DE1964809U

DE1964809U - Anode mit getter fuer eine ionengetter-hochvakuumpumpe.

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Publication number: DE1964809U
Application number: DEN19773U
Authority: DE
Original assignee: NAT RES CORP; National Research Corp
Current assignee: NAT RES CORP; National Research Corp
Priority date: 1966-02-28
Filing date: 1967-02-28
Publication date: 1967-07-27
Also published as: FR1512829A; GB1176373A; US3357634A

Description

. 11/,099*23.2.6?

5610-67
Gase F-671

U.S. Serial No. 530.629
Filed: February 28 _} 1966

National Research Corporation
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

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Durchmesser (o.o6^M)) 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

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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

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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

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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.

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Claims

lA.iU 099*28.2.87 Sehutzansprüchej

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 und^eeine Elektronenemissionseinrichtung aufweist

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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.