DE1764877C3 - Elektroden für Elektrovakuumeinrichtungen hoher spezifischer Leistung - Google Patents
Elektroden für Elektrovakuumeinrichtungen hoher spezifischer LeistungInfo
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Description
30 und während der anschließenden Impulspausen starken
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist Für eine Dauerbelastung mit hoher spezifischer Leistung stellt
Söch eine Schicht solcher D.cke, wie s,e fur d,e
Temperaturausgleichseigenschaften zwischen Impulsbelastung und Impulspausen erforderlich ist. auf Grund
der Heringen Wärmeleitfähigkeit der Schicht eine Schranke für die Belastbarkeit dar. weil die bei hohen
Dauerleistungen auftretenden Wärmebelastungen nicht genügend schnell von der Oberflache abgeführt werden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für Elektrovakuumeinnchtungen hoher spezifischer Leistung,
die einer Impuls- und einer Dauerbelastung oder einer Dauerbelastung ausgesetzt sind, aus einem
Grundmetall mit hoher elektrischer und Wärme-Leitfähigkeit und einer Schutzschicht aus im Vakuum
hochschmelzenden Werkstoffen, die aus einer Deckschicht aus hochschmelzendem Material besteht, mit
hoher zulässiger Erwärmungstemperatur bei Betrieb im Vakuum und einer zwischen der Deckschicht und der
Elektrode angeordneten Übergangsschicht, die eine zuverlässige Verkettung zwischen äußerer Schicht und
Elektrode gewährleistet.
Aus der FR-PS 13 82 04b ist eine Elektrode für Elektiovakuumeinrichtungen, die aus einem Grundmetall
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und einer Schutzschicht aus im Vakuum hochschmelzenden
Werkstoffen, die aus einer Deckschicht aus hochschmelzendem Material bcteht, mit hoher zulässiger Erwärmungstemperatur
bei Betrieb im Vakuum und einer zwischen der Deckschicht und der Elektrode angeordneten
Übergangsschicht besteht, bekannt, die für hohe Impulsleistungen vorgesehen ist, wobei zur Glättung
der Impulse, d.h. zur gleichmäßigeren Verteilung der Warme auch in den Impulspausen auf das Grundmetall,
eine hierfür erforderliche Dicke von über 100 Mikron, beispielsweise für 100 kW Leistung während einiger
Mikrosekunden eine Dicke von 400 μπι vorgesehen ist.
Aus der britischen Patentschrift 10 61061 der
Anmelderin ist für die Bemessung der Deckschicht als Wärmeskinschicht eine Schichtdicke angegeben, bei der
die von einem Wärmeimpuls verursachte Temperaturänderung an der Unterseite gegenüber der an der 6s
Oberseite auf ein Zehntel abgeklungen ist. Derartige Elektroden verhindern auf Grund ihrer Filterwirkung
out. daß das Grundmetall während der Wärmeimpulse Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe
zuerunde eine Elektrode für Elektrovakuume.nnchtuneen
hoher spezifischer Leistung anzugeben, die auf Grund ihres geringen Wärmewiderstandes gegen den
bei starker Dauerbelastung auftretenden Warmestrom Hie Belastbarkeit der Elektrode für solche Dauerbelastungen
zu erhöhen gestattet ohne daß es zu einem störenden Austritt von Metalldampf und von Gasen aus
der Elektrodenoberfiäche kommt.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die im
Anspruch 1 angegebene Bemessung der D.cke der Schutzschicht.
Überraschenderweise ist also eine Elektrode fur Elektrovakuumeinrichtungen hoher spezifischer Leistung
die zur Aufnahme hoher Dauerbelastungen vorgesehen ist, durch eine Schutzschicht gekennzeichnet
deren Dicke um zwei Zehnerpotenzen niedriger ist als'die Schutzschicht bei den bekannten für Impulsbetrieb
vorgesehenen Elektroden. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode erlaubt es, d.e für Dauerbelastung
im Vakuum zulässige Erwärmungstemperatur, dte für das Grundmetall ohne Schutzschicht bei etwa 300 bis
4000C liegt, auf 900 bis 10000C zu erhöhen, wodurch der
Wärmestrom, der von der belasteten Elektrodenoberfläche durch die Kühleinrichtung der Elektrode
abführbar ist, auf das Dreifache gesteigert werden kann. Eine solche Elektrode wird vorzugsweise mit einer
Kühleinrichtung für die Wärmeableitung mit Hilfe eines Kühlmittels (Luft, Öl, alkoholische Gemische, fließendes
Wasser, kochendes Wasser) versehen.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels erläutert.
