DE2933255A1

DE2933255A1 - Keramisches material fuer die kathode einer elektronen-kanone

Info

Publication number: DE2933255A1
Application number: DE19792933255
Authority: DE
Inventors: Michel Contre; Philippe Martin; Monique Quetier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1978-08-18
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1980-03-06
Also published as: GB2027984B; FR2433828B1; US4265666A; GB2027984A; FR2433828A1; JPS5528298A

Description

Beschreibung;

Die Erfindung betrifft ein keramisches Material, welches für die Ausbildung der emittierenden Kathode einer Elektronen-Kanone verwendet werden kann, welche bei niederer Temperatur und mit einer direkten Heizung arbeitet.

Die Kathoden von Elektronen-Kanonen, die einen hohen I¹IuB erzeugen müssen, arbeiten im allgemeinen unter Wirkung der thermischen Elektronenemission. Die verwandten Materialien müssen mehrere Merkmale erfüllen, und zwar insbesondere:

- Abgabe eines großen Stromes bei der Arbeitstemperatur, was ein großes Emissionsvermögen und eine geringe Austrittsarbeit voraussetzt;

- geringer Verdampfungsgrad bei der Arbeitstemperatur ;

- ausreichend gute mechanische Eigenschaften im warmen Zustand, damit die Emissionskathode eine große Maßhaltigkeit aufweist und somit eine Kanone mit sehr konstanten Eigenschaften ergibt.

Unter den Materialien, welche diese Bedingungen erfüllen, gibt es Metalle (Tantal, Wolfram), welche im allgemeinen bei Temperaturen in der Größenordnung von ° verwandt werden, (was einen Sättigungsstrom von

1 Acm für das Tantal ergibt). Im Jahre 1951 h.at Lafferty (J. of Appl. Ehys. 22, n° 3, PP 299-309) gezeigt, daß gewisse Borverbindungen der seltenen Erden ebenfalls verwandt werden können. Dies ist der Fall beim Hexabor-Lanthanid, welches ein Emissionsvermögen von 29 A. cm"* . ⁰K und eine Austrittsarbeit von 2,66 eV aufweist. Mit diesem Material wird bei 170O⁰K eine Emission von 1 A cm"² erhalten.

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Die metallenen Kathoden können auf indirekte Weise (durch Beschüß mit Elektronen) oder direkt durch Joul'sehen Effekt erzielt werden. In letzterem Fall werden die Metalle in sehr dünnen Abschnitten (in der Größenordnung von 0,1 mm) in der Form eines Blattes oder Bandes verwendet; dies erfordert, daß sie einen ausreichend grossen spezifischen Widerstand haben, um ihre richtige Erwärmung zu ermöglichen.

Die Boride der seltenen Erden können in einer solchen Form nicht erhalten werden, da sie im wesentlichen durch Sintern hergestellt werden. Bisher wurden sie daher in der Form von Perlen hergestellt und indirekt geheizt.

Es ist eine Kathode bekannt, bei der ein Borid einer seltenen Erde durch Berührung mit einem Widerstand aus pyrolitischem Graphit indirekt geheizt wird. Diese Möglichkeit ist interessant, jedoch weist sie den Nachteil auf, daß sehr kleine Teile aus Graphit hergestellt werden müssen, was einen sehr vorsichtigen Umgang erforderlich macht.

Übrigens kann der thermische und der elektrische Kontakt zwischen dem Widerstand und der Kathode durch aufeinanderfolgendes Auseinandernehmen und Zusammensetzen verschlechtert bzw. zerstört werden. Nichtsdestotrotz weist diese Technik den Vorteil auf, daß Hexaborid in massiver Form verwandt werden kann, ohne daß eine Beschießung mit Elektronen erforderlich ist.

Insgesamt sind für die Kathoden von industriell verwandten Elektronen-Kanonen großer Leistung, insbesonder für das Schweißen, folgende Eigenschaften erforderlich:

- große Maßhaltigkeit, was Materialien in massiver Form bevorzugen läßt;

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- eine äußerst geringe Wärmeableitung, was das Auftreten von unerwünschten Ausdehnungen gewisser Teile der Kanone verhindert. Diese letzte Anforderung läßt Materialien tiefer Emissionstemperatur bevorzugen;

- die Möglichkeit einer direkten Erwärmung durch Joul'sehen Effekt, was eine Vereinfachung der den Kanonen zugeordneten Stromgeneratoren und ihrer Versorgungskabel ermöglicht.

Eine Betrachtung der zwei ersten Punkte gibt den Boriden der seltenen Erden gegenüber den Metallen den Vorzug. Der dritte Punkt gibt den Metallen trotz des geringen spezifischen Widerstandes der Boride der seltenen Erden (15/U bei 20°G) den Vorzug, da es unmöglich ist, letztere industriell in einer anderen als einer gesin-. terten Form zu verwenden. Aus allen diesen Gründen war es bisher nicht möglich, industriell die Boride der seltenen Erden für die Ausbildung von Emissionskathoden bei Elektronen-Kanonen zu verwenden.

Der vorliegenden Erfindung liegt gerade die Zielsetzung zugrunde, ein keramisches Material für eine massive Kathode zu schaffen, welche bei niederer Temperatur (17OO bis 1800⁰K) und durch direkte Heizung geheizt werden kann, wobei die interessanten Eigenschaften der Boride aus feuerfesten Materialien mit großem Emissionsvermögen und insbesondere der seltenen Erden verwendet werden.

Dieses keramische Material zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß es aus einer keramischen Mischung aus dem Hexaborid eines feuerfesten Materials, das aus wenigstens einem Körper mit großem Emissionsvermögen besteht und aus einem leitfähigen Material gebildet ist,

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dessen spezifischer Leitungswiderstand größer als der des Emissionsmaterials ist, und daß das keramische Material eine Struktur aufweist, die sich durch gemeinsames Sintern der es bildenden Elemente ergibt.

Das erfindungsgemäße keramische Material enthält mithin gleichzeitig Hexaboridkörner der der Elektronenemission dienenden Materialien und Körner eines herkömmlichen, üblichen Stoffes, dessen spezifischer Leitungswiderstand größer als der des Emissionsmaterials ist, vorzugsweise Borkarbid, welches eine Matrize bildet, die das Heizen des Materials in seiner Gesamtheit durch einfachen Joul¹sehen Effekt gestattet.

Der dem Hexaborid zugeordnete bzw. beigefügte zusätzliche Stoff muß die folgenden Anforderungen erfüllen:

- einen für die direkte Hei zung durch Joul'sehen Effekt geeigneten Wert des spezifischen Leitungswiderstandes;

- er muß gemeinsam mit dem Lanthan-Hexaborid oder anderen Körpern großen Emissionsvermögens gesintert werden können;

- er muß ein geringes chemisches Reaktionsvermögen mit dem Hexaborid der seltenen Erden oder anderen Körpern großen Emissionsvermögens bei der Emissionstemperatur aufweisen, d.h., daß er im wesentlichen mit Bor gesättigt sein muß.

Es ist tatsächlich von Bedeutung, daß das Bor, dessen leichte Diffusion bekannt ist, nicht das Hexaborid zu der Widerstandsmatrix hin mit der Gefahr verläßt, die Emissionseigenschaften der Hexaboridbereiche zu verringern.

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Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, daß eine solche Kathode erhalten werden kann, indem Lanthan-Hexaborid beispielsweise mit Borcarbid gesintert wird.

