AT501721B1 - Verdampferquelle zum verdampfen von alkali/erdalkalimetallen - Google Patents

Description

2 AT 501 721 B1

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampferquelle zum Verdampfen von Alka-li/Erdalkalimetallen, deren Verwendung sowie ein Verfahren zum Erzeugen von hochreinem Alkali/Erdalkalimetalldampf in Vakuumanwendungen. s Das Einbringen und Verdampfen hochreiner Alkali/Erdalkalimetalle wird derzeit durch die Bereitstellung der reaktiven Komponenten (Alkali/Erdalkali) auf Salzbasis in Verbindung mit einem Reduktionsstoff und zusätzlicher Gettermaterialien bewerkstelligt. Derartige Systeme sind beispielsweise in der US 5,006,756, der US 5,066,888, der US 3,578,834 und der DE 1 614 678 A beschrieben. 10

Neben der aufwendigen Vorbehandlung der Aktivstoffe und der im Verdampfungsvorgang auftretenden exothermen Reaktion stellen die freiwerdenden Chromate und die zusätzlich auftretenden gasförmigen Verunreinigungen ein starkes Qualitätsproblem für die Endbeschichtung und ein toxisches Gesundheitsrisiko dar. Ein weiteres Problem sind die geringen Ausbeu-is ten an Aktivmaterial der am Markt befindlichen Systeme sowie deren Instabilität in Umgebungsatmosphäre.

Die Erfindung beabsichtigt die Überwindung dieser Probleme und Nachteile und stellt sich die Aufgabe, eine Verdampferquelle bereitzustellen, welche in Umgebungsatmosphäre stabil ist, 20 eine einfachen, kontrollierte Verdampfung von Alkali/Erdalkalimetallen in hoher Reinheit und eine hohe Ausbeute an Aktivmaterial ohne das Freiwerden von gesundheitsschädlichen Chromaten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verdampferquelle zum Verdampfen von Alka-25 li/Erdalkalimetallen gelöst, welche durch einen vakuumdichten Behälter, der in seinem Inneren ein Alkali/Erdalkalimetall und/oder eine Alkali/Erdalkalimetalllegierung enthält und eine mit einer temperaturabhängigen Dichtung verschlossene Öffnung aufweist, und eine Heizeinrichtung zum Verdampfen des Alkali/Erdalkalimetalls und/oder der Alkali/Erdalkalimetalllegierung gekennzeichnet ist. 30

Das Aktivmaterial kann hierdurch in Form der reinen Metalle oder geeigneter Legierungen verwendet werden, so dass beim Verdampfen keine verunreinigenden oder toxischen Substanzen freigesetzt werden. Außerdem findet keine Kontamination oder Vermischung mit der Umgebungsatmosphäre statt, da das Aktivmaterial in einem vakuumdichten Behältnis eingeschlos-35 sen ist und zu einem gewünschten Zeitpunkt durch Erhitzen geöffnet werden kann, so dass die Alkali/Erdalkalimetalle in hochreiner Form zur Verfügung stehen.

Mittels der Heizeinrichtung zum Verdampfen des Alkali/Erdalkalimetalls und/oder der Alka-li/Erdalkalimetalllegierung kann einerseits das vakuumdichte Behältnis leicht geöffnet und ande-40 rerseits das Aktivmaterial in einfacher Weise und kontrollierter Form durch Wärmezuführung von außen als Dampf verfügbar gemacht werden.

Das Material des Behälters wird entsprechend der Anwendung gewählt. Im Bereich der Vakuum- und Überdruckanwendungen sind rostfreie Stahl-, Keramik- oder Glasbehälter aufgrund der 45 geringen Ausgasung und der hohen Dichtheit besonders geeignet. Die Form des Behälters unterliegt keiner Beschränkung, solange entsprechende Presswerkzeuge das exakte Pressen und damit die Dichtheit des Behältnisses garantieren. Vorteilhafterweise ist der Behälter daher zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Formen denkbar. so Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung. Diese ermöglicht eine genau gesteuerte Energiezuführung und dadurch eine Verdampfung exakter Mengen von Alkali/Erdalkalimetallen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizeinrichtung als eine am 55 Behälter befestigte Heizdrahtwendel ausgebildet, welche den Behälter derart umgibt, dass die 3 AT 501 721 B1 aufzuheizende Behälterwand nicht in direktem Kontakt mit dem Heizdraht steht.

