DE2056155A1

DE2056155A1 - Ionengetterpumpe der Penning Bauart

Info

Publication number: DE2056155A1
Application number: DE19702056155
Authority: DE
Inventors: Laurence Horsham Holland Leslie Arthur Crawley Sussex Laurenson (Großbritannien) P
Original assignee: Edwards High Vacuum International Ltd
Current assignee: Edwards High Vacuum International Ltd
Priority date: 1969-11-14
Filing date: 1970-11-14
Publication date: 1971-06-16
Also published as: FR2069508A5; US3713754A; GB1333388A; NL7016786A

Description

PATH

DIFL. ING. K. HOXiSE

A IT O P. Π σ V; G-

K. 355

Augsburg, den 13*. November 1970

Edwards High Vacuum International Limited, Manor Royal, Crawley, Sussex, England

Ionengetterpumpe der Penning-Bauart

Die Erfindung betrifft eine Ionengetterpumpe der Penning-Bauart, mit einer zwischen zwei einander gegenüberliegend angeordneten Kathoden befindlichen mehrzelligen Anode.

Solche Ionengetterpumpen sind bereits bekannt und

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2 Π -, π 1 5

dienen dazu, unter Ausnutzung einer großen Zahl von Penning-Entladungen Gas durch Sorptionsvorgänge zu Binden.

Wird ein inertes Gas, beispielsweise Argon, mittels einer Penning-Pumpe aus einem zu evakuierenden Raum ausgepumpt, so tritt in diesem Raum ein Phänomen auf, welches unter dem Namen "Argon-Instabilität" bekanntgeworden ist. Dieses Phänomen besteht darin, daß große Argonmengen jeweils periodisch von den Elektroden der Pumpe freigesetzt werden, was zur Folge hat, daß der Druck in dem zu evakuierenden System schnell und in weiten Bereichen fluktuiert. Derartige Druckschwankungen sind normalerweise nicht zulässig, weshalb versucht werden muß, derartige Druckschwankungen zu vermeiden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Ionengetterpumpen der eingangs dargelegten Bauart eine Verringerung bzw. völlige Verhinderung der Gefahr der sogenannten Argon-Instabilität zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die der Anode zugewandte Oberfläche mindestens einer der beiden Kathoden einen aus Titanium oder einem ähnlich reagierenden und schwer schmelzbaren Metall be-

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stehenden Bereich und außerdem einen weiteren Bereich aus schwer schmelzbarem Metall wesentlich größerer atomarer Masse aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in ihren Einzelheiten beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Mittel

querschnitt durch eine Penning-Pumpe mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht

der in Fig. 1 dargestellten Penning-Pumpe, λ

Fig. 3 einen Schnitt durch eine

Kathode der in den Fig. i und dargestellten Penning-Pumpe längs der Ebene III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 einen ähnlichen Schnitt durch

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eine abgewandelte Ausführungsform einer solchen Kathode in größerem Maßstab als in Fig.

Wie eingangs bereits erwähnt, weisen bekannte Penning-Pumpen zwei Kathoden aus Titanium auf, zwischen welchen sich eine mehrzellige Anode befindet. Bei dieser bekannten Bauart von Penning-Pumpen treten, wie ebenfalls bereits

^ erwähnt wurde, beim Sorbieren reiner inerter Gase Pump-Instabilitäten auf. Diese Instabilitäten können dadurch beseitigt werden, daß eine der beiden Kathoden durch eine aus Tantal hergestellte Kathode ersetzt wird. Dadurch werden die Kosten der Pumpe merkbar höher und außerdem ist die Arbeitsgeschwindigkeit einer derartigen Pumpe beim Pumpen aktiven Gases wesentlich niedriger als diejenige einer Pumpe mit zwei Titaniumkathoden, weil Tantal weniger stark reagiert als Titanium. Demgegenüber ist es mit der erfindungsgemäßen Pumpe möglich, aktive Gase zu pumpen, obwohl trotz-

™ dem die erfindungsgemäße Pumpe weit weniger zu dem Phänomen der Argon-Instabilität neigt als Penning-Pumpen mit zwei Titaniumkathoden.

