DE2640781A1 - Ion diffusion pump on penning principle - has cathode bonded to thermally conducting wall and heat treated anode - Google Patents
Ion diffusion pump on penning principle - has cathode bonded to thermally conducting wall and heat treated anodeInfo
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Abstract
Description
lonenzerstäuberpumpeion nebulizer pump
Die Erfindung betrifft eine lonenzerstäuberpumpe nach dem Penningprinzip mit einem zwischen Magnetpolen angeordneten, Anoden und Kathoden umschließenden Pumpengehäuse und voneinander unabhängigen Einrichtungen zum Kühlen und Ausheizen der Elektroden.The invention relates to an ion atomizer pump based on the Penning principle with one arranged between magnetic poles, enclosing anodes and cathodes Pump housing and independent devices for cooling and heating of the electrodes.
Zum Erhöhen des Gasdurchsatzes derartiger Pumpen und zum Erweitern des Betriebsdruckbereiches bis zu 5 10 3 mbar sind eine Reihe von Maßnahmen bekannt, die darauf gerichtet sind auch bei diesem hohen Druck Kurzschlüsse zu vermeiden, die durch etallflitter und durch metallische Bedampfung der Anodenisolatoren verursacht werden können.To increase the gas throughput of such pumps and to expand them the operating pressure range up to 5 10 3 mbar, a number of measures are known, which are aimed at avoiding short circuits even at this high pressure, caused by metal tinsel and metallic vapor deposition on the anode insulators can be.
Es ist insbesondere bekannt (Preprint No. 280, 1969, Institute of Nuclear Physics, Siberiari Setion, Academy of Sciences of the L3H, Novosibirsk), eine wassergekühlte massive Kupferanoae zu verwenden. Eine derartige Anodenkühlung ist jedoch nur unter erheblichen Schwierigkeiten realisierbar, weil die Anode von Ionenzerstäuberpumpen gegen das Pumpengehäuse an einer Hocnspannun von mindestens 5 kV liegt. Dieser erhebliche konstruktive Aufwand führt außerdem nicht zu einer wesentlichen erbesserun des Pumpverhaltens bei höherem Druck, da ein großer Teil der zu ermeidenden Gasdesorption an den Kathoden entsteht.It is particularly known (Preprint No. 280, 1969, Institute of Nuclear Physics, Siberiari Setion, Academy of Sciences of the L3H, Novosibirsk), to use a water-cooled massive copper anae. Such an anode cooling can only be implemented with considerable difficulty, however, because the anode of Ion atomizer pumps against the pump housing at a voltage of at least 5 kV. This considerable design effort also does not lead to a substantial improvement of the pumping behavior at higher pressure, since a large part the gas desorption to be avoided occurs on the cathodes.
Bei einer anderen bekannten lonenzerstäuberpumpe (J. Vac. Sci.In another known ion atomizer pump (J. Vac. Sci.
Technol., Vol. 13, No. 1, 1976, Seiten 498 - 502) ist auf die kreisrunden Kathoden ein Rohrsystem zum Durchleiten eines nühlmittels aufgelötet. Die Kathoden sind über ein Flanschsystem an das Pumpengehäuse angeschlossen. Diese komplizierte und aufwendige Konstruktion ist wegen der bei Flanschsystemen auftretenden Dichtheitsprobleme nur an kleinen Pumpen mit kreisförmigem Querschnitt anwendbar und bedingt eine Verminderung der Ausnutzung des zur Verfügung stehenden, das Saugvermögen der Pumpe bestimmenden vom Magnetfeld erfüllten Raumes, da dort auch die Kühleinrichtungen der Kathoden untergebracht werden müssen.Technol., Vol. 13, No. 1, 1976, pages 498 - 502) is circular Cathodes are soldered to a pipe system for the passage of a coolant. The cathodes are connected to the pump housing via a flange system. This complicated one and complex construction is due to the tightness problems that occur with flange systems Can only be used on small pumps with a circular cross-section and requires a reduction the utilization of the available, which determines the pumping speed of the pump the space filled by the magnetic field, as the cooling devices for the cathodes are also located there must be accommodated.
