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Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine Ionengetterpumpe, gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1.
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In der Ultrahochvakuumtechnik werden üblicherweise spezielle Vakuumpumpen benutzt, welche die besonderen Anforderungen dieser Technologie erfüllen. Bekannt sind insbesondere Ionengetterpumpen und Titansublimationspumpen. Die Ionengetterpumpe, auch Ionenzerstäuberpumpe genannt, ist eine Sonderform der Sorbtionspumpe, bei der die Restgaspartikel (Atome oder Moleküle) durch Elektronenstoß ionisiert werden und durch ein elektrisches Feld auf eine Oberfläche beschleunigt werden.
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Dort werden die Restgaspartikel chemisch gebunden oder implantiert und sind somit dem Restgas entzogen. Beim Auftreffen der Ionen auf die Oberfläche werden Elektronen freigesetzt, welche weitere Restgaspartikel ionisieren können. Chemisch reaktive Moleküle werden auch ohne vorherige Ionisation beim Auftreffen auf ein Gettermaterial (wie z. B. Titan) gebunden.
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Die Ionengetterpumpe befördert das Restgas demzufolge nicht aus dem Vakuum, sondern hält die gepumpten Atome an der Pumpeninnenfläche fest bzw. „vergräbt” sie im Metall.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Ionengetterpumpen und deren Elektrodenanordnungen bekannt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 1 911 506 A wird beispielsweise eine Hochvakuumpumpe beschrieben, bei der das zu evakuierende Gas durch Elektronenströme ionisiert und anschließend durch ein Gettermaterial aufgefangen wird, wobei eine kugelförmige vakuumdichte negative Hüllenelektrode eine kugelförmige, für Gasteilchen durchlässige positive Innenelektrode konzentrisch umgibt.
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Die positive Innenelektrode bestimmt einen zentral zu beiden Elektronen liegenden freien Raum, wobei eine steuerbare Elektronenquelle derart in dem Raum zwischen den beiden Elektronen angeordnet ist, dass die erzeugten, die Gasmoleküle ionisierenden Elektronenströme unter der Wirkung eines zwischen den beiden Elektronen herrschenden elektrischen Feldes vor dem Auftreffen auf der Innenelektrode auf den freien Raum schneidenden Bahnen zirkulieren.
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Auch in der
DE 1 764 782 A wird eine Ionengettervakuumpumpe beschrieben, wobei mit dieser Pumpe eine verbesserte Behandlung von Edelgasen erzielt werden soll. Die Pumpe weist einen Kathodenvorsprung auf, der wenigstens in einen der Entladungskanäle der Anode hineinragt und an einem Punkt entlang des Entladungskanals aufhört, der näher als die Längsmitte liegt, so dass ein kombinierter Penningentladungs- und Magnetronentladungsbereich im Entladungskanal der Anode gebildet wird, wodurch die Kapazität der Pumpe zum Pumpen von Edelgasen verbessert wird.
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Vorzugsweise ist der Kathodenvorsprung ein zylindrischer Zapfen, so dass eine Zerstäubung sowohl vom freien Ende des Zapfens als auch von den Seiten des Zapfens erhalten wird.
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Gemäß Lehre nach
US 3,217,974 A ist eine Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe bekannt, wonach die Anode zylindrisch ausgebildet und beispielsweise zwischen zwei Kathodenplatten oder innerhalb eines Kathodenzylinders angeordnet ist. Der Anodenzylinder kann des weiteren gewellt bzw. geriffelt ausgebildet sein. Aufgrund der beschriebenen Elektrodenanordnung soll die Pumpgeschwindigkeit erheblich verbessert werden.
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Weitere Möglichkeiten der Elektrodenanordnung von Ionengetterpumpen sind in der
US 2,993,638 B beschrieben. Unter anderem kann die Anode als kammförmiges Element ausgebildet sein, welches das einströmende Gas zwischen den Anodenplatten des kammförmigen Elementes zirkulieren lässt. Die Kathode ist in diesem Fall durch zwei Kathodenplatten gebildet, welche parallel zueinander jeweils ober- und unterhalb der Anodenbleche angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Elektrodenanordnungen von Ionengetterpumpen derartig weiter zu entwicklen, dass der Leistungsgrad der Ionisierung und damit der Wirkungsgrad der Pumpe steigt.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Die Elektrodenanordnung besteht erfindungsgemäß aus mindestens zwei voneinander beabstandeten einen Innenraum bildenden Kathodenplatten und einem zwischen den Kathodenplatten senkrecht angeordneten, aus einzelnen nebeneinander verlaufenden Anodenelementen bestehenden Anodenelementstapel, wobei eine Seite der Elektrodenanordnung als Gas einlassende Öffnungsseite der Elektrodenanordnung ausgestaltet ist. Des weiteren ist vorgesehen, dass der Anodenelementstapel die Höhe des von den Kathodenplatten gebildeten Innenraums nahezu vollständig ausfüllt.
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Die einzelnen Anodenelemente des Anodenelementstapels verlaufen beabstandet zueinander in Längsrichtung zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung und enden an der zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung abgewandten Seite in einem elektrisch verbundenen Stirnanodenelement.
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Zusätzlich weisen die einzelnen Anodenelemente an der zum Stirnanodenelement abgewandten Seite jeweils eine das elektrische Feld optimierende Gestalt auf, welche über die gesamte Höhe des jeweiligen Anodenelements ausgebildet ist.
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Das Stirnanodenelement befindet sich in einer Parallelebene zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung, so dass die Anodenelemente sowohl zum Stirnanodenelement als auch zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung senkrecht verlaufen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kathodenplatten parallel zueinander beabstandet, so dass die einzelnen Anodenelemente, welche zwischen den Kathodenplatten senkrecht angeordnet sind, die gleiche Höhe aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kathodenplatten mit einem Winkel zueinander angeordnet sind, so dass sich entweder verschiedene Höhen bezüglich der Anodenelemente ergeben oder die Anodenelemente eine schräge Kante aufweisen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Anodenelementen um Anodenbleche. Diese Anodenbleche können beispielsweise quadratisch, trapezförmig oder in Form eines Parallelogramms konfiguriert sein.
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Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Stirnanodenelement ebenfalls um eine Stirnanodenplatte, wobei auch in diesem Fall verschiedenste Ausführungsformen bezüglich der Geometrie denkbar sind.
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Die feldoptimierenden Mittel der jeweiligen Anodenelemente können in Gestalt einer Abrundung des Anodenelementes ausgestaltet sein. D. h., dass bei der Verwendung von beispielsweise einem Anodenblech die Kanten der zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung gerichteten Seite des Anodenbleches abgerundet sind.
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Außerdem ist es denkbar, dass die feldoptimierende Gestalt als zylinderförmiges Element geformt ist. So kann das Anodenelement an der betreffenden Seite eine Verdickung in Form eines Zylinders aufweisen. Des weiteren sei erwähnt, dass dieses zylinderförmige Element auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen kann.
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Die einzelnen Anodenelemente des Anodenelementstapels müssen nicht zwangsläufig die gleichen feldoptimierenden Mittel aufweisen. Eine Kombination verschiedenster feldoptimierenden Gestaltungen ist durchaus denkbar.
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Zudem kann die feldoptimierende Gestalt als ein zum jeweiligen Anodenelement separates Bauteil ausgestaltet sein. Ein beispielsweise zylindrischer Stab wird dabei an das Anodenelement angebracht. Diese Fixierung kann z. B. durch Löten, Schweißen, Verkleben oder dergleichen erfolgen.
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Vorzugsweise sind die einzelnen Anodenelemente parallel zueinander und in Richtung des Stirnanodenelements angeordnet. Eine senkrechte Anordnung zum Stirnanodenelement ist hierbei besonders zweckmäßig. Es kann sich dabei z. B. eine kammförmige Geometrie des Anodenelementstapels ergeben.
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Die Anodenelemente können, vor allem wenn sie als Anodenbleche ausgestaltet sind, wellenförmig gebogen sein. Diese wellenförmige Biegung kann sich zum einen in Längsrichtung (also in Richtung des Stirnanodenelements) erstrecken und zum anderen ist eine wellenförmige Ausgestaltung über die gesamte Höhe des Anodenelements möglich, wobei als Höhe der von den Kathodenplatten gebildete Abstand bezeichnet wird.
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Die beiden Kathodenplatten sind mittels vier Eckstabilisatoren voneinander beabstandet. Bei einer parallelen Beabstandung der Kathodenplatten weisen diese vier Eckstabilisatoren die gleiche Höhe auf. Vorzugsweise sind diese Eckstabilisatoren als zylindrische Elemente ausgebildet, wobei der geometrischen Formgestaltung dieser Stabilisatoren keine Grenzen gesetzt sind.
