DE2020709A1 - Verfahren zur Herstellung von Kathoden aus Lanthanborid - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Kathoden aus LanthanboridInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von Kathoden aus Lanthanborid
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf verbesserte Kathoden
für Elektronenentladungsgeräte und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Kathode durch die
Anwendung von Lanthanborid.
Es ist festgestellt worden, daß die Boride von Erdalkalimetallen
und von Metallen der Seltenen Erden und Thorium die thermischen Emissionseigenschaften von Kathodenmaterial wie
z.B. Nickel, Wolfram, Tantal, Molybdän und Rhenium verbessern, wenn diese Metalle mit den oben erwähnten Boriden überzogen
sind. Die erwünschten Eigenschaften der Metalle der Seltenen Erden sind in der Technik bekannt und ausführend erörtert
worden. Hierzu sei beispielsweise das US Patent
2 639 399 genannt, in dem beschrieben ist, daß Lanthanborid,
202070Ü
""" 4-i. mm
LaBp, für Elektronenemitter besonders erwünscht ist. Eine der
Schwierigkeiten, die bisher mit der Verwendung von Lanthanborid verbunden ist, besteht jedoch darin, daß es nicht leicht
an den Kathodengrundmetallen anhaftet. Es bestand demzufolge
eine Notwendigkeit zur Entwicklung eines Verfahrens, um Lan-
thanborid (LaB-) auf Kathodengrundmetalle in der Weise aufb
zutragen, daß das LaBg an dem Grundmetall anhaften würde. Es
war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Verfahren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur
Herstellung von Lanthanborid-Kathoden gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist. Zunächst wird das Kathodengrundmetall
durch Sandstrahlverfahren gereinigt und dann wird das Grundmetall mit geschmolzenem Lanthanborid besprüht, das
zweckmäßigerweise aus einer Plasmaflammensprühkanone erhalten
werden kann, die mit einem 500 A-Lichtbogenstrom und mit einem Plasmagas arbeitet, das den Lichtbogen durchströmt, um eine
Plasmaflamme zu erzeugen, in die ein Lanthanboridpulver eingespritzt
wird, das in einem gasförmigen Träger verteilt ist. Den dabei entstehenden, aus der Düse der Sprühkanone austretenden
Sprühstrahl läßt man auf das Grundmetall auftreffen, um auf diesem einen Überzug zu bilden. Dieser Überzug ist
nicht nur härter und zähher als alle anderen bekannten Überzüge, sondern er erzeugt auch eine Kathode mit außergewöhnlich
besseren Elektronenemissionseigenschaften als Lanthanbor
id-Kathodeh, die durch herkömmliche Methoden, wie z.B. Spritzlackieren, Vakuumsinterung und kataphoretische Abscheidung,
hergestellt sind.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und
der Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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flammensprühkanone, die erfindungsgemäß einen Überzug
aus Lanthanborid auf Kathodenstreifen aus einem Grundmetall aufbringt.
Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung einer mit Larithanborid überzogenen Kathode.
Figur 3 ist ein Schnittbild eines Grundmetalles mit einem
Lanthanborid-tiberzug.
In Figur 1 ist eine Plasmaflammensprühkanone 11 zur Erzeugung
von Lanthanborid-Uberzügen gemäß der Erfindung dargestellt. Die für diesen Zweck als geeignet befundenen Sprühkanonen
werden von der Meteο of Westbury, Long Island, New York vertrieben und sind durch die Typen-Nummern 2 M und 3 MB bezeichnet .'■■■"■■
Die Plasmaflammensprühkanone. 11 liefert eine Piasmafiamme 12,
die über einen breiten Temperaturbereich gesteuert werden
kann, um auf diese Weise die richtige Schmelztemperatur für
das Lanthanborid sicherzustellen. Die Hitze für den Sprühvorgäng wird durch einen elektrischen Lichtbogen äußerst
hoher Intensität erzeugt und wird auf das zu besprühende Material durch ein Plasmagas übertragen, das der Sprühkanone
.11 über etoe Gasleitung 13 zugeführt wird, die an einem Punkt
hinter dem elektrischen Lichtbogen endet. Das unter Druck züge führte plasmagas drückt den elektrischen Lichtbogen durch
■die Düse- der Sprühkanone 11 hindurch und lenkt die Flamme 12
in Richtung auf das zu besprühende Material.
