DE1648367A1

DE1648367A1 - Diffusionsmembran-Anordnung,insbesondere fuer Lecksuchroehren

Info

Publication number: DE1648367A1
Application number: DE19671648367
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl-P Bueltemann
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1967-06-05
Filing date: 1967-06-05
Publication date: 1971-04-15
Also published as: US3717525A; FR1580255A; GB1235488A

Description

.Bremen, d. 19. Mai 1967 Sch/Schl

67.154· A/Va Diffusionsmembran

üeteiligungs- und Patentverwaltungsgesellscliaft mbH, jissen, Altendorfer Str. 103

Diffusionsmembran-Anordnung, insbesondere für i/eeksuchröhren

Die Erfindung betrifft eine Diffusionsmembran-Anordnung, insbesondere für lecksuchröhren mit selektiv durchlassigem Membranfenster und Messung durch Ionisierting und Ionenstrommessung.

Die Gasdurchlassigkeit von Membranen nimmt umgekehrt proportional mit der Membrandicke und exponentiell mit der Memorantemperatur zu. Will^man eine hohe Gasdurchlassigkeit erzielen, so muß die Membran möglichst dünn ausgeführt sein; denn die Temperatur kann nicht beliebig hoch gemacht werden.

Will man eine bevorzugte Durchlässigkeit für bestimmte Gase erzielen, so ist man außerdem an ausgesuchte Materialien gebunden. So ist beispielsweise Quarz selektiv durchlässig für Helium, Palladium für Wasserstoff. Verfahren zur Herstellung dünner Membrane sind zwar bekannt, z.i>. für Quarz

zu
mit Dicken bis/foeniger «Hsi >unt| derartige Membranen, sind jedoch,

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außerordentlich bruchempfindlich..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Diffusionsmembranen und Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die bei möglichst geringer Membrandicke eine gute Stoß- und Bruchfestigkeit aufweisen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß die Biffusionsmem.bran sich auf einem porös durchlässigen Träger befindet. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Membrandicke außerordentlich klein zu machen und somit eine hohe Sasdurchlässigkeit zu erzielen, gleichzeitig aber die bisherige hohe üruchempfindlichkeit der Membrane zu vermeiden.

Für Lecksuchröhren, die mit Helium als !Pestgas und einer Quarzmembran als selektiv durchlässiger Diffusionsmembran arbeiten, empfiehlt es sich, als poröse Trägerschicht eine poröse Quarzplatte zu verwenden.

Zur Herstellung der neuen Diffusionsmembran-Anordnung kann das Membranmaterial beispielsweise durch Aufdampfen in dünner, porenfreier Schicht auf einen Träger aufgebracht werden. Natürlich lassen sich hier auch andere bekannte Verfahren anwenden, mit denen dünne Schichten auf Trägerkörpern gebildet werden, z.H. durch Aufstäuben mittels Ionenzerstäubung, Plasmazerstäubung usw·

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±sei der Bildung dünn er Membranen durch Aufstäuben oder dergleichen Auftrageverfahren kann, man einen Hilfsträger mit glatter Oberflache verwenden, von welchem nach der Bildung der Membran diese gelöst und sodann mit dem porös durchlassigen Träger verbunden wird. Der Hilfsträger kann nach dem Auftragen des Membranmaterials durch ein .Lösemittel aufgelöst werden,das den Hilfsträger leicht, das Membranmaterial dagegen nicht auflöst.

Vorzugsweise wird als Träger zum Auftragen des Membranmaterials der porös durchlassige Trager für die zu fertigende Diffusionsmembren-Anordnung selbst verwendet. Wenn dabei die Weite der Poren des Trägers genügend klein ist, läßt sich ein Eindringen des Membranmaterials in die Poren der Trägeroberfläche beim Auftragen der Membranschicht vermeiden, bzw. in zulässigen Grenzen halten. Bei größerer Porenweite kann man sich dadurch helfen, daß die Poren des Trägers vor dem Aufbringen des Membranmaterials durch ein Deck- oder Füllmittel geschlossen werden, das nach dem Aufbringen des Membranmaterials zumindest im Bereich der Poren wieder zum Verschwinden gebracht wird. Dabei wird der Träger nach dem Schließen der Poren durch das Deckoder Füllmittel zweckmäßig geglättet. Als Deck- oder Füllmittel kann ein Material verwendet werden, das bei niedrigerer Temperatur schmilzt bzw. verdampft als das Material des Trägers und in flüssiger bzw. dampfförmiger Phase eingebracht wird.

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Nach, dem Aufbringen der Membran kann dann das Killmittel durch chemische Reaktion in den flüssigen oder gasförmigen Zustand überführt und abgesaugt werden, oder durch ein lösungsmittel aufgelöst werden.

Schließlich kann man auch die Oberflächenschiebrfc des porös durchlässigen Trägers selbst durch Oberflächenbehandlung in eine die Diffusionsmembran bildende, nicht poröse Schicht umwandeln, indem man die Oberflache beispielsweise durch .Elektronen—oder Ionenbeschuß oder durch Laserbestrahlung behandelt.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt eine Lecksuchröhre mit einer Diffusionsmembran-Anordnung nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Teil querschnitt durch eine Biffusionsmembran-Anordnung in größerem Maßstabe,

Fig. 3 in noch größerem Maßstab einen Querschnitt durch eine Membran-Anordnung nach der iapfindung zur Teranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Anordnung,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine» Diffusionsmentbran

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BAD ORIGlNAt

für eine andere Ausführungsform der Membran-Anordnung und

Fig. 5 eine solche Membran-Anordnung mit einer Membran nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist als Anwendungsbeispiel für Diffusionsmembran-Anoretnungen nach der Erfindung eine Lecksuchröhre herkömmlicher Bauweise in schematischer Darstellung veranschaulicht. Eine solche Lecksuchröhre bestehipaus einer Vakuumkammer 1, in deren Wandung 2 ein Fenster 3 mit einer Diffusionsmembran 4 erhöhter Durchlässigkeit zur bevorzugten Diffusion eines Testgases in den Innenraum vorgesehen ist. In der Kammer 1 ist zum Testgasnachweis ein Ionisationsmanometer 5 angebracht, das über eine elektrische Leitung 6 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Anzeigegerät verbunden ist. Zur Erhöhung der Gasdurchlassigkeit ist eine Heizspirale 7 zur Aufheizung der Diffusionsmembran 4 vorgesehen.

Die Diffusionsmembran 4 befindet sich auf einem porös durchlassigen Trager 8. Durch diese Verbindung der Diffusionsmembran •mit dem Träger ist es möglich, der Diffusionsmembran eine sehr kleine Dicke von z.ü. 3 Mm zu geben, da die Membran durch den porösen Träger den nötigen Halt bekommt und der Gefahr einer Zerstörung durch mechanische Uberbeanspruchung weitgehend entzogen ist·

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Das dargestellte Lecksuchgerät kann zum Auffinden von feinen Leckstellen an mit Testgas gefüllten Druckgefäßen entlang bewegt werden.

.Bei Verwendung von Helium als Testgas besteht die Diffusionsmembran zweckmäßig aus Quarz, welches für Helium selektiv durchlässig ist. Als Werkstoff für den porösen Träger ist ebenfalls Quarz geeignet, das als Filterglas unter der Bezeichnung "Vycorbrand Nr. 7930" (vergl. Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik von Dr. Werner ± Espe, Band 2, Seite 451-453 VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1962).

Wird ein porös durchlässiger Träger 8 von großer Porenweite verwendet, so kann man die Diffusionsmembran 4 auf die Innenseite der Vakuumkammer legen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Dadurch ist die Diffusionsmembran besonders gut gegen mechanische Beanspruchung geschützt.

Verwendet man dagegen porös durchlässige Träger von geringer Porenweite, insbesondere also auch das oben erwähnte Filterglas, dessen Poren zwischen 20 und 40 A liegt, legt man die Biffusionsmembran 8 auf die Außenseite, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, um sie in möglichst innigen Kontakt mit dem aus den Leckstellen dringenden Testgaa zu bringen. Man kann dann die Diffusionsmembran β durch ein Schutzgitter 9 abdecken·

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Die Diffusionsmembran. M- kann eine fest mit dem porös durchlässigen Träger 8 verbundene Oberflächenschicht bilden, wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 und 3 angenommen ist; sie kann auch, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, aus einem getrennten Teil bestehen und lose auf dem porös durchlässigen Träger liegen. In diesem Fall ist die Diffusionsmembran M-zweckmäßig mit einem verstärkten Rand oder Fassungsring 10 verbunden.

Zur Herstellung der sehr dünnen Diffusionsmembran kann das Membranmaterial z.B. durch Aufdampfen in dünner, porenfreier Schicht auf einen Träger aufgedampft oder mit bekannten Verfahren der Ionenzerstäubung und Plasmazerstäubung aufgetragen werden.