Außerdem ist die zur Regenerierung erforderliche Aufheizung der Pumpe nur über eine aufwendige Ausheizvorrichtung bei erhöhter Gefahr des Auftretens von Lecks an dem Kathodenflanschsystem möglich. Ein weiterer Nachteil dieser Ionenzerstäuberpumpe besteht darin, daß die Anode über im Zerstäubungsraum angeordnete Isolatoren an das Pumpengehäuse angeschlossen ist, so daß eine erhöhte Kurzschlußgefahr durch Bedampfung der Isolatoren mit Titan beim Betrieb in Bereichen höherer Drücke besteht.In addition, the pump needs to be heated up for regeneration only via a complex bake-out device if there is an increased risk of Possible leaks in the cathode flange system. Another disadvantage of this ion atomizer pump consists in that the anode is connected via insulators arranged in the atomization chamber the pump housing is connected, so that there is an increased risk of short circuits There is vapor deposition of the insulators with titanium during operation in areas of higher pressures.
Es ist auch eine lonenzerstäuberpumpe bekannt (DT-OS 23 05 505), bei der die Titankathoden durch Sprengplattierung auf das aus Edelstahl bestehende Pumpengehäuse aufgebracht sind. Da die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl sehr niearig ist, reicht eine einfache Wasserkühlung des Pumpengehäuses über außerhalb des Magnetspaltes angeordnete Kühlrohre nicht aus, um die Kathoden während des Betriebes bei hohen Druck auf der erforderlichen niedrigen Temperatur zu halten. Deshalb ist auch vorgeschlagen worden (DT-OS 23 05 505), die Wärmeleitfähigkeit des Pumpengehäuses im Bereich der Kathoden durch eine zusatzliehe gut wärmeleitende Platte an der Außenseite des Pumpengehn es una innerhalb des nutzbaren Magnet raumes weiter zu verbessern. Die Nachteile dieser Anordnung bestehen insbesondere darin, daß neben der nur schwer realisierbaren und teuren beiderseitigen Sprengplattierung des Edelstahl-Pumpengehäuses mit zwei verschiedenen Metallen wie Titan und Kupfer die Dicke des wärmeleitenden Bleches eine Verkleinerung des zur Verfügung stehenden Magnetraumes verursacht, und daß die zur Regenerierung erforderliche Ausheizung eine aufwendige Ausheizvorrichtung erfordert, weil das wärmeleitende Blech nicht auf der gesamten Außenflache des Pumpengehäuses angebracht werden kann.An ion atomizer pump is also known (DT-OS 23 05 505) the titanium cathodes by explosive plating on the pump housing made of stainless steel are upset. Since the thermal conductivity of stainless steel is very poor, it is enough one simple water cooling of the pump housing via outside of the Magnetic gap arranged cooling tubes do not extend to the cathodes during operation to keep it at the required low temperature at high pressure. Therefore has also been proposed (DT-OS 23 05 505), the thermal conductivity of the pump housing in the area of the cathodes by an additional plate with good thermal conductivity on the outside The pump can be further improved within the usable magnet space. The disadvantages of this arrangement are in particular that in addition to the difficult realizable and expensive double-sided explosive plating of the stainless steel pump housing with two different metals like titanium and copper the thickness of the thermally conductive Sheet metal causes a reduction in the available magnet space, and that the heating required for regeneration requires an expensive heating device requires, because the thermally conductive sheet does not cover the entire outer surface of the pump housing can be attached.
Bei einer anderen bekannten (DT-AS 14 14 572) Einrichtung der erfindungsgemäßen Art sind die Kathoden größer als die vläche der Anodenanordnung und an ihrem Rand an der der Anode zugewandten Seite mit einem Eahlrohr wärmeleitend verbunden.In another known (DT-AS 14 14 572) device of the invention The cathodes are type larger than the surface of the anode arrangement and at its edge on the side facing the anode with an Eahlrohr thermally conductively connected.
