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Es ist bekannt, durch Kathodenzerstäubung in einer Gasatmosphäre mittels einer elektrischen Glimmentladung Gegenstände mit MetaJlhitutehen zu überziehen. Der zu überziehende Gegenstand wird dabei in der Nähe der Kathode, mitunter auch auf der Anode so angeordnet, dass sieh die zerstäubten Kathodenteilehen auf ihn absetzen. Es hat sich ergeben, dass besonders gleichmässige und schöne Schichten erzielt werden, wenn man einen sehr niedrigen Gasdruck anwendet.
Andersei s vollzieht sich der Vorgang bei niedrigen Gasdrueken sehr langsam, so dass man aus fabrikatorischeu Gründen genötigt ist, trotz der Vorteile des niedrigen Gasdruckes mit diesem doch nicht allzu weit herabzugehen, um die Zerstäubungsdauer und damit die Herstellungskosten nicht allzu sehr zu erhöhen.
Die Kathodenzerstäubung kann aber nicht nur für die Herstellung von Metallüberziigen verwendet werden, sondern auch dazu, den Druck eines Gases in einem abgeschlosseneu Räume zu erniedrigen : Die zerstäubten Kathodentilchen verbinden sich hiebei mit Gasmolekülen und bewirken deren Anheftung an die Gefässwandung, somit eine Herabsetzung des Gasdruckes. Diese Methode ist jedoch bisher nur in einem beschränkten Druckbcreich anwendbar gewesen, weil sie voraussetzt, dass die Wegstrecke, welche die von der Kathode emittierten Elektronen zurücklegen, wesentlich grösser ist als die mittlere freie Weglänge des Gases.
Unterhalb eines bestimmten Druckes konnte man daher die Kathodenzerstäubung bisher für Zwecke der Evakuierung nicht anwenden.
Der Erfindung, die von der bekannten Erscheinung Gebrauch macht, dass unter dem Einfluss eines Magnetfeldes die Stromdichte einer Glimmentladung gesteigert wird, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nicht der niedrige Gasdruck an sich die Ursache der geringen Zerstäubung ist, sondern vielmehr die niedrige Stromstärke, welche durch den geringen Gasdruck bedingt ist.
Gemäss der Erfindung wird dieser Übelstand dadurch behoben, dass die Entladungsbahn einer Glimmentladung dem Einfluss eines magnetischen Feldes ausgesetzt wird und dass die Elektrodenkonfiguration einerseits, der Verlauf und die Intensität des magnetischen Feldes anderseits derart gewählt werden, dass der Entladungsstrom erheblich grösser ist, als er bei dem gleichen Gasdrücke beim Fehlen eines Magnetfeldes wäre. Dies wird dadurch erreicht, dass die aus der Kathode austretenden Elektronen aus ihrer Bahn abgelenkt werden, so dass ihr Gesamtweg wesentlich vergrössert wird, wodurch die Zahl der Zusammenstösse zwischen den Elektronen und den Gasmolekeln, also auch die lonenbildung und damit die Stromstärke wesentlich zunehmen.
Die Stromstärke erreicht dadurch einen Wert. den man bisher nur durch Erhöhung des Gasdruckes erreichen konnte. Das magnetische Feld wirkt in bezug auf die Charakteristik der Entladung so wie eine scheinbare Erhöhung des Gasdruckes. Dabei treten aber jene nachteiligen Wirkungen nicht ein, welche eine tatsächliche Erhöhung des Gasdruckes mit sich bringen würde. Man erhält nach dem erfindungsgemässen Verfahren Zerstäubungsüberzüge von der gleichen Feinheit und Haftfähigkeit, jedoch in wesentlich kürzerer Zeit als die, welche man bei demselben niedrigen Gasdruck in Abwesenheit eines Magnetfeldes erzielen würde. Dieser Effekt kommt vermutlich dadurch zustande, dass die zerstäubten Kathodenteilchen häufig nicht geladen sind oder, falls sie geladen sind, infolge ihrer verhältnismässig grossen Masse nur wenig abgelenkt werden.
