DE2136532C3 - Vakuumverdampfungsanlage zum Verdampfen von Metallen - Google Patents

Vakuumverdampfungsanlage zum Verdampfen von Metallen

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Description

25
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumverdampfungsanlage zum Verdampfen von Metallen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens zur Herstellung von Überzügen oder zum Verdampfen von Gettermetallen, mit einer aus dem zu verdampfenden Metall hergestellten Kathode, die an einem Kühlbett mit Stromzuleitung befestigt ist, mit einer Zündelektrode, die auf der Verdampfungsfläche der Kathode einen Kathodenfleck des elektrischen Lichtbogens erzeugt und einer Einrichtung zur Festhaltung des Kathodenflecks auf der Verdampfungsfläche der Kathode.
Bei der aus der US-PS 29 72 695 bekannten Vakuumverdampfungsanlage dieser Art erfolgt die Festhaltung des Kathodenflecks auf der Verdampfungsfläche der Kathode mittels eines Magneten, dessen Kraftlinien ü einer bestimmten Richtung in bezug auf die Verdampfungsfläche der Kathode verlaufen. Die Anode und die Kathode der Anlage sind ans dem zu verdampfenden Metall hergestellt, und die Anode befindet sich in unmittelbarer Nähe der Kathode. Bei einer solchen Vakuumverdampfungsanlage ist der Ausnutzungsgrad des verdampften Metalles gering, da die größte Intensität des Metalldampfstromes bekanntlich entlang einer Normalen zur Verdampfungsfläche gerichtet ist Wenn aber das zu überziehende Erzeugnis so wie bei dieser Anlage in tiner zur Verdampfungsfläche der Kathode parallelen Richtung angeordnet ist liegt es in Richtung geringer Intensität des Metalldampfstromes und ein großer Teil des Metalldampfstromes wird an den Wänden des Dampfzuleitungsrohres festgehalten, durch das der Metalldampf zum Erzeugnis gelangt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumvcrdampfungsanlage zum Verdampfen vom Metallen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens zur Herstellung von Überzügen oder zum Verdampfen vom Gettermetallen anzugeben, die den Ausnutzungsgrad für das zu verdampfende Metall zu erhöhen, die Leistungsfähigkeit des Aufdampfvorganges ohne Vergrößerung der Abmessungen der Anlage zu verbessern und den Energieverbrauch pro aufgedampfte Metallmenge herabzusetzen gestattet
Dies wird bei einer Vakuumverdampfungsanlage der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Anode eine Hülle darstellt und die Verdampfungsfläche der Kathode dem durch die Hülle begrenzten Raum zugewandt ist, die Einrichtung zum Festhalten des Kathodenflecks des elektrischen Lichtbogens auf der Verdampfungsfläche der Kathode als Schirm ausgeführt ist, der die Verdampfungsfläche der Kathode umgrenzt und wenigstens einen Teil ihrer nicht zu verdampfenden Fläche abschirmt und der Schirm einen Obergang des Kathodenflecks auf die nicht zu verdampfende Fläche der Kathode verhindert
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Wenn beispielsweise die ganze nicht zu verdampfende Kathodenfläche mit einem Schirm oder mehreren hintereinander angeordneten Schirmen überdeckt wird, kann das Brennen des Lichtbogens am Kühlbett und an der Stromzuleitung während des Betriebs der Vakuumverdampfungsanlage bei hohen Drücken (10-1 bis 10~3 Torr) sicher vermieden werden. Dabei ist die Zahl der Schirme zweckentsprechend so zu wählen, daß die Spannung für das Lichtbogenbrenr :n zwischen der nicht zu verdampfenden Kathodenfläche und der Anode über die Schinne größer als die Spannung der Speisequelle ist Dies verhindert ein Lichtbogenbrennen an der nicht zu verdampfenden KathodenoberP.äche sowie an den der Kathode anliegenden Kühlbett- und Stromzuleitungsflächen bei Verdampfung von schwer schmelzenden Metallen, wie Wolfram, Molybdän, Niob usw.
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Vakuumverdampfungsanigen bestehen in folgendem:
Erhöhung des Ausnutzungsgrades von verdampftem Metall bis auf 80 bis 90%;
Benutzung eines gleich aufgebauten Kühlbettes für alle zu verdampfenden Metalle;
eine große Reserve an zu verdampfendem Metall (von 100 g bis 100 kg und mehr).
Zum Unterschied von Anlagen, in denen die Metallverdampfung aus einem Tiegel erfolgt, ergabt die erfindungsgemäß aufgebaute Anlage eine Lebensdauer bis 10* Stunden mit Auswechselung des zu verdampfenden Metalls.
Zum Unterschied zu den Anlagen, in denen die Metallverdampfung mit Elektronenstrahlen erfolgt ist bei der nach der Erfindung gebauten Anlage der Beginn der Metallverdampfung von 1 · 10-'Tor.· an möglich.
Der Aufbau der Anlage läßt die Anordnung des zu verdampfenden Metalls im Raum in jeder beliebigen Lage in bezug auf die zu überziehenden Erzeugnisse zu.
Die nach der Erfindung ausgeführte Anlage kann als Sorptions-Hochvakuumpumpe mit hoher Leistungsfähigkeit (über 1 000 0001/sec bei 1 · IO-5 Torr für aktive Gase) benutzt werden, wobei der Anlaßdruck 1 · 10-' betrafen kann.
Die Anlage wird durch einen Lufteinbruch in die Vakuumkammer nicht geschädigt, da dar. Verdampfungsmetall eine niedrige Temperatur aufweist und nicht oxidieren kann.
Der einfache Aufbau der Anlage gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert
In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine erfindungsgemäße Vakuumverdampfungsanlage zur Herstellung von Überzügen im Vakuum, bei der die Anode als hohle sphärische Hülle ausgebildet ist,
Fig.2 eine flache scheibenförmige Kathode aus zu verdampfendem Metall nach einer langen Verdampfungszeit,
F i g. 3 eine Variante der in F i g. 1 gezeigten Vakuumverdampfungsanlage mit einer flachen ringförmigen Kathode,
Fig.4 eine Variante der Vakuumverdampfungsanlage nach F i g. 1 zum Auftragen von Überzügen auf biegsamem Metallband im Vakuum,
F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 4,
F i g. 6 eine Variante der in F i g. 1 gezeigten Vakuumverdampfungsanlage mit einer rohrförmigen Kathode,
Fig.7 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten Vakuumverdampfungsanlage mit einer zylindrischen Kathode,
Fig.8 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten Vakuumverdampfungsanlage, bei der die zu überziehenden Erzeugnisse als Anode dienen,
F i g. 9 eine Vakuumverdampfungsanlage zum Verdampfen von Gettermetall, die als Lichtbogen-Sorptions-Hochvakuumpumpe dient.
Die in F i g. 1 gezeigte Anlage zur Aufdampfung von Überzügen mittels eines Lichtbogens im Vakuummetall ist wie folgt aufgebaut.
Die Vakuumkammer I besteht aus einem Gehäuse 2 und einem Deckel 3, die miteinander mit Bolzen 4 verbunden und mit Gummidichtung 5 abgedichtet sind. Die Vakuumkammer 1 wird mit Hilfe eines mit dem Deckel 3 mittels nicht gezeigter Bolzen verbundenen und mit einer Gummidichtung 7 abgedichteten Vakuumpumpensystems 6 bis zum erforderlichen Arbeitsdruck evakuiert.
Das .Vakuumpumpensystem ϋ enthält einen Vakuumverschluß, eine öldiffusionspumpe und eine Vorvakuumpumpe, die in F i g. 1 nicht gezeigt ist.
