DE69303901T2 - GETTER PUMP WITH HIGH PERFORMANCE - Google Patents
GETTER PUMP WITH HIGH PERFORMANCEInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte, hochleistungsfähige Getterpumpe, die für die Schaffung und Aufrechterhaltung eines Vakuums, beispielsweise zum Einsatz in einer Ultrahochvakuumkammer oder in einem Hochenergieteilchenbeschleuniger, geeignet ist.The invention relates to an improved, high-performance getter pump suitable for creating and maintaining a vacuum, for example for use in an ultra-high vacuum chamber or in a high-energy particle accelerator.
Getterpumpen, welche zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums benutzt werden, sind gut bekannt. Die erste kommerziell erfolgreiche Getterpumpe, die in dem US-Patent 3 780 501 beschrieben ist, verwendete einen gefalteten Metallstreifen in einem Gehäuse mit einem darin eingebetteten Gettermetall. Weitere Beispiele für solche Getterpumpen wurden in den US-Patenten 3 609 064, 3 662 522, 3 961 879 und 4 137 012 beschrieben. Obwohl diese früheren Getterpumpen einen großen kommerziellen Erfolg und eine weitgehende Marktakzeptanz hatten, hatten sie noch den Nachteil der in einer begrenzten Aufnahmefähigkeit innerhalb eines gegebenen Volumens bestand.Getter pumps used to create and maintain a vacuum are well known. The first commercially successful getter pump, described in U.S. Patent 3,780,501, used a folded metal strip in a housing with a getter metal embedded therein. Other examples of such getter pumps were described in U.S. Patents 3,609,064, 3,662,522, 3,961,879 and 4,137,012. Although these earlier getter pumps had great commercial success and widespread market acceptance, they still had the disadvantage of limited capacity within a given volume.
Um diese Aufnahmefähigkeit zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, einfach das Gehäuse der Pumpe mit dem Gettermaterial in Form von Pellets zu füllen, welche eine ähnliche Größe und Form zu denjenigen (Tabletten) haben, welche im Arzneimittelbereich benutzt werden, wobei diese Pellets typischerweise zylinderisch mit einem Durchmesser von 5 bis 10 mm und einer Höhe von 2 bis 10 mm aufweisen. Wenn das Gehäuse jedoch mit diesen Pellets gefüllt wird, ist der Zugang des Gases zu der voluminösen Struktur des Gettermaterials nicht zufriedenstellend. Ein anderer Nachteil der mit dem Gebrauch dieser benannten Pellets verbunden ist, war deren Tendenz, unerwünschte lose Teilchen zu bilden; weiterhin kann die voluminöse Struktur einige Sicherheitsprobleme aufwerfen, weil die Möglichkeit einer hochexothermen Reaktion des Gettermaterials während einer möglichen Zündung insbesondere, wenn Gettermaterial mit einer niedrigen Aktivierungstemperatur benutzt wird, gegeben ist.In order to increase this capacity, it was proposed to simply fill the pump housing with the getter material in the form of pellets having a similar size and shape to those (tablets) used in the pharmaceutical field, these pellets being typically cylindrical with a diameter of 5 to 10 mm and a height of 2 to 10 mm. However, when the housing is filled with these pellets, the access of the gas to the voluminous structure of the getter material is not satisfactory. Another disadvantage associated with the use of these pellets was their tendency to form undesirable loose particles; furthermore, the bulky structure may pose some safety problems because of the possibility of a highly exothermic reaction of the getter material during a possible ignition, especially when getter material with a low activation temperature is used.
Es ist deshalb eine erste Aufgabe der Erfindung, eine im wesentlichen von einem oder mehreren dieser obigen Nachteile freie verbesserte Getterpumpe bereitzustellen.It is therefore a first object of the invention to provide an improved getter pump substantially free from one or more of the above disadvantages.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Getterpumpe mit einer höheren Aufnahmegeschwindigkeit pro Volumeneinheit im Hinblick auf bekannte Getterpumpen bereitzustellen.A further object of the invention is to provide an improved getter pump with a higher uptake rate per unit volume with respect to known getter pumps.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Getterpumpe mit einem höheren Aufnahmevermögen pro Volumeneinheit im Hinblick auf bekannte Getterpumpen bereitzustellen.Another object of the invention is to provide an improved getter pump with a higher absorption capacity per unit volume with respect to known getter pumps.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Getterpumpe bereitzustellen, welche weder auf gefaltete und geschnittene Streifen noch auf Pellets des Gettermaterials zurückgreifen muß.An additional object of the invention is to provide an improved getter pump which does not have to rely on folded and cut strips or pellets of the getter material.
Andere Aufgaben der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die folgende Offenbarung und Zeichnungen offensichtlich.Other objects of the invention will become apparent by reference to the following disclosure and drawings.
