DE1096539B - Ionen-Vakuumpumpe mit zerstaeubender Kathode - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Ionen-Vakuumpumpe, hei der unter Anwendung eines die Elektronenbahnen verlängernden Magnetfeldes eine Glimmentladung zwischen einer Kathode und einer Anode zwecks Zerstäubens der ersteren und Auffangens der zerstäubten Kathodenpartikel auf Auffangflächen erzeugt wird. Ionen-Vakuumpumpen dieser Art sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus, daß sie ein außerordentlich hohes, von Fremdgasen freies Vakuum liefern.

Ein Vorschlag der Schutzrechtsinhaberin sieht vor, daß die Anode flächenmäßig und gegebenenfalls auch raummäßig so unterteilt ist, daß in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld eine Vielzahl gleichzeitig auftretender Entladungsbahnen gebildet wird; die Kathodenanordnung besteht dabei aus parallelen, in Richtung des Magnetfeldes hintereinanderliegenden Teilen, wobei zwischen je zwei Teilen der Kathode eine Anode liegt, die vorzugsweise zellenförmig mit in Richtung des Magnetfeldes Hegenden Zellen ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft eine derartige Pumpenanordnung und sieht eine derartige Ausbildung des Pumpengehäuses vor, daß die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Felder in günstiger Weise außen an das Pumpengehäuse angesetzt werden können. Dabei ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung die Möglichkeit, eine große Anzahl elektronischer Pumpstrecken in gedrängter Bauweise in dem Pumpengehäuse unterzubringen, so daß die erfindungsgemäße Pumpe eine hohe Pumpgeschwindigkeit zu erreichen gestattet.

Gemäß der Erfindung hat das in Längsrichtung sich erstreckende Pumpengehäuse nach außen gerichtete Kammern, die vorzugsweise durch zwei breitere Seitenwandflächen und eine schmalere Endfläche gebildet werden, und es sind die Elektrodenanordnungen, die aus parallelen Kathoden und dazwischen angeordneten, vorzugsweise zellenförmig ausgebildeten Anoden bestehen, in den Kammern angeordnet, während Permanentmagneten bzw. deren Polflächen an den Außenseiten der Kammerwandung so angeordnet sind, daß ein sich von der einen Kammerwandung zu der anderen Kammerwandung erstreckendes Magnetfeld erzeugt wind.

Vorzugsweise besteht das in Form eines Prisanas sich in der Längsrichtung erstreckende Pumpengehäuse aus mehreren radial sich erstreckenden Kammern rechteckigen Querschnittes, Die aus den Anodenanordnungen und den Kathodenanordnungen bestehenden Elektrodensysteme .sind zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß sie Baugruppen bilden, von denen jede Gruppe als Ganzes in einer Kammer leicht einsatzfähig und herausnehmbar ausgebildet ist, was Ionen -Vakuumpumpe
mit zerstäubender Kathode

Anmelder:

Varian Associates,

Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. phil, G. B. Hagen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 38

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. August 1958

William Arthur Lloyd, Los Altos, Calif.,
und Glen Andrew Huffman, Palo Alto, Calif.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

sich für Reparatur und Ersatzarbeiten als zweckmäßig erweist.

Die vorstehenden Merkmale und weiteren Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung in teilweise gebrochener Form, wobei einzelne Teile der Vakuumpumpe auseinandergezogen dargestellt sind,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung, wobei die Schnittlinie 2-2 für die Darstellung maßgeblich ist,

Fig. 3 eine verkleinerte Querschnittswiedergabe der in Fig. 1 dargestellten Anordnung entsprechend der Schnittlinie 3-3,

Fig. 3 a eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung in etwas vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 eine teilweise gebrochene Darstellung eines Teiles der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung,

Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Teiles der Anordnung gemäß Fig. 2 entsprechend der Linie 5-5,

Fig. 6 einen Querschnitt in vergrößerter Darstellung, welcher einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 3 wiedergibt,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Teiles der Anordnung der Fig. 6, entsprechend der Linie 7-7 in Fig. 6,