Im Inneren der Vakuumkammer 1 ist auf einem Kühlbett 8 eine Kathode 9 montiert, die aus dem zu verdampfenden Metall hergestellt ist.
Die Kathode 9 hat die Form einer flachen Scheibe, bei der eine Stirnfläche als Verdampfungsfläche 10 dient und die zylindrische Seitenfläche 11 sowie die zweite Stirnfläche 12 zur nicht zu verdampfenden Fläche der Kathode gehö -en.
Die flache scheibenförmige Ausführung der Kathode 9 ist beim Aufdampfen von Überzügen auf Erzeugnisse 13 vorteilhaft, die an einer nicht gezeigten Vorrichtung so befestigt werden, daß die zu überziehenden Flächen der Erzeugnisse 13 tangential zur Oberfläche einer gedachten Sphäre 14 liegen, die zur Scheibe koaxial und zur in bezug auf die Verdampfungsfläche der Kathode 9 als tangential angeordnet vorgestellt wird. In diesem Fall erhält man die gleichmäßigsten Überzüge, besonders wenn der Kathodenradius um ein Mehrfaches kleiner als der Radius der gedachten Sphäre 14 ist
Dies ist durch die aus dem Kosinusgesetz folgende Intensitätsverteilung des von einer kleinen flachen Quelle verdampften Metallstromes bedingt Im vorliegenden Falle dient als solche Quelle der vom elektrischen Lichtbogen gebildete Kathodenfleck, der sich auf der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 unregelmäßig bewegt
Für einige, besonders für leichtschmelzende Metalle gibt das Kosinusgesetz der Intensitätsverteilung eines verdampften Metalls im Raum, der durch den Raumwinkel von 90° begrenzt ist und den Scheitel im Kathodenfleck des elektrischen Lichtbogens hat
Die Kathode 9 hat der gesamten Stirnfläche 12 an das
Kühlbett 8 angelötet Das Anlöten der aus dem zu verdampfenden Metall herg....eilten Kathode 8 ist vorteilhaft bei ihrer Befestigung am Kühlbett 8 in dem Falle, wenn spröde Metalle oder Metalle mit geringer Festigkeit wie Blei, Zink, Chrom u. a. verdampft werden müssen.
Es wurde festgestellt, daß die Stabilität des brennenden Lichtbogens von der Temperatur der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 abhängt, und zwar daß je
ίο niedriger diese Temperatur ist, desto stabiler der Lichtbogen brennt Bei einer niedrigen Temperatur der Verdampfungsfläche 10 verringert sich außerdem die Anzahl von großen Spritzern und Metallteilchen im Metalldampfstrom, der s'ch auf den Erzeugnissen 13
is absetzt.
Beim Lichtbogenbrennen lösen sich ungefähr 30% Energie der Bogenentladung von der Kathode aus, die von der Kathode 9 über das Kühlbett 8 abgeführt werden muß.
:o Zur Verringerung des Wärmedurchgangswiderstandes zwischen der Kathode und dem Kühlbett wird die Kathode deswegen mit ihrer ganzen an das Kühlbett anliegenden Fläche an das letztere angelötet.
Nach längerer Arbeit der Anlage nach F i g. I wird die Verdampfungsfläche der Kathode 9 zu einer Aushöhlung mit den Wänden IS und dem Boden 16 (Fig.2) verformt.
Unter Berücksichtigung der Bedingung eines stabil brennenden Lichtbogens kann die Dicke der Kathode 9 nicht größer als ihr Durchmesser sein, da nach einer längeren Verdampfung der Kathode die Wände 15 (Fig.2) den von dem Kathodenfleck zur Anode gerichteten Metallplasmastrom abschirmen, wobei die Stabilität des Lichtbogenbrennens herabgesetzt wird.
Mit Berücksichtigung der geforderten hohen Leistungsfähigkeit der Aufdampfung muß die Dicke der Kathode 9 so gewählt werden, daß keine wesentliche Erhöhung der Temperatur an der Verdampfungsfläche 10 der Kathode über die Temperatur des Kühlbettes erfolgt. Infolgedessen wird unterschiedliche Kathodendicke für verschiedene Metalle und verschiedene Werte des Lichtbogenstromes gewählt und zwar, je größer die Wärmeleitfähigkeit des zu verdampfenden Metalls oder je kleiner der Lichtbogenstrom ist, desto größer kann die Kathodendicke sein.
Unter Berücksichtigung dieser Forderungen kann empfohlen werden, die Kathodendicke von 20 bis 50% des Kathodendurchmessers je nach der Art des zu verdampfenden Metalls und der erforderlichen Leistungsfähigkeit des Aufdampfvorganges zu wählen.
Das Kühlbett 8 dient zur Abführung der von der Kathode 9 übertragenen Wärme sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Lichtbogenstromes über die Verdampfungsfläche der Kathode 9.
Deswegen muß das Kühlbett 8 gute Wärme- und elektsiche Leitfähigkeit besitzen. In der Anlage nach F i g. 1 ist das Kühlbett 8 aus Kupfer hergestellt Das Kühlbett weist einen Hohlraum 17 auf, in dem durch nicht gezeigte Offnungen in der Stromzuleitung 18 zugeführtes Wasser umläuft Das Kühlbett 8 ist auf der Stromzuleitung 18 befestigt Das Wasser wird der Stromzuleitung 18 durch in der Zeichnung nicht gezeigte Gummirohre zugeführt die auf Nippel 19 aufgesetzt sind
Die Stromzuleitung 18 mitsamt der Kathode 9 und dem Kühlbett 8 sind mit Hilfe eines keramischen Isolators 20 am Deckel der Vakuumkammer befestigt Der Isolator 20 dient zur elektrischen Isolierung der
Stromzuleitung 18 vom Deckel 3 d#r Vakuumkammer sowie als Vakuumdichtung.
Beim Betrieb der Anlage muß der Obergang des Kathodenflecks des elektrischen Lichtbogens von der Verdampfungsfläche der Kathode 9 auf die nicht zu s verdampfende Fläche verhindert werden, zu der die zylindrische Seitenflache 11, die untere Kathodenstirnfläclie Vi sowie die Oberflächen des an der Kathode anliegenden Kühlbettes 8 und der Stromzuleitung 18 gehören.
Dazu ist in der erfindungsgemäß aufgebauten Anlage ein Schirm 21 eingebaut, der die zylindrische Seitenfläche der Kathode 9 und die Oberfläche des Kühlbettes 8 abdeckt Der Schirm 21 stellt einen Hohlzylinder dar, dessen Innenfläche konzentrisch zur zylindrischen !5 Kathodenoberfläche und zum Kühlbett liegt und mit Spiel 22 von 2 bis 3 mm angeordnet ist Der Schirm 21 ist auf dem Deckel 3 der Vakuumkammer 1 befestigt und von diesem Deckel mittels eines Isolators 23 elektrisch isoliert
Wenn der Kathodenfleck des elektrischen Lichtbogens beim Betrieb der Anlage in den Spielraum zwischen dem Schirm 21 und der nicht zu verdampfenden Fläche gelangt, so erlischt er. Ist der Lichtbogenstrom in diesem Zeitpunkt so stark, daß die Verdampfungsfläche 10 der Kathode noch einen oder mehrere Kathodenflecke aufweist so teilen sie sich augenblicklich zur Erhaltung einer Gesamtzahl von Kathodenflekken, die dem jeweiligen Lichtbogenstrom entspricht
Der Schirm 21 ist so befestigt, daß sein oberer Rand 24 auf dem Niveau der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 liegt
Liegt der Rand 24 des Schirmes 21 höher als die Verdampfungsfläche der Kathode 9, so bildet das verdampfte Metall auf dem Schirm beim Betrieb der Anlage einen Niederschlag, wobei das Spiel 22 zwischen der nicht zu verdampfenden Fläche und dem Schirm 21 letztlich kleiner wird und der Kathodenfleck auf den Schirm 21 überspringen kann. Liegt der Rand 24 des Schirmes 21 niedriger als die Verdampfungsfläche 10 der Kathode, so wird ein von dem Schirm 21 nicht abgedeckter Teil der zylindrischen Seitenfläche 11 der Kathode zur Verdampfungsfläche, von der die Metalldampfung erfolgt wobei das Spiel 22 gleichfalls verringert wird. *5
Auf Grund konstruktiver Überlegungen beträgt die gewählte Schirmdkke 2 bis 2 mm. Als Werkstoff für den Schirm dient weichmagnetischer Stahl, da festgestellt wurde, daß bei einem Schirm aus nichtmagnetischem Werkstoff die Stabilität des Lichtbogenbrennens so schlechter wird.