Die Deckschicht der Elektrode besteht aus hochschmelzendem Material, das eine maximal zulässige
Erwärmungstemperatur bei Betrieb im Vakuum hat, d.e höher als die des Elektrodenmaterials ist.
Man wählt hierfür zweckmäßig Materialien, die beim
Betrieb im Vakuum eine zulässige Erwärmungstemperatur von mehr als 1500 bis 20000C haben.
Als Beispiel seien hochschmelzende Metalle, wie Molybdän. Rhenium, Niob, Tantal, Wolfram und andere
genannt. ,.
Es können Verbindungen auf der Grundlage dieser oder anderer Metalle verwendet werden, die feste
Lösungen bilden, z. B. Legierungen aus Wolfram mit Molybdän, Wolfram mit Rhenium usw. Es können
schließlich auch Karbide, Boride, Nitride und Silicide hochschmelzend^ Metalle verwendet werden. Die
Materialien, die die höchste zulässige Arbeitstemperatur im Vakuum besitzen, wie Wolfram, erweisen sich
jedoch als die bestgeeigneten.
Kaum geeignet sind sogenannte Pseudolegierungen, wie z. B. Wolfram mit Kupfer, die keine festen Lösungen
bilden Die Übergangsschicht wird so gebildet, daß ihre thermophysikalischen Eigenschaften stufenweise oder
stetig von denen der äußeren Deckschicht zu denen des Grundmaterials der Elektrode übergehen.
Sie kann aus Werkstoffen bestehen, die intermediäre Eigenschaften in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten,
die maximal zulässige Erhitzungstemperatur im Vakuum, die Schmelztemperatur und andere
thermophysikalische Eigenschaften besitzen, oder aus Materialien, die mit Hilfe einer Bearbeitung oder
Bestrahlung des Elektrodenwerkstoffs mit Ionen des Werkstoffs der äußeren Schicht der Schutzschicht
gebildet sind.
Die Obergangsschicht kann jedoch auch aus Werkstoffen bestehen, die sich sowohl vom Material der
äußeren Schicht als auch vom Material der Elektrode unterscheiden, wenn diese Werkstoffe einen linearen
Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der zwischen dem des Werkstoffs der äußeren Schicht und dem des
Werkstoffs der Elektrode liegt. Der Werkstoff der Übergangsschicht kann z. B. einen linearen Ausdehnungskoeffiziemen
zwischen 8 χ 10-6 und 14 χ 10-*/°C
haben und deshalb z. B. aus Eisen, Gold, Nickel, Titan, Platin, Rhodium und anderen Metallen bestehen. Als
Werkstoff für die Übergangsschicht kann man auch Karbide des Wolframs oder Molybdäns verwenden. Als
weitere mögliche Variante wäre eine teil(weise)-diffuse Schicht anzuführen, die durch gegenseitige Thermodiffusion
beim Auftragen der Übergangsschicht auf die Elektrode und der Deckschicht auf die Übergangsschicht gebildet wurde.
Dadurch bildet sich zwischen dem Elektrodenwerkstoff und dem der Deckschicht eine Reihe von
Übergängen, die ihre thermophysikalischen Eigenschaften stufenweise oder stetig zwischen denen der
Elektrode und der Deckschicht ändern. Hierfür kann z. B. Platin verwendet werden, das sowohl ins Kupfer als
auch ins Wolfram eindiffundiert.
