DE1095957B - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer ein sorbiertes Gas enthaltenden duennen Metallschicht - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung einer von einer flächenhaften Unterlage getragenen dünnen Metallschicht, in der ein Gas sorbiert ist, vorzugsweise zur Herstellung von mit Tritium beladenen Titan- oder Zirkonschichten, wobei die metallische Schicht von einer langgestreckten, das Sorbermetall tragenden Verdampferquelle aus im Vakuum auf die Unterlage aufgedampft und das Gas vorzugsweise unter Wärmeeinwirkung zur Sorption gebracht wird.

Die hohe Affinität gewisser Metalle, wie z. B. Lithium, Tantal, Beryllium, Zirkon oder Titan, zu bestimmten Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Deuterium oder Tritium, wird in der Technik schon für die verschiedensten Zwecke ausgenutzt, z. B. bei der Herstellung von Prallkörpern zum Beschuß mit Teilchen, die in Beschleunigern auf hohe Energien gebracht wurden. Körper, die einen Tritium enthaltenden Überzug aufweisen, werden ferner als Quellen für ionisierende Strahlung gebraucht, z. B. zur Lumineszenzanregung von Phosphoren, zur Erzeugung von positiven oder negativen Ionen oder zur Erzeugung von Betateilchen für elektrische Stromquellen, die auf einer unmittelbaren Umsetzung von Kernstrahlung in elektrische Energie beruhen.

Es ist bereits bekannt, Tritiumscheiben für Beschleuniger dadurch herzustellen, daß man dünne Tantal schichten in einer Tritiumatmosphäre erhitzt, nachdem sie vorher im Vakuum durch Glühen entgast worden waren. Das bekannte Verfahren liefert jedoch wellige, außerordentlich spröde Metallschichten. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit hat man auch bereits Zirkonschichten auf Wolframbleche aufgeschmolzen und dann die aufgeschmolzene Zirkonschicht mit Tritium beladen.

Dicke, aufgeschmolzene Schichten besitzen einen prinzipiellen Nachteil, der seine Ursache in der geringen Energie der vom Tritium emittierten Betateilchen hat. Tritium, das radioaktive Isotop des Wasserstoffes mit der Massenzahl 3, emittiert bekanntlich Betateilchen mit einer maximalen Energie von etwa 18 keV und einer mittleren Energie von etwa 6 keV. Da Tritium sehr teuer ist und da seine Strahlung nicht dicke Schichten eines Trägermaterials zu durchdringen vermag, müssen Quellen für ionisierende Strahlung, die Tritium verwenden, sehr dünn sein, damit unnötige Verluste vermieden werden. Die Betateilchen mit der größten Energie, die beim Zerfall von Tritium entstehen, können bekanntlich schon eine Aluminiumschicht nicht mehr durchdringen, deren Dicke größer ist, als einem Flächengewicht von 0,54 mg/cm² entspricht. Bei in Titan sorbiertem Tritium beträgt die maximale Schichtdicke, die von den schnellsten Elektronen noch Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer ein sorbiertes Gas enthaltenden

dünnen Metallschicht

Anmelder:

Radiation Research Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

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

Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 22. April 1957

John H. Coleman, New York, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

durchdrungen werden kann, etwa 1,2 Mikron. Die Strahlung von in tieferen Schichten sorbiertem Tritium kann also nicht mehr an die Oberfläche gelangen.

Man hat nun auch bereits Tritium enthaltende Scheiben dadurch hergestellt, daß man eine dünne Zirkonschicht auf eine Wolframscheibe aufgedampft hat. Die Wolframscheibe und das von einem Wolframheizdraht abgedampfte Zirkonmetall wurden vor dem Bedampfen durch längeres Erhitzen entgast. Die bedampfte Wolframscheibe wurde dann aus der Be-

4.0 dampfungsapparatur entnommen und in eine Vakuumapparatur gebracht, wo das aus einer Uranfalle freigesetzte Tritium dann in der induktiv erhitzten Zirkonschicht zur Sorption gebracht wurde. Das unter günstigsten Umständen erreichbare Beladungsverhältnis betrug dabei 1,5 Tritiumatome zu 1 Zirkonatom.

Da sich Wasserstoff beispielsweise mit Titan oder Zirkon in einem Verhältnis von 1,75 bzw. 1,92 verbindet, kann angenommen werden, daß das Isotop Tritium ähnliche Verbindungsverhältnisse ergeben muß. Die bekannten Verfahren ergaben mit Zirkon im Normalfalle etwa ein Verhältnis von 1, was unnötig große Flächen zur Folge hat, wenn eine bestimmte Strahlungsintensität gefordert wird. Die

009 680/416

nach bekannten Verfahren hergestellten Schichten zeigen außerdem eine von Punkt zu Punkt der Oberfläche wechselnde Strahlungsintensität, was auf eine ungleichmäßige Sorption schließen läßt und diese Schichten für manche Zwecke, z. B. für die Lumineszenzanregung von flächenhaften Quellen mit gleichmäßiger Strahlungsstärke, ungeeignet machen.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Herstellung von dünnen Schichten mit hohem Tritiumgehalt besteht in der Vergiftung der sorbierenden Schicht. Eine Vergiftung der sorbierenden Schicht vor der Sorption eines gewünschten Gases kann vom Einschluß von Verunreinigungen im Sorbermetall oder von Verunreinigungen, die während der Herstellung der Schicht in diese gelangen, herrühren. Solche Verunreinigungen können aus Gasen, wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff usw., bestehen, die leicht mit den Sorbermetallen unter Bildung von Nitriden, Oxyden, Hydriden usw. reagieren, ferner auch aus öl- oder Wasserdämpfen, die in ähnlicher Weise mit den Atomen des Sorbermetalls reagieren können und dabei in der Sorberschicht den Platz besetzen, der sonst von dem gewünschten Gas eingenommen würde. Dadurch behindern Oberflächenschichten aus Nitriden, Oxyden und anderen Verunreinigungen das Eindringen des gewünschten Gases in die Sorberschicht. Da sie nicht leicht reduziert oder entfernt werden können, sollten sie in der Schicht verteilt werden, um die Beladung der Schicht mit Tritium zu erleichtern.

Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Schichten vermieden werden; insbesondere sollen ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben werden, durch die die Herstellung von Schichten mit beträchtlicher Fläche möglich ist, die sowohl die optimale Strahlungsdichte als auch eine gleichmäßige Verteilung der Strahlung über die ganze Fläche aufweisen. Weiterhin soll die Verunreinigung der Sorberschicht wesentlich verringert werden. Die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung in der Praxis auftretenden Oberflächenverunreinigungen auf der sorbierenden Schicht sind so gering, daß die gewünschten Gase unter Umständen sogar ohne Wärmeeinwirkung bei wesentlich geringeren Drücken sorbiert werden, als nach den bisher bekannten Verfahren zu erwarten war. Die zu sorbierenden Gase werden dadurch besser ausgenutzt, was vor allem bei teuren Gasen, wie Tritium, wichtig ist. Alle diese Vorteile werden erreicht, obgleich das Verfahren und die zu seiner Ausübung angegebene Einrichtung so einfach sind, daß sie von ungeübten Kräften ausgeführt und bedient werden können.

Ein Verfahren zur Herstellung einer von einer flächenhaften Unterlage getragenen dünnen Metallschicht, in der ein Gas sorbiert ist, vorzugsweise zur Herstellung von mit Tritium beladenen Titan- oder Zirkonschichten, wobei die metallische Schicht von einer langgestreckten, das Sorbermetall tragenden Verdampferquelle aus im Vakuum auf die Unterlage aufgedampft und das Gas vorzugsweise unter Wärmeeinwirkung zur Sorption gebracht wird, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender \^erfahrensschritte:

a) Die Unterlage wird zu einem Zylinder gebogen und in eine evakuierbare zylindrische Kammer gebracht, in deren Achse die Verdampferquelle angeordnet ist;

b) die Kammer wird in bekannter Weise evakuiert;

c) die Verdampferquelle wird in bekannter Weise zum Entgasen des Sorbermetalls so weit erhitzt, daß noch kein wesentliches Verdampfen des Sorbermetalls erfolgt, wobei jedoch gleichzeitig die Unterlage durch die Wärmestrahlung von der Verdampferquelle aus geheizt und entgast wird;

d) die Energiezufuhr zur Verdampferquelle wird nach dem Ausheizen so weit gesteigert, daß das Sorbermetall auf die Unterlage aufdampft, und nach Bildung der Schicht unterbrochen;

e) unmittelbar nach der Bildung der Sorbermetallschicht wird das zu sorbierende Gas in die noch

ίο evakuierte Kammer eingeleitet;

f) die Sorption wird gegebenenfalls durch erneutes ■und wiederholtes Heizen der Verdampferquelle

gefördert.
Eine zur Ausübung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine zylindrische, evakuierbare Reaktionskammer, die die zu einem Zylinder gebogene, zu bedampfende Unterlage eng umschließt und in deren Achse eine langgestreckte, das Sorbermetall tragende Verdampfungsquelle angeordnet ist, ferner durch eine Wärmeisolation zwischen der zylinderförmigen Unterlage und der Wand der Kammer und durch eine an die Reaktionskammer angeschlossene Vakuumanlage, deren Volumen im Verhältnis zum Volumen der Reaktionskammer möglichst klein ist. Als zu bedampfende Unterlage findet vorzugsweise ein Blech aus rostfreiem Stahl Verwendung; zur Speicherung des zu sorbierenden Gases kann ein bekannter, heizbarer Behälter Verwendung finden, der metallisches Uran enthält.

Die Verdampferquelle kann aus einem langgestreckten Heizdraht bestehen, der, auf einem Teil seiner Länge gleichmäßig verteilt, eine bestimmte Menge des aufzudampfenden Metalls trägt. Der Heizdraht wird dann in bekannter Weise durch Stromdurchgang erhitzt.

Die Einrichtung kann aber auch so ausgebildet sein, daß an den Heizfaden und die Unterlage getrennt eine Spannung angelegt und die Reaktionskammer evakuiert und mit einem inerten Gas unter niederem Druck gefüllt werden kann. Zwischen dem Heizfaden und der Unterlage wird dann eine entsprechende Spannung angelegt, um eine Gasentladung zu erzeugen, die den Heizfaden, das aufzudampfende Metall und die Oberfläche der Unterlage durch Ionenbeschuß reinigt.

Nach dieser Reinigung wird alles Gas abgepumpt, und das Aufdampfen der sorbierenden Schicht und die Sorption des Tritiums wird wie beim vorhergehenden Beispiel vorgenommen.
In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Tritium enthaltende Schicht gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Herstellung von tritiumbeladenen Schichten,

Fig. 3 einen Querschnitt einer Reaktionskammer zur Herstellung von tritiumbeladenen Schichten gemäß der Erfindung und

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Reaktionskammer.