Die Verdampfungsfläche 10 der Kathode ist der Anode 25 zugewandt, die eine hohle sphärische Hülle 26 darstellt Die letztere ist an einer Metallstange 27 befestigt die mit Hilfe eines Isolators 28 vom Deckel der Vakuumkammer elektrisch isoliert ist Ober die Stange 27 wird gleichzeitig elektrischer Strom der Anode 25 zugeführt
Die Übertragung des elektrischen Stromes im Raum zwischen der Kathode und der Anode bewirkt beim Betrieb der Anlage das Metallplasma, das im Kathodenfleck der Bogenentladung entsteht Es wurde festgestellt daß die Stabütät des Lichtbogenbrennens am größten ist wenn an der Stromübertragung die ganze MetaDplasmaströmung beteiligt ist
Dies wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß die hohle sphärische HuDe 26, zu der die Verdampfungsfläche der Kathode 9 gerichtet ist vollständig diese Verdampfungsfläche der Kathode 9 umfaßt
Es wurde ferner festgestellt, daß die Form und die Abmessungen der Hülle keinen Einfluß auf die Stabilität des Lichtbogens sowie auf die Spannung an der Kathode und an der Anode ausüben.
Bei einer Erprobung von sphärischen Hüllen mit den Halbmessern von 100,200,500 und 1000 mm blieben die äußeren Kenngrößen des Lichtbogens, wie Kathoden- und Anodenspannung sowie der minimale Stromwert für stabiles Lichtbogenbrennen, unverändert. (Als minimaler Strom für ein stabiles Lichtbogcnbrennen ist ein Stromwert genommen worden, bei dem die mittlere Dauer des Lichtbogenbrennens auf der Verdampfungsfläche der Kathode ohne Erlöschen fünf Minuten beträgt).
Die Form der die Verdampfungsfläche der Kathode umfassenden Hülle ist auch mit Berücksichtigung des notwendigen Schutzes der Innenfläche der Vakuumkammer 1 vor Verunreinigung durch verdampftes Metall gewählt worden.
Die Zündelektrode 29 ist am Anker 30 eines Elektromagneten über einen Isolator 31 befestigt. Der Anker 30 befindet sich im Inneren eines aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellten Rohres 32, an dessen Außenseite die Spule 33 des Elektromagneten angeordnet ist Im Innenraum des Rohres 32 befindet sich eine RückfUhrfeder 34,
Die Zündelektrode ist mittels eines biegsamen Leiters mit einer Stange 36 verbunden, die vom Deckel 3 mit Hilfe eines Isolators 37 elektrisch isoliert ist In den die Zündelektrode 29 und die Anode 25 verbindenden Stromkreis 38 ist ein Widerstand 39 eingeschaltet.
Dieser Widerstand 39 ist zur Strombegrenzung im Stromkreis der Zündelektrode im Augenblick der Zündung notwendig. Ein Fehlen des Widerstandes 39 führte zur schnellen Abnutzung der Zündelektrode 39, da die Stromgröße im Stromkreis der Zündelektrode bei der Zündung gleich dem einem Kurzschluß der Lichtbogen-Speisequelle 40 entsprechenden Stromwert wird.
Der Wert des Widerstandes 39 wird so gewählt, daß der im Kreis 38 der Zündelektrode 39 bei einem Berühren der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 fließende Strom ungefähr 20 bis 25% vom Minimalstrom für stabiles Lichtbogenbrennen beträgt.
In diesem Falle wird die Wahrscheinlichkeit einer Anschweißung der Zündelektrode 29 an die Verdampfungsfläche 10 an der Kathode 9 stark reduziert und es erfolgt eine sichere Lichtbogenzündung.
Die Speisequelle 40 für den Lichtbogen enthält einen Dmphasen-Abwärtstransformator 41, einen Dreiphasen-Zweiweggleichrichter und einen Regelwiderstand 43. Der Anschluß der Speisequelle 40 an das Wechselstromnetz erfolgt mittels des Schalters 44. Die Anwendung eines Lichtbogengleichrichters ist nur unter der Bedingung möglich, daß der Minimalwert der Spannung am Ausgang des Gleichrichters immer größer als die Spannung an den Elektroden der Anlage während ihres Betriebes ist
Dies ist dadurch zu erklären, daß der im Vakuum brennende Lichtbogen erlischt wenn der Strom im Lichtbogenstromkreis für eine längere Zeit als 10~7 see verschwindet
Die Plus-Klemme 45 der Speisequelle 40 ist mittels eines Leiters 46 mit der Stange 27 der Anode 25 verbunden, und die Minus-Klemme 47 hat über die Spule des Elektromagneten und über die Leiter 48 und
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49 mit dem Stromzuführungsleiter 18 der Kathode 9 Verbindung, /wischen den Klemmen 45 und 47 liegt ein Kondensator 50.
Der Betrieb der in F i g. 1 gezeigten Anlage läuft in folgender Reihenfolge ab.
Nachdem in der Vakuumkammer 1 mit Hilfe des Vakuumpumper,iy$tems 6 der Arbeitsdruck unter 1 · ΙΟ-3 Torr (vorzugsweise 1 · 10~s bis 1 · 10-eTorr) erreicht ist, wird der Schalter 44 geschlossen, der die Speisequelle 40 mit dem Wechselstromnetz verbindet. An den Ausgangsklemmen 45 und 47 der Speisequelle 40 erscheint eine Spannung von 40 bis 70 V. Im Stromkreis Klemme 45, Leiter 38, Widerstand 39, Stange 36, biegsamer Leiter 35, Zündelektrode 29, Kathode 9, Kühlbett 8, Stromzuleitung 18, Leiter 49, Wicklung 33 des Elektromagneten, Leiter 48. Klemme 47 beginnt elektrischer Strom zu fließen, dessen Stärke vom Wert des Widerstandes 39 abhängt
Der Anker 30 des Elektromagneten wird entgegen
des Elektromagneten angezogen und hebt die Zündelektrode von der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 ab.
Auf der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 entsteht der Kathodenfleck eines elektrischen Lichtbogens, der anfangs unter dem Ende der Zündelektrode 29 liegt und nach dem Abzug der Zündelektrode 29 seine unregelmäßige Bewegung auf der ganzen Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 beginnt Im Stromkreis Klemme 45, Leiter 46, Stange 27, Hülle 26, Kathode 9, Kühlbett 8, Stromzuleitung 18, Leiter 49, Wicklung 33 des Elektromagneten, Leiter 48, Klemme 47 beginnt elektrischer Strom zu fließen.
