DE1964809U - Anode mit getter fuer eine ionengetter-hochvakuumpumpe. - Google Patents
Anode mit getter fuer eine ionengetter-hochvakuumpumpe.Info
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- Manufacture Of Electron Tubes, Discharge Lamp Vessels, Lead-In Wires, And The Like (AREA)
Description
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Gase F-671
Gase F-671
U.S. Serial No. 530.629
Filed: February 28 } 1966
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National Research Corporation
70 Memorial Drive, Cambridge,
Mass., U.S.A.
70 Memorial Drive, Cambridge,
Mass., U.S.A.
Anode mit Getter für eine Ionengetter-HOch-
vakuumpumpe.
Die Neuerung betrifft eine Ionengetter-Hoehvakuumpumpej
in der Elektronen wendeiförmige Bahnen um eine Anoden-Getter-Anordnung beschreiben.
Insbesondere betrifft die Neuerung eine sogenannte "Orbitron-Pumpe".
Orbitronpumpen, die an der Universität Wisconsin entwickelt wurden, sind in der Technik
allgemein bekannt. Diese Pumpen schaffen'eine
sehr schnelle, verunreinigungsfreie, elektrische
und chemische Pumpenwirkung, die vorteilhafterweise
in verschiedenen Laboratoriums- und Industriegeräten verwendet wird, wie etwa tiberzugsvorrichtungen,
Höhensimulatoren und öfen. Diese Pumpen weisen Massen oder andere Quellen von Taian oder anderem Gettermaterial
auf, das auf Stangen montiert ist^und eine Quelle von Elektronen zum Erhitzen der Massen durch
Elektronenbeschuß zum Verdampfen des Titans durch Sublimierung.
Ein wichtiger Gesichtspunkt des Betriebes
von Orbitronpumpen besteht darin, daß wenn einmal eine Pumpe in den Niederdruckbereich gerät ( z.B.
-8 ' - ' " in der Größenordnung von 10~ Torr), dann die Submlimie·
rung von Titan nicht in großen Mengen erforderlich ist ( verglichen mit der Menge, die erforderlieh ist,
wenn beispielsweise bei 10" Torr, gearbeitet wird). Es wäre wünschenswert, einen Weg zu finden, die
Sublimationsgeschwindigkeit zu verringern ohne daß die Elektronenabgabe von dem Pumpenheizfaden verringert
wird. Bei der vorliegenden Neuerung erfolgt dies durch Verbringen eines besonderes Bauteiles
über die Titanmassen. Bei hohen Drücken schlagen die Elektronen auf die Titanquellen auf, um die
gewünschten schnellen Sublimationsgeschwindigkeiten zu schaffen. Aber bei niedrigerem Druck absorbiert
der Spezialteil viele Elektronen, die andernfalls auf die Titanquellen auftreiben würden. So schafft
die vorliegene Neuerung eine selbsttätige Einrichtung
im Inneren der Pumpe, um eine verlustreiche Sublimation
von Titan zu verhindern, wodurch die Lebensdauer der Titanquellen verlängert wird. Dies erfolgt zu minimalen .
zusätzlichen Kosten ohne die Notwendigkeit komplizierter
Zubehörteile, wie etwa Druckmanomer, Verstärker usw. und done die Erfordernis, die Elektronen-Emissionsgeschwindigkeit
"oder die Kraftzufuhr zur ./Pumpe zu verringern.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Neuerung eine Orbitron-lonengetterpumpe 10 dargestellt,
die einen Pumpenkörper 12 enthält, der von Kühl.-schlangen
14 umgeben ist und von einem Endflansch 16
abgeschlossen wird mit einer Einlaßöffnung l8 mit einem Flansch 20.·· Der Einlaß ist am Ausgangs flansch 22 eines
Vakuumsystems 24 wie etwa einem Glockenüberzugsgerät (bell jar coater) befestigt. Innerhalb der Pumpe, befindet
sich eine gerade Anodenstange 26 ( z.B. Wolfram von 1.5 mm
ι -
Durchmesser (o.o6M)) mit vier Platten 28A-28D aus Titan,
die darauf angeordnet sind (z.B. handelsüblich rein und von 7,94 mm Durchmesser) und ein Heizfaden JO.
