DE2454796C2 - Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen und Vorrichtung zum Implantieren eines zu speichernden Gases in einem metallischen Festkörper - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Gattung sowie eine Vorrichtung zum Implantieren eines zu speichernden Gases in einem metallischen Festkörper der Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

In einem Leserbrief der Zeitschrift "Vaccum", Band 17, Nr. 6, 1967, S. 329/330 wird die Implantation von Inertgas-Ionen in einem metallischen, als Elektrode wirkenden Festkörper beschrieben, wie sie für lonen-Pumpen eingesetzt werden kann. Die implantierten Inerlgas-Ionen werden erst bei extremer Erwärmung des metallischen Festkörpers, bspw. Titan, wieder freigegeben.
Eine solche Langzeitspeicherung kann auch für die Lagerung von radioaktiven, gasförmigen Isotopen eingesetzt werden, die bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen anfallen. Ein besonderes Problem bei der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen ergibt sich nämlich daraus, daß dabei gasförmiges Krypton freigegeben wird, das in dem Kernbrennstoff enthalten ist Ungefähr 6 bis 8% des während der Wiederaufbereitung anfallenden gasförmigen Kryptons liegt in Form des radioaktiven Iostops Krypton-85 vor. Da dieses Isotop Krypton-85 eine Halbwertszeit von ungefähr zehn Jahren hat, muß bei der Langzeitspeicherung dieses Gases sichergestellt sein, daß es 100 bis 200 Jahre lang zuverlässig eingeschlossen wird.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei weiteren radioaktiven Isotopen, bspw. Xenon, Helium und Tritium.

Dabei fallen Xenon und Krypton gemeinsam während der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen an. Da jedoch Xenon eine kurze Halbwertszeit sowie einen wirtschaftlich zu nutzenden Wert hat, sollte es vor der Einlagerung des Kryptons von dem Gemisch Krypton/ Xenon getrennt werden.

Das aus dem Leserbrief in der Zeitschrift "Vacuum" bekannte Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen ist jedoch nicht für die Lagerung von gasförmigen.

radioaktiven Isotopen geeignet, da die Gase nur im Bereich der Oberfläche des metallischen Festkörpers eingeschlossen werden und deshalb die Gefahr besteht daß sie im Laufe der Zeit wieder abgegeben werden und/oder nach außen strahlen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem jeder Kontakt des implantierten Gases mit der Umgebungsatmosphäre ausgeschlossen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenderr Teilen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche 3 bis 7 definiert

Nach einem weiteren Aspekt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Implantieren eines zu speichernden Gases in einem metallischen Festkörper zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise den zuverlässigen Einschluß der Gasionen der radioaktiven Isotope in den metallischen Festkörper ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 angegebenen Merkmale erreicht

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche 9 bis 13 definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen {farauf, daß der metallische Festkörper gleichzeitig oder abwechselnd mit der Implantation durch Sputtern aufgebaut wird, also die Gasionen der radioaktiven Isotopen nicht nur im Bereich der Oberfläche, sondern über das gesamte Volumen des metallischen Festkörpers implantiert werden. Dadurch läßt sich gewährleisten, daß die implantierten Gasionen nicht in Berührung mit der Umgebungsatmesphäre kommen.

Werden Gasionen eines radioaktiven Isotops, bspw. von Krypton-85, in einem Festkörper, bspw. aus metallischem Nickel oder Kupfer, implantiert, so entstehen in dem Festkörper Krypton-Bläschen. Die Größe dieser Bläschen steht in einer bestimmten Beziehung zur Temperatur, wobei ihr Durchmesser bei einem typischen Anwendungsfall im Bereich von einigen hundert Angström liegt.

Diese Bläschen sind wenigstens bis zu der Temperatur stabil, bei der sie hergestellt wurden. Erfolgt also die Implantation der Krypton-Ionen in dem Festkörper bei erhöhten Temperaturen, bspw. im Bereich von etwa 500⁰C, so liegt die Temperatur, bei der die Gasionen des radioaktiven Isotops wieder frei gegeben werden würden, wesentlich über den üblichen, in der Umgebung des Speicherplatzes herrschenden Temperaturen.

Die Implantation der Gasionen der radioaktiven Isotope bei erhöhten Temperaturen stellt also einen guten Weg dar, die Gefahr einer Freigabe des implantierten Gases zu verringern, wenn der Festkörper während seiner Lagerung zufällig einer starken Wärmeeinwirkung ausgesetzt wird, wie es bspw. während eines Feuers der Fall sein kann.

Bei der Langzeitspeicherung von Gasen durch Implantation in einem metallischem Festkörper muß folgendes berücksichtigt werden: Obwohl leicht Gase relativ einfach eingebaut werden können, ist ihre Zerstäubungswirkung gering. Deshalb sollte das zu implantierende Gas ein weiteres, gasförmiges Material, wie bspw. Argon, enthalten, um den Sputter-Effekt zu verbessern.

Mit einem solchen Verfahren können bis zu etwa 3401 Krypton bei Normalbedingungen in 1000 ecm (8,9 kg) Nickel gespeichert werden.

Bei der bisher üblichen Speicherung von Gasen radioaktiver Isotope in einer Gasflasche lassen sich nur ungefähr 1701 Krypton bei Normalbedingungen pro Liter Gasvolumen mit einem Flaschendruck von etwa 155 kg/ cm² unterbringen.

Außerdem hat im Vergleich mit der Speicherung in einer Gasflasche die Implantation von Krypton in einen metallischen Festkörper den Vorteil, daß die während der Speicherung beim radioaktiven Zerfall erzeugte Wärme abgeleitet wird.

Nach der Implantation der Gasionen der radioaktiven Isotopen im metallischen Festkörper könnte diese mit einer weiteren Umhüllung versehen, also bspw. eingekapselt oder eingegossen werden, um die Gefahr einer Freigabe des Gases während einer längeren Lagerung weiter zu verringern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Rg. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Implantieren eines Gases in einem Festkörper und zum Aufbauen des Festkörpers durch Sputtern,

Flg. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Implantieren eines Gases in einen Festkörper-Film;

Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform einer Elektrode, die bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung verwendet werden kann;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zum Implantieren eines Gases in einen Festkörper und zum Aufbauen des Festkörpers durch Sputtern

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zum Implantieren eines Gases in einem Festkörper zum Aufbauen des Festkörpers durch Sputtern, und

Fig. 6 schematisch eine Modifikation der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung.

In den Fig. 2 und 3 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnungen ist eine abdichtbare bzw. luftdicht verschließbare Kammer 1 mit einer Rohrleitung 2 versehen, die über ein Ventil 4 mk einem Vakuumsystem 3, bspw. einer Vakuumpumpe, verbunden ist. In der Kammer 1 sind zwei feste, massive Elektroden 5 und 6 gehaltert, die aus einem Festkörper bestehen, der ein gasförmiges Material aufnehmen kann; weiterhin ist eine durchlässige Elektrode 7 vorgesehen, durch die sich das Gas bewegen kann. Die Elektroden 5, 6 und 7 sind jeweils mit einer (nicht dargestellten) Quelle für elektrische Energie durch Leiter 8,9 und 10 verbunden.

Um die beim Betrieb der Vorrichtung erzeugte Wärme abzuleiten, sind die Elektroden 5 und 6 mit Einrichtungen 11 bzw. 12 versehen, die ein Kühlmittel im Kreislauf durch die Elektroden führen, bspw. pumpen.

Das gasförmige Material wird über eine Rohrleitung 13 mit einem Steuerventil 14 in die Kammer 1 eingeführt.

Beim Betrieb wird die Kammer 1 zunächst mittels der Rohr'eitung 2, des Vakuumsystems 3 und des Ventils 4 auf einen Druck von ungefähr 13,3 Pa evakuiert.

Anschließend wird über die Rohrleitung 13 und das Ventil 14 das gasförmige Material, das in einem Festkörper implantiert werden und dadurch in diesem eingeschlossen werden soll, in die Kammer 1 eineeführt. so

daß es die Elektroden 5,6 und 7 umgibt; bei dem gasförmigen Material kann es sich bspw. um das Isotop Krypton-85 handeln. Das Steuerventil 14 wird automatisch durch den Druck in der Kammer 1 gesteuert, so daß immer weiteres gasförmiges Material eingeführt wird, um das Material zu ersetzen bzw. den Verlust an Material auszugleichen, das in den Festkörper implantiert wird. Andererseits kann es jedoch unter bestimmten Umständen notwendig sein, kontinuierlich Gas aus der Kammer 1 abzupumpen, um den darin erforderlichen geringen Druck aufrechtzuerhalten.

Durch den gesteuerten Einsatz der Quelle für die elektrische Energie bzw. das Anlegen eines gesteuerten elektrischen Feldes an die Elektrode 5,6 und 7 entsteht eine elektrische Entladung durch das gasförmige Material, so daß das gasförmige Material durch die Oberfläche der Elektroden 5,6 die der durchlässigen Elektrode 7 gegenüberliegen, in die Masse der Elektroden 5 und 6 implantiert wird.

Die Implantation der Ionen in die Elektroden 5 und 6 wird von einer Zerstäubung des Festkörpers begleitet aus dem sie bestehen. Dies führt normalerweise dazu, daß die Oberflächen der Elektroden abgetragen werden, bis schließlich das eingebaute gasförmige Material freigegeben wird. Durch Steuerung der Zufuhr an elektrischer Energie zu den Elektroden (bspw. so, daß eine Elektrode eine viermal höhere Entladung empfängt als die andere Elektrode) wird jedoch die Oberfläche der Elektrode 6 mit weiteren Materialschichten versehen und durch das Material aufgebaut, das von der Elektrode 5 durch Sputtern abgegeben wird. Dabei wird also die Elektrode 5 gewissermaßen "geopfert" und abgetragen, so daß das darin eingebaute gasförmige Material in das Innere der Kammer 1 freigegeben wird, während die Elektrode 6 dicker wird und das gasförmige Material einschließt.