In seinem breitesten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte, hochleistungsfähige Getterpumpe, die geeignet für das Erzeugen und Aufrechterhalten eines Vakuums, beispielsweise in einem Hochenergieteilchenbeschleuniger und in einer Ultrahochvakuumkammer ist. Diese Pumpe enthält eine Vielzahl von porösen, gesinterten Blättern aus einem nicht verdampfbaren Gettermaterial, welche eineIn its broadest aspect, the invention relates to an improved, high performance getter pump suitable for generating and maintaining a vacuum, for example in a high energy particle accelerator and in an ultra high vacuum chamber. This pump contains a plurality of porous, sintered sheets of a non-evaporable getter material, which have a
i) erste Hauptoberfläche undi) first main surface and
ii) eine zweite Hauptoberfläche aufweisen, die im wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche ist und von dieser durch eine Dicke von 0,5 bis 5,0 mm getrennt ist,ii) have a second major surface which is substantially parallel to the first surface and separated from it by a thickness of 0.5 to 5.0 mm,
worin diese Blätter in einem Gehäuse angeordnet und voneinander durch einen gasleitenden oder leeren Zwischenraum getrennt sind, wobei die benachbarten Oberflächen von benachbarte Blätter voneinander durch eine Entfernung von 0,5 bis 10 mm getrennt sind.wherein said blades are arranged in a housing and separated from each other by a gas-conducting or empty space, the adjacent surfaces of adjacent blades being separated from each other by a distance of 0.5 to 10 mm.
Diese Blätter sind im Gehäuse in geeigneter Weise radial angeordnet, so daß ihre inneren Enden im Inneren einen Kanal bilden. Die erfindungsgemäße Getterpumpe ist weiterhin mit einem Heizgerät ausgestattet, welches die Blätter auf die Aktivierungstemperatur und auch auf die gewünschte Arbeitstemperatur erhitzt und mit einem Flansch an einem Vakuumgehäuse befestigt. Die porösen, gesinterten Blätter der erfindungsgemäßen Pumpe können eine Gestalt aufweisen, die, ausgewählt aus planar (insbesondere rechtwinkelig und gegebenenfalls konisch und/oder abgefasst), konkav und Kombinationen von diesen ist. Weiterhin haben die genannten Blätter eine Dichte von 1 bis 5 und vorzugsweise 1,5 bis 3,5 g/cm³ und eine Oberf lächengröße von 0,05 bis 1 m²/g (vorzugsweise 0,1 bis 1 m²/g).These blades are arranged radially in the housing in a suitable manner so that their inner ends form a channel in the interior. The getter pump according to the invention is further equipped with a heater which heats the blades to the activation temperature and also to the desired working temperature and is attached to a vacuum housing with a flange. The porous, sintered blades of the pump according to the invention can have a shape which is selected from planar (in particular rectangular and optionally conical and/or chamfered), concave and combinations of these. Furthermore, the said blades have a density of 1 to 5 and preferably 1.5 to 3.5 g/cm³ and a surface area of 0.05 to 1 m²/g (preferably 0.1 to 1 m²/g).
Die erfindungsgemäße Getterpumpe kann eingesetzt werden, um ein Vakuum aufrechtzuerhalten in vielen Bereichen von Vakuumapparaturen und Räumen, z.B. geschlossenem Vakuumgefäß (wie einem Dewar oder einem Vakuumkessel für Flüssigkeitstransfer), einem Teilchenbeschleuniger (wie ein Synchrotron) und in einer Ultrahochvakuumkammer. Die neue Getterpumpe kann ein Vakuum von 10&supmin;&sup6; bis sogar 10&supmin;¹² mbar (10&supmin;¹&sup0; Pa) erreichen.The getter pump according to the invention can be used to maintain a vacuum in many areas of vacuum equipment and spaces, e.g. closed vacuum vessels (such as a Dewar or a vacuum vessel for liquid transfer), a particle accelerator (such as a synchrotron) and in an ultra-high vacuum chamber. The new getter pump can achieve a vacuum of 10⁻⁶ to even 10⁻¹² mbar (10⁻¹⁰ Pa).
Ein weiter Bereich von nicht verdampfbaren Gettermetallen kann zum Bau dieser Pumpe eingesetzt werden. Es bieten sich beispielsweise Zirkon, Titan, Hafnium, Tantal, Thorium, Uran, Niob, Gemische und Legierungen dieser Metalle miteinander oder mit anderen Metallen an, wobei diese Legierungen intermetallische Verbindungen sind oder nicht sind. Diese Gettermetalle können allein oder im Gemisch mit anderen Materialien, wie sinternden Materialien, benutzt werden. Eine beispielhafte, nicht begrenzende Reihe von nicht verdampfbaren Gettermetallen, die für die Herstellung der genannten porösen, gesinterten Blätter eingesetzt werden, umfassen:A wide range of non-evaporable getter metals can be used to construct this pump. Examples include zirconium, titanium, hafnium, tantalum, thorium, uranium, niobium, mixtures and alloys of these metals with each other or with other metals, where these alloys may or may not be intermetallic compounds. These getter metals can be used alone or in mixtures with other materials, such as sintering materials. An exemplary, non-limiting range of non-evaporable getter metals used to make the porous sintered sheets mentioned include:
a) eine Legierung, welche 84 % Zr, ausgeglichen mit Al, enthält wie es beispielsweise in dem US-Patent 3 203 901 beschrieben ist;a) an alloy containing 84% Zr balanced with Al, as described for example in US Patent 3,203,901;
b) eine Metallzusammensetzung, gemäß US-Patent 3 584 253, basierend auf Zr, Ta, Hf, Nb, Ti oder U;b) a metal composition according to US Patent 3,584,253 based on Zr, Ta, Hf, Nb, Ti or U;
c) eine Metallzusammensetzung gemäß Beispiel 3 des US-Patents 3 926 832 basierend auf einer Kombination von Zr mit einer Zr-Al-Legierung;c) a metal composition according to Example 3 of US Patent 3,926,832 based on a combination of Zr with a Zr-Al alloy;
d) die intermetallische Verbindung Zr&sub2;ni, beschrieben in dem US-Patent 4 071 335;d) the intermetallic compound Zr2ni, described in US Patent 4,071,335;
e) die Legierungen Zr-M1-M2, gemäß US-Patent 4 269 624, worin M1, V oder Mb und M2 Fe oder Ni bedeutet;e) the alloys Zr-M1-M2, according to US Patent 4,269,624, where M1 is V or Mb and M2 is Fe or Ni;
f) die Zr-Fe-Legierungen gemäß US-Patent 4 306 887;f) the Zr-Fe alloys according to US Patent 4,306,887;
g) einige Legierungen des Zirkoniums, Vanadiums und des Eisens gemäß US-Patent 4 312 669 ebenso wie andere Legierungen von Zirkon und Vanadium mit geringeren Anteilen von übergangsmetallen, wie Mangan;g) some alloys of zirconium, vanadium and iron according to US Patent 4,312,669 as well as other alloys of zirconium and vanadium with smaller amounts of transition metals such as manganese;
h) einige Legierungen des Zirkons, Titans und des Eisens, welche im US-Patent 4 907 948 beschrieben wird.h) some alloys of zirconium, titanium and iron, which are described in US Patent 4,907,948.