Der Stromfluß im Raum zwischen der die Anode 26 bildenden Hülle und der Kathode 9 erfolgt über das Metallplasma, das im Raum der Hülle vom Kathodenneck des elektrischen Lichtbogens erzeugt wird. Die Stärke dieses Stromes wird durch den Widerstandswert des Regelwiderstandes 43 in der Speisequelle 40 bestimmt und wird mit Berücksichtigung eines stabilen Lichtbogenbrennens (untere Grenze) und der erforderlichen dem Lichtbogenstrom proportionalen Verdampfungsgeschwindigkeit gtvrählt
Das von der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 durch den Kathodenfleck des elektrischen Lichtbogens verdampfte Metall setzt sich auf den zum Oberziehen bestimmten Erzeugnissen 13 und an der Innenfläche der Hülle 26 ab.
Gelangt einer der Kathodenflecke in den Spielraum 22 zwischen der nicht zu verdampfenden Fläche 11 der Kathode 9 und der Innenfläche des Schirmes 21, so erlischt er, und die auf der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 verbliebenen anderen Flecke teilen sich infolge einer Spannungserhöhung an der Anode 25 und der Kathode 9 wegen eines kleineren Spannungsabfalls am Regelwiderstand 43. Wenn der Lichtbogen aus irgendeinem Grunde erlischt, so verschwindet der Strom im Stromkreis der Spule 33 des Elektromagneten, und der Anker 30 wird mitsamt der Zündelektrode 29 durch die Feder 34 nach unten gedrückt, bis die Zündelektrode die Fläche 10 der Kathode 9 berührt Die Erregung der Bogenentladung erfolgt automatisch in derselben Reihenfolge wie beim anfänglichen Ingangsetzen der Anlage.
Beim Betrieb der Anlage entstehen an der Kathode und an der Anode Hochspannungsimpulse. Das hängt damit zusammen, daß die ElementarzeDe des Kathodenflecks ungefähr während der Zeit von 10~7 see erlischt, und die Speisequelle 40 sowie der Stromkreis des Lichtbogens eine hinreichende Induktivität aufweisen. Diese Impuls» können die Speisequelle 40 des Lichtbogens beschädigen. Um das zu verhindern, werden die Ausgangsklemmen 45 und 47 der Speisequelle 40 mit einem Kondensator 50 überbrückt, dessen gespeicherte Energie bei für die Speisequelle 40 zulässiger Spannung der Energie des elektromagnetischen Feldes der Speisequelle und de» Lichtbogen-
Stromkreises gleich ist
Nach der Aufdampfung eines Oberzuges mit genügender Dicke auf den Erzeugnissen 13 wird der Lichtbogen mit dem Schalter 44 abgeschaltet
In F i g. 3 ist eine andere Variante der Anlage zum
is Aufdampfen von Oberzügen im Vakuum dargestellt Die Anlage dient zum Verdampfen von Metallen mit hoher Dampfspannung (Blei, Kadmium, Zink hl) pv>f flachen Werkstücken. Ein gleichmäßiger Oberzug bildet sich auf einer flachen Oberfläche, weil die aus einem zu verdampfenden Metal! hsr**ss!süis Ksthode 51 dsr Anlage als flacher Ring geformt ist und die zu überziehenden Erzeugnisse 52 parallel zur ringförmigen Verdampfungsfläche 53 der Kathode 51 angeordnet werden. Mit ihrer ringförmigen Fläche 54 ist die Kathode 51 an das Kühlbett 55 angelötet Mit Berücksichtigung eines stabilen Lichtbogenbrennens muß die Dicke der Kathode 51 aus oben erwähnten Gründen kleiner als die Ringbreite in radialer Richtung sein.
Das Kühlbett 55 ist als ein Ganzes mit der Stromzuleitung 56 aus Kupfer hergestellt Die Kühlung der aus dem zu verdampfenden Metall erzeugten Kathode erfolgt mit Hilfe des Kühlkörpers 57, der am unteren Ende der Stromzuleitung 56 befestigt ist Zur Verminderung des Wärmedurchgangswkiersiandes zwischen dem Kühlbett 55 und dem Kühlkörper 57 ist die Stromzuleitung 56 als massives Stück ohne innere Hohlräume ausgeführt Die Anwendung eines Kühlkörpers zur Wärmeableitung von der Kathode vereinfacht den Aufbau und erhöht die Betriebszulässigkeit der Anlage, weil die Notwendigkeit eines Wasserkühlungssystems entfällt.
Auf die Seitenfläche 5? des kupfernen Kühlbettes ist ein aus weichmagnetischem Metall hergestellter Ring 59 aufgepreßt, der als Schirm dient Das Spiel 22 zwischen der Innenfläche des Schirmes 59 und der zylindrischen Seitenfläche 11 der Kathode 51 aus dem verdampfenden Metall beträgt 1 bis 3 mm.
Die zylindrische Oberfläche 60 der Kathode 51, die
so aus dem zu verdampfenden Metall hergestellt ist, wird mit einem Schirm 61 aus weichmagnetischem Metall abgedeckt, der auf dem Kühlbett 55 mit einem Spiel 62 von 1 bis 3 mm montiert ist
In der betreffenden Anlage sind die Schirme 59 und 61
mit der Kathode elektrisch verbunden. Diese konstruktive Lösung vereinfacht den Aufbau der Anlage, ist aber nur für die Verdampfung von Metallen mit hoher Dampfspannung geeignet
Die Anode 63 der Anlage stellt eine zylindrische Hülle 64 dar, die gleichachsig mit der Kathode angeordnet ist Die Seitenfläche der zylindrischen Hülle weist mehrere Offnungen 65 auf, die zur inneren Anordnung von Aufnehmern von Meßgeräten 66 zur Bestimmung von Kenngrößen des Aufdampfvorganges dienen. Ist die
Gesamtfläche der Offnungen in der Hülle größer als die übrige Fläche dieser Hülle und liegen die öffnungen im maximalen Metallplasmastrom, so führt das zur Herabsetzung der Stabilität des Lichtbogenbrennens,
die durch Vergrößerung des Lichtbogenstromes ausgeglichen werden muß. Unter solciien Bedingungen brennt der Lichtbogen längere Zeit bei größeren Stromwerten als bei Aniagen mit ganzflächiger Hülle.
Die zu Oberziehenden elektrisch leitenden Erzeugnisse 52 sind gegenüber der Kathode an eüicr nicht gezeigten Vorrichtung angeordnet und mit der Hülle M mittels eines Leiters 67 elektrisch verbunden.
Da die Erzeugnisse zum Teil die Rolle der Anode erfüllen, erfolgt dabei keine Verschlechterung des Lichtbogenbrennens. Die HOlIe 64 ist am Deckel der Vakuumkammer ebenso befestigt wie in der Anlage nach F ig. 1.
Die Speisequelle 68 zur Speisung des Lichtbogens enthält einen Abwärtstransformator 69 mit abfallender äußerer Strom-Spannungs-Kennlinie, die durch große magnetische Streuung bedingt ist, sowie einen Gleichrichter 42. Die Regelung des Lichtbogenstromes erfolgt bei dieser Speisequelle durch Änderung der elektromittels der Kontakte 76 des Zeitrelais 75 nach ehr Bogenzündung zwischen der Kathode 51 und der Anode 63 vermieden.
Im übrigen funktioniert die Anlage nach Fig.3
ähnlich wie die in F i g. 1 dargestellte Variante.
In Fig.4 ist eine modifizierte Anlage mit hoher Leistung zur Auftragung von Überzügen auf bewegte bandartige Werkstoffe gezeigt Zur Erhaltung lines gleichmäßigen Überzuges hat die aus zu verdampfendem Metall hergestellte Kathode 77 dieser Anlage die Form eines flachen Rechtecks. Die Kathode 77 ist am Kühlbett 78 mit Bolzen 79 befestigt Im Kühlbett 78 ist ein Hohlraum zur Aufnahme von Wasser vorgesehen. Zur Abdichtung des Kühlbettes 78 und der Kathode 77,
υ die aus dem zur Verdampfung bestimmten Metall hergestellt ist dient eine Gummidichtung, die in einer Nut am äußeren Umfang der Kathode 77 liegt Wird eine hohe Intensität des Aufdampfvorganges gefordert so muß der Lichtbogenstrom vergrößert werden, wobei
maonpticrhpil K_nnrAijna Λςτ Primär- tirwf Apt .^»IninHär- 20 Selbstverständlich di£ WänHSEbfÜhrün** ΥΟΠ ÖJ£T
wicklung des Transformators 69.
Die WicLaing 33 des Elektromagneten ist mit Hüte der Leiter 70 und 71 an die Klemmen 45 und 47 der Speisequelle 68 angeschlossen. In den die Klemme 47 und die Stromzuleitung 56 verbindenden Stromkreis 1Γ2 ist die Wicklung 73 eines Stromrelais eingeschaltet, dessen Kontakte 74 im Stromkreis 71 liegen. Parallel zur Spule 33 des Elektromagneten liegt ein Zeitrelais 75, dessen Kontakte 76 in den die Zündelektrode 29 und die Anode 63 verbindenden Stromkreis 38 eingeschaltet sind.
Die Anlage nach Fig.3 funktioniert wie fohjt Nachdem in der Vakuumkammer 1 mit Hilfe des Vakuumpumpensystems 6 der Arbeitsdruck erreicht ist, schließt man den Schalter 44. Durch die Wicklung 33 des Elektromagneten fließt ein Gleichstrom, wobei der Anker 30 des Elektromagneten angezogen wird, bis die Zündelektrode 29 die Verdampferfläche 53 der Kathode 51 berührt Nach einer Zeitspanne von 03 bis 0,5 see nach dem Berühren der Verdampfungsfläche !53 der Kathode 51 durch die Zündelektrode 29 spricht das Zeitrelais 75 an und schließt seine Kontakte 76 im Stromkreis 38 der Zündelektrode 29. Im Stromkreis Klemme 45, Kontakte 76, Leiter 38, Widerstand 39, Stange 36, biegsamer Leiter 35, Zündelektrode 29, Kathode 51, Kühlbett 55, Stromzuleitung 56, Leiter 72, Stromrelais 73, Klemme 47 beginnt Strom zu fließen und ruft das Ansprechen des Stromrelais 73 und seiner Kontakte 74 im Stromkreis 71 hervor.
Die Spule 33 wird stromlos und die Feder 34 zieht die Zündelektrode 29 von der Verdampfungsflache der Kathode 51 in 03 bis 0,5 see nach dem Ansprechen der Kontakte 74 des Stromrelais 73 ab. Die Kontakte 76 diss Zeitrelais 75 werden geöffnet Die Anordnung der Kontakte 76 des Zeitrelais 75 im Stromkreis der Zündelektrode 29 vermindet die Gefahr eines Amschweißens der Zündelektrode 29 an die Kathode 51, da der Stromkreis Zündelektrode 29 — Kathode Sl frühzeitig geschlossen wird und der Strom bein Schließen der Kontakte 76 des Zeitrelais 75 Lm Stromkreis der Zündelektrode mit Verzögerung zu fließen beginnt Es wurde gefunden, daß der Lichtbogen bei einem hohen Arbeitsdrücken-1 bis 10-3Torr) in der Vakuumkammer 1 während des Betriebs der Anlage zwischen der Kathode 51 und dem Ende der Zündelektrode 29 brennt und dies die Abschmelzung der Zündelektrode zur Folge hat Dies wird durch Stromabschaltung im Stromkreis der Zündelektrode 39 denoberfläche verbessert werden muß. Infolgedessen ist die Kathode am Umfang ihres Kontaktes mit dem Kühlbett abgedichtet, und zwischen dem übrigen Teil der Kathode und dem Kühlbett befindet sich ein in der Kathode oder im Kühlbett ausgeführter Hohlraum, in dem Kühlflüssigkeit umläuft Bei derartiger Ausführung erfolgt die Wärmeabführung unmittelbar von der Kathode ohne dazwischenliegende Körper (Kühlbett). Die Abdichtung der Kathode kann auch durch Anlöten Schirm das Kühlbett am Umfang ihrer gegenseitigen Berührung erfolgen. Die ganze nicht zu verdampfende Fläche ist mit einem Metallschirm 82 verdeckt Der Schirm weist einen Ausschnitt auf, durch den die
Zündelektrode 84 zur Oberfläche der ,Kathode 77
hineingeschoben wird. Beim Betrieb der Anlage im Bereich hoher Drücke (10-2 bis 10~4 Torr) können die beim Erlöschen des Lichtbogens entstehenden Hochspannungsimpulse einen Überschlag der Gasstrecke zwischen dem Kühlbett und der Anode herbeiführen.
Wenn der Schirm die ganze nicht zu verdampfende Oberfläche der Kathode 77 und die an die letztere anliegende Fläche des Kühlbettes 78 überdeckt sind die Bedingungen für einen Überschlag der Gasstrecke an der Verdampfungsfläche 85 der Kathode bedeutend
besser als für einen Überschlag zur nicht zu verdampfenden Fläche. Deswegen brennt der Lichtbogen vorwiegend an der Verdampfungsfläche 85 der Kathode. Das Metallband 86 ist auf Trommeln 86a gewickelt die in der mit Pfeilen angegebenen Richtung gedreht
so werden können (die Antriebsvorrichtung für die Trommeln ist nicht eingezeichnet). Als Anode werden in der Anlage die Innenwände der Vakuumkammer und die Oberfläche 87 des Metallbandes benutzt das mit der Vakuumkammer über den Leiter 88 elektrisch verbunden ist Ist der Anschluß der Plus-Klemme der ■ Speisequelle 89 zur Speisung des Lichtbogens an die Vakuumkammer 1 zulässig, so können die Innenwände der Vakuumkammer als Anode dienen. In diesem Falle wird der Aufbau der Anlage einfacher, da die Hülle und konstruktive Elemente zur Befestigung der Hülle im Innenraum der Vakuumkammer entfallen.
Die Speisequelle 89 zur Speisung des Lichtbogens besteht aus einer Sammlerbatterie 90 und einem Regelwiderstand 43. Die Spannungszuführung erfolgt
mit Hilfe eines Schalters 91. Die Zündelektrode ist über einen Isolator 31 an einem drehbaren Aufhänger 92 befestigt Die Spule 33 ist mit einer Diode 93 überbrückt Dies trägt zur Erweiterung des Arbeitebereichs für den
Lichtbogenstrom bei, da der überflüssige Strom durch die Diode 93 fließt, die in Stromflußrichtung eine logarithmische Kennlinie aufweist, z. B, bei einer Lichtbogenstromsteigerung auf das 1Ofache erhöht sich die Spannung an der Diode und folglich die Stärke des s durch die Spule 33 fließenden Stromes auf das Zweifache.