Das Plasmagas besteht im wesentlichen aus einem Primärgas,
das aus Stickstoff, Argon und Helium ausgewählt sein kann,
und einem Sekundärgas aus Wasserstoff. Das Primärgas wird mit
5 bis 15 Vol.% des Sekundärgases gemischt, um das gewünschte
Plasmagas zu bilden.
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Der in der Sprühkanone 11 verwendete elektrische Lichtbogen
wird durch einen Gleichstrom erzeugt, der von einer Gleichspannungsversorgung
über elektrische Leiter 14 und 15 zügeiührt
wird. Infolge der hohen Temperaturen, die durch die Plasmaflamme erzeugt werden, ist es notwendig, ein Kühlmittel
durch die Düse der Sprühkanone strömen zu lassen. Dieses Kühlmittel,
das beispielsweise Wasser sein kann, wird durch eine
Kühlmitlclleitung 16 zur Düse hin- und von dieser weggeführt.
Die Kühlmittelleitung ist auf zweckmäßige Weise mit einem
Wärmetauscher verbunden.
Das Lanthanborid wird der Sprühkanone 11 in Form eines Pulvers zugeführt, das in einem Trägergasstrom verteilt ist, der
dem Primärgas Stickstoff, Argon oder Helium entnommen ist.
Das Lanthanborid, welches in dem Träge i-gasst rom verteilt is1 ,
wird über eine Leitung 17 zur Düse der Sprühkanone 11 geleitet.
Das somit in die Düse der Sprühkanone 11 e in rief ührte Lanthanborid
wird durch die Flamme 12 geschmolzen und die dabei gebildeten Tröpfchen werden auf die Oberfläche geschleudert,
die durch- den Strom des Plasmagases überzogen wird, wenn dieser durch die Düsenöffnung getrieben wird.
V»'ic in Figur 1 gezeigt ist, wird die Plasmaflamme 12 auf die
Streifen des Kathodengrundmaterials geleitet, das beispielsweise Tantal, Wolfram, "Nickel, Rhenium oder Molybdän Kein
kann. Die Streifen 18 werden durch eine Unterlage 1 f) gehalten,
die von einem Aufspannblock 20 in einer festen Lage gehalten wird. Die Streifen 18, die Unterlage 19 und der Aufspannblock
20 befinden sich alle in einem Abzug 21, der die heißen Gase sammelt und diese zur Außenluft leitet.
Da somit eine zur Ausführung der Erfindung verwendbare Vorrichtung
beschrieben ist, wird nun das Verfahren zur Auftragung von Lanthanborid auf Kathoden aus einem Grundmetall beschrieben.
Unter der Annalune, daß eine Kathode aus einem
Lanthanborid-Ül>e!-zug auf einem Rhenium-Grundmetall mit "einer
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Konfiguration, wie sie z.B. in Figur 2 dargestellt ist, hergestellt werden soll, wird ein Stück Rhenium-Metall so ausgewählt, daß die Kathodengrundstreifen nacheinander von diesem
abgeschnitten werden können. Vor dem Schneiden und Sprühen muß jedoch die Oberfläche des Rheniums richtig vorbehandelt
werden. Dies geschieht in der Weise, daß das Metall gründlich
in einem Lösungsmittel gewaschen und dann mit einem Gebläsesand, wie z.B. Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße entsprechend
einer lichten Siebmaschenweite von 0,00175 mm (325 mesh)
bei einem Luftdruck von 4,9 bis 5,6 kp/cm (80 psi) abgeblasen
wird. Der durch das Blasverfahren erzeugte Aufrauhungsgrad
hängt naturgemäß von der Art und der Teilchengröße des Gebläsesandes,
des Luftdruckes und der Härte der Oberfläche ab.
Der oben angegebene Luftdruck und die Teilchengröße sind für
die Herstellung von mit Lanthanborid überzogenen Kathoden als anwendbar gefunden worden. Die Angaben dienen jedoch
allein Darstellungszwecken und sie sind nicht als Beschränkung aufzufassen.
