DE1764877C3 - Elektroden für Elektrovakuumeinrichtungen hoher spezifischer Leistung - Google Patents

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)

1. 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. 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur wirksamen Ableitung der Wärmeleistung mit Hilfe eines beliebigen Kühlmittels eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.