So ist es wohl zu erklären, dass die scheinbare Druckerhöhung in bezug auf das Verhalten der zerstäubten Teilchen nicht auftritt ; diese fliegen vielmehr auf kurzem Wege zur Wandung oder an die zu über-
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Ein hoher Stromwert und ein niedriger Gasdruck sind dem Zerstäubungsvorgang besonders zuträglich. Schon bei nicht allzu starken Magnetfeldern gelingt es leicht, die Glimmstromstärke fünfmal grösser zu machen als den Strom, der ohne magnetisches Feld auftritt. Aber auch eine Verstärkung des Stromes auf das Zehnfache und bedeutend darüber kann ohneweiters erreicht werden.
Da bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Weg der geladenen Teilchen wesentlich vergrössert ist, ereignen sich auch bei sehr niedrigen Gasdrucken noch hinreichend viel Zusammenstösse der neutralen Gasmolekeln mit den von der Kathode emittierten Elektronen, so dass genügend Ionen entstehen, welche durch ihren Aufprall auf die Kathode eine kräftige Zerstäubung bewirken und dadurch den Effekt der
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einer Glimmentladung im Gebiete eines sehr niedrigen Gasdruckes noch erfolgreich durchzuführen.
Aus einem Aufsatz in der Zeitschrift für Physik 1933, S. 531-540, ist bereits bekanntgeworden, dass die Gasaufzehrurg in einer Glühkathodenrohre bei sehr geringen Drücken unter dem Einfluss eines Magnetfeldes begünstigt wird. Das aufgezehrt Gas wird an der Glaswand der Röhre adsorbiert und bei deren Erhitzung vollständig oder beim Abschalten des Magnetfeldes zum grössten Teil wieder frei. Eine Zerstäubung der Kathode findet bei dem bekannten Verfahren nicht statt.
Erfindungsgemäss werden die Elektrodenkonfiguration und das Magnetfeld derart gewählt, dass bei der Entladung die Elektronen daran gehindert werden, die Anode unmittelbar längs der elek- trisehen Kraftlinien zu erreichen, so dass sie einen erheblich längeren Weg durchlaufen als bei Fehlen des Magnetfeldes. Dies kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden, z. B. dadurch, dass in mindestens einem Teile des Entladungsraumes die magnetischen Kraftlinien während der Entladung einen Winkel von 90 mit den elektrischen Kraftlinien einschliessen. Die Elektronen erhalten in diesem Fall unter dem Einfluss des Magnetfeldes eine Ablenkung quer zu ihrer Bahn.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die magnetischen Kraftlinien und die elektrischen Kraftlinien gerade einen Winkel von 900 miteinander einschliessen. Fnter manchen Bedingungen kann auch mit kleineren WinKeIn, z. B. mit Winkeln grösser als 45 , schon eine bedeutende Wirkung erzielt werden. In gewissen Fällen werden sogar bessere Ergebnisse erreicht, wenn die magnetischen Kraftlinien nicht genau senkrecht zu den elektrischen Kraftlinien stehen, sondern diese Linien einen Winkel einschliessen, der um einige Grad von einem rechten Winkel abweicht.
Die Herabsetzung von bereits geringen Gasdrucken (z. B. kleiner als 50 Mikron) mittels Kathoden- zerstäubung gestaltet sich dadurch schwierig, dass die Zündspannung der Entladung, d. h. die zur Einleitung der Entladung erforderliche Spannung, sehr hoch ist. Es ist z. B. die Zündspannung einer Entladung in Stickstoff zwischen zwei grossen parallelen Platten, die sieh in einer Entfernung von 1 rm voneinander befinden, bei einem Druck von 20 Mikron schon annähernd 70.000 Volt. Dieses Verfahren kann somit zu besonders grossen praktischen Schwierigkeiten Anlass geben.
Man kann nun erfindungsgemäss die Elektrodenkonfiguration und den Verlauf sowie die Stärke des Magnetfeldes derart wählen, dass nicht nur die Stromstärke während des Betriebes erheblich vergrössert, sondern auch die Zündspannung bedeutend herabgesetzt wird. Infolgedessen eignet sich die Erfindung auch besonders dazu, mittels Kathodenzerstäubung die weitere Herabsetzung eines bereits geringen Gasdruckes zu erreichen, was beim Fehlen des Magnetfeldes infolge der erforderlichen sehr hohen Zündspannung kaum durchführbar wäre.
