Brevet FR2003739A1 — publié le 19691114

La pompe prévue selon la présente invention a une forme générale sphérique et comporte essentiellement deux coques sphériques creuses constituant les électrodes, l'une d'entre elles étant montée concentriquement à l'intérieur de l'autre tout on étant espacée de colle-ci. Ces électrodes reçoivent un potentiel dont la polarité est propre à rcndre l'électrode intérieure positive par rapport à l:électrode extérieure. L'électrode intérieure est ouverte pour permettre à un courant de gaz de la traverser et elle définit un volume intérieur occupant une position centrale par rapport aux doux électrodes.Une cathode thermo-ienique ost montée dans 1'ospaco compris entre les deux électrodes et elle émet des électrons qui sont dirigés radiXlement vers l'intérieur en direz tion du contre de ce volume. Par suite do la géométrie sphérique, les électron eux-mmes ainsi que les ions produits par la collision de ceux-ci avec des molécules neutres provoquent une décharge électrique; composée de courants d'électrons et dotions d'une mplitudo d'ordre élové, dans le susdit volume, de même que des courants d'électrons dans l'intervalle compris entre les deux électrodes. L'une ou l'autre do ces électrodes est faite de titane qui se sublime ou se pulvérise sous l'action du bombardement par les ions ou les électrons, ou par les deux. Le titane vaporisé est amené à se déposer sur l'autre électrode constituant ainsi une surface qui peut fixer à la fois les moléculos ionisées et les molécules neutres.Le taux de pompage peut être contrtlé en faisant varier l'amplitude des courants d'électrons circulatoires, ce qui modi fie proportionnellement le taux d'ionisation, le taux de pompage étant d'autant plus grand que l'ionisation est plus grande. La présente invention concerne les pompes à vide en général ot plus parti. oulièremont les pompes à vide qui utilisent des courants d'électrons circulatoires pour ioniser le gaz que l'on évacue, le gaz ionisé étant collecté par un matériau réducteur qui est régénéré on permanence, de manière à toujours présenter une surface neuve non contaminée afin d'assurer un pouvoir de fixa- tion maxinum. Une pompe à vide de la technique antérieure, présentant quelque ressemblance avec la présente invention, utilise une tige de tungstène qui supporte des cylindres en titane de diamètre plus grand. Cet ensemble est monté coaxia- lement à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique, cette enveloppe et l'ensem- ble à tige constituant les électrodes qui sont reliées à un potentiel. L'ensem ble à tige est rendu positif par rapport à l'enveloppe.Une cathode est disposée à l'intérieur de ltespace compris entre les deux électrodes de manière que les électrons émis par celle-ci puissent être dirigés soit radialement, vers l'intérieurç on direction de ltonsemble a à tige, soit par des parcours cn orbi- te autour de oolui-ci, selon la direction dans laquelle les électrons sont ini tialement émis Eventuellements les électrons sont collectés dans leur totalit par les cylindres cn titane qui sont insi chauffés jusqu'aux températures de sublimation. Ccci entraine la formation sur les parois de l'enveloppe d'un dépôt de titane, ce dépit collectant les gaz contenus à l'intérieur de l'envelop- pe. Au cours de lcur transît jusqu'au titane, les électrons ionisent un ccrtain nombre de molécules de gaz, les ions étant de c fait attirés vers les parois de l'enveloppe dans lesquelles ils stcnfouissent, la libération des ions ainsi enfouis tant empêchés par la sublimation continuelle du titane, La vitesse de pompage est limitée par le pouvoir d'ionisation du courant dtélectrons, lui-ric-ne limité par le fait que tous les électrons ont un terminus défini sur l'ensemble à à tige, certains de ces électrons se dirigeant directement vers l'ensemble à tige sans suivre une orbite tandis que les coutres accomplissent une orbite autour dudit ensemble un certain nombre de fois avant d'être colloctés. Une seconde rcstriction à l'utilisation de cette pompe particulière réside dans le fait que le titane de la tige est effectivemont consumé ce qui nécessite un démontage de la pompe et le remplacement de l'ensemble à tige. Suivant l'aspect général de l'invention, il est prévu une pompe à vide qui conporte des électrodes à potentiel positif et négatif, lt.ne des électrodes étant montée symétriquement à l'intérieur do l'autre. L'électrode positive ost creuse et elle définit un volume situé dans une position centrale par rapport aux deux électrodes. Ledit volume est totalement exempt de structure tangible, et l'électrode positive est ouverto de manière à pernettre au courant de particules chargées de la traverser. I1 est prévu dos moyens pour appliquer un potentiel aux électrodes afin d'établir un champ électrique entre elles, l'élec- trode intérieure étant positive p-r rapport à l'électrode extérieure.Un élément émetteur d'électrons est monté dans l'espace intermédiaire entre les deux électrodes et cet élément engendre, on combinaison avec ces électrodes, un courant circulatoire composé d'électrons qui suivent des trajectoires qui s'intorsectent dans la région centrale du volume mentionné ci-dessus. L'une des élec- trocs est constituée par un matériau capable de réduire les gaz tels que le titane qui se vaporise lorsqu'il est chauffé ou qu'il est bombardé par des particules chargées. Le courant d'électrons circulatoire ionise le gaz neutre contenu dans l'espace intermédiaire, les ions étant de ce fait collectés par l'é- lectrode négative. Si cette électrode négative est en titane, le bombardement par les ions provoque une pulvérisation du titane qui forme un dépit sur l'électrode positive intérieure. Lcs molécules neutres peuvent ainsi être collec tées par l'une ou l'autre des électrodes positive ou négative, du fait que tou tes deux présentent on permanence des surfaces de titane neuves.Si l'électro- de intérieure ost en titane, lo bombardement électroniquo de celle-ci provoque un échauffeme:lt et la sul:limation du titane qui forme un dépit sur l'électrode extérieure. La mye action de fixation des gaz se produit. La présente invention a pour objet de prévoir une pompe à vide dans laquelle le gaz qui doit etre pompé est ionisé puis collecté, l'ionisation se produisant dans une charge d'espace confinée électrostatiquement. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une pompe a vide dans laquelle le taux de pompage peut être contrôlé en modifiant l'amplitude d'un courant d'électrons circulatoire. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de rélisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-amexés dans lesquels La figure 1 montre une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation de l'invcntion dans lequel certaines connoxions de cirouit sont figurées sous forme schématique. La figure 2 est une vue latérale de l'électrode intérieurs do l'exemple de réalisation de la figure 1. La figure 3 représente schématiquement un autre exemple de réalisation de l'invention. La présente invention met en oeuvre un prooédé non magnétique pour retenir des gaz ionisés. Les structures et les théories impliquées dans la réalisation de cette rétention ont été décrites dans le brevet américain N 3.258.40 Dlune manière générale, les ap areillages décrits dans cette demande de brevet, de meme que les structures décrites ici, utilisent une géométrie sphérique dans laquelle deux électrodes généralement sphériques dont l'une, l'ano- de,recoit un potentiel positif et dont l'autre, la cathode, reçoit un poten- tiel négatif, sont placées concentricuement l'une à l'intérieur de l'autre.L' électrode interieure est perméable au flux de particules atomiques, tandis que l'électrode extérieure ne l'est pas et constitue de préférence une enveloppe hermétique dans laquelle on peut faire le vide. Au cours du fonctionnement, une décharge électrique, constituée par un courant d'électrons d'amplitude dl ordre élevé circulant dans l'espace délimité par l'électrode intérieure, produit une répartition radiale de potentiel qui, généralement s est minimale à un rayon adjacent au centre de llespace et maximale à llanode. Au rayon du potentiel minimal est prévue une cathode virtuelle sphérique. Si l'on so réfère plus particulièrement aux figures 1 et 2, on voit une structure de forme sphérique dans laquelle l'élément extérieur est une coque sphérique creuse 1 formant la cathode, qui constitue une enveloppe hermétiquo- ment scellée. Une autre électrode sphérique 2 est disposée concentriquement à l'intérieur de la coque 1, cette électrode 2 présentant une cavité creuse de forme sphérique 3, un ensemble à colonnette 4 servant à maintenir l'électrode 2 dans une position rigide. L'ellsemble à à colonnette 4 est constitué par un isolateur de forme allongée 5 qui est fixé solidement à l'électrode 2 ainsi qu'il est montré. Un dispositif à bagues désigné par la référence numérique 6 maintient 1' ensemble à colonnette 4 sur la coque 1 dans une position rigide et hermétiquement scellée, ce dispositif à bagues coiglant étroitement ltisolateur 5 et s' adaptant dans une ouverture ménagée dans la coque 1. Un conducteur 7 se présentant sous la forme d'une tige se prolonge coaxialement à travers l'isolateur 5, ce conducteur présentant à son extrémité inférieure une portion élargie 8 intimement fixée à l'électrode 2 de maniere à conduire le courant. Le conducteur 7 est relié par son extrémité extérieure à la borne positive d'une source d'alimentation appropriée représentée par la batterie 9. L'électrode 2 est également représentée à la figure 2 et dans l'une de ses formes, elle est faite d'un métal tel que l'acier inoxydable ou le titane et présente une forme sphérique ainsi qu'il sera expliqué de façon plus détaillée ultérieurement, de manière à définir une cavité sphérique concentrique 3. Cette électrode 2 est ajourée et comporte plusieurs ouvertures coniques ou -passages indiquées en 10. Les passages 10 peuvent avoir d'autres fornes sans s'écarter pour cela des principes de l'invention. De De mme, ainsi qu'il sera expliqué ultérieurevent7 on peut utiliser d'autres structures pour ltéleotro- de 2. Llélectrode 2 est constituée de préférence par deux séries de pièces métalliques oenbcuties de forme courbe, aplaties, lia et 11b fixées rigidement et conductivement les unes aux autres de façon appropriée, par soudage ou autre procédé. Les pièces emoouties 11a de la première série sont soudées suit vant un diamètre commun de la sphère, et correspondent à des disques annulaires qui s'intersectent.Les pièces embouties 11b de la seconde série sont soudées ensemble suivant un diamètre commun et correspondent également à des disques annulaires qui s'intersectent. Les pièoes embouties 11a et 11b sont également pourvues de fentes appropriées qui leur permettent de s'adapter les unes aux autres et dtetre soudées à leurs points d'intersection. Les axes des diverses ouvertures 10 sont situés le long des rayons de la sphère mentionnée ci-dessus et ils intersectent le centre 12 de la cavité 3. Ce centre est également celui de la coque 1. Les ouvertures 10 sont disposées en paires diamètrales, chaque paire présentant un axe commun qui coincide avec le diamètre de la coque. Un ensemble à filament thermo-ionique 13 est monté sur la coque 1, les filaments 14 et 15 étant maintenus par celle-ci et se prolongeant dans ltespace entre les électrodes 1 et 2 comme montré. L'ensemble 13 comprend des flasques en métal et des isolateurs appropriés, disposés de ma nière à maintenir rigidement les filaments thermo-ioniques 14 et 15. Les tor- nes extérieures 16 et 17 des filaments 14 et 15 sont prévues pour être reliées à une source de tension appropriée 18 destinée à chauffer les filaments 14 et 15.De préférence, les filaments 14 et 15 sont alignés sur les axes des oul-er- tures 10 de manière à réduire au minimum l'interception des électrons par l'anode 2. Un dispositif d'admission 19 est fixé à la coque 1 comme montré, il comprend une courte section de conduit 20 ayant une bague 21 coaxialement adaptée à l'intérieur5 6t un déflecteur 22 fixé sur la bague 21 tout en étant séparé de celle-ci, de manière à surmonter ltouverture 23 de cette dernière. L'arrivée dc- gaz passe à travers l'ouverture 23 et, contournant le déflecteur 22, pénètre à l'intérieur do la coque 1. Une autre portion de conduit 24 est fixée sur la coque 1 de manière à établir une liaison avec une pompe de vide primaire qui sert à réduire la pression régnant à l'intérieur de la cocue 1 à une valeur voisine de 10-2 degrés Torr. Dans un exemple de réalisation de l'invention, l'électrode intérieure 2 est faite de titane ou de tout autre matériau réducteur approprié, présentant les mêmes propriétés physiques et chimiques que le titane, tandis que la coque 1 est faite d'acier inoxydable ou d'un matériau semblable approprié. En fonctionnement, la portion tubulaire 20 est reliée au récipient qui doit titre évacué, tandis qub ltautre conduit 24 est relié à une pompe de vide primaire telle que décrite précédemment, capable de réduire la pression qui règne à l'intérieur de la coque 1 à une valeur d:environ 10-2 degrés Torr. Les molécules gazeuses provenant du récipient à pomper passent dans la portion de conduit 20 et pénètrent dans la coque 1, certaines de ces molécules gazeuses sous forme neutre étant collectées par le titane de l'élément 2.Cependant, les zones superficielles exposées de l'électrode 2 peuvent devenir rapidement contaminées de manière à ne plus pouvoir collecter de molécules gazeuses. Pour ré soudre ce problème, une surface de titane neuve., non contaminée, est cor.tinuel- lement constituée selon l'invention par l'application d'un potentiel aux deux électrodes 1 et 2, comme montré. Les électrons émis par les filaments 14 et @@ se dirigent vers l'électrode positive 2 et sont éventuellement interceptés par cette dernière.Ceci entrains un échauffement de l'électrode 2 qui provoque la sublimation du titane et le dépôt de celui-ci sur la surface intérieure de la coque 1. Ce courant d'électrons ionise également le gaz pompé. Les ions positif ainsi formés dans l'espace compris entre les électrodes 1 et 2 sont entrainés vers ltélément 1 dans lequel ils s'enfouissent. Le titre sublimé provenant o l'électrode 2 fixe et recouvre ces ions empêchant ainsi leur ré-émission.Les molécules neutres sont également collectées par lt surface intérieure de la co- que 1 étant donné que le titane sublimé s'y dépose constamment, constituant une surface neuve de titane ayant un rclldement de fixation maximal.Ces molécules noutres ainsi collectées sont égale ent enfouies par le dépôt ultérieur de titare Ce processus de fixation est continu et eiftraîne une réduction de la pression à l'intérieur de la coque 1 jusqu'à environ 10-10 à 10-11 degrés Torr Un fait important est que le taux de pompage est extrêmement élevé, ceci étant dû àce que les courants d'électrons circulatoires maintenus constamment ont une amplitude d'ordre élevé entraînant ainsi un degre maximal d'ionisation du gaz contenu dais la coque 1.Le concept de co courant d'espace est expliqué dans le brevet américain N 3.258.402 mais il est traité brièvement ci-après Initialement, la pression de base à l'intérieur de la coque 1 étant réduite à une v-leur d'environ 10 degrés torr, et un potentiel étant appliqué aux deux électrodes 1 et 2, les électrons provenant des filaments 14 et 15 sont dirigés radialement vers l'intérieur en direction de l'électrode 2. Un certain nombre de ces électrons suivent les trajectoires précisément radiales et, passant à travers les ouvertures 10, se dirigent vers le centre 12.Initialement, un certain nombre de ces électrons se déplacent sur une ligne droite vers l'intérieur à travers les ouvertures diamètralement opposées 10 et se rapprochent de la coque négative 1 jusqu'à etre renvoyés par la force de répulsion de celle-ci. Sur le trajet de retour, et à condition qu'il ne subisse pas de dispersion, l'électron refait Sa trajectoire précédente passant par le centre 2 et poursuit sa course en avant vers la coque négative 1 jusqu' être de nouveau renvoyé. A mesure que le nombre de ces électrons augmente, l'interaction entre eux entraîne le développement d'un creux de potentiel 25 de charge d'espace nega- tive autour du centre 12 de la cavité 3. Ce creux de charge d'espace négative se présente sous la forme d'une gaine sphérique et le potentiel de ce creux 25 se r^pproolle de oelui de la coque 1. Ainsi, les électrons qui occupent 1' intervalle entre les électrodes 1 et 2, et qtii suivent des trajectoires radiales indiquées par la référence numérique 26 se rapprochent du creux négatif 25 et sont repbussés par celui-ci suivant les mimes trajectoires radiales, jusqu'à ce qu'ils soient de nouveau repoussés par le potentiel sur la coque négctive 1. Ainsi, les électrons accomplissent aos parcours un grand nombre de fois, jusqu'au moment où ils entrent éventuellement en collision avec des mo fécules de gaz neutres et les ionisent, ou sont interceptés par 11 anode 2. Cependant, comme on l'a expliqué ci-dessus, cette interception est utile, du fait que l'lectrodc 2 est ainsi chauffée, entraînant la sublimation de son titane. Les courants d'électrons circulatoires qui viennent d'être décrits 8' aeeLmulent jusqu'à atteindre des valeurs importantes entraînant des probabilités élevées d'ionisation du gaz de base dans la coque 1. Les électrons présents dans la charge d'espace proviennent non seulement des filaments 14 et 15, mais également du processus d'ionisation. Si llon souhaite des taux de pompage plus élevés, il suffit dlaugmenter l'émission d'électrons par les filaments 14 et 15, en augmentant la tension de la source 18. Dans uii autre exemple de réalisation de l'inventions la coque 1 peut autre faite de titane et la coque 2 de tantalo ou d'acier inoxydable. Comme précé- demment, les ions formés dans l'espace compris entre les électrodes sont en traînés vers la coque 1 contre laquelle ils butent avec une énergie suffisante pour provoquer la pulvérisation du titane qui la constitue et qui se dépose sur les surfaces de l'électrode . 2. Du fait que ce processus est continu, la surface de titane exposée de l'électrode 2 subit une régénération continue, présentant ainsi une surface propre pour la fixation du gaz qui est pompé.De même, en r3ison de la pulvérisation du titane de l'intérieur de la coque 1, cette surface est constamment nettoyée ot présente un rendement de fixation maximal. Les ions émis dans l'espace entre les électrodes s'enfouissent profondément dans la coque 1 et les molécules neutres sont fixées par l'électrode 2 et recouvertes par les dépôts ultérieurs de titane neuf qui se forment sur celle-ci. Un exemple de réalisation légèrement différent est représenté à la figure 3 où les références numériques identiques désignent les mimes éléments. Une différence primordiale entre cet arrangement et celui de la figure 1 est que l'électrode intérieure 2 est faite d'un écran de titane qui remplace les ailettes courbées de la figure 2. L'électrode sphérique en titane 2a est supportée à l'intérieur do la coque 1 au moyen d'un conducteur 28. La source de puissan- ce 9 est reliée aux deux électrodes 1 et 2a comme pour la figure 1. Dans cet exemple de réalisation de la figure 3, la coque 1 est de préférence en titane. En fonctionnement, les courants d' électrons circulatoires suivent des trajectoires généralement radiles, comme expliqué précédemment, un certain nombre de ces électrons étant collectés par l'écran 2a, provoquant l'échauffement de celui-ci et la sublimation du titane sur la coque 1. Ce titane recouvre 1' intérieur de la coque 1, comme expliqué précédemment, entrainant l'élimination du gaz de llatmosphère qui règne à l'intérieur de la coque 1. De mêmes les ioe enfouis dans la coque 1 sont fixés et enfouis comme décrit ci-dessus. Le titane se combine aisément à l'hydrogène, à l'azote, à l'orgène, au monoxyde de carbone, au bioxyde de carbone et à d'autres gaz actifs. Llinven- tion permet d'engendrer des courants d'éleotrons circulatoires de grcnde ampla- tude grâce à des techniques électrostatiques. Ces courants entraiaont une prob3bilité élevée d'ionisation dans l'espace compris entre les électrodes. Ainsi la pompe à vide conçue selon les principes de la présente invention permet des taux de pompage élevés, sans nécessiter la présence des aimants utilisés dans de nombreux dispositifs de la technique antérieure.Bien que le titane ait été cité comme matériau réducteur, on peut utiliser d'autres rn3tériaux, comme par exemple le baryum, sans s'carter pour cela du domaine de l'invention. Bien que les phénomènes de pulvérisation et de sublimation soient utilisés dans les divers exemples de réalisation de l'inventions dans les deux cas, le matériau réducteur est amené à se vaporiser et à se déposer sur des électrodes à grande surface prévues à l'intérieur de la pompe, ce qui entraine un renouvellement et une régénération continues de ces surfaces dc manière à permettre un rondement maximal de fixation. Bien que les principes de la présente invontion aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers do réalisation, on comprendra clairement que ladite description cst faite seulemont à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 10) Une pompe à vide comprenant des électrodes à potentiel positif ct né gatif, des moyens assurant le ontage de l'électrode positive à l'intérieur de l'électrode négative, en position espacée de celle-ci5 cette électrode positive définissant un volume occupant une position centrale par rapport à ces deux électrodes, ce volume étant exempt de structure tangible , l'électrode positif vo étant ouvorte pour pouvoir être traversée par un flux de particules gazeuses des moyens pour appliquer un potentiel à oes électrodes positive et négative afin d'établir entre elles un champ électrique, des moyens comprenant ces électrodes positive et négative pour engendrer un courait d'électrons circulatoire à l'intérieur de l'intervalle compris entre ces électrodes, suivant des tra jectoires crAi st'intersect nt dans la région centrale dudit volume, llune des électrodes J faite dlun matériau réducteur de gaz qui se vaporise ou se pulvérise sous l'faction du bombardement par des particules chargées, ce potentiel ayant une amplitude voulue pour impartir aux ions engendrés dans l'espace entre les électrodes une énergie suffisante pour qu'ils s'enfouissent proSondé- ment dans l'électrode extérieure. 20) Pompe à vide comte il est dit en 1 ) comprenant dans l'espace entre les électrodes des moyens émetteurs d'électrons. 30) Pompe à vide comme il est dit en 20) dans laquelle l'électrode négative est un élément métallique extérieur creux dont la surface intérieure présente une forme générale sphérique, l'électrode positive étant un élément intérieur creux présentant dos surfaces intérieure et extérieure de forme géné- rale sphérique, l'élément extérieur ceignant concentriquement llélément intrieur. 40) Pompe à vide comme il est dit en 30) dans laquelle ledit élément exté- rieur est une enceinte hermétique, ledit élément intérieur présentant une mul tiplicité d'ouvertures, les moyens émetteurs d'électrons étant constitués par un filament chauffe électriquement, fixé audit élément extérieur, cet élément extérieur présentant un orifice d'admission prévu pour store relié à un réci- pient dans lequel on veut faire le vide. 5 ) Pompe à vide comme il est dit en 40) dans laquelle ledit élément intérieur est un écran métallique. 60) Pompe à vide comme il est dit en 40), dans laquelle les ouvertures ménagées dans l'élément intérieur sont côniques, leura axes interseotant le oentre dudit volume, les portions les plus larges de ces ouvertures était placées dans la surface extérieure dudit élément intérieur, ces ouvertures constituant en combinaison avec lesdits éléments intérieur et extérieur des lentilles qui concentrent les électrons vers lo centre. 70) Pompe à vide comme il est dit en 60) dans laquelle ledit matériau fixateur de gaz est du titane.