DE10245392B3 - Rohrförmige Hohlkathode für hohe elektrische Leistungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Hohlkathode für hohe elektrische Leistungen mit einem metallischen Kathodenrohr. An der Hohlkathode ist innerhalb des metallischen Kathodenrohres und mindestens im Bereich der aktiven Zone ein Emissionsrohr aus Lanthanhexaborid (LaB¶6¶) vorhanden. Das Emissionsrohr ist elektrisch leitend fest mit dem Kathodenrohr verbunden. Das Kathodenrohr besteht vorzugsweise aus Tantal.

Description

• Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Hohlkathode für hohe elektrische Leistungen. Derartige Hohlkathoden werden insbesondere für die Verdampfung von leitfähigen Materialien zur plasmagestützten Abscheidung von entsprechenden Schichten oder bei Anwesenheit eines Reaktivgases von Schichten eines entsprechenden Reaktivproduktes eingesetzt.
• Dabei besteht ein Problem darin, dass bei der üblicherweise erforderlichen hohen elektrischen Leistung zur Emission einer ausreichenden Menge von Ladungsträgern sehr hohe Temperaturen erforderlich sind. Dadurch werden die einzelnen Elemente der Hohlkathode, insbesondere im Bereich der aktiven Zone, thermisch sehr hoch belastet. In der Folge wird die Standzeit der Kathoden vielfach stark gesenkt und die Prozesskosten werden erhöht.
• Die DE 296 03 953 U1 gibt eine rohrförmige Hohlkathode an, die ebenfalls für hohe elektrische Leistungen vorgesehen ist. Dabei weist die Hohlkathode innerhalb ihres Kathodenrohres mindestens in der aktiven Zone eine rohrförmig gewickelte Drahtwendel auf, die leitfähig an der Innenwand des Kathodenrohres gehaltert ist. Mit dieser Lösung wird die Elektronenemission verbessert. Die hohe Temperaturbelastung der spezifischen Elemente der Hohlkathode ist unverändert.
• Nach dem Stand der Technik sind auch Elektronenemitter oder Elektronen aussendende Kathoden aus spezifischem Material bekannt. So gibt die DE 26 58 316 A1 eine Elektronenstrahl quelle an, bei der eine Kathode aus Lanthanhexaborid zwischen zwei Heizelementen aus pyrolitischem Graphit angeordnet ist, die an zwei Trägerelementen aus einem elektrisch leitfähigem Material gehaltert sind. Beim Anlegen eines elektrischen Stromes an die Trägerelemente werden die Heizelemente durch den elektrischen Widerstand derart aufgeheizt, dass in der Folge die Kathode entsprechend ihrer Temperatur Elektronen emittiert.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine rohrförmige Hohlkathode der eingangs genannten Art anzugeben, bei der zur Erzielung einer gleichen Emission von Ladungsträgern und einem relativ geringem technischen Aufwand eine wesentlich geringere Temperatur erforderlich ist.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
• Der Kern der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des metallischen Kathodenrohres und mindestens im Bereich der aktiven Zone ein Emissionsrohr aus Lanthanhexaborid (LaB₆) vorhanden ist. Das LaB₆ ist im niedrigeren Temperaturbereich elektrisch relativ schlecht leitend, weist aber im höheren Temperaturbereich eine höhere Emissionsleistung auf. Durch die erfindungsgemäße Kombination eines metallischen Kathodenrohres mit einem inneren LaB₆-Emissionsrohr kann die aktive Zone der Hohlkathode mittels des metallischen Kathodenrohres relativ schnell auf eine solche Temperatur aufgeheizt werden, dass das LaB₆-Emissionsrohr auf eine vorteilhafte Emissionstemperatur gebracht wird.
• Das Emissionsrohr ist in vorteilhafter Weise elektrisch leitend fest mit dem Kathodenrohr verbunden und das Kathodenrohr besteht aus Tantal oder einem ähnlichen elektrisch leitfähigen und temperaturstabilen Metall.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die Arbeitstemperatur der Hohlkathode wesentlich zu senken.
• Bei bekannten Hohlkathoden des Standes der Technik beträgt die Arbeitstemperatur ca. 1600°C. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, zur Erzielung der gleichen Emissionsleistung die Arbeitstemperatur der Hohlkathode bis auf ca. 1000°C abzusenken. Dadurch ist es im Besonderen auch möglich, die Temperatur einer Heizwendel aus einem Wolframdraht, die in bekannter Weise die aktive Zone der Hohlkathode peripher umgibt, von 2500 bis 2700°C auf unter 2000°C abzusenken. Dadurch kann diese Heizwendel in einem Temperaturbereich betrieben werden, in dem sie mechanisch stabil bleibt und Ausfälle durch Überhitzung weitgehend entfallen.
• Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• Die Zeichnung zeigt den vorderen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Hohlkathode im Schnitt. 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 verbunden.
• Die beispielhafte Hohlkathode besteht aus einem äußeren Kathodenrohr 1 aus Tantal, einem innerhalb desselben angeordneten inneren Kathodenrohr 2 aus Stahl, koaxial zum äußeren Kathodenrohr 1 einer Heizwendel 4 aus Wolfram und einem erfindungsgemäßen Emissionsrohr 3 aus Lanthanhexaborid (LaB₆).
• Das Emissionsrohr 3 befindet sich innerhalb des vorderen Teiles des äußeren Kathodenrohres 1, d.h. am Austritt des Inertgases und im Bereich der aktiven Zone "a".
• Mechanisch ist das Emissionsrohr 3 in eine Aussparung an der Innenwand des äußeren Kathodenrohres 1 elektrisch leitend und fest eingebracht.
• Das Emissionsrohr 3 aus Lanthanhexaborid besteht aus gesintertem LaB₆-Pulver. Das Emissionsrohr 3 weist im Ausführungsbeispiel einen freien Innendurchmesser von 6 mm und einen Außendurchmesser von 9 mm auf.
• Zentrisch innerhalb des inneren Kathodenrohres 2 und des Emissionsrohres 3 ist in bekannter Weise ein Inertgas-Durchgang 5 ausgebildet. Das Inertgas, in der Praxis allgemein Argon, dient als Trägermedium für die Ladungsträger.
• Die übrigen Bauteile werden entsprechend der allgemein bekannten technischen Forderungen an die vorgenannten Werte angepasst.
• Im Betrieb wird die erfindungsgemäße Hohlkathode in bekannter Weise in einen Stromkreis eingeschaltet und durch eine kombinierte Widerstandserwärmung und Strahlungsheizung von der Heizwendel 4 erwärmt. Dabei ist das Emissionsrohr 3 nur unwesentlich an einer Widerstandserwärmung beteiligt. Die Erwärmung des Emissionsrohres 3 erfolgt im Wesentlichen über Wärmeleitung vom äußeren Kathodenrohr 1.
• Zur Erzielung einer praktisch erforderlichen Elektronenemission wird das Emissionsrohr 3 auf etwa 1200°C aufgeheizt. Gegenüber den Temperaturen von ca. 1600°C, die bei Hohlkathoden nach dem Stand der Technik erforderlich sind, ist das eine wesentliche Senkung. Die Temperatur der Heizwendel 4, die einen wesentlichen Einfluss auf die Temperatur des Emissionsrohres 3 hat, kann auf unter 2000°C abgesenkt werden, während nach dem Stand der Technik Temperaturen für die Heizwendel von 2500 bis 2700°C erforderlich sind.
• Parallel zur Aufheizung der Hohlkathode wird ein Inertgas durch den Inertgas-Durchgang 5 geleitet.
• Der wesentliche Vorteil, der sich aus den niedrigeren Betriebstemperaturen ergibt, besteht vor allem in der längeren Standzeit der einzelnen Bauteile.

Claims (3)

1. Rohrförmige Hohlkathode für hohe elektrische Leistungen mit einem metallischen Kathodenrohr, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des metallischen Kathodenrohres und mindestens im Bereich der aktiven Zone ein Emissionsrohr aus Lanthanhexaborid (LaB₆) vorhanden ist.
2. Hohlkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsrohr elektrisch leitend fest mit dem Kathodenrohr verbunden ist.
3. Hohlkathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenrohr aus Tantal besteht.