich auf der Innenfläche der Sehale 1 niederschlägt. Dieser Elektronenstrom ionisiert ausserdera das zu pumpende Gas. Die auf diese Weise in dem Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 entstandenen positiven Ionen werden von dem Element 1 angezogen und in diesem eingelagert. Das von der Elektrode 2 verdampfende Titan gettert und bedeckt diese Ionen, die dadurch an einer erneuten Emission gehindert werden. Auch neutrale MoIeküle werden insofern von der Innenfläche der Schale 1 aufgenommen, als das verdampfende Titan fortlaufend auf dieser niedergeschlagen wird und eine frische Titanoberfläche mit maximalem Getterungswirkungsgrad schafft. Solc&e aufaufgenommenen neutralen Moleküle . werden ebenfalls durch nachfolgende Titanüberzüge bedeckt. Dieser Getterungsprozess ist fortlaufend und bewirkt eine Druckreduzierung innerhalb der Schale 1 auf etwa 10"¹⁰ bis 10""¹¹TOn?. ·

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Von Bedeutung ist die Tatsache, dass die Pumprate äusserst hoch ist, was darauf zurückzuführen ist, dass die umlaufenden, fortwährend aufrecht erhaltenen Elektronenströme sehr stark sind und dadurch einen hohen Ionisierungsgrad des Gases innerhalb der Schale 1 ergeben. Zunächst fliegen die Elektronen von den Glühfäden lh und 15 bei einem auf einen Wert von etwa 10 Torr reduzierten Druck innerhalb der Schale 1 und bei einer zwischen den Elektronen 1 und 2 angelegten Spannung radial nach innen auf die Elektrode 2 zu. Eine gewisse Anzahl dieser Elektronen folgt genau radialen Bahnen und passiert die Öffnungen 10 in Richtung auf den Mittelpunkt 12. Ein Teil dieser Elektronen gelangt auf einer geraden Bahn durch die jeweils diametral gegenüberliegende Öffnung 10 und nähert sich der negativen Schale 1, bis er infolge der Abstossungskraft umkehrt. Auf seinem Rückweg durchläuft er unter der Annahme, dass die Elektronen keiner Streuung unterliegen, die gleiche Bahn durch den Mittelpunkt 12 wie vorher, die er zur negativen Hülle 1 bis zu seiner erneuten Umkehr fortsetzt.

Da die Anzahl dieser Elektronen v/ächst, entwickelt sich aus ihrer gegenseitigen Uechselwirkung innerhalb des Hohlraumes 3 um den Mittelpunkt 12 herum eine negative Raumladungsquelle in Gestalt einer kugelförmigen Hülle> deren Potential fast dasjenige der Schale 1 erreichen kann. Dadurch nähern sich die im Raum zwischen den Elektrode:: 1 und 2 befindlichen, radialen Bahnen 26 folgenden Elektronen der negativen Quelle 25 und i/erden von ihr im wesentlichen entlang der gleichen radialen Bahnen zurückgestossen, bis sie wiederum durch die negative Schale 1 abgestossen werden. Dieser Vorgang wiederholt sich viele Male, bis die Elektronen schliesslich mit neutralen Gasmolekülen zusammenstossen und diese ionisieren oder von der Anode 2 aufgefangen werden. Jedoch ist dieses Auffangen, wie bereits erwähnt, insofern nützlich, als die Elektrode 2 erhitzt und infolgedessen Titan verdampft wird. Die zirkülierehden Elektronenströme erreichen solch hohe Werte, dass sich eine hohe Iöhisätionswahrscheinlichkeit für das Gas innerhalb der Schale 1 ergibt. Die Raurnladungselektronen stammen nicht nur von den Glühfäden 14 und 15, sondern "auch aus dem Ionisationsprozess. Sofern höhere Pumpraten erwünscht sind, braucht nur die Elektronenemission der Glühfäden 14 und 15 durch Erhöhung der Glühbzw. Heizfadenspannung 18 verstärkt zu v/erden.

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In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Schale 1 aus Titan und die Schale 2 aus Tantal oder rostfreiem Stahl. Wie- zuvor werden die in dem Raum zwischen den Elektroden erzeugten Ionen von der Schale 1 angezogen und treffen mit solcher Energie auf dieser auf, dass Titan verstäubt wird, welches sich auf den Oberflächen der Elektrode 2 niederschlägt. Da dieser Prozess kontinuierlich ist, wird die Titanoberfläche auf der'Elektrode 2 fortlaufend erneuert, so dass eine saubere Oberfläche zum Gettern des zu pumpenden Gases vorhanden ist. Entsprechend wird durch die Titanzerstäubung vom Innern der Schale 1 deren Oberfläche laufend gereinigt und. besitzt daher ein Maximum an Aufnahmefähigkeit. Die im Raum zwischen den Elektroden erzeugten Ionen werden tief in die Schale 1 eingebettet, während die neutralen Moleküle von der Elektrode 2 gegettert und durch die nachfolgenden Niederschläge frischen Titans bedeckt werden. .