Die Zufuhr an elektrischer Energie kann so gesteuert werden, daß Einbau bzw. Implantation und Aufbau gleichzeitig ablaufen; als Alternative hierzu können Einbau bzw. Implantation und Aufbau abwechselnd erfolgen. Die Steuerung der Zufuhr an elektrischer Energie kann beispielsweise durch Einstellen des Wertes und/ oder der Polarität des Potentials, das an eine bestimmte Elektrode angelegt wird, und/oder der Zeitspanne geschehen, während der das Potential an eine bestimmte Elektrode angelegt wird; dabei wird die bei elektrischen Entladungen übliche Technik verwendet

Die Zufuhr des radioaktiven Gases zu der Kammer 1 kann unterbrochen werden, so daß beispielsweise in der Kammer 1 eine Atmosphäre aus einem nicht-radioaktiven Gas hergestellt werden kann; dies ist insbesondere im Falle eines radioaktiven Gases, wie beispielsweise das Krypton-85-Isotop enthaltendes Krypton, wesentlich (dann kann beispielsweise nicht-radioaktives Krypton oder Argon eingeführt werden). Dadurch kann die Elektrode 6 einer abschließenden Behandlung unterworfen werden, so daß sich in der Nähe ihrer Oberfläche eine nicht-radioaktive Krypton-Schicht ergibt Nicht-radioaktives Krypton oder ein anderes Gas, wie beispielsweise Argon, kann verwendet werden, um Material auf der Elektrode 6 zu zerstäuben, so daß sich schließlich eine letzte Materialschicht ergibt, die im wesentlichen kein Gas enthält.

Wenn die Elektrode 6 im gewünschten Ausmaß und auf die erforderliche Dicke aufgebaut worden ist, und wenn die gewünschte Menge an gasförmigem Material darin eingeschlossen worden ist, wird die Kammer 1 geöffnet und die Elektrode 6 herausgenommen, um gespeichert zu werden; die Elektrode 6 bildet nun einen "Speicherblock" einer festen "Matrix", die gasförmige Bläschen enthält; bei Bedarf kann die Elektrode 6 anschließend mit einer weiteren Umhüllung versehen werden, beispielsweise eingekapselt oder vergossen werden.

Ein Festkörper, der mit einer Schicht aus nicht-radioaktivem Gas in der Nähe seiner Oberfläche versehen ist, gibt praktisch kein gasförmiges Material nach außen ab;

to das gasförmige Material kann erst dann austreten, wenn der Schmelzpunkt des Festkörpers erreicht wird.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann so abgeändert werden, daß keine durchlässige Elektrode 7 verwendet wird; dann werden der Beschüß und die Zerstäubung nur mit zwei Elektroden (die den Elektroden 5 und 6 entsprechen) durchgeführt. Beim Betrieb würde die Elektrode 5 wieder "geopfert", d. h. abgebaut, während die Elektrode 6 aufgebaut würde.
Selbstverständlich sind bei der hier beschriebenen Vorrichtung die Elektroden nur schematisch dargestellt; in der Praxis würden die Geometrie der Elektroden und ihre Abschirmung gemäß der bei Glimmentladungen verwendeten Technik ausgewählt, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen und um sicherzustellen, daß die Entladung in dem gewünschten Bereich stattfindet.

Berechnungen haben folgendes gezeigt: Werden für die beiden Elektroden (5 und 6) zwei Nickelplatten verwendet, die jeweils eine Oberfläche von 25 cm² haben, so kann die Nettogeschwindigkeit des Aufbaus der Platte, die der Elektrode 6 entspricht, ungefähr 5 mm/Tag bei einer Betriebsspannung von 3 KV bei 180 KW betragen (dabei wird angenommen, daß die Implantation lOAtom-% Krypton ergibt). Diese Berechnungen beziehen sich auf eine Vorrichtung, mit der pro Tag 100 Liter gasförmiges Material behandelt werden können.

Die folgende Beziehung für den elektrischen Strom ist bei Berechnungen verwendet worden, die in Bezug auf die vorliegende Erfindung durchgeführt wurden:

Jm. = JL + l ■

/, CS

dabei bedeuten

I_n, = der Strom zu der Elektrode, die durch Zerstäuben den Festkörper für den Aufbau liefert (d. h. also, für die Opferelektrode");
/, = der Strom zu der Target-Elektrode (d. h„ des Festkörpers, der durch Zerstäuben aufgebaut wird);

C — Atom-Konzentration des Kryptons in dem Festkörper; und

S = Zerstäubungsverhältnis bzw. Zerstäubungsausbeute für den Festkörper (Anzahl der Atome, die pro einfallendes Beschußteilchen Ionen (im Mittel) abgegeben wird).

Die Eindring- bzw. Implantationstiefe des Materials hängt bei Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung von der eingesetzten Energie ab; in einem typischen Fall kann das Material bis zu einer Tiefe von näherungsweise 10 nm unter der Oberfläche des Festkörpers eingebaut werden.

