WO2001043162A2 - Ionengetterpumpe - Google Patents
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- 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
- H01J41/14—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps with ionisation by means of thermionic cathodes
- H01J41/16—Discharge tubes for evacuating by diffusion of ions, e.g. ion pumps, getter ion pumps with ionisation by means of thermionic cathodes using gettering substances
Definitions
- the invention relates to an ion getter pump which has the structure of a Penning type ion atomizer pump, and a method for operating or using such an ion getter pump.
- getter materials it is well known to use getter materials to maintain a vacuum in closed vessels. After pumping, getter materials bind residual gases or gases that escape from the materials of the vessel.
- getter materials is, however, only effective if, when the vessel is pumped out, it also has to be heated to approx. 400 ° C is made. However, this temperature treatment is undesirable in many applications, for example if there are heat-sensitive components, such as photocathodes or CCDs, in the vessel.
- relatively small ion atomizing pumps which, however, have a higher suction power than a simple getter material, are attached to the outside of the vacuum vessel and connected to the vessel by a tube.
- Ion atomizing pumps of the Penning type are generally known and are described, for example, in "Theory and Practice of Vacuum Technology" (editors: M. Wutz, H. Adam, W. Walcher, publisher F ⁇ edr. Vieweg & Sohn, Braunschweig / Wiesbaden, p. 248 ff.) ,
- the electrode structure of a conventional Penning-type ion atomizing pump 10 ' is illustrated in FIG. 6 (prior art).
- the ion atomizing pump 10 ' contains a cylindrical anode ring 21' and two flat cathode plates 31 ', 32' which are spaced from the ends 22 'of the anode ring 21' perpendicular to the cylinder axis Z of the anode ring 21 '. are ordered.
- the cathode plates 31 ', 32' consist of a getter material (eg titanium).
- the electrodes 21 ', 31' and 32 ' are in a magnetic field B.
- the ion atomizing pump is operated as follows.
- a gas discharge (glow discharge) is ignited in an already evacuated space.
- Ions generated in the gas discharge are accelerated to the cathode plates 31 ', 32' and implanted in them upon impacting them (pump type-independent pump action).
- getter material is dusted from the cathode plates 31 ', 32', which is continuously deposited on the anode and cathode surfaces and binds gas particles (gas type-selective pumping action).
- unevenness can occur on the initially flat cathode plates, as is illustrated on the cathode plate 32 '.
- the conventional ion atomizing pumps have the following disadvantages.
- During continuous operation of ion atomizing pumps e.g. To maintain a vacuum on gas-sensitive optical detectors or when vacuum-storing gas-sensitive components, short circuits occur between the electrodes after a few months. It has been shown that needle-shaped crystals (whiskers) form between the ends 22 'of the anode ring 21' and the cathode plates 31 ', 32', which trigger the short circuit. Even if a whisker is often destroyed by a short-circuit shock, the whisker growth will soon lead to a definitive failure of the pump. This is particularly critical if the pump at the operating location, e.g. when used in space missiles, is not accessible.
- the object of the invention is to provide an improved ion getter pump which has an increased operational reliability and an expanded area of application.
- the ion getter pump should be able to be operated without maintenance for many months with low power consumption or without energy supply.
- the object of the invention is also to specify novel operating methods and uses of an ion getter pump.
- the basic idea of the invention is to create a Penning-type ion getter pump in which the anode device has a disordered solid structure with randomly distributed crystallite orientations, at least in the area of edges, edges, tips or other strongly curved or kinked areas of the anode material. This prevents whisker growth during precipitation of sputtered cathode material and instead achieves a uniform, layer-like precipitation.
- a cylindrical anode ring is provided in an ion getter pump with the construction known per se, which at least at its ends has a cylindrical anode ring.
- the ends of the anode ring have rounded or domed, unordered and burr-free surfaces which are formed by melting the material, for example a laser treatment, during the manufacture of the ring.
- the anode ring consists of a piece of drawn stainless steel tube. By pulling the crystals in the steel are aligned in the direction of the tube axis, so that there is a preferred direction for the whisker growth. Such a preferred direction is excluded when using anodes according to the invention with a disordered solid structure in the anode material.
- a cathode device with a layer structure made of a getter material that can be thermally activated in a vacuum is provided in an ion getter pump.
- the cathode device consists of cathode plates, as in the conventional ion atomizing pump, the cathode plates are formed by this getter material or used as a carrier for a coating of the getter material.
- the thermally activatable getter material which contains, for example, a highly absorbent alloy made of zirconium, aluminum, iron and / or titanium, is first passivated by the formation of an oxide layer.
- the getter material activated Only in the operating state of the ion getter pump is the getter material activated by heating the cathode device to a temperature at which the passivating oxide layer is broken up. This temperature is, for example, around 400 to 500 ° C.
- the activated getter material provides a constant pumping effect, regardless of whether the ion nengetterpump is operated with a gas discharge or not.
- the use of the thermally activatable getter material also has an advantageous effect on the prevention of whisker growth.
- the getter material improves the vacuum during pump operation and thereby reduces a substance source for the whisker growth.