Die Anlage funktioniert ähnlich wie die nach F i g. 1. In Fig.6 ist eine modifizierte Anlage zur Austragung von Metallüberzügen im Vakuum dargestellt S;ie ist zur Auftragung von gleichmäßigen Überzügen aus Metallen mit hoher Dampfspannung (Niob, Molybdän, Tantal) auf die äußere Fläche eines Rohres 94 oder anderer zylindrischer Körper bestimmt
Die aus zu verdampfendem Metall hergestellte is Kathode 95 stellt ein Rchr dar, dessen Oberfläche eine Konizität von 2 bis 3° aufweist
Die innere zylindrische Fläche 97 dient als Kathodenverdampfungsfläche. Bn gleichmäßiger Oberzug ergibt sich, weil die aus zu verdampfendem Metall hei gestellte Kathode 33 die zu überziehende Oberfläche des Rohres umfaßt Bei irrender Bewegung des Kathodenflecks auf der Verdampfungsfläche 97 der Kathode erhält man einen gleichmäßigen Oberzug, wenn die Geschwindigkeit der Rohrverschiebung viel kleiner als die 2s Bewegungsgeschwindigkeit des Kathodenflecks ist (der Kathodenfleck bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von. mehreren Hundert Zentimetern pro Sekunde). Als Kühlbett für die aus zu verdampfendem Metall hergestellte Kathode 95 dient das Gehäuse 98 der » Vakuumkammer. Die Innenfläche des Gehäuses der Vakuumkammer weist dieselbe Konizität auf, wie die Oberfläche der aus zu verdampfendem Metall hergestellten Kathode 95. Der Wärmekontakt der Kathode und des Gehäuses 98 wird durch einen axialen Druck auf die Kathode 95 erreicht, wobei die letztere im Gehäuse 98 festgekeilt wird. Die Außenfläche des Gehäuses 98 ist als Kuhlkörper 99 ausgeführt, um die Wärmeableitung von der Kathode zu verbessern. Die Stirndeckel 100 und 101 der Vakuumkammer sind vom Gehäuse 98 mit Hilfe von Isolatoren 102 elektrisch isoliert. Die Abdichtung der Kammer erfolgt mit Gummidichtungen 103, die in entsprechenden Nuten der Deckel 100, 101 und des Gehäuses 98 der Vakuumkammer liegen. Die Deckel werden an das Gehäuse der Vakuumkammer mit Bolzen 104 angedrückt Damit die Bolzen die Isolation der Deckel und des Gehäuses der Vakuumkammer nicht aufheben, sind sie durch Hülsen 105 aus einem dielektrischen Stoff gesteckt Die Deckel der Vakuumkammer sind mit zylindrischen Gehäusen 106 einteilig so gefertigt, in denen das Rohr 94 angeordnet wird. Die Verschiebung des Rohres längs der Kammerachse erfolgt mit Hilfe einer Vorrichtung, die in F i g. 6 nicht gezeigt ist
Die Außenfläche 107 des zu überziehenden Rohres 94 und die Innenfläche 108 der Deckel 100 und 101 der Vakuumkammer dienen als Anode der Anlage. Zur Eingrenzung der Verdampfungsflache 97 der Kathode verwendet man sechs ringförmige Schirme 109, die in den Nuten des Isolators 102 angeordnet sind. Die m Schirme 109 sind von den Elektroden der Anlage und voneinander isoliert und überdecken die ganze nicht zu verdampfende Fläche 110.
Die Anzahl der Schirme wird so gewählt, daß die Spannung der Lichtbogenzündung zwischen der nicht es zu verdampfenden Fläche 110 und der Anode über die Schirme größer als die Spannung der Lichtbogen-Speisequelle lit ist Bei ungünstigen Bedingungen (κ. B.
beim hohen Druck in der Vakuumkammer oder bei Verunreinigung der Schirme) kann in diesem Falle bei Oberspannungen ein Hochspannungsüberschlag der Gasstrecke zwischen der Anode und der Kathode fiber Schinne entstehen. Aber beim Obergang vom Hochspannungsstad' der Entladung zum Niederspannungs-Iichtbogenstadhim kann die Entladung in erwähnter Richtung nicht weiter dauern, da für ihre weitere Erhaltung die Spannung der Sptisequelle nicht ausreicht. Die Bogenentladung kann in der betreffenden Anlage nur zwischen der Verdampfungsfläche 97 der Kathode und der Anode erfolgen.
Die zur Speisung des Lichtbogens bestimmte Speisequelle 111 enthält einen Asynchronmeter 112 und einen Schweißgenerator 113 mit abfallender Strom-SpaDmmgs-Kennlmie. Da die Gleichspannung der Speisequelle 111 eine geringere Pulsation als die Spannung der Gleichrichter aufweist, ist der minimale Strom für ein stabiles Lichtbogenbrennen in dieser Anlage geringer als bei Anlagen nach F i g. 1 und 3.
Im Stromkreis 72, der die Klemme 47 nnt den: Gehäuse 98 verbindet, liegt ein Stromrelais 73. Die Wicklung 33 des Elektromagneten wird von einem Gleichrichter 114 gespeist, mit dem ein Zeitrelais 115 und die Kontakte 74 des Stromrelais 73 in Reihe Gegen. Die Kontakte 116 des Zeitrelais 115, die mit einer Zeitverzögerung von 03 bis 0,5 see nach der Enwchaltung der Wicklung des Relais 115 geschlossen werden, liegen im Stromkreis der Zündelektrode 117 in Reihe mit einem Widerstand 39.
Die Klemme 45 der Speisequelle 111 zur Speisung des Lichtbogens ist mittels eines Leiters 118 mit dem zylindrischen Gehäuse 106 verbunden, das über einen Leiter 119 mit dem oberen Deckel 100 Verbindung hat
Das zur Aufstaubung bestimmte Erzeugnis 94 ist mit Hilfe eines Leiters 120 mit dem Gehäuse 106 verbunden. Die Anordnung der Kontakte 74 in einem Wechselstromkreis gestattet es, ihren Verschleiß herabzusetzen.
Die Arbeitsweise der Anlage weist im Prinzip keine Unterschiede von der Funktion der vorstehend beschriebenen Anlagen auf.
In Fig.7 ist eine Anlage zur Auftragung von Überzügen an der Innenflache 121 eines Rohres 122 dargestellt Das Rohr 122 wird in der Vakuumkammer 123 angeordnet, die aus einem Gehäuse 124 und einem Deckel 125 besteht In das Innere des Rohres wird eine zylindrische aus zu verdampfendem Metall hergestellte Kathode 126 eingeführt Die zylindrische Flache 127 der «is einem zu verdampfenden Metall gefertigten Kathode dient als Verdampfungsfläche. Während des Aufdampfvorganges wird das Rohr 122 verschoben. Ist die eswdigkeit der Rohrverschiebung viel kleiner als die Wanderungsgeschwindigkeit des Kathodenflecks, so erhalt man an der Innenfläche des Rohres eitlen gleichmäßigen Oberzug. Die aus einem zu verdampfenden Metall hergestellte Kathode 126 weist im Zentrum eine sich verjüngende Öffnung (Konizhit 2 bis 3") auf, in die der kegelförmige Teil des Kühlbettes 12S eingesetzt ist Das Kühlbett 128 und die Stromzuleitung 129 sind ab ein ganzer Bauteil ausgeführt Die Stromzuleitung ist durch eine Öffnung im Deckel 125 der Vakuumkammer 123 hindurchgeführt und wird mit Hilfe von dielektrischen Hülsen 130,131 sowie mittels einer Gummidichtung 132 und eines Flansches 133 befestigt und abgedichtet Auf den in der Atmosphäre liegenden Teil der Stromzuleitung 129 ist ein Kühlkörper 134 zur Wärmeableitung von der aus einem zu verdampfenden Metall hergestellten Kathode
!|26 !aufgesetzt Im Inneren der Stromzuleitung 12Sl und des Kühlbett« 128 ist ein geschlossener Hohlraum 135 vorgesehen, der zum Teil mit einer leichtsiedenden Flüssigkeit 1316 gefüllt ist Die Wärmeübertragung von der aus einem zu verdampfenden Metall hergestellten Kathode 126 erfolgt durch Dämpfe einer siedenden Flüssigkeit, die in den Oberteil des Hohlraumes 135 steigen, kondensiert werden und ihre Warme am Kühlkörper 134 abgeben. Die kondensierte Flüssigkeit fließt in den unteren TeQ des Hohlraumes 135. Die ganze nicht zu verdampfende Fläche der Kathode 126 ist mit vier Schirmen 137 aus einem weichmagnetischen Metall mit einer dielektrischen Hülse 131 verdeckt Die Schirme 137 sind an Isolatoren 138 und 139 befestigt Der Isolator 139 wird am Kühlbett 128 mittels eines Bolzens 140 montiert Das Rohr 122 ist mit einem biegsamen Leiter 141 mit der Vakuumkammer 123 elektrisch verbunden und dient zusammen mid der letzteren als Anode der Anlage.