Nachteilig ist bei dieser Einrichtung, daß für den Wärmetransport bis zu dem Kühlrohr nur die schlecht wärmeleitende Titan-Kathode selbst zur Verfügung steht, und daß das Kühlrohr mit seiner Zu-und Ableitung die Wand des Pumpengehäuses über eine vakuumdichte Durchführung durchdringen muß.The disadvantage of this device is that for heat transport up to the cooling tube only the poorly thermally conductive titanium cathode itself is available stands, and that the cooling pipe with its inlet and outlet lines the wall of the pump housing must penetrate through a vacuum-tight implementation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenzerstäuberpumpe zu schaffen, deren Kathoden durch ein einfaches und wirksames Kühlsystem außerhalb des Pumpengehäuses und ohne Vergrößerung des Volumens des vom Magnetfeld erfüllten Raumes so intensiv gekühlt werden können, daß auch relativ hohe Betriebsdrücrce und große Pumpleistungen möglich sind und durch Verwendung eines geeigneten Anodenwerkstoffes und konstruktive Maßnahmen an der Anodenaufhängung das Auftreten von Kurzschlüssen auch bei hohen Druckern ausgesjllosen wird.The invention is based on the object of an ion atomizer pump to create their cathodes by a simple and effective cooling system outside of the pump housing and without increasing the volume of that filled by the magnetic field The room can be cooled so intensely that even relatively high operating pressures and large pump capacities are possible and by using a suitable anode material and constructive measures on the anode suspension, the occurrence of short circuits is excluded even with high printers.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Pumpenpehause ganz oder teilweise aus einem Werkstoff mindestens der Wärmeleitfähigkeit h = 0,12 cal/cm. s OC besteht, daß die Kathoden mit der Wand oder den Wandelementen hoher 91ärmeleitfähigkeit des Pumpengehäuses wärmeleitend verbunden sind, daß die Anode durch eine Einrichtung zum Anlegen der Hochspannung in ihrer Lage zwischen den Kathoden gehalten ist, daß die Anode aus einem in seiner Haftfestigkeit für aufgedampfte etallato.e durch eine thermische Behandlung bei vorbestimmtem Druck und vorbestimmter Temperatur während einer vorbestimmten Zeit verbesserten Werkstoff bestehen, und daß an die Außenseite des Pumpengehäuses, außerhalb der von den Magnetpolen abgedeckten Fläche eine erste Einrichtung zum Abführen der Anoden- und Kathodenwärme und eine zweite Einrichtung zum Ausheizen der Elektroden wärmeleitend angeschlossen ist.This object is achieved according to the invention in that the pump pause entirely or partially made of a material with at least a thermal conductivity of h = 0.12 cal / cm. s OC consists that the cathodes with the wall or the wall elements are higher 91 thermal conductivity of the pump housing are thermally connected that the anode by a means for applying the high voltage in their position between the cathodes is held that the anode from a vapor-deposited in its adhesive strength etallato.e by a thermal treatment at a predetermined pressure and predetermined Temperature for a predetermined time are improved material, and that on the outside of the pump housing, outside of the covered by the magnetic poles Surface a first device for dissipating the anode and cathode heat and a second device for heating the electrodes is connected in a thermally conductive manner.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Kathodenwärme mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel leicht abgeführt werden kann, ohne daß der vom ltagnetfeld erfüllte Raum durch den Einbau zusätzlicher Konstruktionselemente belastet werden müßte. Dadurch werden niedrige Betriebstemperaturen erreicht und bei relativ hohen Betriebsdrücken von 5.10-3 mbar auch im Langzeitbetrieb sehr hohe Gasdurchsätze realisiert. Bei Verwendung insbesondere von Aluminium oder Al-Legierungen als Pumpengehäuse ergibt sich neben der Herabsetzung des Gewichtes eine einfache Fertigung des Pumpengehäuses verbunden mit einer Reduzierung der Fertigungskosten. Der durch die Erfindung vorgeschlagene Aufbau der Tonenzerstäuberpumpe unterliegt keiner konstruktiven Begrenzung bei der Dimensionierung von Pumpen mit beliebigem Saugvermögen, das Ausheizen kann z.B. mit Hilfe handelsüblicher Heizpatronen erfolgen. Eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit wird durch die vorgeschlagene