In diesem Falle wählt man die Elektrodenkonfiguration und den Verlauf des Magnetfeldes derart, dass nicht nur während der Entladung, sondern auch bei der Zündung die magnetischen Kraftlinien in mindestens einem Teil des Entladungsraumes einen Winkel, der grösser HIs 450 ist, zweckmässig- einen Winkel von 900, mit den elektrischen Kraftlinien einschliessen. Die die Zündung bewirkenden, zufällig in der Entladungsbahn vorhandenen Elektronen durchlaufen in diesem Fall unter dem Einfluss des Magnetfeldes eine derart verlängerte Bahn, dass die Zündspannung bedeutend herabgesetzt wird.
Die Zündspannung kann z. B. leicht auf ein Fünftel des Wertes ohne Magnetfeld gebracht werden.
Man kann beispielsweise parallel zueinander angeordnete ebene Elektroden oder koaxiale Zylinderelektroden verwenden und das Magnetfeld derart anordnen, dass die magnetischen Kraftlinien senkrecht zu den kürzesten Verbindungslinien der Elektroden stehen. Bei diesen Elektrodenkon- figurationen ist es möglich, in dem ganzen Entladungsraum sowohl beim Zünden als auch während der Entladung zu bewirken, dass die magnetischen Kraftlinien senkrecht zu den elektrischen Kraftlinien stehen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Kathode zu verwenden, die zwei Teile besitzt, die durch ein Bündel magnetischer Kraftlinien, die nicht von der Anode abgefangen werden, miteinander verbunden sind. Eine einfache Konfiguration ergibt sieh, wenn man die Kathode aus zwei senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien angeordneten Platten und'die Anode aus einem parallel zu den mag- netischen Kraftlinien angeordneten Draht, einer solchen Platte oder einem solchen Zylinder bildet.
Bei der Verwendung einer zylindrischen Anode kann sie den Raum zwischen den beiden Kathodenplatten seitlich begrenzen.
Bei dieser Elektrodenkonfiguration (geteilter Kathode) werden die aus einem der Kathodenteile heraustretenden Elektronen durch das Magnetfeld daran gehindert, längs der elektrischen Kraftlinien nach der Anode zu wandern. Beim Austreten aus diesem Kathodenteil verlaufen die Elektronenbahnen
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parallel zu den magnetischen Kraftlinien. In diesem Fall besteht der Einfluss des Magnetfeldes auf die Elektronenbahnen darin, dass die Elektronen gezwungen werden, in der Richtung der magnetischen Kraftlinien zu wandern oder eine schraubenlinienförmige Bewegung um diese magnetischen Kraftlinien herum zu vollführen.
Kommen die Elektronen in die Nähe des zweiten Teiles der Kathode, so werden sie in ihrer Bewegung gebremst und zurückgedrängt, d. h. sie wandern in diesem Fall wieder in der Richtung nach dem ersten Kathodenteil. Die Elektronen wandern somit zwischen den Kathodenteilen hin und her, bis sie schliesslich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zur Anode gelangen. Auch hiebei ergibt sich somit eine wesentliche Vergrösserung des von den Elektronen durchlaufenen Weges und dementsprechend eine scheinbare Erhöhung des Gasdruckes. Die Elektrodenkonfiguration mit geteilter Kathode eignet sich auch besonders dazu, in einem Gase unter bereits niedrigem Druck eine Entladung einzuleiten.
Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren dieser Zeichnung stellen einige Ausführungsbeispiele für die Elektrodenkonfiguration und die Anordnung der das magnetische Feld erzeugenden Magnetspule dar. Die Elektroden sind selbstverständlich in einem geschlossenen Entladungsgefäss angeordnet, welches, nur um die Figuren der Zeichnung einfach zu halten, nicht mitdargestellt ist. Die Magnetspulen werden zweckmässig ausserhalb des Entladungsgefässes angeordnet.
Der in Fig. l und 2 dargestellte Elektrodensatz besteht aus einer stabförmigen kalten Kathode 1 und einer sie gleichachsig umgebenden zylindrischen Anode 2. Die Elektroden sind von einer Magnetspule 3 umgeben. Die elektrischen Kraftlinien erstrecken sich radial zwischen der Kathode und der Anode (siehe die gestrichelten Linien), während die magnetischen Kraftlinien parallel zu der Achse des Elektrodensatzes sind (siehe die Pfeile). Die magnetischen und elektrischen Kraftlinien stehen somit im ganzen Entladungsraum senkrecht zueinander. Die Elektronen erhalten zufolge des magnetischen Feldes in an sich bekannter Weise eine solche Ablenkung aus ihrer Bahn, dass sie sich um die Kathode herumbewegen, so dass der von ihnen durchlaufene Weg erheblich vergrössert wird.
Wie oben auseinandergesetzt, bewirkt dies im Hinblick auf Ionenbildung eine scheinbare Erhöhung des Gasdruckes, somit eine wesentliche Vergrösserung der Stromstärke und Herabsetzung der Zündspannung.
Bei einer bestimmten Ausführungsform war der Halbmesser des Kathodenzylinders 0. 5 mm und derjenige des Anodenzylinders 15 mm und bestand die Gasfüllung aus Argon unter einem Druck von 0. 1 mm. Die Elektroden wurden unter Zwischenschaltung eines Widerstandes von 5000 Ohm an eine Gleiehstromquelle von 1000 Volt angeschlossen. Ohne magnetisches Feld betrug der Entladungstrom 0'l mA, während bei erregter Magnetspule, die derart gebaut war, dass die magnetische Feldstärke in der Entladungsbahn annähernd 300 Gauss war, der Entladungsstrom 30 m"1 betrug. Das magnetische Feld bewirkte somit eine 300faehe Verstärkung des Stromes.
Wollte man in derselben Vorrichtung mit derselben Stromquelle und demselben Vorsehalt- widerstand den Entladungsstrom auf 7mA einstellen, so wäre zu diesem Zweck ohne magnetisches Feld ein Argondruck von 0. 33 111m erforderlich, hingegen mit einem Magnetfeld von annähernd 300 Gauss nur ein Argondruck von 0. 06 mm. Das Magnetfeld bewirkte somit unter diesen Bedingungen eine fünfbis sechsfache scheinbare Vergrösserung des Gasdruckes.
Die Kathode 1 ist aus einem Werkstoff hergestellt, mit dem ein zu überziehender Gegenstand bedeckt werden soll. Soll eine Wolframhaut auf den Gegenstand aufgebracht werden, so verwendet man eine Wolframkathode, hingegen eine Silberkathode, wenn eine Silberhaut aufgebracht werden soll. Der zu überziehende Gegenstand wird derart in der Nähe der Kathode angeordnet, dass er mit den zerstäubten Kathodenteilehen überzogen wird. In manchen Fällen kann der Gegenstand auf der Innenseite der Anode angeordnet werden. Man kann das Verfahren auch zur Herstellung besopders diinner Metallfolien anwenden.
In diesem Fall schlägt man die zerstäubten Ka1hodenteilchen auf einer Unterlage nieder, die, nachdem sie zufolge der Kathodenzerstäubung mit einer dünnen Metallhaut überzogen worden ist, von dieser Haut entfernt wird.
Infolge des wesentlich verstärkten Stromes prallt auf die Kathode eine grössere Anzahl von Ionen auf, und die Geschwindigkeit, mit der diese Ionen auf sie aufprallen, ist sehr gross h'Mge des niedrigen Gasdruckes. Dies führt eine intensive Zerstäubung der Kathode herbei und die zerstäubten Kathodenteilchen wandern leicht durch das Gas unter vermindertem Druck.
Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Elektrodensatz, der aus einer stabförmigen Kathode 4 und einer Anode besteht, die aus zwei runden, senkrecht zu der Achse der Kathode angeordneten Platten 5 und 6 gebildet wird. Das magnetische Feld wird von einer gleichachsig mit der Kathode angeordneten Magnetspule 7 erzeugt. Während der Entladung kann man in der Nähe der Kathode 4 den Faradayschen Dunkelraum und das negative Glimmlicht erkennen. Es ist bekannt, dass sich in diesen Teilen der Entladung die elektrischen Kraftlinien immer senkrecht zu der Kathodenfläche orientieren und dass im Dunkelraum praktisch der ganze Potentialuntersehied zwischen den Elektroden zusammengedrängt ist, während das elektrische Feld im übrigen Teile des Entladungsraumes nur schwach ist.
Die magnetischen Kraftlinien verlaufen parallel zu der Achse der Kathode und stehen somit in der Nähe der Kathode senkrecht zu den elektrischen Kraftlinien. Infolgedessen werden die Elektronen abgelenkt und umschwärmen die Kathode, so dass der von ihnen durchlaufene Weg stark vergrössert wird.
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Die Fig. Ï und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines Elektrodensatzes, der aus einer zylindrischen Anode 8 und einer aus zwei runden, nahe den offenen Enden der zylindrischen Anode 8 angeordneten Platten, z. B. Eisenplatten 9 und M, gebildeten Kathode besteht. Der Zylinder 8
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raum der Achse der Anode parallel sind.
Die von der Platte 9 ausgehenden Elektronen wurden beim Fehlen des magnetischen Feldes längs gebogener Bahnen gegen die zylindrische Anode hinwandern. Unter dem Einfluss des mag- netisehen Feldes beschreiben diese Elektronen jedoch mehr oder weniger sehraubenlinienfiirmige Bahnen um die magnetischen Kraftlinien herum, so dass diese Elektronen von der Anode ferngehalten werden. Kommen die Elektronen in die Nähe der Kathodenplatte 10, so werden sie in ihrer forischreitenden Bewegung gebremst und wieder in der Richtung nach der Platte 9 zurückgedrängt. Sie wandern somit zwischen den Kathodenplatten 9 und 10 hin und her, bis sie schliesslich nach der Anode S entweichen.
Der auf diese Weise vergrösserte Elektronenweg bedirgt auch hier eine grosse Verstärkung des Stromes. Die Länge des Anodenzylinders 8 braucht nicht immer annähernd so gross wie die Entfernung der Kathodenteile 9 und 10 voneinander zu sein, vielmehr kann sie auch kleiner sein. Sogar mit einer aus einem ringförmigen Draht bestehenden Anode werden gute Ergebnisse erreicht.
Das Wesentliche der Elektrodenkonfiguration nach den Fig. 5 und 6 besteht darin, dass die beiden Kathodenteile durch ein nicht von der Anode abgefangenes Magnet-Kraftlinienbünde] miteinander verbunden sind, so dass die Elektronen, die unter dem Einfluss des magnetischen Feldes den magnetischen Kraftlinien zu folgen suchen, sich zwischen den Kathodenteilen hin und her bewegen.
Diese Kathodenteile können unter Umständen auch mechanisch eine Einheit bilden.
Wie oben auseinandergesetzt, bewirkt das magnetische Feld bei dieser Arfordnurg auch eine Herabsetzung der Zündspannung. In einem bestimmten Fall war der Durchmesser bzw. die linge der Anode 4. 0 bzw. 60 MM und die gegenseitige Entfernung der Platten 9 und 10, deren Durchmesser etwa demjenigen der Anode entsprach, betrug 70mm. Der Strom der Magnetspule wurde derart ge-
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nähernd 1000 Volt, während diese Spannung beim Fehlen des Magnetfeldes schon bei eirem Argon- druck von 0-03 Mfm 1500 Volt war.
Auch die Ent1adungsstromstiirke in dieser Einrichtung ist so gross, dass eine erhebliche Zerstäubung des Kathodenstoffes auftritt. Die zerstäubten kathodentilchen verbinden sich mit den Gasmolekülen und erniedrigen infolgedessen den Gasdruck. Auf diese Weise kann der Gasdruck leicht bis unterhalb 0-01 Mikron herabgesetzt werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass ein Teil des Gases nicht von den zerstäubten Katodenteilchen gebunden, vielmehr in Form von Ionen von der glaswand
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herbeizuführen. In manchen Fällen kann man zur Erzeugung des magnetischen Feldes auch einen Dauermagneten verwenden.
Soll auf einen Gegenstand ein Gemisch aus zwei verschiedenen Metallen aufgebracht werden, so kann man zwei oder mehr Kathoden aus berschiedenen Metall oder eine Kathode verwenden. die aus verschiedenem Metall bestehende Teile besitzt. Zu diesem Zweck eignet sieh besonders beispielsweise die Anordnung nach den Fig. 5 und 6, da man in diesem Fall die beiden Kathodenteile 9 und 10 aus verschiedenem Stoff herstellen kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Kathodenzerstäubung mittels einer elektrischen Glimmentladung in einer Gasatmosphäre unter geringem Druck (kleiner als 0#2 mm), besonders zum Überziehen von Gegenständen mit Metallhäutchen oder zur Herabsetzung des Druckes eines Gases, dadurch gekennzeichnet,
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konfiguration sowie der Verlauf und die Stärke dieses Magnetfeldes derart gewählt sind, dass der Ent- ladungsstrom erheblich stärker ist als beim Fehlen des Magnetfeldes.