DE69817775T2

DE69817775T2 - Verfahren zur verbesserung eines vakuums in einem hochvakuumsystem

Info

Publication number: DE69817775T2
Application number: DE69817775T
Authority: DE
Inventors: Cristoforo Benvenuti
Original assignee: ORG EUROPEENE DE RECH; Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire (cern)
Current assignee: ORG EUROPEENE DE RECH; Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire (cern)
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2018-02-21
Also published as: CA2282664C; DK0964741T3; FR2760089A1; CA2282664A1; RU2192302C2; PT964741E; JP4451498B2; FR2760089B1; ES2206905T3; EP0964741B1; JP2001513017A; NO317574B1; AU6722898A; EP0964741A1; US6554970B1; NO994080L; WO1998037958A1; DE69817775D1; NO994080D0; ATE248645T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Hinblick auf die Verbesserung des Vakuums in einem System mit sehr hohem Vakuum (Ultravakuum) geschaffene Weiterentwicklungen, das ein Behältns umfasst, das an seiner Oberfläche Gas freizusetzen imstande ist. Spezifischer zielt die Erfindung auf Weiterentwicklungen des Verfahrens ab, das im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnt ist.
In einem metallischen ausheizbaren System, in dem ein sehr hohes Vakuum geschaffen werden muss (d. h. ein Vakuum von wenigstens 10^–10 Torr, sogar in der Größenordnung von 10^–13 bis 10^–14 Torr, wobei 1 Torr = 133,32 Pa), bilden die metallischen Wände des Vakuumbehältnisses eine unerschöpfliche Gasquelle. Der in dem Konstruktions-Metall (z. B. Edelstahl, Kupfer, Aluminium-Legierung) enthaltene Wasserstoff diffundiert frei in der Dicke des Metalls und wird an der das Behältnis begrenzenden Oberfläche freigesetzt. Gleichfalls resultiert aus dem Bombardement der Wände der Vakuumkammer mit Teilchen (Synchrotron-Strahlung, Elektronen oder Ionen) – wie es in Teilchenbeschleunigern der Fall ist – auch das Austreiben von schwereren Molekül-Typen, solche wie CO, CO₂, CH₄, die an der Oberfläche nach Dissoziation von Kohlenwasserstoffen, Karbiden und Oxiden entstehen.
Das in dem Behältnis erzielte Vakuumniveau wird also begrenzt von dem dynamischen Gleichgewicht zwischen der Gas-Freisetzung an der das Behältnis umgrenzenden Oberfläche und der Pumpleistung der verwendeten Pumpen. Der Erhalt eines hohen Vakuums bedingt zugleich eine hohe Reinheit der Oberfläche des Behältnisses, was die Emission von Gasen reduziert, und eine erhöhte Pumpleistung. Für die Vakuumsysteme von Teilchenbeschleunigern, deren Kammern generell kleine Querschnitte haben, müssen die Pumpen nahe beieinander liegen, oder man muss gar eine kontinuierliche Abpumpung durchführen, um die Beschränkung des Strömungsleitwertes zu überwinden.
Bei diesen Bedingungen ist es bekannt, um zu einem möglichst hohen Vakuum zu gelangen, das durch mechanische Pumpen produzierte Vakuum zu ergänzen, indem man eine zusätzliche Abpumpung durchführt, insbesondere mithilfe eines im Behältnis angeordneten Getters: dieses Material ist fähig, chemisch stabile Verbindungen durch Reaktion mit den Gasen zu bilden, die in einem Vakuumbehältnis vorhanden sind (insbesondere H₂, O₂, CO, CO₂, N₂) und diese Reaktion macht einem Verschwinden der betreffenden Molekül-Typen Raum, was einer Pumpwirkung entspricht.
Jedoch bleibt, unabhängig von dem angewendeten Pumpverfahren und ungeachtet der Wirksamkeit der aufgeteilten Pumpung, die die Anwendung eines nicht verdampfbaren Getters ermöglicht, das im Behältnis erzielbare Vakuumniveau durch das dynamische Gleichgewicht zwischen der Pumpleistung (was auch immer die eingesetzten Pumpmittel sind) und dem Entgasungsgrad der metallischen Oberfläche des Behältnisses (was auch immer deren Ursache ist); anders ausgedrückt bleibt das Vakuumniveau für eine gegebene Pumpleistung abhängig von dem Entgasungsgrad im Behältnis.
