DE2737829A1 - Verfahren und vorrichtung zum einschliessen von gasen in festkoerpern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum einschliessen von gasen in festkoerpern

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DE2737829A1
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electrode
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cathode
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DE19772737829
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Hartmut Dr Frey
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Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
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Leybold Heraeus GmbH
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/02Treating gases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Einschließen
  • von Gasen in Festkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschließen von Gasen in einen Festkörper, bei dem zwischen zwei aus dem Material des Festkörpers bestehenden Elektroden zumindest zeitweise eine Spannung erzeugt wird, die einen Abbau der einen Elektrode und einen Aufbau der anderen Elektrode bewirkt. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung Aus der DT-OS 2 454 796 ist ein Verfahren der genannten Art bekannt. Es dient insbesondere dazu, Gase mit radioaktiven Isotopen, die z.B. bei der Wiederaufbereitungvon Kernbrennstoffen entstehen, wie Krypton und Xenon in metallische Festkörper einzuschließen, um diese weitgehend problemlos lagern zu können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorbekannten Art wesentlich wirksamer zu gestalten, ohne daß ein wesentlich höherer Aufwand beim Aufbau einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung notwendig ist. Das ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt von Bedeutung, daß in der Regel nicht nur der Festkörper mit dem darin eingeschlossenen Gas sondern auch noch die Vorrichtung selbst eingelagert wird, also nur einmal verwendet werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zwischen den zum Ab- bzw. Aufbau bestimmten Elektroden zumindest zeitweise ein Plasma des einzuschließenden Gases mit Hilfe eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes aufrechterhalten wird.
  • Aus einem in dieser Weise erzeugten Plasma mit hoher Ionisierungsrate lassen sich die einzuschließenden Gasionen in einfacher Weise mit Hilfe eines Gleichspannungsfeldes in die Richtung desjenigen Festkörpers absaugen, in den sie eingeschlossen werden sollen. Darüberhinaus müssen auch die von der einen Elektrode zur anderen fliegenden Festkörperatome das Plasma durchdringen.
  • Dabei werden sie ebenfalls zum großen Teil ionisiert und durch das Gleichspannungsfeld zur Kathode hin beschleunigt. Der Vorteil ist, daß dadurch ein bevorzugtes Bedampfen der Kathodenoberfläche erzielt wird.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Plasma kontinuierlich aufrechterhalten wird und der Abbau der einen Elektrode und der Aufbau der anderen Elektrode kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden. Beim diskontinuierlichen Betrieb wird zunächst die Kathodenoberfläche mit dem einzulagernden Gas gesättigt. Dann wird die Gaszufuhr gesperrt und durch Beheizung der Anode ein Aufdampfprozess eingeleitet, wobei die das Gleichspannungsfeld erzeugende Spannung verringert wird. Aufdampfprozess und Einschlußprozess können aber auch gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Zweckmäßig wird die Anode während ihres Abbaus bis in den Bereich ihrer Verdampfungstemperatur aufgeheizt und - im Falle eines alternierenden Betriebs - in der Zeit der Implantation der einzuschließenden Ionen, in der kein Abbau stattfindet, auf einer möglichst hohen Temperatur gehalten, bei der jedoch keine wesentliche Verdampfung stattfindet. Der bei der Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Energiebedarf ist optimal gering.
  • Bei einer für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung sind außer den an sich bekannten, zum Auf-bzw. Abbau bestimmten Elektroden zwei weitere Elektroden zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes vorgesehen. Solche Elektroden können aus einfachen Blechteilen bestehen und erhöhen den Aufwand gegenüber vorbekannten Vorrichtungen nur unwesentlich.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen; Figuren 1 und 2 Prinzipskizzen zum Ablauf des Verfahrens, Figur 3 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Figur 4 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 in Höhe der Hochfrequenzelektroden.