Als Alternative zu den gleichmäßigen, oder abwechselnden, Einbau und Aufbau, wie es oben beschrieben wurde, kann das gasförmige Material in eine dünne, beispielsweise 0,0254 mm (0.001") dicke blattförmige Schicht bzw. Folie oder in einem Film aus einem Festkörper (beispielsweise Nickel oder Kupfer) eingebaut werden, so daß in dem Festkörper eine Schicht aus dem

gasförmigen Material entsteht. Diese Implantation kann beispielsweise durch die Verwendung eines aus zwei Elektroden bestehenden Systems erreicht werden, das unter verringertem Druck steht; dabei ist eine Elektrode die blattförmige Festkörperschicht.

Gemäß Rg. 2 der Zeichnungen ist eine abdichtbare, insbesonder Luftdicht verschließbare Kammer 15 mit einer Rohrleitung 16 versehen, die über ein Ventil 18 mit einem Vakuumsystem, beispielsweise eine Vakuumpumpe, verbunden ist.

In der Kammer 15 sind zwei Zylinder 19 und 20 gehaltert, die als Rollen bzw. Walzen dienen und ein Flächengebilde bzw. blattförmige Schicht oder einen Film 21 eines Festkörpers tragen, der ein gasförmiges Material einschließen kann. Weiterhin wird in der Kammer 15 ein Elektrodensystem 22 gehaltert.

Die Zylinder 19 und 20 (und damit das blattförmige Gebilde oder der Film 21) sind elektrisch mit einer (nicht dargestellten) Quelle für elektrische Energie durch einen elektrischen Leiter 23 verbunden. Das Elektrodensystem 22 ist weiterhin durch ein elektrisches Leitungssystem 24 an die Quelle für elektrische Energie angeschaltet Zur Einführung eines gasförmigen Materials in die Kammer 15 ist eine Rohrleitung 25 mit einem Steuerventil 26 vorgesehen.

Beim Betrieb wird die Kammer 15 zunächst auf einen Druck von ungefähr 0,133 mb mittels der Rohrleitung 16, des Vakuumsystems 17 und des Ventils 18 evakuiert

Anschließend wird das gasförmige Material, das in einen Festkörper eingebaut und dadurch von diesem eingeschlossen werden soll, über die Rohrleitung 25 und das Ventil 26 in die Kammer 15 eingeführt, so daß es das flächige Gebilde oder den Film 21 und das Elektrodensystem 22 umgibt; bei dem gasförmigen Material kann es sich beispielsweise um Krypton handeln, das das Isotop Krypton-85 enthält. Das Ventil 26 kann automatisch durch den Druck in der Kammer 15 gesteuert werden, so daß gasförmiges Material eingeführt wird, das den Verlust an Material ausgleicht bzw. das Material ersetzt das in den Festkörper eingebaut worden ist Selbstverständlich kann es unter bestimmten Bedingungen notwendig sein, die Kammer 15 kontinuierlich abzupumpen, um darin den erforderlichen geringen Druck aufrechtzuerhalten.

Durch den gesteuerten Einsatz der Quelle für die elektrische Energie, d. h, durch Anlegen eines gesteuerten elektrischen Feldes an das Elektrodensystem 22 und das blattförmige Gebilde oder den Film 21 (der eine Elektrode bildet) über das Leitungssystem 24 bzw. den Leiter 23 wird eine elektrische Entladung durch das gasförmige Material erzeugt, so daß das gasförmige Material in beide Seiten des blattförmigen Gebildes oder Films 21 eingebaut wird.

Selbstverständlich kann bei Bedarf das Elektrodensystem 22 so ausgelegt werden, daß gasförmiges Material nur in eine Seite des blattförmigen Gebildes oder Films 21 eingebaut wird.

Durch die Zylinder 19 und 20 wird das blattförmige Gebilde oder der Film 21 relativ zu dem Elektrodensystem 22 bewegt so daß ständig frisches, unverbrauchtes festes Material für den Einbau des gasförmigen Materials zur Verfügung gestellt werden kann. In diesem Fall kann das unverbrauchte blattförmige Gebilde oder der Film beispielsweise von dem Zylinder 20 abgewickelt, in der Nähe des Elektrodensystems 22 durchgeführt werden, wodurch gasförmiges Material eingebaut wird, und auf den Zylinder 19 aufgewickelt werden.

In Abhängigkeit von der in irgendeinem Bereich des blattförmigen Gebildes oder Films einzubauenden Materialmenge kann ein blattförmiges Gebilde oder Film bzw. ein Teil davon mehrere Male an dem Elektrodensystem 22 vorbeigeführt werden, so daß es mehrere Implantationsbehandlungen erfährt. Unter bestimmten Umständen kann es notwendig sein, eine Kühleinrichtung vorzusehen, um die während des Betriebs der Vorrichtung erzeugte Wärme von dem blattförmigen Gebilde oder dem Film abzuführen.

Wenn die gewünschte Menge gasförmiges Material eingeschlossen ist, wird das blattförmige Gebilde oder der Film 21 aus der Kammer 15 entfernt und gespeichert; bei Bedarf kann eine weitere Umhüllung, beispielsweise durch Einkapseln oder Vergießen, verwendet werden.

In Rg. 3 der Zeichnungen ist in schematischer Form eine besondere Ausgestaltung von Elektroden dargestellt, die bei dem Elektrodensystem 22 nach Fig. 2 eingesetzt werden können.

Die Elektroden 22 sind in Form von Kammern 22a mit öffnungen 22b gezeigt, in deren Nähe der Bereich des blattförmigen Gebildes oder Films 21 angeordnet ist, in den das gasförmige Material eingebaut werden soll.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde, wird das blattförmige Gebilde oder der Film 21 mittels der Zylinder 19 und 20 vorwärtsbewegt. In ähnlicher Weise wird eine Verbindung mit der Quelle für elektrische Energie durch Leiter 23 und 24 hergestellt.

Beim Betrieb tritt eine Glimmentladung im Bereich der öffnungen 22b auf, so daß gasförmiges Material in das blattförmige Gebilde oder den Film 21 eingebaut wird.

Die Rg. 2 und 3 sind nur schematische Darstellungen der Vorrichtung, so daß in der Praxis die Elektrodengeometrie und ihre Abschirmung entsprechen der bei Glimmentladungen üblichen Technik ausgewählt werden können, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen und sicherzustellen, daß die Entladung in dem gewünschten Bereich auftritt.

Gemäß Rg. 4 der Zeichnungen ist ein zylindrischer Behälter 31 mit einer Rohrleitung 32 versehen; der zylindrische Behälter 31 besteht aus einem leitenden Festkörper, der ein gasförmiges Material einschließen kann; die Rohrleitung 32 steht mit dem Innenraum des Behälters 31 in Verbindung und ist über ein Ventil 34 an ein Vakuumsystem 33, beispielsweise eine Vakuumpumpe, angeschlossen.
Weiterhin ist eine Rohrleitung 35 mit einem Steuerventil 36 vorgesehen. Die Rohrleitung 35 steht mit dem Innenraum des Behälters 31 in Verbindung und ist so ausgebildet daß durch sie gasförmiges Material in den Innenraum des Behälters 31 eingeführt werden kann.

Eine Elektrode 37 ist in dem Behälter 31 angeordnet und wird durch diesem gehaltert; die Elektrode 37 besteht ebenfalls aus einem leitenden Festkörper, der ein gasförmiges Material einschließen kann. Der Behälter 31 und die Elektrode 37 sind mit einer elektrischen Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) über Leiter 38 bzw. 39 verbunden. Als Alternative hierzu kann der Behälter 31 auf Erdpotential gehalten werden. Die Elektrode 37 ist durch eine Isolierung 40 gegen den Behälter 31 isoliert

Um die beim Betrieb der Vorrichtung erzeugte Wärme abzuführen, sind die Elektrode 37 und der Behälter 31 mit Kühleinrichtungen versehen. Bei der Elektrode 37 weist die Kühleinrichtung eine Anordnung 41 auf, um ein Kühlmittel im Kreislauf durch die Elektrode zu füh-

ίο

ren, beispielsweise zu pumpen. Bei dem Behälter 31 ist die Kühleinrichtung eine Umhüllung oder ein Kühlmantel (nicht dargestellt), der den Behälter 31 umgibt; weiterhin umfaßt die Kühleinrichtung eine Anordnung (nicht dargestellt), um ein Kühlmittel im Kreislauf durch den Kühlmantel zu führen, beispielsweise zu pumpen.

Beim Betrieb wird der Behälter 31 zunächst mittels der Rohrleitung 32, des Vakuumssystems 33 und des Ventils 34 auf einen Druck von ungefähr 0,133 mb (100 Microns) evakuiert.

Anschließend wird das gasförmige Material, das in einen Festkörper eingebaut und dadurch in diesem eingeschlossen werden soll, über die Rohrleitung 35 und das Ventil 36 in den Behälter 31 eingeführt, so daß es die Elektrode 37 umgibt; als gasförmiges Material kann beispielsweise Krypton verwendet werden, das das Isotop Krypton-85 enthält. Das Ventil 36 kann selbsttätig durch den Druck in dem Behälter 31 gesteuert werden, so daß gasförmiges Material eingeführt wird, um den Verlust des Materials auszugleichen bzw. das Material zu ersetzen, das in den Festkörper eingebaut worden ist. Selbstverständlich kann es unter bestimmten Umständen erforderlich sein, den Behälter 31 kontinuierlich abzupumpen, um darin den erforderlichen geringen Druck aufrechtzuerhalten.

Aus dieser Beschreibung ergibt sich, daß die Elektrode 37 und der Behälter 31 zwei Elektroden eines elektrischen Entladungssystems bilden. Durch gesteuerten Einsatz einer Quelle für elektrische Energie bzw. durch Anlegen eines gesteuerten elektrischen Feldes an die Elektrode 37 und den Behälter 31 über die Leiter 39 bzw. 38 oder an die Elektrode 37, wenn sich der Behälter 31 auf Erdpotential befindet, tritt durch das gasförmige Material eine elektrische Glimmentladung auf, so daß das gasförmige Material in die Elektrode 37 und die Wände des Behälters 31 eingebaut wird.

Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erwähnt wur-' de, ist die Ionenimplantation in ein festes Material von einer Zerstäubung des festen Materials begleitet Weiterhin wird auch, wie oben erwähnt wurde, die innere Oberfläche des Behälters 31 durch Steuern der Quelle für die elektrische Energie bzw. des dadurch angelegten elektrischen Feldes (beispielsweise so, daß eine Elektrode eine z. B. viermal größere Entladung aufnimmt ais die andere Elektrode) durch das Material aufgebaut, das von der Elektrode 37 zerstäubt wird. Dabei wird also die Elektrode 37 "geopfert" und abgetragen, wobei das darin eingebaute gasförmige Material in das Innere des Behälters 31 freigegeben wird, während die Dicke der Wände des Behälters 31 zunimmt und gasförmiges Material in den Wänden eingeschlossen wird.

Die Steuerung der elektrischen Energiequelle kann beispielsweise durch Einstellen des Wertes und/oder der Polarität des Potencials, das an eine bestimmte Elektrode angelegt wird und/oder der Zeitspanne erfolgen, während der ein Potential an eine bestimmte Elektrode angelegt wird; bei dieser Einstellung handelt es sich um eine bei elektrischen Entladungen übliche Technik.

Nachdem die gewünschte Menge gasförmiges Material eingebaut worden ist, kann die Zufuhr des radioaktiven Gases zu dem Behälter 31 unterbrochen werden, so daß im Falle eines radioaktiven Gases, wie beispielsweise Krypton, das Isotop Krypton-85 enthält, eine Atmosphäre aus einem nicht-radioaktiven Gas (beispielsweise nicht radioaktives Krypton oder Argon) in den Behälter 31 eingeführt werden kann. Dadurch werden die Wände einer abschließenden Behandlung unterworfen, so daß sich eine nicht-radioaktive Gasschicht in der Nähe der Oberfläche ergibt. Das nicht-radioaktive Gas kann dazu verwendet werden, ein Material auf die Wände zu zerstäuben, so daß sich eine letzte, obere Materialschicht ergibt, die praktisch kein Gas enthält.
Wenn die Wände im gewünschten Ausmaß und auf die gewünschte Dicke aufgebaut worden sind, und wenn die gewünschte Menge gasförmiges Material darin eingeschlossen worden ist, so wird der Behälter 31 von dem Vakuumsystem 33, der Zuführrohrleitung 35, den Zuführungen 41 für die Kühleinrichtungen und den Leitern 38,39 für die elektrische Energiequelle abgetrennt und gespeichert bzw. gelagert.

Die zu Fig. 1 gemachten Feststellung bezüglich des gleichzeitigen Einbaus und Aufbaus bzw. des abwechselnden Einbaus und Aufbaus gilt auch für die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung.

Selbstverständlich zeigt Fig. 4 nur eine schematische Darstellung der Vorrichtung, so daß in der Praxis die Geometrie der Elektrode und ihre Abschirmung gemäß der bei Glimmentladungen üblichen Techniken ausgewählt werden können, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen und sicherzustellen, daß die Entladung in dem gewünschten Bereich auftritt.
Als Alternativen für die Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Glimmentladungen, wie sie bisher unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben wurden, können gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Ionenimplantationstechniken, beispielsweise Ionenkanonen oder von Elektronen getragene Entladungen eingesetzt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer von Elektronen getragenen Entladung soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben werden.

Gemäß Fig. 5 der Zeichnungen sind in einer abdichlbaren, insbesondere luftdicht verschließbaren Kammer

42 zwei feste bzw. massive Elektroden 43 und 44, ein Gitter 45 zwischen den Elektroden 43 und 44 und in dem Gitter 45 ein Glühfaden 46 vorgesehen; die Elektroden

43 und 44 bestehen aus einem Festkörper, der ein gasförmiges Material einschließen kann. Die Elektroden 43 und 44 sind durch Leiter 47 bzw. 48 mit einer (nicht dargestellten) Quelle für elektrische Energie verbunden.

Das Gitter 45 ist an eine (nicht dargestellte) Anordnung geschaltet, so daß durch einen Leiter 49 ein Potential an das Gitter angelegt werden kann; durch Leiter 50 und 51 wird dem Glühfaden 46 der Heizstrom zugeführt. Weiterhin sind Einrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen,

so die den oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Einrichtungen ähneln und zur Evakuierung der Kammer 42, zur Einführung eines gasförmigen Materials und zur Ableitung der während des Betriebs erzeugten Wärme von den Elektroden 43 und 44 dienen.

Beim Betrieb wird die Kammer 42 auf einen Druck von ungefähr 0,0133 mb (10 Microns) evakuiert; anschließend wird gasförmiges Material, das in einen Festkörper eingebaut und dadurch eingeschlossen werden soll, in die Kammer 42 eingeführt, so daß es die Elektroden 43 und 44, das Gitter 45 und den Glühfaden 46 umgibt Unter bestimmten Umständen muß dauernd gepumpt werden, wie oben erwähnt wurde.

