DE1094401B - Ionenvakuumpumpe und Verfahren zur Bildung einer gasabsorbierenden Kathode fuer einesolche Pumpe - Google Patents

Description

DEUTSCHES

BlBLiQTHEK

DES DEUTSCHEN

PATENfAKTES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenvakuumpumpe und auf ein Verfahren zur Bildung einer gasabsorbierenden Kathode für eine solche Pumpe.

Eine bekannte Ionenpumpe zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines hohen Vakuums in einer abgeschlossenen Anlage enthält einen vakuumdichten Kolben, der an das zu evakuierende System angeschlossen werden kann. Innerhalb des Kolbens liegt koaxial zu diesem eine ringförmige Elektrode, die gegenüber kalten, scheibenförmigen Kathoden, die am Kolben befestigt sind, auf einem positiven Potential gehalten wird. Außerhalb des Kolbens sind Mittel vorgesehen, um ein senkrecht zur Anodenebene liegendes magnetisches Feld zu erzeugen, so daß die durch die angelegte Spannung beschleunigten Elektronen auf relativ lange Spiralbahnen in Axialrichtung der Vorrichtung gezwungen werden. Die Gasmoleküle werden durch Elektronenstoß ionisiert und ergeben positiv geladene Ionen, die durch das elektrische Feld beschleunigt, in die kalten Kathoden hineingeschossen und von diesen absorbiert werden sollen. Auf diese Weise werden inerte Gase, die nicht chemisch gegettert werden können, wirksam mit hoher Pumpgeschwindigkeit bei sehr niedrigen Drücken aus der Anlage entfernt.

Bei den bekannten Ionenpumpen mußten die. die kalte Kathode bildenden Elemente aus gasabsorbierenden Materialien durch entsprechende Bearbeitung hergestellt und durch übliche Verfahren sehr sorgfältig entgast werden, was zeitraubend, teuer und kritisch in bezug auf den Nutzeffekt der Einrichtung war. Weiterhin mußte die Pumpe relativ große Abmessungen haben, um Scheiben mit einer genügend großen Oberfläche aufnehmen zu können.

Weiterhin sind sogenannte Ionen-Getterpumpen bekannt, bei denen kontinuierlich ein Gase gut absorbierendes Material, wie Titan, auf die Innenwandungen der Pumpe aufgedampft wird. Bei derartigen Pumpen wird die Absorption, insbesondere der Edelgase, dadurch unterstützt, daß die Restgasmoleküle durch eine bei der Verdampfungseinrichtung angeordnete Ionisierungseinrichtung ionisiert werden. Es ist auch eine Ionen-Getterpumpe bekannt, die nach Art eines Penningmanometers aufgebaut ist. Das Gettermetall wird dabei von den Kaltkathoden durch Kathodenzerstäubung abgedampft. Pumpen dieser Art erfordern eine laufende Erneuerung der Getterschicht und damit eine kontinuierliche Verdampfung des Gettermaterials und eignen sich daher nicht für manche Zwecke.

Es ist schließlich bekannt, daß Titan Gase sehr gut absorbiert. Man hat auch schon das Gettermetall auf die Anode einer Elektronenröhre aufgebracht.

Die Erfindung betrifft eine Ionenvakuumpumpe mit Ionenvakuumpumpe und Verfahren

zur Bildung einer gasabsorbierenden

Kathode für eine solche Pumpe

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Anatole Matvey Gurewitsch
und Herbert Chermside Pollock,

Schenectady, N. Y. (V. SLA.),
sind als Erfinder genannt worden

einer in einem evakuierbaren Kolben befindlichen Anode und einer aus einem Metall, das in der Lage ist, energiereiche, positive Ionen zu sorbieren, bestehenden Kathode, die an eine hohe Spannung anschließbar sind und mit Mitteln zur Erzeugung eines axialen magnetischen Feldes. Die Pumpe gemäß der Erfindung soll kompakter, einfacher und in der Herstellung billiger sein, als die bekannten Pumpen dieser Art und gegenüber diesen bessere Pumpleistungen aufweisen. Die Ionenvakuumpumpe ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb mit der hohen Spannung verbundene Kathode aus einem im Vakuum von der Anode aus auf die Innenwand des Kolbens aufgedampften Belag des Metalls besteht.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei bedeutet

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Ionenpumpe gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht der Pumpe nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Abbildung der Anodenanordnung für die Pumpe nach Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Anode für eine Pumpe gemäß der Erfindung und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Druckes in einer abgeschlossenen Anlage in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.