Ein anderes Beispiel für eine Übergangsschicht ist eine Schicht, die auf dem Wege einer zwangsweisen
Diffusion von Ionen des Werkstoffs der Deckschicht in dem Elektrodenwerkstoff erhalten ist. Das kann durch
unmittelbares Auftragen des Werkstoffs der äußeren Schicht auf die Elektrode erfolgen, wenn sich während
des Auftragens Ionen eben dieses Stoffes bilden. Als Beispiel können das galvanische Auftragen von
Rhenium auf Kupfer in wäßrigen Elektrolyten, das galvanische Auftragen von Wolfram auf Kupfer in einer
Elektrolytschmelze oder das Injizieren (Impfen) mit Wolframionen in Kupfer im Vakuum angeführt werden.
Durch die zwangsweise Diffusion der Ionen des aufzutragenden Werkstoffs in das Kristallgitter des
Elektrodenmaterials bildet sich eine Übergangsschicht, deren Eigenschaften gleichmäßig von den für die
Elektrode charakteristischen Werten durch die Übergangsschicht hindurch bis zu den Werten übergehen, die
für den Werkstoff der äußeren Schicht charakteristisch sind.
Die gesamte Dicke der Schutzschicht muß gering genug sein, damit ihr Wärmewiderstand gegen den
kontinuierlichen Wärmesirom im Vergleich zum Wärmewiderstand
der Elektrode so klein wie möglich ist, aber andererseits muß sie stark genug sein, um die
Abscheidung von Metalldampf und Gasen von der Elektrodenoberfläche bei Impuls- und ununterbrochener
Wärmebelastung verhindern zu können, auch wenn diese um ein Vielfaches höher ist als die maximal
zulässige Belastung für eine Elektrode ohne Schutzschicht. Die Dicke der Schutzschicht für Elektroden, die
im Dauerbetrieb arbeiten, kann einige Mikron betragen. Praktisch kann man sie zwischen 1 bis 10 Mikron
wählen. Dabei sollte die Dicke der Schutzschicht 1 % der Dicke der Elektrode nicht überschreiten, die meistens
zwischen 1 und 10 mm liegt
Als Beispiel für die am meisten verwendbare Dicke für eine Schutzschicht kann man 5 Mikron angeben.
In Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Elektrodenwerkstoffs und der der äußeren Schicht
sowie von der Dicke der Elektrode und der Schutzschicht kann sich der Wärmewiderstand der Schutzschicht
in gewissen Grenzen bewegen, sollte in der Regel jedoch 5% des Wärmewiderstandes der Elektrode
nicht überschreiten.
Hier zwei Beispiele:
1. Die Dicke der Elektrode gleich 1 mm, die Dicke der Schutzschicht gleich 10 Mikron.
2. Dicke der Elektrode gleich 10 mm, Dicke der Schutzschicht gleich 1 Mikron.
Die Dicke der Schutzschicht ist im ersten Fall 1%, aber im zweiten Fall 0,01 % der Elektrodendicke.
Der Wärmewiderstand der Schutzschicht, deren äußere Schicht aus Wolfram ist, ist im ersten Fall 3%, im
zweiten 0,03% des Wärmewiderstandes einer Cu-Elektrode.
Das Vorhandensein einer Schutzschicht wirkt sich praktisch insgesamt nicht auf die Wärmeleitfähigkeit
der Elektrode aus. Jedoch erlaubt die Schutzschicht, die spezifische Wärmebeanspruchung (Belastung) an den
Elektroden, die sowohl im Impuls- als auch im ununterbrochenen Betrieb arbeiten, um das 2- bis 3fache
zu erhöhen und dadurch die spezifische Leistung des Gerätes zu vergrößern, d. h. das Verhältnis der
Nutzleistung, die vom Gerät abgegeben wird, zum Gewicht. Gleichzeitig erlaubt die Schutzschicht, die
modernen Hochleistungskühlsysteme, die in der letzten Zeit eine große Verbreitung fanden, besser auszunützen.
Diese Systeme gestatten es, von der aktiven Elektrodenoberfläche auf den Wärmeträger sowohl beträchtliche
Wärmeströme als auch -stoße abzufahren, bei spezifischer Beanspruchung (Belastung von einigen KW/cm2)
der aktiven Elektrodenoberfläche.