Einer erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform zufolge wird das nicht verdampfbare Gettermaterial ausgewählt aus Legierungen von Zr-V-Fe und von Zr-Ti-Fe, gegebenenfalls in Kombination allein mit Zirkon und/oder allein Titan, wobei die beiden letzten gegebenenfalls in Form der Hydride vorliegen. Die Kombinationen, die in der Patentanmeldung GB 2 077 487 im Namen des Anmelders offenbart sind, erwiesen sich als besonders vorteilhaft und werden erhalten aus:According to a preferred embodiment of the invention, the non-evaporable getter material is selected from alloys of Zr-V-Fe and of Zr-Ti-Fe, optionally in combination with zirconium alone and/or titanium alone, the latter two optionally in the form of hydrides. The combinations disclosed in patent application GB 2 077 487 in the name of the applicant have proved to be particularly advantageous and are obtained from:
1. Einer ternären teilchenförmigen nicht verdampfbaren Zr-V-Fe Getterlegierung einer auf das Gewicht bezogenen Zusammensetzung, die, wenn sie in einem Dreikomponentendiagramm aufgezeichnet ist, innerhalb eines Polygons mit den folgenden Punkten (Gew.%) an seinen Ecken liegt:1. A ternary particulate non-evaporable Zr-V-Fe getter alloy of a weight-based composition which, when plotted in a three-component diagram, lies within a polygon having the following points (wt.%) at its corners:
a) 75 % Zr - 20 % V - 5 % Fe,a) 75 % Zr - 20 % V - 5 % Fe,
b) 45 % Zr - 20 % V - 35 % Fe,b) 45 % Zr - 20 % V - 35 % Fe,
c) 45 % Zr - 50 % V - 5 % Fe.c) 45% Zr - 50% V - 5% Fe.
II. Einem teilchenförmigen, nicht verdampfbaren Gettermaterial, ausgewählt aus Zr und Ti, worin Zr- und/oder Ti-Teilchen eine kleinere mittlere Größe aufweisen als die Legierungsteilchen. Solche Kombinationen werden von der Anmelderin unter "SAES St 172" gehandelt.II. A particulate, non-evaporable getter material selected from Zr and Ti, in which Zr and/or Ti particles have a smaller average size than the alloy particles. Such combinations are traded by the applicant under "SAES St 172".
Eine vorteilhafte Methode zur Fertigung der porösen gesinterten Blätter der Pumpe der Erfindung, beginnt mit den oben genannten Kombinationen und umfaßt die folgenden Stufen:An advantageous method for manufacturing the porous sintered blades of the pump of the invention begins with the above combinations and includes the following steps:
A) Das verdampfbare Gettermetall wird in Form eines losen Pulvers der Zr-V-Fe- und/oder Zr-Ti-Fe- Legierungsteilchen, gegebenenfalls im Gemisch mit Teilchen von Zr allein und/oder Ti allein und mit einem Ausdehnungsagens hergestellt;A) The vaporizable getter metal is prepared in the form of a loose powder of the Zr-V-Fe and/or Zr-Ti-Fe alloy particles, optionally mixed with particles of Zr alone and/or Ti alone and with an expansion agent;
B) Die losen Pulver (oder das entstehende Gemisch) werden in eine Form geschüttet und gesintert.B) The loose powders (or the resulting mixture) are poured into a mold and sintered.
Die Legierungsteilchen haben vorzugsweise nach dem Vorsintern eine Oberfläche, welche mindestens 0,15 und vorzugsweise 0,25 m²/g beträgt und eine Vorsinterungspartikelgröße bis zu 400 µm, vorzugsweise von 1 bis 128 µm oder noch besser von 1 bis 50 µm.The alloy particles preferably have a surface area after pre-sintering which is at least 0.15 and preferably 0.25 m²/g and a pre-sintering particle size of up to 400 µm, preferably from 1 to 128 µm or even better from 1 to 50 µm.