In Fig. 1 ist schematisch eine tritiumenthaltende Schicht, die eine großflächige Strahlungsquelle 2 enthält, dargestellt und die eine Unterlage oder Trägerschicht 4, die vorzugsweise aus Metall bestehen soll, enthält, welche eine Schicht 6 trägt, die aus einem Material mit hoher Affinität zu dem gewünschten Gas, z. B. Tritium, besteht. Besonders geeignete Materialien als Trägerfolien sind Wolfram, Silber, Kupfer, Molybdän, Nickel und rostfreier Stahl. Selbstverständlich können auch andere Materialien ver-

wendet werden, vorausgesetzt, daß die Schicht des Sorbermetalls gut auf ihnen haftet und daß sie selbst keine zu hohe Affinität für das spezielle zu sorbierende Gas aufweisen. Eine gute Haftfähigkeit des Sorbermetalls ist deshalb erforderlich, da die Schicht beispielsweise als ungekapselte lonisationsquelle Verwendung finden kann und unter diesen Umständen natürlich ein Abblättern der radioaktiven Schicht unerwünscht ist. Das Trägermetall soll vor allem dann das verwendete Gas wenig sorbieren, wenn teure Gase, wie z. B. Tritium, Verwendung finden. Unter den obengenannten Metallen besitzt rostfreier Stahl gute Eigenschaften in bezug auf Adhäsion, geringe Neigung zum Brüchigwerden, Billigkeit und die Eigenschaft, nur in geringem Maße Gase zu okkludieren. Die Dicke der Unterlagenschicht 4 ist nicht kritisch, da sie nur als Träger für die sehr dünne aktive Schicht 6 dient.

Die Dicke der Sorberschicht 6 ist jedoch sehr kritisch. Wie bereits erwähnt, ist der Nutzeffekt der Strahlungsquelle eine Funktion der Dicke der Sorberschicht. Wenn die Dicke der radioaktiven Schicht zu groß ist, können auch die Betateilchen mit der höchsten Energie, die z. B. von zerfallenden Tritiumatomen an der Grenzschicht 7 zwischen der Sorberschicht 6 und der Unterlage 4 emittiert werden, nicht austreten und nicht zur Gesamtemission der Quelle beitragen.

Bei Titan ergab sich z. B. als Maximum eine Dicke von ungefähr 1,2 Mikron, die, ohne Tritium zu verschwenden, noch angewandt werden kann. Bei Zirkon beträgt die maximale Dicke der Sorberschicht etwa 0,85 Mikron. Für manche Zwecke sind dünnere Schichten überlegen, bei denen zwar die Gesamtemission pro Fläche verringert ist, da die Tritiumkosten pro Flächeneinheit wesentlich sinken und das Haften der tritiumbeladenen Schicht auf der Unterlage besser gewährleistet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Strahlungsquelle und andere ähnliche Anordnungen, die eine ein Gas enthaltende Schicht auf einer Unterlage aufweisen, können gemäß den Lehren der Erfindung durch eine Anordnung nach Fig. 2 in Verbindung mit einer Reaktionskammer nach Fig. 3 oder 4 hergestellt werden.

Die Einrichtung nach Fig. 2 enthält eine Hauptpumpleitung 9, die die Reaktionskammer 26 mit einer öldiffusionspumpe 10 verbindet. Die Leitung 9 hat einen ausreichenden Durchmesser, um eine schnelle Evakuierung der Reaktionskammer 26 zu ermöglichen, und enthält einen Absperrhahn 12, um die Reaktionskammer 26 von der Pumpe 10 abzutrennen. Die Pumpe 10 ist in üblicher Weise mit einer Vorpumpe 14 verbunden. Die Reaktionskammer 26 ist mit der Diffusionspumpe 10 weiterhin noch durch eine Parallelleitung 11 verbunden, die den Absperrhahn 12 in der Leitung 9 überbrückt. In der Mitte der Parallelleitung 11 ist eine Verteilerleitung 8 angeschlossen. In die Parallelleitung 11 sind auf beiden Seiten des Abzweiges zur Verteilerleitung 8 je ein Absperrhahn 13 und 15 eingeschlossen, so daß die Verteilerleitung 8 wahlweise an die Reaktionskammer 26 oder die Vakuumpumpe 10 angeschlossen werden kann. An die Verteilerleitung 8 sind jeweils absperrbar angeschlossen ein Membranvakuummeter 16 über den Hahn 17, ein Vakuummeter 18 über den Hahn 19, eine Verbindung 24 und ein Gasvorratsbehälter 28 über den Hahn 20, eine »Uranfalle« 30 über einen Hahn 32 und ein Reserveanschluß 36 über einen Hahn 34. Aus später noch zu besprechenden Gründen bezüglich des Systemvolumens sollen die Länge der Leitung 9 vom Hahn 12 zur Reaktionskammer 26, die Länge und der Durchmesser der Leitung 11 zwischen dem Hahn 15 und der Reaktionskammer 26 und die Länge und Durchmesser der Leitung 8 und der angeschlossenen Geräte so klein wie möglich sein.

Zur Speisung der Heizvorrichtung in der Reaktionskammer wird elektrische Energie über die Leitungen 21 und 22 von dem Regeltransformator 33 zugeführt. Dieser Regeltransformator 23 ist seinerseits

ίο über die Anschlüsse 25 und 27 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden. Wärme zur Aktivierung der Uranfalle 30 wird durch eine Heizspule 40 geliefert, die über einen Regelwiderstand 42 mit den Anschlüssen 44 verbunden ist. Die Anschlüsse 44 sind mit einer Stromquelle verbunden. Für die Uranfalle 30 kann statt der Heizspule 40 selbstverständlich auch ein Gebläsebrenner oder irgendeine andere bekannte Wärmequelle vorgesehen sein.

Mit Ausnahme der Reaktionskammer 26 sind alle Einzelteile des Pumpstandes für sich bekannt und dem Fachmann vertraut. Diese Einzelteile bilden also nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Das in Fig. 3 im Schnitt dargestellte Ausführungsbeispiel einer Reaktionskammer 26 enthält einen Hohlzylinder 46 und die Endplatten 48, 50 und 51. Der Zylinder 46 kann aus Glas oder einem anderen Isoliermaterial bestehen, das genügend fest und vakuumdicht ist. Die Endplatte 48 besitzt eine Mittelöffnung 52, mit der eine Pumpleitung 54 verlötet ist.