In dieser Variante der Anlage ist der Widerstand 39 in das Innere der Vakuumkammer 123 eingebaut, wobei der Isolator zur elektrischen Herausführung der Zündelektrode 117 entfallen kann. Außerdem liegt in dem den Minuspol der Speisequelle 143 mit der Stromzuleitung 129 verbindenden Stromkreis 142 eine Hochfrequenzdrossel 144.
Die Einfügung der Drossel in den Lichtbogenstromkreis 142 ermöglicht eine Verminderung des Spannungsabfalls am Regelwiderstand 43 und damit die Wühl einer niedrigeren Spannung des Gleichstromnetzes, von dem die Speisequelle 143 für den Lichtbogen gespeist wird.
Dier wird dadurch möglich, daß beim Erlöschen der Elementarzelle des Kathodenflecks vom Lichtbogen, das in der Zeit von 10~5 bis 10-' see vor sich geht, an der Drossel 144 Oberspannungen entstehen, die dem Strom durch die Elementarzelle des vom Lichtbogen gebildeten Kathodenflecks proportional sind, wobei dieser Strom für verschiedene Metalle im Bereich von 0,08 A für Quecksilber bis Ofi A für Titan liegt
Die entstandene Oberspannung ebenso wie die Spannungserhöhung an der Kathode wegen eines geringeren Spannungsabfalls am Regelwiderstand 43 trägt zur Bildung einer neuen Elementarzeil«: des Kathodenflecks durch Teilung anderer Elementarzellen bei.
Da das Erlöschen der Elementarzelle des vom Lichtbogen gebildeten Kathodenflecks in der Zeit von I0-* bis 10"7 · see erfolgt muß die Drossel imstande sein, in dieser Zeit die Spannung zu erhöhen und sie an die Kathode zu übertragen. Deshalb wird empfohlen, die Drossel 144 eisenlos (ohne magnetischen Kern) auszuführen, wobei die Herstellung einer Drossel für die erforderliche Arbeitsfrequenz im Bereich 0,1 bis 10 MHz möglich wird.
Der Betrieb der Anlage weist im Prinzip keine Unterschiede von der Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Anlagen auf.
In F i g. 8 ist noch eine Variante der Anlage gezeigt, in der als Anode die Oberflächen der zu überziehenden Erzeugnisse 13 dienen, die mit Hilfe einer nicht gezeigten Vorrichtung an der Fläche einer gedachten Sphäre 14 angeordnet werden. Die Vakuumkammer dieser Anlage enthält eine dielektrische aus Glas gefertigte Haube 146 und einen Metalldeckel 1. Die Abdichtung des Deckels 3 und der Haube 146 erfolgt mittels einer Gummidichtung S. Die zur Aufdampfung bestimmten Erzeugnisse 13 werden miteinander über einen Leiter 147 und mit der Stromeinführung 27 im Deckel 3 der Vakuumkammer mittels eines Leiters 148 verbunden. Die Stromeinführung 27 ist über einen Leiter 46 mit der Plus-Klemme 45 der Speisequelle 89
s für den Lichtbogen verbunden. Je größer ist die der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 zugewandte Oberfläche der zu überziehenden Erzeugnisse, desto stabiler brennt der Lichtbogen. Das Erzeugnis muß in der maximalen Plasmaströmung im Raumwinkel von
to etwa 90° angeordnet werden, dessen Scheitelpunkt im Zentrum der Verdampfungsfläche 10 der Kathode 9 liegt Die aus einem zu verdampfenden Metall hergestellte Kathode 9 wird am Kühlbett 8 mit Hilfe von Befestigungselementen (Stiften, Bolzen, Nieten) mon-
is tiert Dabei wird die für den Abbau der verbrauchten Kathode aus zu verdampfendem Metall erforderlichen Zeit ζ. B. im Vergleich mit einer Ausführung rai» an das Kühlbett angelöteter Kathode verkürzt Damit der metallische überzug keine Verunreinigung durch den Werkstoff der Befestigungselemente aufweist und damit der Kathodenfleck nicht an Befestigungselementen festgehalten wird, können diese Befestigungselemente zweckmäßigerweise aus demselben zu verdampfenden Metall hergestellt werden. Zur Gewährleistung eines sicheren Wärmekontaktes und einer zulässigen elektrischen Verbindung sollen die Befestigungselemente dabei so angeordnet werden, daß sie die aus einem zu verdampfenden Metall hergestellte Kathode auf ihrer ganzen Fläche an das anliegende Kühlbett andrücken.
Es ist auch zweckmäßig, die Befestigungselemente mit der Verdampfungsfläche der Kathode bündig anzuordnen. In diesem Falle werden die Spielräume zwischen den Befestigungselementen und der Kathode beim anfänglichen Einschalten der Anlage zugestäubt und nachher werden die Kathode und die Befestigungselemente gleichmäßig als einteiliger Bauteil verdampft Sind die Befestigungselemente nicht bündig mit der Arbeitsfläche der Kathode eingebaut so bilden sich an den Stellen der Befestigungselemente nach einiger Zeit
4> durch Kathodenzerstäubung Offnungen. In diese öffnungen gelangt der Kathodenfleck und erlischt wobei sich ein unstabiles Lichtbogenbrennen ergibt Bei einer größeren Anzahl von öffnungen in der Verdampfungsfläche der Kathode kann die verminderte Stabilität des
Lichtbogenbrennens empfindlich werden.
Die Eingrenzung der Verdampfungsfläche 10 der Kathode erfolgt mit Hilfe eines aus feuerfestem Isolationsmaterial mit niedriger Dampfspannung (Alundum, Quarz usw.) hergestellten Schirme.·: 150, der mit
50. einem Spiel von 1 bis 3 mm von der nicht zu verdanpfenden Fläche der Kathode befestigt ist Der keramische Schirm überdeckt die ganze Kathodenfläche, die nicht verdampft wird. Die Anwendung des keramischen Schirmes schließt ein Lichtbogenbrennen an der nicht zu verdampfenden Kathodenfläche vollkommen aus.
Die Anlage funktioniert ähnlich der in Fig.4 angefahrten Variante.
