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Kryopumpe vom Bad typ für Hoch-und Ultrahochvakuumanlagen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eilteKryopumpe vom Badtyp für Hoch-
und Ultrahochvakuumanlagen, bestehend aus einem ersten Behälter für die Aufnahme
des den Pumpvorgang bewirkenden verflüssigten Gases, der mit mindestens einer Pumpfläche
in wärmeleitender Verbindung steht, sowie aus einem zweiten Behälter für die Aufnahme
eines bei höherer Temperatur siedenden, verflüssigten Gases, der mit Strahlungsschutzflächen
für den ersten Behälter in wärmeleitender Verbindung steht.
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d Der erste Behälter wird - in Abhängigkeit vom Verwenungszweck -
vorzugsweise mit flüssigem Helium oder Wasserstoff gefüllt, der zweite Behälter
beispielsweise mit flüssigem Stickstoff.
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iiisbesoirclert: Die Erfindung betrifft/eine Kryopumpe vom Badtyp,
die mit fl. Helium betrieben wird und die zum Erzeugen von Hoch- und Ultrahochvakuum
wie auch zum Abpumpen von Wasserstoff bis zu niedrigsten Drücken eingesetzt werden
kann.
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Es sind bereits Kryopumpen vom Badtyp mit langer Standzeit von mehreren
Monaten bekannt, die zwar sehr gut geeignet sind zur Erzeugung niedrigster Drücke,
jedoch den Nachteil haben. daß ihre PumPfläche auf der Untervon oben seite der Kryopumpe
liegt und die Pumpe grundsätzlich zu auf den aupumpenden Behälter aufgesetzt werden
muß (C. Benvenuti, J. Vac. Sci. Technol. Vol. 11, No. 3, Mai/Juni 1974).
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Außerdem sind Badkryopumpen mit relativ kurzer Standzeit von einigen
Tagen bis max. 1 Woche bekannt, die von unten an den Behälter angesetzt werden müssen,
jedoch weniger gut geeignet sind zur Erzeugung niedrigster Drücke (Thibault et al,
Journees de Technologie du Vide 1974, Supplement å la Revue "Le Vide", No. 169,
5. 139).
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Es gibt jedoch häufiger Anwendungsfälle, bei denken aus Platzgründen
identische Kryopumpen wahlweise von unten oder von oben an den ausXpumpenden Behälter
angeschlossen werden müssen, beispielsweise bei Beschleunigern, bei Raumsimulationskammern
und bei Kernfusionsmaschinen. Bei extremen Anforderungen an den
Enddruck
können die bisher bekannten Kryopumpen vom Badtyp für diesen Zweck nicht eingesetzt
werden aus folgenden Gründen: Die eine Ausführung der bekannten Pumpe hat nur kurze
Standzeit, ist nur für den Anbau an den Behälter von unten geeignet und hat zusätzlich
aufgrund der Sorption von Gasen an den Kaltflächen und der anschließenden Desorption
bei abnehmendem Füllstand des fl. Heliums den Nachteil, daß erhebliche Druckschwankungen
auftreten, die insbesondere bei niedrigen Drücken und beim Abpumpen von Wasserstoff
stören können.
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Dieselben Sorptions- und Desorptionserscheinungen können auch während
des Nachfüllens von fl. Helium in die Kryopumpe und beim Abpumpen des Bades zwecks
Druck-und damit Temperaturerniedrigung der Kaltfläche auf z. B. 2,5 K auftreten.
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Die andere Ausführung hat zwar lange Standzeit und zeigt keine Sorptions-
und Desorptionserscheinungen, ist aber nur für den Anbau an den Behälter von oben
geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Badkryopumpe für niedrigste
Drücke und zum Abpumpen von Wasserstoff zu entwickeln, die die oben beschriebenen
Nachteile nicht aufweist und wahlweise von unten oder von oben an den Vakuumbehälter
angesetzt werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst,
daß der erste Behälter für das den Pumpvorgang bewirkende Flüssiggas ringförmig
ausgebildet ist und im Bereich seiner Unterseite die sich quer zur Ringachse erstreckende
Pumpfläche trägt, und daß der erste Behälter auf einem wesentlichen Teil seiner
Oberfläche von den Strahlungsschutzflächen umgeben ist. Der Raum zwischen dem ersten
Behälter und den Strahlungsschutzflächen wird
von einer Hilfspumpe
evakuiert, so daß er nicht in Verbindung mit dem Hauptvakuum steht und deshalb von
ihm keine störenden Einflüsse durch Sorption und Desorption von Gasen ausgehen können.
