EP2747123A2 - Ionisationspumpstufe - Google Patents

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Publication number
EP2747123A2
EP2747123A2 EP13191365.9A EP13191365A EP2747123A2 EP 2747123 A2 EP2747123 A2 EP 2747123A2 EP 13191365 A EP13191365 A EP 13191365A EP 2747123 A2 EP2747123 A2 EP 2747123A2
Authority
EP
European Patent Office
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ionization
section
gas
neutralization
pumping stage
Prior art date
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Granted
Application number
EP13191365.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2747123B1 (de
EP2747123A3 (de
Inventor
Armin Conrad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Pfeiffer Vacuum GmbH filed Critical Pfeiffer Vacuum GmbH
Publication of EP2747123A2 publication Critical patent/EP2747123A2/de
Publication of EP2747123A3 publication Critical patent/EP2747123A3/de
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Publication of EP2747123B1 publication Critical patent/EP2747123B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0065—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid
    • F15D1/0075—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid comprising electromagnetic or electrostatic means for influencing the state of the fluid, e.g. for ionising the fluid or for generating a plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J41/00—Discharge tubes for measuring pressure of introduced gas or for detecting presence of gas; Discharge tubes for evacuation by diffusion of ions
    • H01J41/12—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps

Definitions

  • the present invention relates to an ionization pumping stage, in particular for a vacuum pump.
  • the object of the invention is therefore to provide a pumping stage, preferably for a vacuum pump, which in particular also has a high pumping speed and a high Ho-factor for light gases and which can also be operated reliably and wear and low maintenance and produced with little effort is.
  • a pumping stage with the simple construction described above achieves an efficient pumping effect, in particular for light gases, which leads to a very high pumping stage pumping speed, which can be several times the pumping speed of a turbomolecular pump, so that a correspondingly high Ho -Factor and a high idle compression of the pump stage is achieved.
  • the pumping action is based on the ionization of the gas molecules entering the ionization section from the vacuum chamber to be evacuated.
  • the ionized gas molecules are passed through the Acceleration device accelerated in the conveying direction and consequently reach in the direction of conveyance to the ionization following neutralization section where they are electrically neutralized.
  • the electrically neutral gas molecules diffuse back toward the ionization section only with a small probability given by the thermal movement of the gas molecules, so that the gas molecules are collected in the neutralization section and a pumping action is provided from the inlet to the neutralization section of the pumping stage.
  • the pumping stage fulfills the function of a "molecular diode", since the molecules are conveyed in one direction, namely from the inlet to the neutralization section, but not in the opposite direction.
  • a high pumping capacity i.e., a high pumping capacity, substantially independent of the molecular weight of the gases delivered, can be achieved.
  • a high pumping capacity i.e., a high pumping capacity, substantially independent of the molecular weight of the gases delivered.
  • the ionization pumping stage is particularly suitable as a further pumping stage such.
  • the ionization pumping stage has a very simple structure and is therefore inexpensive and can be implemented in a small space.
  • the pumping stage can in principle manage without rotating and / or otherwise movable parts, whereby vibrations, noise developments and collisions of moving parts as well as associated damage be avoided.
  • the ionization pumping stage therefore proves to be very safe, reliable, low-wear and low-maintenance during operation and has a long service life.
  • the performance of the ionization pumping stage can be adjusted by appropriate adjustment of the ionization and acceleration parameters targeted and can thus be optimized for different operating conditions and in particular different ranges of input and / or output pressure of the pumping stage.
  • gas-conveying in series or parallel can be produced in a simple manner a modular vacuum pump, which has a desired pumping behavior.
  • the neutralization section is at least approximately completely separated from the inlet by the ionization section. This at least largely prevents the gas in the pumping stage from passing from the neutralization section past the ionization section back to the inlet. Instead, the gas from the neutralization section may preferably pass back to the inlet only through the ionization section. Since the gas molecules ionized on the way through the ionization with high probability and then back again accelerated to the neutralization section, a return of the pumped gas molecules to the inlet is largely avoided. This achieves high pumping speed and high idle compression of the ionization pump stage.
  • the ionization section may extend at least at one point over at least the entire gas-conducting cross-section of the gas delivery space formed by the ionization pump stage, with the inlet disposed on one side and the neutralization section on the other side of the ionization section is. If a gas path is nevertheless provided in the pumping stage past the ionization section back to the inlet, the conveying capacity defined by the gas-conducting geometry of this gas path is preferably at most 15%, more preferably at most 5% and further preferably at most 1% by the gas-conducting geometry of the ionization section given conveying capacity of the ionization section or its gas conductance.
  • the ionization device preferably has at least one ionization structure for the ionization of the gas, which is preferably arranged in the ionization section of the delivery chamber or limits it.
  • the ionization structure can be acted upon by an electrical DC potential or a particular high-frequency electrical AC potential.
  • the structure may for this purpose be connected to a corresponding electrical current or voltage source.
  • the value of the DC potential or the nominal or nominal value of the AC potential is preferably adapted to ionize the gas molecules to be pumped one or more times, the gas molecules preferably being gas molecules from the group comprising hydrogen (H 2 ) , Oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) molecules.
  • the ionization structure comprises an electrode or is formed as an electrode, wherein e.g. a hot or cold cathode can be used.
  • the ionization can be effected by contact of the gas molecules with the electrode, which is preferably arranged in the ionization section or delimiting it.
  • the ionization device may be configured to positively charge the gas molecules, i. that the gas molecules release one or more electrons during ionization.
  • the electrode can be designed by its design to the purpose and e.g. be adapted to the pressure range in which the ionization pump stage is to be used.
  • a degree of ionization given by the quotient of the number of ionized gas molecules present in the ionization section to the total number of gas molecules present in the ionization section is at least 1%, preferably at least 3%, further preferably at least 5 % and further preferably at least 10% guaranteed.
  • the acceleration device has an acceleration structure, which may have one or more, in particular channel- or tunnel-like openings, which preferably form a grid or tunnel structure of the acceleration structure and which are preferably oriented parallel to one another.
  • a structure is particularly suitable for accelerating the ionized gas molecules present in the ionization section in the conveying direction.
  • the openings or channels are preferably elongated and preferably have a length which is greater than the width and / or height of the openings, wherein the ratio between the length of an opening and its width and / or height may be at least 2, preferably at least 3 and further preferably at least 5. A greater length of the channels achieves an even more effective acceleration in the conveying direction, which improves the Ho factor and the idle compression of the pump stage.
  • the acceleration structure is preferably arranged in an acceleration section and / or delimits the acceleration section, which is arranged in the conveying direction between the ionization section and the neutralization section and connects the ionization section and the neutralization section in a gas-conducting manner.
  • the ionized gas molecules may then pass through the accelerator section to enter the neutralization section from the ionization section.
  • one or more, as described above, in particular tunnel or channel-like openings of the acceleration structure connect the ionization section and the neutralization section and are flown through by the gas molecules, wherein the openings are preferably oriented in the conveying direction.
  • the neutralization section is at least approximately completely separated from the inlet by the acceleration section, in particular in the manner described above with respect to the ionization section. This ensures that the gas can pass from the neutralization section back to the inlet only through the acceleration section and preferably thereafter through the ionization section.
  • the acceleration section can also extend over substantially the entire cross section of the pumping chamber of the pumping stage.
  • the acceleration device or its acceleration structure is preferably designed to generate an electric acceleration field for accelerating the ionized gas molecules present in the ionization section.
  • the acceleration structure can be acted upon by an electrical acceleration potential, which may be a DC potential.
  • the structure can be connected to an electrical current or voltage source.
  • the acceleration structure may have an electrode or be formed as an electrode, which may in particular have a lattice or tunnel structure as described above.
  • the electric acceleration field is so directed that the ions are accelerated in the conveying direction taking into account the polarity of the ionized gas molecules generated in the ionizing section.
