Verfahren zur bietallisierung durch Kathodenzerstänbnng mittels erhitzter Kathode. Bei !der Metallisierung von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung hat sich als ein Nachteil herausgestellt, dass ein Teil der von der Kathode ausgehenden Teilchen wieder zur Kathode zurückkehrt. Hierdurch ver ringert sich die Ausbeute. Man hat als Ka thodenform bisher sowohl Kathoden aus Band, Blech, Platten, Röhren oder aus, Draht verwendet.
Wenn die Kathode ein Draht ist, dessen Durchmesser der freien Weglänge der Gasmoleküle vergleichbar ist, so werden, wie A. Güntherschulze in der Zeitschrift für "Technische Physik" 1927, Seite 169-178 (vergl. insbesondere Seite 174 rechte Spalte) angibt, viel weniger von den verdampften Metallatomen den Weg zur Kathode zurück finden, als bei einer grossen, ebenen Kathode, und zwar um so weniger, je kleiner der Draht durchmesser ist.
Nach Güntherschulze muss also der Partialdruck des Gases vor (der Ka thode und damit auch die zur Auffangeplatte gelangende Menge mit abnehmendem Draht- durchmesser zunehmen. Bei diesem bekann ten Verfahren liegen auch erhitzte Kathoden vor, da sich :die Drähte bei der Kathoden- zerstäubung ganz von selbst erwärmen und Glühtemperaturen annehmen.
Gemäss Seite 171, linke Spalte, Kapitel 3, Absatz 1 :der vorstehend genannten Zeitschrift ist es be kannt, dass sich -die Kathoden durch die Stromwärme erhitzen.
Diese nach Günther- schulze bekannte Anwendung dünner Ka thodendrähte in :der Grössenordnung :der freien Weglänge liegt ferner noch einer späteren österreichischen Patentschrift Nr. 136250 aus dem Jahre 11932 zugrunde, die ein Verfah ren zur Metallisierung durch Kathoden zerstäubung betrifft, das sich dadurch aus zeichnet, dass erhitzte Elektroden angewen det werden, deren Dicke in :der Grössenord nung :der freien Weglänge der Metallatome liegt. Bei diesem bekannten Verfahren kön nen eine grössere Anzahl dünner draht- oder bandförmiger Elektroden verwendet werden.
Neuere Versuche haben dagegen gezeigt, dass keine Abhängigkeit der günstigsten Draht dicke von der freien @\Teglä.nge besteht, wie dies in der österreichischen Patentschrift vor ausgesetzt wird. Nach der österreichischen Patentschrift soll sich ferner bei der Metalli- sierun-- durch Kathodenzerstäubung eine Zer- stäubungsbesehleunigung erzielen lassen, wenn die Kathoden erhitzt werden.
Bei nach dieser Richtung hin vorgenom menen Zerstäubungsversuehen widerstands erhitzter Kathodendrähte, insbesondere schwer zerstäubbarer Metalle, zeigte sich jedoch bei den üblichen Zerfahren ein schwerwiegender Nachteil:
Die Temperatur der Kathoden drähte muss zur Erzielung einer wesentlichen Zerstäubung-sbeschleunigung, insbesondere bei schwer zerstäubbaren Materialien. wie Tantal, Chrom, Wolfram und deren Verbin dungen und Karbide für metallurgische Zwecke sehr hoch getrieben werden, was hohe Heizströme erfordert. die ihrerseits sehr stZi- rendeaonetfelder um die Drähte erzeugen.
Durch diese gegen die Kathodenoberfläche hyperbelförmig zunehmenden Magnetfelder erfahren die Elektronen- und Ionenbahnen (letztere zerstäuben die Kathode beim Auf treffen) ebenso zunehmende Ablenkungen in Längsrichtung der Kathodendrähte. Diese senkrecht zur Zerstäubungseinrichtung ver laufenden Bewegungskomponenten der La dungsträger verhindern eine Zunahme der Zerstäubungsintensität.
Die Erfindung beseitigt die vorstehend ge schilderten Nachteile fast vollständig. Sie betrifft ein Verfahren zur lvIetallisierung durch Kathodenzerstäubung mittels erhitzter Kathoden und zeichnet sich dadurch aus, dass man zur Heizung der Kathode zur Vermin derung der von den Magnetfeldern der Ka- thodenheizströme hervorgerufenen Ahlenkung der Ladungsträger einen periodisch sich än dernden elektrischen Strom anwendet.
Dabei ist es vorteilhaft, zur Zerstäubung der Ka thode eine pulsierende Gleichspannung anzu wenden. Vorteilhaft ist es, zur Heizung der Kathoden eine Wechselspannung und zur Zerstäubung der Kathoden eine pulsierende Gleichspannung zu verwenden, deren Ma ximalwerte etwa dann auftreten. wenn die Heizspannung ihre Mindestwerte erreicht. Die zu zerstäubenden Kathoden können vor teilhaft aus hochschmelzenden, das heisst erst bei einer Temperatur von über 2000 C schmelzenden Metallen, wie z. B. Tantal, Chrom, Wolfram und dergleichen und ihren Verbindungen bestehen.