- the invention also relates to a method for using the ion getter pump according to the invention, in which it is attached with first passivated getter material in or on a vacuum vessel, the vacuum vessel is subsequently evacuated and finally the ion getter pump is activated by heating the cathode device.
- the invention has the following advantages.
- the use of an anode device with a disordered solid structure makes it possible to prevent whisker growth, so that short circuits during pump operation over many months, up to 5 to 10 years, are excluded.
- the ion getter pump can be activated by warm contact from the outside without the entire vacuum vessel having to be baked out. Furthermore, additional heaters on the inside of the vacuum vessel are also unnecessary.
- the ion getter pump according to the invention has a significantly improved pumping capacity compared to conventional ion atomizing pumps. A pumping action is maintained even if the power supply fails.
- the ion getter pump according to the invention has an enlarged area of application since it can be used both as a Penning type atomizing pump and as a simple getter pump. Use as a pressure gauge is also possible.
- FIG. 2 shows a sectional view of the anode ring of an ion getter pump according to FIG. 1,
- FIG. 3 shows a sectional view of a cathode device of the ion getter pump according to FIG. 1,
- FIG. 5 shows a sectional view of a magnet device of an ion getter pump according to the invention.
- Fig. 6 is a sectional view of the electrode arrangement of the conventional ion atomizing pump (prior art).
- a pump device is constructed with a large number of ion getters, a large number of anodes possibly being arranged in a matrix-like manner between two large-area cathode plates.
- the ion getter pump 10 contains an electrode arrangement which is used for Generation of gas discharge is formed in a vacuum and comprises an anode device 20 or a cathode device 30.
- the anode device 20 is formed by an anode ring 21 in the form of a straight cylinder.
- the anode ring 21 (see also FIG. 2) is made of stainless steel. For example, it has an outer diameter of 18 mm and a material thickness of approx. 0.8 mm and a height of approx. 6 mm.
- the edges 22 of the anode ring 21 have a disordered solid structure with a curved or rounded surface. To form the edges 22, they are subjected to a thermal treatment (melting). The melting takes place, for example, using a focused Nd-YAG laser (average power: 15 W, clock frequency: 15 Hz, pulse width: 50 ⁇ s to 100 ⁇ s, pulse energy: 1 J).
- the melting of the edges 22 has the effect that a preferred crystal direction formed in the anode ring in the direction of the cylinder axis Z is destroyed and replaced by a statistically disordered crystal orientation.
- an anode line 23 is attached in the middle in a receptacle 24 (see FIG. 2).
- the anode line 23 serves to hold the anode ring 21 relative to the cathode device and to provide the electrical connection to the positive pole (for example approximately + 5000 V) of a high-voltage source (not shown).
- the anode lead 23 has a diameter of 1 to 2 mm, for example.
- the anode ring can have a two-layer or double-wall structure.
- An outer wall is made of titanium and an inner wall of stainless steel.
- the cathode device 30 comprises two cathode plates 31, 32 (see also FIG. 3), of which only the lower cathode plate 31 is shown in FIG.
- the cathode plates 31, 32 are circular disks which have a coating 33, 34 (hatched in FIG. 1) made of thermally activatable getter material.
- the getter material consists for example of an alloy of zirconium, aluminum, iron and / or titanium or a corresponding mixed composition with sintered titanium powder, e.g. B. from the material "ST122 SP Getter” (manufacturer: SAES Getters, Milano, Italy).
- the cathode disks 31, 32 form with an electrically conductive housing ring 35 a box-shaped housing in which the anode ring 21 is arranged electrically and spatially separated from the cathode plates 31, 32.
- the housing with the cathodes is at ground potential.
- the housing ring 35 has on its edges 36 a peripheral edge 37 with a diameter corresponding to the outer diameter of the cathode plates 31, 32.
- the housing ring 35 has a recess 38 for receiving the connecting pipe 41 for a cathode line (not shown) and a further recess 39 for receiving a high-voltage bushing 42 for the anode line 23 (see also FIG. 4).
- connection elements 40 comprise the connection pipe 41 or the high-voltage bushing 42.
- the connection pipe 41 connects the pump to the vessel to be evacuated. It serves at the same time as an electrical connection of the cathode plates 31, 32 to the ground potential. It preferably consists of a thin-walled stainless steel tube in order to keep the heat dissipation from the pump to the vessel small, and has an outer diameter which is adapted to the dimensions of mounting slots in the housing of the magnet device and is, for example, 8.5 mm.
- the wall thickness of the connecting pipe 41 is approx. 0.2 mm.
- a flange (not shown) for attaching the ion getter pump 10 to a housing or container is provided, in which the vacuum is to be formed or maintained.
- the high-voltage bushing 42 is a tubular insulator (e.g. ceramic tube) for sheathing the anode lead 23 and has an outer diameter which is adapted to the receptacle 39 in the housing ring 35 (see FIG. 3) or to a corresponding mounting slot of the magnet device and for example approx. Is 5 mm.
- the insulation can e.g. B. be formed with A1 2 0 3 .
- the magnet device 50 comprises a magnetic yoke housing 51 and a screw cap 52, which consist of nickel-plated pure iron.
- the magnetic yoke housing 51 has a round cross section with an outer diameter of approx. 35 mm.