Dem Glühfaden 46 wird ein elektrischer Strom zugeführt, während ein elektrisches Potential an das Gitter 45 angelegt wird, so daß in der Nähe des Gitters 45 und des Glühfadens 46 ein Bereich einer elektrischen Entladung oder eines Plasmas entsteht
An die beiden Elektroden 43 und 44 wird ein Potential

angelegt, so daß die positiven Ionen des einzuschließenden Materials aus dem Bereich des Glühfadens 46 und des Gitters 45 heraus gezogen und in die Elektroden 43 und 44 in einem Implantationsverfahren eingebaut werden. Dabei wird jedoch das Material dieser Elektroden durch den lonenbeschuß zerstäubt, so daß die Zuführung der elektrischen Energie bzw. das an die Elektroden 43 und 44 angelegte elektrische Feld, wie oben erwähnt, so gesteuert wird, daß sich eine Elektrode, beispielsweise die Elektrode 44, durch das von der anderen Elektrode 43 zerstäubte Material aufbaut.

Die Größe des dem Glühfaden zugeführten Stroms und damit seine Wirkung können ebenfalls variiert werden.

Die auf diese Weise aufgebaute Elektrode, in der ein Material eingeschlossen ist, kann anschließend entfernt und gespeichert bzw. gelagert werden; als Alternative hierzu kann die gesamte Kammer gespeichert bzw. gelagert werden.

In Fig. 6 der Zeichnungen ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, die nach dem gleichen Grundprinzip wie die in Flg. 5 gezeigte Vorrichtung arbeitet, jedoch einen konzentrischen Aufbau hat

In einem abdichtbaren, insbesondere luftdicht verschließbaren Behälterr 52 ist ein Gitter 55 mit ringförmigem Querschnitt vorgesehen, das einen zylindrischen Glühfaden 54 umschließt; weiterhin befindet sich in der Mitte des Behälters 52 eine Elektrode 55. Der Behälter 52 ist über einen Leiter 56 mit einer (nicht dargestellten) Quelle für elektrische Energie oder mit Erde verbunden, so daß er eine Elektrode eines Entladungssystems bildet; die Elektrode 55 ist an die Quelle für die elektrische Energie geschaltet und bildet eine zweite Elektrode. Über weitere elektrische Anschlüsse (nicht dargestellt) können ein Potential an das Gitter 53 angelegt und dem Glühfaden 54 ein elektrischer Strom zugeführt werden.

Weiterhin sind ähnlich wie in Fig. 5 (nicht dargestellte) Vorrichtungen vorgesehen, um den Behälter 52 zu evakuieren, ein gasförmiges Materia! einzuführen, und um die während des Betriebs erzeugte Wärme von den Elektroden 52 und 55 abzuführen.

Der Betriebsablauf der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung ähnelt im wesentlichen dem der in Fig. 5 dargestellten Ausführung; der wesentliche Unterschied liegt darin, daß der Behälter 52 als Kammer und eine Elektrode dient, so daß gasförmiges Material in die Wände des abdichtbaren Behälters 52 eingebaut wird, die durch die Zerstäubung von der Elektrode 55 aufgebaut werden.

Die zu Fig. 1 getroffenen Feststellungen bezüglich des gleichzeitigen Einbaus und Aufbaus bzw. des abwechselnden Einbaus und Aufbaus sowie die Erzeugung einer Schicht aus einem nicht-radioaktiven Gas oder einer Schicht die praktisch kein Gas enthält gelten ebenfalls für die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Vorrichtungen.

Diese Vorrichtungen sind in den Fig. 5 und 6 nur schematisch dargestellt so daß in der Praxis die Geometrie der Elektroden sowie ihre Abschirmung gemäß der Techniken ausgewählt werden können, die üblicherweise bei Entladungen eingesetzt werden, die von Elektronen getragen werden; dadurch können bestimmte Anforderungen erfüllt werden, wobei auch sichergestellt wird, daß die Entladung in dem gewünschten Bereich auftritt

Die vorliegende Erfindung soll nun weiterhin unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert werden:

Beispiel 1

Argon wurde mittels Ionenimplantation gemäß der.

vorliegenden Erfindung durch eine Glimmentladung in einen Festkörper eingebaut, wobei zwei ebene bzw. flache Nickel-Elektroden verwendet wurden, die durch einen Spalt von 16 mm Breite getrennt waren.

Eine Quelle für elektrische Energie lieferte einen Strom von 4 mA über 1,22 cm² bei 6 KV, wobei die Argon-Atmosphäre in der Umgebung der Elektroden einen Druck von 0,133 mb (100 Microns) hatte.

Die Ablagerungsgeschwindigkeit des zerstäubten Nickels wurde zu 3,5 · 10-⁴ g/cm²/mA h bestimmt.

Beispiel 2

Um zu zeigen, daß auch ein Elektrodensystem mit Zylinder geometrie eingesetzt werden kann, wurde Argon in Nickel unter Verwendung von zylindrischen Nikkel-Elektroden eingebaut.

Die innere Elektrode hatte einen Durchmesser von 1,25 cm, während die äußere Elektrode einen Durchmesser von 3,25 cm hatte; beide Elektroden waren 40 cm lang. Eine mit den Elektroden verbundene Quelle für elektrische Energie lieferte 10 mA bei 3 kV; die Argon-Atmosphäre in der Umgebung der Elektroden hatte einen Druck von 0,11 mb (80 Microns); die Ablagerungsgeschwindigkeit des von der inneren Elektrode zerstäubten Nickels betrug 8,7 · 10-⁵g/cm²/mAh.