Die genannten Zr- und/oder Ti-Partikel haben vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 55 µm, eine Oberfläche von 0,1 bis 1,0 m²/g, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen den Legierungsteilchen und den Zr- und/oder Ti-Teilchen im Bereich von 10:1 bis zu 1:1 liegt.The Zr and/or Ti particles mentioned preferably have an average particle size of 1 to 55 µm, a surface area of 0.1 to 1.0 m²/g, whereby the weight ratio between the alloy particles and the Zr and/or Ti particles is in the range of 10:1 to 1:1.
Eine Sintertemperatur im wesentlichen zwischen 700 und 1200 ºC, die über einen Zeitraum zwischen einigen Minuten und einigen Stunden aufrechterhalten wird, wird im allgemeinen als ausreichend betrachtet, wohingegen eine geringere Temperatur eine lange Zeit erfordert, und die Sinterzeit verantwortlich für die Dimensionsstabilität sein sollte.A sintering temperature substantially between 700 and 1200 ºC, maintained for a period of between a few minutes and a few hours, is generally considered sufficient, whereas a lower temperature requires a long time and the sintering time should be responsible for the dimensional stability.
Das Ausdehnungsagens kann in geeigneter Weise eine passende anorganische und/organische Base, welche Stickstoff und/oder Phosphor enthält und sich vollständig unterhalb der Sintertemperatur zersetzt, beispielsweise Harnstoff, Azodicarbonamid und/oder Carbamate, wie Amoniumcarbamat, in Mengen von 0,1 bis 15 Gew.%, bezogen auf das nicht verdampfbare Gettermaterial (vorzugsweise 2 - 10 %), sein. Die Formel des Azodicarbonamids ist:The expansion agent may suitably be a suitable inorganic and/or organic base containing nitrogen and/or phosphorus and decomposing completely below the sintering temperature, for example urea, azodicarbonamide and/or Carbamates, such as ammonium carbamate, in amounts of 0.1 to 15% by weight, based on the non-evaporable getter material (preferably 2 - 10%). The formula of azodicarbonamide is:
NH&sub2;-CO-N = N-CO-NH&sub2;NH2-CO-N = N-CO-NH2
Das Heizgerät kann innerhalb oder außerhalb des Getterpumpengehäuses angebracht sein. Ein elektrischer Strom kann direkt durch das Gettermaterial fließen, wie im US-Patent 3 609 064 beschrieben, oder das Heizen kann durch Konduktion oder Strahlung, z.B. durch die Benutzung einer UHV- Quarzlampe, erreicht werden.The heater can be located inside or outside the getter pump housing. An electric current can flow directly through the getter material, as described in US Patent 3,609,064, or heating can be achieved by conduction or radiation, e.g. by using a UHV quartz lamp.
Im letzten Fall sollten die porösen gesinterten Blätter der Pumpe etwas zueinander (und in bezug auf die axiale Ebene der Pumpe gekippt werden), um diese vollständig bestrahlen zu können.In the latter case, the porous sintered blades of the pump should be slightly tilted towards each other (and with respect to the axial plane of the pump) in order to be able to irradiate them completely.
Die folgenden Zeichnungen (Abb. 1-10) dienen der Erläuterung, sie sollen den Schutzbereich der Erfindung aber in keinem Fall einengen:The following drawings (Fig. 1-10) serve to explain, but should in no way limit the scope of the invention:
Fig. 1 zeigt eine schematische Wiedergabe mit einer erfindungsgemäßen Getterpumpe unter Arbeitsbedingungen;Fig. 1 shows a schematic representation of a getter pump according to the invention under working conditions;
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer erfindungsgemäßen Getterpumpe entlang der Linie II-II von Fig. 1;Fig. 2 shows an enlarged cross section of a getter pump according to the invention along the line II-II of Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht auf einen Teil der Getterpumpe, der in Fig. 2 gezeigt wird;Fig. 3 is a perspective view of a portion of the getter pump shown in Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der Getterpumpe entlang der Achsen IV-IV der Fig. 2;Fig. 4 is a cross-sectional view of the getter pump along the axes IV-IV of Fig. 2;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht auf einige Blätter, welche einen Flügel mit einer axialen Ebene X-X der Pumpe bilden;Fig. 5 is a cross-sectional view of some blades forming a vane with an axial plane X-X of the pump;
Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich der Abbildung 5 und zeigt eine andere Form der Blätter;Fig. 6 is a view similar to Figure 5 and shows a different shape of the leaves;
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt der Form zum Sintern für ebener, rechteckiger Blätter;Fig. 7 shows a cross-section of the mold for sintering for flat, rectangular sheets;
Fig. 8 zeigt schematisch das Pumpsystem während der Prüfungen der Beispiele;Fig. 8 shows schematically the pumping system during the tests of the examples;
Fig. 9 drückt die Resultate einiger Pumptests in Form eines Diagrammes aus undFig. 9 expresses the results of some pumping tests in the form of a diagram and
Fig. 10 zeigt eine Teilschnittansicht einer typischen Pumpe dieser Erfindung, wo die Blätter in unterschiedlichen ringförmigen, übereinanderliegenden Reihen (wie bei Kronen oder Kartuschen) angeordnet sind.Figure 10 shows a partial sectional view of a typical pump of this invention where the blades are arranged in different annular, superimposed rows (like crowns or cartridges).