Ein etwas abweichendes AusfUhrungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt, in der gleiche Nummern gleiche Teile bezeichnen. Ein hauptsächlicher Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 besteht darin, dass die Innenelektrode 2 statt aus bogenförmigen Rippen wie in Fig. 2 aus einem Titannetz besteht. Die Titankugel 2a wird innerhalb der Schale 1 mittels eines Leiters 23 gehaltert, der mit der Elektrode 2a- verbunden ist. Die Spannung quelle 9 ist mit den beiden Elektroden 1 und 2a auf die gleiche Ueise wie im Falle der Fig. 1 verbunden. Die S ;hale 1 besteht im Ausführungsbeispiel der Fig. J5 vorzugsweise aus Titan.

Bei Betrieb der Anordnung durchlaufen die Elektronenströme im allgemeinen radiale Bahnen,wie bereits erklärt, wobei eine gewisse Anzahl von Elektronen vorn Schirm 2a aufgenommen wird, wodurch dieser erhitzt und Titan, auf die Schale 1 aufgedampft wird. Dieses Titan bedeckt das Innere der-Schale 1, wie bereits erklärt, und bewirkt die Entfernung des Gases aus der Schale 1, wobei die in dieser Schale 1 eingebetteten Ionen, wie zuvor beschrieben, gegettert und eingelagert v/erden.

Titan verbindet sich leicht mit '.,'usserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxyd, Kphlcnäioxyd und anderen aktiver. Gasen. Gernäss der Erfindung" werden zirkulierende Elektronenströme hoher Stärke nur mit elektrostatischer: Mittel·.!

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erzeugt. Diese Ströme ergeben eine hohe lonisationswahrscheiiilichkelt in. desa Raum zwischen, den Elektroden. Dadurch können -mit der EoahysJangnptgg>8^: geisäss der Erfindung hohe Pmiiigeschnindigkeiten ohne Verwendung .Yen Magneten, ejyreich werden. Vfenn auch Ti£an als Gettemsaterial angegeben worden ist, so kaanes
doch auch andere Gettermaterialien,wie z.B. Bariisa, ·verwendet werdea, aSasefim Erfindungsgedanken abzuweicher,.. - - /

5 Patentansprüche

2 HL. Zeichnungen mit 3 Fig.

--■•Ϊ.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (5)

1. R.L. fflxseh - 4

   BatentansprSbhe - - . ■ .

   ί 1.1 HoehvakiauBipijngje* "bei der das zu evakuierende Gas dureh Elektronenstrome Ionisiert und ans sMI ess end dureh ein Settennaterial aufgefangen wird, dadurch, gekennzeichnet, dass eine kugelförmige vakuumdichte negative Hüllenelektrode eine kugelförmige, für Gasteilehen durchlässige positive Innenelektrode konzentrisch xmagibt, die- ihrerseits einen zentral zu beiden Elektroden liegenden freien Baum bestimmt und dass eine steuerbare Elektronenquelle derart in des Raum zwischen den beiden Elektroden, von denen mindestens eine.aus einen bei Beschuss mit geladenen Teilchen verdanrpfbaren Gettermaterlal besteht, angeordnet Ist, dass die erzeugten, die Gasnoieküle Ionisierenden Slektronenströme unter der "ifirkung eir.es zvo-sehen den beiden Elektroden herrsehenden elektrischen Feldes vor aern Auf tref ί er. auf der Ihnenelelctroäe auf besagten freien Baum sclxceidenden 3ahner. zirkulieren.
2. 2. Eoehvakuu^pumpe nach Anspr-ach 1, dadurch geliennzeiehnex, dass die kugelförmige Innenelektrode (2)-nix paarweise diametral gegenüberliegenden Öffnungen (10) verseher. Ist, von denen eine der e.1e 31uh>axiiDde ausgebildeten, auf der- Innenseite der Aussenhülle (1) angeordr.e^er. Elektronenquelle gegenüberliege.
3. J-. iiochvalniuapuape r^ach Anspruch E. dad'ux'c-h geksr-igelol-j.-e^, dass die kugelforrsige Inneneiektrode (2) aus einer Anzahl bogenförrriger-, sich schneidender 31echrlppen (11a, lib) bestehe, die se zusamrr.er.geset2t sind, dass sie zuei 3'ävser. sieh jeweils ir. eir.e-s geneir-sa-cen Kugeldureirnesser (lic) bstf. (lld) schr.eidende- Ringscheiben entsprechen, wobei diese beider. Kugeldur,ehrnesser (lic, lld) aufeinander senkrech" steher..
4. 4. Hoehirskuunipunipe nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die kugele Innenelektrode aus einem Drahtnetz besteht.
5. 5. rlcchvakuumpuinpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als (leitermaterial Titan, verwendet -rl

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