- a plate-shaped permanent magnet 53, 54 for generating the magnetic field is attached to the bottom of the magnetic yoke housing 51 or on the inside of the cover 52.
- the permanent magnets 53, 54 consist, for example, of cobalt samarium and generate a magnetic field on the order of one millitesla (1 mT).
- the electrode arrangement according to FIG. 1 is accommodated in the magnet device 50 according to FIG. 5. Due to the screw connection between the magnet yoke housing 51 and the cover 52, the magnet device 50 is easily connected to the electrode arrangement.
- the ion getter pump 10 is first attached to a container or housing to be evacuated via the connecting flange (not shown) at the end 43 of the connecting pipe 41 without the magnetic device 50. After the container and, via the connecting pipe 41, the electrode arrangement 20, 30 with a conventional vacuum pump to a pressure of approx.
- the ion getter pump is activated by heating the cathode plates 31, 32. To do this, it is sufficient that the outside of the cathode plates 31, 32 are connected to a sufficiently hot soldering iron or a similar heating source (425 ° C, 15 minutes).
- the magnet device 50 is then attached and the anode line 23 is connected to the high-voltage supply.
- a gas or glow discharge forms in the high voltage field between the electrodes. Under the effect of the axial magnetic field, the electrons move in circular orbits, so that a long way to increase the probability of ionization is formed.
- material is removed from the coated cathode plates 31, 32 by sputtering. The material condenses on the anode ring and thereby buries gas atoms that are in the pump. The condensation preferably takes place at the edges and edges of the anode ring, but because of the disordered anode structure, no whiskers or tip crystals of the condensed material arise.
- An ion getter pump according to the invention with the features described above has a weight of only 150 g. It is for a pump output of approx. 0.5 1 / s designed and reached Final vacuum of approx. 3 • 0 -9 mbar.
- This ion getter pump is particularly suitable for use under extreme conditions, for example in instruments in space. It is light in weight and can be operated maintenance-free for years with low power consumption (power approx. 2 mW).
- Another application of interest relates to the storage and storage of gas-sensitive components. In the case of image converters, X-ray image intensifiers and large transmitter tubes such as Klystrons, the outgassing process has not yet been completely completed. The released residual gases can be absorbed by warm getter material located in the pipes.
- thermos flasks for liquefied noble gases
- a pressure measurement enables a reliable statement to be made as to what losses are to be expected during transport.
- a GPI can pay off with the first filling.
- the ion getter pump according to the invention combines three important features in a vacuum device. First, the pump forms a getter to maintain vacuum in an evacuated system. Second, the pump forms a Pennmg measuring element for vacuum measurement in a vacuum system. Finally, the pump can be used as an ion getter pump to lower the gas pressure in a vacuum container.
- the expected lifespan of the ion getter pump is approx. 5 to 10 years.
- a special rer advantage of the ion getter pump according to the invention is that the getter material is arranged within the pump at a location that is easily accessible from the outside for thermal activation. This avoids any internal heating and corresponding electrical feedthroughs.
- the operation of the ion getter pump with the magnetic device is not a mandatory feature of the invention. Since the glow discharge at a pressure of approx. 10 "4 mbar burns even without a magnetic field, depending on the application, the magnetic device can be dispensed with if no better vacuum is to be achieved.
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- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
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Abstract
Es wird eine Ionengetterpumpe (10) mit einer Elektrodenanordnung aus einer Anodeneinrichtung (20) und einer Kathodeneinrichtung (30) beschrieben, die zur Erzeugung einer Gasentladung in einem Vakuum ausgebildet sind, wobei die Anodeneinrichtung (20) durch einen zylinderförmigen Anodenring (21) gebildet wird und die Kathodeneinrichtung (30) zwei Kathodenplatten (31, 32) mit einem thermisch aktivierbaren Gettermaterial umfaßt, die senkrecht von der Zylinderachse des Anodenringes (21) geschnitten werden, und wobei der Anodenring (21) an seinen Rändern (22) eine durch thermische Behandlung gebildete, ungeordnete Festkörperstruktur besitzt. Die Ionengetterpumpe zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und einen über Jahre wartungsfreien Betrieb aus.
Description
Ionengetterpumpe
Die Erfindung betrifft eine Ionengetterpumpe, die den Aufbau einer lonenzerstauberpumpe vom Penningtyp besitzt, und Verfahren zum Betrieb bzw. Verwendungen einer derartigen Ionengetterpumpe .
Es ist allgemein bekannt, zur Aufrechterhaltung eines Vakuums in abgeschlossenen Gefäßen Gettermaterialien zu verwenden. Nach dem Abpumpen binden Gettermaterialien Restgase bzw. Gase, die aus den Werkstoffen des Gefäßes austreten. Der Einsatz von Gettermaterialien ist allerdings nur wirksam, wenn beim Abpumpen des Gefäßes auch ein Ausheizen auf rd. 400°C vorgenommen wird. Diese Temperaturbehandlung ist jedoch bei vielen Anwendungen unerwünscht, falls sich beispielsweise warmeempfmd- liche Bauteile, wie Photokathoden oder CCD's, im Gefäß befinden. In diesen Fallen werden relativ kleine Ionenzerstauber- pumpen, die allerdings eine höhere Saugleistung als ein einfaches Gettermateπal besitzen, außen an das Vakuumgefaß angebaut und mit dem Gefäß durch ein Rohr verbunden.