Die Endplatte 48 ist dadurch unlösbar mit dem Pumpstand nach Fig. 2 verbunden, das Rohr 54 entspricht dabei der in Fig. 2 schematisch gezeichneten Leitung 9. Die Innenfläche der Endplatte 48 ist mit einer ringförmigen Nut 56 zur Aufnahme eines Dichtungsringes 58 versehen. Der Dichtungsring 58 kann aus Gummi oder einem anderen hierfür bekannten Material bestehen und gewährleistet eine hermetische Abdichtung zwischen dem Zylinder 46 und der Endplatte 48. Längs des Umfanges der Endplatte 48 befinden sich drei oder mehr öffnungen 60 zur Aufnahme von mit Flanschen versehenen Isolierbuchsen 62. In den Isolierbuchsen 62 liegen ihrerseits wiederum Schraubenbolzen 64, die durch die Isolierbuchsen elektrisch gegenüber der Endplatte 48 isoliert sind.

An der Endplatte 48 ist fernerhin noch ein U-förmiges Anschlußstück 66 befestigt, das eine Schraube 70 zur Befestigung des einen Endes eines Wolframfadens 78 trägt, der in der gemeinsamen Achse der Endplatte 48 und des Zylinders 46 liegt.

Entsprechende Endplatten 50 und 51 sind am anderen Ende des Zylinders 46 angeordnet und schließen diesen an diesem Ende ab, sie werden durch die Schraubenbolzen 64 an Ort und Stelle gehalten, die durch am Umfang liegende öffnungen 68 bzw. 69 hindurchtreten. Die Anordnung wird durch Flügelmuttern 67 zusammengehalten, die auf die Schraubenbolzen 64 aufgeschraubt sind und an der Außenfläche der Endplatte 51 anliegen. Die Endplatte 50 ist innen mit einer kreisförmigen Nut 71 zur Aufnahme eines Dichtungsringes 72 versehen, ferner mit einer äußeren Ringnut 74 für einen Dichtungsring 76 und einer Mittelöffnung 77 für den Heizfaden 78. Zur Erleichterung der Evakuierung ist die Endplatte 50 fernerhin mit öffnungen 80 innerhalb des Bereichs versehen, der von der Ringnut 71 umschlossen wird. Der Heizfaden 78 tritt durch die Endplatte 50 und anschließend durch eine Spannfeder 86 in einen Halter 88, wo er mittels einer Halteschraube 84 verankert ist.
Die Endplatte 51 ist mit einer Ringnut 82 gleichen Durchmessers wie die Ringnut 74 für den Dichtungs-

ring 76 versehen. Der Mittelteil der Endplatte 51 springt gegenüber der an der Reaktionskammer 26 angrenzenden Fläche weit zurück, um einen Raum für die Spannfeder 86 und die Befestigung 88 für den Heizfaden zu ergeben. Zum elektrischen Anschluß der Anordnung sind Leitungen 21 und 22 vorgesehen, die mit den jeweiligen Endplatten 48 und 50 verbunden sind.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, passen die kreisförmigen Endflächen des zylindrischen Hohlkörpers 46 auf die Dichtungsringe 58 und 72. Der Dichtungsring 76 schließt seinerseits den Zwischenraum zwischen den Platten 50 und 51 vakuumdicht ab. Auf diese Weise wird unter Verwendung von in der Vakuumtechnik üblichen Mitteln eine vakuumdichte Reaktionskammer gebildet (mit Ausnahme der Auspumpleitung 54), die zur Aufnahme eines Hohlzylinders 93 aus dem zu überziehenden Material geeignet ist und diesen koaxial in einem bestimmten Abstand vom Heizfaden 78 halten kann. Um eine bessere Wärmeisolation vorzusehen, als durch den Glaszylinder 46 gegeben ist, wird zwischen den Zylinder 46 und den zu bearbeitenden Zylinder 93 eine dünne Lage 91, beispielsweise aus Glaswolle, eingefügt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist besonders dann zweckmäßig, wenn eine höchstmögliche Wärmeisolation für das zu überziehende Trägermetall wünschenswert ist. Dies wird durch die Vereinigung eines Materials geringer Leitfähigkeit für die Zylinderwand 46 und die zusätzliche Glaswolleschicht 91 erreicht. Andererseits ermöglicht die durchsichtige Wand des Zylinders 46, den Zustand und die Temperatur des Heizfadens während der Arbeit bequem zu beobachten. Die Glaswolleschicht 91 schließt außerdem Gas ein und addiert sich zum toten Volumen des Systems, ferner neigen die abgeschnittenen und geschliffenen Enden des Glaszylinders 46 zum Absplittern, wodurch das Vakuum gefährdet wird. Diese Nachteile werden bei der in Fig. 4 gezeigten Reaktionskammer vermieden, die sich besonders für Produktionszwecke eignet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Zylinder 96, der die Kammer einschließt und z. B. aus rostfreiem Stahl bestehen kann, mit Endflanschen 98 und 100 versehen. Beide Endflansche 98 und 100 haben eine Ringnut 104 zur Aufnahme der Dichtungsringe 105 bzw. 108 und sind mit Löchern 109 und 111 zur Aufnahme von Schraubenbolzen 110 versehen. Die Löcher 111 im Flansch 100 sind etwas erweitert, um Isolierkörper 114 aufnehmen zu können, die die Schraubenbolzen 110 vom Flansch 100 elektrisch trennen.