Hierbei ist im Bereich der temperaturabhängigen Dichtung bevorzugt eine elektrische Isolation, vorzugsweise aus Keramik, gegen den Heizdraht vorgesehen. 5

Von Vorteil ist dabei, wenn die Heizdrahtwendel an einer Stelle mittels der elektrischen Isolation am Behälter befestigt ist. Das heißt, die Isolation dient gleichzeitig zur Arretierung des Heizdrahtes. Zusätzlich ist die Heizdrahtwendel zweckmäßig mechanisch am Behälter, z.B. an dessen verpressten anderen Ende, fixiert. 10

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Heizeinrichtung als berührungslose Induktionsheizung ausgebildet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrich-15 tung als Verdampferschiffchen ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist bei den oben genannten Ausführungsformen der Erfindung die temperaturabhängige Dichtung aus In, Sn, Ga, Pb, AI oder deren Legierungen gebildet. Diese Metalle eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften, insbesondere auch wegen ihres Schmelzpunktes, besonders 20 gut zum Abdichten und kontrollierten Öffnen des vakuumdichten Behälters. Die Dichtheit und die Belastbarkeit der temperaturabhängigen Dichtung ist abhängig vom Ausgangsmaterial, der Materialdichte im Rohzustand und der Verdichtung während des Pressvorganges sowie der abzudichtenden Fläche bzw. dem jeweiligen Innendurchmesser des Freisetzungsauslasses. Bei größeren Dichtungsflächen kann mit stabilen Zwischenstücken (Ringe, Scheiben oder Recht-25 ecke aus Stahl, Keramik, Glas) eine zusätzliche Stabilisierung der Dichtung erreicht werden.

Eine gegebenenfalls weitere Öffnung des Behälters wird nach der Befüllung mit dem Aktivmaterial so verschlossen, dass gewährleistet ist, dass sie sich bei der Erhitzung des Behältnisses nicht öffnen kann. Es können unterschiedliche Materialien und je nach Anwendung unterschied-30 liehe Techniken eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Ende des Behälters mechanisch mittels einer Spindelpresse zusammengepresst und dann elektrisch vakuumdicht abgeschweißt werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Verfahren zum Erzeugen von hochreinem 35 Alkali/Erdalkalimetalldampf in Vakuumanwendungen dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Verdampferqueiie in eine Vakuumkammer eingebracht, die Heizeinrichtung zum Verdampfen des Alkali/Erdalkalimetalls und/oder der Alkali/Erdalkalimetalllegierung aktiviert und der vakuumdichte Behälter stufenweise erhitzt wird, bis das Alkali/Erdalkalimetall im Behälter nach Schmelzen der temperaturabhängigen Dichtung verdampft wird. 40

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Verdampferquelle. Die Einsatzgebiete für die Verdampferquelle finden sich im gesamten Bereich der Vakuumtechnologie und der Elektronik, in welcher hochreine Alkali- und Erdalkalimetalle eingebracht und verdampft werden. Die aufgedampfte metallische Schicht der Alkali/Erdalkalimetalle 45 kann als elektropositive Schicht bzw. als Kathode bei OLEDs oder anderen Elektronikbauteilen dienen, weiters als lichtsensitive Schicht in Photomultiplier oder als Dopant in Polymermaterialien Anwendung finden. Ebenso kann bei entsprechender Materialwahl die Verdampferquelle als EG (evaporierender Getter) zum Einsatz kommen. so Prinzip und Funktion einer Ausführungsform der Erfindung: 1) In inerter Atmosphäre (Glove Box) wird ein entsprechender Behälter, welcher einseitig mit einer thermisch sensitiven Metalldichtung versehen ist, mit dem gewünschten Alkali/Erdalkalimetall in Rein- oder Legierungsform befüllt. 55 4 AT 501 721 B1 2) Das andere Ende des Behälters wird entweder unter inerter Atmosphäre abgeschweißt oder vakuumdicht mittels Metall oder Klebekomponenten versiegelt. 3) Anschließend wird eine Heizwendel, bestehend aus Standard-Heizdraht, mit geringem Ab-5 stand zur Seitenwand des Behälters an diesem Ende mechanisch fixiert. Die Heizwendel wird zusätzlich am oberen Ende im Bereich der temperaturabhängigen Dichtung mit einer nicht leitenden Keramikisolation fixiert, um Kurzschlüsse an den Behälterwänden zu vermeiden. 4) Nach dem Einbringen der Verdampferquelle in eine geeignete Vakuumkammer wird die io Verdampferquelle mit entsprechendem Abstand zum zu bedampfenden Trägermaterial an den