Ionenzerstauberpumpen vom Penningtyp sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik" (Herausgeber: M. Wutz, H. Adam, W. Walcher, Verlag Fπedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden, S. 248 ff.) beschrieben. Der Elektrodenaufbau einer herkömmlichen lonenzerstauberpumpe 10' vom Penningtyp ist m Fig. 6 (Stand der Technik) illustriert. Die lonenzerstauberpumpe 10' enthalt einen zylindrischen Anodenring 21' und zwei ebene Kathodenplatten 31', 32', die mit Abstand von den Enden 22' des Anodenringes 21' senkrecht zur Zylinderachse Z des Anodenringes 21' an-
geordnet sind. Die Kathodenplatten 31', 32' bestehen aus einem Gettermaterial (z.B. Titan). Die Elektroden 21', 31' und 32' befinden sich in einem Magnetfeld B.
Die lonenzerstauberpumpe wird wie folgt betrieben. Durch Anlegen einer Hochspannung zwischen den Kathodenplatten 31', 32' und der Anode 21' wird in einem bereits evakuierten Raum eine Gasentladung (Glimmentladung) gezündet. In der Gasentladung erzeugte Ionen werden zu den Kathodenplatten 31', 32' beschleunigt und beim Auftreffen in diese implantiert (gasart- unabhangige Pumpwirkung) . Durch den Einschlag der ionisierten Atome wird von den Kathodenplatten 31', 32' Gettermaterial zerstaubt, das sich laufend auf den Anoden- und Kathodenoberflächen niederschlagt und Gasteilchen bindet (gasartselektive Pumpwirkung) . Im Verlauf des Betriebs können an den zunächst ebenen Kathodenplatten Unebenheiten auftreten, wie dies an der Kathodenplatte 32' illustriert ist.
Die herkömmlichen lonenzerstauberpumpen besitzen die folgenden Nachteile. Beim Dauerbetrieb von lonenzerstauberpumpen, wie er z.B. zur Erhaltung eines Vakuums an gasempfindlichen optischen Detektoren oder bei der Vakuumlagerung gasempfindlicher Bauteile vorgesehen ist, treten nach einigen Monaten Kurzschlüsse zwischen den Elektroden auf. Es hat sich gezeigt, daß sich zwischen den Enden 22' des Anodenrings 21' und den Kathodenplatten 31', 32' nadelformige Kristalle (Whisker) ausbilden, die den Kurzschluß auslosen. Auch wenn ein Whisker durch einen Kurzschlußstoß oft wieder zerstört wird, kommt es durch das Whiskerwachstum bald zum endgültigen Ausfall der Pumpe. Dies ist besonders kritisch, falls die Pumpe am Betriebsort, z.B. beim Einsatz in Weltraumflugkorpern, nicht zuganglich ist.
Neben der ungenügenden Zuverlässigkeit der herkömmlichen lonenzerstauberpumpen besteht ein weiteres Problem in deren eingeschränktem Einsatzbereich. Zur Aufrechterhaltung der Gas-
entladung ohne überschlage können lonenzerstauberpumpen bislang nur bei Drucken ui terhalb von 10"5 mbar betrieben werden. Außerdem erfordert der Pumpenbetrieb laufend eine Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung der Gasentladung. Ein Ausfall der Hochspannungsversorgung führt auch zum Ausfall der Pumpwirkung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ionengetterpumpe bereitzustellen, die eine erhöhte Betriebszuverlas- sigkeit und einen erweiterten Anwendungsbereich besitzt. Die Ionengetterpumpe soll insbesondere über viele Monate wartungsfrei bei geringem Stromverbrauch oder ohne Energiezufuhr betrieben werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, neuartige Betriebsverfahren und Verwendungen einer Ionengetterpumpe anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch eine Ionengetterpumpe, eine Pumpeneinrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 8 bzw. 9 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung besteht in der Schaffung einer Ionengetterpumpe vom Penningtyp, bei der die Anodeneinrichtung mindestens im Bereich von Randern, Kanten, Spitzen oder sonstigen stark gekrümmten oder geknickten Bereichen des Anodenmaterials eine ungeordnete Festkorperstruktur mit zufallig verteilten Kristallitausrichtungen besitzt. Dadurch wird ein Whiskerwachstum wahrend Niederschlags von zerstäubtem Kathodenmaterial vermieden und statt dessen ein gleichförmiger, schichtartiger Niederschlag erzielt.
Beispielsweise ist bei einer Ionengetterpumpe mit dem oben erläuterten, an sich bekannten Aufbau ein zylindrischer Anodenring vorgesehen, der mindestens an seinen Enden eine durch ei-
ne thermische Behandlung ausgebildete, in atomarem Maßstab ungeordnete Festkörperstruktur besitzt. Die Enden des Anodenringes besitzen abgerundete oder gewölbte, ungeordnete und gratfreie Oberflachen, die durch Aufschmelzen des Materials, z.B. eine Laserbehandlung, bei der Herstellung des Ringes gebildet sind.