Zur Herstellung einer losen Membran nach Fig. M- und 5 erfolgt diese Auftragung des Membranmaterials auf einen Hilfsträger z. ü. in Form einer dünnen Platte 11, vergl. Fig. M-, die gon dem Fassungsring 10 für die fertige Membran umschlossen ist. Auf die bündig liegende gemeinsame untere Fläche von Hilfsträger 11 und Fassungsring 10 wird dann das Membranmaterial in der beschriebenen Weise aufgebracht. Nachdem dies geschehen ist, wird die Diffusionsmembran M- zusammen mit dem Fassungsring 10 vom Hilfsträger 11 gelöst und beispielsweise in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise mit dem porös durchlassigen Träger 8 verbunden·

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Das Lösen der Diffusionsmembran 4 mit ihrem F as sung s ring 10 vom Hilfsträger 11 kann in der Weise geschehen, daß der Hilfsträger 11 nach dem Auftragen des Membranmaterials durch ein geeignetes Lösemittel aufgelöst wird, das den Hilfsträger leicht, das Membranmaterial dagegen nicht auflöst. Bei Herstellung der Diffusionsmembran beispielsweise aus Quarz kann der Hilfsträger 11 aus Kupfer bestehen und z.ß. durch Schwefelsäure, welche Quarz nicht angreift, aufgelöst werden. Nachdem dies geschehen ist^wird die mit dem Fassungsring 10 fest verbundene Diffusionsmembran 4 lose in das Fenster der Kammer 1 gelegt, so daß sie auf den porös durchlässigen Träger 8 zu liegen kommt. Alsdann wird das Schutzgitter 9 aufgesetzt und die Membran mit ihrem Fassungsring 10 in ihrer ordnungsgemäßen Lage gesichert und vakuumdicht angeschlossen, so daß Gas lediglich durch die Membran 4 und den porösen Träger 8 hindurch in die Vakuumkammer 1 gelangen kann.

Wird die Diffusionsmembran 4, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, unmittelbar auf den porös durchlässigen Träger 8 selbst aufgetragen, so werden die Poren des Trägers, sofern ihre Weite ein unzulässiges !andringen des Membranmaterials beim Auftragen zur Folge haben würde, vor dem Aufbringen des Membranmaterials -durch ein Deck- oder Füllmittel, z.B. Zinn, Indium oder eine Legierung dieser Stoffe, geschlossen. Dieses Füllmittel schmilzt bei niedriger Temperatur von 100 - 300 ⁰O und wird in flüssiger bzw. dampfförmiger Phase eingebracht, so daß dieses Material 12,

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wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, die Poren des Materials in der Ilähe der Oberfläche bis zu einer gewissen liefe ausfüllt, Each dem Schließen der Poren durch das Deck- o&er Püllmittel wird der {Träger 8 sum Glatten seiner Oberfläche abgeschliffen· Danach wird das Membranmaterial auf die geglättete Oberfläche aufgetragen und alsdann das Füllmaterial 12 wieder _zuta Verschwinden gebracht, indem es beispielsweise in einem Lösungsmittel aufgelöst oder durch chemische Reaktion ir. den flüssige ader gasförmigen Zustand überführt und abgesaugt wird. Hier-ai, J:ann Salpetersäure verwendet werden»

Als träger für das Membranmaterial kann auch ein Körper verwendet werden j der zunächst poresfrei ist und nach den Aiii Dringen des Membranmaterials durch von der unbedeckte?! Seiii-j c-rfolgendes Herauslösen einer Komponente in ansich bekannter Weise porös gemacht wird. Besonders eignet sich für den vorliegenden Zweck ein durch Wärmebehandlung in zwei Phasen, eine lösliche und eine unlösliche Phase getrenntes Glasmaterial, wie es bei der Herstellung des obengenannten "Vycorbrand"-ölases &ls Zwischenprodukt aus einem G^Is etwa der Zusammensetzung 75$ SiOg, 20% BpO_x und 5% Alkalioxyde gebildet wird. Aus dsm SiOp-Schwamm-Skelett eines solchen Glases wird nach dem Aufbringen des Membranmateriais das die Poren des Skeletts ausfüllende Material (B₂O₅ und Na₂O) in heißer 3» - HCl oder 5n - HgSO^ ausgelaugt, bis nur noch das SiO₂-Skelett mit der es einseitig bedeckenden Diffusionsmembran, die ebenfalls aus SiO₂ bestehen kann, übrig bleibt.