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Fig. 8 einen Querschnitt' eines Teiles der erfindungs- führt sind, die an dem Block 13 vorgesehen sind. Auf gemäßen mit ionischer Zerstäubung arbeitenden An- diese Weise können die Platten 14 sich frei in bezug Ordnung. auf den oberen Block 13 verschieben, und die Wärmein den Fig. 1 bis 4 ist mit 1 das rohrförmige ausdehnung der Platte 14 kann aufgenommen werden; Vakuumgefäß bezeichnet, welches aus einer mittleren, 5 die Platte kann aber durch die Wirkung der Bolzen rechtwinklig geformten Kammer 2 besteht, an die 16 sich nicht von dem Block 13 abheben,
eine Mehrzahl rechteckiger Kammern 3 geringerer Die beiden Blöcke 13 werden durch die dazwischen Größe angesetzt ist, wobei die letzteren Kammern mit angeordnete, zellenförmig aufgebaute Anode 17, die der mittleren rechteckigen ^Kammer 2 über sich in der beispielsweise aus Titanblech zusammengeschweißt Längsrichtung erstreckende. Öffnungen in den Seiten- io ist, zusammengehalten. Die Anoden 17 sind auf einem wandungen in Verbindung stehen. Das Vakuumgefäß 1 rechteckigen Rahmen 18, der aus Blechstreifen von besteht beispielsweise aus einer Mehrzahl Platten, etwa lV2mm Stärke und aus nichtrostendem Stahl deren Stärke etwa 3 mm beträgt und die aus nicht- besteht und in einer Anzahl von Punkten mit der rostendem Stahl bestehen; die Platten sind in ge- zellenförmigen Anodenanordnung 17 verschweißt ist, eigneter Weise zu einem treppenförmigen Gebilde ge- 15 gehalten. A^ier Sockel 19 erstrecken sich in Längsrichbogen. Vier derartige Teile isind an den zusammen- tung von dem Rahmen 18 und tragen vier Kegelstoßenden Kanten miteinander verbunden, beispiels- stumpfe aus Hochspannungsisoliermaterial 21, beiweise im Wege der Schutzgasschweißung, so daß spielsweise aus Keramik. Die Isolatoren 21 sind die Seitenwandungen des- rohrförmigen Gehäuses! mittels Befestigungsschrauben 23 in zylindrischen entstehen. 20 Höhlungen 22 eines Blockes 13 angeordnet.

Das Bodenstück des Gehäuses 1 ist durch eine Die Kathodenplatten 14 des Pumpgefäßes 12 sind

Fläche 4 gebildet, die ehehfalls mit den Seitenwan- in bezug auf den Block 13 verschiebbar angeordnet,

düngen des Gehäuses 1 zweckmäßigerweise durch so daß sich Sn dem Gefäß 12 keine Spannungen

Helium-Schutzgasschweißting verbunden ist. Das ergeben können, wenn eine ungleichmäßige thermische

andere Ende des Gefäßes 1 ist mit einer Platte 5 ab- 25 Ausdehnung der Anodenteile 17, des Rahmens 18 und

geschlossen, die in der Mitte eine Öffnung besitzt; die " der Kathodenplatten 14, welche im Betrieb sehr heiß

Platte 5 besteht ebenfalls" zweckmäßigerweise aus werden, stattfindet.

nichtrostendem Stahl und ist mit den Seitenwandun- Ungefähr in der Mitte der Längs ausdehnung der gen des Gefäßes durch Helium-Schutzgasschweißung zellenförmig aufgebauten Anode 17 ist ein größeres verbunden. ; . 30 Loch vorgesehen, durch welches zwei zylindrische, Ein zylindrischer Ansatzstutzen 6, der aus nicht- die Kathoden distanzierende Abstandsstücke 24, die rostendem Stahl bestehen kann, ist an der öffnung aus Titan bestehen können, geführt sind. Die Distander Abschlußwand 5 vorgesehen und steht mit der zierstücke 24 dienen dem Zweck, den richtigen Abmittleren Kammer 2 über die mittlere öffnung der stand zwischen den Kathodenplatten sicherzustellen Platte 5 in Verbindung. Ein ringförmiger Flansch 7, 35 und ein Durchbiegen derselben zu vermeiden, welches der aus nichtrostendem Stahl bestehen kann, besitzt den richtigen Abstand gegenüber der zellenförmigen geeignete Nuten und ist an dem Stutzen 6 vakuum- Anode 17 beeinträchtigen könnte. Dabei bestehen die dicht, zweckmäßigerweise durch Helium-Schutzgas- Distanzierstücke 24 aus reaktivem Material, beispielsschweißung, befestigt. Ein Pumprohr 8 hat einen mit weise aus Titan. Es hat sich gezeigt, daß eine beentsprechenden Nuten versehenen Flansch 9 und dient 40 trächtliche Pumpwirkung durch die Zerstäubung der zur Verbindung des Pumpengehäuses 1 mit der zu aus reaktivem Material bestehenden Distanzierstücke evakuierenden Anordnung. 24 unter dem Einfluß des Ionenbombardements be-