In Fig. 1 und 2 der Zeichnungen, in denen gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist eine Ionenpumpe gemäß der Erfindung dargestellt, die einen evakuierbaren Kolben 1 aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. Glas, enthält, ferner

009 677/118

I 094 401

eine ringförmige, positive Elektrode 2, die ungefähr in der Mitte und koaxial zu im wesentlichen ebenen Oberflächen 3 und 4 des Kolbens angeordnet ist. Die Elektrode 2 wird durch leitende Stützen 5 und 6 gehaltert, die sich durch Glas-Metall-Einschmelzungen im Kolben erstrecken und in Anschlüsse 7 und 8 auslaufen, an die eine äußere Schaltung angeschlossen werden kann. Weicheisenpolschuhe 9 und 10 und ein Permanentmagnet 11 liefern ein magnetisches Feld in Axialrichtung der Elektrode 2. Ein Anschluß 12 stellt eine elektrische Verbindung durch den Isolierkolben her. Er kann jedoch entfallen, wenn ein Metall, wie beispielsweise rostfreier Stahl, anstatt Glas oder Keramik Verwendung findet. Von der Elektrode 2 wird ein Metall 13 getragen, das in der Lage ist, positiv geladene Teilchen hoher Energie zu absorbieren. Es soll bei einer Temperatur verdampft werden können, die unterhalb der Schmelztemperatur der Ringelektrode liegt und bildet das Material, aus dem die kalte Kathode hergestellt wird. Ein aufgebauchter Teil 14 des Kolbens 1 und eine Abschirmung 15 sind vorgesehen, um einen Teil der Innenfläche des Kolbens gegen das verdampfbare Material abzudecken, so daß die elektrische Isolation der Anode 2 erhalten bleibt.

Zur Bildung der Kathode wird die Pumpe mit der zu evakuierenden Anlage mittels eines Rohrstutzens 16 verbunden und durch eine nicht dargestellte Vorpumpe auf einen Druck unterhalb einem Mikron evakuiert. Anschließend wird die Ringelektrode erhitzt, indem ein Strom aus der Verdampferstromquelle ES durch sie geleitet wird, bis eine Temperatur erreicht wird, bei welcher das gasabsorbierende Metall 13 abdampft. Das verdampfte Metall kondensiert auf der inneren Oberfläche des Kolbens und bildet eine dünne Schicht 17 aus gasabsorbierendem Material, die als Kathode der Ionenpumpe arbeitet. Der Kontakt zwischen der aufgedampften Schicht und dem Anschluß 12 kann durch einen vorher auf der Innenfläche des Kolbens erzeugten Niederschlag 18 aus Gold oder einem anderen Metall mit niedrigem Oberflächenwiderstand sichergestellt werden. Nach der Bildung der Kathode 1 wird der Verdampfungsstromkreis unterbrochen und die Pumpe wird durch Anlegen einer hohen Spannung in der Größenordnung von einigen kV von der Pumpstromquelle PS, die zwischen die Ringelektrode und die Kathode geschaltet ist, in Betrieb genommen. Elektronen in der Nachbarschaft der Ringelektrode werden unter der Einwirkung des Magnetfeldes längs Spiralbahnen beschleunigt, die Elektronen treffen auf Gasmoleküle, die in den Innenraum der Pumpe eindiffundieren und ionisieren diese. Die ionisierten Gasmoleküle werden ihrerseits in Richtung auf die Kathode beschleunigt und in deren Oberfläche hineingeschossen und dadurch wirksam aus der zu evakuierenden Anlage entfernt.

Eine nach einer teilweisen Evakuierung der Pumpe auf diese Weise gebildete Kathode besitzt eine saubere, noch nicht vergiftete Oberfläche und erhöht die Wirksamkeit der Pumpe erheblich gegenüber Anordnungen, bei denen die Kathoden aus vorher hergestellten Scheiben bestehen, die in die Pumpe unter Atmosphärendruck eingesetzt worden sind. Die von den Ionen verursachte Kathodenzerstäubung und die Rekondensation von zerstäubtem Material fördert zusätzlich die Entfernung des Gases. Der erhöhte Nutzeffekt solcher Pumpen kann zu einer Verkleinerung der Einzelteile der Pumpe herangezogen werden, wobei auch dann noch eine ausreichende Pumpleistung vorhanden ist. Das gasabsorbierende Metall 13 besteht vorzugsweise aus Titan, Zirkon, Barium, Magnesium, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle; für besondere Zwecke und zum selektiven Abpumpen von bestimmten Gasarten können auch andere Metalle für die aufgedampfte Kathode 17 Verwendung finden. In Fällen, in denen die Ionenpumpe bei abgeschlossenen Systemen Verwendung findet, kann ein Teil des gasabsorbierenden Materials 13 nach Beendigung des Pumpvorgangs verdampft werden, so daß ein zusätzlicher Niederschlag auf dem Kolben 1 gebildet wird, ίο Dadurch wird gewährleistet, daß Gas, das durch die ursprüngliche Kathodenoberfläche absorbiert worden war, später, wenn die Pumpe nicht in Betrieb ist, wieder frei werden kann. Weiterhin können zur Vergrößerung der Pumpkapazität der Einrichtung mehrere aufeinanderfolgende Schritte der Verdampfung von gasabsorbierendem Material während eines dauernden Pumpens ausgeführt werden, so daß dauernd eine frische, wirksame, gasabsorbierende Kathode vorhanden ist.