Bezug nehmend auf die Zeichnungen im allgemeinen und besonderen wird in Fig. 1 und Fig. 2 eine verbesserte, nicht verdampfbare Getterpumpe gezeigt. Sie besitzt ein gasdichtes Gehäuse 10, ist mit einem Flansch 12 ausgerüstet, welcher das genannte Gehäuse 12 am Vakuummantel 16 befestigen soll. Die Getterpumpe 10 von Fig. 2 besitzt viele poröse gesinterte Blätter 18, 19, 20 im Inneren ihres zylinderischen Gehäuses 12, welche aus nicht verdampfbaren Gettermetall bestehen. Ein Blatt 18 hat eine erste ebene Oberfläche 22 und eine zweite ebene Oberfläche 24, diese zweite Oberfläche ist parallel zur ersten Oberfläche 22. Diese beiden Oberflächen sind durch die Distanz "t" von etwa 0,5 - 5mm Dicke getrennt. Blatt 18 kann z.B. eine rechteckige Gestalt haben. Alle diese Blätter, wie die Blätter 18, 19, 20 u.s.w., haben eine ähnliche Struktur. Die Blätter 18, 19, 20 u.s.w. sind kreisförmig angeordnet mit einem Abstand von "c" voneinander, der im wesentlichen 0,5 und 10 mm beträgt. Der leere Raum "c" zwischen den benachbarten Blättern 18, 19, 20 u.s.w. bildet eine Gasleitung.Referring to the drawings in general and in particular, there is shown in Fig. 1 and Fig. 2 an improved non-evaporable getter pump. It has a gas-tight housing 10, is provided with a flange 12 which is intended to secure said housing 12 to the vacuum jacket 16. The getter pump 10 of Fig. 2 has many porous sintered leaves 18, 19, 20 inside its cylindrical housing 12 which are made of non-evaporable getter metal. A leaf 18 has a first flat surface 22 and a second flat surface 24, this second surface being parallel to the first surface 22. These two surfaces are separated by the distance "t" of about 0.5 - 5 mm thickness. Leaf 18 may, for example, have a rectangular shape. All of these leaves, such as leaves 18, 19, 20 etc., have a similar structure. The blades 18, 19, 20 etc. are arranged in a circle with a distance "c" from each other, which is substantially 0.5 and 10 mm. The empty space "c" between the adjacent sheets 18, 19, 20 etc. forms a gas line.
Die Achse eines jeden Blattes bildet mit der axialen Ebene X-X der Pumpe, wie in Abb. 5 gezeigt, einen kleinen Winkel a von etwa 1 bis 15 º, um die innere Wand des Gehäuses zu schützen (wie man bei Blatt 18 in der Fig. 5 sehen kann) und um ein mögliches Entgasen aus der Wand konsequent zu verringern. Eine gute Wahl des Winkels Q ermöglicht die vollständige Bestrahlung der Blätter entlang der radialen Richtung, wodurch ein inhomogenes Heizen des porösen Gettermaterials verhindert wird. Vor allem sind die Effektivität der Heizung und die Energieersparnis nicht zu vernachlässigende Konsequenzen dieser Anordnung. Was das Profil der Blätter anbetrifft, kann dieses sowohl gerade als auch leicht konkav sein, wie Blatt 18" in Fig. 6. In beiden Fällen des Winkels a in bezug auf die axiale Richtung wird nicht nur das Heizen der Blätter, sondern auch die Gasaufnahme unterstützt.The axis of each blade forms a small angle a of about 1 to 15º with the axial plane X-X of the pump, as shown in Fig. 5, in order to protect the inner wall of the casing (as can be seen in blade 18 in Fig. 5) and to consequently reduce possible degassing from the wall. A good choice of the angle Q allows the blades to be completely irradiated along the radial direction, thus preventing inhomogeneous heating of the porous getter material. Above all, the effectiveness of heating and the energy saving are non-negligible consequences of this arrangement. As for the profile of the blades, this can be either straight or slightly concave, like blade 18" in Fig. 6. In both cases of angle a with respect to the axial direction, not only the heating of the blades but also the gas absorption is assisted.
Die Getterpumpe 10 hat eine erste ringförmige Retentionsplatte 26, die aus einem Metallblatt hergestellt ist mit einer Vielzahl von radial angeordneten Gaswegen, wie den Wegen 28, 29, 30, 31, 32 und 33. Benachbarte Gaswege (Spalten) 32, 33 werden durch eine Strebe 34, die sich radial von der ringförmigen Platte 26 erstreckt, getrennt.The getter pump 10 has a first annular retention plate 26 made of a metal sheet with a plurality of radially arranged gas paths, such as paths 28, 29, 30, 31, 32 and 33. Adjacent gas paths (columns) 32, 33 are separated by a strut 34 extending radially from the annular plate 26.
Die Rippen 36/38 der radialen Strebe 34 können axial, parallel zueinander und voneinander räumlich im wesentlichen durch eine Entfernung getrennt sein, die gleich der Breite des Blatts 19 ist, wobei die Rippen 36/38 ein Ende des Blatts 19 halten. Die Getterpumpe 10 besitzt ebenfalls eine zweite identische ringförmige Retentionsplatte (welche in den Zeichnungen nicht gezeigt ist) und am Boden (in den Zeichnungen nicht gezeigt) der Blätter wie der Blätter 18, 19, 20 angeordnet ist.The ribs 36/38 of the radial strut 34 may be axially parallel to each other and spatially separated from each other by a distance substantially equal to the width of the blade 19, the ribs 36/38 supporting one end of the blade 19. The getter pump 10 also has a second identical annular retention plate (not shown in the drawings). is arranged at the bottom (not shown in the drawings) of the blades such as blades 18, 19, 20.