Der allgemeine Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpe geht aus den Fig.1 und 2 der Zeichnung hervor. Die Pumpe weist eine Anode 2 auf, welche zwischen zwei Kathoden ¹I angeordnet ist. Die Anode 2 besteht aus einer Anordnung

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vieler zylindrischer Zellen 6 aus rostfreiem Stahl, welche so miteinander verbunden sind, daß sie eine Wabenkonstruktion bilden, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die Kathoden bestehen in erster Linie aus Titanium, doch besteht gemäß der Erfindung zumindestens bei einer der beiden Kathoden ^ ein Teil ihrer Oberfläche 8 aus Tantal. Wie Fig. 1 zeigt, kann das Tantal die Form eines Metallstreifens haben, doch könnte in Abwandlung dessen auch an der Oberfläche der Kathode 4 eine Vielzahl von Scheiben oder anderer gesonderter Teile aus Tantal angeordnet sein.

Die Leitungen, mittels welcher die Elektroden an die zugehörige elektrische Schaltung angeschlossen sind, sind der besseren Übersicht halber in den Figuren weggelassen.

Die Art, in welcher das Tantal an der oder den , Kathoden befestigt ist, bildet keinen Teil der Erfindung. Hingegen kann in Weiterbildung der Erfindung das Tantal abnehmbar an der betreffenden Kathodenoberfläche befestigt sein, so daß es leicht durch einen anderen Belag ersetzt werden oder völlig abgenommen werden kann, wenn die Pumpe als normale, bekannte Penning-Pumpe betrieben werden soll, welche nur zwei ganz aus Titanium bestehende Kathoden haben

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soll, in welchem Falle natürlich die Gefahr des Auftretens einer Argon-Instabilität mit in Kauf genommen werden muß.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt schematisch, wie ein Tantalstreifen 8 an der Vorderseite der größten Oberfläche einer Titaniumkathode 4 angeordnet ist.

P Bei bekannten Penning-Pumpen können die einander

zugewandten größten Flächen der Kathoden 4 mit Nuten versehen sein, wie dies beispielsweise auch in Fig. 4 der Zeichnung angedeutet ist. Durch die Erfindung kann der Wirkungsgrad der Pumpe beim Pumpen inerter Gase dadurch erhöht werden, dah die Ionen das Bestreben haben, in den bewußten Nuten durch Niederschlag aufgesprühten Elektrodenmaterials eingeschlossen zu werden. Im Rahmen der Erfindung vorgenommene Versuche haben gezeigt, daß beim Pumpen von

^ Argon die betreffende Pumpe weit stabiler arbeitete, wenn an der Vorderseite glatter Elektroden Tantalstreifen angebracht wurden. Diese Verbesserung zeigte sich um so ausgeprägter, wenn diese Tantalstreifen an der Vorderseite von Kathoden angebracht wurden, deren Oberflächen Schlitze aufwiesen.

Die eigentliche Wirkungsweise der Erfindung ist nicht vollständig klar, doch könnte die sogenannte Jepsensche "Energieneutralitätstheorie" eine befriedigende Erklärung

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ORIGINAL INSPECTED

bieten. Gemäß dieser Theorie haben energiegeladene Ionen eines Gases, beispielsweise Argon, beim Auftreffen auf schwere Werkstoffe, beispielsweise auf Tantal, das Bestreben, von dem Tantal zurückzuprallen, ohne unter der Oberfläche des Tantals eingeschlossen zu werden. Während dieser Reflexionsphase wird das betreffende Ion entladen, so daß die Kathode nunmehr ihrerseits neutrale Partikelchen erzeugt, die noch verhältnismäßig viel Energie haben. Diese elektrisch neutralen Fartikelchen können sich sodann in der Anode einschließen und werden von weiterem aufgesprühten Material zugedeckt. Es leuchtet ein, daß noch eine gewisse Menge inerten Gases von der Kathode aufgenommen wird, doch ist die in einer Tantalkathode eingeschlossene Menge inerten Qases wesentlich geringer als die in einer Titankathode eingeschlossene Gasmenge, wenn die letztere unter gleichen Bedingungen betrieben wird. Dies bedeutet, daß nicht die gesamte |

Pumpung des inerten Gases auf die Anode abgewälzt worden ist, sondern daß nur die Konzentration des in der Kathode eingeschlossenen Argons vermindert worden ist, was sich durch einen stabilen Druckpegel äußert.