  • the ionized gas molecules present in the ionization section are attracted by the electric acceleration field and accelerated in the direction of the acceleration structure and then pass through the openings or channels of the acceleration structure in order to reach the neutralization section.
  • a negative electrical potential is preferably applied to the acceleration structure in order to generate an attractive acceleration field.
  • the amount of the acceleration potential may be at least 0.2 kV, preferably at least 0.7 kV, further preferably at least 1.9 kV, and further preferably at least 17 kV.
  • the neutralization device serves to neutralize the ionized gas molecules present in the neutralization section.
  • the neutralization device preferably has a neutralization structure arranged in the neutralization section and / or delimiting the neutralization section.
  • the neutralization structure is preferably acted upon by a neutral electrical potential, in particular a ground potential, and may for this purpose be connected to a ground terminal which provides a neutral electrical potential.
  • the ionized gas molecules delivered from the ionization section into the neutralization section preferably come into contact with the neutralization structure for electrical neutralization.
  • the neutralization structure may be formed by an electrode and may have any shape and geometry which is preferably such that the ionized gas molecules delivered from the ionization section into the neutralization section are likely to contact the neutralization structure.
  • the neutralization structure is at least partially formed by a wall of the ionization pumping stage, which limits the neutralization section.
  • the neutralizing structure is at least partially covered by a material adsorbing the promoted gas molecules, e.g. a getter material is formed.
  • the surface of the neutralization structure may at least partially consist of a material to which gas molecules to be delivered are not adsorbed or only to a small degree or with a low probability.
  • the molecules present in the neutralization section that come into contact with these areas of the surface are then not adsorbed, but are highly likely to reflect from the material and thus remain in the gaseous state.
  • the gas molecules to be delivered can be selected from the group comprising hydrogen (H 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) molecules.
  • the material may be chosen so that the gas molecules to be delivered with respect to the material a relatively low adsorption, ie in a hypothetical adsorption from the free gaseous state released adsorption (E ad ) of, for example, less than 1 eV, preferably less than 0.5 eV and further preferably less than 0.25 eV.
  • the adhesion probability (see above) of the gas molecules to be delivered relative to the respective material at room temperature may be less than 5%, preferably less than 1% and further preferably less than 0.1%.
  • Exemplary materials for the surface of the neutralization structure are metallic materials such as steel, in particular stainless steel, aluminum or alloys containing steel, stainless steel and / or aluminum.
  • the pumping stage or a delivery chamber formed by the pumping stage for the gas has a cylindrical basic shape.
  • Such a form is particularly suitable for the production of a compact and at the same time powerful pumping stage.
  • such a shape is structurally particularly favorable if the ionization pumping stage with further pumping stages of the same kind or another, in particular conventional type such.
  • a turbomolecular pumping stage is combined.
  • the ionization section and the neutralization section preferably follow one another in the axial direction or in the radial direction.
  • the pumping stage includes an accelerating section through which the gas molecules are conveyed
  • the ionizing section, the accelerating section and the neutralizing section follow each other in this order in the axial direction or in the radial direction.
  • the pumping stage has a Ho factor of at least 30%, preferably at least 50%, more preferably at least 70% and most preferably at least 90%, defined by the quotient of the suction capacity and the idle compression.
  • a pumping stage is particularly suitable for generating a high-purity vacuum, even at high gas loads.
  • an outlet which follows the neutralization section in the conveying direction and is connected thereto in a gas-conducting manner for discharging the gas from the neutralization section is provided.
  • the outlet of the ionization pump stage may be gas-conductively connected to a further pumping stage.
  • the outlet of the ionization pumping stage may be connected to the outlet of the further pumping stage if the two pumping stages are connected in parallel in a gas-conveying manner are.
  • the two inlets of the pump stages can be connected to each other.
  • the outlet of the ionization pumping stage may be connected to the inlet of the further pumping stage, so that the two pumping stages are connected in gas-conveying manner in series.
  • the ionization pump stage may comprise an input flange and / or output flange, which forms the input or output of the ionization pumping stage, wherein the pumping stage via the respective flange, for example, with a vacuum chamber or a recipient and / or another pumping stage is connectable.
  • Another object of the invention is a vacuum pump, which comprises at least one inventive ionization pumping stage according to the present description.
  • the vacuum pump has a plurality of ionization pump stages as described herein.
  • the ionization pump stages are preferably connected in series or in parallel with respect to the conveyed gas flow. In this way, an extremely powerful vacuum pump can be created whose performance characteristics can be flexibly adapted to the respective needs by a suitable combination and interconnection of the ionization pump stages.
  • the at least one ionization pump stage in the conveying direction is followed by at least one further pump stage which, with the ionization pump stage, preferably promotes gas in Series is connected, wherein the further pump stage can serve with respect to the ionization pump stage as a pre-pumping stage.
  • the further pumping stage is designed as a turbomolecular pumping stage. It has been found that the combination of the ionization pumping stage with a downstream turbomolecular pumping stage can provide a vacuum pump with excellent pumping properties and, in particular, a significantly increased suction capacity and increased idle compression compared to a pure turbomolecular pumping stage, essentially independent of the molecular weight of the pumped gas molecules ,
  • Fig. 1 shows a vacuum pump with an ionization pumping stage 10 according to an embodiment of the invention.
  • the ionization pump stage 10 comprises an inlet 12, through which the gas from a volume to be evacuated into the delivery chamber of the ionization pump stage 10 can occur.
  • a gas molecule 32, 32 ' should also be understood to mean a single gas atom.
  • an ionized gas molecule 32, 32 ' is to be understood as meaning both an ionized, ie a single or multiple electrically charged, gas molecule composed of a plurality of atoms and an ionized gas atom.
  • a diaphragm 13 is provided, with which the cross section of the delivery chamber and thereby the amount of in the following on the diaphragm 13 portions of the delivery chamber of the pumping stage 10, i. into the ionizing section 14, the accelerating section 16 and the neutralizing section 18, entering gas can be regulated.
  • the ionization section 14 which is arranged so that the gas molecules 32, 32 'therein by a corresponding, in Fig. 1 not shown ionizing be ionized, wherein the gas molecules 32, 32 'in the present case are positively charged, ie emit electrons in the ionization.
  • the ionization device can, for example, comprise an electrode arranged in or delimiting the ionization section 14, which can be acted upon by an electrical direct or alternating voltage potential.
  • the acceleration section 16 is provided.
  • an acceleration structure 20 is arranged in the acceleration section 16.
  • the structure 20 is formed by a grid-shaped electrode which polarizes one of the electrical charges of the ionized gas molecules 32, 32 'in opposite directions, ie in the present case has negative electrical charge, so that the ionized gas molecules 32, 32 'are attracted to the acceleration structure 20 and accelerated in the conveying direction.
  • the acceleration structure 20 has channel-shaped openings 22 which extend parallel to one another in the conveying direction and which have a relatively high aspect ratio, ie ratio of length L to the cross-sectional diameter d.
  • the channels 22 connect the ionization section 14 in a gas-conducting manner with the neutralization section 18 following in the conveying direction on the acceleration section 16, so that the ionized gas molecules 32, 32 'pass through the acceleration section 16 into the neutralization section 18, as in FIG Fig. 1 is exemplified by the example of two ionized gas molecules 32 '.
  • the surrounding the neutralization section 18 wall 24 of the pumping stage 10 and the conveying chamber defining surface 36 is acted upon by an electrically neutral potential.
  • the gas molecules 32, 32 'entering the neutralization section 18 come into contact with the surface 36, they are electrically neutralized, i. they pick up previously released electrons again.
  • the wall 24 may at least partially comprise a material which electrically neutralizes the conveyed gas molecules 32, 32 ', but does not or only with a low probability adsorbs.
  • an outlet 26 connected in gas-conducting manner to the neutralization section 18 is arranged, which gas-conductively is connected to the inlet of a further pumping stage 28 connected downstream of the ionization pump stage 10.
  • a further pumping stage 28 connected downstream of the ionization pump stage 10.
  • the pumping stage 28 is a turbomolecular pumping stage, a very powerful vacuum pump is created in this way.
  • the conveying effect of the entire vacuum pump is in Fig. 1 illustrated by arrows 37, 39.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a flow model of the ionization vacuum pumping stage 10 of Fig. 1 , on the basis of which the pumping action and the performance characteristics of this pumping stage 10 are explained below.
  • the arrows in Fig. 2 indicate the flow direction of the gas.
  • the gas to be pumped in via the inlet 12 of the pumping stage 10 has an inlet pressure p 1 .
  • This pressure p 1 leads to a gas flow Q through the inlet 12 and the diaphragm 13 (FIG. Fig. 1 ), which depends on an input conductance L B , which can be varied by changing the opening cross section of the orifice 13, wherein the gas entering through the inlet 12 and the orifice 13 has an intermediate pressure p 1 '.
  • Fig. 2 The pumping action provided by the ionization, acceleration and neutralization mechanism described above is in Fig. 2 represented by an idealized ionization pumping stage 38, which has a Ionizing gas flow Q i promotes the neutralization of the pumping stage 10 and the gas is compressed to the output pressure p 2 .
  • the back diffusion from the neutralization section back to the inlet and to the ionization section is in FIG Fig. 2 is modeled by the remindstromleitleit L r , which leads to a back-diffusion gas stream Q r .
  • the gas flow Q from the incoming gas flow Q of the pump circuit 10 corresponds.
  • a is a geometry factor which depends on the length of the channels 22 (see Fig. 1 ) and is approximately equal to 1.
  • the factor a takes for longer lengths L of the channels 22 ( Fig. 1 ), so that a greater length L of the channels 22 results in greater idle compression ko and a larger Ho factor Ho.
  • U denotes the magnitude of the acceleration voltage applied to the acceleration structure or of the acceleration potential, which can be selected as a function of the degree of ionization i.
  • a high Ho factor can be achieved, in particular, at high acceleration voltages U and high degrees of ionization.
  • the ionization pumping stage 10 can be designed so that an idle compression ko> 30 and at the same time a Ho-factor Ho> 90% are achieved.
  • a Ho factor H 0 > 90% be achieved.
  • a degree of ionization of at least 3% is realized in order to achieve a Ho factor> 90% even at moderate acceleration voltages U.
  • the ho factor of the total in Fig. 1 The vacuum pump shown in FIG. 1, ie the effective Ho factor H 0eff determined taking into account the further pump stage 28, depends on the suction power of the further pump stage 28 and on the input conductance and accordingly on the inlet or flange size of the further pump stage 28 in comparison to the input conductance and Accordingly, the inlet or Flanschgröf3e the ionization pump 10 from, with a larger Flanschgröf3e the other pumping stage 28, a greater effective Ho factor H 0eff is achieved.
  • FIG. 2 shows two exemplary characteristics 40, 42, each representing the effective Ho factor H 0eff of an exemplary vacuum pump according to FIG Fig. 1 depending on the molecular weight m of the pumped with the pump gas molecules indicate, in both cases an acceleration voltage U of 2 kV and a degree of ionization i of 10% of the same design for both pumps ionization pumping stage 10 is assumed.
  • the further pumping stage 28 ( Fig. 1 ) each formed by a turbomolecular pumping stage.
  • the characteristic 40 describes a pump with a larger turbomolecular pump stage 28, in which the flange size of the turbomolecular pump stage 28 corresponds to the flange size of the ionization pump stage 10.
  • the characteristic curve 42 describes a pump with a smaller turbomolecular pump stage 28, in which the flange size of the turbomolecular pump stage 28 is one size smaller than the flange size of the ionization pump stage 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionisationspumpstufe, insbesondere für eine Vakuumpumpe, umfassend einen Einlass für in die Pumpstufe eintretendes Gas, einen mit dem Einlass gasleitend in Verbindung stehenden Ionisierungsabschnitt und eine Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung des in den Ionisierungsabschnitt eingetretenen Gases, eine Beschleunigungseinrichtung zur Beschleunigung des in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gases in Förderrichtung, und einen in Förderrichtung auf den Ionisierungsabschnitt folgenden und mit dem Ionisierungsabschnitt gasleitend in Verbindung stehenden Neutralisierungsabschnitt und eine Neutralisierungseinrichtung zur elektrischen Neutralisierung des in den Neutralisierungsabschnitt eintretenden ionisierten Gases.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionisationspumpstufe, insbesondere für eine Vakuumpumpe.
  • Es sind verschiedene Typen von Vakuumpumpen und Pumpstufen für Vakuumpumpen bekannt, die sich z.B. hinsichtlich ihres Saugvermögens und der erzeugbaren minimalen Vakuumdrücke unterscheiden. Beispielsweise stellen Turbomolekularpumpen, Kryopumpen, Ionengetterpumpen und Titansublimationspumpen gängige Vakuumpumpen dar. Bei den insbesondere im Hochvakuumbereich zur Erzeugung geringster Vakuumdrücke eingesetzten Turbomolekularpumpen sind das maximale Saugvermögen und dementsprechend der Ho-Faktor, welcher durch den Quotienten aus dem maximalen Saugvermögen und dem Eingangsleitwert der Pumpe gegeben ist, beschränkt. Zudem sind das Saugvermögen und damit der Ho-Faktor dieser Pumpen von der Molekülmasse der gepumpten Gase abhängig und nehmen mit abnehmender Molekülmasse ab, d.h. dass für leichte Gase nur ein geringeres Saugvermögen erreichbar ist. Ferner sind insbesondere diejenigen Vakuumpumpen, die sich zur Erzeugung eines hochreinen Vakuums eignen, komplex aufgebaut, so dass deren Herstellung entsprechend aufwendig ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Pumpstufe, vorzugsweise für eine Vakuumpumpe, anzugeben, welche insbesondere auch für leichte Gase ein hohes Saugvermögen und einen hohen Ho-Faktor aufweist und welche außerdem zuverlässig sowie verschleiß- und wartungsarm betrieben werden kann und mit geringem Aufwand herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Pumpstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Anspruch 1 beschreibt eine Ionisationspumpstufe, insbesondere für eine Vakuumpumpe, umfassend:
    • einen Einlass für in die Pumpstufe eintretendes Gas,
    • einen mit dem Einlass gasleitend in Verbindung stehenden Ionisierungsabschnitt und eine Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung des in den Ionisierungsabschnitt eingetretenen Gases,
    • eine Beschleunigungseinrichtung zur Beschleunigung des in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gases in Förderrichtung des Gases, und
    • einen in Förderrichtung auf den Ionisierungsabschnitt folgenden und mit dem Ionisierungsabschnitt gasleitend in Verbindung stehenden Neutralisierungsabschnitt und eine Neutralisierungseinrichtung zur elektrischen Neutralisierung des in den Neutralisierungsabschnitt eintretenden ionisierten Gases.
  • Es hat sich herausgestellt, dass eine Pumpstufe mit dem vorstehend beschriebenen einfachen Aufbau insbesondere auch für leichte Gase eine effiziente Pumpwirkung erzielt, welche zu einem sehr hohen Saugvermögen der Pumpstufe führt, das das Vielfache des Saugvermögens einer Turbomolekularpumpe betragen kann, so dass ein dementsprechend hoher Ho-Faktor und eine hohe Leerlaufkompression der Pumpstufe erreicht wird.