  • In den Figuren 1 und 2 sind die für den Ab- bzw. Aufbau bestimmten Elektroden mit 1 (Anode) und 2 (Kathode) bezeichnet. Diese bestehen vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer. Die Anode 1 ist geerdet. An der Anode 2 liegt, angedeutet durch den Pfeil 3, eine negative Hochspannung. Weiterhin sind die Elektroden 4 und 5 dargestellt, die senkrecht zu dem elektrischen Feld zwischen Anode 1 und Kathode 2 ein hochfrequentes elektrisches. Wechselfeld liefern. Der zugehörige rf-Generator ist mit 6 bezeichnet.
  • Während des Betriebs wird ständig zwischen den Elektroden 4 und 5 ein Plasma des einzuschließenden Gases aufrechterhalten, in dem ein großer Teil des Gases in ionisiertem Zustand vorliegt. Bei einem Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode von etwa 20 kV nehmen die Gasionen aus dem elektrischen Feld soviel Energie auf, daß sie in das Kathodenmaterial eindringen und dort verbleiben. Die Atome des Plasmas sind durch Kreise 7 angedeutet, von denen ein Teil neutral und der andere Teil positiv ionisiert ist und dadurch zur Kathode 2 hin beschleunigt wird. Während dieser Zeit kann gleichzeitig die Anode 1 derart beheizt werden, daß sie flüssig und teilweise verdampft wird. Dazu ist in der Anode 1 die Heizeinrichtung 8 vorgesehen. Beim Durchfliegen der Atome des Anodenmaterials durch das Gasplasma zwischen den Elektroden 4 und 5 werden diese partiell ionisiert und ebenfalls durch das stationäre elektrische Feld zur Kathode 2 hin beschleunigt. Im Implantation der Gasione- 7 und die Bereitstellung neuer Schichten für diese Implantation erfolgen dann gleichzeitig.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit, zunächst nur einen Implantationsprozess ablaufen zu lassen, wie er in Figur 1 angedeutet ist, bis die Kathodenoberfläche mit Gasionen gesättigt ist. Danach wird die Gaszufuhr gesperrt und die bei 3 an der Kathode 2 anliegende negative Spannung auf 500 V gesenkt und die Heizeinrichtung 8 in Betrieb gesetzt. Der sich dann einstellende Zustand ist in Figur 2 angedeutet. Darin sind die aus der Anode 1 verdampfenden Atome als Doppelkreise eingezeichnet, die in dem Plasma zwischen den Elektrouen 4 und 5 ionisiert und in Richtung Kathode 2 beschleunigt werden.
  • Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen vorzugsweise aus Stahl bestehenden Behälter 10 auf, deren obere Öffnung 11 mit dem Deckel 12 verschließbar ist, Die Anode 1 wird von einem relativ großen Aluminium- oder Kupfervorrat gebildet und ist im Bereich des Bodens des Behälters 10 angeordnet. Die Anode 1 und der Behälter 10 sind geerdet. In der Nähe des Bodens befinden sich auch die Heizeinrichtungen 8, deren Anschlüsse-13 elektrisch isoliert aus dem Behälter 10 herausgeführt sind. Im Bereich der öffnung 11 des Behälters 10 ist die Kathode 2 angeordnet, die über einen ringförmigen oder mehreren ringabschnittförmige Isolatoren 14 an der Wandung des Behälters 10 gehaltert ist. Die Kathode 2 ist mit Bohrungen 15 versehen, durch die während des Betriebes der Vorrichtung ein Kühlmittel fließt.
  • Zwischen den Elektroden 1 und 2 weist der Behälter 10 zwei Anschlußstutzen 16 und 17 auf. Über den Anschlußstutzen 17 ist der Behälter 10 an eine nicht dargestellte Evakuierungseinrichtung anschließbar. Über den Anschlußstutzen 16 erfolgt die Zuführung des einzuschließenden Gases.
  • Weiterhin sind zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 die Elektroden 4 und 5 einander gegenüberliegend angeordnet, die der Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes (ca. 100 kH bis 1 mH) dienen. Aus der Figur 4 ist die Form dieser Elektroden ersichtlich. Sie werden von mit etwa der Krümmung der Wandung des Behälters 10 gebogenen und dazu etwa parallel liegenden Blechteilen gebildet. Ihre elektrischen Zuführungsleitungen 18 und 19 dienen gleichzeitig als Halterung und sind elektrisch isoliel aus dem Behälter 10 herausgeführt.