Das Rundschmelzen von unstetig berandeten Anodenabschnitten stellt sicher, daß die oben erläuterten Kurzschlußausfälle durch Whiskerwachstum vermieden werden. In einer herkömmlichen lonenzerstauberpumpe besteht der Anodenring nämlich aus einem Stück gezogenen Edelstahlrohres. Durch den Ziehvorgang werden die Kristalle im Stahl in der Richtung der Rohrachse ausgerichtet, so daß sich eine Vorzugsrichtung für das Whiskerwachstum ergibt. Eine solche Vorzugsrichtung wird beim erfindungsgemäßen Einsatz von Anoden mit ungeordneter Festkorper- struktur im Anodenmaterial ausgeschlossen.
Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung ist in einer Ionengetterpumpe eine Kathodeneinrichtung mit einem Schichtaufbau aus einem im Vakuum thermisch aktivierbaren Gettermaterial vorgesehen. Besteht die Kathodeneinrichtung aus Kathodenplatten, wie bei der herkömmlichen lonenzerstauberpumpe, so werden die Kathodenplatten durch dieses Gettermaterial gebildet oder als Trager für eine Beschichtung aus dem Gettermaterial verwendet. Das thermisch aktivierbare Gettermaterial, das beispielsweise eine stark absorbierende Legierung aus Zirkonium, Aluminium, Eisen und/oder Titan enthalt, ist zunächst durch die Bildung einer Oxidschicht passiviert. Erst im Betriebszustand der Ionengetterpumpe erfolgt eine Aktivierung des Gettermaterials durch ein Aufheizen der Kathodeneinrichtung auf eine Temperatur, bei der die passivierende Oxidschicht aufgebrochen wird. Diese Temperatur betragt beispielsweise rund 400 bis 500°C. Das aktivierte Gettermaterial liefert eine ständige Pumpwirkung, unabhängig davon, ob die Io-
nengetterpumpe mit einer Gasentladung betrieben wird oder nicht .
Der Einsatz des thermisch aktivierbaren Gettermaterials wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf die Unterbindung des Whisker- wachstums aus. Das Gettermaterial verbessert das Vakuum beim Pumpenbetrieb und verringert dadurch eine Substanzquelle für das Whiskerwachstum.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Einsatz der erfindungsgemäßen Ionengetterpumpe, bei dem diese mit zunächst passiviertem Gettermaterial in oder an einem Vakuumge- faß angebracht wird, das Vakuumgefaß anschließend evakuiert wird und schließlich eine Aktivierung der Ionengetterpumpe durch Aufheizen der Kathodeneinrichtung erfolgt.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Der Einsatz einer Anodeneinrichtung mit ungeordneter Festkorperstruktur ermöglicht eine Verhinderung des Whiskerwachstums, so daß Kurzschlüsse beim Pumpenbetrieb über viele Monate, bis hin zu 5 bis 10 Jahre, ausgeschlossen sind. Die Ionengetterpumpe kann durch Warmekontakt von außen aktiviert werden, ohne daß das gesamte Vakuumgefaß ausgeheizt werden muß. Des weiteren sind auch zusatzliche Heizer auf der Innenseite des Vakuumgefaßes überflüssig. Die erfindungsgemaße Ionengetterpumpe besitzt eine gegenüber herkömmlichen lonenzerstauberpumpe erheblich verbesserte Pumpleistung. Auch bei Ausfall der Energieversorgung wird eine Pumpwirkung aufrechterhalten. Die erfindungsgemaße Ionengetterpumpe besitzt einen vergrößerten Einsatzbereich, da sie sowohl als Zerstauberpumpe vom Penningtyp als auch als einfache Getterpumpe verwendet werden kann. Des weiteren ist auch ein Einsatz als Druckmesser möglich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der beigefugten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht der Elektrodenanordnung einer erfindungsgemaßen Ionengetterpumpe,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Anodenringes einer Ionengetterpumpe gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Kathodeneinrichtung der Ionengetterpumpe gemäß Fig. 1,
Fig. 4 Draufsichten der Elektrodenanschlusse für die Ionengetterpumpe gemäß Fig. 1,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Magnetemπchtung einer erfindungsgemaßen Ionengetterpumpe, und
Fig. 6 eine Schnittansicht der Elektrodenanordnung der herkömmlichen lonenzerstauberpumpe (Stand der Technik) .
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf einen koaxialen Pumpenaufbau beschrieben, wie er an sich von herkömmlichen lonenzerstauberpumpen bekannt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den koaxialen Zylinderaufbau beschrankt, sondern kann anwendungsabhangig auch mit anderen Geometrien verwirklicht werden. Es kann erfindungsgemaß auch vorgesehen sein, daß eine Pumpeneinrichtung mit einer Vielzahl von Ionengetter- pu pen aufgebaut wird, wobei gegebenenfalls zwischen zwei großflächigen Kathodenplatten matrixartig eine Vielzahl von Anoden angeordnet sind.