  • Die Pumpwirkung beruht auf der Ionisierung der aus der zu evakuierenden Vakuumkammer über den Einlass in den Ionisierungsabschnitt eintretenden Gasmoleküle. Die ionisierten Gasmoleküle werden durch die Beschleunigungseinrichtung in Förderrichtung beschleunigt und gelangen infolgedessen in den in Förderrichtung auf den Ionisierungsabschnitt folgenden Neutralisierungsabschnitt, wo sie elektrisch neutralisiert werden. Die elektrisch neutralen Gasmoleküle diffundieren nur mit einer geringen, durch die thermische Bewegung der Gasmoleküle vorgegebenen Wahrscheinlichkeit zurück in Richtung des Ionisierungsabschnitts, so dass die Gasmoleküle in dem Neutralisierungsabschnitt gesammelt werden und eine von dem Einlass zu dem Neutralisierungsabschnitt der Pumpstufe gerichtete Pumpwirkung geleistet wird. Die Pumpstufe erfüllt dabei die Funktion einer "Moleküldiode", da die Moleküle in eine Richtung, nämlich von dem Einlass zu dem Neutralisierungsabschnitt gefördert werden, aber nicht in umgekehrter Richtung.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Pumpprinzip lassen sich im Wesentlichen unabhängig von der Molekülmasse der geförderten Gase eine hohe Pumpleistung, d.h. insbesondere ein hohes Saugvermögen, ein hoher Ho-Faktor und eine hohe Leerlaufkompression erreichen.
  • Die Ionisationspumpstufe eignet sich dabei insbesondere als zu einer weiteren Pumpstufe wie z.B. einer Turbomolekularpumpstufe in Strömungsrichtung vorgeschaltete Pumpstufe bzw. als "Booster" für die weitere Pumpstufe, wobei insbesondere für leichte Gase eine Vervielfachung der Pumpleistung gegenüber einer reinen Turbomolekularpumpstufe erzielt wird.
  • Die Ionisationspumpstufe weist einen sehr einfachen Aufbau auf und ist dementsprechend kostengünstig und auf kleinem Bauraum realisierbar. Die Pumpstufe kann prinzipiell ohne rotierende und/oder sonstwie bewegliche Teile auskommen, wodurch Vibrationen, Geräuschentwicklungen und Kollisionen beweglicher Teile sowie damit einhergehende Beschädigungen vermieden werden. Die Ionisationspumpstufe erweist sich deshalb im Betrieb als sehr sicher, zuverlässig, verschleißarm und wartungsarm und weist eine hohe Lebensdauer auf. Außerdem kann auf eine Schmierung beweglicher bzw. rotierender Komponenten verzichtet werden, d.h. die Ionisationspumpstufe kann als trockene Pumpstufe ausgebildet sein, wodurch eine Verschmutzung des zu evakuierenden Volumens durch Schmierstoffe oder entsprechende Betriebsmittel vermieden wird und die erreichbare Reinheit des Vakuums verbessert wird.
  • Das Leistungsverhalten der Ionisationspumpstufe lässt sich durch entsprechende Einstellung der Ionisations- und Beschleunigungsparameter gezielt anpassen und kann somit für unterschiedliche Betriebsbedingungen und insbesondere verschiedene Bereiche des Ein- und/oder Ausgangsdrucks der Pumpstufe optimiert werden. Durch Schalten mehrerer erfindungsgemäß ausgestalteter Ionisationspumpstufen gasfördernd in Serie oder parallel lässt sich in einfacher Weise eine modular aufgebaute Vakuumpumpe herstellen, die ein gewünschtes Pumpverhalten aufweist.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren beschreiben.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Neutralisierungsabschnitt durch den Ionisierungsabschnitt von dem Einlass zumindest annähernd vollständig getrennt. Dadurch wird zumindest weitestgehend verhindert, dass das in der Pumpstufe befindliche Gas von dem Neutralisierungsabschnitt an dem Ionisierungsabschnitt vorbei zurück zu dem Einlass gelangt. Stattdessen kann das Gas aus dem Neutralisierungsabschnitt bevorzugt nur durch den Ionisierungsabschnitt hindurch zurück zu dem Einlass gelangen. Da die Gasmoleküle auf dem Weg durch den Ionisierungsabschnitt mit hoher Wahrscheinlichkeit ionisiert und daraufhin wieder zurück zu dem Neutralisierungsabschnitt beschleunigt werden, wird eine Rückkehr der geförderten Gasmoleküle zu dem Einlass weitgehend vermieden. Dadurch werden ein hohes Saugvermögen und eine hohe Leerlaufkompression der Ionisationspumpstufe erreicht.
  • Um die beschriebene Trennung zu verwirklichen, kann sich der Ionisierungsabschnitt wenigstens an einer Stelle über zumindest annähernd den gesamten gasleitenden Querschnitt des durch die Ionisationspumpstufe gebildeten Förderraums für das Gas erstrecken, wobei der Einlass auf der einen Seite und der Neutralisierungsabschnitt auf der anderen Seite des Ionisierungsabschnitts angeordnet ist. Falls in der Pumpstufe dennoch ein Gasweg an dem Ionisierungsabschnitt vorbei zurück zu dem Einlass vorgesehen ist, beträgt die durch die gasleitende Geometrie dieses Gaswegs definierte Förderkapazität bzw. deren Gasleitwert bevorzugt höchstens 15%, ferner bevorzugt höchstens 5 % und ferner bevorzugt höchstens 1 % der durch die gasleitende Geometrie des Ionisierungsabschnitts gegebenen Förderkapazität des Ionisierungsabschnitts bzw. dessen Gasleitwert.
  • Die Ionisierungseinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Ionisierungsstruktur zur Ionisierung des Gases auf, welche vorzugsweise in dem Ionisierungsabschnitt des Förderraums angeordnet ist oder diesen begrenzt. Die Ionisierungsstruktur kann mit einem elektrischen Gleichspannungspotential oder einem insbesondere hochfrequenten elektrischen Wechselspannungspotential beaufschlagbar sein. Die Struktur kann dazu mit einer entsprechenden elektrischen Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden sein. Der Wert des Gleichspannungspotentials bzw. der Effektiv-oder Nennwert des Wechselspannungspotentials ist dabei vorzugsweise dazu angepasst, die zu pumpenden Gasmoleküle ein- oder mehrfach zu ionisieren, wobei es sich bei den Gasmolekülen vorzugsweise um Gasmoleküle aus der Gruppe handelt, die Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Kohlenstoffdioxid (CO2)-Moleküle umfasst.
  • Bevorzugt umfasst die Ionisierungsstruktur eine Elektrode oder ist als Elektrode ausgebildet, wobei z.B. eine Heiß- oder Kaltkathode verwendet werden kann. Die Ionisierung kann dabei durch Kontakt der Gasmoleküle mit der vorzugsweise in dem Ionisierungsabschnitt angeordneten bzw. diesen begrenzenden Elektrode erfolgen. Die Ionisierungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Gasmoleküle positiv aufzuladen, d.h. dass die Gasmoleküle bei der Ionisierung ein oder mehrere Elektronen abgeben. Die Elektrode kann durch ihre Ausgestaltung an den Einsatzzweck und z.B. den Druckbereich angepasst sein, in dem die Ionisationspumpstufe eingesetzt werden soll.
  • Vorzugsweise wird durch die Ionisierungseinrichtung bei dem Betrieb der Pumpe ein durch den Quotienten aus der Anzahl der in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gasmoleküle zu der Gesamtzahl der in dem Ionisierungsabschnitt insgesamt vorhandenen Gasmoleküle gegebener Ionisationsgrad von wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 3 %, ferner bevorzugt wenigstens 5 % und ferner bevorzugt wenigstens 10 % gewährleistet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Beschleunigungseinrichtung eine Beschleunigungsstruktur auf, welche eine oder mehrere, insbesondere kanal- oder tunnelartige Öffnungen aufweisen kann, welche vorzugsweise eine Gitter- oder Tunnelstruktur der Beschleunigungsstruktur bilden und welche vorzugsweise parallel zueinander orientiert sind. Eine solche Struktur eignet sich besonders, um die in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gasmoleküle in Förderrichtung zu beschleunigen. Die Öffnungen bzw. Kanäle sind vorzugsweise lang gestreckt ausgebildet und weisen vorzugsweise eine Länge auf, die größer ist als die Breite und/oder Höhe der Öffnungen, wobei das Verhältnis zwischen der Länge einer Öffnung und deren Breite und/oder Höhe wenigstens 2, bevorzugt wenigstens 3 und ferner bevorzugt wenigstens 5 betragen kann. Durch eine größere Länge der Kanäle wird eine noch effektivere Beschleunigung in Förderrichtung erreicht, wodurch der Ho-Faktor und die Leerlaufkompression der Pumpstufe verbessert werden.