Die Anodenstange 26 ist auf mehrere tausend Volt positiv im Verhältnis zu dem geerdeten Pumpenkörper 12
vorgespannt. Aus der Zeichnung sind solche Zubehörteile und '!Einzelheiten weggelassen, wie zusätzliche Heizfäden,
Heizfaden-Abschirmungsvorrichtungen, Reflektionsabschirmung, Endrohr und Kraftzuleitung.
Die vier Titanmassen sind entlang der Pumpe verteilt, um das mikroskopische Beschaffen" entlang
der Wand auf ein Minimum zu verringern. In der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsform belauft" sich
die Länge der Stange 26 auf 290 mm (11 ^A") und
ist so angeordnet, daß sie in einem Abstand vom Einlaß.·
endefc,der gleich dem Pumpenradius ist(hier 50 mm). Die oberste Titanmasse 28A liegt in einem Abstand vom
Ende der Stange der vorzugsweise 25 mm lang ist. Federn
52 halten die Zylinder an ihrer richtigen Stelle.
Nach der Neuerung, bffindet sich über der
Masse 28A eine Tantalscheibe 134, wie nachstehend
beschrieben mit einem Mittelloch, das dieMitte!stange
aufnimmt.
Im Betrieb wird der Heizfaden J>0 der Pumpe
erhitzt, um thermoionisch Elektronen abzügeben, die entlang
der Länge der Pumpe spiralförmig auf und ab laufen, wobei die Laufbahn der Elektronen beendet wird, wenn
diese Elektronen entweder (a) auf ein Gasmolekül in der Pumpe aufschlagen oder (b) auf eine der Gettermassen
28A-28B. Andere Ereignisse, die die Elektronen beeinflussen sind (c) Rückkehr zum. Heizfaden 30, (d)
Auftreffen auf die Stange 26, (e): Auftreffen auf die
Wand 12. Aber diese Ereignisse sind statistisch gering
im Vergleich zu (a) und (b). Wenn die Arbeit der Pumpe
weitergeht, werden die Titanmassen 28A-28B durch den Elektronenbeschuß erhitzt lind Titan verdampft von den
Massen und strömt zur Wand der Pumpe.
Typischerweise hat die Scheibe 1^4 eine ·
Länge von 6,3 mm während die Massen 28A-28B Längen von
4j5 mm ( 1 5/4?). Der Querschnittsdurchmesser der Tantalscheibe
( in einer Ebene senkrecht zur Anodenstange) ist etwas geringer als der ursprüngliche Durchmesser
der Titanmasse (z.B. für eine typische loo mm Pumpe, 6,3 mm Scheibendurchmesser gegenüber 7*94 mm ursprünglicher
Massendurchmesser)·. Eine zu große Tantalscheibe,
absorbiert zu viele Elektronen. Eine zu kleine Tantalscheibe absorbiert zu wenig Elektronen. Es können
selbstverständlich verschiedene wünschenswerte Formen
für die Anoden-Getter-Anordnung sein, zugeschnitten auf verschiedene Pumpzyklen. Beispielsweise würde ein
extrem langer Pumpenzyklus durch eine verhältnismässig große Tantalscheibe 1^4 hervorgerufen werden, da dies
sicherstellen würde, daß das Titan so lange hält wie
der Zyklus und zur Verfügung stünde, um zufälliges Austreten von aktivem Gas hinwegzupumpen, während
gleichzeitig eine hohe gleichmässige Geschwindigkeit zum Pumpen von neutralem Gas aufrechterhalten würde.
Andererseits ist eine verhältnismässig kleine Scheibe 1^4 am besten für sehr schnelle, sieh wiederholende
Zyklen wo eine hohe aktive Gasgeschwindigkeit erforderlich ist zum Starten eines jeden Zyklus und wo der sich
- 5
wiederholende Zyklus genügend Gelegenheit bietet, um den Anodengetter auswaschen.