Aufhängung der Anodenelektrode an einer Verlängerung des Durchführungsbolzens der Hochspannungsdurchführung erreicht, weil dadurch der Durchführungsisolator weit außerhalb des Zerstäubungsraumes verdeckt angeordnet ist, so daß MetalldmFfe dort nicht niedergeschlaren werden. Die Kurzschlußfestigkeit wird außerdem erhöht durch die Verwenaung des in besonderer Weise behandelten Anodenw-erkstoffes, der das Ablösen autedampfter Metallpartikel (z.B. Titanflitter) verhindert.The advantages achieved with the invention are in particular: that the cathode heat is easily dissipated with a liquid or gaseous coolant without the space filled by the magnetic field by installing additional Construction elements would have to be loaded. This results in low operating temperatures reached and at relatively high operating pressures of 5.10-3 mbar even in long-term operation realized very high gas throughputs. When using especially aluminum or Al alloys as the pump housing result in addition to the reduction in weight simple manufacture of the pump housing combined with a reduction in manufacturing costs. The structure of the atomizer pump proposed by the invention is subject to this no design limitation in the dimensioning of pumps with any Pumping speed, the heating can be done e.g. with the help of commercially available heating cartridges. The proposed suspension significantly increases operational safety of the anode electrode on an extension of the lead-through bolt of the high-voltage bushing Achieved because the bushing insulator is far outside of the atomization chamber is arranged concealed, so that MetalldmFfe not down there will. The short-circuit strength is also increased by using the in specially treated anode material that removes autodaporized metal particles (e.g. titanium tinsel) prevented.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnunffl dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Schnitt A B der lonenzerstäuberpumpe nach der Erfindu, Fig. 2 Schnitt C D.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. They show: FIG. 1 Section A B of the ion atomizer pump according to the invention, Fig. 2 section C D.
Teilschnitte der IonenzerstSuberpumpe nach der Erfindung sind in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Das Pumpenfrehäuse 1 wird im wesentlichen gebildet aus zwei ebenen rechteckigen Grundplatten 2 und zwei L-förmigen Seitenwandelementen 3 und besteht aus der ;Aluminiumlegierung AlMgSiO, 5.Partial sections of the ion-atomizing overpump according to the invention are shown in Fig. 1 and 2 shown. The pump housing 1 is essentially formed from two flat rectangular base plates 2 and two L-shaped side wall elements 3 and consists of the aluminum alloy AlMgSiO, 5.
Auf jede der Grundplatten 2 ist nach Reinigung mit einer geeigneten Beize eine Kathode 4 aus Titan aufgebracht und zwischen Grundplatte 2 und Kathode 4 durch Sprengplattierung eine feste, wärmeleitenne Verbindung hergestellt. Die Elemente 2, 3 des Pumpengehäuses 1 sind durch eine Schweißverbindung 5 vakuumdicht miteinander verbunden.Each of the base plates 2 is cleaned with a suitable one Pickling applied to a cathode 4 made of titanium and placed between the base plate 2 and the cathode 4 produced a solid, thermally conductive connection by explosive plating. the Elements 2, 3 of the pump housing 1 are vacuum-tight by a welded connection 5 connected with each other.
An zwei einander gegenüberliegenden Seitenwandelementen 3 sind durch Schweißverbindungen 6, 7 Rohrstücke 8, 9 aus einem dern Pumpengehäuse 1 gleichen oder entsprechenden Werkstoff aneschlos.On two opposite side wall elements 3 are through Welded connections 6, 7 pipe sections 8, 9 from one of the pump housings 1 are the same or corresponding material connected.
Das Rohrstück 8 kann z.B. mit einem Pumpflansch 10 oder auch direkt mit einer Rohrleitung aus Edelstahl über eine Aluminium und Edelstahl hochvakuumdicht verbindende Schweißnaht 11 verbunden werden.The pipe section 8 can e.g. with a pump flange 10 or directly with a pipeline made of stainless steel over an aluminum and stainless steel high vacuum tight connecting weld 11 are connected.
An das Rohrstück 9 ist über eine entsprechende Schweißverbindung 12 eine Hochspannungsdurchführung 13 angeschlossen.A corresponding weld connection 12 is attached to the pipe section 9 a high-voltage bushing 13 is connected.