Erfindungsgemäß wird das feuerfeste Material mit großem Emissionsvermögen in der Form des Hexaborids vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, welche Lanthan, Strontium und Barium enthält.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Emissionsvermögen

—2 ο —1
bei Barium 16 A. cm . K und die Austritts- oder Ablösearbeit 3₅4-5 eV beträgt. Beim Strontium betragen

-2 ο —1 die entsprechenden Werte 0,14 A cm . K und 2,67 eV. Übrigens ist es bekannt, daß beispielsweise Mischungen von Lanthan-Hexaborid und von Strontium-Hexaborid ein Emissionsvermögen auf v/eisen, welches zumindest ebenso groß ist, wie das der reinen Materialien.

Jedenfalls kann die Erfindung besser beim Lesen der folgenden Beschreibung verstanden v/erden, in der verschiedene Beispiele des der Erfindung zugrundeliegenden keramischen Materials angegeben sind, wobei die Beispiele unter Bezugnahme auf die einzige Figur erläutert werden, in der in beispielhafter und nicht einschränkender V/eise ein möglicher Aufbau einer Kathode aus keramischen Material in einer Elektronen-Kanone dargestellt ist.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Fall des Lanthans. Man kann aber auch ebenfalls Ergebnisse erzielen, indem man als feuerfeste Materialien mit großem Emissionsvermögen Barium oder Strontium, oder auch eine Mischung dieser beiden Materialien verwendet.

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Die Kathoden für Elektronen-Kanonen wurden insbesondere aufgrund der drei folgenden Zusammensetzungen auf der Basis von Lanthan-Hexaborid und Borkarbid ausgebildet und untersucht. Die Zusammensetzungen, die in der weiter unten folgenden Tabelle angegeben sind, sind Zusammensetzungen in bezug auf das Volumen. Die Sinterung erfolgte bei einer Temperatur von 2040°C und dauerte bei jedem Beispiel ungefähr eine Stunde.

Die Wahl der Korngrößenbestimmung der Pulver, die die Mischung bilden, und die physikalischen Bedingungen beim Sintern ermöglichen, nach Belieben einen Homogenitätsgrad zu erhalten, welcher für das gemischte, keramische Endprodukt erwünscht ist.

Tabelle

B^C Dichte d. gesinterten spez. Leitungswider-Erzeugnisses stand Sl- cm

90% 2,10 1,57

2,00 1,57

20% 80% 2,37 0,066

2,25 0,066

50% 50% 3,11 0,023

3,18 0,023

Die mit den in der obigen Tabelle angegebenen Materialien hergestellten Kathoden können mit einer Schleifmaschine bearbeitet und durch direkten Stromdurchgang geheizt werden und Elektronen mit einer Dichte in der GrÖßen-Ordnung von 1 A cm im Fall des dritten Beispieles (50% LaB^.)

aussenden. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Emissions-

Oberfläche in der Größenordnung von 10 mm die Heizleistung unter 200 W bei der Emissionstemperatur von 14-20⁰C bleibt.

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Es wird darauf hingewiesen, daß sich, das Emissionsvermögen bei diesen Zusammensetzungen linear mit dem Gehalt an Lanthan ändert.

Die Versuche wurden mit Stücken ausgeführt, welche verschiedene Anteile an Lanthan-Hexaborid und Borkarbid enthalten, wobei der Anteil an Lanthan-Hexaborid zwischen 10 und 80/5 betrug.

Unterhalb von 30% LaB^ liegende Anteile sind nur von begrenzter Bedeutung, denn das Emissionsvermögen, welches diesem Anteil proportional ist, wird zu klein und hat Kathoden mit einer geeigneten Oberfläche zur !folge.

Im Gegenteil, um den zum Heizen erforderlichen spezifischen Widerstand zu erhalten, muß der Anteil an ILC ausreichend sein, damit der spezifische Widerstand des gemischten keramischen Werkstoffes, der sich in Abhängigkeit von diesem Anteil, wie es in der Tabelle angegeben ist, ändert, mindestens gleich 0,02Ji-cm beträgt. Bei diesen Bedingungen ergibt sich ein bevorzugter Anteil an LaB^. von 30 bis ^>0%.