Nach der Vorbereitung der Oberflaehe des Rheniums wird das
Rhenium-Metall in Streifen der gewünschten Größe für die fertiggestellte
Kathode geschnitten. Dabei ist darauf zu achten, daß die Oberfläche des Rheniunßnicht wieder verunreinigt wird,
nachdem sie gereinigt wurde. Die auf diese Weise geschnittenen Streifen 18 werden auf der Halterungsunterlage angeordnet
oder geformt, um sie für den Plasma-Sprühvorgang vorzubereiten.
Die besten Lanthanborid-Überzüge wurden dann erhalten, wenn
das Plasmagas aus etwa 85 Vol.% Argongas und 15 Vol.% Wasserstoff gas gebildet wurde. Argon hat sich gegenüber Stickstoff
als vorteilhaft erwiesen, da der Stickstoff mit dem Lanthan
reagiert und zu einer PMtrierung führt, die die Emissionseigenschaften der entstandenen Kathode nachteilig beeinflußt,
wenn diese Feuchtigkeit in der Luft ausgesetzt ist. Helium dagegen erzeugt keine derartigen Einflüsse und könnte anstelle
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2 O 2 ü / ü ei
von Argon verwendet werden. Die Vorrichtung zur Erzielung der
oben angegebenen Proportion oder des Verhältnisses der Gase
kann leicht durch eine Messung der einzelnen Strömungen der
zwei Gase in eine einheitliche Gasleitung erhalten werden.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt und gehört zu den Typen 2M und 3MB der Plasma-Sprühkanonen der Firma Metco, mit
denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Vorrichtung braucht deshalb an dieser Stelle nicht näher beschrieben
zu werden.
P Der Wasserstoff in dem Plasmagas hat den Zweck, mit dem in_
der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff in dem den Plasmastrahl umgebenden Bereich zu verbrennen, so daß.ein besserer Schutz
für die Lanthanborid-Tröpfchen vor einer unerwünschten chemischen Reaktion geschaffen wird als dies bei Vorhandensein
eines inerten Gases allein möglich wäre.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird das Primärgas auch als Trägergas für das Lanthanborid-Pulver verwendet. Dies geschieht
in der Weise, daß ein Teil des Priraärgases in eine Vorratseinheit (nicht gezeigt) eingeführt wird, in welchem Lanthanborid-Pulver
enthalten ist. Die Größe des Lanthanborid-Pulvers ^ kann bei sehr guten Ergebnissen im endgültigen Überzug in dem
™ Bereich zwischen 5 und 150 Mikron liegen; es ist jedoch vorzuziehen, für die hier beschriebenen Überzüge ein Lanthanborid-Pulver
mit einer Größe von 5 bis 10 Mikron zu verwenden. Das in der Versorgungseinheit enthaltene Pulver wird in Bewegung
versetzt, so daß, wenn das Primärgas hindurchströmt, das Lanthanborid-Pulver aufgenommen und durch die Gasleitung 17
hindurch zur Sprühkanone 11 transportiert wird.
Obwohl verschiedene Lichtbogenströme bei dem Überzugsverfahren
angewendet wurden, sind die besten Ergebnisse erzielt
worden, wenn der Lichtbogenstrom für die Sprühkanone etwa
500 A beträgt. Mit diesem Lichtbogenstrom und bei dem der
Sprühkanone zugeführten Plasmagas mit den oben angegebenen
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Verbalmissen 'wird das in den Gasstrom eingeführte Lanthan-'
horid-Pulver dui'ch die Plasmaflamme 12 geschmolzen und die
dadurch gebildeten Tröpfchen werden auf die Oberfläche der
Rhenium-Streifen geschleudert. Wie aus Figur 1 hervorgeht,
ist die Plasmaflammensprühkanone 11 mit einem solchen Abstand
von den Tihenium-Sti-eifen angeoixlnet, daß die Spitze oder der
Punkt der Plasmaflamme 12 gerade die Oberfläche der Rhenium--, streifen berührt. Auf diese Wt ise tritt eine minimale Erwärmung
des Grundmetalles auf und es werden die besten Überziigsergebnisse
erzielt. .