Die Flansche 7 und 9 werden durch mehrere BoI- dingt ist.

zen 10, die durch entsprechende Öffnungen in den Rechteckige Führungslappen 25, die beispielsweise Flanschfiächen hindurchgreifen, zusammengehalten. 45 aus nichtrostendem Stahl bestehen, sind an den Wenn die Flansche 7 und 9 festgegeneinandergezogen inneren Enden der Führungsblöcke 13, beispielsweise werden, so wird eine Dichtungsscheibe 11, die bei- im Wege einer Schutzgasschweißung, befestigt, spielsweise aus einem Kupferblech bestehen kann, Diesen Lappen entsprechen Befestigungslappen 26 an eingepreßt, so daß eine vakmimdiche Verbindung sich der Innenseite des Pumpengefäßes 1, «die an demselben ergibt. 50 angeschweißt sein können und die Führungslappen 25 Mehrere Pumpgef äße 12 sind.in den kleineren recht- aufnehmen und dadurch die richtige Lage des die eckigen Kammern 3 angeordnet und stehen mit der Pumpelemente enthaltenden Gefäßes 12 innerhalb der mittleren Kammer 2 in Verbindung. Die Gefäße 12 kleinen Kammer 3 sicherstellen. Wenn das die Pumpsind im einzelnen in den Fig. 5 bis 7 dargestellt und elemente enthaltende Gefäß 12 in seine Arbeitsstelbestehen aus rechteckigen, an den Stirnseiten ange- 55 lung gebracht ist, so liegt es mit dem Block 13 auf ordneten Blöcken 13, zweckmäßigerweise aus nicht- der unteren AbschUißwand 4 des Gehäuses 1 auf.
rostendem Stahl. Kathodenplatten 14 von etwa 3 mm Die oberen Sicherungslappen 26 haben Schlitze 27, Stärke und aus reaktivem Material, wie Titan ader die Sicherungsschrauiben 28, die in entsprechende Ge-Zirkon, bestehend, sind an den rechteckigen Blöcken windelöcher in die Lappen 25 eingreifen, aufnehmen; 13 mittels Schrauben 15 befestigt, welche Löcher in 60 die Schrauben sind nur hindurchgesteckt, so daß keine den Kathodenplatten 14 durchsetzen und in entspre- feste Verbindung der Sicherungsschrauben 28 mit den chende Gewindelöcher in den Teilen 13 eingreifen. Lappen 26 stattfindet. Die Sicherungsschrauben 28 Andere reaktive Materialien, die Anwendung finden dienen nur dem Zweck, zu verhindern, daß die die können, sind Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Pumpelemente enhaltenden Gefäße 12 aus den Lappen Eisen, Chrom, Nickel, Barium, Alumimium, Thorkim, 65 26 herausfallen, wenn die Pumpe >auf den Kopf geMagnesium, Kalzium, Strontium sowie Elemente der stellt wird.

V. IV. und VI. Gruppe des Periodischen Systeme, An dem Zylinderstutzen 6 sind mehrere Hochinsbesondere seltene Erden·. An dem oberen, an der Spannungsisolatoren 29 radial angeordnet, welche eine

Stirnseite vorgesehenen Block 13 haben die Kathoden- isolierte Durchführung einer entsprechenden Anzahl

platten 14 Längsschlitze, durch welche Bolzen 16 ge- 70 von Hochspannungsleitungen 31 in das Pumpgehäuse

Claims (7)

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hinein gestatten. Mehrere Metallstreifen 32, die aus Gauß. Das magnetische Feld liegt senkrecht zu den Kupfer bestehen können, sind an die Innenleiter 31 Kathodenplatten 14, und eine Glimmentladung ergibt angeklemmt unter Anwendung von Klammern 33. sich in dem Zwischenraum zwischen den zellenför-Das andere Ende der stromführenden Streifen 32 ist migen Anoden 17 und den Kathodenplatten 14.
mittels einer Schraube an dem Anodenrahmen 18 be- 5 Durch die Glimmentladung werden positive Ionen

festigt. Auf diese Weise kann eine hohe positive gebildet, die die negativen Kathodenplatten 14 bom-

Spannung gegenüber den Kathodenplatten 14 über die baidieren und die aus reaktivem Material bestehenden

Leitungen 31 und die Streifen 32 der Anodenanord- Platten zum Zerstäuben bringen. Das zerstäubende

nung 17 zugeführt werden. reaktive Material wird zum größten Teil auf den

Die Kathodenplatten 14 sind von den Anoden 17 ίο großflächigen zellenförmig aufgebauten Anoden 17

mittels der keramischen Isolatoren 21 isoliert. Die gebunden. Gasmoleküle, die in Berührung mit dem