Die Scheibe 1^4 kann in ihrer Zusammensetzung
und Geometrie sehr verschieden sein." Beispielsweise
könnte das Material Molybdän, Tantal, Wolfram sein.
Die Scheibengeometrie könnte von Massenform sein wie in der Zeichnung oder becherförmig oder halbkugelig,
wobei diese letaleren beiden Formen eine Kostenersparnis
durch einen geringeren Verbrauch von Material mit sich
bringen würden. Die Haupterfordernisse sind ein Material
das einen wesentlich geringeren Dampfdruck hat als die Getterinassen, Wärme wirksam in einem Vakuumsystem
abstrahlt und bei Temperaturen in der Größenordnung von 15oo°C unter Vakuum nicht geschmolzen oder ungünstig
beeinflußt wird.
Es ist nicht ganz klar, warum die Titan-Lebensdauer
- Ausdehnung die Arbeit so gut beeinfluli
wie das der Fall ist, aber es wird angenommen, daß der Mechanismus folgender ist. Elektronen werden von
den Heizfäden ^O in allen Richtungen abgegeben. Viele
dieser Elektronen haben genügend Komponenten von winkligem Moment, ■ um die Stange 26 herum und axiales
Moment auf die Mündung der Pumpe zu, so daß sie spiralförmig im wesentlichen um die volle !,ähge der Stange
herumlaufen, bis sie durch das elektrostatische Feld
zurückgeworfen werden, das sich vom Einladende 18
der Stange zur Pumpenwand 12 erstreckt. Bei dieser Reflection auf ungefähr der Höhe des Endes der Stange
26 wird, angenommen, daß eine wesentliche Verschiebung des Momentes erfolgt, worin die axiale Komponente des
Momentes eines Elektrons, das vom Einlaß wegläuft, groß
ist verglichen mit der ursprünglichen axialen Komponente,
die auf den Einlaß zu kommt und worin die Komponente des Winkelmoments, die vom Einlaß wegläuft, scharf
abnimmt im Verhältnis zur ursprünglichen Komponente des winkligen Momentes, das auf den Einlaß zu kommt.
So verlaufen die reflektierten Elektronen..in einer viel engeren Spirale während sie zurückkommen und es ist
wahrscheinlicher, daß sie von jedem beliebigen mittigen Hindernis abgefangen werden, das von größerem Durchmesser
ist als die Stange 26 und/oder naher am Bereich der
Reflektion als die Massen.
Obiges gibt eine Erklärung/für das Niederdruckverhalten
der Neuerung, aber selbstverständlich würde die Nützlichkeit der Neuerung verringert, wenn
der Bauteil 134 zu viele Elektronen bei hohem Druck
absorbiert, wo eine aktive Gassublimation erforderlich
ist. Glücklieherweise bekommen bei hohem Druck die Gettermassen 28&-D einen großen Teil, der Elektroden und
es wird angenommen^ daß der Mechanismus davon die größere Steuerung der Elektronen ist,-die bei hohem
Druck4uftritt - mehr Gasmoleküle stehen zur Verfügimg
und daher ergeben sich mehr Elektron-Molekül-Kollisionen oder Deflektionen.
Die günstigen Auswirkungen der Neuerung können dadurch verstärkt werden, daß der Bedienungsmann die
Vorspannung der Heizfäden ( des Heizfadens) JO verstellt.
Beispielsweise kann der Bedienungsmann bei niederem Druck die Heizfadenvorspannung auf null einstellen
(im Verhältnis zu dem elektrisch geerdeten Pumpenkörper)
und bei hohem Druck auf 250 Volt positiv oder höher. Dies ist aus obiger Erläuterung zu verstehen.
Die Nullvorspannung gestattet einen losen Elektronenspiralpfad,
der sich auf den Einlaß zu bewegt - und daher ein stärkeres Ionenpumpen und ein geringeres
Sublimationspumpen durch diese Elektronen. Die 250 Volt
Vorspannung oder höher, die zum Anlaufen bei hohen Drücken verwendet wird, verengt den anfänglichen Ionenpfad
(und die reflektierten Elektronen haben eine sogar
noch engere Spirale um die Elektronenkollisionen mit den Getterquellen zu begünstigen).