\ . -■■·■■ i
Figur. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kathodenstreifens
IB mit einem Überzug 2? aus Lanthanborid, der gemäß der
vorliegenden Erfindung aufgebracht ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist der durch das oben beschriebene Verfahren aufgebrachte
Lanthanborid-Überzug viel härter und bildet eine
zähere 'Verbindung mit dem Grundmaterial als die durch alle
anderen bekannten Verfahren hergestellten Überzüge. Ein zusätzlicher
Vorteil des erfindungsgemäß aufgebrachten Länthanborid-Überzuges
liegt in den höheren therm ionise he η Emissionseigenschaften
der dabei entstehenden Kathode, die besser sind als die der Lanthanborid-Kathoden, welche nach herkömmlichen
Verfahren hergestellt sind. Der genaue Grund für diese verbesserung
ist nicht ganz klar; der Grund kann jedoch in der {
Existenz von freiem Lanthan oder möglicherweise in einem Anstieg
der Oberflächenemission liegen.
Zusätzlich ist gefunden worden, daß erfindungSgemäß hergestellte
Kathoden nahezu vollständig aktiviert sind, d.h. sie sind emissionsfähig. Dies liegt offenbar dar«n, daß eine
leichte Spaltung des Lanthanborides auftritt, die freies Lanthanmetall
freisetzt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Erfordernis- einer Aktivierung bei hoher Temperatur wegfällt
und deshalb die Verwendung'von Tantal und anderer Metalle
als Grundmetall für Kathoden gestattet ist, bei denengeringere
Emissionseigenschaf ten in Kauf genommen werden können.
BAO
0 0 9 8 4 6/1619
202Ü/Q3
Obwohl zwar die Erfindung in Verbindung mit einer speziellen
Plasmavorrichtung, nämlich einer Piasmailammensprühkanone
beschrieben wurde, können selbstverständlich auch andere Plasma-Sprühvorrichtungen in gleicher Weise verwendet werden
Ähnliches gilt hinsichtlich der Beschreibung der Erfindung anhand von Kathodenstreifen, die selbstverständlich durch
andere Konfigurationen, wie z.B. Drähte, Zylinder, Stäbe, Scheiben oder irgendeine anders geformte Kathode, ersetzt
werden können.
BAD ORJGlNAL
GG3846/1619
Claims (5)
- AnsprücheVerfahren zum Überziehen der Oberfläche eines Metalles, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmagas mit Wassei-stoff und einem'aus Argon, Stickstoff oder Helium ausgewählten Gas hergestellt wird, das zur Erzeugung eines Plasmas aus ionisiertem Gas in einen elektrischen Lichtbogen eingeführt wird, in das Plasma aus ionisiertem Gas ein Lanthaiiborid-Pulver eingespritzt wird, wobei das Lanthanbor id durch die vom Lichtbogen erzeugte Hitze schmelzbar ist, und das geschmolzene Lanthanborid auf die Oberfläche des Metalls aufgesprüht wird. ™
- 2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennz e i c h η ε t , daß die Oberfläche des zu besprühenden Metalles mit einem Lösungsmittel gewaschen und mit einem Gebläsesand bestrahlt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lanthanborid-Pulver in der Weise in das Plasma des ionisierten Gases eingespritzt wird, daß es in einem Trägergas verteilt ist, das aus Argon, Stickstoff oder Helium besteht.: i
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze lehnet , daß das Plasmagas durch Mischung von 5 bis 15 Vol.% Wasserstoff mit 95 bis 85 Vol.% eines Gases hergestellt wird, das aus Argon, Stickstoff oder Helium besteht.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k ε η η ze lehnet 1 'daß das zu überziehende Metall aus Wolfram, Rhenium, Tantal, Nickel oder Molybdän besteht.ORIGINAL INSPECTED009848/1819202Ü/U36, Kathode mit einer überzogenen Oberfläche, dadurch gekennze lehne t , daß der Überzug durch ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der· Ansprüche 1 bis hergestellt ist.ORIGINAL INSPECTED 009846/16-19
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