Fig. 1 illustriert den Aufbau einer erfindungsgemaßen Ionengetterpumpe 10 mit geöffnetem Gehäuse. Die zugehörige Magneteinrichtung wird unten unter Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Die Ionengetterpumpe 10 enthalt eine Elektrodenanordnung, die zur
Erzeugung einer Gasent] adung im Vakuum ausgebildet ist und eine Anodeneinrichtung 20 bzw. eine Kathodeneinrichtung 30 umfaßt.
Die Anodeneinrichtung 20 wird durch einen Anodenring 21 in Form eines geraden Zylinders gebildet. Der Anodenring 21 (s. auch Fig. 2) besteht aus Edelstahl. Er besitzt beispielsweise einen Außendurchmesser von 18 mm, eine Materialdicke von rd. 0.8 mm und eine Höhe von rd. 6 mm. Die Rander 22 des Anodenrings 21 besitzen eine ungeordnete Festkorperstruktur mit einer gewölbten oder abgerundeten Oberflache. Zur Ausbildung der Ränder 22 werden diese einer thermischen Behandlung (Schmelzen) unterzogen. Das Aufschmelzen erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines fokussierten Nd-YAG-Lasers (mittlere Leistung: 15 W, Taktfrequenz: 15 Hz, Pulsbreite: 50 μs bis 100 μs, Pulsenergie: 1 J) . Das Aufschmelzen der Ränder 22 bewirkt, daß eine gegebenenfalls im Anodenring in Richtung der Zylinderachse Z gebildete Kristallvorzugsrichtung zerstört und durch eine statistisch ungeordnete Kristallorientierung ersetzt wird.
An der Außenseite des Anodenringes 21 ist mittig eine Anodenleitung 23 in einer Aufnahme 24 (s. Fig. 2) angebracht. Die Anodenleitung 23 dient der Halterung des Anodenrings 21 relativ zu der Kathodeneinrichtung und der elektrischen Verbindung mit dem positiven Pol (z. B. rd. + 5000 V) einer (nicht dargestellten) Hochspannungsquelle. Die Anodenleitung 23 besitzt beispielsweise einen Durchmesser von 1 bis 2 mm.
Der Anodenring kann erfindungsgemäß zweischichtig oder doppel- wandig aufgebaut sein. Eine Außenwand besteht dabei aus Titan und eine Innenwand aus Edelstahl. Bei Inbetriebnahme der Pumpe kann bei diesem Aufbau ein kurzzeitiger Entladungsbetrieb zwischen dem Anodenring und dem Gehausering 35 (siehe unten) mit umgekehrter Polarität (Ring auf rd. - 5000 V, Gehäuse auf Mas-
se) vorgesehen sein, bevor der unten erläuterte Pumpenbetrieb aufgenommen wird. Diese kurzzeitige Betriebweise ermöglicht einen höheren Startdruck.
Die Kathodeneinrichtung 30 umfaßt zwei Kathodenplatten 31, 32 (s. auch Fig. 3), von denen in Figur 1 nur die untere Kathodenplatte 31 eingezeichnet ist. Die Kathodenplatten 31, 32 sind kreisrunde Scheiben, die eine Beschichtung 33, 34 (in Fig. 1 schraffiert gezeichnet) aus thermisch aktivierbarem Gettermaterial tragen. Das Gettermaterial besteht beispielsweise aus einer Legierung aus Zirkonium, Aluminium, Eisen und/oder Titan oder einer entsprechenden Mischzusammensetzung mit eingesintertem Titanpulver, z. B. aus dem Material "ST122 SP Getter" (Hersteller: SAES Getters, Milano, Italien) . Die Kathodenscheiben 31, 32 bilden mit einem elektrisch leitfahi- gen Gehausering 35 ein dosenförmiges Gehäuse, in dem der Anodenring 21 elektrisch und raumlich von den Kathodenplatten 31, 32 getrennt angeordnet ist. Das Gehäuse mit den Kathoden liegt auf Massepotential. Der Gehausering 35 besitzt an seinen Randern 36 jeweils eine umlaufende Kante 37 mit einem Durchmesser entsprechend dem Außendurchmesser der Kathodenplatten 31, 32. Beim Zusammenbau der Elektrodenanordnung werden nach Einsetzen und Ausrichten des Anodenrings 21 die Kathodenscheiben 31, 32 in die umlaufenden Kanten 37 eingelegt und mit dem Gehausering 35 unter Verwendung eines Lasers vakuumdicht verschweißt.
Der Gehausering 35 besitzt eine Ausnehmung 38 zur Aufnahme des Anschlußrohres 41 für eine Kathodenleitung (nicht dargestellt) und eine weitere Ausnehmung 39 zur Aufnahme einer Hochspan- nungsdurchfuhrung 42 für die Anodenleitung 23 (s. auch Fig. 4) -
Die Anschlußelemente 40 gemäß Fig. 4 umfassen das Anschlußrohr 41 bzw. die Hochspannungsdurchfuhrung 42. Das Anschlußrohr 41 verbindet die Pumpe mit dem zu evakuierenden Gefäß. Es dient
gleichzeitig als elektrische Verbindung der Kathodenplatten 31, 32 mit dem Massepotential. Es besteht vorzugsweise aus einem dünnwandigen Edelstahlrohr, um die Wärmeableitung von der Pumpe zum Gefäß klein zu halten, und besitzt einen Außendurchmesser, der den Dimensionen von Halterungsschlitzen im Gehäuse der Magneteinrichtung angepaßt ist und beispielsweise 8.5 mm beträgt. Die Wandstärke des Anschlußrohrs 41 betragt rd. 0.2 mm. Am Ende 43 des Anschlußrohrs 41 ist ein (nicht dargestellter) Flansch zur Anbringung der Ionengetterpumpe 10 an einem Gehäuse oder Behältnis vorgesehen, in dem das Vakuum ausgebildet bzw. aufrechterhalten werden soll.
