Elektrode in einer evakuierten, mit Elektronenströmen grosser Leistung betriebenen Entladungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode in einer evakuierten, mit Elektronenströmen grosser Leistung be triebenen Entladungsvorrichtung, welche Elektrode aus einem Material gefertigt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit der von Kupfer mindestens angenähert gleich ist, und be trifft auch ein Verfahren zum Betrieb von mit solchen Elektroden ausgestatteten Entladungsvorrichtungen.
Evakuierte Entladungsvorrichtungen, wie z.B. Ma gnetrone, Klystrone, Lauffeldröhren, Elektronenbeschleu niger usw., weisen Elektroden auf, welche beim Betrieb der Einwirkung von Elektronenströmen unter Umstän den sehr hoher Leistungsdichte ausgesetzt sind. Durch den Aufprall schneller Elektronen kann eine solche Elektrode bis auf die Verdampfungstemperatur des Elek- trodenmaterials im Vakuum erhitzt werden, auch dann, wenn die Entladungsvorrichtungen mit impulsförmigen Elektrodenströmen betrieben werden.
Das verdampfte Elektrodenmaterial sublimiert und schlägt sich an kal ten Stellen der Vorrichtung nieder. Dies führt zu Störun gen im Betrieb der Entladungsvorrichtungen und kann letztere völlig unbrauchbar machen, wenn das sublimierte Material Brücken bildlet, die einen Kurzschluss verur sachen. Um eine solche Überhitzung der Elektrode zu vermeiden, wird sie aus einem gut wärmeleitenden Ma terial hergestellt, so dass die entwickelte Wärme mög lichst schnell von der Wirkfläche der Elektrode abge führt wird. Bekanntlich kann ein Metall im Vakuum nur bis auf eine bestimmte Höchsttemperatur erwärmt werden, bei welcher das Vakuum durch den Druck des Metalldampfes nicht beeinträchtigt wird.
Diese Höchst temperatur wird im allgemeinen als zulässige Betriebs temperatur im Vakuum bezeichnet und häufig als die Temperatur definiert, bei welcher der Druck des Me talldampfes 1-10-3 Torr nicht übersteigt und die Mate- rialabdampfung nicht mehr als 110-5 g-cm-=.sec-1 be trägt. Bis auf diese Höchsttemperatur, die natürlich von Material verschieden ist, kann die Elektrode im Vakuum für eine kurze Zeit erwärmt werden.
Da die Elektrode neben der guten Wärmeleitfähigkeit auch eine hohe elek trische Leitfähigkeit haben und sich das Elektronenma terial ausserdem leicht bearbeiten lassen soll, werden die- se Elektroden im allgemeinen aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium usw., bzw. aus geeigneten Legierungen dieser und auch anderer Metalle hergestellt. Gerade diese Me talle weisen jedoch eine relativ niedrige Grenztempera- tur auf.
Die in den neueren Hochleistungs-Impuls-Elek- tronenröhren für Ultrahochfrequenzen angewandten Elek troden leiten zwar mit Hilfe eines Wärmeträgers die Durchschnittsleistung ab, können aber die durch die Elektronenströme zugeführte Impulsleistung nicht aus halten. Die Temperatur der Elektrodenwirkfläche wird während des Impulses höher als zulässig. Es tritt der so genannten KOberflächenwärmestoss auf.
Dabei schmilzt die Elektrodenoberfläche ab, und das sublimierte Elek- trodenmaterial bewirkt einen Durchschlag im Gerät.
Die bisher allgemein angewandten Verfahren zur Be seitigung der unerwünschten Sublimation haben den Nachteil, dass sie auf einem Herabsetzen der spezifischen Impulswärmebeanspruchung der Elektrodenoberfläche, d.h. auf der Vergrösserung der Elektrodenwirkfläche be ruhen, was zu einer unerwünschten Vergrösserung der Aussenmasse und des Gewichtes sowohl der einzelnen Elektroden, als auch der ganzen Entladungsvorrichtung, sowie zur schlechten Ausnützung der Ableitmöglichkeiten der Durchschnittsleistungen führt.
Dies ist besonders wichtig bei Impuls-Ultrahochfrequenzgeräten des Zenti meter- und Millimeterbereiches, deren Konstruktions eigenschaften und Betriebsart oft zu allerkleinsten Ab messungen der vom Elektronenstrahl bombardierten Elektroden zwingt.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind grundsätzlich neue Lösungen dieses Problems gesucht worden. Be kannt ist beispielsweise eine spezielle Elektrodenkon- struktion, bei welcher kleinere Platten aus einem schwer schmelzbaren Metall in die Kupferanoden, z.B. von Röntgenröhren, eingelötet sind und als Spiegel dienen. Bemerkenswert ist, dass einer solchen Lösung das Stre ben zugrunde lag, als Material für den Anodenspiegel einen Stoff mit einer hohen Atomnummer zu verwen den, da diese die Intensität der gemischten Ausstrahlung, den Röhrenwirkungsgrad und die Frequenz der charak- teristischen Ausstrahlung des Röntgenspektrums be stimmt.