  • Zur Inbetriebnahme der Einrichtung wird die öffnung 11 mit dem Behälter 12 verschlossen und die an den Anschlüssen 17 angeschlossene Vakuumpumpe in Betrieb gesetzt. Dann erfolgt der Anschluß der notwendigen elektrischen Spannungen (der elektrische Anschluß für die Kathode 2 ist nicht dargestellt) und über den Anschluß 16 wird das einzuschließende Gas eingelassen. Das Einschließen der Gase erfolgt dann in einer Weise, wie sie zu den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Um zu Der hindern, daß das Material der Anode 1 auf dem Isolator 14 eine zum Kurzschluß der Kathode 2 führende Brücke bildet, ist noch die Abschirmung 20 vorgesehen.
  • Wenn nahezu das gesamte Material der Anode 1 auf die Kathode 2 aufgebracht ist, werden die elektrischen Anschlüsse gelöst und die Anschlüsse 16 und 17 verschlossen. Zweckmäßig wird auch noch der Behälterdeckel 12 mit dem Behälter verschweißt. In dieser Form kann das eingeschlossene Gas problemlos gelagert werden.
  • L e e r s e i t e

Claims (9)

  1. ANSPRtCHE Verfahren zum Einschließen von Gasen in einem Festkörper, bei dem zwischen zwei aus dem Material des Festkörpers bestehenden Elektroden zumindest zeitweise eine Spannung erzeugt wird, die einen Abbau der einen Elektrode und einen Aufbau der anderen Elektrode bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (1 und 2) ein Plasma des einzuschließenden Gases mit Hilfe eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes aufrechterhalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma kontinuierlich aufrechterhalten wird und daß der Ab-.
    bau der einen Elektrode (1) und der Aufbau der anderen Elektrode (2) kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbau der einen Elektrode (1) und der Aufbau der anderen Elektrode (2) durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden und Beheizung der Anode (1) bewirkt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) während ihres Abbaus bis in den Bereich ihrer Verdampfungstemperatur aufgeheizt wird und - im Falle eines alternierenden Betriebs - in der Zeit der Implantation, in der kein Abbau stattfindet, auf einer möglichst hohen Temperatur gehalten wird, bei der jedoch keine wesentliche Verdampfung stattfindet.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß - bei alternierendem Betrieb - während der Implantation der Ionen aus dem Plasma an den Elektroden (1,2) eine Gleichspannung von ca. 20 kV anliegt, und während des Abbaus der Anode und des Aufbaus der Kathode eine Gleichspannung von ca. 500 V aufrechterhalten wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer den an sich bekannten, zum Auf- bzw. Abbau bestimmten Elektroden (1,2) zwei weitere Elektroden (4,5) zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes vorgesehen sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elektroden (1 bis 4) in einem vorzugsweise aus Stahl bestehenden Behälter (10) untergebracht sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beheizte Anode (1) im Bereich des Bodens des Behälters angeordnet ist, daß Anode (1) und Behälter (10) gleiches Potential, vorzugsweise Erdpotential haben, daß die Kathode (2) im Bereich der Öffnung des Behälters (10) über Isolatoren(14) gehaltert ist und daß die Elektroden (4,5) für die Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes von zwei einander gegenübrliegenden, etwa mit der Krümmung der Behälterwandung gebogenen, einen großen Teil des Raumes zwischen Anode (1) und Kathode (2) umfassenden Metallblechen gebildet werden.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Isolatoren (14) eine Abschirmung (20) zugeordnet ist.
DE19772737829 1977-08-22 1977-08-22 Verfahren und vorrichtung zum einschliessen von gasen in festkoerpern Withdrawn DE2737829A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2548818A1 (fr) * 1983-06-27 1985-01-11 Wiederaufarbeitung Von Kernbre Procede pour la fixation de krypton radioactif et dispositif pour la mise en oeuvre du procede

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