Zum Verbessern der Qualität des Ultravakuums im Behältnis erweist es sich also als wünschenswert zu versuchen, den Entgasungsgrad der metallischen Wand des Behältnisses wesentlich zu reduzieren, und zugleich die Wirksamkeit der Pumpmittel wesentlich zu erhöhen.
Folglich hat die Erfindung die Aufgabe, eine weiterentwickelte Lösung vorzuschlagen, die das Lösen dieser Probleme ermöglichen, den sich im Behältnis ereignenden Entgasungsgrad reduzieren und die Wirksamkeit der angewendeten Pumpmittel merklich erhöhen soll, wobei in wirtschaftlicherer Weise an sehr hohe Vakua (Ultravakua) herangekommen werden soll (z. B. in der Größenordnung von 10^–10 bis 10^–15 Torr).
Zu diesen Zwecken wird gemäß der Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch die Abfolge der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Schritte.
Dank der Anwendung eines solchen Verfahrens genießt man im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen wesentlichen Vorteil der verwendbaren Katalysatorstoffe, der in ihrer geringen Oxidation liegt : wenn diese Katalysatoren der Luft ausgesetzt sind, reagieren sie nur sehr schwach mit dem Sauerstoff an ihrer Oberfläche, und es besteht folglich kein Bedarf mehr, zum Beseitigen einer Passivierungsschicht einen Schritt der Aktivierung durch Erhitzen durchzuführen.
Es ergibt sich daraus auch ein anderer Vorteil, der in der im Prinzip unbegrenzten Lebensdauer der Katalysatorschicht liegt, da die Gasabsorption thermisch reversibel ist.
Diese Katalysatorschicht bildet einen Schirm, der das Freisetzen von Gas aus dem Metall der Behältniswand behindert, ohne seinerseits Gas zu produzieren. Außerdem ist es diese Schicht, die in den Kammern von Teilchenbeschleunigern dem Aufprall der Teilchen oder der Synchrotronstrahlung ausgesetzt wird und die als Schirm die Freisetzung von Molekül-Typen behindert, die das Vakuum im Behältnis beeinträchtigen könnten. Hieraus ergibt sich, dass man durch dieses Mittel jedenfalls in großem Maßstab die Freisetzung von Gasen im Behältnis, aus welcher Ursache auch immer, verhindert.
Schließlich kann ein Katalysator wie vorstehend angegeben einen Oberflächen-Abpumpeffekt auf Molekül-Typen ausüben, die im Behältnis vorhanden sind.
Es wurde gefunden, dass die interessantesten Ergebnisse mit Palladium-Legierungen erzielt wurden, und noch spezieller mit der Legierung Palladium-Silber.
Obwohl die Abscheidung der Katalysatorschicht auf die Oberfläche der Behältniswand durch jedes geeignete, dem Fachmann bekannte und im betrachteten technischen Zusammenhang wirksame Mittel ausgeführt werden könnte, wird sie im Rahmen der Erfindung durch Kathodenzerstäubung durchgeführt, wie später noch erörtert wird.
Es ist jedoch zu bemerken, dass der Katalysator einen ungünstigen Effekt hat, der auf der Tatsache beruht, dass im Gegensatz zu einem nicht verdampfbaren Getter der Katalysator nur eine selektive Pumpwirkung hat : anders gesagt ist er fähig, bestimmte Molekül-Typen abzupumpen : H₂ und CO, aber nicht immer andere Molekül-Typen : N₂ und CO₂. Jedoch kann sich diese Selektivität in bestimmten, spezifischer im Blick befindlichen Anwendungen (Vakuumkammern von Teilchenbeschleunigern) als nicht hinderlich erweisen im Hinblick darauf, dass die Molekül-Typen H₂ und CO mehrheitlich vertreten sind.