Unter Verwendung der gleichen Elektroden, jedoch einem Strom von 20 mA bei 1,6 kV und einem Druck von 0,133 mb (100 Microns) betrug die Ablagerungsgeschwindigkeit 1,83 · 10-⁵g/cm²/mAh.

Beispiel 3

Argon wurde mittels eines Implantationsverfahrens in Nickel unter Verwendung von zylindrischen Elektroden eingebaut, die einen Durchmesser von 17,5 mm bzw. 70 mm hatten; die Elektroden waren 40 mm lang; die Quelle für elektrische Energie lieferte 10 mA bei 3 kV; der Druck betrug 0,133 mb (100 Microns). Die Ablagerungsgeschwindigkeit wurde nicht gemessen.

Beispiel 4

Argon wurde gemäß der vorliegenden Erfindung in Nickel mittels einer von Elektronen getragenen Entladung eingebaut, wobei zwei ebene bzw. flache Elektroden, ein Gitter und ein Glühfaden in einer Anordnung eingesetzt wurden, die der unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschriebenen ähnelte. Die Elektroden waren 5 χ 4 cm und durch einen Spalt von näherungsweise 5 cm voneinader getrennt; der Glühfaden befand sich im Innern eines zylindrischen Gitters von ungefähr 1 cm Durchmesser. Der Druck der Argon-Atomsphäre in der Umgebung der Elektroden, des Gitters und des Glühfadens betrug 0,016 mb (12 Microns). Die Entladung in dem Gitter war 125mA bei 50 V, wobei die Elektroden so ausgelegt waren, daß sie in Bezug auf das Gitter auf negativen Potential lagen und bei 500 V 30 mA aufnahmen.

Die Ablagerungsgeschwindigkeit des zerstäubten Nickels betrug 1,42 · 10~⁵ g/cm²/mA h.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung mit einem keramischen Festkörper kann eine Hochfrequenz- oder Wechselspannungsentladung verwendet werden, um den Einbau bzw. die Im-

plantation des Materials zu erreichen, das in dem keramischen Festkörper gespeichert werden solL

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen

— bei dem Ionen des zu speichernden Gases erzeugt und

— unter Einwirkung eines elektrischen Feldes

— in einem, als Elektrode wirkenden, metallischen Festkörper implantiert werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ionen des zu speichernden Gases (Gasionen) aus radioaktiven Isotopen bestehen,

— und daß der metallische Festkörper gleichzeitig mit der Implantation durch Sputtern aufgebaut wird.

2. Verfahren zur Langzeitspeicherung von Gasen

— bei dem Ionen des zu speichernden Gases erzeugt und

— unter Einwirkung eines elektrischen Feldes

— in einen, als Elektrode wirkenden, metallischen Festkörper implantiert werden,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Ionen des zu speichernden Gases (Gasionen) aus radioaktiven Isotopen bestehen,

— und daß der metallische Festkörper abwechselnd mit der Implantation durch Sputtern aufgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasionen durch eine von Elektronen aufrechterhaltene Entladung erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasionen radioaktive Isotope, insbesondere von Krypton, Xenon, Tritium oder Helium verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasionen bei erhöhter Temperatur implantiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Festkörper aus Nickel oder Kupfer aufgebaut wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Oberfläche des metallischen Festkörpers eine Festkörper-Schicht aufgebaut wird, die im wesentlichen kein Gas und/oder kein radioaktives Material enthält.

8. Vorrichtung zum Implantieren eines zu speichernden Gases in einem metallischen Festkörper zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

a) mit einer Quelle für Ionen des Gases und

b) mit einer Anordnung zum Implantieren der beschleunigten Ionen in den Festkörper,

c) mit Elektroden, die ein Entladungsystem bilden,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

d) zwei einen Teil des Entladungssystems bildende Elektroden (5, 6; 22; 31, 37; 43, 44; 52, 55) sind in einer Atmosphäre angeordnet, die das zu implantierende Gas enthält;

e) die beiden Elektroden sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen, so daß
el) eine Elektrode durch Sputtern abgebaut,
e2) die andere Elektrode durch das von der ersten Elektrode abgegebene Metall aufgebaut und

e3) Gasionen des Gases in dem so gebildeten metallischen Festkörper implantiert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (5,6) eine dritte, permeable Elektrode (7) angeordnet ist

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode durch einen abdichtbaren Behälter (31; 42; 52) gebildet ist, der die Atmosphäre mit dem einzubringenden Material einschließt, daß die zweite Elektrode (37; 43,44; 55) in dem als Festkörper dienenden Behälter (31; 42; 52) angeordnet ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (31; 42; 52) im wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß der Behälter (31; 42; 52) mit einer Auskleidung aus einem das zu implantierende Gas einschließenden Festkörper versehen ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung einer von Elektroden aufrechterhaltenen Entladung ein Gitter (40; 53) und ein Glühfaden (46; 54) in der Nähe der beiden Elektroden (42,4? 44; 52,55) vorgesehen sind.