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Die eigentliche Pumpfläche ist beidseitig durch je ein optisch dichtes
Baffle gegen Wärmestrahlung geschützt. Die Anordnung hat zusätzlich den Vorteil,
daß die Kryopumpe in speziellen Fällen gleichzeitig von oben und von unten an verschiedene
Vakuumbehälter angeschlossen werden kann. Bei einseitigem Anschluß an einen Vakuumbehälter
von oben oder von unten kann zur Vereinfachung das,jeweils vom Behälter aus gesehen,
hinter der Pumpfläche liegende Baffle durch eine Platte ersetzt werden, wodurch
die Wär-:leeinstrahlung auf dieser Seite auf die Pumpfläcse noch weiter reduziert
und damit die Standzeit erhöht wird.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn zwischen dem Behälter für
das fl. Helium und den mit fl. Stickstoff gekühlten Wänden ein Strahlungsschirm
angeordnet ist, der mit Heliumabgas auf eine Temperatur zwischen der des fl. Heliums
und der des fl. Stickstoffs gekühlt wird. Hierdurch wird die Wärmeeinstrahlung auf
den Behälter mit fl. Helium und damit der Verbrauch an fl. Helium noch weiter reduziert.
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Weitere Einzelheiten werden anhand der in Fig. 1, Fig. 2 und Fig.
3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
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In Fig. 1 ist der Behälter für das fl. Helium la dargestellt mit der
Pumpfläche 2 und dem Einlaß 3 für das fl. Helium sowie dem Auslass4für das gasförmige
Helium. Über dem Behälter für das fl. Helium ist der Behälter5für den fl. Stickstoff
5aangeordnet, mit dem gut wärmeleitend die Strahlungsschutzflächen 6, 7 und 8
sowie
die Baffles 9 und 10 verbunden sind. Die Flächen 6 und 11 befinden sich am einen
Ende etwa auf der Temperatur des fl. Heliums und am anderen Ende etwa auf der Temperatur
des fl. Stickstoffs. Der fl. Stickstoff wird durch den Anschluß 12 eingefüllt, der
gasförmige Stickstoff kann durch den Anschluß 13 entwichen. Über den Pumpstutzen
14 wird der Raum zwischen dem Behälter 1 für das fl. Helium einerseits und den Strahlungsschutzflächen
6, 7,8 und 11 sowie dem Behälter 5 für den Stickstoff 5a andererseits mit einer
Hilfspumpe evakuiert. Das Pumpgehäuse 15 umschließt die Kryopumpe und weist auf
beiden Seiten die Flansche 16 und 17 auf zum Anschluß an den Vakuumbehälter. Dieser
Anschluß kann wahlweise von oben erfolgen über den Flansch 16, wobei dann das Gas
nach Passieren des Baffles 9 an der Unterseite der Pumpfläche 2 kondensiert und
damit gepumpt wird, oder von unten über den Flansch 17, wobei das Gas nach Passieren
des Baffles 10 auf der Oberseite der Pumpfläche 2 gepumpt wird. Die Temperatur der
Pumpfläche 2 ist so lange vom Füllstand des fl. Heliums im Behälter 1 unabhängig,
wie sich überhaupt noch Helium im Behälter 1 befindet. Das evtl. durch Veränderung
des Helium-Füllstandes entlang den Außenflächen des Helium-Behälters adsorbierende
oder desorbierende Gas kann lediglich den Druck in dem über den Anschluß 14 mit
einer Hilfspumpe versehenen Raum beeinflussen, nicht jedoch den Druck in den über
die Flansche 16 und/oder 17 angeschlossenen Rezipienten. Zur Verbesserung der Wärmeleitung
auf der Pumpfläche 2 kann diese auch doppelwandig ausgebildet werden, wobei sich
dann im Inneren fl. Helium befindet. Diese Ausführung ist in Fig. 2 dargestellt
mit den Pumpflächen 2 a und 2 b. Die übrigen Bezugszeichen sind in Fig. 2 beibehalten
worden.
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In Fig. 3 ist zwischen dem Behälter für das fl. Helium laund den Strahlungsschutzwänden
6 und 7 ein weiterer Strahlungsschutz 19, 20 und 21 dargestellt, der mit dem aus
dem Helium-Behälter 1 austretenden kalten Helium-Gas über die Kühlschlangen 18 gekühlt
wird. Dieser befindet sich auf einer Temperatur zwischen der Temperatur des fl.
Heliums im Behälter 1 und der Temperatur des mit fl. Stickstoff gekühlten Strahlungsschutzes
6 und 7. In diesem Fall wird das Heliumabgas schließlich über den Anschluß 22 aus
der Pumpe Enausgeleitet.
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Die Angabe, daß der Behälter 1 ringförmig ausgebildet ist, besagt,
daß dieser allseitig geschlossen ist und einen Innenraum ib umschließt. Der Behälter
1 kann infolgedessen abch einen hohl-quadratischen Querschnitt besitzen.
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Folgerichtig kann der Innenraum 1 b zylindrische oder quaderförmige
Gestalt besitzen. Entsprechendes gilt dann auch für die Ausbildung des Zwischenraums
6a zwischen Behälter 1 und Strahlungsschutzfläche 6.