Kathodenplatten 14 sind elektrisch mit den Blöcken 13 soeben niedergeschlagenen reaktionsfähigem Katho-

verbunden und über die Ansatzlappen 25 mit dem denmaterial kommen, werden gebunden und auf diese

Pumpengehäuse. Im Betrieb wird eine hohe positive Weise beseitigt, so daß das Gehäuse 1 und die anderen

Spannung, beispieleweise 3000 Volt betragend, den 15 damit über die Pumpleitung 8 in Verbindung stehen-

Anoden 17 gegenüber den Kathodenplatten 14 züge- den Apparateteile evakuiert werden,

führt, so daß eine Glimmentladung zunächst entsteht. In Anbetracht der großen mittleren Kammer 2 der

Ein magnetisches Feld von 1000 bis 1800 Gauß Pumpe erfährt das Gas, welches in die Pumpe aus wird senkrecht zu den Flächen der Kathodenplatten anderen Apparateteilen, die evakuiert werden sollen, 14 erzeugt; das Magnetfeld wird von mehreren recht- 20 hineindiffundiert, nur wenig Widerstand, und es ist eckigen Permanentmagneten 35, die beispielsweise daher die Pumpgeschwindigkeit sehr hoch,
aus Nickel-Aluminium-Stahl bestehen können, ge- Dadurch, daß die Pumpelemente in Gefäßen 12 liefert. Die Permanentmagneten 35 haben Längs- zusammengefaßt sind, ist es sehr einfach, die Pumplöcher, in welche Bolzen 36 eingesetzt sind. Die elemente auszuwechseln. Um ein solches Gefäß 12 Bolzen durchsetzen die Permanentmagneten 35 und 25 auszuwechseln, muß der Streifen 32 von der Hochsind in Gewindebohrungen rechteckiger Pohlstücke 37 Spannungszuführung 31 durch Entfernen der Klameingeschraubt, die beispielsweise aus Eisen bestehen mer 33 gelöst werden. Dadurch, daß die Schrauben 28 können. Die Permanentmagneten 35 sind zu einem entfernt werden, kann das Gefäß 12, welches die Stapel zusammengefaßt, wobei sich die Ebene eines Pumpelemente enthält, angehoben, aus dem Ansatzsäulenförmigen Stapels im wesentlichen unter einem 30 zapfen 6 herausgeholt und durch ein neues Gefäß 12 rechten Winkel zu der des benachbarten Stapels be- mit Pumpelemienten ersetzt werden,
findet. Beim Zusammenbau <sind die säulenförmigen Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Stapel der Permanentmagneten mittels einer Stange Fig. 8 gezeigt. Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 38 von quadratischem Querschnitt, die aus einem ähnelt der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, magnetisch permeablen Material, beispielsweise aus 35 Es ist hier eine größere Anzahl rechteckiger Kam-Eisen, bestehen kann und Löcher zur Aufnahme der mern 3 vorgesehen, die mit der großen mittleren Bolzen 36 besitzt, zusammengefaßt. Kammer 41' in Verbindung steht. Die kleineren

Eine andere Ausbildung der Permanentmagneten Kammern 3 erstrecken sich nach außen in bezug auf

ist in Fig. 3 a gezeigt, wobei eine größere magnetische die zylindrische mittlere Kammer 41' nach Art der

Feldstärke durch Vergrößerung der Länge der Per- 40 Speichen eines Rades.

manentmagneten 35' erzielt wird, die sich an dem Die Außen wandungen der Kammern 3 und 41' beäußersten Ende der Polstücke 37 befinden. stimmen die Außenfläche des Pumpgehäuse 42'. In

Die verschiedenen Permanentmagnetenanordnun- jeder der kleineren rechtwinkligen Kammern 3 be-

gen, die aus den Permanentmagneten 35, den Pol- findet sich ein Gefäß mit Pumpelementen. Die Gefäße

schuhen 37 und der Stange 38 bestehen, bilden eine 45 12 sind in derselben Weise befestigt, wie zuvor im

Baugruppe, welche außen an dem Pumpengehäuse 1 Zusammenhang mit den Fig. 5, 6 und 7 erörtert

mittels mehrerer rechtwinkliger Distanzierplatten 39 wurde.

angesetzt ist, wobei die Distanzierplatten beispiels- Das magnetische Feld wird von einer Mehrzahl

weise aus nichtrostendem Stahl 'bestehen können und sektorförmiger Permanentmagneten 43' geliefert,

beispielsweise durch Helium-Schutzgasschweißung an 50 welche radiale Bohrlöcher besitzen und von Zapfen 44

dem Pumpengehäuse 1 befestigt sind. Die Distanzier- durchsetzt werden. Die Zapfen 44 sind beispielsweise

platten 39 haben Schraublöcher 41. im Wege der Schweißung an der Wandung des Ge-

Die magnetischen Polstücke 37 passen zwischen die fäßes 42' befestigt und erstrecken sich nach außen.