ao In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Anode für die Pumpe nach Fig. 1 dargestellt, bei der ein gebogener Teil der Elektrode 2 einen oder mehrere verschlungene Widerstandsdrähte 19 aufweisen kann, die aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie z. B. Tantal, bestehen. Diese Drähte sind mit einem niedriger schmelzenden Metall mit guten Absorptionseigenschaften, wie z. B. Titan, überzogen oder von einer Wicklung 20 aus diesem Metall umgeben. Wenn die Anode durch Stromdurchgang durch die Widerstandsdrähte erhitzt wird, schmilzt das Gas absorbierende Metall und wird von der Elektrodenanordnung während der nachfolgenden Verdampfung durch die Oberflächenspannung in den Zwischenräumen längs der verschlungenen Drähte gehalten. Selbstverständlich können auch andere Metalle als Titan gut in Form einer Wicklung 20, wie in der Zeichnung dargestellt ist, oder als aufgeschmolzener Überzug verwendet und während des Verdampfungsprozesses durch die Anordnung aufgenommen werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anodenanordnung; die Anode2 besteht dabei aus einem hohlen Rohr 21, das ein gasabsorbierendes Metall 22, wie z. B. Barium, enthält. Das Rohr kann angeschliffen sein, so daß seitliche Oberflächenteile, wie bei 24 angedeutet, entstehen, durch die das Material durchtreten kann und bei Erhitzung abgedampft wird. Statt einer Widerstandsheizung kann auch eine induktive Heizung Verwendung finden, die schematisch durch die gegenüberliegenden Spulen 25 und 26 angedeutet ist; in diesem Falle kann die Anode durchgehend sein und von einem einzelnen Bauelement 27 getragen werden.

In Fig. 5 ist der Druckanstieg in einem abgeschlossenen System, das die erfindungsgemäße Ionenpumpe einschließt, aufgetragen. Die gestrichelte Kurve 28 zeigt den Druckanstieg in Abhängigkeit von der Zeit bei Verwendung einer Pumpe mit vorgefertigten, kalten Kathodenscheiben aus Titan. Die ausgezogene Kurve 29 zeigt die entsprechenden Daten für eine Pumpe mit einer aufgedampften Titankathode, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde. In beiden Fällen war die Anlage auf einen gegebenen Druck evakuiert worden; dann wurde eine abgemessene Menge Helium eingeführt und die Pumpe wieder in Betrieb gesetzt, um den Druck auf einen gegebenen Wert abzusenken. Die Pumpe wurde daraufhin abgestellt und der Druckanstieg als Funktion der Zeit gemessen. Es ist offensichtlich, daß durch das Verfahren, die Gas absorbierende Kathode durch Aufdampfen nach einer

teilweisen Evakuierung der Pumpe aufzubringen, eine ganz erhebliche Verbesserung in bezug auf die Zurückhaltung von abgepumptem Gas ergibt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ionenvakuumpumpe mit einer in einem evakuierbaren Kolben befindlichen Anode und einer aus einem Metall, das in der Lage ist, energiereiche, positive Ionen zu sorbieren, bestehenden Kathode, die an eine hohe Spannung anschließbar sind und mit Mitteln zur Erzeugung eines axialen magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb mit der hohen Spannung verbundene Kathode aus einem im Vakuum von der Anode aus auf die Innenwand des Kolbens aufgedampften Belag des Metalls besteht.

2. Ionenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen Heizdraht enthält, der eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das verdampfbare, absorbierende Metall und der mit Anschlüssen zur Verbindung mit einer Heizstromquelle versehen ist.

3. Ionenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode im wesentlichen ringförmig ist und aus mehreren verschlungenen Tantaldrähten besteht, um die in an sich bekannter Weise ein Titandraht gewickelt ist.

4. Ionenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verdampfen des Metalls von der Anode aus aus einer Einrichtung zum induktiven Erhitzen der Anode bestehen.

5. Verfahren zur Bildung einer gasabsorbierenden Kathode für eine Ionenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall, das in der Lage ist, energiereiche positiv geladene Ionen zu absorbieren, in bezug auf die inneren Kolbenflächen transversal zum magnetischen Feld angeordnet wird, daß der Kolben auf einen Druck unterhalb eines Mikrons evakuiert wird, und das Gas absorbierende Metall auf die transversal gelegenen Flächen des Kolbens aufgedampft wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 885 763;

USA.-Patentschrift Nr. 2 796 555;

deutsche Auslegeschriften A 23048 I a/27 d (bekanntgemacht am 21.6.1956), L 16081 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 24. 10. 1956);

J. Yarwood, High Vacuum Technique, 1943, S. 38, 46, 48.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen