DE102011056555B3 - Hollow cathode with emission pipe is obtained from lanthanum hexaboride, and contains specified amount of ceramic material and element of specific group - Google Patents

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Abstract

A hollow cathode with emission pipe (1) is obtained from lanthanum hexaboride, and contains ceramic material (4-11%) and element of group 4 (0.5-10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlkathode mit einem Emissionsrohr aus Lanthanhexaborid (LaB6) mit den Merkmalen nach Anspruchs 1, insbesondere zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Ionenstromdichte.The invention relates to a hollow cathode with an emission tube of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) having the features of claim 1, in particular for producing a plasma with a high ionic current density.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, Lanthanhexaborid (LaB6) wegen seiner extrem niedrigen Elektronenaustrittsarbeit von nur 2,7 eV und guter elektrischer Leitfähigkeit in der Plasmatechnik als Emissionselektroden einzusetzen. Dabei wird das keramische Material als Sinterkörper in die erforderliche Form gebracht.According to the prior art, it is known to use lanthanum hexaboride (LaB 6 ) as emission electrodes because of its extremely low electron work function of only 2.7 eV and good electrical conductivity in plasma technology. In this case, the ceramic material is brought as a sintered body in the required form.

Die US 2009/0058305 A1 gibt ein Hall-Effekt-Triebwerk für die Anwendung in der Raumfahrt an. In einer ringförmigen Entladungskammer erzeugt ein Lichtbogen ein Plasma. Die Elektronen driften aufgrund des Hall-Effekts im Kreis und bilden ein negatives Potential, durch das die positiv geladenen Ionen beschleunigt und nach dem Durchqueren der Elektronenwolke ausgestoßen werden. Zur Erhöhung der Emission von Elektronen wird eine zentrale Kathode offenbart, bei der am Ende ein hohler Einsatz aus einem Element der Seltenen Erden angeordnet ist. Üblicherweise besteht der hohle Einsatz aus Lanthanhexaborid (LaB6).The US 2009/0058305 A1 specifies a Hall effect engine for use in space travel. In an annular discharge chamber, an arc generates a plasma. The electrons drift in a circle due to the Hall effect and form a negative potential through which the positively charged ions are accelerated and ejected after passing through the electron cloud. To increase the emission of electrons, a central cathode is disclosed in which at the end a hollow insert of a rare earth element is arranged. The hollow insert usually consists of lanthanum hexaboride (LaB 6 ).

Goebel et al. beschreiben in ”Compact lanthanum hexaboride hollow cathode”, Review of Scintific Instruments 81 (2010, 083504-1–083504-6), eine kompakte Lanthanhexaborid-Kathode für die Raumfahrt, bei der es wesentlich auf die Größe und Masse ankommt.Goebel et al. describe in "Compact lanthanum hexaboride hollow cathode", Review of Scintific Instruments 81 (2010, 083504-1-083504-6), a compact lanthanum hexaboride cathode for space travel, where size and mass matter significantly.

Elektronenemitter aus Lanthanhexaborid werden seit längerem wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften vielfach bei der universitären Forschung und für industrielle Anwendungen eingesetzt. Die vorgeschlagene Kathode besteht aus einem Rohr aus hitzebeständigen Metallrohr wie Molybdän, in der ein Einsatz aus Lanthanhexaborid als Elektronenemitter in Graphithülsen gelagert und von Heizelementen umgeben ist. Am Elektronenaustritt ist eine Abschlussplatte mit einer Öffnung vorgesehen, an die der Einsatz aus Lanthanhexaborid in den Graphithülsen mittels einer Wolframfeder angedrückt wird. Die vorgeschlagene Kathode soll den Einsatz aus Lanthanhexaborid gegen chemische Reaktionen schützen, teure Herstellungsverfahren wie das Elektronenstrahlschweißen vermeiden und eine längere Standzeit der Kathode gewährleisten.Lanthanum hexaboride electron emitters have long been widely used in academic research and industrial applications because of their advantageous properties. The proposed cathode consists of a tube made of heat-resistant metal tube such as molybdenum, in which an insert of lanthanum hexaboride is stored as an electron emitter in graphite sleeves and surrounded by heating elements. At the exit of the electron, an end plate is provided with an opening to which the lanthanum hexaboride insert in the graphite sleeves is pressed by means of a tungsten spring. The proposed cathode is intended to protect against lanthanum hexaboride use against chemical reactions, avoid expensive manufacturing processes such as electron beam welding and ensure a longer service life of the cathode.

Die DE 102 45 392 B3 gibt eine rohrförmige Hohlkathode für hohe elektrische Leistungen mit einem metallischen Kathodenrohr an, bei der innerhalb des metallischen Kathodenrohres und mindestens im Bereich der aktiven Zone ein Emissionsrohr aus Lanthanhexaborid (LaB6) vorhanden ist. Das Emissionsrohr ist elektrisch leitend fest mit dem Kathodenrohr verbunden. Das Kathodenrohr besteht vorzugsweise aus Tantal. Der wesentliche Vorteil dieser Hohlkathode besteht vor allem in der niedrigeren erforderlichen Betriebstemperatur, wodurch längere Standzeiten der einzelnen Bauteile erreicht werden.The DE 102 45 392 B3 discloses a tubular hollow cathode for high electrical power with a metallic cathode tube, in which an emission tube of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) is present within the metallic cathode tube and at least in the region of the active zone. The emission tube is electrically conductively connected to the cathode tube. The cathode tube is preferably made of tantalum. The main advantage of this hollow cathode is mainly in the lower required operating temperature, whereby longer life of the individual components can be achieved.

Dennoch hat sich gezeigt, dass bei derartigen Emissionsrohren aus Lanthanhexaborid, insbesondere durch Kontakt mit der Atmosphäre, Korrosionserscheinungen auftreten, die zum Zerfall der Lanthanhexaborid-Sinterkeramik führen kann, wodurch die zwar gegenüber dem früheren Stand der Technik verbesserte Standzeit wiederum begrenzt ist.Nevertheless, it has been shown that in such emission tubes made of lanthanum hexaboride, in particular by contact with the atmosphere, corrosion phenomena occur which can lead to the decomposition of Lanthanhexaborid sintered ceramic, which in turn over the prior art improved life is limited again.

Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, die Korrosionserscheinungen des gesinterten Emissionsrohres der Hohlkathode aus LaB6 zu minimieren und dadurch die Standzeit zu verbessern.The invention is therefore based on the object to minimize the corrosion phenomena of the sintered emission tube of the hollow cathode of LaB 6 and thereby improve the service life.

Es wurde gefunden, dass die Aufgabe durch ein gesintertes Emissionsrohr aus LaB6 mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.It has been found that the object can be achieved by a sintered emission tube made of LaB 6 having the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims and will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiment, including the drawing.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die LaB6-Keramik des gesinterten Emissionsrohres der Hohlkathode zu 0,5 bis 10% mit einem Element der 4. Periode der Gruppen 4 bis 11 (CAS-Gruppe: IB und IVB bis VIIB; Ordnungszahl: 22 bis 29), d. h. mit Kupfer (Cu), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni), dotiert ist.The essence of the invention is that the LaB 6 ceramic of the sintered emission tube of the hollow cathode to 0.5 to 10% with an element of the 4th period of groups 4 to 11 (CAS group: IB and IVB to VIIB; atomic number: 22 to 29), ie doped with copper (Cu), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni).

Eine niedrigere Dotierung bringt nicht den gewünschten Erfolg eines besseren Korrosionsschutzes und bei einer höheren Dotierung sinkt die Emissionsrate des Emissionsrohres aus LaB6, wodurch der Nutzen des Einsatzes eines Emissionsrohres aus LaB6 verlorengeht.Lower doping does not provide the desired result of better corrosion protection and, with higher doping, the emission rate of the emission tube from LaB 6 decreases, thereby losing the benefit of using an emission tube of LaB 6 .

Weiterhin wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, eine Sinterdichte der LaB6-Keramik des Emissionsrohres von 75 bis 90 Prozent der theoretisch möglichen Sinterdichte einzustellen. Höhere Sinterdichten sind nicht erforderlich und praktisch schwer herzustellen und niedrigere Sinterdichten führen zu erhöhten Korrosionserscheinungen.Furthermore, it has been found that it is advantageous to set a sintering density of the LaB 6 ceramic of the emission tube of 75 to 90 percent of the theoretically possible sintering density. Higher sintering densities are not required and practically difficult to produce, and lower sintering densities lead to increased corrosion phenomena.

Zur Zündung der Hohlkathode wird die Hohlkathode im Vakuum aufgeheizt, bis sich eine stabile starke Elektronenemission ausbildet. Danach kann ein üblicher Stromgenerator für die Aufrechterhaltung und den Betrieb einer Hohlkathoden-Bogenentladung parallel zugeschaltet und nachfolgend die Stromversorgung der Glimmentladung abgeschaltet werden.To ignite the hollow cathode, the hollow cathode is heated in vacuo until a stable strong electron emission is formed. Thereafter, a conventional power generator for the maintenance and operation of a hollow cathode arc discharge connected in parallel and subsequently the Power supply of the glow discharge are switched off.

Zur Ausbildung der Glimmentladung kann nach Erzeugung eines erforderlichen Vakuums in der Vakuumkammer die Hohlkathode bei einem gegenüber einer auf Masse liegenden Umgebung auf ein kathodisches Potential gelegt und ein verfahrenstypischer Inertgasstrom, insbesondere ein Argonfluss, durch das Emissionsrohr (1) eingestellt werden bis das Emissionsrohr (1) mindestens auf 1000 Kelvin aufgeheizt ist.In order to form the glow discharge, the hollow cathode can be set to a cathodic potential at a position lying opposite to ground, after generation of a required vacuum in the vacuum chamber, and a process-typical inert gas stream, in particular an argon flow, through the emission pipe. 1 ) until the emission tube ( 1 ) is heated to at least 1000 Kelvin.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Zugehörig zeigt die Figur eine erfindungsgemäße Hohlkathode mit einem Emissionsrohr aus LaB6 im Schnitt.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. Belonging to the figure shows a hollow cathode according to the invention with an emission tube from LaB 6 in section.

Beispielhaft zeigt die Zeichnung den vorderen Abschnitt einer als solche bekannten Hohlkathode. Dabei ist mit ”a”, der Bereich angegeben, der als aktive Zone wirkt, d. h. in diesem Bereich wird der wesentliche Teil der Ladungsträger, insbesondere Elektronen, emittiert. Die leitfähige metallische Hohlkathode ist mit einer nicht dargestellten Stromversorgungseinrichtung für die Glimmentladung sowie zur Aufrechterhaltung der Hohlkathoden-Bogenentladung verbunden.By way of example, the drawing shows the front portion of a known as such hollow cathode. Where "a" is the range that acts as the active zone, i. H. In this area, the essential part of the charge carriers, in particular electrons, is emitted. The conductive metallic hollow cathode is connected to a not shown power supply device for the glow discharge and to maintain the hollow cathode arc discharge.

Die beispielhafte Hohlkathode besteht aus einem äußeren Kathodenrohr 3 aus Molybdän, einem innerhalb desselben angeordneten inneren Kathodenrohr 2 aus Molybdän und koaxial zum äußeren Kathodenrohr 3 einem gesinterten Emissionsrohr 1 aus Lanthanhexaborid (LaB6) mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von 9 mm.The exemplary hollow cathode consists of an outer cathode tube 3 of molybdenum, an inner cathode tube disposed within it 2 made of molybdenum and coaxial with the outer cathode tube 3 a sintered emission tube 1 of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) with an inner diameter of 6 mm and an outer diameter of 9 mm.

Erfindungsgemäß ist das Emissionsrohr 1 der Hohlkathode aus LaB6-Keramik mit 5% Kobalt (Co) dotiert. Die Sinterdichte der LaB6-Keramik beträgt beispielhaft 85% der theoretisch möglichen Sinterdichte. Das Emissionsrohr 1 ist elektrisch leitfähig im inneren Kathodenrohr 2 an einem Anschlag 4 formschlüssig gehaltert. Zentrisch innerhalb des inneren Kathodenrohres 2 und des Emissionsrohres 1 ist in bekannter Weise ein Inertgas-Durchgang 5 ausgebildet. Das Inertgas, in der Praxis allgemein Argon, dient als Hilfsmedium für die Erzeugung der Ladungsträger.According to the invention, the emission tube 1 the hollow cathode of LaB 6 ceramic with 5% cobalt (Co) doped. The sintering density of the LaB 6 ceramic is exemplified by 85% of the theoretically possible sintering density. The emission tube 1 is electrically conductive in the inner cathode tube 2 at a stop 4 positively held. Centric within the inner cathode tube 2 and the emission tube 1 is in a known manner an inert gas passage 5 educated. The inert gas, generally argon in practice, serves as an auxiliary medium for the generation of charge carriers.

Zum Aufheizen des Emissionsrohres 1 kann eine außerhalb des äußeren Kathodenrohres 3 vorhandene Heizwendel, z. B. aus Wolfram, vorhanden sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zur Aufheizung der Hohlkatode eine Glimmentladung eingesetzt.For heating the emission tube 1 can be outside the outer cathode tube 3 existing heating coil, z. As tungsten, be present. In the present embodiment, a glow discharge is used to heat the hollow cathode.

Die übrigen Bauteile werden entsprechend der allgemein bekannten technischen Forderungen an die vorgenannten Werte angepasst.The remaining components are adapted to the aforementioned values in accordance with the generally known technical requirements.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Hohlkathode in der Anwendung näher dargestellt.Hereinafter, the hollow cathode according to the invention is shown in detail in the application.

Zur Zündung einer Hohlkathoden-Bogenentladung an der Hohlkathode wird ein Verfahren der als solche bekannten Glimmentladung eingesetzt. Bei einem Druck in der Vakuumkammer von kleiner 5 × 10–4 mbar wird die Hohlkathode in einen Stromkreis 6 eingeschaltet und auf ein gegenüber einer auf Masse liegenden Umgebung, z. B. der Vakuumkammer, kathodisches Potential von –800 Volt gelegt. Parallel wird Argon als Hilfsmedium für die Erzeugung der Ladungsträger mit einem Fluss von 200 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute; p = 2,0 × 10–2 mbar) durch den Inertgas-Durchgang 5 geleitet. Der Druck in der Vakuumkammer steigt dadurch auf 2 × 10–2 mbar. Der Strom durch die Hohlkatode wird auf 4 A eingestellt. Bereits nach kurzer Zeit wird das LaB6-Emissionsrohr 1 innen sichtbar rotglühend und es stellt sich im Bereich von –60 V eine stabile starke Elektronenemission mit einer Leistung von 210 W ein. Wenn das Emissionsrohr (1) auf mindestens 1000 Kelvin aufgeheizt ist, wird ein üblicher Stromgenerator für die Aufrechterhaltung einer Hohlkathoden-Bogenentladung parallel zugeschaltet und nach ca. 1 Minute die Stromversorgung für die Glimmentladung abgeschaltet. Der Argonfluss wird auf verfahrenstypische Werte, z. B. fAR = 60 sccm, p = 3,0 × 10–3 mbar, eingestellt und eine selbständige Hohlkathoden-Bogenentladung aufrechterhalten. Die Hohlkathoden-Bogenentladung ist dabei nicht mehr auf das Innere des LaB6-Emissionsrohres 1 begrenzt.To ignite a hollow cathode arc discharge at the hollow cathode, a method of the glow discharge known as such is used. At a pressure in the vacuum chamber of less than 5 × 10 -4 mbar, the hollow cathode becomes a circuit 6 switched on and on a relation to a grounded environment, eg. B. the vacuum chamber, cathodic potential of -800 volts. In parallel, argon is used as an auxiliary medium for the generation of the charge carriers with a flow of 200 sccm (standard cubic centimeters per minute, p = 2.0 × 10 -2 mbar) through the inert gas passage 5 directed. The pressure in the vacuum chamber thereby increases to 2 × 10 -2 mbar. The current through the hollow cathode is set to 4 A. After a short time, the LaB 6 emissions pipe 1 Visible red-hot inside and a stable strong electron emission with a power of 210 W occurs in the range of -60 V. If the emission pipe ( 1 ) is heated to at least 1000 Kelvin, a conventional power generator for maintaining a hollow cathode arc discharge is connected in parallel and switched off after about 1 minute, the power supply for the glow discharge. The argon flow is to process typical values, eg. B. f AR = 60 sccm, p = 3.0 × 10 -3 mbar, adjusted and maintained a self-hollow cathode arc discharge. The hollow cathode arc discharge is no longer on the interior of the LaB 6 -Emission tube 1 limited.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Hohlkathode besteht darin, dass die Betriebstemperatur der Hohlkatode relativ niedrig gehalten werden kann und eine wesentlich bessere Standzeit der einzelnen Bauteile erzielt wird.The essential advantage of the hollow cathode according to the invention is that the operating temperature of the hollow cathode can be kept relatively low and a significantly better service life of the individual components is achieved.

Als besonders vorteilhaft hat sich in der Praxis eine Dotierung des Emissionsrohres 1 mit 5% Kobalt (Co) bei einer Sinterdichte der LaB6-Keramik von 85% der theoretisch möglichen Sinterdichte erwiesen.In practice, doping of the emission tube has proven particularly advantageous 1 with 5% cobalt (Co) at a sintering density of the LaB 6 ceramic of 85% of the theoretically possible sintering density.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Emissionsrohremission tube
22
inneres Kathodenrohrinner cathode tube
33
äußeres Kathodenrohrouter cathode tube
44
Anschlagattack
55
Inertgas-DurchgangInert gas passage
66
Stromkreiscircuit

Claims (3)

Hohlkathode mit einem Emissionsrohr (1) aus Lanthanhexaborid, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik zu 0,5% bis 10% mit einem Element der 4. Periode der Gruppen 4 bis 11 dotiert ist.Hollow cathode with an emission tube ( 1 ) of lanthanum hexaboride, characterized in that the ceramic is doped to 0.5% to 10% with an element of the 4th period of groups 4 to 11. Hohlkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Dotierung Eisen, Kobalt oder Nickel ist.Hollow cathode according to claim 1, characterized in that the doping element is iron, cobalt or nickel. Hohlkathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterdichte des Emissionsrohres (1) zwischen 75 und 90 Prozent der theoretisch möglichen Sinterdichte liegt.Hollow cathode according to claim 1 or 2, characterized in that the sintered density of the emission tube ( 1 ) is between 75 and 90 percent of the theoretically possible sintering density.
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