Die Oberflächenschicht des porös durchlässigen Trägera kann auch durch Oberflachenbehandlung in eine die Diffueiönamembran bil- ^; dende nicht poröse Schloßt umgewandelt werden« Siege umwandlung

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der Oberflächenschicht erfolgt Torteilhaft durch Bestrahlung mit hoher spezifischer energie, z.B. mittels Elektronenöder lont-rbeschliiB oder Laser,

Xm .Rahmer der 7:~.£:. :.dung sind noch mancherlei Afc änderung ir. üt_g. andsx-e Ar. :^f"ür.r -.'-.^■--:..< .möglich. Juso es or de.;/χ ±zl dia dargi^texite Diifusio/ ^a^Kt r^:.- /-!.ordriitig nicht jr..:·. '^f''^:'-r Lecksuc?röhren sii setrö.uch;.. ., .-.i^ii-rr.. -.-crtciiiio.ft auch filv ;mdere "^ecki -5x:^enä"br beispielsweise xür· die Anreicherung oder Anreicherung einer Komponen-'? aus einer GasiLi:;chu.r;g, etwa iur lh trennung ^?, Trägergases s.us äem aus einer gaecb: ^i '■ ^itr :.phi.3ofcen Säule kornmeuden ixni zur ^ ~~r ijse ί-?.ψ. Pa^t-] --ld^urfcpessung in ein Masse spektroicet-er bzw, ,Lonisai;; · ;-manometer geführten Gasstrom,

Membran mit verstärktem Rand, ähnlich wie in Fig. 4- ur.1 5 dargestellt, kann auch durch verstärkte Bedampfung in der Handzone beim Auftragen des Membraniaateriales gebildet werden»

Insbesondere beim unmittelbaren Auftragen des Membranmaterials auf den porös durchlässigen Träger besteht die vorteilhafte Möglichkeit, der Diffusionsmembran beliebige, insbesondere gewölbte, ä.B. Jcugelflachenformige Gestalt zu geben, indem r man den porös durchlässigen Träger mit einer entsprechenden Form und Oberfläche versieht*

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Claims

Bremen,ά. 19. Mai 196? Sch/Schl 67.134 A/Va Diffusionsmembran Patentansprüche: :====arss=i

1. Diffusionsmembran-Anordnung, insbesondere für eine Lecksuchröhre mit selektsiv durchlässigem Membranfenster und Messung durch Ionisierung und Ionenstrommessung, " % dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsmembran (4) sich auf einem porös durchlässigen Träger (8) befindet·

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Träger (8) aus Quarz besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsmembran (4) lose auf dem porös durchlässigen Träger liegt.

4-. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ™ Diffusionsmembran (4) eine fest mit dem porös durchlässigen Träger (8) verbundene Oberflächenschicht bildet·

5. Verfahren zur Herstellung einer Diffusionsmembran-Anordnung mit auf einem porös durchlässigen Träger befindlicher Diffusionsmembran nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranmaterial z.B. durch Aufdampfen in dünner porenfreier Schicht auf einen Träger (8 oder 11) aufgebracht wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß

das Membranmaterial auf einen Hilfsträger (11) aufgetragen, sodann die so gebildete Diffusionsmembran ( M- ) vom Hilfsträger (11) gelöst und mit dem porös durchlässigen Trager (8) verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Hilfsträger (11) nach dem Auftragen des Membranmaterials durch ein Lösemittel aufgelöst wird, das den Hilfsträger leicht, das Membranmateri1\a dagegen nicht auflöst.

8. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Träger zum Auftragen des Membranmaterials der porös durchlässige Träger (8) für die zu fertigende Diffusionsmembran-Anordnung selbst verwendet wird.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des Trägers (8) vor dem Aufbringen des Membran-Materials durch ein Deck- oder Füllmittel (12) geschlossen werden, das nach dem Aufbringen des Membran-Materials zumindest im Bereich der Poren wieder zum Verschwinden gebracht wird.

10) Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (8) nach dem Schließen der Poren durch das Deckoder Füllmittel (12) geglättet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Deck- oder Füllmittel (12) ein Material verwendet wird,

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das bei niedrigerer Temperatur schmilzt dzw. verdampft als das Material des !Trägers und in flüssiger bzw. dampfförmiger Phase eingebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel (12) nach dem Aufbringen der Membran (4) in einem Lösungsmittel aufgelöst oder durch chemische Reaktion in den flüssigen oder gasförmigen Zustand überfuhrt und abgesaugt wird.

13· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Träsrer für das Membranmaterial (4) ein Körper verwendet wird, der zunächst porenfrei ist und nach dem Aufbringen des Membranmaterials durch von der unbedeckten Seite erfolgendes Herauslösen einer Komponente in ansich bekannter Weise porös gemacht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4· zur Herstellung einer Diffusionsmembran-Anordnung mit auf einem porös durchlässigen Träger befindlicher Diffusionsmembran, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht eines porös durchlässigen Trägers (8) durch Oberflächenbehandlung in eine die Diffusionsmembran (4) bildende, nicht poröse Schicht umgewandelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der Oberflächenschicht durch _cB^j|g^hlung erfolgt

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