Der Flansch 98, der am pumpstandseitigen Ende der Reaktionskammer liegt, ist ferner innen mit einer längs des Umfangs versehenen Schulter 115 versehen, auf welcher eine Haltescheibe 116 für den Heizfaden ruht. Die Haltescheibe 116, die aus rostfreiem Stahl bestehen kann, besitzt eine Mittelöffnung 118 für den Heizfaden 120 und größere Öffnungen 122, die zwischen der Öffnung 118 und dem Umfang der Scheibe 116 liegen und zur Erleichterung der Evakuierung dienen. Die Bohrung 118 für den Heizfaden ist von einer Ansenkung 124 umgeben, die zur Aufnahme des einen Endes einer Spannfeder 126 dient und eine seitliche Verschiebung der Feder verhindert. Der Heizfaden 120 tritt dadurch axial durch die Spannfeder 126 in eine Befestigungsvorrichtung 128. Die axiale Bohrung dieser Befestigungsvorrichtung, die den Heizfaden aufnimmt, wird von einem Schraubenloch geschnitten, das eine Befestigungsschraube 130 aufnimmt.

Das beschriebene Ende der Reaktionskammer mit dem Flansch 98 paßt auf eine Endplatte 134, mit der sie durch Schraubenbolzen 110, die in geeigneten Löchern in der Scheibe 134 liegen, verbunden ist. Die Abdichtung erfolgt durch den Dichtungsring 105. Der Mittelteil der Endplatte 134 ist ausgebohrt, um die Auspumpleitung 54 aufzunehmen, die ihrerseits

ίο einen genügend großen Innendurchmesser hat, um einen genügenden Abstand von der Befestigungsvorrichtung 128 und der Feder 126 zu besitzen. Die Endplatte 134 ist mit der Leitung 54, die der Leitung 9 in der Anlage nach Fig. 2 entspricht, verbunden.

Der vakuumdichte Abschluß des anderen Endes des Zylinders 96 und die weitere Befestigung des Fadens 120 erfolgen durch die Endplatte 138. Die Endplatte 138 wird durch die Schraubenbolzen 110 und Flügeiao muttern 112 wie beim vorhergehenden Beispiel gegen den Dichtungsring 108 gedrückt. In diesem Falle dürfen sich jedoch die Endplatte 138 und der Flansch 100 nach der Montage nicht berühren, sondern sollen durch den Dichtungsring 108 elektrisch isoliert werden. Der Haltezapfen 140 für den Heizfaden ist axial in die Endplatte 138 eingeschraubt und hält den Heizfaden mittels einer Halteschraube 144. Um die Wärmeableitung vom Heizfaden zu verringern, ist der Halter 140 mit einem Hals 142 von verringertem Durchmesser versehen, der zwischen der Halteschraube 144 und der Endplatte 138 liegt. Die Endplatte 138 ist ferner mit einer Einblicköffnung 146 versehen, die mit einem Fenster 148 verschlossen ist, so daß die Heizfadentemperaturen mittels eines außenliegenden Pyrometers (nicht dargestellt) genau eingestellt werden können. Die Abdichtung der Endplatte 138 und des Fensters 148 erfolgt durch einen Dichtungsring 150, die Anordnung wird durch einen Haltering 152 gehalten. Wenn für eine bestimmte Vorrichtung und einen bestimmten Verfahrensschritt die Innentemperaturen einmal als Funktion des Stromes durch den Heizdraht 120 bestimmt sind, ist eine weitere Beobachtung durch das Fenster 146 nicht mehr notwendig.

Die im vorstehenden beschriebene Reaktionskammer kann bequem zusammengebaut und wieder zerlegt werden, so daß der zu bearbeitende Metallzylinder 154, der aus einer zylindrisch gerollten Metallfolie besteht, bequem ersetzt werden kann. Die Wärmeisolation des zu bedampfenden Metallzylinders 154 von dem Zylinder 96 der Reaktionskammer erfolgt durch einen zylindrischen Glaseinsatz 156, in den der Zylinder aus dem Trägermaterial eingepaßt wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist es möglieh, die Sorption eines Gases, wie beispielsweise Tritium, in einem sorbierenden Film auf einer Unterlage in einer Einrichtung nach Fig. 2 entweder in Verbindung mit einer Reaktionskammer nach Fig. 3 oder 4 vorzunehmen, ohne daß umfangreiche zusätzliehe Pumpeinrichtungen nötig sind, um das Gas, das sorbiert werden soll, unter Druck zuzuführen. Bei einer Betriebsart kann also das zu sorbierende Gas in einer üblichen 100-cm³-Flasche unter einem Druck von ungefähr 150 mm Quecksilber zugeführt und aus der Flasche in das System eingeleitet werden. In einem Pumpstand, bei welchem die Innenmaße der Reaktionskammer etwa 30 cm Länge und 4,5 cm Durchmesser betrugen und bei welchem sorgfältig darauf geachtet wurde, daß das Volumen der zusätzliehen Leitungen möglichst gering bleibt, so daß das

9 10

Gesamtvolumen (Hähne 12, 15, 19, 32 und 34 ge- Wenn Schichten maximaler Dicke zur Erzeugung

schlossen) in der Größenordnung von etwa 1 1 liegt, von Strahlungsquellen mit maximaler Strahlungskann also ein Druck von etwa 15 mm Quecksilber in dichte gewünscht werden, beträgt das Gewicht der der Reaktionskammer 26 erreicht werden, wenn man Ladung ungefähr 0,15 g. Es hat sich jedoch gezeigt, von einem Druck von etwa 150 mm in der Vorrats- 5 daß solche Schichten schlecht haften, flasche ausgeht. Durch eine derartige Verringerung Für den schichtförmigen Träger 4 (Fig. 1) eignet

des Totraumes kann auch ein Verhältnis von unge- sich besonders 0,05 mm dickes Blech aus rostfreiem fähr 2 :1 zwischen dem Volumen der Reaktions- Stahl, das elektrolytisch in einer Lösung von 1 Teil kammer und den übrigen Teilen des Systems, ein- konzentrierter Schwefelsäure, 1 Teil 30% Wasserschließlich Verteilerleitung 8, Niederdruckvakuum- io stoffsuperoxyd und 3 Teilen Wasser geätzt wurde, meter 16 und Flasche 32, erreicht werden. Die so geätzte Oberfläche bildet eine Unterlage, an

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, der das aufgedampfte Sorbermaterial gut haftet. Die daß eine Verunreinigung von eben erzeugten Sorber- Maße der rechteckigen Folie 4 sollen ungefähr schichten dadurch möglichst weitgehend verringert 15 X 30 cm betragen, so daß sich eine Überlappung wird, daß die Fläche der neugebildeten Sorbermetall- 15 von ungefähr 2,5 cm ergibt, wenn das Blech beim schicht im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Sy- Einsetzen in die Reaktionskammer aufgerollt wird, stems möglichst groß gemacht wird. Dadurch werden wobei eine aktive Fläche von ungefähr 23 X 13 cm im System nach der Evakuierung noch vorhandene verbleibt. Die Überlappung bietet ausreichend Platz Restgase stark verdünnt und ergeben bei einer Sorp- zur Befestigung der Ränder des Bleches aneinander, tion durch aktive Oberfläche der neu gebildeten 20 z. B. durch Punktschweißung, um ein Werfen des Zy-Schicht eine nur schwache Verunreinigung pro linders während der Bearbeitung zu verhindern. Die Flächeneinheit. Rechnet man mit einer Fläche der be- Überlänge des Zylinders verhindert die Bildung von handelten Folie von etwa 325 cm², so bekommt man ein tritiumbeladenen Schichten von nennenswerter Dicke Verhältnis von Fläche zu Volumen von besser als 1:3. auf den Innenwänden der Reaktionskammer und dient Indem man eine Verunreinigung der so gebildeten 25 zusätzlich zur Aufnahme des erwähnten seitlich verSchichten mit unerwünschten Nitriden, Oxyden usw. teilten Sorbermetalls über einen Bereich, der mithilft, weitgehend verringert, entfällt die Notwendigkeit die Aufzehrung von Restgasen durch den Mittelteil eines gesonderten Verfahrensschrittes zur Dispergie- der Folie zu verringern. Dies ergibt eine Steigerung rung der auf der Oberfläche liegenden Verunreinigun- von ungefähr 40% für das Verhältnis von Sorbergen in die Masse der Sorberschicht von der Sorption 30 fläche zu Apparatevolumen gegenüber dem, das vordes gewünschten Gases. Zusätzlich dazu ist die ent- handen wäre, wenn die Folie auf die genaue Länge stehende Vergiftung so klein, daß auch, wenn eine begrenzt wäre, die der Länge der Ladung auf dem Diffusion in die Schicht zur Sorption des gewünschten Heizfaden entspricht.

Gases erwünscht ist, die Menge des gewünschten Ga- Die so zugerichteten Heizfäden und schichtförmi-

sen, die nachträglich sorbiert wird, nicht wesentlich 35 gen Unterlagen können austauschbar in den Reakverringert wird. tionskammern nach Fig. 3 oder 4 verwendet werden.

Mit der beschriebenen Einrichtung können Über- Bei der Beschickung einer Reaktionskammer muß zugsschichten aus Sorbermetall mit einer gleichförmi- darauf geachtet werden, daß die Spannfeder 86 oder gen Dicke, die sich sehr gut zur Sorption von Tritium 126 genügend zusammengedrückt ist, um die ganze eignen, auf Flächen von ungefähr 18 X 13 cm in der 40 Verlängerung des Heizfadens, die bei der Erhitzung folgenden Weise hergestellt werden: auftritt, aufnehmen zu können. Man verhindert da-

Um die mittleren 18 cm eines Wolframdrahtes durch ein Durchbiegen des Heizfadens und ein dawird reines Sorbermetall in Drahtform gleichmäßig durch verursachtes ungleichmäßiges Bedampfen oder herumgewickelt, so daß sich ein das aufzudampfende sogar eine Berührung der Schicht. Material tragender Heizer ergibt. Es hat sich als 45 Wenn die Reaktionskammer 26 beschickt und eine günstig erwiesen, den das Aufdampfmaterial tragen- Flasche mit 50 Curie Tritium an das System nach den Teil des Heizers in einer gesättigten Lösung Fig. 2 angeschlossen ist, wird das System evakuiert, von Natriumkarbonat elektrolytisch zu polieren, so bis das Vakuummeter 18 einen Druck von weniger daß sich eine Oberfläche ergibt, die durch das schmel- als 0,05 Mikron anzeigt. Die Verbindung zwischen zende Sorbermetall leicht benetzt wird. Wenn Sorber- 50 dem Hahn 20 und der Tritiumflasche 28 muß ausgemetallüberzüge von hoher Haftfestigkeit erzeugt pumpt werden, bevor der Hahn 20 geschlossen und werden sollen, wird etwa 0,1 g Sorbermetall um den der Verschluß der Flasche 28 zum Freilassen des Heizfaden gewickelt. Die 0,1 g schwere Ladung kann Gases aufgebrochen wird. Der Heizfaden mit der Laaus 0,2 mm dickem Titandraht bestehen, die mit einer dung Sorbermetall und der Unterlagezylinder aus Steigung von 0,8 mm auf die mittleren 18 cm eines 55 rostfreiem Stahl werden dann entgast, indem man dreüitzigen 0,5 mm Wolframheizdrahtes gewickelt einen Strom von ungefähr 35 Ampere aus dem Regelsina. Diese Materialmenge ist so berechnet, daß sie transformator 23 durch den Heizfaden leitet, der dieaufgedampft eine Titanschicht von ungefähr 0,8 Mi- sen auf eine Temperatur von ungefähr HOO⁰C bringt. krön Dicke und eine Zirkonschicht von etwa 0,6 Mi- Wenn diese Teile dann unter Vakuum ausgeheizt und krön Dicke auf einer Fläche von 325 cm² ergibt. Bei 60 entgast sind, was wiederum durch eine Vakuumder Verdampfung der 18 cm langen Ladung ergeben anzeige von weniger als 0,05 Mikron angezeigt wird, sich natürlich gewisse Unterschiede in der Dicke der wird die Temperatur des Heizfadens plötzlich durch erzeugten Schicht wegen der Verteilung des ver- Verstellung des Regeltransformators auf ungefähr dampfenden Metalls entlang der Achse der Reaktions- 2200° C gesteigert, so daß die Ladung schmilzt, über kammer, indem nämlich eine Schicht von ziemlich 65 den Heizfaden verläuft und diesen benetzt. Anschliegledchförmiger Dicke auf einem Teil der Unterlage ßend schaltet man die Heizung ab und läßt die entsteht, die der Länge der Ladung entspricht, wäh- Schicht abkühlen, worauf die Temperatur des Heizrettd' anschließend an diesen mittleren, 18 cm langen fadens wieder auf 2200° C erhöht und auf diesem Teil der Unterlage die Schichtdicke bis auf Null ab- Wert gehalten wird, bis die gesamte Ladung von dem fällt. 70 Heizfaden abgedampft und auf der Folie niederge-

schlagen ist. Für diesen Zweck hat sich ein Heizstrom von etwa 50 Ampere für 20 Sekunden als ausreichend erwiesen. Anschließend wird der Heizstrom abgeschaltet und die Hähne 13 und 15 zur Vakuumpumpe 10 geschlossen. Der Verschluß der Tritiumflasche 28 wird dann in üblicher Weise mit einem durch eine äußere, nicht dargestellte Spule bewegten Eisenstück aufgebrochen, so daß Tritium in das Verteilerrohr 8 strömen kann. Nach Ablesung des Druckes am Vakuummeter 18 wird Hahn 12 geschlossen und Hahn 13 geöffnet, so daß das Tritium in die Reaktionskammer 26 strömen kann. Wenn das Tritium sofort in das System eingeleitet wird, d. h. im Verlaufe von Minuten, beginnt die Sorption des Tritiums durch eine eben gebildete Titanschicht sofort. Läßt man das Tritium erst nach einiger Zeit einströmen, so kann eine Vergiftung der Oberfläche der neu gebildeten Schicht durch einige Moleküllagen von restlicher Luft oder Dämpfen stattfinden.

Störende Oberflächenschichten, die sich auf der Oberfläche der frisch gebildeten Sorbermetallschicht durch die Verzögerung der Zuführung des Tritiums gebildet haben und die erwiesenermaßen die Sorption behindern, können in der Sorptionsschicht verteilt werden, indem man so lange Wärmestrahlung durch erneutes Heizen des Heizdrahtes der Schicht zuführt, bis die Sorption beginnt, was durch einen Druckabfall am Vakuummeter 16 angezeigt wird.

In allen Fällen, wo die volle Tritiummenge, die von der 100-cm³-Flasche zugeführt wurde, nicht unmittelbar durch den Titanfilm absorbiert wird, was auch von der nachlassenden Sorptionsgeschwindigkeit mit geringer werdendem Druck in der Reaktionskammer herrühren kann, wird zusätzlich Wärme durch den Heizfaden zugeführt, um weitere Sorptionsreaktionen anzuregen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß Verbindungsverhältnisse von wesentlich größer als 1 laufend auch bei so niedrigen Drücken, wie etwa 2 mm Quecksilber in der Reaktionskammer erreicht werden können. Diese Erfolge mit der erfindungsgemäßen Anordnung stehen im Gegensatz zu veröffentlichten Werten, wie z. B. in Fig. 1,10,7 auf S. 167 des »The Reactor Handbook«, United States Atomic Energy Commission, März 1955, AECD-3647, aus welchem hervorgeht, daß Drücke oberhalb 7 mm nötig sind, um Kombinationsverhältnisse über 0,8 zu erreichen. Ohne an diese Erklärung gebunden sein zu wollen, wird vermutet, daß dieses unerwartete Verhalten seinen Grund nicht nur in der zusätzlichen Anwendung von Wärme bei der Reaktion durch die zusätzliche Heizung hat, sondern auch in der Gegenwart von ionisiertem Tritium, das durch die Hitze des Heizfadens erzeugt wird. Unabhängig von der Erklärung soll erwähnt werden, daß es sich herausgestellt hat, daß eine praktisch vollständige Tritiumbeladung von Schichten der gewünschten Dicke erreicht werden kann, wobei praktisch das ganze Tritiumvolumen, das zugeführt wurde, nutzbar gemacht ist.