Distanzierplatten 39, die unten und oben an dem Die Zapfen 44 besitzen an ihren freien Enden Ge-

Pumpengehäuse 1 angeopdnet sind, und werden in 55 winde, auf welche Muttern zur Befestigung der Per-

ihrer Lage durch rechteckige Halteplatten 42, die manentmagneten zwischen den kleineren rechteckigen

ebenfalls aus nichtrostendem Stahl bestehen können, Kammern 3 aufgeschraubt werden,

gehalten. Die Halteplatten 42 haben entsprechende Die Pumpgeschwindigkeit einer Pumpe gemäß

Löcher, durch welche Befestigungsschrauben 43, die Fig. 8, deren mittlere Kammer einen Durchmesser

in die Schraublöcher 41 der Platten 39 eingreifen, ge- 60 von etwa 75 cm und eine Länge von ungefähr 12 cm

setzt werden, zu dem Zwecke, die Platten 42 gegen hat, beträgt 3500 1 pro Sekunde bei einem Druck von

die Distanzierplatten39 zu drücken und die Magnet- 10— 'mm Hg.
anordnung zu befestigen, so daß sie von der Pumpe
nicht abfallen kann.

Im Betrieb wird zunächst die Vakuumpumpe auf 65 Patentansprüche:
einen Druck von etwa 10~² mm Hg durch eine mechanische Vakuumpumpe ausgepumpt. Ein positives Poten- 1. Ionen-Vakuumpumpe, bei der unter Anwential von etwa 3000 Volt wird an die zellenförmige dung eines die Elektronenbahnen verlängernden Anodenanordnung 17 gelegt. Die Permanentmagneten Magnetfeldes eine Glimmentladung zwischen einer liefern ein magnetisches Feld von etwa 1000 bis 1800 70 Kathode und einer Anode zwecks Zerstäubens der

ersteren und Auffangens der zerstäubten Kathodenpartikel auf Auffangflächen erzeugt wird und die Anode flächenmäßig und/oder raummäßig so unterteilt ist, daß in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld eine Vielzahl gleichzeitig auftretender ,5 Entladungsbahnen gebildet wird, wobei die Kathode aus parallelen, in Richtung des Magnetfeldes hintereinanderliegeniden Teilen besteht und zwischen je zwei Teilen eine Anode vorgesehen ist, die vorzugsweise zellenförmig mit in Richtung des Magnetfeldes liegenden Zellen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das in Längsrichtung sich erstreckende Gehäuse der Pumpe nach außen gerichtete Kammern hat, die vorzugsweise durch zwei breitere Seitenwandflächen und eine schmalere Endfläche gebildet werden, daß Elektrodenanordnungen, die aus parallelen Kathoden und dazwischen angeordneten, vorzugsweise zellenförmig ausgebildeten Anodenteilen bestehen, in den Kammern angeordnet und Permanentmag- ao neten bzw. deren Polflächen an den Außenseiten der Kammerwandungen so angeordnet sind, daß ein sich von der einen Kammerwandung zu der anderen Kammerwandung erstreckendes Magnetfeld erzeugt wird,

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere radial sich erstreckende Kammern an das Pumpengehäuse angesetzt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagneten zwischen den sich radial erstreckenden Kammerwandungen vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung und die Kathodenanordnung eine vorzugsweise einschiebbare Baugruppe bilden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung mit den beiden Kathoden am einen Ende fest und am anderen Ende gleitfähig in Verbindung steht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kathoden, und zwar etwa in der Mitte derselben, Distanziermittel vorgesehen sind, weiche ein Durchbiegen der Kathoden während des Betriebes verhindern.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die elektrisch wirksamen Pumpenorgane bildenden Baugruppen Führungslappen vorgesehen sind und mit Gegenstücke bildenden Führungslappen an der Innenwandung des Gehäuses der Pumpe zusammen wirken.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Au'slegeschrift A 23048 I a/27 d (bekanntgemacht am 21. 6. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 697/131 12.60