Die Getterpumpe 10 besitzt eine Vielzahl von Halteringen 40, 41, 42 von denen jeder mit der Peripherie von sowohl der ersten ringförmigen Retentionsplatte 26 und der zweiten ringförmigen Retentionsplatte 26' verschweißt ist und die zweite ringförmige Retentionsplatte in den Zeichnungen nicht gezeigt ist. Dieselbe Getterpumpe hat ein Thermoelement 47 und eine Lampe 44, die für die Wärme der Blätter bei der Aktivierungstemperatur und auch bei der Betriebstemperatur sorgen (Fig. 10). Die für die Lampe 44 erforderliche Energie wird durch die Energiequelle 46 geliefert (Fig. 1). Die inneren Enden der Blätter definieren einen inneren Kanal mit einem Durchmesser D (Fig. 2) in Verbindung mit den Gasleitungen.The getter pump 10 has a plurality of retaining rings 40, 41, 42 each of which is welded to the periphery of both the first annular retention plate 26 and the second annular retention plate 26' and the second annular retention plate is not shown in the drawings. The same getter pump has a thermocouple 47 and a lamp 44 which provide heat to the blades at the activation temperature and also at the operating temperature (Fig. 10). The energy required for the lamp 44 is supplied by the energy source 46 (Fig. 1). The inner ends of the blades define an inner channel of diameter D (Fig. 2) in communication with the gas lines.
Die erfindungsgemäßen Getterpumpen haben ein vielfach größeres Sorptionsvermögen in einem gegebenen Volumen als die bekannten Getterpumpen. Obwohl die Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es als selbstverständlich angesehen, daß viele Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche vorgenommen werden können. Die folgenden Beispiele, die insbesondere Erläuterungszwecken dienen, sollen den Schutzumfang und den Geist der Erfindung aber in keinem Fall beschränken.The getter pumps according to the invention have a much greater sorption capacity in a given volume than the known getter pumps. Although the invention has been described in detail with reference to some preferred embodiments, it is to be understood that many changes and modifications can be made within the scope of the patent claims. The following examples, which are intended in particular for illustrative purposes, are in no way intended to limit the scope and spirit of the invention.
Ein poröses gesintertes Blatt wurde hergestellt, ausgehend von einem losen Pulver einer Zr-V-Fe-Legierung mit den folgenden Eigenschaften:A porous sintered sheet was prepared, starting from a loose powder of a Zr-V-Fe alloy with the following properties:
- Zusammensetzung (Gew.%):- Composition (wt%):
Zr = 70; V = 24,5; Fe = 5,5;Zr = 70; V = 24.5; Fe = 5.5;
- mittlere Teilchengröße = 1 - 128 µm;- average particle size = 1 - 128 µm;
- Oberfläche = 0,25 m²/g- Surface area = 0.25 m²/g
Das Legierungspulver wurde anschließend vorsichtig gemäß einem Gewichtsverhältnis von 1,5:1 mit einem losen Zr- Pulver der folgenden Eigenschaften vermischt:The alloy powder was then carefully mixed with a loose Zr powder with the following properties in a weight ratio of 1.5:1:
- mittlere Teilchengröße = 1 - 55 µm;- average particle size = 1 - 55 µm;
- Oberfläche = 0,45 m²/g;- Surface area = 0.45 m²/g;
undand
5 Gew.% Amoniumcarbamat (NH&sub2;-CO-O-NH&sub4;).5 wt.% ammonium carbamate (NH₂-CO-O-NH₄).
Das erhaltene Gemisch wurde in eine rechtwinklige Graphitform der Fig. 7 gebracht und bei 1000 ºC 10 Minuten lang gesintert. Das erhaltene Blatt war 75 mm lang, 20 mm breit und 1,4 mm dick. Die Oberfläche des porösen gesinterten Blatts betrug 0,14-0,15 m²/g und die geometrisch (sichtbare Oberfläche des Blatts) betrug etwa 33 cm². Die Dichte des Blatts betrug 3 g/cm³.The resulting mixture was molded into a rectangular graphite mold as shown in Fig. 7 and sintered at 1000 ºC for 10 minutes. The resulting sheet was 75 mm long, 20 mm wide and 1.4 mm thick. The surface area of the porous sintered sheet was 0.14-0.15 m²/g and the geometric (visible surface area of the sheet) was about 33 cm². The density of the sheet was 3 g/cm³.
Eine Gesamtanzahl von 112 Blättern wurde in derselben Weise hergestellt und diese Blätter radial in zwei identischen übereinander gelagerten Reihen (56 Klingen in jeder Kartusche) und mit einer gleichen Winkelentfernung in einem rostfreien Stahlzylindergehäuse angeordnet, welches einen inneren Durchmesser von 100 mm, wobei die äußere Hauptgröße der Blätter nahezu in Kontakt mit der inneren Wand des Gehäuses ist (Abstand = 1 mm), aufweist. Das Oberflächenverhältnis, nämlich das Verhältnis zwischen der geometrischen Oberfläche der Blätter und dem Volumen des Gehäuses betrug 3,1 cm²/cm³ und der Durchmesser des inneren Kanals, der durch die inneren Extremitäten der radial angeordneten Blätter definiert ist, betrug 58 mm. Das Volumenverhältnis, nämlich das Verhältnis zwischen dem Gesamtvolumen der Blätter und dem Leervolumen des Gehäuses betrug 0,21 cm²/cm³ und das Massenverhältnis betrug etwa 0,64 g/cm³.A total of 112 blades were manufactured in the same way and these blades were arranged radially in two identical superimposed rows (56 blades in each cartridge) and with an equal angular distance in a stainless steel cylinder housing, which has an inner diameter of 100 mm, with the outer major dimension of the blades being almost in contact with the inner wall of the casing (clearance = 1 mm). The surface area ratio, namely the ratio between the geometric surface of the blades and the volume of the casing, was 3.1 cm²/cm³ and the diameter of the inner channel defined by the inner extremities of the radially arranged blades, was 58 mm. The volume ratio, namely the ratio between the total volume of the blades and the void volume of the casing, was 0.21 cm²/cm³ and the mass ratio was about 0.64 g/cm³.