Die Welligkeit. der pulsierenden Gleichspannung kann ferner vorteilhaft so gewählt werden, dass die Grösse ihrer Minimalwerte die jeweils für die Ent ladungsstrecke massgebende Löschspannung nicht unterschreitet.
Die Ablenkung der Ladungsträger kann ferner dadurch verringert werden, .dass als Kathoden Drähte verwendet werden, in denen die Stromrichtung in aufeinanderfolgenden Drähten jeweils umgekehrt ist. Die Ka thodendrähte können dabei mit einer Seele aus höher schmelzendem Metall als das zu zerstäubende versehen werden. Diese Mass nahme bietet den Vorteil, dass man näher an den Schmelzpunkt des zu zerstäubenden Me- talles herangehen kann, ohne befürchten zu müssen, .dass der Draht reisst.
Die Kathoden drähte können in Serie oder in zwei Reihen parallel liegen, die zwischeneinander gescho ben und gegensinnig parallel geschaltet sind. Man kann ferner die waagrecht gelagerten Kathodendrähte durch Isolierstäbe abstützen.
Als periodisch sich ändernder Heizstrom kann auch mit Vorteil ein pulsierender Gleichstrom verwendet werden. Die Einzel impulse bezw. Maximalwerte des Heizstro- rnes liegen vorteilhaft zeitlich zwischen denen der Zerstäubungsspannung. Dabei kann mit Vorteil als pulsierender Gleichstrom ein in termittierender Gleichstrom zur Heizung ver wendet -erden.
Der intermittierende Gleich strom stellt dabei einen Grenzfall des pul sierenden Gleichstromes dar, indem nämlich die Spannung bis auf Null absinkt, so dass zwischen den Einzelimpulsen eine Strom- unterbrechung eintritt. Die Dauer der L'nter- brechunc in der die Zerstäubung ohne Be hinderung durch .schädliche Magnetfelder er folgt, richtet sich dabei ganz nach der Art des Kathodenmaterials und seiner Wärme kapazität. Die Aufheizimpulse und Pausen können zeitlich verschieden sein.
Zweck mässig ist es, die Zeit !der Aufheizung ge genüber,der ,der Zerstäubung klein zu wählen. Als Zerstäubungsspannung kann .dabei vor teilhaft eine intermittierende Gleichspannung verwendet werden. Die Aufbeizung und Zer- stäubung der Kathode kann vorteilhaft ab wechselnd erfolgen.
Zur Heizung der Kathodendrähte kann man also pulsierenden oder intermittierenden Gleichstrom etwa in Form nur einer Halb welle einer Wechselspannung verwenden, der art, dass diese . Halbwellen zeitlich zwischen den Maximalwerten der Zerstäubungsspan- nung liegen.
Ist diese zum Beispiel eine durch Doppelweggleichrichtung einer Wech- selspannung von 50 Perioden gewonnene, mit 140 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 über lagerte hundertperiodige Wechselspannung gegenüber der der Zerstäubungsspannung um 90 phasenverschoben ist.
Die Zerstäubungsspannung kann auch aus einer Halbwelle einer Wechselspannung von zum Beispiel 50 Perioden bestehen, .die vorteilhaft einer ,die Löschspannung nicht un terschreitenden Gleichspannung überlagert wird. Die Heizung der Kathoden erfolgt dann :durch nur eine Halbwelle einer Wech selspannung von ebenfalls 50 Perioden.
In beiden Ausführungsbeispielen liegen die zur Kathodenheizung dienenden Wechselspan nungshalbwellen zwischen den Halbwellen bezw. Maximalwerten der intermittierenden bezw. pulsierenden Zerstäubungsspannung.
Ist eine noch schärfere zeitliche Abgren zung von Heizimpuls- und Zerstäubungs- spannung erforderlich als sie mit sinusförmig intermittierenden bezw. pulsierenden Span nungen erreicht werden kann, so können in Rechteck- oder Trapezform intermittierende Spannungen verwendet werden,
wie sie bei- spielsweise mittels Ventilröhren mit Sätti- gungscharakteristik .gewonnen werden kön nen. Durch die Verwendung von pulsieren- den, vorzugsweise intermittierenden Heiz- strömen und Zerstäubungsspannungen der Kathoden wird der Vorteil erreicht,
dass während der Zerstäubung infolge der unter brochenen Heizströme keine Ablenkung der Landungsträger erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Ausübung des Ver fahrens zeichnet sich zum Beispiel aus durch eine mit Iden Kathodendrähten in Verbin dung stehende Wechselstromquelle zur Hei zung,
durch eine mit der Anode und mit den Kathoden Zn 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 Ma ximalwert der Zerstäubungsspannung mit dem Minimalwert der Heizspannung zusam menfällt.
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 Tem peratur gebracht werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläu tert.
In der F'ig. 1, die einen Schnitt durch einen mit einer Seele versehenen Kathoden draht darstellt, ist k das zu zerstäubende Kathodenmaterial und d die Seele. Da die Drähte beiden hohen zur Anwendung kom menden Temperaturen die Fliessgrenze errei chen 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 Me tallee, z. B. Tantal, Chrom, Wolfram oder dergl., verwenden.