  • Vorzugsweise ist die Beschleunigungsstruktur in einem Beschleunigungsabschnitt angeordnet und/oder begrenzt den Beschleunigungsabschnitt, der in Förderrichtung zwischen dem Ionisierungsabschnitt und dem Neutralisierungsabschnitt angeordnet ist und den Ionisierungsabschnitt und den Neutralisierungsabschnitt gasleitend miteinander verbindet. Die ionisierten Gasmoleküle können dann den Beschleunigungsabschnitt durchfliegen, um aus dem Ionisierungsabschnitt in den Neutralisierungsabschnitt zu gelangen. Vorzugsweise verbinden eine oder mehrere wie vorstehend beschriebene, insbesondere tunnel- oder kanalartige Öffnungen der Beschleunigungsstruktur den Ionisierungsabschnitt und den Neutralisierungsabschnitt und werden von den Gasmolekülen durchflogen, wobei die Öffnungen bevorzugt in Förderrichtung orientiert sind. Dadurch lässt sich eine besonders effektive Beschleunigung in die gewünschte Richtung erzielen.
  • Bevorzugt ist der Neutralisierungsabschnitt durch den Beschleunigungsabschnitt zumindest annähernd vollständig von dem Einlass getrennt, und zwar insbesondere in der vorstehend in Bezug auf den Ionisierungsabschnitt beschriebenen Weise. Dadurch wird gewährleistet, dass das Gas aus dem Neutralisierungsabschnitt nur durch den Beschleunigungsabschnitt und vorzugsweise darauf folgend durch den Ionisierungsabschnitt hindurch zurück zum Einlass gelangen kann. Der Beschleunigungsabschnitt kann sich dabei ebenfalls über im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Förderraums der Pumpstufe erstrecken.
  • Vorzugsweise ist die Beschleunigungseinrichtung bzw. deren Beschleunigungsstruktur dazu ausgebildet, ein elektrisches Beschleunigungsfeld zur Beschleunigung der in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gasmoleküle zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Beschleunigungsstruktur dazu mit einem elektrischen Beschleunigungspotential beaufschlagbar, wobei es sich um ein Gleichspannungspotential handeln kann. Die Struktur kann dazu mit einer elektrischen Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden sein. Die Beschleunigungsstruktur kann eine Elektrode aufweisen oder als Elektrode ausgebildet sein, welche insbesondere eine wie vorstehend beschriebene Gitter- oder Tunnelstruktur besitzen kann.
  • Das elektrische Beschleunigungsfeld ist unter Berücksichtigung der Polarität der in dem Ionisierungsabschnitt erzeugten ionisierten Gasmoleküle so gerichtet, dass die Ionen in Förderrichtung beschleunigt werden. Vorzugsweise werden die in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gasmoleküle durch das elektrische Beschleunigungsfeld angezogen und in Richtung der Beschleunigungsstruktur beschleunigt und durchfliegen daraufhin die Öffnungen bzw. Kanäle der Beschleunigungsstruktur, um in den Neutralisierungsabschnitt zu gelangen. Entsprechend der bevorzugt positiven elektrischen Ladung der ionisierten Gasmoleküle liegt an der Beschleunigungsstruktur vorzugsweise ein negatives elektrisches Potential an, um ein anziehendes Beschleunigungsfeld zu erzeugen. Der Betrag des Beschleunigungspotentials kann dabei wenigstens 0,2 kV, bevorzugt wenigstens 0,7 kV, ferner bevorzugt wenigstens 1,9 kV und ferner bevorzugt wenigstens 17 kV betragen.
  • Die Neutralisierungseinrichtung dient der Neutralisierung der in dem Neutralisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gasmoleküle. Vorzugsweise weist die Neutralisierungseinrichtung eine in dem Neutralisierungsabschnitt angeordnete und/oder den Neutralisierungsabschnitt begrenzende Neutralisierungsstruktur auf. Die Neutralisierungsstruktur ist vorzugsweise mit einem neutralen elektrischen Potential, insbesondere einem Massepotential, beaufschlagbar und kann dazu mit einem Masseanschluss verbunden sein, welcher ein neutrales elektrisches Potential bereitstellt. Die aus dem Ionisierungsabschnitt in den Neutralisierungsabschnitt geförderten ionisierten Gasmoleküle kommen zur elektrischen Neutralisierung vorzugsweise mit der Neutralisierungsstruktur in Kontakt.
  • Die Neutralisierungsstruktur kann durch eine Elektrode gebildet sein und kann eine beliebige Form und Geometrie aufweisen, welche vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die aus dem Ionisierungsabschnitt in den Neutralisierungsabschnitt geförderten ionisierten Gasmoleküle mit hoher Wahrscheinlichkeit mit der Neutralisierungsstruktur in Kontakt kommen. In einem besonders einfachen Fall ist die Neutralisierungsstruktur zumindest teilweise durch eine Wand der Ionisationspumpstufe gebildet, die den Neutralisierungsabschnitt begrenzt.
  • Prinzipiell ist es möglich, dass die Neutralisierungsstruktur zumindest bereichsweise durch ein die geförderten Gasmoleküle adsorbierendes Material wie z.B. ein Gettermaterial gebildet ist.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es allerdings nicht notwendig, die geförderten Gasmoleküle in dem Neutralisierungsabschnitt durch ein Gettermaterial einzufangen, da das auf der elektrischen Neutralisierung beruhende Pumpprinzip auch ohne ein solches Gettermaterial eine leistungsstarke Pumpwirkung gewährleistet. Auf den Einsatz eines Gettermaterials in dem Neutralisierungsabschnitt zum Einfangen der Moleküle kann somit prinzipiell verzichtet und der damit einhergehende Aufwand vermieden werden.
  • Dementsprechend kann die Oberfläche der Neutralisierungsstruktur zumindest bereichsweise aus einem Material bestehen, an dem zu fördernde Gasmoleküle nicht oder nur zu einem geringen Grad bzw. mit einer geringen Wahrscheinlichkeit adsorbiert werden. Die in dem Neutralisierungsabschnitt vorhandenen Moleküle, die mit diesen Bereichen der Oberfläche in Kontakt kommen, werden dann nicht adsorbiert, sondern werden von dem Material mit hoher Wahrscheinlichkeit reflektiert und verbleiben somit im gasförmigen Zustand. Die zu fördernden Gasmoleküle können insbesondere aus der Gruppe ausgewählt sein, die Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2)-Moleküle umfasst.