Wie schematisch in Figur 8 gezeigt, wurde die Getterpumpe GP an einer Vakuumkammer (VC) befestigt und mit dem Hochvakuum-Pumpensystem (VP) mittels eines Rohrs einer bekannten Leitfähigkeit (C) (kalibrierte Leitfähigkeit) verbunden. Die experimentelle Vakuumkammer wurde mittels des Hauptpumpensystems bis auf einen Druck im Bereich von 10&supmin;&sup8; torr evakuiert. Das Erwärmen der Getterpumpe (Aktivieren) wurde unter Verwendung einer inneren Quarzlampe, coaxial zu dem Pumpengehäuse und in der Figur nicht gezeigt, erreicht.As shown schematically in Figure 8, the getter pump GP was attached to a vacuum chamber (VC) and connected to the high vacuum pumping system (VP) by means of a tube of known conductivity (C) (calibrated conductivity). The experimental vacuum chamber was evacuated by means of the main pumping system to a pressure in the range of 10-8 torr. Heating of the getter pump (activation) was achieved using an internal quartz lamp, coaxial to the pump housing and not shown in the figure.
Die Quarzlampe wurde eingeschaltet und die Getterblätter wurden bestrahlt bis eine Temperatur von 500 ºC erreicht wurde. Eine solche Temperatur wurde 1 Stunde lang aufrechterhalten. Die Lampe wurde anschließend ausgeschaltet und das Gettermaterial zurück auf Raumtemperatur (25 ºC) gebracht. An dieser Stelle wurde ein bekanntes Testgas (CO) aus einem hochreinem Behälter (R) durch das Rohr, welches das Pumpensystem und die kalibrierte Leitung verbindet, fließen gelassen. Der Gasfluß wurde mittels eines UHV-Saphir-Ventils geregelt.The quartz lamp was turned on and the getter sheets were irradiated until a temperature of 500 ºC was reached. Such a temperature was maintained for 1 hour. The lamp was then turned off and the getter material was brought back to room temperature (25 ºC). At this point, a known test gas (CO) was flowed from a high purity container (R) through the tube connecting the pump system and the calibrated line. The gas flow was regulated by means of a UHV sapphire valve.
Zwei Anzeiger zur Druckkontrolle, (Bayard-Alpert) BAG 1 und BAG 2 wurden zur kontinuierlichen Messung der Druckwerte vor und hinter der bekannten Leitung (C) verwendet.Two pressure control indicators (Bayard-Alpert) BAG 1 and BAG 2 were used to continuously measure the pressure values before and after the known line (C).
Durch eine ordnungsgemäße Betreibung des Ventils (V) wird der Druckaufwärtsstrom (Pm) der kalibrierten Leitung bei einem konstanten Maß (1,5 x 10&supmin;&sup4; torr) gehalten, und der Druck (Pg)-Abwärtsstrom davon, d.h. in der Nähe des Getters einige Stunden überwacht, wobei dieser Druck (Pg) geringer als der Druck (Pm)-Aufstrom der Gasleitung war, weil die Getterpumpe einen Teil des das Volumen (VC) ausmachenden Gases adsorbierte. Der Anstieg der Menge des durch das Gettermaterial adsorbierten Gases entsprach einer Verringerung der Pumpengeschwindigkeit und daher einem Anstieg des Drucks (Pg).By properly operating the valve (V), the pressure upstream (Pm) of the calibrated line is maintained at a constant level (1.5 x 10-4 torr) and the pressure downstream (Pg) of it, i.e. near the getter, is monitored for several hours, this pressure (Pg) being lower than the pressure upstream (Pm) of the gas line because the getter pump adsorbed part of the gas constituting the volume (VC). The increase in the amount of gas adsorbed by the getter material corresponded to a reduction in the pump speed and therefore to an increase in the pressure (Pg).
Aus dem Druck Pm (torr), aus der Gasleitfähigkeit C(L/s) und aus dem Wechsel des Drucks P&sub9; (torr) über die Zeit war es möglich, die Pumpgeschwindigkeit G(L/s) der Getterpumpe als Funktion der Menge des adsorbierten Gases (torr xL) zu berechnen. Es ist bekannt, daß die Menge des Gases (Qi) die, die an einem bestimmten Punkt durch die Gasleitung (C) fließt, wiedergegeben wird durchFrom the pressure Pm (torr), from the gas conductivity C(L/s) and from the change of the pressure P�9 (torr) over time, it was possible to calculate the pumping speed G(L/s) of the getter pump as a function of the amount of adsorbed gas (torr xL). It is known that the amount of gas (Qi) flowing through the gas line (C) at a given point is given by
Q i = C (Pm - Pg) (torr x L/s).Q i = C (Pm - Pg) (torr x L/s).