Es wurden weiterhin einzelne Versuche gemacht, die Auffänger von Lauffeldröhren gänzlich aus Molybdän anzufertigen oder Resonatorsysteme für Magnetrone zu bekommen, indem Molybdänlamellen in eine Kupferbasis mit Silber eingelötet werden.
Bekanntlich hat keiner dieser Versuche wesentlichen Erfolg gehabt.
Erstens gibt die im Vergleich zu Kupfer niedrigere Wärmeleitfähigkeit des Molybdäns keine Möglichkeit, die von den Elektroden aufgenommene bedeutende Durch schnittsleistung abzuleiten. Dasselbe gilt für die Kon struktionen, die Lötsilber enthalten.
Zweitens ist der auf die Oberfläche der aus Molyb- dän angefertigten Elektroden wirkende Wärmestoss drei mal so gross, wie der bei Kupferelektroden, was auf die wärmephysikalischen Eigenschaften des Molybdäns zu rückzuführen ist. In diesem Fall lässt sich die Erhöhung der Elektrodentemperatur durch die höhere Grenztem- peratur kaum kompensieren, welche für die Erwärmung des Molybdäns im Vakuum ohne bemerkenswerte Subli mation zulässig ist.
Drittens machen die Schwierigkeiten bei der Bearbei tung und in der Beschaffung grösserer Molybdänbarren unmöglich, Elektroden beliebiger Form und Ausmasse anzufertigen.
Die oben erwähnten Elektrodenkonstruktionen sind also nicht universal und gestatten es nicht, die Abfuhr der aufgenommenen Impulsverlustleistung im Vergleich zu den gewöhnlich verwendeten Kupferelektroden zu er höhen.
Zweck der Erfindung ist, eine Elektroden anzugeben, bei welcher die von der Elektrode abgeführte Impuls leistung gegenüber den bekannten Elektroden um ein Vielfaches grösser ist, ohne dass auch bei längerem Be trieb die Elektrodenwirkfläche und das Vakuum in der Entladungsvorrichtung gestört wird.
Dies führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer solcher Entladungsvorrichtungen und ermöglicht es auch, die Aussenmasse der Vorrichtungen, wenn es nötig ist, bedeutend zu verringern, ohne deren Leistung zu ver ändern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die den Elektronenströmen ausgesetzte Oberfläche des Elektrodenkörpers zum Schutz vor durch die Einwir kung des Elektronenstromes bedingten Erosion des Grundwerkstoffes mit einer Schutzbedeckung überzogen ist, deren Aussenschicht aus einem Metall besteht, wel ches schwerer schmelzbar ist und eine höhere zulässige Betriebstemperatur im Vakuum aufweist, als das Mate rial des Elektrodenkörpers.
Die Erfindung wird nun anhand von in der Zeich nung schematische dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Elektrodenkörper mit einer Schutz schicht, Fig. 2 zeigt einen Elektrodenkörper mit einer Schutz schicht und einer Zwischenschicht.
Das einfachste und anschaulichste Ausführungsbei spiel dieser Erfindung zeigt Fig. 1.
Die Elektrode besteht aus einer Kupferunterlage 1, auf die eine Wolframschicht 2 als Schutzbedeckung 4 aufgetragen ist. Die Dicke der Schutzbedeckung 4 ist von den Betriebsbedingungen der Entladungsvorrichtung in welcher die Elektrode verwendet wird, und von den wärmephysikalischen Eigenschaften des Bedeckungsma- terials abhängig.
Im allgemeinen werden bei der Konstruktion einer Entladungsvorrichtung die Bedingungen, unter welchen sie betrieben werden soll, vorgegeben. Dementsprechend wird auch die Dicke der Schutzbedeckung in jedem ein zelnen Falle aus den vorgegebenen Betriebsbedingungen, d.h. z.B. bei Impulsbetrieb aus der Impulsleistung pro Oberflächeneinheit der Elektrode der Impulsdauer und der Betriebsspannung sowie aus den Werten für die wärmephysikalischen Grössen des Bedeckungsmaterials berechnet, wobei als wärmephysikalischen Grössen die Wärmeleitfähigkeit X, Wärmekapazität @, Dichte -y,
linea rer Wärmeausdehnungskoeffizient a, Temperaturleitfähig keit a, Koeffizient der Wärmeaktivität s, Schmelztempe ratur T" Siedepunkt T; und zulässige Betriebstempera tur im Vakuum TZ in Frage kommen.
Zur leichteren Be handlung von Wärmeleistungsproblemen wird, in An lehnung an andere Leitungsphänomene, eine Schichtdicke für den Wärme-Skin-Effekt (oder Wärme-Skin-Dicke bzw. Wärme-Skin-Tiefe) benutzt, worunter jene Mate rialdicke zu verstehen ist, in deren Tiefe der von den Stromimpulsen auf der Materialoberfläche verursachte Wärmeimpuls eine Änderung der Temperatur hervorruft, die um das 10-fache geringer ist, als die Änderung der Temperatur an der Materialoberfläche.
Die Dicke dieser Wolframschicht entspricht der Schichtdicke für den Wärme-Skin-Effekt, d.h. einer Schichtdicke, an deren unteren Grenze der von dem Strom-Impuls verursachte Wärme-Impuls eine Änderung der Temperatur hervorruft, die um das 10-fache geringer ist, als die Änderung der Temperatur an der Grenze zwi schen Metall und Vakuum. Giese Schichtdicke beträgt angenähert
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worin a = die Temperaturleit fähigkeit des Metalles und i die
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Dauer des Stromim pulses bedeutet.
Für praktische Zwecke ist um Schutz der Kupfer elektrode eine Temperaturabnahme ausreichend, welche in einer Schicht auftritt, deren Stärke s ungefähr 0,4-0,55 der den Wärme-Skin-Effekt aufweisenden Schichtdicke ausmacht, d.h.
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Die Berechnungen zeigen, dass für die Herstellung einer Schutzschicht Wolfram besonders geeignet ist, das gleichzeitig eine höchstzulässige (3000 C) Erwärmungs temperatur im Vakuum und einen verhältnismässig gros sen (0,5) Koeffizienten der Wärmeaktivität
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aufweist, der (unter sonst gleichen Bedingungen) die Grösse der Impulstemperatur auf der Wirkfläche der Elektrode bestimmt.
Wenn die Dauer des Stromimpulses in einem Bereich von 1-1000 Mikrosekunden liegt, so beträgt die einen Schutzüberzug bildende Wolframschicht 7 bis 200 #t (un ter Berücksichtigung der Abnutzung der Schicht wäh rend der Lebensdauer des Gerätes).
Doch weisen folgende schwer schmelzbare Metalle Schutzeigenschaften ähnlich den des Wolfram auf: Tan- tal, Rhenium, I11iob, Molybdän. Die Vorteile dieser Elek trode werden offensichtlich, wenn man in Betracht zieht, dass Kupfer dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ein ausgezeichneter Leiter für konstante Wärmeströmung ist. Die Schicht des schwer schmelzbaren Metalls jedoch, die eine Temperatur zulässt, welche die im Vakuum für Kup fer zulässige Betriebstemperatur um das Vielfache über schreitet, kann auf beste Weise kurzzeitige Wärmeüber- lastungen während des Elektronenstosses aushalten.
Wäh rend der Pausen soll diese Schicht die Temperatur so aus gleichen, dass die Kupferunterlage nur schwachen und allmählichen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, die in den für Kupfer zulässigen Grenzen liegen.
Die Schicht des schwer schmelzbaren Metalls dient also in diesem Fall als Wärmeglättungsfilter, der die Impulswärmeströmung in eine mehr oder weniger kon stante Wärmeströmung verwandelt, die auf den Wärme träger über die mit dieser Schicht in guten Wärmekontakt stehende Kupferunterlage übertragen werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Elektrode, die aus einer Kupferun terlage 1 besteht, auf die eine Übergangsschicht 3 aus Eisen, das eine dem Kupfer ähnliche Wärmeleitfähigkeit aufweist, doch eine Erwärmung auf höhere Temperatu ren im Vakuum zulässt, aufgetragen ist.
Auf die Eisenschicht ist die bereits beschriebene Wolframschicht als Aussenschicht 2 aufgetragen. Aussen schicht 2 und Übergangsschicht 3 bilden zusammen die Schutzbedeckung 4.
Dies ist ein einfaches Ausführungsbeispiel für Elek troden, bei welchen der Elektrodenkörper aus z.B. Kup fer besteht, auf dessen Wirkfläche einige Schichten Ver schiedener schwer schmelzbarer Metalle aufgetragen sind, wobei das Material dieser Zwischenschichten eine aufweist und seine wärmephysikalischen Eigenschaften niedrigere Grenztemperatur als das der Aussenschicht aufweist und seine wärmephysikalischen Eigenschaften ähnlich den der Unterlage, z.B. des Kupfers, sind.
Es ist erwähnt worden, dass das Hauptmetall der Elektrode (Unterlage) in einem Wärmekontakt mit der Schutzschicht stehen soll..
Es ist allgemein bekannt, dass zwischen solchen Paa ren von Metallen wie Kupfer-Wolfram, und Kupfer- Molybdän keine gegenseitige Diffusion besteht, da diese Metalle keine feste Lösungen bilden. Folglich gelingt es nicht, zwischen diesen Metallen eine zuverlässige Kohäsion, d.h. einen Wärmekontakt, zu schaffen. Aus- serdem unterscheiden sich die Temperaturkoeffizienten der linearen Ausdehnung dieser Metallpaare sehr stark voneinander. Zwischen Elektrodenkörper 1 und Aussen schicht 2 werden deshalb Übergangsschichten vorgesehen.
Die vorstehend unter Fig. 2 erwähnte Eisenschicht 3 ist, wie bereits erwähnt, eine solche Übergangsschicht.
Auf diese Weise dienen die Übergangsschichten zur Sicherung einer höchstmöglichen Kohäsion zwischen dem Hauptmetall der Elektrode 1 und dem Aussenmetall des Schutzüberzuges 2, sowie auch für den Ausgleich eini ger wärmephysikalischer Eigenschaften, darunter auch des Temperaturkoeffizienten der linearen Ausdehnung.
Zum Auftragen der dünnen Deckschicht aus schwer schmelzbarem Metall können folgende bekannte techno logische Verfahren angewendet werden: Plasmenzerstäuben des schwer schmelzbaren Metalls; Verdampfung der Metalle im Vakuum durch Elektronen bombardement; Kathodenzerstäubung; Auftragen der schwer schmelzbaren Metalle durch Fällung aus der Gasphase und Elektrolytische Abscheidung der schwer schmelzbaren Metalle aus Elektrolytschmelzen.
Für die praktische Verwirklichung der Erfindung kann eines der genannten Verfahren je nach der Form und den Abmessungen der Elektrode und dem Vorhanden sein von technischen Ausrüstung gewählt werden. Jedes der genannten Verfahren ermöglicht die Herstellung von befriedigend feinkörnigen und dichten Schichten aus schwer schmelzbaren Metallen mit genügender Adhäsion auf dem Grundmetall des Elektrodenkörpers.
Die Übergangsschicht 3, in welcher die wärmephysi kalischen Eigenschaften des Materials dieser Schicht sich mit kleinen Sprüngen oder genügend gleichmässig in den Bereichen von den Grössen, die dem Hauptmaterial der Elektrode (Unterlage) 1 entsprechen, bis zu den Grössen, die dem schwer schmelzbaren Metall 2 des Schutzüber zuges entsprechen, verändern, kann entweder durch auf einanderfolgende Auftragung speziell ausgewählter Me talle (z.B. Silber, Nickel, Eisen, Platin, Gold), oder durch die Herstellung von Legierungen mit einem sich allmäh lich verändernden Gehalt eines Metalls in dem anderen, ausgeführt werden.
Eine besonders glückliche Lösung dieser Frage stellt die Herstellung der Übergangsschicht in Form einer Le gierung durch die Behandlung des Hauptmetalls der Elektrode 1 mit Ionen eines schwer schmelzbaren Me talls 2 des Schutzüberzuges, wodurch eine übergangs- schicht 3 entsteht, in welcher Atome eines schwer schmelzbaren Metalls 2 ihre Konzentration von 0 an der Grenze mit dem Hauptmetall der Elektrode 1 bis zu 100% an der Grenze mit der Aussenschicht 2 des Schutzüber zuges verändern.
Eine besonders vorzügliche Ausführungsvariante der Erfindung ist die aus Kupfer bestehende Elektrode, deren Wirkfläche von einer Wolframschicht geschützt ist, und Kohäsion sowie Wärmekontakt zwischen diesen durch die Behandlung des Kupfers mit Wolframionen herge stellt sind.
Eine solche Elektrode widersteht bei einer Stärke der Schutzbedeckung von 100-120 @4 Oberflächenwärmestös- sen, welche von einem pulsierenden Elektronenstrom (in Fig. 1 und 2 durch Pfeile dargestellt) bei einer spezifi schen Impulsleistung von einigen hundert kW pro Qua dratzentimeter hervorgerufen werden mehrerehundert Mikrosekunden lang.
Dabei beträgt die Eindringtiefe der Elektronen in die Wolframschicht bei einer Spannung von 100 kV nicht mehr als 10 #t" während der Wärme- Skin-Effekt in einer Schicht von etwa 200 #t auftritt, wo gegen dieser Wert für Kupfer ungefähr 400 #t beträgt.
Die Erfindung kann in allen den Fällen verwendet werden, wo es notwendig ist, in einer evakuierten elek tronischen Einrichtung spezifische Belastbarkeit der Elektroden hinsichtlich der von den Elektrodenströmen bewirkten Impulswärme zu vergrössern, z.B. in allen Ar ten von Impulsröhren für Ultrahochfrequenz, Elektronen beschleunigern, Entladungsröhren usw.