Das Pumpengehäuse 1 umschließt eine zwischen den Kathoden 4 angeordnete Anode 14, die aus einer dichten Packung von Anodenzellen 15 bildenden Rohrelementen aus Edelstahl besteht. Die Anodenzellen 15 sind durch Punktschweißen so miteinander verbunden, daß deren Achsen 16 einander parallel verlaufen. Ein Anodenrahmen 17 aus Edelstahl umschließt die Anodenzellen 15. Der Anodenrahmen 17, der die Anodenzellen 15 fest miteinander verbindet, ist an seiner der Hochspannungsdurchführung 13 zugewandten Seite mit einer Bohrung versehen.The pump housing 1 encloses one arranged between the cathodes 4 Anode 14, which consists of a dense packing of anode cells 15 forming tubular elements made of stainless steel. The anode cells 15 are thus spot welded to each other connected that their axes 16 are parallel to each other. An anode frame 17 made of stainless steel encloses the anode cells 15. The anode frame 17, which holds the anode cells 15 firmly connects to one another, is facing the high-voltage bushing 13 at its Provide a hole on the side.
Der Durchführungsbolzen 18 der Hochspannungsdurchführung 13 ist durch einen angeschweilSten Gewindebolzen 19 aus Edelstahl verlängert, der von der Bohrung des Anodenrahmens 17 aufgenormen und dort in einer vorbestimmten Lage mit Muttern justiert und/oder verschweißt wird.The lead-through bolt 18 of the high-voltage bushing 13 is through a welded threaded bolt 19 made of stainless steel extended from the bore of the anode frame 17 and there in a predetermined position with nuts is adjusted and / or welded.
Vor dem Einbau wird die aus Edelstahl bestehende Anode 14 in ihrer Haftfestigkeit für aufgedampfte Metallatome, z.B. Titan, durch eine thermische Behandlung wesentlich erhöht. Dabei erfolgt eine Entgasung durch Erwärmung auf 1150 °C bei einem Druck von 5 10 5 mbar während zwei Stunden. Durch diese tBehanelllng wird die Haftfestigkeit der Titanatome auf der Anodenoberfl&che so stark erhöht, daß kurzschlußverursachende Titanflitter auch bei einen Betrieb oberhalb 10 4 mbar auch nach mehrwöchigem Betrieb nicht auftreten.Before installation, the anode 14 made of stainless steel is in its Adhesion strength for vapor-deposited metal atoms, e.g. titanium, through thermal treatment significantly increased. Degassing takes place by heating to 1150 ° C a pressure of 5 10 5 mbar for two hours. This treatment is the adhesive strength of the titanium atoms on the anode surface is increased so much, that short-circuit-causing titanium flakes even when operated above 10 4 mbar does not occur even after several weeks of operation.
Durch diese Behandlung wird eine nahezu vollständige Entgasung erreicht, so daß die Anode 14 auch bei Temperaturen bis zu 600 °C ohne nennenswerte Entgasung betrieben werden kann. Bei dieser Temperatur wird die Anodenwärme durch Strahlung an die gekühlten Kathoden 4 und an das Pumpengehäuse 1 übertragen.This treatment achieves an almost complete degassing, so that the anode 14 without significant degassing even at temperatures up to 600 ° C can be operated. At this temperature the anode heat is generated by radiation transferred to the cooled cathodes 4 and to the pump housing 1.
Die Kühlung des Pumpengehäuses 1, an das die Kathoden 4 die dort erzeugte Warme und die durch Strahlung von der Anode 14 aufgenommene Wärme durch Wärreleitung ab führt, erfolgt durch Kühlrohre 20, die außerhalb der von den Magnetpolen 21 abredeckten Fläche auf der Außenseite des Pumpengehäuses 1 angeordnet und mit diesem durch Lötung oder Schweißung wärmeleitend verbunden sind.The cooling of the pump housing 1, to which the cathodes 4 generated there Warmth and the heat absorbed by radiation from the anode 14 through thermal conduction from leads, takes place through cooling tubes 20, which are covered outside of the magnetic poles 21 Surface arranged on the outside of the pump housing 1 and with this by soldering or weld are connected in a thermally conductive manner.
