CH672860A5

CH672860A5 -

Info

Publication number: CH672860A5
Application number: CH3898/86A
Authority: CH
Inventors: Otto Dr Winkler; Hans Hofer
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1989-12-29
Also published as: JPS6386332A; DE3713259A1; GB2195820A; US4843277A; NL8702313A; GB8720151D0; DE8705725U1; FR2605455A1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Einkristall, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung desselben gemäss den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 13 und 14.

Einkristalle werden für sehr verschiedenartige Anwendungsgebiete nach dem Prinzip einer indirekten Widerstandsheizung beheizt. Dabei stösst die dauerhafte und wartungsarme Verankerung der Heizelemente im Kristallkörper regelmässig auf Schwierigkeiten. Für elektronenoptische Anwendungen werden beispielsweise Einkristalle aus Lanthanhexaborid (LaBs) oder anderen Boriden als Emissionskathoden eingesetzt und üblicherweise durch eine indirekte Widerstandsheizung, welche gleichzeitig eine Stromzuführung darstellt, auf eine Betriebstemperatur zwischen 1500° und 1600°C aufgeheizt. In diesem Bereich tritt die Abtragung der Kristallsubstanz durch Verdampfen gegenüber der Oxidation mit Ch-haltigem Restgas und der anschliessenden Verdampfung des Boroxids und Lanthanoxids an Bedeutung zurück. Dementsprechend liegt selbst bei dem hohen Vakuum von 1 x 10~5 Pascal, die Abtragungsrate durch Oxydation in der gleichen Grössenordnung wie die Abtragungsrate durch Verdampfung von LaBö. Die Folge dieser oxydativen Verdampfung ist, dass sich die Hexaborid-Kathoden bei allen Halterungen, die bis heute vorgeschlagen wurden, mehr oder weniger schnell im Laufe der Zeit durch Spaltenbildung lockern, sofern das Vakuum nicht besser als 10~5 Pascal ist.

Sobald sich ein Spalt zwischen der Kathode und ihrer Halterung bildet, ändert sich die Lage der Kathode und ihres Brennflecks. Auch der Wärmeübergang, der jetzt teils durch Strahlung, teils durch Wärmeleitung erfolgt, wird instabil. Ist die Kathode in den Heizstrompfad mit einbezogen, ändert sich auch der Übergangswiderstand. Beides führt zu Temperaturschwankungen mit entsprechenden Fluktuationen der Emission.

Eine Spaltenbildung kann auch bei einer Halterung nicht vermieden werden, bei der die LaBö-Kathode zwischen zwei Backen aus pyrolithischem Graphit eingeklemmt ist und die Stromzuführung und Beheizung durch diese mit Federkraft an-gepressten Backen erfolgt. Sie führt zu einer stetigen, manchmal auch sprunghaften Änderung des Übergangswiderstands. Diese Ausführungsform ist darüberhinaus eine sehr aufwendige und beansprucht wesentlich mehr Raum als eine Haarnadelkathode.

Eine weitere Lösung ist in der DE-OS 3 203 917 offenbart. Darnach soll die Spaltbildung zwischen einer LaBö-Kathode und ihrer Halterung dadurch überwunden werden, dass die als U-förmiger Bügel ausgebildete Halterung aus einem hochschmelzenden Metall mit dem genau eingepassten LaB6-Einkri-stall, der als Kathode verwendet wird, durch Sintern verbunden wird. Um eine Reaktion zwischen der Kathode und dem Metallbügel zu verhindern, wird zwischen die Flächen, die miteinander verbunden werden sollen, eine dünne Schicht, die aus kolloidalem Kohlenstoff und einem Reaktionsbarrierematerial besteht, als Paste eingebracht. Da eine solche Zwischenschicht nach dem Sintern spröde ist, darf sie keiner mechanischen Beanspruchung im Betrieb ausgesetzt werden. Dies bedingt lange, elastische Stromzuführungen. Auch hier wurde festgestellt, dass wegen der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Halterung und Kathode im Lauf der Zeit sich dennoch Spalten bilden, die zu einer allmählichen Verschlechterung des Wärmeübergangs vom Heizelement zur Kathode und schliesslich zur Lockerung der Kathode führen.