Allgemein liegt der Volumenanteil an Hexaborid des feuerfesten Materials mit großem Emissionsvermögen zwischen 10 und 70%. In bevorzugter Weise liegt dieser Anteil zwischen 30 und 50/5, wie sich aus den vorhergehenden Beispielen ergibt.

Die einzige Figur stellt schließlich ein mögliches Beispiel einer Ausgestaltung des keramischen Materials, welches der Erfindung zugrundeliegt, bei einer Kathode für Elektronen-Kanonen dar. In dieser einzigen Figur ist die Kathode 1 aus einem keramischen Material nach der Erfindung dargestellt, wobei die Kathode als

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ein kleiner Zylinder mit einem Durchmesser von 3*5 ausgebildet ist, welcher ausgehend von einem durch. Sintern erhaltenen kleinen Stab mittels einer Schleifmaschine bearbeitet wurde. Diese Kathode 1 v/eist eine Schulter auf. Sie wird über zwei Kontakte mit Strom versorgt, von denen einer durch einen Konus 2 aus Tantal und der andere durch einen Leiter 3 aus Tantal gebildet ist, wobei die zwei Teile mit den Anschlußsteckern 4 bzw. 5 der Kathode verbunden sind. Die Stecker 4 und 5 sind selbst bei der beschriebenen Ausführungsform durch an sich bekannte Isolatoren 6 und 7 isoliert.

Die Kathode 1 ist in der Fokussierungs- oder Wehnelt-Elektrode 8 der Elektronen-Kanone zentriert, und diese in der einzigen Figur dargestellte gesamte Einrichtung wird an eine gegenüber einer mit Erde verbundenen und in der Figur nicht dargestellten Anode an eine negative Hochspannung gelegt. Der elektrische, spezifische Widerstand der in der Figur dargestellten Vorrichtung beträgt 0,06Ji bei 14-20⁰G, und bei dieser Temperatur sendet das die Kathode 1 bildende Material Elektronen im Eaumladungsbetrieb mit einer Stromdichte von 1 A /cm aus. Bei einer elektrischen Versorgung von 30 KV erhält man eine Stromintensität von 100 mA.

Die Kathode ist eine massive Kathode, welche bei einer relativ geringen Temperatur arbeitet und durch direkte Heizung geheizt wird. In dieser Hinsicht weist sie die erforderlichen Merkmale auf, um im industriellen Rahmen angewendet zu werden, insbesondere beim Schweißen mit einem Elektronenstrahl, was, wie es bekannt ist, eine besonders große Lebensdauer für die Emissionskathode verlangt.

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Claims

170 - 46/da August 1979

COMMISSARIAT A L¹EKERGIE ATOMIQUE
31/33, rue de la Federation, 75015 PARIS France

Keramisches Material für die Kathode einer Elektronen-Kanone

Patentansprüche

) Keramisches Material für die Kathode von Elektronen-Kanonen, die bei niederer Temperatur und mit direkter Heizung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einer keramischen Mischung aus dem Hexaborid eines feuerfesten Materials, welches aus mindestens einem Körper mit großem Emissionsvermögen besteht, und aus einem leitenden Material zusammengesetzt ist, dessen spezifischer Leitungswiderstand größer als der des Emissionsmaterials ist, und daß das keramische Material eine Struktur aufweist, die sich durch gemeinsames Sintern der Bestandteile ergibt.

2. Keramisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mit großem Emissionsvermögen Lanthan ist.

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TELEFON (OBB) 222862

TELEX ΟΒ-3β3βΟ

TELt-KOPIERER

3. Keramisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Körper mit großem Emissionsvermögen aus der Gruppe gewählt ist bzw, sind, die Lanthan, Strontium und Barium enthält.

4. Keramisches Material nach einem der -Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Volumenanteil an Hexaborid (en) zwischen 10% und 70% liegt.

5. Keramisches Material nach Anspruch 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil an Hexaborid (en) zwischen 30% und 50% liegt.

6. Keramisches Material nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß das leitende Material Borkarbid ist.

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