Gleichgültig welches die tatsächliche Art des Betriebes ist, die obigen letztlichen Wirkungen
sind wiederhol- und voraussagbar. Beispielsweise wurde eine 150 mm Pumpe mit 50O5,.Watt Leistung ( 10
Kilovolt, 50 Milliampere Abgabe) und veränderlicher Heizfadenvorspannung betrieben und es wurde beobachtet,
daß die Scheibe 134 bei einer Heizfadenvorspannung
Null he11glühend wird und die Wärme bei 250 Volt auf
verhäitnismässig dunkel verringert. Die Massen 28A-28B
(und 280)sind bei einer Vorspannung Mull verhäitnismässig dunkel und werden bei 250 Volt Glühfadenvorspannung
hellglühend.Die Masse 28D. wird in jedem Falle hellglühend und dies ist offensichtlich auf die axiale
Nahe zu dem Heizfaden zurückzuführen.
Mit oder ohne die Hilfe der Heizfadenvorspannungsvers
teilung zeigt es sich, daß mit der richtigen Größenabmessung der hitzebeständigen Seheibe
Ij54 im Verhältnis zu ihren benachbarten Gettermassen
in der Nähe des Einlaßendes der Anodenstange jegliche Orbitronpumpe veranlaßt werden kann, ^ 0-50 fo Abfall
in der Sublimationsgeschwindigkeit in der Druckdekade
-7 -8
zwischen 10 Torr und 10 Torr und niedriger zu .zeigen.
zwischen 10 Torr und 10 Torr und niedriger zu .zeigen.
Die maßgebende Größenüberlegung ist der Bereich der Tantalmasse, die der Wärmeableitung gegenüberliegt, die durch die gekühlte Pumpenwand 12 dargestellt
wird. Im obigen Beispiel beträgt dieser Bereich ungefähr l/8 der Fläche der Massen 28 (l/4 pi mal l/4
Länge verglichen mit 5'/l6 pi mal J>
und j/4 Länge unter der Annahme, daß die Massen 28C und D jede eine Länge
von l haben). Aber der Bereich kann bis zu 1 fo
(d.h. eine Unterlegscheibe)■_oder bis zu ungefähr 20 %
oder noch höher schwanken, wenn die Obe-rseite des
Teiles 1^4 sowie die Seite des Teiles 134 Elektronen
absorbiert und Wärme zur 3?umpenwand abstrahlt, je nach
der besonderenPumpenkonstruktion. Die relativen Abmessungen
der Gettermasse 28 und der hitzefesten Scheibe 1;54 können je nach der Verwendung der Pumpe richtig
bestimmt werden. Der Durchmesser der hitzebestandigen
Scheibe ist vorzugsweise etwas geringer als der durchschnittliche
Massendurchmesser, wie bereits oben festgestellt.
.Es hat sich gezeigt, daß diese verbesserte
Anoden-Getter-Anordnung keine ungünstigen Auswirkungen
auf das elektrostatische Feld hat/ das zum Betrieb der Pumpe notwendig ist. Gemäß dem Stande der Technik bilden
equipotentielie Linien, die sich von der Oberseite
der Anode 26 zur Wand 12 der Pumpe erstrecken, eine buchstäbliche Abschirmung, die die axiale Bewegung der
Elektronen umkehrt, die spiralenförmlg zum Pumpenlnlaß
zu laufen. Es hat sich auch gezeigt, daß diese verbesserte Anoden-Getter-Änordnung die gleichen oder bessere
mechanische Eigenschaften hat verglichen mit Anoden-Getter-Anordnungen
nach dem Stande der Technik. Die Seheibe 1^4 des Anoden-Getter-Gerätes übt auSi die
wichtige Funktion aus, zu verhüten, daß Titandämpfe
durch den Einlaß der Pumpe hinduroh Zurückströmen.
