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Verfahren und Vorrichtung zur Metallisierung durch Kathodenzerstäubung mittels erhitzter
Kathoden.
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Heizspannung ihre Mindestwerte erreicht. Die zu zerstäubenden Kathoden können vorteilhaft aus hochschmelzenden Metallen, wie z. B. Tantal, Chrom, Wolfram u. dgl., und ihren Verbindungen bestehen.
Die Welligkeit der pulsierenden Gleichspannung kann ferner vorteilhaft so gewählt werden, dass die Grösse ihrer minimalwert die jeweils für die Entladungsstrecke massgebende Löschspannung nicht unterschreitet.
Die Ablenkung der Ladungsträger wird ferner dadurch verringert, dass als Kathoden Drähte verwendet werden, in denen die Stromrichtung in aufeinanderfolgenden Drähten jeweils umgekehrt ist. Die Kathodendrähte können dabei mit einer Seele aus höher schmelzendem Metall als das zu zerstäubende versehen werden. Diese Massnahme bietet den Vorteil, dass man näher an den Schmelzpunkt des zu zerstäubenden Metalles herangehen kann, ohne befürchten zu müssen, dass der Draht reisst. Die Kathodendrähte können in Serie oder in zwei Reihen parallel liegen, die zwischeneinander geschoben und gegensinnig parallelgeschaltet sind. Man kann ferner die. waagrecht gelagerten Kathodendrähte durch Isolierstäbe abstützen.
Gemäss der Erfindung kann man ferner vorteilhaft an Stelle der ununterbrochenen Heizung der Kathode zur Verminderung der von den Magnetfeldern der Kathodenheizströme hervorgerufenen Ablenkung der Ladungsträger mittels eines Wechselstromes eine periodenweise Heizung verwenden.
Es wird also nicht nur Wechselstrom, sondern eine periodenweise Heizung verwendet. Zur periodenweisen Heizung kann dabei mit Vorteil ein pulsierender Gleichstrom verwendet werden. Die Einzelimpulse bzw. Maximalwerte des Heizstromes liegen vorteilhaft zeitlich zwischen denen der Zerstäubungsspannung. Dabei kann mit Vorteil als pulsierender Gleichstrom ein intermittierender Gleichstrom zur Heizung verwendet werden. Der intermittierende Gleichstrom stellt dabei einen Grenzfall des pulsierenden Gleichstromes dar, indem nämlich die Spannung bis auf Null absinkt, so dass zwischen den Einzelimpulsen eine Stromunterbrechung eintritt. Die Dauer der Unterbrechung, in der die Zerstäubung ohne Behinderung durch schädliche Magnetfelder erfolgt, richtet sich dabei ganz nach der Art des Kathodenmateriales und seiner Wärmekapazität.
Die Aufheizimpulse und Pausen können zeitlich verschieden sein. Zweckmässig ist es, die Zeit der Aufheizung gegenüber jener der Zerstäubung klein zu wählen. Als Zerstäubungsspannung kann dabei vorteilhaft eine intermittierende Gleichspannung verwendet werden. Die Aufheizung und Zerstäubung der Kathode kann vorteilhaft abwechselnd erfolgen.
Zur Heizung der Kathodendrähte kann man also pulsierenden oder intermittierenden Gleichstrom etwa in Form nur einer Halbwelle einer Wechselspannung verwenden, derart, dass diese Halbwellen zeitlich zwischen den Maximalwerten der Zerstäubungsspannung liegen. Ist diese z. B. eine durch Doppelweggleichrichtung einer Wechselspannung von 50 Perioden gewonnene, mit 100 Perioden pulsierende Gleichspannung, so erfolgt die Kathodenheizung vorteilhaft durch nur eine durch Halbweggleichrichtung gewonnene Halbwelle einer Wechselspannung von 100 Perioden oder ebenfalls durch eine pulsierende Gleichspannung, deren überlagerte hundertperiodige Wechselspannung gegenüber der der Zerstäubungsspannung um 900 phasenverschoben ist.
Die Zerstäubungsspannung kann auch aus einer Halbwelle einer Wechselspannung von z. B.
50 Perioden bestehen, die vorteilhaft einer die Löschspannung nicht unterschreitenden Gleichspannung überlagert wird. Die Heizung der Kathoden erfolgt dann durch nur eine Halbwelle einer Wechsel- spannung von ebenfalls 50 Perioden. In. beiden Ausführungsbeispielen liegen die zur Kathodeimeizung dienenden Wechselspannungshalbwellen zwischen den Halbwellen bzw. Maximalwerten der intermittierenden bzw. pulsierenden Zerstäubungsspannung.
Ist eine noch schärfere zeitliche Abgrenzung von Heizimpuls-und Zerstäubungsspannung erforderlich, als sie mit sinusförmig intermittierenden bzw. pulsierenden Spannungen erreicht werden kann, so können in Rechteck-oder Trapezform intermittierende Spannungen verwendet werden, wie sie beispielsweise mittels Ventilröhren mit Sättigungscharakteristik gewonnen werden können. Durch die Verwendung von pulsierenden, vorzugsweise intermittierenden Heizströmen und Zerstäubungsspannungen der Kathoden wird der Vorteil erreicht, dass während der Zerstäubung infolge der unterbrochenen Heizströme keine Ablenkung der Ladungsträger erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zeichnet sich z. B. aus durch eine mit den Kathodendrähten in Verbindung stehende Wechselstromquelle zur Heizung, durch eine mit der Anode und mit den Kathoden in Verbindung stehende Quelle für pulsierenden Gleichstrom zur Zerstäubung und durch Mittel, wie Kapazitäten oder Selbstinduktionen, um den Wechselstrom und den pulsierenden Gleichstrom in ihrer Phase gegeneinander so einzustellen, dass der Maximalwert der Zerstäubungsspannung mit dem Minimalwert der Heizspannung zusammenfällt.
Die Erfindung ermöglicht es, mit Vorteil Drähte grösseren Durchmessers zu verwenden als solche, welche nur allein durch den Glimmstrom auf eine zur Erreichung einer maximalen Abstäubung erforderlichen Temperatur gebracht werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert, u. zw. zeigt die Fig. 1 einen Schnitt durch einen mit einer Seele versehenen Kathodendraht, Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Abstützung von horizontal aufgehängten Kathodendrähten, Fig. 3 zeigt einen waagrechten Schnitt durch vier Kathodendrähte, die im gleichen Strömungssinn von einem
Strom durchflossen werden, Fig. 4 zeigt einen waagrechten Schnitt durch vier andere Kathodendrähte,
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in denen der Strom abwechselnd in entgegengesetzter Richtung fliesst, Fig. Ï zeigt in schematischer Darstellung die hintereina. nder geschalteten Kathodendrähte, Fig. 6 zeigt parallel geschaltete Kathodendrähte, Fig.
7 zeigt ein Diagrammbild über den Verlauf der pulsierenden Gleichspannung für die Kathodenzerstäubung und der Wechselspannung für die Heizung der Kathoden, Fig. 8 zeigt ein Schaltschema für eine Anordnung zur Heizung der Kathoden mittels einer Wechselspannung und zur Zerstäubung der Kathoden mittels pulsierender Gleichspannung.
In der Fig. 1, die einen Schnitt durch einen mit einer Seele versehenen Kathodendrallt darstellt, ist K das zu zerstäubende Kathodenmaterial und d die Seele. Da 1 die Drähte bei den hohen zur Anwendung kommenden Temperaturen die Fliessgrenze erreichen können, werden sie vorteilhaft mit einer dünnen Seele aus einem höher schmelzenden Metall als das zu zerstäubende versehen. Als solche höher schmelzende Metalle kann man je nach der Art des zu zerstäubenden Metalles z. B. Tantal, Chrom, Wolfram od. dgl. verwenden.
In der Fig. 2, die die Abstützung von waagrecht aufgehängten Kathodendrähten zeigt, sind s die Sammelschienen, zwischen denen die Kathodendrähte K vorteilhaft waagrecht hängend angeordnet sind. Die Kathodendrähte sind durch mehrere Isolierstäbe, z. B. aus Porzellan, die ein starres Gestell b bilden können, abgestützt. Bei Anwendung dieser Aufhängungsart können auch Drähte ohne höher schmelzende Drahtseele verwendet werden.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch vier Kathodendrähte, die gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden, deren Felder Z sich zu einem Gesamtfeld vereinigen, welches den Ladungsträgern sinngemäss eine stärkere Ablenkung ihrer Bahnen geben muss wie die Anordnung in Fig. 4, welche einen Querschnitt durch vier Kathodendrähte, in denen der Strom abwechselnd in entgegengesetzter Richtung fliesst, zeigt. Dadurch, dass die Richtung des Heizstromes in aufeinanderfolgenden Kathodendrähten jeweils umgekehrt ist, verschwindet das um die gesamten Kathodendrähte verlaufende Magnetfeld , wie in Fig. 3 gezeigt, und es können sich nur mehr die Felder H, ausbilden.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung gegenüber der Anode a eine Anordnung der Kathodendrähte K, an denen die Spannung Uh liegt. In den nebeneinanderliegenden Drähten fliesst bei dieser Anordnung der Heizstrom in entgegengesetzter Richtung.
Fig. 6 zeigt gegenüber der Anode a parallelgeschaltete Kathodendrähte K, an denen die Heizspannung Uh liegt, in einer Anordnung, bei der zwei in gleicher Ebene liegende Reihen von Kathodendrähten abwechselnd an je zwei Sammelschienen parallel liegen. Die zwei Reihen sind gegensinnig parallelgeschaltet, so dass sich in aufeinanderfolgenden Drähten die Stromrichtung immer umkehrt.
Bei der Anordnung Fig. 5 und 6 bildet sich ein Magnetfeld gemäss der Darstellung in Fig. 4 aus. Die Schaltungen der Kathodendrähte nach Fig. 5 und 6 können insbesondere auch in Verbindung mit der waagrechten Anordnung nach Fig. 2 verwendet werden.
Die Fig. 7 zeigt ein Diagrammbild über den Verlauf der pulsierenden Gleichspannung ! 7 für die Kathodenzerstäubung und der Wechselspannung Uh für die Heizung der Kathoden. Man ersieht aus dieser Abbildung, dass, wenn die Heizspannung Uh ihr Maximum erreicht, die Z ? rstäubungs- spannung Ua ihr Minimum erreicht und umgekehrt, wenn die Heizspannung Uh durch den Nullpunkt geht, die Zerstäubungsspannung Ua ihr Maximum erreicht.
Die störende Wirkung der durch den Heizstrom der Kathodendrähte hervorgerufenen Magnetfelder wird dadurch auf ein Minimum gebracht, dass für den in der Entladungsbahn wirksamen Anoden- strom ein pulsierender Gleichstrom und für den die Kathodenheizung bewirkenden Strom ein Wechselstrom zur Anwendung kommt, u. zw. derart, dass die Maximalwerte des Heizstromes Ih dann auftreten, wenn der Entladungsstrom-la seine Minimalwerte erreicht, während zur Zeit des Maximalwertes des Entladungsstromes der Heizstrom durch Null geht.
Fig. 8 zeigt ein Schaltschema, für eine Anordnung zur Zerstäubung der Kathoden mittels pulsierender Gleichspannung und für die Heizung der Kathoden mittels einer Wechselspannung. Die Anordnung besteht aus einer Quelle für die pulsierende Gleichspannung Ua und einer Quelle für die Wechselspannung Uh zum Heizen. Der Zrstäubungsstrom wird in bekannter z. B. durch Doppelweggleichrichtung eines Einphasenwechselstromes, wie die schematisch dargestellte Gleichrichtervorrichtung g zeigt, gewonnen.
Die natürliche Welligkeit der dem Gleichstromglied überlagerten ersten Harmonischen der Wechselspannung von 67% kann dabei durch ein aus einer Drossel L und einem Kondensator C bestehendes Siebmittel beliebig herabgesetzt werden. D. 1durch kann vorteilhaft der Minimalwert der Zerstäubungsspannung Ua so gross gewählt werden, dass er die jeweils in der Entladungsstrecke herrschende Loschspannung nicht unterschreitet.
Die gegenüber der die pulsierende Anodengleiehspannung Ua liefernden Weehselspanllung um 900 phasenverschobene Heizwechselspannung U'h kann z. B. über einen Transformator t einer Phase eines in Stern geschalteten Dreiphasentransformators t entnommen werden, während die beiden andern Phasenspannungen durch geometrische Subtraktion über einen Transformator die Anodenzerstäubungsspannung Ua liefern.
Da die beiden Verbraucher, nämlich die Zerstäubung und Heizung, fast rein ohm'sche Belastungen darstellen, wird die Phasenverschiebung von 900 zwischen dem Z"rstäuberstroni la und dem Heizstrom lh praktisch genügend genau erreicht.
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Die Anordnung nach Fig. 8 stellt nur ein Beispiel dar. Man kann den pulsierenden Gleichstrom für die Zerstäubung und den Wechselstrom für die Heizung natürlich auch in anderer bekannter Weise erzeugen und gegeneinander wie gewünscht einstellen.
Es ist bereits bekannt, dass man Wechselstrom als Zerstäubungsspannung bei der Kathodenzerstäubung verwenden kann. Die Erfindung bezieht sich im Gegensatz dazu aber darauf, einen Wechselstrom zur zusätzlichen Heizung der Kathode zu verwenden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Metallisierung durch Kathodenzerstäubung mittels erhitzter Kathoden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Heizung der Kathoden zur Verminderung der von den Magnetfeldern der Kathodenheizströme hervorgerufenen Ablenkung der Ladungsträger ein Wechselstrom verwendet wird.