Heizdrahtkontakten an elektrischen Durchführungen fixiert. 5) Nach Erreichen eines Vakuums im Bereich von 5,0X1 θ'6 mbar wird mittels Energiezuführung über die Durchführungen die Heizwendel erhitzt und der Ausgasprozess (Reinigung) eingeleitet. 15 Der Behälter wird dabei auf eine Temperatur von ca. 130°C gebracht, was einer Stromaufnahme von ca. 1 A eines Standard-Hochtemperaturheizdrahtes bei 0,7 mm Durchmesser und einer Gesamtlänge von ca. 7,5 cm Länge entspricht. Dieser Ausgasvorgang sollte über einen Zeitraum von ca. 5 min erfolgen. 20 6) Durch Erhöhung der Energiezuführung (Stromaufnahme ca. 1,5~2,5 A) erhöht sich die Tem peratur des Behälters über den Schmelzpunkt der Metalldichtung, z.B. auf ca. 200°C, und die temperatursensitive Metalldichtung schmilzt. Nach einer weiteren Ausgasphase von ca. 2 min. kann der Verdampfungsvorgang gestartet werden. 25 7) Durch die weitere Erhöhung der Energiezufuhr wird die notwendige Behältertemperatur zur

Verdampfung des gewünschten Alkali/Erdalkalimetalls eingestellt. Die Geschwindigkeit der Verdampfung ist über die Energiezufuhr und die Legierungszusammensetzung des Alkali/Erdalkalimetalls (Gruppen 1A, 2A) sowie deren Legierungen untereinander und der stabilen weiteren Legierungskomponenten (Gruppen 2B, 3B, 4B) sowie deren Legierungen untereinan-30 der exakt einstellbar.

Die Erfindung weist somit folgende Vorteile auf: • Unproblematisches Handling von Alkali/Erdalkali-Verdampferquellen in Umgebungsatmo-35 Sphäre • Leichtes Einbringen und Montage in Standard-Verdampferkammern. • Exaktes, einfaches und kontrollierbares Verdampfen von Alkali/Erdalkalimetallen. • Generieren von hochreinem Metalldampf frei von Verunreinigungen und toxischen Chromaten 40

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels und durch die Zeichnung näher erläutert, wobei Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferquelle und Fig. 2 eine Detail der Verdampferquelle von Fig. 1 darstellt. 45 Mit Bezugsziffer 1 ist ein rohrförmiger Behälter, z.B. aus Edelstahl, bezeichnet, in dessen Innerem sich ein Alkali/Erdalkalimetall und/oder eine Alkali/Erdalkalimetalllegierung befindet. Das eine Ende 2 des rohrförmigen Behälters 1 wurde durch Zusammenpressen vakuumdicht versiegelt, z.B. indem zuvor im Rohrende eine Indiumperle (5 mg) positioniert wurde. Das andere Ende 3 des Behälters 1, ist mit einer temperaturabhängigen Dichtung 4, z.B. aus Indium, verso schlossen, welche durch Erhitzen schmilzt und dadurch die Evaporationsöffnung freigibt. Unterhalb der Dichtung 4 ist der Behälter 1 mit einer Keramikisolation 5 versehen, an welcher eine Heizdrahtwendel 6 befestigt ist, welche den Behälter 1 spiralförmig umgibt. Außerdem wurde die Heizdrahtwendel 6 durch Umbiegen des zusammengepressten Endes 2 des Behälters 1 fixiert. An ihren beiden Enden kann die Heizdrahtwendel 6 mit einer Stromzuführung zwecks 55 Heizens des Behälters 1 kontaktiert werden.

Claims (10)