  • Das Material kann so gewählt sein, dass die zu fördernden Gasmoleküle in Bezug auf das Material eine relativ geringe Adsorptionsenergie, d.h. eine bei einer hypothetischen Adsorption aus dem freien gasförmigen Zustand frei werdende Adsorptionsenergie (Ead) von z.B. weniger als 1 eV, bevorzugt weniger als 0,5 eV und ferner bevorzugt weniger als 0,25 eV aufweisen. Die Haftwahrscheinlichkeit (so) der zu fördernden Gasmoleküle in Bezug auf das jeweilige Material bei Raumtemperatur kann weniger als 5 % , bevorzugt weniger als 1 % und ferner bevorzugt weniger als 0, 1 % betragen. Beispielhafte Materialien für die Oberfläche der Neutralisierungsstruktur sind metallische Materialien wie beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, Aluminium oder Legierungen, die Stahl, Edelstahl und/oder Aluminium enthalten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Pumpstufe bzw. ein durch die Pumpstufe gebildeter Förderraum für das Gas eine zylindrische Grundform. Eine solche Form eignet sich besonders zur Herstellung einer kompakten und gleichzeitig leistungsstarken Pumpstufe. Ferner ist eine solche Form in baulicher Hinsicht besonders günstig, wenn die Ionisationspumpstufe mit weiteren Pumpstufen derselben Art oder einer anderen, insbesondere herkömmlichen Art wie z.B. einer Turbomolekularpumpstufe kombiniert wird. Vorzugsweise folgen der Ionisierungsabschnitt und der Neutralisierungsabschnitt in axialer Richtung oder in radialer Richtung aufeinander. Wenn die Pumpstufe wie vorstehend beschrieben einen Beschleunigungsabschnitt umfasst, durch den die Gasmoleküle hindurch gefördert werden, ist es bevorzugt, wenn der Ionisierungsabschnitt, der Beschleunigungsabschnitt und der Neutralisierungsabschnitt in dieser Reihenfolge in axialer Richtung oder in radialer Richtung aufeinander folgen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Pumpstufe einen durch den Quotienten aus dem Saugvermögen und der Leerlaufkompression definierten Ho-Faktor von wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 %, besonders bevorzugt wenigstens 70 % und höchst bevorzugt wenigstens 90 % auf. Eine solche Pumpstufe eignet sich besonders zur Erzeugung eines hochreinen Vakuums auch bei hohen Gaslasten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein in Förderrichtung auf den Neutralisierungsabschnitt folgender und mit diesem gasleitend verbundener Auslass zur Abführung des Gases aus dem Neutralisierungsabschnitt vorgesehen. Der Auslass der Ionisationspumpstufe kann gasleitend mit einer weiteren Pumpstufe verbunden sein. Beispielsweise kann der Auslass der Ionisationspumpstufe mit dem Auslass der weiteren Pumpstufe verbunden sein, wenn die beiden Pumpstufen gasfördernd parallel geschaltet sind. In diesem Fall können auch die beiden Einlässe der Pumpstufen miteinander verbunden sein. Ebenso kann der Auslass der Ionisationspumpstufe mit dem Einlass der weiteren Pumpstufe verbunden sein, so dass die beiden Pumpstufen gasfördernd in Serie geschaltet sind.
  • Die Ionisationspumpstufe kann einen Eingangsflansch und/oder Ausgangsflansch umfassen, welcher den Eingang bzw. Ausgang der Ionisationspumpstufe bildet, wobei die Pumpstufe über den jeweiligen Flansch beispielsweise mit einer Vakuumkammer bzw. einem Rezipienten und/oder einer weiteren Pumpstufe verbindbar ist.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vakuumpumpe, welche zumindest eine erfindungsgemäße Ionisationspumpstufe gemäß der vorliegenden Beschreibung umfasst. Die in der vorliegenden Beschreibung in Bezug auf die Ionisationspumpstufe beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen und Vorteile stellen bei entsprechender Anwendung vorteilhafte Ausführungsformen und Vorteile der Vakuumpumpe dar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vakuumpumpe mehrere wie hierin beschriebene Ionisationspumpstufen auf. Die Ionisationspumpstufen sind dabei in Bezug auf die geförderte Gasströmung vorzugsweise in Serie oder parallel geschaltet. Auf diese Weise lässt sich eine äußerst leistungsstarke Vakuumpumpe schaffen, deren Leistungscharakteristik durch eine entsprechende Kombination und Zusammenschaltung der Ionisationspumpstufen flexibel an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform folgt auf die wenigstens eine Ionisationspumpstufe in Förderrichtung wenigstens eine weitere Pumpstufe, welche mit der Ionisationspumpstufe vorzugsweise gasfördernd in Serie geschaltet ist, wobei die weitere Pumpstufe in Bezug auf die Ionisationspumpstufe als Vorpumpstufe dienen kann. Besonders bevorzugt ist die weitere Pumpstufe als turbomolekulare Pumpstufe ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass durch die Kombination der Ionisationspumpstufe mit einer nachgeschalteten turbomolekularen Pumpstufe eine Vakuumpumpe mit ausgezeichneten Pumpeigenschaften und insbesondere einem gegenüber einer reinen Turbomolekularpumpstufe erheblich erhöhten Saugvermögen und einer erhöhten Leerlaufkompression geschaffen werden kann, und zwar im Wesentlichen unabhängig von der Molekülmasse der geförderten Gasmoleküle.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Vakuumpumpe mit einer erfindungsgemäßen Ionisationspumpstufe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Strömungsmodells der Ionisationspumpstufe von Fig. 1, und
    Fig. 3
    beispielhafte Kennlinien von zwei Vakuumpumpen gemäß jeweils einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt eine Vakuumpumpe mit einer Ionisationspumpstufe 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Ionisationspumpstufe 10 umfasst einen Einlass 12, durch den das Gas aus einem zu evakuierenden Volumen in den Förderraum der Ionisationspumpstufe 10 eintreten kann. In Fig. 1 sind mehrere Gasmoleküle beispielhaft und übertrieben groß dargestellt und mit dem Bezugszeichen 32 bzw. 32' versehen. Unter einem Gasmolekül 32, 32' ist prinzipiell auch ein einzelnes Gasatom zu verstehen. Dementsprechend ist unter einem ionisierten Gasmolekül 32, 32' sowohl ein ionisiertes, d.h. ein einfach oder mehrfach elektrisch geladenes, Gasmolekül aus mehreren Atomen als auch ein ionisiertes Gasatom zu verstehen.
  • Auf den Einlass 12 in Förderrichtung folgend ist eine Blende 13 vorgesehen, mit der der Querschnitt des Förderraums und dadurch die Menge des in die auf die Blende 13 folgenden Abschnitte des Förderraums der Pumpstufe 10, d.h. in den Ionisierungsabschnitt 14, den Beschleunigungsabschnitt 16 und den Neutralisierungsabschnitt 18, eintretenden Gases reguliert werden kann.
  • In Förderrichtung auf die Blende 13 folgt der Ionisierungsabschnitt 14, welcher so angeordnet ist, dass die darin vorhandenen Gasmoleküle 32, 32' durch eine entsprechende, in Fig. 1 nicht dargestellte Ionisierungseinrichtung ionisiert werden, wobei die Gasmoleküle 32, 32' vorliegend positiv geladen werden, d.h. bei der Ionisierung Elektronen abgeben. Die Ionisierungseinrichtung kann beispielsweise eine in dem Ionisierungsabschnitt 14 angeordnete bzw. diesen begrenzende Elektrode umfassen, die mit einem elektrischen Gleich- oder Wechselspannungspotential beaufschlagbar ist.
  • In Förderrichtung auf den Ionisierungsabschnitt 14 folgend ist der Beschleunigungsabschnitt 16 vorgesehen. In dem Beschleunigungsabschnitt 16 ist eine Beschleunigungsstruktur 20 angeordnet. Die Struktur 20 ist durch eine gitterförmige Elektrode gebildet, die eine der elektrischen Ladung der ionisierten Gasmoleküle 32, 32' entgegengesetzt polarisierte, d.h. vorliegend negative elektrische Ladung aufweist, so dass die ionisierten Gasmoleküle 32, 32' von der Beschleunigungsstruktur 20 angezogen und in Förderrichtung beschleunigt werden.
  • Die Beschleunigungsstruktur 20 weist kanalförmige Öffnungen 22 auf, die parallel zueinander in Förderrichtung verlaufen und die ein relativ großes Aspektverhältnis, d.h. Verhältnis von Länge L zum Querschnittsdurchmesser d, aufweisen. Die Kanäle 22 verbinden den Ionisierungsabschnitt 14 gasleitend mit dem in Förderrichtung auf den Beschleunigungsabschnitt 16 folgenden Neutralisierungsabschnitt 18, so dass die ionisierten Gasmoleküle 32, 32' durch den Beschleunigungsabschnitt 16 hindurch in den Neutralisierungsabschnitt 18 gelangen, wie in Fig. 1 am Beispiel zweier ionisierter Gasmoleküle 32' beispielhaft angedeutet ist.