Es ist außerdem darüber hinaus anzumerken, dass die Katalysatoren einen Pumpeffekt auf den H₂-Typ haben, der zwar existiert, jedoch bei niederem Druck begrenzt bleibt. Jedoch erlaubt ein Absenken der Temperatur eine Verbesserung der abgepumpten H₂-Menge: nur in der Größenordnung eines Bruchteils einer Molekularschicht bei der Umgebungstemperatur von etwa 20°C, wächst diese Menge bei niedrigerer Temperatur. Z. B. ist der Gleichgewichtsdruck für eine an der Oberfläche adsorbierte Monoschicht von Wasserstoff mit Palladium, das wegen der gelieferten Ergebnisse einen tatsächlich bevorzugten Katalysator bildet, bei 10^–7 Torr bei Umgebungstemperatur, aber er wird vollständig vernachlässigbar bei der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs (77°K).
Um dem unzureichenden Abpumpvermögen des Katalysators bei bestimmten Molekül-Typen wie H₂ und dessen Isotopen abzuhelfen, sieht man die Anordnung einer Unterschicht aus einem nicht verdampfbaren Getter-Material direkt auf der Wand des Behältnisses vor. Die vorstehend erwähnten Molekül-Typen, wie Wasserstoff und seine Isotope, werden so von der dem Vakuum ausgesetzten Oberfläche durch die Katalysatorschicht hindurch bis zu der Schicht aus dem nicht verdampibaren Getter transportiert, sei es auf lange Sicht bei Umgebungstemperatur, sei es in beschleunigter Weise in kurzer, sogar sehr kurzer Zeit, wenn eine Aufheizung auf eine Temperatur von ungefähr 50 bis 70°C durchgeführt wird. So kann, während eine mit H₂ gesättigte Palladiumschicht bei einer Umgebungstemperatur von etwa 20°C nur das Erreichen eines Vakuums von 10^–7 Torr erlaubt, derselbe Katalysator durch Aufheizen auf 70°C zu einem Vakuum von 10^–13 Torr führen.
Was die Schicht aus dem nicht verdampfbaren Getter (NEG) angeht, die Auswahl des oder der Grundmaterialien und sein Herstellverfahren, kann auf jede dem Fachmann bekannte und dem Rahmen der vorliegenden Erfindung genügende Lösung verwiesen werden. Jedoch wird man sich vorzugsweise und in sehr vorteilhafter Weise auf die im Dokument FR-A-2 750 248 (WO-A-97 49 109) im Namen der Anmelderin beschriebenen Vorkehrungen stützen können.
Es soll lediglich daran erinnert werden, dass das NEG-Material insbesondere ein großes Absorptionsvermögen und einen großen Diffusionskoeffizienten für Wasserstoff besitzen muss, mit nach Möglichkeit dem Vermögen, eine Hydridphase zu bilden; es muss außerdem einen Dissoziationsdruck der Hydridphase von weniger als 10^–13 Torr bei etwa 20°C aufweisen. Das Material muss auch eine möglichst geringe Aktivierungstemperatur besitzen, verträglich mit den Aufheiztemperaturen der Vakuumsysteme (ungefähr 400°C für Kammern aus Edelstahl, 200–250°C für Kammern aus Kupfer und Aluminium-Legierung) kompatibel mit der Stabilität des Materials an Luft bei etwa 20°C sein; unter diesen Bedingungen muss die Aktivierungstemperatur im allgemeinen höchstens gleich 400°C, aber nicht geringer als 150°C sein.
Definitiv bilden Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium und Skandium, die eine Löslichkeitsgrenze von Sauerstoff bei Umgebungstemperatur von mehr als 2% aufweisen, geeignete nicht verdampfbare Getter zum Bilden einer Dünnschicht-Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Man kann wohlgemerkt auch jede Legierung oder Verbindung dieser Stoffe untereinander verwenden, oder jede Legierung eines oder mehrerer dieser Stoffe mit anderen, um die erzielten Wirkungen zu kombinieren, sogar um neue Wirkungen zu erzielen, die sich nicht direkt aus der Kumulierung der individuellen Wirkungen ergeben.
Die Anwendung einer Mehrschicht-Struktur gemäß der Erfindung vollzieht sich in einfacher Weise:

– man scheidet mindestens eine Schicht aus einem nicht verdampfbaren Getter auf zumindest dem größten Teil der Oberfläche der Behältniswand ab;
– man bewirkt dann eine Abscheidung mindestens einer Schicht mindestens eines Katalysators auf der besagten Getterschicht, wobei dieser Katalysator ausgewählt wird aus Ruthenium und/oder Rhodium und/oder Palladium und/oder Osmium und/oder Iridium und/oder Platin und/oder einer Legierung, die mindestens eines von diesen enthält;
– man baut das Behältnis mit einem Vakuumsystem zusammen; und
– man evakuiert das Behältnis mithilfe des Pumpsystems.

Zum Abscheiden durch doppelte Kathodenzerstäubung wird die Abscheidung der NEG-Schicht, die im ersten vorgenannten Schritt erörtert wurde, mithilfe mindestens einer ersten zum kathodischen Zerstäuben des Getters geeigneten Elektrode durchgeführt, wie im Dokument FR-A-2 750 248 angegeben. Dann wird nach erfolgter Abscheidung diese Elektrode aus dem Behältnis entfernt und vor dem Übergang zum zweiten vorstehend beschriebenen Schritt ersetzt durch mindestens eine zweite, zur kathodischen Zerstäubung des Katalysators geeignete Elektrode. Weil die Getterschicht infolge dieses Elektroden-Umbaus der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird, ist es notwendig, abzusaugen und sodann die Getterschicht thermisch zu aktivieren, bevor die Katalysatorschicht durch Kathodenzerstäubung abgeschieden wird.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens kann die folgenden Schritte umfassen:

– man reinigt das Behältnis; man führt eine Vorrichtung zum Abscheiden eines Dünnschicht-Getters in das Innere des Behältnisses ein; man schafft ein relatives Vakuum in dem Behältnis; man bewirkt eine Trocknung des Behältnisses, um so viel Wasserdampf wie möglich zu evakuieren; dann scheidet man den Getter als eine dünne Schicht auf zumindest dem größten Teil der Oberfläche der Wand ab, welche das Behältnis umgrenzt;
– man stellt den Atmosphärendruck im Behältnis wieder her und man entfernt die Getter-Abscheidevorrichtung aus dein Behältnis und führt eine Katalysator-Abscheidevorrichtung in das Innere des Behältnisses ein;
– man schafft ein relatives Vakuum in dem Behältnis; man führt eine Aufheizung der Anlage auf die Solltemperatur durch, wobei jedoch das Behältnis auf einer Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur des Getters gehalten wird;
– man beendet die Aufheizung der Anlage und erhöht zugleich die Temperatur des Behältnisses bis auf die Aktivierungstemperatur des Getters, die man während einer vorbestimmten Dauer einhält (z. B. eine bis zwei Stunden); und schließlich führt man die Temperatur des Behältnisses auf die Umgebungstemperatur zurück; am Ende dieser Prozedur ist die Oberfläche der Getter-Dünnschicht sauber und ihre thermische Gasabscheidung ist stark reduziert;
– schließlich scheidet man mindestens eine Katalysatorschicht auf der NEG-Schicht ab.