In der Fig. 2, .die die Abstützung von horizontal aufgehängten Kathodendrähten zeigt, sind s die Sammelschienen, zwischen denen die Kathodendrähte h: vorteilhaft waag recht hängend angeordnet sind. Die Ka thodendrähte sind durch mehrere Isolier- stäbe, z. B. aus Porzellan, die ein starres Ge stell b bilden können, abgestützt. Bei An wendung dieser Aufhängungsart können auch Drähte ohne höher schmelzende Drahtseile verwendet werden.
Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch vier Kathodendrähte, die gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden. deren Felder Hl sich zu einem Gesamtfeld H= ver einigen, welches den Ladungsträgern ssinn- gemäss 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. aufeinander folgenden Ka thodendrähten jeweils umgekehrt ist, ver schwindet das um die gesamten Kathoden drähte verlaufende Magnetfeld H.= wie in Fig. 3 gezeigt und ekönnen sich nurmehr die Felder IIl ausbilden.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung gegenüber der Anode a eine Anordnung der Kathodendrähte k, an denen die Spannung Uh liegt. In den nebeneinander liegenden Dräh ten fliesst bei dieser Anordnung der Heiz strom in entgegengesetzter Richtung.
Fig. 6 zei=t gegenüber der Anode a par allel geschaltete Kathodendrähte k, an denen die Heizspannung U,, liegt, in der Anord nung, bei der zwei in gleicher Ebene liegende Reihen von Kathodendrähten abwechselnd an je zwei Sammelschienen parallel liegen. Die zwei Reihen sind gegensinnig parallel ge schaltet, so dass sieh in aufeinander folgenden Drähten die Stromrichtung immer umkehrt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 und 6 bildet sich ein Magnetfeld gemäss der Darstellung in Fig. d aus.
Die Schaltungen der Kathoden drähte nach Fig. 5 und 6 können insbeson dere auch in Verbindung mit der waagrech ten Anordnung nach Fig. ? verwendet werden.
Die Fig. 7 zeigt ein Diagrammbild über den 'Verlauf der pulsierenden Gleichspan- nung Ua für die Kathodenzerstäubung und der Wechselspannung Uh für die Heizung der Kathoden.
Man ersieht aus dieser Ab bildung, dass, wenn die Heizspannung Uh .ihr Maximum erreicht, die ZerstäubuDgsspan- nung <I>I7"</I> ihr Minimum erreicht und umge kehrt, wenn die Heizspannung Uh durch den Nullpunkt geht, die Zerstäubungs.spannung Ua ihr Maximum erreicht.
Die störende Wirkung der durch den Heizstrom der Kathodendrähte hervorgeru fenen Magnetfelder wird dadurch auf ein Mi nimum gebracht, dass für den in der Ent ladungsbahn wirksamen Anodenstrom ein pulsierender Gleichstrom und für den die Kathodenheizung bewirkenden Strom ein Wechselstrom zur Anwendung kommt, und zwar derart, dass die Maximalwerte des Heiz stromes Ih dann auftreten, wenn der Ent ladungsstrom I., seine Minimalwerte erreicht, während zur Zeit .des Maximalwertes des Entladungsstromes der Heizstrom durch Null geht.
Die Fig. 8 zeigt ein Schaltschema für eine Anordnung zur Zerstäubung der Ka thoden mittels pulsierender Gleichspannung und für die Heizung der Kathoden mittels einer Wechselspannung. Die Anordnung be steht aus einer Quelle für die pulsierende Gleichspannung U" und einer Quelle für die Wechselspannung U,, zum Heizen. Der Zer- stäubungsstrom wird in bekannter 'eise, z.
B. durch Doppelweggleichrichtung eines Einphaaenwechselstromes, wie die schema tisch dargestellte Gleichriehtervorriehtung g zeigt, gewonnen. Die natürliche Welligkeit der dem Gleichstromglied überlagerten ersten Harmonischen der Wechselspannung von <B>67 ,wo</B> kann dabei durch ein aus einer Drossel L und einem Kondensator C bestehendes Siebmittel beliebig herabgesetzt werden.
Da durch kann vorteilhaft der Minimalwert der 7.erstäubungsspannung Ua so gross gewählt -erden, dass er die jeweils in der Entladungs strecke herrschende Löschspannung nicht unterschreitet.
Die gegenüber der die pulsierende Ano dengleichspannung U" liefernden Wechsel- spannung um 90 phasenverschobene Heiz- wechselspannung U,, kann zum Beispiel über einen Transformator t einer Phase eines in Stern geschalteten Dreiphasentransfoimators f entnommen werden,
während die beiden andern Phasenspannungen durch geometri sche Subtraktion über einen Transformator die Anodenzerstäubungsspannung U" liefern.
Da die beidenVerbraucher, nämlich dieZer- stäubung und die, Heizung, fast rein ohmsche Belastungen darstellen, wird :die Phasenver schiebung von 90 zwischen dem Zerstäuber strom I", und dem Heizstrom Ih praktisch genügend .genau erreicht.
Die Anordnung nach h''ig. 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 ge geneinander wie gewünscht einstellen.