  • Die den Neutralisierungsabschnitt 18 umgebende Wand 24 der Pumpstufe 10 und deren die Förderkammer begrenzende Oberfläche 36 ist mit einem elektrisch neutralen Potential beaufschlagt. Wenn die in den Neutralisierungsabschnitt 18 eintretenden Gasmoleküle 32, 32' mit der Oberfläche 36 in Kontakt treten, werden diese elektrisch neutralisiert, d.h. sie nehmen zuvor abgegebene Elektronen wieder auf. Im Bereich der Oberfläche 36 kann die Wand 24 zumindest bereichsweise ein Material aufweisen, welches die geförderten Gasmoleküle 32, 32' zwar elektrisch neutralisiert, jedoch nicht oder nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit adsorbiert.
  • Während die in dem Ionisierungsabschnitt 14 vorhandenen ionisierten Gasmoleküle 32, 32' in Richtung des Neutralisierungsabschnitts 18 beschleunigt werden, wird die Bewegung der in dem Neutralisierungsabschnitt 18 vorhandenen neutralisierten Gasmoleküle 32, 32' im Wesentlichen durch deren thermische Bewegung bestimmt und ist folglich im Wesentlichen ungerichtet. Die thermisch bedingte Rückdiffusion von neutralisierten Gasmolekülen 32, 32' in Richtung des Ionisierungsabschnitts 14 ist somit deutlich geringer als die elektrisch beschleunigte Förderung von Gasmolekülen 32, 32' aus dem Ionisierungsabschnitt 14 in den Neutralisierungsabschnitt 18, so dass sich eine effiziente Pumpwirkung ergibt.
  • In Förderrichtung auf den Neutralisierungsabschnitt 18 folgend ist ein mit dem Neutralisierungsabschnitt 18 gasleitend verbundener Auslass 26 angeordnet, welcher gasleitend mit dem Einlass einer weiteren, der Ionisationspumpstufe 10 nachgeschalteten Pumpstufe 28 verbunden ist. Insbesondere wenn es sich bei der Pumpstufe 28 um eine turbomolekulare Pumpstufe handelt, wird auf diese Weise eine ausgesprochen leistungsstarke Vakuumpumpe geschaffen. Die Förderwirkung der gesamten Vakuumpumpe ist in Fig. 1 durch Pfeile 37, 39 veranschaulicht.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Strömungsmodells der Ionisationsvakuumpumpstufe 10 von Fig. 1, anhand dessen nachfolgend die Pumpwirkung und die Leistungseigenschaften dieser Pumpstufe 10 erläutert sind.
  • Die Pfeile in Fig. 2 geben die Strömungsrichtung des Gases an. Das über den Einlass 12 der Pumpstufe 10 eintretende, abzupumpende Gas weist einen Eingangsdruck p1 auf. Dieser Druck p1 führt zu einem Gasstrom Q durch den Einlass 12 und die Blende 13 (Fig. 1), welcher von einem Eingangsleitwert LB abhängt, der durch Veränderung des Öffnungsquerschnitts der Blende 13 variiert werden kann, wobei das durch den Einlass 12 und die Blende 13 eintretende Gas einen Zwischendruck p1' aufweist.
  • Die durch den vorstehend beschriebenen Ionisations-, Beschleunigungs-und Neutralisierungsmechanismus geleistete Pumpwirkung ist in Fig. 2 durch eine idealisierte Ionisationspumpstufe 38 dargestellt, welche einen Ionisierungsgasstrom Qi zu dem Neutralisierungsabschnitt der Pumpstufe 10 fördert und das Gas dabei auf den Ausgangsdruck p2 verdichtet. Die Rückdiffusion von dem Neutralisierungsabschnitt zurück zu dem Einlass bzw. zu dem Ionisierungsabschnitt ist in Fig. 2 durch den Rückstromleitwert Lr modelliert, welcher zu einem Rückdiffusions-Gasstrom Qr führt. Im stationären Betrieb der Pumpstufe 10 entspricht der durch den Auslass der Pumpe abgeführte Gasstrom Qaus dem eingehenden Gasstrom Q der Pumpstufe 10.
  • Der durch den Einlass 12 und die Blende 13 eintretende Gasstrom Q steht mit dem Eingangsdruck p1, dem Zwischendruck p2 und dem Eingangsleitwert LB gemäß der Gleichung Q = (p1 - p2) · LB in Zusammenhang. Ein von dem Ionisierungsgrad i des Ionisierungsabschnitts (i = 0 ... 100 %) abhängiger Anteil Qi(i) des Gasstroms Q wird wie vorstehend beschrieben ionisiert, zur Beschleunigungsstruktur hin beschleunigt, durchfliegt die Beschleunigungsstruktur und wird in dem Neutralisierungsabschnitt wieder neutralisiert. Die Rückdiffusion der elektrisch neutralen Gasmoleküle unterliegt nicht mehr den elektrischen, sondern thermischen Bewegungssetzen und ergibt sich zu Qr = (p2 - (1 - i)·p1')·Lr.
  • Ausgehend von den vorstehenden Strömungsgleichungen lassen sich das maximale Saugvermögen So und die Leerlaufkompression ko der Pumpstufe 10 bestimmen, wobei sich aus dem Saugvermögen So und dem Eingangsleitwert LB der Ho-Faktor Ho gemäß der Gleichung Ho = S0/LB mit Ho < 100 % ergibt.
  • Der Ho-Faktor lässt sich ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Modell berechnen zu H0 = (k0 - 1)/(k0 + g), wobei g eine pumpstufenspezifische Konstante ist, deren Wert z.B. 2 sein kann und k0 die Leerlaufkompression der Pumpstufe 10 angibt. Die Leerlaufkompression ko lässt sich gemäß der Gleichung ko = 1 + i/(i-1)·a·22,4·(U/V)1/2 bestimmen. Dabei ist a ein Geometriefaktor, welcher von der Länge der Kanäle 22 (siehe Fig. 1) abhängt und ungefähr gleich 1 ist. Der Faktor a nimmt dabei für größere Längen L der Kanäle 22 (Fig. 1) zu, so dass eine größere Länge L der Kanäle 22 zu einer größeren Leerlaufkompression ko und zu einem größeren Ho-Faktor Ho führt. U bezeichnet den Betrag der an der Beschleunigungsstruktur anliegenden Beschleunigungsspannung bzw. des Beschleunigungspotentials, welcher abhängig von dem Ionisierungsgrad i gewählt werden kann.
  • Ein hoher Ho-Faktor ist dabei insbesondere bei hohen Beschleunigungsspannungen U und hohen Ionisierungsgraden i erzielbar. Die Ionisationspumpstufe 10 kann so ausgebildet sein, dass eine Leerlaufkompression ko > 30 und gleichzeitig ein Ho-Faktor Ho > 90 % erreicht werden. Beispielsweise kann bei einer Beschleunigungsspannung U von 17 kV / 1,9 kV / 0,7 kV oder 0,2 kV und einem Ionisierungsgrad i von 1% / 3% / 5% bzw. 10 % ein Ho-Faktor H0 > 90 % erreicht werden. Vorteilhafterweise wird ein Ionisationsgrad von mindestens 3 % realisiert, um auch bei moderaten Beschleunigungsspannungen U einen Ho-Faktor > 90 % erreichen zu können.