Um die durch den Elektroden-Umbau herbeigeführten Zwänge zu vermeiden (Aussetzen der Getterschicht an die Umgebungsatmosphäre), kann man von vornherein eine Doppelelektrode verwenden, die zugleich die beiden Materialien NEG und Katalysator enthält und derart anregbar ist, dass zunächst der Getter und sodann der Katalysator nacheinander ohne Zwischenbehandlung des Getters abgeschieden werden können; um homogene Abscheidungen auf der gesamten Wand des Behältnisses zu erreichen, kann eine solche Elektrode drehbar sein.
Nach dem Einbau in das fertige Vakuumsystem ist die Oberfläche der Katalysatorschicht grundsätzlich von einigen Wasserdampf-Monoschichten bedeckt, die durch Abpumpen beseitigt werden müssen. Die Beseitigung ist schneller möglich, wenn die Abpumpung von einer Ofentrocknung des Vakuumsystems begleitet wird durch Aufheizen auf eine Temperatur von mindestens 120°C und, wenn möglich, bis auf 300°C.
Ein in Form einer solchen, vorstehend angegebenen Schicht aufgebrachter Katalysator erstreckt sich über die gesamte Länge des Behältnisses und wahrt somit den Vorteil einer gleichmäßig aufgeteilten Abpumpung. Darüber hinaus nimmt eine Katalysatorschicht ge mäß der Erfindung keinen wesentlichen Raum ein und bietet den Vorteil, einen Pumpeffekt ohne Raumbedarf zu schaffen, was ihre Anwendung selbst in solchen Fällen erlaubt, wo die geometrischen Zwänge die Verwendung eines Pumpmaterials in Bandform verbieten würden.

Claims

Verfahren zum Anwenden einer Beschichtung mit der Funktion eines geeigneten Fangstoffes zum Schaffen eines sehr hohen Vakuums (Ultravakuums) durch Getterwirkung in einem Behältnis, das durch eine metallische, zum Freisetzen von Gas an ihrer Oberfläche fähige Wand umgrenzt ist, wobei die Beschichtung mit Getterfunktion zumindest auf dem größten Teil der Oberfläche der Wand des Behältnisses angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Abfolge der folgenden Schritte: – durch Kathodenzerstäubung wird mindestens eine metallische Dünnschicht aus einem nicht verdampfbaren Getter auf zumindest dem größten Teil der Oberfläche der Wand des Behältnisses abgeschieden, wobei der besagte Getter dazu geeignet ist, Wasserstoff und dessen Isotope zu absorbieren und ausgewählt ist aus Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Vanadium und/oder Skandium und/oder einer Legierung oder metallischen Zusammensetzung, die wenigstens einen dieser Stoffe enthält; – dann wird durch Kathodenzerstäubung mindestens eine Dünnschicht mindestens eines Katalysators auf die besagte Schicht des nicht verdampfbaren Getters abgeschieden, wobei besagter Katalysator ausgewählt ist aus Ruthenium und/oder Rhodium und/oder Palladium und/oder Osmium und/oder Iridium und/oder Platin und/oder einer mindestens eines davon enthaltenden Legierung; – die für die Kathodenzerstäubung verwendete Elektrode wird entfernt, sobald die Abscheidung der Schicht abgeschlossen ist; – das Vakuumbehältnis wird zusammengebaut; – das Vakuum wird mithilfe des Pumpsystems hergestellt, dank wessen besagte Beschichtung einerseits die von der Wand des Behältnisses freigesetzten Gase abfängt und andererseits den Wasserstoff und seine Isotope, die beim Evakuieren in dem Behältnis vorhanden sind, abpumpt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf der zuvor abgeschiedenen Schicht aus dem nicht verdampibaren Getter abgeschieden wird, ohne dass diese letztere zwischen den beiden Abscheidungen der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem nicht verdampfbaren Getter, die nach ihrer Abscheidung der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird, sodann abgepumpt und thermisch aktiviert wird, bevor die Katalysatorschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Herstellen des Vakuums mithilfe des Pumpsystems eine Trocknung des Vakuumsystems durch Aufheizen auf eine Temperatur von mindestens 120°C bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eine Palladiumlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eine Palladium-Silber-Legierung ist.