Eines der Merkmale der Erfindung besteht darin, daß nur eine der beiden Kathoden an ihrer Oberfläche zum Teil

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mit Tantal oder ähnlichem Material bedeckt zu sein braucht. Es kann selbstverständlich eine symmetrische Kathodenanordnung Anwendung finden, doch besteht der Eindruck, daß eine derartige Anordnung gegenüber der asymmetrischen Anordnung nicht genügend Vorteile bietet, um die zusätzlichen Kosten für das aufzuwendende Tantal oder ähnliche Metall zu rechtfertigen. Es besteht der Eindruck, daß bei Verwendung einer ganz aus Titanium bestehenden Kathode in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Pumpe diese immer noch "argonstabil" ist. Der Versuch einer Erklärung für dieses Nichtauftreten des genannten Phänomens in der erfindungsgemäßen Pumpe besteht darin, daß, obgleich das inerte Gas an der Titaniumkathode nicht stabil gepumpt wird, jegliche Reemission von Argon an der Titaniumkathode jeweils sofort von der Reionisation und der Überführung an der Tantalkathode in Verbindung mit der Zellenanode durch deren Pumpwirkung aufgenommen werden kann. Weil das reemittierte Argon durch diese Pumpwirkung irgendwo in der Pumpe so schnell absorbiert wird, beobachtet der Betrachter eines an die Pumpe angeschlossenen Unterdruckmessers, daß der Druck sowohl in der Pumpe als auch in dem zu evakuierenden System konstant bleibt.

Die oben gegebene Erklärung stellt nur einen Versuch einer solchen Erklärung dar und ist im übrigen in keiner

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Weise bindend.

Als anderer Werkstoff für den Hauptteil der Kathode kommt Zirkonium in Frage, welches in ausreichendem Maße reagiert und schwer schmelzend ist.

Als ungleiches Kathodenmaterial können beispielsweise λ Zirkonium, Molybdän, Wolfram, Thorium, Hafnium, Neodymium oder andere schwer schmelzende Metalle höherer atomarer Masse als Titanium Anwendung finden. Dieser Werkstoff kann entweder in Form eines reinen Metalles oder in Form einer Legierung gegeben sein.

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Claims

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Patentansprüche

l.y Ionengetterpumpe der Penning-Bauart, mit einer, zwischen zwei einander gegenüberliegend angeordneten Kathoden befindlichen mehrzelligen Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die der Anode (6) zugewandte Oberfläche mindestens einer der beiden Kathoden (¹O einen aus Titanium oder einem ähnlich reagierenden und schwer schmelzbaren Metall bestehenden Bereich (8) und außerdem einen weiteren Bereich aus schwer schmelzbarem Metall wesentlich größerer atomarer Masse aufweist.

2. lonengetterpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Oberflächenbereich aus Tantal, Zirkonium, Molybdän, Neodymium, Hafnium, Wolfram oder Thorium besteht*

3. Xonengetterpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dad der größere der beiden genannten Oberflächenbereiche mindestens einer der beiden Kathoden (4) mit Schlitzen oder Nuten (10) versehen ist.

k. lonengetterpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3»

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dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Kathoden (4) aus massivem Titanium besteht und daß auf der größten Fläche dieser Kathode ein Teil (8) befestigt ist, welches aus einem Werkstoff größerer atomarer Masse besteht.

5. lonengetterpumpe nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß das an der genannten größten Kathodenfläche " befestigte Teil die Form eines Tantalstreifens (8) hat.

6. Ionengetterpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an der genannten größten Kathodenfläche befestigte Teil die Form einer Vielzahl von Tantalscheiben oder anderer gesonderter Teile aus diesem Werkstoff hat.

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Al

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