Die Hochspannungsdurchfuhrung 42 ist ein rohrformiger Isolator (z. B. Keramikrohr) zur Ummantelung für die Anodenleitung 23 und besitzt einen Außendurchmesser, der an die Aufnahme 39 im Gehäusering 35 (s. Fig. 3) bzw. an einen entsprechende Halterungsschlitz der Magneteinrichtung angepaßt ist und beispielsweise rd. 5 mm beträgt. Die Isolation kann z. B. mit A1203 gebildet werden.
Fig. 5 illustriert den Aufbau einer Magneteinrichtung 50 zur Ausbildung eines parallel zur Zylinderachse Z der Elektrodenanordnung ausgerichteten Magnetfelds. Die Magneteinrichtung 50 umfaßt ein Magnetjochgehause 51 und einen Schraubdeckel 52, die aus vernickeltem Reineisen bestehen. Das Magnetjochgehause 51 besitzt einen runden Querschnitt mit einem Außendurchmesser von rd. 35 mm. Am Boden des Magnetjochgehauses 51 bzw. auf der Innenseite des Deckels 52 ist jeweils ein plattenformiger Permanentmagnet 53, 54 zur Erzeugung des Magnetfeldes angebracht. Die Permanentmagneten 53, 54 bestehen beispielsweise aus Kobalt-Samarium und erzeugen ein Magnetfeld in der Größenordnung von einem Millitesla (1 mT) . In der Seitenwand des Magnetjochgehäuses 51 sind Schlitze 55 für das Anschlußrohr 41 bzw. die Hochspannungsdurchfuhrung 42 eingearbeitet.
Beim Betrieb der Ionengetterpumpe 10 wird die Elektrodenanordnung gemäß Fig. 1 in der Magneteinrichtung 50 gemäß Fig. 5 untergebracht. Durch die Schraubverbindung zwischen dem Magnet- jochgehause 51 und dem Deckel 52 ist die Magneteinrichtung 50 ohne weiteres mit der Elektrodenanordnung verbunden. Die Ionengetterpumpe 10 wird zunächst ohne die Magneteinrichtung 50 über den (nicht dargestellten) Anschlußflansch am Ende 43 des Anschlußrohrs 41 an einem zu evakuierenden Behältnis oder Gehäuse befestigt. Nachdem das Behältnis und über das Anschlußrohr 41 die Elektrodenanordnung 20, 30 mit einer herkömmlichen Vakuumpumpe auf einen Druck von rd. 10"5 mbar evakuiert worden ist, wird die Ionengetterpumpe durch Aufheizen der Kathodenplatten 31, 32 aktiviert. Hierzu genügt es, daß die Außenseiten der Kathodenplatten 31, 32 mit einem genügend heißen Lotkolben oder einer ahnlichen Heizquelle in Verbindung gebracht werden (425 °C, rd. 15 min) .
Anschließend wird die Magneteinrichtung 50 angebracht und die Anodenleitung 23 mit der Hochspannungsversorgung verbunden. Im Hochspannungsfeld zwischen den Elektroden bildet sich eine Gas- oder Glimmentladung aus. Unter der Wirkung des axialen Magnetfelds bewegen sich die Elektronen auf Kreisbahnen, so daß ein langer Weg zur Erhöhung des Ionisationswahrscheinlichkeit gebildet wird. Bei der Entladung wird durch Kathodenzerstäubung Material von den beschichteten Kathodenplatten 31, 32 abgetragen. Das Material kondensiert auf dem Anodenring und begräbt dabei Gasatome, die sich in der Pumpe befinden. Die Kondensation findet vorzugsweise an Randern und Kanten des Anodenringes statt, wobei jedoch wegen der ungeordneten Anodenstruktur keine Whisker oder Spitzenkristalle des kondensierten Materials entstehen.