Obiges beschreibt den üblichen Fall, in dem der Anodengetter entlang der Achse eines kreisförmigen
Pumpenkörpers 12 angeordnet ist. Die -Γ
Neuerung ist Jedoch auch auf Pumpen anwendbar, bei
- Io -
denen der Körper nicht kreisförmig ist und/oder wo
der Anodengetter ausserhalb des Mittelpunktes liegt.
In diesem Zusammenhang bezieht sieh der Ausdruck "Radius'*
wie hierin verwendet, auf die längste strecke von der
Anode zur Pumpenwand in einer Ebene senkrecht zu der linear angeordneten ßetteranode.
Verschiedene andere Abwandlungen können von der bevorzugten Ausführungsform der Neuerung gemacht
werden, ohne dadurch ihren Rahmen, wie hierin beansprucht,
zu verlassen. Daher ist die vorstehende Beschreibung lediglich als Beispiel und nicht als Beschränkung
anzusehen.
- 11 -
Claims (5)
1. Anode mit Getter zur Verwendung in Getterionen·
pumpen der Qribtron-Art, worin Elektronen um die Anoden-Getter-Anordnung innerhalb eines rohrförmigen
Pumpenkörpers zum Umlauf gebracht werden, um Gasmoleküle
zu ionisieren und das Getter zu treffen, d a d u r e h
gekennzeichnet, daß eine Anodenstange mit
einer Vielzahl von Getterquellen darauf in linearer Anordnung vorhanden ist und eine Kappe, die über die
Getterquelle montiert ist, die am nächsten dem Einlaßende der Stange zu liegt, wobei dfe Kappe die Fläche
derGetterquelle in der Nähe des Einlaßendes abdeckt
und weiter dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kappe(134)die Form einer dicken Scheibe oder eines
gleichartigen Bauteiles hat, der aus einem Material
hergestellt ist, das einen geringeren Dampfdruck und höheren Schmelzpunkt hat als das Getterquellenmaterial.
2. Anode mit Getter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getterquelle aus Titan und
die Kappe Ij54 aus Tantal besteht.
3. Anode mit Getter nach Anspruch1 oder 2,
eingebaut in eine Umlaufelektronenvakaum-Pumpe, dadurch
gekennzeichnet, daß sie
a) eine ringförmige Kathode, b) die oben genannte Anoden-Getter-Anordnung in der ringförroigen Kathode
undeeine Elektronenemissionseinrichtung aufweist
'■- 12 -
zum Einbringen von Elektronen in die ringförmige Kathode zum Ionisieren von ßäsmolekülen dar-in und
zum Erhitzen der ßetterqueliendurcl Elektronenkollision
und weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Elektronenabsorptionseinriehtung
aufweist, bestehend aus der scheibenßpmigen Kappe 1^4 innerhalb der ringförmigen
Kathode 12 und so gebaut und angeordnet, daß diese Elektronen am Niederdrückende des Betriebsdruckbereiehes
der Pumpe absorbiert, so daß das Erhitzen der Getterquellen 28 bei Niederdruck verringert wird.
4. Gerät nach Anspruch j5, dadurch gekennzeiehnet,
daß die Absorptionseinrichtung eine Niederdampfdruckmetallmasse 1^4 aus hitzefestem Material aufweist,
die näher dem Einlaßende 28 der Pumpe montiert ist als irgendwelche der Gettermassen 28.
5. Gerät nach einem beliebigen der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Niederdampf druck-Metallmasse hitzebeständiger A^ einen
Oberflächenbereieh hat, der der ringförmigen Kathode
von 1 bis 20 ^ des Oberfläohenbereiches der Gettermassen gegenüberliegt, die der ringförmigen Kathode
gegenüberliegen und wobei die Metallmasse aus hitzefestem Material etwas geringere Quersehnittsabmessungen
hat als die Durchschnitts-Querschnittsabmessungen der
Gettermassen in einer Ebene senkrecht zur Anodenstauge.
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