An den Seitenwandelementen 3 des Pumpengehäuses 1 sind rohrförmire Halterungen 22 aus AlMgSiO,5 angeschweißt, die an ihren Außenseiten mit Gewindelöchern 23 versehen sind.On the side wall elements 3 of the pump housing 1 are tubular Brackets 22 made of AlMgSiO, 5 welded on, the outside with threaded holes 23 are provided.
In die Halterungen 22 werden handelsübliche elektrische Heizpatronen 24 eingesetzt und mit Schrauben 2D festgehalten. it den Heizpatronen 24 kann zur Regenerierung die Ionenzerstäuberpumpe und insbesondere deren Elektroden 4, 14 auf die zum Ausheizen erforderliche Temperatur gebracht werden.Commercially available electrical heating cartridges are placed in the holders 22 24 inserted and held in place with screws 2D. it the heating cartridges 24 can be used for Regeneration of the ion atomizer pump and in particular its electrodes 4, 14 the temperature required for baking can be brought up.
Die Kurzschlußfestigkeit der Ionenzerstäuberpumpe wird zusetzt dadurch erhöht, daß die Anode 14 nur an einem Punkt über den verlängerten Durchführungsbolzen 1d der Uochspannungsdurchfährun 13 gehalten ist. Der einzige Isolator der Hochspannungsdurchführung 13 liegt außerhalb des Anodenraumes und wird von dem rumpf des Kathodenmaterials nicht erreicht. Ferner ist der Abstand zwischen Anode 14 und Kathoden 4 größer als die Distanz zwischen dem Durchführungsbolzen 13 und dem Rohrstutzen 9 der Hochspannungsdurchführung 13, so daß auch eine beim Starten der Pumpe auftretende Glimmentladung nur im Anodenraum und nicht im Gehäuse der Durchführung stattfinden kann.The short-circuit resistance of the ion atomizer pump is thereby increased increases that the anode 14 is only at one point above the elongated lead-through bolt 1d of the Uochspannungsdurchfährun 13 is held. The only insulator of the high voltage bushing 13 lies outside the anode space and is held by the body of the cathode material not reached. Furthermore, the distance between anode 14 and cathode 4 is greater than the distance between the bushing bolt 13 and the pipe socket 9 of the high-voltage bushing 13, so that a glow discharge that occurs when the pump is started is only present in the anode compartment and cannot take place in the housing of the implementation.
Es ist auch möglich, zum Kühlen anstelle der Kühlrohre 20 oder auch zusätzlich zu diesen an Pumpengehäuse 1 und außerhalb des Bereiches der Magnetpole 21 Kühlrippen anzubringen und die Wärme durch einen natürlichen oder durch einen entilator bewegten Luftstrom abzufünren.It is also possible for cooling instead of the cooling tubes 20 or also in addition to these on pump housing 1 and outside the area of the magnetic poles 21 to attach cooling fins and the heat by a natural or by a fan to stop moving air flow.
Eine Seitenansicht der Ionenzerswäuberpumpe ist teilweise zeschnitten in Fig. 2 darestellt, welche die Zuordnung der ^tazretpole 21 zu den Kathoden 4, der Anode 14 und die Anordnung der Kühlrohre 20 verdeutlicht.A side view of the ion atomizer pump is partially cut away in Fig. 2, which shows the assignment of the ^ tazretpole 21 to the cathodes 4, the anode 14 and the arrangement of the cooling tubes 20 illustrates.
Prototypen entsprechend dem Ausführungsbeispiel mit Titan-Kathoden, sprengplattiert verbunden mit dem Aluminium-Gehäuse und solche mit Aluminium als Kathodenwerkstoff, wobei die Gehäusewand als Kathode verwendet wurde, sind eingehend getestet worden. Beide Pumpentypen konnten bis 5. 10-3 mbar betrieben werden.Prototypes according to the embodiment example with titanium cathodes, Explosion-plated connected to the aluminum housing and those with aluminum as Cathode material, where the housing wall was used as the cathode, are detailed been tested. Both types of pumps could be operated up to 5.10-3 mbar.
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