1. 5 AT 501 721 B1 In Fig. 2 ist die Keramikisolierung 5 dargestellt. Diese besteht aus einem Ring 7 sowie einer daran anschließenden Fase 8, welche eine gleichmäßige Arretierung der Heizwendel vom Mittelpunkt aus ermöglicht. 5 Beispiel: Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verdampferquelle wurde ein rohrförmiger Verdampferquellenbehälter aus Edelstahl mit einer Länge von 35 mm, einer Wandstärke von 0,35 mm und einem Innendurchmesser von 3 mm verwendet. 10 Als Material für die temperaturabhängige Dichtung wurde eine Passform aus verpresstem reinem Indium mit einer Dicke von 1 mm (ca. 5,5 mg) verwendet. Die Indiumdichtung wurde an der gewünschten Stelle (am Rohrende) positioniert und durch gleichzeitiges Pressen mittels eines Werkzeuges von beiden Seiten entsprechend verdichtet. Durch die Ausdehnung am Dichtungs-15 rand wurde das Rohr vakuumdicht versiegelt. Das so versiegelte Rohr wurde in einer Glovebox mit einer Csln-Legierung (40 mg) gefüllt. Anschließend wurde eine Heizdrahtwendel mit einem Keramikisolator auf dem Rohr angebracht. 20 Das noch offene Rohrende wurde mit einem eingebrachten Indium-Kügelchen mit einem Durchmesser von 2 mm mittels Flachzange vakuumdicht durch Zusammenpressen der Rohrwände versiegelt. Durch das Umbiegen des unteren Rohrendes wurde die Heizwendel endgültig fixiert und sichergestellt, dass es zu keinem direkten Kontakt mit der Behälterwand kam. 25 Die solchermaßen hergestellte Verdampferquelle wurde in einer Verdampferkammer ah elektrischen Durchführungen kontaktiert und fixiert. Nach Erreichen eines Druckes von 5,0X10"6 mbar wurde mittels Energiezuführung eine Stromaufnahme der Heizdrahtwendel von 1 A eingestellt, wodurch eine Ausgastemperatur von 130°C erreicht und 5 min lang ausgegast wurde, wobei 30 der Pumpstand weiter lief. Danach wurde die Energiezufuhr auf eine Stromaufnahme von 1,8 A eingestellt, wodurch die temperaturabhängige Dichtung am offenen Rohrende schmolz und ein Ausgasen des Rohrinnenraumes und der zu verdampfenden Legierung gewährleistet wurde. Dieser Vorgang wurde 35 3 min lang durchgeführt. Die Energiezufuhr wurde in weiterer Folge auf 2,3 A angehoben und das Cäsium in einem konstanten Dampfstrom langsam verdampft, wobei der gesamte Vorgang bis zur fast völligen Verdampfung des Cäsiums einen Zeitraum von 22 min in Anspruch nahm. Die an den Ver-40 dampferkammerwänden gebildete Cäsiumschicht zeichnete sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit und ein kontinuierliches Wachstum aus. Durch kontrolliertes Fluten der Kammer nach abgeschlossenem Verdampfungsvorgang konnte eine komplettes Abreagieren der Cs-Schicht mit den Umgebungsluftbestandteilen beobachtet 45 werden. Der ursprünglich Cs-goldene Film wandelte sich komplett in weißes Cäsium-hydrit/hydroxyd um. In der anschließenden Abwage der Verdampferquelle konnte eine Verdampfung von 18 mg Cäsium gemessen werden. so Patentansprüche: 1. Verdampferquelle zum Verdampfen von Alkali/Erdalkalimetallen, gekennzeichnet durch einen vakuumdichten Behälter, welcher in seinem Inneren ein Alkali/Erdalkalimetall und/oder eine Alkali/Erdalkalimetalllegierung enthält und eine mit einer temperaturabhängigen Dichtung verschlossene Öffnung aufweist, wobei die Dichtung eine bei einer bestimm- 55 6 AT 501 721 B1 ten Temperatur schmelzbare Metalldichtung ist, und eine Heizeinrichtung zum Verdampfen des Alkali/Erdalkalimetalls und/oder der Alka-li/Erdalkalimetalllegierung.
2. 2. Verdampferquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung ist.
3. 3. Verdampferquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als eine am Behälter befestigte Heizdrahtwendel ausgebildet ist, welche den Behälter derart io umgibt, dass die aufzuheizende Behälterwand nicht in direktem Kontakt mit dem Heizdraht steht.
4. 4. Verdampferquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der temperaturabhängigen Dichtung eine elektrische Isolation, vorzugsweise aus Keramik, gegen 15 den Heizdraht vorgesehen ist.
5. 5. Verdampferquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizdrahtwendel an einer Stelle mittels der elektrischen Isolation am Behälter befestigt ist.
6. 6. Verdampferquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als berührungslose Induktionsheizung ausgebildet ist.
7. 7. Verdampferquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als Verdampferschiffchen ausgebildet ist. 25
8. 8. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängige Dichtung aus In, Sn, Ga, Pb, AI oder deren Legierungen gebildet ist.
9. 9. Verfahren zum Erzeugen von hochreinem Alkali/Erdalkalimetalldampf in Vakuumanwen- 30 düngen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in eine Vakuumkammer eingebracht, die Heizeinrichtung zum Verdampfen des Alkali/Erdalkalimetalls und/oder der Alkali/Erdalkalimetalllegierung aktiviert und der vakuumdichte Behälter stufenweise erhitzt wird, bis das Alkali/Erdalkalimetall im Behälter nach Schmelzen der temperaturabhängigen Dichtung verdampft wird. 35
10. 10. Verwendung einer Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von hochreinen metallischen Alkali/Erdalkalischichten, als evaporierender Getter <EG), für Photomultiplier und OLED oder zum Dotieren von Polymermaterialien. 40 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 45 50 55