Diese Gasmenge pro Zeiteinheit deckt sich mit der Gasmenge (je Zeiteinheit), welche durch die Getterpumpe adsorbiert wird und kann ausgedrückt werden als G x Pg (torr x L/s), nämlich als Produkt der Pumpgeschwindigkeit der Getterzeit des Drucks (Pg) in der Nähe desselben Getters. Durch Gleichsetzung der beiden Mengen ist es möglich, zu erhaltenThis amount of gas per unit time corresponds to the amount of gas (per unit time) adsorbed by the getter pump and can be expressed as G x Pg (torr x L/s), namely as the product of the pumping speed of the getter time of the pressure (Pg) in the vicinity of the same getter. By equating the two amounts it is possible to obtain
GxPg = (Pm - Pg);GxPg = (Pm - Pg);
woraus folgtFrom which follows
G(t) = C [(Pm - Pg (t)]/Pg (t).G(t) = C[(Pm - Pg(t)]/Pg(t).
Die vollständige Menge des durch die Getterpumpe in der Zeit t adsorbierten Gases Q kann erhalten werden, wie bekannt, durch Integrieren dieser je Zeiteinheit adsorbierten Gasmenge Qi über die ZeitThe total amount of gas Q adsorbed by the getter pump in time t can be obtained, as is known, by integrating this amount of gas Qi adsorbed per unit time over time
Q = Qi dt = G (t) x Pg (t) dt.Q = Qi dt = G (t) x Pg (t) dt.
Die Ergebnisse dieser Messung, nämlich der Verlauf der Pumpengeschwindigkeit des Getters als Funktion der durch diesen adsorbierten Gasmenge sind in Figur 9 wiedergegeben, in der G (Pumpgeschwindigkeit) gegen Q (Sorptionsvermögen) aufgezeichnet ist und worin diese Daten (Linie 1) verglichen werden mit den Ergebnissen (Linie 2), die unter Verwendung einer bekannten Getterpumpe (SAES Getters GP 200) beschrieben in dem US- Patent 3 662 522 mit einem gleichen Gehäusevolumen, erhalten werden.The results of this measurement, namely the course of the pumping speed of the getter as a function of the amount of gas adsorbed by it, are shown in Figure 9, in which G (pumping speed) is plotted against Q (sorption capacity) and in which these data (line 1) are compared with the results (line 2) obtained using a known getter pump (SAES Getters GP 200) described in US Patent 3,662,522 with an equal housing volume.
Aus diesem Vergleich wird deutlich, daß die Pumpgeschwindigkeit der verbesserten erfindungsgemäßen Getterpumpe GB mehr als das zweifache der Geschwindigkeit herkömmlicher GP 200-Pumpen, bezogen auf die beschichteten Streifen, ist. Es ist auch klar, daß das Sorptionsvermögen, welches gemessen wurde, wenn die Pumpgeschwindigkeit der beiden Pumpen unter 100 L/s fällt, mehr als eine Größenordnung höher lag, als bei den bekannten Pumpen. Die erfindungsgemäße verbesserte Getterpumpe liefert deshalb signifikant höhere Sorptionsund Kapazitätseigenschaften als eine traditionelle NEG (nicht-verdampfbare Getter)-Pumpe für ein gegebenes Gehäusevolumen.From this comparison it is clear that the pumping speed of the improved getter pump GB according to the invention is more than twice the speed of conventional GP 200 pumps, based on the coated strips. It is also clear that the sorption capacity measured when the pumping speed of the two pumps drops below 100 L/s was more than an order of magnitude higher than that of the known pumps. The improved getter pump according to the invention therefore provides significantly higher sorption and capacity characteristics than a traditional NEG (non-evaporable getter) pump for a given casing volume.
Beispiel 1 wurde ein zweites Mal wiederholt durch Ersatz von Kohlenmonoxyd durch Stickstoff. Auch in diesem Fall waren die Pumpgeschwindigkeit und das Sorptionsvermögen signifikant höher im Hinblick auf die Standard GP 200 Pumpen.Example 1 was repeated a second time by replacing carbon monoxide with nitrogen. Also in this case, the pumping speed and sorption capacity were significantly higher with respect to the standard GP 200 pumps.
Beispiel 1 wurde ein weiteres Mal wiederholt unter Ersatz von Kohlenmonoxyd (CO) durch Wasserstoff (H&sub2;). Auch in diesem Fall war die Pumpgeschwindigkeit der verbesserten Getterpumpe größer als der zweifache Wert von GP 200. Da die Kapazität des Wasserstoffs des NEG-Materials, welches zur Pumpenherstellung verwendet wurde, viel größer für CO und N&sub2; ist, wurde der Test gestoppt, nachdem die Pumpe 1333 Pa x L H&sub2; sorbiert hatte und weit vor dem Punkt, an dem die Pumpgeschwindigkeit beginnt, abzufallen.Example 1 was repeated once again replacing carbon monoxide (CO) with hydrogen (H2). Again, the pumping speed of the improved getter pump was greater than twice that of GP 200. Since the hydrogen capacity of the NEG material used to make the pump is much greater for CO and N2, the test was stopped after the pump had sorbed 1333 Pa x L H2 and well before the point at which the pumping speed begins to drop.
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