Solche Kühlsysteme sind Systeme mit verdampfenden Wärmeträgern. Es existieren zwei Arten solcher
Systeme. In dem einen System geht das »Verdampfen« des Wärmeträgers, der sich in einem gleichmäßigen
Misch(Bläschen- und Dünnschicht-)verdampfungszustand befindet, bei Atmosphärendruck mit dem
Niederschlag des Dampfes in den entsprechenden Systemen vorsieh.
Ein wesentliches Kennzeichen dieser Systeme sind dickwandige Elektroden mit massiver Verrippung in
verschiedenen äußeren Formen.
In anderen Systemen wendet man Oberflächenbläschenverdampfung
mit Dampfniederschlag im Zentrum des Wärmestromes an, wo die Verdampfungstemperatur
nicht erreicht wird. In diesem System wird eine zwangsweise Transmission des Wärmeträgers mit
hoher Geschwindigkeit (größer 10m/sec) und bei hohem Druck (größer 10 atm) durch die Kanäle mit
geringem Querschnitt angewendet.
Als Grenzfaktor bei der Anwendung der erwähnten Systeme gilt die untere zulässige Temperatur für die
aktive Elektrodenoberfläche, die mit einem Elektronenstrom beschossen wird.
Es wurde experimentell ermittelt, daß die oben beschriebene Schutzschicht mit einer Dicke von etwa 1
bis 10 Mikron, die eine gute Verkettung mit dem Elektrodenmaterial ermöglicht und weder Poren noch
Spalten oder Sprünge hat, es erlaubt, die für ununterbrochenen Betrieb im Vakuum zulässige Erwär-
mungstemperatur von 300 bis 4000C bis auf 900 bis
10000C zu erhöhen. Folglich kann man den Wärmestrom, der von der beanspruchten (aktiven) Elektrodenoberfiäche
auf die vom Wärmeträger umspülte Oberfläche übertragen wird, um das 3fache vergrößern.
Man kann deshalb sagen, daß die Schutzschicht zwar den Wärmewiderstand unbedeutend vergrößert, andererseits
jedoch die erhitzte Elektrodenoberfläche vor Sublimation sowohl unter den Bedingungen des
Impulsb'ilriebs als auch des ununterbrochenen Betriebes
in Elektrovakuumapparaten große spezifische Leistung selbst bei Wärmebeanspruchen wirksam
schützt, die um ein Vielfaches die für Elektroden chne Schutzschicht zulässige Wärmebeanspruchung überschreitet.
Die erfindungsgemäße Schutzschicht ermöglicht es, eine Elektrode herzustellen, die mit den Eigenschaften
der erwähnten hochschmelzenden Metalle ohne bemerkenswerte Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des
Grundwerkstoffs der Elektrode eine hohe thermische
]o Stabilität besitzt.
Claims (2)
- Patentansprüche:1 Elektrode für Elektrovakuumeinnchtungen hoher spezifischer Leistung, die einer Impuls- und s einer Dauerbelaslung oder einer Dauerbelastung ausgesetzt sind, aus einem Grundmetall mit hoher elektrischer und Wärme-Leitfähigkeit und einer Schutzschicht aus im Vakuum hochschmelzenden Werkstoffen, die aus einer Deckschicht aus hochschmelzendem Material besteht, mit hoher zulassiger Erwärmungstemperatur bei Betrieb im VaKuum und einer zwischen der Deckschicht und der Elektrode angeordneten Übergangsschicht, die eine zuverlässige Verkettung zwischen äußerer Schicht und Elektrode gewährleistet, dadurchgekennzeichnet, daß die Schutzschicht in einer Dicke von 1 bis 10 μπι so bemessen ist, daß sie einen im Verhältnis zum Wärmewiderstand der Elektrode möglichst niedrigen Wärrnewiderstand besitzt, und gleichzeitig ausreichend dick ist, um einen Austritt von Metalldampf und Gasen von der Elektrodenoberfläche bei der vorgesehenen Dauerwärmebelastung zu verhindern.
- 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur wirksamen Ableitung der Wärmeleistung mit Hilfe eines beliebigen Kühlmittels eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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DE1764877B2 DE1764877B2 (de) | 1976-03-18 |
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