  • Der Ho-Faktor der gesamten in Fig. 1 gezeigten Vakuumpumpe, d.h. der unter Berücksichtigung der weiteren Pumpstufe 28 ermittelte effektive Ho-Faktor H0eff, hängt von der Saugleistung der weiteren Pumpstufe 28 sowie von dem Eingangsleitwert und dementsprechend von der Einlass- bzw. Flanschgröf3e der weiteren Pumpstufe 28 im Vergleich zu dem Eingangsleitwert und dementsprechend der Einlass- bzw. Flanschgröf3e der Ionisationspumpstufe 10 ab, wobei mit einer größeren Flanschgröf3e der weiteren Pumpstufe 28 ein größerer effektiver Ho-Faktor H0eff erzielt wird.
  • Fig. 3 zeigt zum Vergleich zwei beispielhafte Kennlinien 40, 42, die jeweils den effektiven Ho-Faktor H0eff einer beispielhaften Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der relativen Molekülmasse m der mit der Pumpe geförderten Gasmoleküle angeben, wobei in beiden Fällen von einer Beschleunigungsspannung U von 2 kV und einem Ionisationsgrad i von 10 % der für beide Pumpen gleich ausgestalteten Ionisationspumpstufe 10 ausgegangen wird. Bei beiden Pumpen ist die weitere Pumpstufe 28 (Fig. 1) jeweils durch eine turbomolekulare Pumpstufe gebildet. Die Kennlinie 40 beschreibt eine Pumpe mit einer größeren Turbomolekularpumpstufe 28, bei der die Flanschgröf3e der Turbomolekularpumpstufe 28 der Flanschgröf3e der Ionisationspumpstufe 10 entspricht. Die Kennlinie 42 beschreibt eine Pumpe mit einer kleineren Turbomolekularpumpstufe 28, bei der die Flanschgröf3e der Turbomolekularpumpstufe 28 um eine Größe geringer ist als die Flanschgröf3e der Ionisationspumpstufe 10.
  • Wie anhand der Kennlinien 40, 42 in Fig. 3 ersichtlich, wird mit beiden Pumpen insbesondere auch bei geringen Molekülmassen m ein sehr hoher effektiver Ho-Faktor H0eff erzielt, wobei der effektive Ho-Faktor H0eff insbesondere bei der Pumpe mit der größeren Turbomolekularpumpstufe (Kennlinie 40) über einen weiten Bereich der Molekülmasse m größer als 90 % ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Ionisationspumpstufe
    12
    Einlass
    14
    Ionisierungsabschnitt
    16
    Beschleunigungsabschnitt
    18
    Neutralisierungsabschnitt
    20
    Beschleunigungsstruktur
    22
    kanalförmige Öffnung
    24
    Wand
    26
    Auslass
    28
    weitere Pumpstufe
    32, 32'
    Gasmolekül
    36
    Oberfläche der Wand
    37, 39
    Pfeil
    38
    idealisierte Ionisationspumpstufe
    40, 42
    Kennlinie
    d
    Querschnittsdurchmesser
    H0eff
    effektiver Ho-Faktor
    L
    Länge
    LB
    Eingangsleitwert
    Lr
    Rückströmungsleitwert
    m
    Molekülmasse
    p1
    Ansaugdruck
    p1'
    Zwischendruck
    p2
    Ausgangsdruck
    Q
    Gasstrom
    Qr
    Rückgasstrom
    Qi
    Ionengasstrom

Claims (14)

  1. Ionisationspumpstufe (10), insbesondere für eine Vakuumpumpe, umfassend:
    - einen Einlass (12) für in die Pumpstufe (10) eintretendes Gas,
    - einen mit dem Einlass (12) gasleitend in Verbindung stehenden Ionisierungsabschnitt (14) und eine Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung des in den Ionisierungsabschnitt (14) eingetretenen Gases,
    - eine Beschleunigungseinrichtung (20) zur Beschleunigung des in dem Ionisierungsabschnitt vorhandenen ionisierten Gases in Förderrichtung des Gases, und
    - einen in Förderrichtung auf den Ionisierungsabschnitt (14) folgenden und mit dem Ionisierungsabschnitt (14) gasleitend in Verbindung stehenden Neutralisierungsabschnitt (18) und eine Neutralisierungseinrichtung (24) zur elektrischen Neutralisierung des in den Neutralisierungsabschnitt (18) eintretenden ionisierten Gases.
  2. Ionisationspumpstufe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Neutralisierungsabschnitt (18) durch den Ionisierungsabschnitt (14) zumindest annähernd vollständig von dem Einlass (12) getrennt ist.
  3. Ionisationspumpstufe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ionisierungseinrichtung eine Ionisierungsstruktur zur Ionisierung des Gases umfasst, wobei die Ionisierungsstruktur vorzugsweise mit einem elektrischen Gleichspannungspotential oder einem insbesondere hochfrequenten elektrischen Wechselspannungspotential beaufschlagbar ist.
  4. Ionisationspumpstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschleunigungseinrichtung eine Beschleunigungsstruktur (20) aufweist, welche vorzugsweise eine oder mehrere, insbesondere kanal- oder tunnelartige Öffnungen (22) aufweist.
  5. Ionisationspumpstufe nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschleunigungsstruktur (20) in einem Beschleunigungsabschnitt (16) angeordnet ist und/oder einen Beschleunigungsabschnitt (16) begrenzt, der in Förderrichtung zwischen dem Ionisierungsabschnitt (14) und dem Neutralisierungsabschnitt (18) angeordnet ist und den Ionisierungsabschnitt (14) und den Neutralisierungsabschnitt (18) gasleitend miteinander verbindet.
  6. Ionisationspumpstufe nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschleunigungsstruktur (20) zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfelds ausgebildet ist und insbesondere mit einem elektrischen Beschleunigungspotential beaufschlagbar ist.
  7. Ionisationspumpstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Neutralisierungseinrichtung eine in dem Neutralisierungsabschnitt (18) angeordnete und/oder den Neutralisierungsabschnitt (18) begrenzende Neutralisierungsstruktur (24) aufweist, wobei die Neutralisierungsstruktur (24) vorzugsweise mit einem neutralen elektrischen Potential, insbesondere einem Massepotential, beaufschlagbar ist.
  8. Ionisationspumpstufe nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Oberfläche (36) der Neutralisierungsstruktur (24) zumindest bereichsweise aus einem Material besteht, an dem zu fördernde Gasmoleküle (32, 32') nicht oder nur zu einem geringen Grad adsorbiert werden, wobei die zu fördernden Gasmoleküle (32, 32') insbesondere aus der Gruppe ausgewählt sind, die H2, O2, N2, CO und CO2-Moleküle umfasst.
  9. Ionisationspumpstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpstufe (10) eine zylindrische Grundform besitzt, wobei vorzugsweise der Ionisierungsabschnitt (14) und der Neutralisierungsabschnitt (18) in axialer oder in radialer Richtung aufeinander folgen.
  10. Ionisationspumpstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpstufe (10) einen durch den Quotienten aus dem Saugvermögen und der Leerlaufkompression definierten Ho-Faktor von wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 %, besonders bevorzugt wenigstens 70 % und höchst bevorzugt wenigstens 90 % aufweist.
  11. Ionisationspumpstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein in Förderrichtung auf den Neutralisierungsabschnitt (18) folgender und mit dem Neutralisierungsabschnitt (18) gasleitend verbundener Auslass (26) zur Abführung des Gases aus dem Neutralisierungsabschnitt (18) vorgesehen ist.
  12. Vakuumpumpe, umfassend zumindest eine Ionisationspumpstufe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  13. Vakuumpumpe nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vakuumpumpe mehrere Ionisationspumpstufen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei vorzugsweise mehrere Ionisationspumpstufen (10) in Bezug auf die geförderte Gasströmung in Serie oder parallel geschaltet sind.
  14. Vakuumpumpe nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf die wenigstens eine Ionisationspumpstufe (10) in Förderrichtung folgend wenigstens eine weitere, insbesondere turbomolekulare, Pumpstufe (28) vorgesehen ist.
EP13191365.9A 2012-12-17 2013-11-04 Ionisationspumpstufe Not-in-force EP2747123B1 (de)

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