Bei einer zweiten Betriebsart können Tritiummengen über die in einer 50-Curie-100-cm³-Flasche zugeführten hinaus verfügbar gemacht werden, indem man den Inhalt von mehreren Flaschen in der Uranfalle 30 speichert. Die Beschickung der Uranfalle 30 wird von dem Anschluß der Reaktionskammer 26 an das Verteilerrohr 8 vorgenommen. Zu diesem Zwecke werden die Hähne 12 und 13 geschlossen, so daß die Reaktionskammer 26 abgesperrt ist, und das Verteilerrohr 8 und der Raum zwischen der Flasche 28 und dem Hahn 30 werden über den Hahn 15 evakuiert, bis das Vakuummeter 18 einen Druck von 0,1 Mikron oder weniger anzeigt. Anschließend wird der Hahn 15 geschlossen und der Verschluß der Vorratsflasche 28 aufgebrochen und der Hahn 32 zur Uranfalle 30 geöffnet. Nun wird der Uranfalle 30 durch die Heizspule 40 Wärme zugeführt, um den Sorptionsvorgang des Urans in der Falle einzuleiten. Nach Beendigung der Sorption des in das Verteilerrohr 8 eingeleiteten Tritiums wird der Hahn 32 zur Uranfalle

jo 30 und der Hahn 30 zur Tritiumflasche 28 geschlossen und eine zweite Tritiumflasche an die Schnellkupplung 24 angeschlossen. Der Vorgang wird dann wiederholt, wobei der Hahn 20 geöffnet wird, um die Kupplung 24 vor dem Aufbrechen der Tritiumflasche zu evakuieren. Auf diese Weise kann in der Uranfalle 30 eine Menge Tritium gespeichert werden, die nur durch das Sorptionsvermögen des in der Falle enthaltenen Urans begrenzt ist. Die Verwendung einer derartigen Falle 30 bringt ferner noch den Vorteil mit sich, das Verhältnis zwischen dem Volumen der Reaktionskammer und dem Volumen des Systems weiterhin zu verbessern, da das Volumen der Flasche 28 während der Beladung einer Folie mit Tritium nicht mit dem System verbunden zu werden braucht.

Da mehr als nur 50 Curie an Tritium in der Falle gespeichert werden können, kann ein höherer Druck im System erzeugt werden, wobei diese Drücke die Tritiumbeladung von gewissen Materialien beträchtlich erleichtern.

Selbstverständlich kann die beschriebene Einrichtung und das beschriebene Verfahren in verschiedener Weise abgewandelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann z. B. eine Reinigung und ein Entgasen der Teile durch eine Gasentladung vorgenommen werden, anstatt daß diese Teile im Vakuum, wie beschrieben wurde, ausgeheizt werden, ferner durch eine Ausheizung des Aufdampfmaterials, des Heizers und der Unterlage vor dem Zusammenbau oder durch eine Vereinigung dieser Verfahren. Die Reaktionskammer nach Fig. 4 kann für Gasentladungen ausgebildet werden, indem man einen vakuumdicht eingeschmolzenen Leiter durch das Fenster 148 führt und einen üblichen elektrischen Leiter zum Anschluß zwischen der Durchführung

ί5 und der zylindrischen Aufdampfunterlage vorsieht. Durch ein elektrisches Feld zwischen dem Heizfaden und der Unterlage kann ein inertes Gas, wie z. B. Helium, das durch den Reserveanschluß 36 in die Reaktionskammer eingeleitet wurde, ionisiert werden.

Die gewünschte Reinigung kann dann durch Ionenbeschuß des Heizfadens, der Ladung und der Unterlage erreicht werden.

Obwohl die vorhergehende Beschreibung nur die Herstellung von Titan- oder Zirkonschichten, die mit Tritium beladen wurden, betraf, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, das Verfahren und die Einrichtung zur Herstellung von Schichten von anderen Metallen, wie z. B. Beryllium, Lithium, Niob usw., zu verwenden, wobei auch andere Gase als Tritium, wie z. B. Wasserstoff, Deuterium, Sauerstoff oder Stickstoff, verwendet werden können.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer von einer flächenhaften Unterlage getragenen dünnen Metallschicht, in der ein Gas sorbiert ist, vorzugsweise zur Herstellung von mit Tritium beladenen Titan- oder Zirkonschichten, wobei die metallische Schicht von einer langgestreckten, das Sorbermetall tragenden Verdampferquelle aus im Va-

kuum auf die Unterlage aufgedampft und das Gas vorzugsweise unter Wärmeeinwirkung zur Sorption gebracht wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Verfahrensschritte:

a) Die Unterlage wird zu einem Zylinder gebogen und in eine evakuierbare zylindrische Kammer gebracht, in deren Achse die Verdampferquelle angeordnet ist;

b) die Kammer wird in bekannter Weise evakuiert;

c) die Verdampferquelle wird in bekannter Weise zum Entgasen des Sorbermetalls so weit erhitzt, daß noch kein wesentliches Verdampfen des Sorbermetalls erfolgt, wobei jedoch gleichzeitig die Unterlage durch die Wärmestrahlung von der Verdampferquelle ausgeheizt und entgast wird;

d) die Energiezufuhr zur Verdampferquelle wird nach dem Anheizen so weit gesteigert, daß das Sorbermetall auf die Unterlage aufdampft, und nach Bildung der Schicht unterbrochen;

e) unmittelbar nach der Bildung der Sorbermetallschicht wird das zu sorbierende Gas in die noch evakuierte Kammer eingeleitet;

f) die Sorption wird gegebenenfalls durch erneutes und wiederholtes Heizen der Verdampferquelle gefördert.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zylindrische, evakuierbare Reaktionskammer, die die zu einem Zylinder gebogene, zu bedampfende Unterlage eng umschließt und in deren Achse eine langgestreckte, das Sorbermetall tragende Verdampfungsquelle angeordnet ist, durch eine Wärmeisolation zwischen der zylinderförmigen Unterlage und der Wand der Kammer und durch eine an die Reaktionskammer angeschlossene Vakuumanlage, deren Volumen im Verhältnis zum Volumen der Reaktionskammer möglichst klein ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus einem Blech aus rostfreiem Stahl besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Vorrichtung zur reversiblen Sorption eines Gasvorrates, vorzugsweise in Form eines heizbaren Behälters, der metallisches Uran enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Review of Scientific Instruments«, Bd. 20, 1949, S. 579 bis 582, und Bd. 22, 1951, S. 210, 211.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen