Brevet FR2580866A1 — publié le 19861024

L'invention concerne une pompe ionique à courant proportionnel au débit teile qu'utilisée par exemple pour créer un vide poussé ou des conditions d'ultravide dans une enceinte ou pour déterminer des quantités ou des débits de substances présentes en faible quantité dans une enceinte. De telles pompes ioniques qui sont pour certaines d'entre elles appelées "pompes diodes" com- portent une chambre dont la paroi interne est revétue au moins partiellement par un matériau métallique de piégeage chimiquement actif ou "getter" et une élec- trode placée à l'intérieur de la chambre et isolée électriquement des parois de cette chambre. Une ali- mentation électrique de l'électrode permet de lui donner une polarité anodique par rapport aux parois de la chambre qui sont mises à la terre. Cette électrode a une structure creuse délimitant un ensemble de cel- lules à l'intérieur de la chambre qui sont autant de cellules de pompage. Lorsque l'électrode est alimentée en courant électrique, elle constitue ainsi une cage de Faraday, à l'intérieur de la chambre de la pompe. Un circuit magnétique actif comportant généralement des aimants permanents est placé autour de la chambre de façon à créer un champ magnétique dans le volume intérieur de cette chambre. Des phénomènes complexes d'ionisation, de transport et de piégeage des substan- ces gazeuses résiduelles dans la chambre de la pompe mise en communication avec l'enceinte dans laquelle on réalise le vide permettent d'expliquer l'effet de pom- page. L'électrode à polarité anodique est généralement constituée par l'assemblage à axes parallèles de pe- tits tubes cylindriques accolés en acier inoxydable, chaque tube constituant une cellule élémentaire de pompage. Cette anode est fixée à l'intérieur de la chambre et alimentée en courant électrique grâce à des éléments qui sont isolés électriquement par rapport aux parois de la chambre. En début d'utilisation d'une telle pompe, on constate une proportionalité entre le débit de pompage et le courant d'alimentation de la pompe alors qu'après un certain temps de fonctionne- ment, la caractéristique débit-courant de cette pompe évolue pour devenir non linéaire. Cette évolution de la caractéristique de la pompe est un inconvénient majeur dans le cas o elle est utilisée pour une me- sure de débit ou pour un dosage de substance dans une enceinte. Parallèlement à la modification de la carac- téristique débit-courant de la pompe, on observe une usure du matériau getter (qui peut être par exemple du titane), les pièces de getter placées sur les parois de la chambre étant généralement constituées par des plaques planes ayant tendance à se creuser. On observe un dépôt de métal getter à l'intérieur des cellules, sur les supports de l'anode et sur la traversée iso- lante de la paroi dans laquelle passe le conducteur électrique d'alimentation de l'anode relié, à l'exté- rieur de la chambre de pompage, à une alimentation à haute tension. Ces dépôts de métal du getter se tra- duisent par des fuites électriques se superposant au courant de mesure et rendent le signal délivré inex- ploitable pour la mesure. Le but de l'invention est donc de proposer une pompe ionique à courant proportionnel au débit comportant une chambre dont la paroi interne est revê- tue au moins partiellement par un matériau métallique de piégeage chimiquement actif tel que le titane, une électrode placée à l'intérieur de la chambre et isolée électriquement des parois de cette chambre, un moyen d'alimentation électrique de l'électrode, de façon que sa polarité soit anodique par rapport aux parois de la chambre et un circuit magnétique créant un champ ma- gnétique dans la chambre. 1' électrode délimitant au moins une cellule à l'intérieur de la chambre et cons- tituant ainsi une cage de Faraday, cette pompe ionique gardant une caractéristique débit-courant linéaire au cours d une utilisation de longue durée, ayant une durée de vie allongée sans dégradation de ses condi- tions d'utilisation et possédant une structure simple permettant une construction peu coûteuse. Dans ce but, l'électrode est constituée par une structure en fil métallique comportant deux ré- seaux plans parallèles reliés entre eux par des fils sensiblement perpendiculaires aux plans des réseaux et cette électrode est reliée à un conducteur électrique assurant sa mise au potentiel anodique et son alimen- tation électrique ainsi que sa fixation dans la cham- bre. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limi- tatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'une pompe ionique à courant porportionnel au débit suivant l'invention. Dans ces figures: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'une pompe ionique suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue à plus grande échel- le du détail A de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation de l'anode d'une pompe ionique suivant l'invention; - la Fig. 4 est une vue en perspective d'une variante de réalisation de l'anode de-la pompe; - la Fig. 5 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation de l'anode d'une pompe ionique suivant l'invention; - la Fig. 5a est une vue suivant A de la Fig. 5 d'une variante de réalisation de l'anode de la pompe. Sur la Fig. 1, on voit la chambre 1 d'une pompe ionique dont les parois sont revêtues intérieu- rement par des plaques 2 en titane constituant le ma- tériau getter de la pompe. L'ensemble des parois in- térieures de la chambre 1 est revêtu par des plaques de titane lisses, sans couche de surface et chimique- ment actives. La surface de la chambre peut également être revêtue de plusieurs types de matériaux getter. Il peut être avantageux de prévoir des matériaux dif- férents pour revêtir les faces perpendiculaires de la chambre, c'est-à-dire, par exemple, un premier maté- riau getter pour les faces horizontales et un second matériau pour les faces verticales, dans le cas de la chambre 1 représentée à la Fig. 1. Une électrode 3 est placée à l'intérieur de la chambre, dans une position centrale, sans contact avec les parois de cette cham- bre revêtues de titane. L'électrode 3 est reliées à un conducteur électrique 5 permettant l'alimentation de l'électrode 3 par une source de courant électrique 6 à haute tension, de l'ordre de 4 kV. Le conducteur 5 traverse la paroi la de l'enceinte 1 grâce à une pièce de traversée isolante 7 fixée dans cette paroi. La fi- xation de l'électrode 3 à l'intérieur de la chambre 1 est assurée uniquement par le conducteur 5. Les parois de l'enceinte 1 sont mises à la terre grâce à un conducteur 9. La source de courant 6 impose une polarité positive à l'électrode 3 qui cons- titue ainsi une anode, par rapport aux parois de l'en- ceinte. Un circuit magnétique actif 10 comportant des aimants permanents est placé autour de la chambre 1 de façon que ses pièces polaires 10a et lOb concentrent le champ magnétique dans la partie centrale de la chambre. Les pièces polaires 10a et lOb ont, dans la configuration de l'électrode 3 suivant la Fig. 5, une forme telle que l'entrefer 8 soit plus faible à la partie centrale de la chambre 1. Sur la Fig. 2, on voit le conducteur élec- trique 5 traversant la paroi la de la chambre 1 au niveau de la pièce de traversée 7 qui assure en même temps l'étanchéité de la paroi la. La paroi la compor- te une partie en saillie 11i sur sa surface interne, de forme annulaire et coaxiale au conducteur 5. Le conducteur 5 porte une rondelle creuse 12 coaxiale au conducteur et à la partie en saillie 11 de la paroi la de façon que le rebord extérieur cylindrique de la rondelle 12 entoure la partie en saillie 11 et recou- vre celle-ci sur une partie de sa longueur dans la direction axiale. On réalise ainsi une chicane sépa- rant la pièce isolante 7 des parois intérieures 2 en titane de la chambre 1. La chicane est telle qu'il n'y a aucun point de la paroi intérieure de la chambre 1 revêtu de titane qui puisse être joint à un point de l'isolant par un parcours rectiligne évitant les deux barrières de la chicane. Lorsque la chambre est sous un vide poussé, la pression résiduelle pouvant être comprise entre 10- 4 et 10- 12 Torr, le titane des pa- rois peut être amené à se vaporiser, même à une tem- pérature modérée. La vapeur de titane produite se dé- pose sur toutes les parties de la pompe, à l'intérieur de l'enceinte, en vue directe par rapport aux parois. La chicane 11, 12 permet ainsi d'éviter la métallisa- tion de la pièce isolante 7 qui n'est pas en vue di- recte des parois 2. L'isolation du conducteur 5 reste donc satisfaisante pendant le fonctionnement de la pompe, même sous ultravide. Sur la Fig. 3, on voit un mode de réalisa- tion de l'anode 3 d'une pompe suivant l'invention. Cette anode est réalisée sous forme d'une structure en fils d'acier inoxydable d'un diamètre de 5 10- 4 m. La structure comporte deux réseaux plans 13 et 14 consti- tués chacun par un ensemble de spires circulaires 15 en fil métallique reliées chacune par des points de soudure 17 aux spires voisines du réseau qui comporte ainsi des mailles circulaires et des mailles en forme de triangle curviligne. Les deux réseaux plans 13 et 14 sont reliés par un ensemble de fils rectilignes 16 parallèles entre eux et perpendiculaires aux plans des réseaux 13 et 14. L'ensemble de l'électrode constitue ainsi une structure en forme de cage comportant des cellules juxtaposées. L'un des fils verticaux 16 est relié par soudure au conducteur électrique 5 qui per- met l'alimentation et la mise au potentiel anodique de l'électrode 3 qui constitue ainsi, à l'intérieur de la chambre de la pompe, une cage de Faraday. L'électrode 3 sous forme d'une structure en fil métallique de pe- tit diamètre est d'une grande légèreté si bien qu'elle peut être facilement suspendue à l'intérieur de la chambre de la pompe par l'intermédiaire du conducteur électrique 5 uniquement. Il est intéressant que l'axe de l'électrode 3 soit horizontal de façon que le conducteur 5 soit vertical ce qui confère à ce conduc- teur qui est aussi le support de l'électrode 3, une meilleure résistance (travail en traction plutôt qu'en flexion). En outre, l'électrode offre une surface fai- ble exposée aux vapeurs de titane, ce qui réduit la métallisation de cette électrode réalisée en fil mé- tallique. L'électrode telle que décrite utilisée dans une pompe telle que représentée sur la Fig. 1 permet ? d'obtenir un vide poussé avec un excellent rendement. De plus, la caractéristique débit-courant d'alimenta- tion de cette pompe est parfaitement linéaire dans toute la plage d'utilisation de la pompe et au cours de toute sa durée de vie. Les courants mesurés pour une tension d'alimentation de quelques kV vont de quelques microampères à quelques centaines de milli- ampères. La pompe suivant l'invention convient donc parfaitement lorsqu'on désire mesurer des débits ou des quantités de gaz pénétrant dans une enceinte sous vide. Sur la Fig. 4, on voit une variante de réa- lisation de l'électrode 3, les cellules 15' des deux réseaux plans 13' et 14' ayant toutes une forme hexa- gonale; chacune des cellules 15' comporte des côtés en fil métallique qui sont communs d'une cellule à la cellule voisine, comme dans la réalisation d'un gril- lage. Comme précédemment, des fils rectilignes 16' permettent de joindre les deux réseaux plans 13' et 14' et sont perpendiculaires à ces deux réseaux plans. Sur la Fig. 5, on voit un second mode de ré- alisation d'une électrode 3 selon l'invention, les ré- seaux plans 23 et 24 de cette électrode comportant des mailles ouvertes vers l'intérieur, dans la direction radiale. Comme il est visible sur les Fig. 5 et 5a, les réseaux plans 23 et 24 sont constitués par un contour périphérique de forme circulaire 26 en fil métallique sur lequel sont soudés des fils rectilignes successifs de direction radiale 27a et 27b, les fils 27a étant d'une longueur supérieure aux fils 27b. Les deux réseaux 23 et 24 sont reliés entre eux par des fils rectilignes 28 perpendiculaires aux plans des réseaux 23 et 24. Les fils 28 sont reliés par soudure aux réseaux 23 et 24, au point de jonction des fils 27a et 27b avec le fil circulaire périphéri- que 26 ainsi qu'au niveau des extrémités intérieures des fils radiaux 27a et 27b. La structure en forme de cage de l'1électrode 3 en fil métallique comporte ainsi deux contours circulaires en fil métallique joints par l'intermédiaire de deux côtés de contours rectangulai- res 30 perpendiculaires aux plans des contours circu- laires, Il est préférable d'arrondir les angles des contours rectangulaires 30 pour éviter les effet de pointe du courant électrique. Les contours rectangu- laires successifs sont de forte et de faible largeurs correspondant à la longueur des fils radiaux succes- sifs 27a, 27b. Comme il est visible sur la Fig. 5a, on voit qu'à titre de variante, des fils 29 perpendiculaires -aux plans des réseaux 23 et 24 peuvent être soudés sur les fils 27a de grande longueur, approximativement à leur partie médiane. On voit que dans tous les cas l'électrode réalisée en fil métallique présente une grande légère- té et une faible surface offerte à la métallisation. En particulier, dans le cas d'une structure entièrement symétrique par rapport à un axe, comme re- présenté sur les Fig. 5 et 5a, il est intéressant de concentrer le champ magnétique à la partie centrale de la chambre qui correspond à la partie centrale de l'é- lectrode, lorsque cette électrode est placée dans la chambre. Pour assurer un montage équilibré, on fixe généralement le conducteur d'alimentation 5 à la par- tie médiane de l'un des fils de jonction entre les deux réseaux plans de l'électrode. Les fils de l'électrode peuvent être réali- sés avec un métal getter. Les principaux avantages de la pompe suivant l'invention sont une très bonne proportionnalité entre le courant d'alimentation et le débit, une grande lé- gèreté de l'électrode qui permet un montage extrême- ment simple de cette électrode sans pièce d'appui. une métallisation réduite de l'électrode et de la pièce d'isolation de l'alimentation électrique et un très bon rendement obtenu grâce à l'augmentation de la sur- face recouverte par le métal getter et l'amélioration du champ magnétique. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'autres formes de réseaux plans avec des cellules fermées de forme carrée ou triangulaire par exemple ou des cellules ouvertes à disposition ra- diale ou autres. La dimension maximale de chacune de ces cellules peut être variable et par exemple compri- se entre 5 mm et 100 mm. De même, la longueur des fils rectilignes de jonction entre les réseaux plans peut être variable et comprise entre 5 mm et 50 mm. On peut imaginer une chicane de forme diffé- rente de celle qui a été décrite, pour protéger la pièce isolante de pénétration du conducteur électri- que, contre la métallisation par le métal getter. Quelles que soient leurs positions (horizon- tale, verticale ou oblique), les parois de la chambre parallèles aux réseaux de l'électrode peuvent être revêtues par un matériau getter différent du matériau getter de revêtement des parois de la chambre perpen- diculaires aux réseaux plans de cette électrode, afin d'augmenter l'efficacité de la pompe. Enfin, on peut imaginer toute forme de cir- cuit magnétique à aimant permanent ou à enroulement, adaptée à la forme de l'anode. L'invention s'applique à toutes les pompes ioniques pour la création d'un vide poussé ou de l'ul- travide dans une enceinte ou pour la mesure de débit ou de quantité de substance gazeuse résiduelle dans une enceinte. REVENDICATIONS 1.- Pompe ionique à courant proportionnel au débit comportant une chambre (1) dont la paroi interne est revêtue au moins partiellement par un matériau mé- tallique de piégeage chimiquement actif (2) tel que le titane, une électrode (3) placée à l'intérieur de la chambre et isolée électriquement des parois (la) de cette chambre, un moyen d'alimentation électrique (6) de l'électrode, de façon que sa polarité soit anodique par rapport aux parois de la chambre (1) et un circuit magnétique (10) créant un champ magnétique dans la chambre (1), l'électrode (3) délimitant au moins une cellule à l'intérieur de la chambre (1) et constituant ainsi une cage de Faraday caractérisée par le fait que l'électrode (3) est constituée par une structure en fil métallique comportant deux réseaux sensiblement plans (13, 14; 13', 14'; 23, 24) reliés entre eux par des fils (16, 16', 28, 29) sensiblement perpendi- culaires aux plans des réseaux (13, 14; 13', 14'; 23, 24) et que cette électrode est reliée à un conduc- teur électrique (5) assurant sa mise au potentiel ano- dique et son alimentation électrique ainsi que sa fi- xation dans la chambre (1). 2.- Pompe ionique suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que le conducteur (5) est en- touré, à son entrée dans la chambre (1), par une pièce d'isolation électrique (7) et qu'il porte une pièce (12) constituant avec une partie en saillie (11) de la surface interne de la chambre (1) autour de la pièce d'isolation électrique (7), une chicane protégeant la pièce d'isolation électrique (7) d'une mise en vue di- recte par rapport à la partie de la surface interne de la chambre (1) revêtue par du matériau métallique de piégeage. 3.- Pompe ionique suivant la revendication 2 caractérisée par le fait que la pièce (12) portée par le conducteur (5) est une rondelle creuse comportant un rebord périphérique cylindrique dirigé vers la pa- roi (la) de la chambre (1) traversée par le conducteur (5) et que la partie en saillie (11) de cette paroi (la) est cylindrique, d'un diamètre inférieur au dia- mètre de la partie périphérique de la rondelle creuse (12) et d'une longueur telle qu'elle pénètre d'une certaine longueur à l'intérieur de la rondelle creuse (12). 4.- Pompe ionique suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que les réseaux plans (13, 14) de l'électrode (3) sont constitués par des spires circulaires (15) en fil métallique assemblées les unes aux autres pour constituer un réseau à mailles circu- laires et à mailles en forme de triangle curviligne. 5.- Pompe ionique suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que les réseaux plans (13', 14') comportent des mailles en forme de polygones ré- guliers accolés tels que des hexagones. 6.- Pompe ionique suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que les réseaux plans (23, 24) de l'électrode (3) comportent chacun un contour circulaire externe (26) et des fils rectilignes (27a, 27b), de direction radiale par rapport au contour (26) et d'une longueur inférieure au rayon du contour (26). 7.- Pompe ionique suivant la revendication 6 caractérisée par le fait que les fils rectilignes ra- diaux (27a, 27b) sont alternativement de grande et de petite longueurs. 8.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le seul élément de fixation de l'électrode (3) est le conducteur électrique (5). 9.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée par le fait que la paroi interne de la chambre (1) est revêtue sur toute sa surface par le matériau métallique de piè- geage (2). 10.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée par le fait que l'entrefer du circuit magnétique (10) est plus faible vers le centre de la chambre correspondant au centre de l'électrode. 11.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée par le fait que la dimension maximale des mailles des réseaux plans est comprise entre 5 mm et 100 mm et que la longueur des fils rectilignes (16) de jonction entre ces ré- seaux plans (13, 14) est comprise entre 5 mm et 50 mm. 12.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11l caractérisée par le fait que l'électrode (3) est réalisée en matériau de piégeage. 13.- Pompe ionique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que la pompe ionique comporte plusieurs matériaux de piégeage. 14.- Pompe ionique suivant la revendication 13 caractérisée par le fait que le matériau de piè- geage de revêtement des parois de la chambre (1) pla- cées parallèlement aux plans des réseaux (13, 14) de l'électrode (3) est différent du matériau de piégeage de revêtement des parois de la chambre (1) perpendicu- laires aux plans des réseaux (13, 14) de l'électrode (3).