Bei anderen Anwendungen von beheizten Einkristallen treten ähnliche Schwierigkeiten auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, eine dauerhafte, zuverlässige und wartungsarme Verbindung zwischen thermisch beanspruchten Einkristallen und dem Element einer indirekten Widerstandsheizung zu schaffen. Bei dieser Verbindung muss gewährleistet sein, dass auch bei höheren Betriebstemperaturen durch Re- oder Umkristallisation keine Veränderungen auftreten. Schliesslich soll die Erfindung verhindern, dass die unterschiedliche Ausdehnung des Heizelements und der Kathode

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beim Aufheizen und Abkühlen nicht zu Spannungsrissen führt, die den Wärmeübergang verschlechtern.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist gegenständ der Patentansprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass angesichts des Sauerstoffangriffs auf den thermionisch belasteten Einkristall und einer nicht vernachlässigbaren Verdampfungsrate des Materials dieses Einkristalls eine dauerhafte mechanische Verbindung und ein konstanter Wärmefluss zwischen Einkristall und Heizelement nur dann erreicht wird, wenn es gelingt, für die Verbindung ein Material zu finden, das sowohl am Einkristall als auch am Heizelement gut haftet, d.h. sich mit ihnen verbindet, und das nicht dem gleichen Abbau durch Oxydation und Verdampfung wie der Einkristall unterliegt.

Dabei wurde gefunden, dass eine wesentlich bessere Lösung des Problems, einen dauerhafteren Wärmeübergang zu erreichen, erzielt wird, wenn der Wärmeübergang vom Heizelement zum Einkristall nicht wie bei der bekannten Lösung von aussen nach innen erfolgt, vielmehr gerade umgekehrt, also von innen nach aussen. Der Einkristall wird also nicht mehr vom Heizelement umhüllt, sondern das Heizelement wird vom Material des Einkristalles umschlossen. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass auf einer Seite eines Zylindrischen Kristallabschnitts ein verhältnismässig schmaler Schlitz eingeschliffen wird, der nur wenig weiter ist als der Durchmesser des Heizleiters, und dass der Heizleiter in diesen Schlitz mittels einer Sintermasse aus verhältnismässig hochschmelzenden Komponenten eingesetzt wird, die sich bei der Sinterung sowohl mit dem Einkristall als auch mit dem Heizleiter verbindet.

Der wesentliche Unterschied zu den bisherigen Lösungen, bei denen das Heizelement auf dem Einkristall aufgelegt ist oder diesen umfasst, besteht darin, dass der Wärmefluss vom Heizelement erfindungsgemäss nach allen Seiten erfolgt und das Heizelement mit der Einbettmasse vom Einkristall wie von einer Klammer umfasst wird, so dass die entstehenden Zug- und Druckspannungen elastisch aufgenommen werden können und nicht mehr zur Rissbildung führen.

Bei elektronenoptischen Anwendungen von Kathoden aus Lanthanborid (LaBö) wurde bisher bei konstanter Heizstromstärke immer eine allmähliche Abnahme der Kathodentemperatur als Folge der Verschlechterung des Wärmeübergangs durch diese Rissbildung festgestellt. Bei der erfindungsgemässen Verankerung des Heizelementes hingegen nimmt die Temperatur zu, und zwar im selben Masse, wie die abgestrahlte Leistung als Folge der Verkleinerung der Kathodenoberfläche durch den Materialabbau abnimmt. Selbst nach einer Abnahme des Kathodendurchmessers von 1,0 auf 0,8 mm konnte keine Verschlechterung des Wärmeübergangs festgestellt werden. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht also längere Betriebszeiten der eingesetzten Einkristalle.

Als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemässe Vorrichtung können Einkristalle beliebiger chemischer Zusammensetzung entsprechend dem konkreten Anwendungsgebiet eingesetzt werden. Beispielsweise werden für den Einsatz als thermionische Kathoden für elektronenoptische Anwendungen üblicherweise zylindrische, zonengeschmolzene LaB6-Einkristallstäbe mit einer <001 >-Achse und einem Durchmesser von 1,0 mm eingesetzt. Die Ausnehmung, in der das einzelne Heizelement plaziert wird, kann an sich in beliebiger Form ausgestaltet werden, doch haben sich Schlitze mit parallelen Wänden als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die Form der im Einkristall zu verankernden Heizelemente kann an sich beliebig ausgestaltet sein, doch haben sich aus praktischen Gründen Drähte als besonders vorteilhaft und zweckmässig erwiesen. Diese können vorteilhafterweise in der Form einer Haarnadel gestaltet sein, wobei das U-förmige Ende im Einkristall verankert wird.

Für besondere Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine

Mehrheit von Heizelementen in der erfindungsgemässen Art in einen Einkristall zu verankern. Diese Heizelemente können ggf. gleichzeitig als Stromzuführungen für eine direkte Widerstandsheizung des Einkristalls verwendet werden.

Der Werkstoff des Heizelementes richtet sich nach den Erfordernissen der konkreten Einzelanwendung, wobei chemische, elektrische und thermische Eigenschaften gleicherweise berücksichtigt werden müssen. Zur Verankerung in Einkristallen aus Lanthanhexaborid (LaBs) haben sich beispielsweise Heizelemente bewährt, welche aus Wolfram, Tantal oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung mit mehr als 50% Wolfram bestehen.

Tantal und die Wolfram-Rhenium-Legierung haben den Vorteil, dass sie auch noch nach dem Sinterprozess genügend duktil bleiben, um eine genaue Justierung der Kathode zu ermöglichen.

Die Zusammensetzung der Sintermasse richtet sich ebenfalls nach den Erfordernissen der Einzelanwendung, doch hat sich als zweckmässig erwiesen, einen Anteil einer Substanz mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Einkristall vorzusehen, vorzugsweise einen Volumenanteil von rund 50%, der eine dauerhafte Verbindung zu diesem letzteren gewährleistet. Beispielsweise haben sich für das Verankern von Heizelementen in Einkristallen vor Lanthanhexaborid (LaBö) Zusammensetzungen bewährt, welche neben dem Volumenanteil von rund 50% LaBö bzw. eines Hexaborids eines anderen Elementes aus der Reihe der seltenen Erden noch eines oder mehrere hochschmelzende Metalle (beispielsweise Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Rhenium) oder Boride, Silizide oder Carbide dieser Elemente enthalten, welche eine dauerhafte Verbindung mit dem Heizleiter bewirken.

Das erfindungsgemässe Verfahren gemäss Anspruch 13 ergibt eine poröse Struktur der Sintermasse, welche besser als ein dichtes Gefüge in der Lage ist, die mechanischen Spannungen elastisch aufzunehmen, welche beim Aufheizen und Abkühlen zwischen Heizelement und Einkristall ggf. entstehen. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der mittlere Korndurchmesser der Komponenten dieser Sintermasse zu Beginn des Verfahrens kleiner als 5 |j.m ist.

Im folgenden werden einige besondere Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, wobei die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese besonderen Ausführungsformen beschränkt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Einkristalls;

Fig. 3 einen Längsschnitt und

Fig. 4 eine Ansicht einer komplizierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Längsschnitt und

Fig. 6 eine Ansicht eines längsgestreckten erfindungsgemässen Einkristalls;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Einkristalles mit zwei Heizelementen.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang der Hauptachse einer Kathode 2 für elektronenoptische Anwendungen, Fig. 2 eine Seitenansicht einer derartigen Kathode mit eingesetztem Heizelement 1. Diese Kathode 2 besteht aus zonengeschmolzenen Lanthanhexaborid (LaBe) mit der gewünschten Kristallorientierung und weist einen eingeschliffenen Schlitz 4 auf, in den das Heizelement 1 eingesetzt ist. Diese kann beispielsweise aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0.125 mm bestehen, der in den Schlitz 4 mit einer lichten Weite von beispielsweise 0.15 mm passt, der im übrigen von der porösen Sintermasse 3 ausgefüllt wird.

In Fig. 3 und 4 ist eine haarnadelförmiger Kristallhalter 5 an einem dünnen Blechstreifen 6 aus Wolfram, Tantal, Niob oder Molybdän angepunktet, der seinerseits in den Schlitz 7

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der Kathode eingesintert ist und die Wärme überträgt. Diese Lösung kommt dann in Betracht, wenn ein Träger benötigt wird, der auch noch nach dem Ausglühen duktil bleibt und ein nachträgliches Ausrichten des Kristalles ermöglicht.

Figuren 5 und 6 zeigen Längsschnitt und Ansicht von Linienkathoden für elektronenoptische Anwendungen, bei der das Heizelement 9 in eine Längsnut des Einkristalls eingesetzt ist.

Fig. 7 zeigt einen langgestreckten Einkristall 12 bei dem zwei Heizelemente 10, 11 in die entsprechenden Ausnehmungen 13, 14 eingesetzt sind, lim eine gleichmässig Temperaturverteilung über die ganze Länge zu gewährleisten. Diese Heizelemente 10, 11 können ggf. gleichzeitig als Stromzuführungen für eine direkte Widerstandsheizung verwendet werden.

Beispiel

Zylindrische, zonengeschmolzene Einkristallstäbe aus Lanthanhexaborid (LaBö) mit einer <001)-Achse und einem Durchmesser von 1.0 mm wurden auf die gewünschte Länge zugeschnitten und an einem Ende kegelförmig angeschliffen. Am anderen Ende wurde eine schlitzförmige Ausnehmung von 0.15 mm lichter Weite und einer Tiefe von 0.6 mm eingeschliffen. In diese Ausnehmung wurde ein U-förmig gebogener Draht von 0.125 mm Durchmesser aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung mit einem gewichtsmässigen Anteil von mehr als 50% Wolfram mit einem Mikromanipulator entsprechend Fig. 1 plaziert. An-s schliessend wurde die Ausnehmung mit einer Suspension aufgefüllt, welche aus rund 50 Volumenprozenten des Borids eines Elementes aus der Reihe der seltenen Erde, 40-42 Vol.-% Mo-lybdän-Silizid und als Rest eines der bereits genannten hochschmelzenden Metalle (Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, io Rhenium) bestand. Diese drei Komponenten wurden in einer Lösung von 5 Gew.-°7o Nitrozellulose in Essigsäure (Eisessig, wasserfrei) suspendiert. Der mittlere Korndurchmesser aller drei Komponenten betrug dabei weniger als 5 um. Darauf wurde diese Suspension während zwei bis drei Minuten bei Zimmer-i5 temperatur an der Luft getrocknet. Schliesslich wurde der derart behandelte Einkristall bei einem Druck von p = 10~3 Pascal während einer Minute auf 2000°K aufgeheizt.

Nach dieser Behandlung wies die Sintermasse eine poröse Struktur auf, welche die mechanischen Spannungen elastisch 20 aufnehmen konnte, die beim Aufheizen und Abkühlen des Einkristalls entstehen.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Einkristall mit mindestens einem Heizelement einer indirekten Widerstandsheizung, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) in einer Ausnehmung des Einkristalls (2) eingebettet und mittels einer Sintermasse (3) dauerhaft mit diesem verbunden ist.
2. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung in der Form eines Schlitzes, Segments, Sektors oder einer Bohrung ausgebildet ist.
3. Einkristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebettete Heizelement (1) haarnadelförmig ausgebildet ist.
4. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebettete Heizelement (1) Wolfram und/oder Tantal enthält.
5. Einkristall nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebettete Heizelement (1) eine Wolfram/Rhenium-Legierung mit einem Anteil von mehr als 50% Wolfram enthält.
6. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse Material der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Einkristall enthält.
7. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) Lanthanhexaborid oder ein Hexaborid eines anderen Elements aus der Reihe der seltenen Erde enthält.
8. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Wolfram, Tantal, Molybdän,

Niob, Rhenium.
9. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) ein Silizid, Borid oder Karbid eines oder mehrerer der folgenden Elemente enthält: Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Rhenium.
10. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall aus einem Borid oder Misch-borid eines Elements aus der Reihe der seltenen Erden besteht.
11. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine sich über eine Seite des Kristalls erstreckende Längsnut ist, entlang der das durch einen Heizdraht gebildete Heizelement verläuft, so dass der Heizdraht mit der Sintermasse vom Kristall wie von einer Klammer umfasst wird, damit die beim Heizen entstehenden Zug- und Druckspannungen vom Kristall elastisch aufgenommen werden können und Rissbildungen vermieden werden.
12. Einkristall nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsnut nur um eine Toleranz weiter als der Durchmesser des Heizdrahts bemessen ist.
13. Verfahren zur Herstellung des Einkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) in einer Ausnehmung des Einkristalls (2) in der gewünschten Lage plaziert, eine Sintermasse (3) als dünnflüssige Suspension in de Ausnehmung des Einkristalls (2) eingebracht, an der Luft getrocknet und anschliessend unter Verwendung des Heizelements (1) im Vakuum bei Temperaturen über 2000°K gesintert wird.
14. Verwendung des Einkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als thermionische Emissionskathode für elektronenoptische Anwendungen, wobei mindestens zwei Heizelemente (10, 11) in Ausnehmungen (13, 14) des Einkristalls (12) eingebettet sind und neben ihrer Funktion als indirekte Widerstandheizung gleichzeitig als Stromzuführungen für eine direkte Widerstandsheizung des Einkristalls (12) eingesetzt werden.