Eine erfindungsgemaße Ionengetterpumpe mit den oben beschriebenen Merkmalen besitzt ein Gewicht von nur 150 g. Sie ist für eine Pumpleistung von rd. 0.5 1/s ausgelegt und erreicht ein
Endvakuum von rd. 3 • 0-9 mbar. Damit ist diese Ionengetterpumpe besonders für dei Einsatz unter extremen Bedingungen, z.B. in Instrumenten in Weltraum geeignet. Sie besitzt ein geringes Gewicht und kann aber Jahre wartungsfrei bei geringem Strombedarf (Leistung rd: 2 mW) betrieben werden. Eine weitere interessierende Anwendung betrifft die Lagerung und Bereithal- tung von gasempfmdlichen Bauteilen. Bei Bildwandlern, Ront- genbildverstarkern und großen Senderohren wie Klystrons ist der Ausgasvorgang nach der Herstellung noch nicht vollständig abgeschlossen. Die freigewordenen Restgase können von m der Rohre befindlichem warmen Gettermaterial aufgenommen werden. Wird die Rohre gleich nach der Herstellung nicht in Betrieb genommen, dann bleibt sie kalt und der Innendruck steigt langsam an. Wird eine solche Rohre nach Monaten zum erstenmal in Betrieb genommen, dann kann es zu Gasentladungen innerhalb der Rohre kommen. Diese Entladungen können empfindliche Bauteile wie Infrarotkathoden oder CCDs zerstören. Eine erfmdungs- gemaße Getterpumpe tragt wesentlich dazu bei, diese Gefahr zu vermeiden. Durch die Druckanzeige der GPI laßt sich sicher erkennen, ob die Rohre sofort betriebsbereit ist.
Bei vakuumisolierten Thermoskannen für verflüssigte Edelgase ermöglicht eine Druckmessung eine sichere Aussage, mit welchen Verlusten wahrend des Transports zu rechnen ist. Eine GPI kann sich bei teuren Edelgasen schon mit der ersten Füllung bezahlt machen.
Die erfindungsgemaße Ionengetterpumpe kombiniert drei wichtige Merkmale m einer Vakuumeinrichtung. Erstens bildet die Pumpe einen Getter zur Erhaltung von Vakuum in einem evakuierten System. Zweitens bildet die Pumpe ein Pennmg-Meßelement zur Vakuummessung in einem Vakuumsystem. Schließlich kann die Pumpe als Ionengetterpumpe zur Absenkung des Gasdrucks in einem Vakuumbehaltnis verwendet werden. Die erwartete Lebensdauer der Ionengetterpumpe betragt rd. 5 bis 10 Jahre. Ein besonde-
rer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionengetterpumpe besteht darin, daß das Gettermaterial innerhalb der Pumpe an einem Ort angeordnet ist, der zur thermischen Aktivierung einfach von außen zugänglich ist. Dadurch werden jede interne Heizung und entsprechende elektrische Durchführungen vermieden.
Der Betrieb der Ionengetterpumpe mit der Magneteinrichtung ist kein zwingendes Merkmal der Erfindung. Da die Glimmentladung bei einem Druck von rd. 10"4 mbar auch ohne Magnetfeld brennt, kann anwendungsabhängig auf die Magneteinrichtung verzichtet werden, falls kein besseres Vakuum erreicht werden soll.
Claims
1. Ionengetterpumpe (10) mit einer Elektrodenanordnung aus einer Anodeneinrichtung (20) und einer Kathodeneinrichtung (30) , die zur Erzeugung einer Gasentladung in einem Vakuum ausgebildet sind, wobei die Anodeneinrichtung (20) durch einen zylin- derformigen Anodenring (21) gebildet wird und die Kathodeneinrichtung (30) zwei Kathodenplatten (31, 32) mit einem Gettermaterial umfaßt, die senkrecht von der Zylinderachse des Anodenringes (21) geschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenring (21) an seinen Randern (22) eine durch thermische Behandlung gebildete, ungeordnete Festkorperstruktur besitzt.
2. Ionengetterpumpe gemäß Anspruch 1, bei der die Rander (22) des Anodenringes (21) eine abgerundete Oberflache besitzen.
3. Ionengetterpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gettermaterial eine im Vakuum thermisch von außen aktivierbare Substanz umfaßt.
4. Ionengetterpumpe gemäß Anspruch 3, bei der das Gettermaterial eine Legierung aus Zirkonium, Aluminium, Eisen und/oder Titan umfaßt.
5. Ionengetterpumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kathodenplatten (31, 32) kreisrunde Scheiben sind und mit einem Gehausering (35) ein zylinderformiges Gehäuse bilden, in dem der Anodenring (21) angeordnet ist.
6. Ionengetterpumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektrodenanordnung in einer Magneteinrichtung
(50) angeordnet ist, die ein Magnetjochgehause (51) und einen Deckel (52) umfaßt, die losbar miteinander verbunden sind.
7. Ionengetterpumpe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anodenring (21) doppelwandig aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist.
8. Pumpeneinrichtung, die eine Vielzahl von lonengetterpumpen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.
9. Verfahren zum Betrieb einer Ionengetterpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten
- Anbringung der Ionengetterpumpe (10) an einem zu evakuierenden Gehäuse durch Verbindung der Elektrodenanordnung über ein Anschlußrohr (41) mit dem Gehäuse,
- Evakuierung des Gehäuses mit einer Vakuumpumpe,
- Aktivierung der Ionengetterpumpe (10) durch Erhitzen der Kathodenplatten (30, 32), und
- Anbringung der Magneteinrichtung (50) an der Elektrodenanordnung (20, 30 ) .
10. Verwendung einer Ionengetterpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Evakuierung von Meßinstrumenten, zur Aufrechterhaltung eines Vakuums für gelagerte gasempfindliche Bauteile, zur Überwachung der Aufbewahrung verflüssigter Edelgase und/oder als Druckmeßgerat .
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