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Vorzugweise wird der durch die beabstandet voneinander angeordneten Kathodenplatten gebildete Innenraum von Seitenflächen begrenzt, wobei höchstens eine Anzahl von Seitenflächen verwendet wird, welche der um 1 minimierte Anzahl von Kanten der Kathodenplatten entspricht. Das bedeutet, dass bei einer Elektrodenanordnung mit fünfeckigen Kathodenplatten maximal vier Seitenflächen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß ist die Seite der Elektrodenanordnung, welche als Gas einlassende Öffnungsseite der Elektrodenanordnung ausgestaltet ist, eine Freifläche.
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Des weiteren sind sowohl in direkter Nähe zu den Seitenflächen als auch an der Öffnungsseite der Elektrodenanordnung Kathodendrähte angebracht, welche senkrecht zu den Kathodenplatten angeordnet sind. Diese Kathodendrähte sind mit den Kathodenplatten elektrisch verbunden.
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Die Drähte weisen vorzugsweise einen Durchmesser von ca. 0,1 mm bis 10 mm auf, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen sie einen Durchmesser von 1 mm auf. Die einzelnen Kathodendrähte sind in einem Abstand von 10 mm bis 30 mm zueinander angeordnet, wobei besonders bevorzugt ein Abstand von 20 mm gewählt wird.
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Die Kathodendrähte sind sämtlich im Innenraum der Elektrodenanordnung angeordnet, befinden sich jedoch in direkter Nähe zu den Seitenflächen und der Öffnungsseite der Elektrodenanordnung, wobei hierbei ein Abstand von ca. 1 mm bis 10 mm gewählt wird.
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Zwischen den nebeneinander verlaufenden Anodenelementen ist mindestens eine Kathodenrippe angeordnet, welche auf der Kathodenplatte angebracht ist und ausgehend von dieser mindestens teilweise in den von den Kathodenplatten gebildeten Innenraum ragt. Die Kathodenrippe ist dabei sowohl auf der unteren Kathodenplatte, als auch auf der oberen Kathodenplatte angebracht. Die mindestens eine Kathodenrippe der ersten Kathodenplatte bildet mit der mindestens einen gegenüberliegenden Kathodenrippe der zweiten Kathodenplatte ein Kathodenrippenpaar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwischen allen Anodenelementen Kathodenrippenpaare ausgebildet. Das bedeutet, bei der Verwendung von beispielsweise sieben Anodenelementen werden sechs Kathodenrippenpaare ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen einem Kathodenrippenpaar mindestens ein Element zur Potentialsenkung angebracht. Das Element zur Potentialsenkung kann als stabförmiges Element ausgebildet sein.
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Außerdem ist vorgesehen, in der Elektrodenanordnung einen Heizdraht anzuordnen, welcher vorzugsweise in einer parallelen Position zu vorherrschenden Magnetfeldlinien angebracht ist.
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Bei der beschriebenen Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe liegen die als Anode ausgebildeten Elemente auf mit einem Potential von 0 V. Hierzu zählen die Anodenelemente sowie das Stirnanodenelement.
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Die als Kathode ausgebildeten Elemente, wie z. B. die Kathodenplatten, die Kathodendrähte und Kathodenrippen, sind hingegen mit einem Potential von –7 kV beaufschlagt. Das Pumpgehäuse, welches aus den beschriebenen Seitenflächen besteht, liegt ebenfalls, wie die Anode auf 0 V Potential.
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Zweckmäßigerweise sind die Kathodenplatten mit einem Gettermaterial versehen, wobei es sich hier vorzugsweise um Zirkoniumvanadium, Zirkoniumvanadiumtitan, Zirkoniumvanadiumeisen oder Zirkoniumaluminium handelt.
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Mit einer, wie oben beschriebenen, Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe kann der Ionisationswirkungsgrad nachweislich erhöht werden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe;
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2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung und
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3 eine Darstellung des elektrischen Feldes in einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung.
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Wie in 1 dargestellt, besteht die Elektrodenanordnung einer Ionengetterpumpe zunächst aus einzelnen Anodenelementen 1, welche in einem Stirnanodenelement 2 enden. Sowohl die Anodenelemente 1 als auch das Stirnanodenelement 2 sind auf einer Kathodenplatte 3 angebracht. In 1 ist lediglich eine Kathodenplatte 3 dargestellt, wobei die zweite Kathodenplatte parallel zur ersten Kathodenplatte 3 auf den Eckstabilisatoren 6 angeordnet wäre.
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Im dargestellten Beispiel sind die Anodenelemente 1 als Anodenbleche ausgeführt, welche parallel zueinander und senkrecht zum Stirnanodenelement angebracht sind. Außerdem liegt eine senkrechte Position der Anodenelemente zu der Kathodenplatte 3 vor. Die sechs Anodenelemente 1 bilden einen Anodenblechstapel, welcher in Längsrichtung zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung 4 verläuft. Der Anodenblechstapel füllt die Höhe des von den Kathodenplatten 3 gebildeten Innenraums vollständig aus.
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Die Anodenelemente 1 sind mit dem Stirnanodenelement 2 elektrisch verbunden. Am zur Öffnungsseite der Elektrodenanordnung hingerichteten Ende der Anodenelemente 1 sind feldoptimierende Mittel 5 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um zylinderförmige Elemente, welche in einem Stück mit den Anodenelementen 1 hergestellt wurden.
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Des weiteren verfügt die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung über Kathodendrähte 7, welche zum einen auf der Öffnungsseite der Elektrodenanordnung 4 und zum anderen in den durch die voneinander beabstandeten Kathodenplatten 3 gebildeten Innenraum in direkter Nähe zu den nicht dargestellten Seitenflächen angeordnet sind. Die Kathodendrähte 7 sind senkrecht zu den Kathodenplatten 3 angeordnet und weisen zueinander einen Abstand von ca. 20 mm auf. Im dargestellten Beispiel wurden Kathodendrähte 7 mit einem Durchmesser von ca. 1 mm verwendet. Von den Seitenflächen bzw. der Öffnungsseite 4 sind die Kathodendrähte 7 beispielsweise ca. 5 mm entfernt.
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Da die Kathodenplatte 3 in 1 vier Kanten aufweist, wird die dargestellte Elektrodenanordnung von höchstens drei Seitenflächen begrenzt.
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In der Schnittdarstellung der 2 wird verdeutlicht, dass zwischen den parallel zueinander angeordneten Anodenelementen 1 Kathodenrippen 9 angeordnet sind. Diese verlaufen ebenfalls parallel zu den Anodenelementen 1 und senkrecht zum Stirnanodenelement 2. Die Kathodenrippen 9 sind direkt auf der Kathodenplatte 3 angeordnet und ragen teilweise in den von den Kathodenplatten gebildeten Innenraum. Die Kathodenrippen 9 sind derart ausgebildet, dass sie jeweils auf der unteren bzw. oberen Kathodenplatte 3 direkt gegenüberliegend angeordnet sind und somit ein Kathodenrippenpaar bilden.
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Zwischen dem Kathodenrippenpaar ist mindestens ein Element zur Potentialsenkung 8 (wie in 1 dargestellt) angebracht. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um jeweils vier Elemente 8, welche im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind und als stabförmige Elemente ausgebildet sind.
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Die als Anode ausgebildeten Elemente, umfassend die Anodenelemente 1 und das Stirnanodenelement 2, liegen auf 0 V Potential, wohingegen die als Kathode ausgebildeten Elemente (Kathodenplatte 3, Kathodendrähte 7, Kathodenrippe 9) mit einem Potential von ca. –7 kV beaufschlagt sind.
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Die Kathode ist im dargestellten Beispiel mit einem Zirkoniumtitangettermaterial beschichtet.
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Wie aus 3 ersichtlich, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung für eine Ionengetterpumpe eine elektrische Feldverteilung, welche besonders gleichmäßig ausgebildet ist. Aufgrund der angebrachten Kathodendrähte 7, wird vermieden, dass sich die durch die Öffnungsseite 4 der Elektrodenanordnung einströmenden Elektronen auf den Seitenflächen 10 bzw. den Eckstabilisatoren 6 ablagern. Vielmehr werden die Elektronen in Richtung der Anodenelemente 1 abgestoßen. Aufgrund der optimierten Feldverteilung kann ein sehr hoher Ionisierungsgrad erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anodenelement
- 2
- Stirnanodenelement
- 3
- Kathodenplatte
- 4
- Öffnungsseite
- 5
- feldoptimierende Gestalt
- 6
- Eckstabilisator
- 7
- Kathodendraht
- 8
- Element zur Potentialsenkung
- 9
- Kathodenrippe
- 10
- Seitenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1911506 A [0006]
- DE 1764782 A [0008]
- US 3217974 A [0010]
- US 2993638 B [0011]