F i g. 9 zeigt eine Anlage, die als Sorptions-Hochvakuumpumpe verwendet wird. Die aus zu verdampfendem Metall (z. B. Titan) bestehende Kathode 9 ist als flache Scheibe ausgeführt und am Kühlbett 8 mittels der Stifte 149 ebenfalls aus zur Verdampfung bestimmtem Metall befestigt Die Kathode wird mit Wasser gekühlt das durch ein Rohr 151 fließt Das Rohr 151 ist durch eine zylindrische Wand des Gehäuses 152 eingelassen, das als Anode der Anlage dient, und ist vom Gehäuse 152 mittels eines Isolators 153 elektrisch isoliert Der Schirm
21 ist Ober Isolatoren 23 am Kühlbett 8 befestigt Die Verdampfung des aktiven Metalls (Titan) erfolgt auf die Innenfläche des Gehäuses 152, wo das Okkludieren von aktiven Gasen (Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffoxyd und -dioxyd usw) durch Sorpliion vor sich geht Edelgase (Argon, Neon, Helium) werden durch verdampftes Metal) nicht entfernt Zum Evakuieren dieser Gase dient eine Diffusionspumpe i55. Die Leistung der Diffusionspumpe für Edelgase beträgt I bis 2% der Leistungsfähigkeit der Sorptionspumpe für Stickstoff. Das Gehäuse 152 ist mit seinem Eingangsflansch mit dem zu evakuierenden Raum 154 verbunden. Die Lichtbogenzündung erfolgt in der Pumpe mit einer Zündelektrode 117, die durch einen Ausschnitt 83 im Schirm 21 hindurchgeht Die Sorptions-Hochvakuumpumpe zeichnet sich durch hohe Evakinierungsgeschwindigkeit sowohl bei hohen Drücken von 1 · 10~3 bis 1 · 10-5 Torr als auch bei niedrigen Druckwerten (unter 1 · 10~5 Torr) aus. Der minimale Strom für ein Stabiles Lichtbogenbrennen beträgt bei Benutzung von üblichen technischem Titan ungefähr 120A. Die Speisequelle liefert eine Spannung von 30 V. Bei
ununterbrochenem Betrieb der Pumpe beträgt der Titanverbrauch 14 g/Stunde. Dieser Tstanverbrauch reicht zum Evakuieren von Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 50 Tausend 1/sec bei einem Druck von 2 · 10-5 Torr cus. (Der beim Evakuieren
ίο erreichbare Grenzdruck liegt unter 1 · 10~7 Torr). Im Spektrum der Restgase fehlen schwere Kohlenwasserstoffe. Die Hauptkomponente im Gasspektrum ist Wasserstoff. Es wurde festgestellt, daß im Plasma der Bogenentladung ein Zerfall der KohlenwasserstoffmolekCle in ihre Bestandteile (Wasserstoff und Kohlenstoff) erfolgt, die von der Pumpe aktiv evakuiert werden. Die Anlage funktioniert ähnlich wie die vorstehend beschriebenen Anlagen.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (30)

Patentansprüche:
1. Vakuumverdampfungsanlage zum Verdampfen von Metallen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens zur Herstellung von Überzügen oder zum Verdamp- s fen von Gettermetallen, mit einer aus dem zu verdampfenden Metall hergestellten Kathode, die an einem Kühlbett mit Stromzuleitung befestigt ist, mit einer Zündelektrode, die auf der Verdampfungsfläche der Kathode einen Kathodenfleck des elektrisehen Lichtbogens erzeugt, und einer Einrichtung zur Festhaltung des Kathodenflecks auf der Verdampfungsfläche der Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode eine Hülle (26; 64; 1,2; 108; 23; 13; 152) darstellt und die '5 Verdampferfläche (10; 53; 85; 97; 127) der Kathode (9; 51; 77; 95; 126) dem durch die Hülle begrenzten Raum zugewandt ist, die Einrichtung zum Festhalten des Kathodenflecks des elektrischen Lichtbogens auf der Verdampfungsfläche der Kathode als Schirm (21; 59; 61; 82; 109; 137; 150) ausgeführt ist, der die Verdampfungsfiäche der Kathode umgrenzt und wenigstens einen Teil ihrer nicht zu verdampfenden Fläche (11; 60; 110) abschirmt und der Schirm einen Übergang des Kathodenflecks auf die nicht zu verdampfende Fläche der Kathode verhindert
2. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (64) öffnungen (65) für verschiedene technologische Zwecke M aufweist
3. Vakuum tsrdampfungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle von der Wandung der Vakuumkammer (152) gebildet ist
4. Vakuumverdampfungäanlare nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (9) eine flache Form hat
5. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine als Ring ausgeführte Kathode (51).
6. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (126) einen Zylinder darstellt, dessen zylindrische Seitenfläche als Verdampfungsfläche (127) dient
7. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (95) als Rohr ausgeführt ist, dessen Innenfläche als Verdampfungsfläche (97) dient
8. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- M net, daß die Kathode (9) an das Kühlbett (8) angelötet ist
9. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (149) zur Montage der Katho- 5S de (9) am Kühlbett (8) aus Kathodenwerkstoff gefertigt sind.
10. Vakuumverdampfungsanlagc nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (149) mit der Verdampfungsfläche (10) der ω Kathode (9) bündig angeordnet sind.
11. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeabfluß von der Kathode (126) zum Kühlbett (128) durch eine kegelförmige Fläche erfolgt
12. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (77) am Umfang ihres Kontaktes mit dem Kühlbett (78) abgedichtet ist und zwischen dem übrigen Teil des Kühlbettes (78) und der Kathode (77) ein Hohlraum vorgesehen ist, in dem eine Kühlflüssigkeit umläuft
13. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (24) des Schirmes (21) auf dem Niveau der Verdampfungsfläche (10) der Kathode (9) angeordnet ist
14. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Schirm (59) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt ist
15. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (59; 61) aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt ist
16. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (59; 61) mit der Kathode (51) elektrisch verbunden ist
17. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (21) von der Kathode (9) und der Anode (25) elektrisch isoliert ist
18. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (82) die ganze nicht zu verdampfende Fläche der Kathode (77) überdeckt
19. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die nicht zu verdampfende Fläche (110) der Kathode (95) durch voneinander isolierte Schirme (109) überdeckt ist, die in bezug auf diese nicht zu verdampfende Fläche (110) hintereinander angeordnet sind
20. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Schirme (109) entsprechend der ;>dingung gewählt ist, daß die für das Lichtbogenbrennen zwischen der nicht zu verdampfenden Fläche der Kathode und der Anode (107, 108) über die Schirme erforderliche Spannung größer als die Spannung der Speisequelle (111) für den Lichtbogen ist
21. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (150) aus einem dielektrischen Werkstoff hergestellt ist
22. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Schirm (82) an der Seite der Verdampfungsfläche der Kathode (77) einen Ausschnitt (83) aufweist, durch den die Zündelektrode (84) einführbar ist
23. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Zündelektrode (29) von der Anode elektrisch isoliert ist
24. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Zündelektrode (29) ein Widerstand (39) liegt
25. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (33) eines Elektromagneten, von der die Zündelektrode (29) gesteuert wird, in den Lichtbogenstromkreis eingeschaltet ist
26. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch .
25, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (33) des Elektromagneten überbrückt ist
27. Vakuumverdampfungsanlage nach Anspruch
26, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überbrükkung eine Halbleiterdiode (93) verwendet ist.
28. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtbogenstromkreis eine Hochfrequenzdrossel (144) liegt
29. Vakuinnverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen (45 und 47) der Speisequelle für den Lichtbogen mit einem Kondensator (50) überbrückt sind.
30. Vakuumverdampfungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuleitung (95) zum Kühlbett (98) gleichzeitig zur Wärmeabführung vom Kühlbett (98) zu einem Kühlkörper (99) dient, der am in der Atmosphäre liegenden Teil der Stromzuleitung (9S) befestigt ist
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