DE3039850A1

DE3039850A1 - Entladungsvorrichtung mit hohlkathode

Info

Publication number: DE3039850A1
Application number: DE19803039850
Authority: DE
Inventors: Shigeki Yokohama Monma; Osami Tokyo Morimiya; Setsuo Suzuki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-10-23
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1981-05-07
Also published as: GB2064856B; FR2468203B1; FR2468203A1; GB2064856A

Description

Henkel Kern, Feuer a- HänzeS Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha D-8000 München

Kawasaki, Japan Tel, 089/982085-67

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

KF-55P898-3

Entladungsvorrichtung mit Hohlkathode

Die Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung und insbesondere eine Lichtbogen-Entladungsvorrichtung mit Hohlkathode.

Die Hohlkathode einer Lichtbogen-Entladungsvorrichtung besitzt eine lange Betriebslebensdauer und vermag einen vergleichsweise großen Strom zwischen sich und der Anode zu erzeugen, weshalb solche Hohlkathoden in jüngster Zeit verbreitet für Hochleistungs-Ionenquellen, Laser-Entladungsvorrichtungen und dgl. eingesetzt wurden. Die Konfiguration der Hohlkathode erlaubt jedoch nicht ohne weiteres eine Emission von Elektronen von ihrer Fläche beim Zünden der Entladung; außerdem ist ein großer elektrischer Strom erforderlich, um eine gleichmäßige bzw. konstante Entladung nach der Entladungseinleitung zu erzielen. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit wird üblicherweise ein Heizelement in der Hohlkathode angeordnet, wobei die Kathode durch Stromzufuhr zum Heizelement vorgeheizt wird, so daß sie beim Zünden der Entladung ohne

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weiteres Elektronen zu emittieren vermag. Bei einer mit einem Heizelement versehenen Hohlkathode ist es jedoch nicht ganz einfach, die Kathode zur Emission einer großen Zahl thermischer Elektronen vorzuheizen; außerdem fällt häufig das Heizelement aus. Darüber hinaus dauert es ziemlich lange, bis die Hohlkathode durch das Heizelement für die Entladungseinleitung genügend erwärmt bzw. vorgeheizt worden ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Hohlkathoden-Entladungsvorrichtung, bei wel-•cher die Entladung einfach einleitbar ist und der übergang von der anfänglichen Entladung bzw. .Entladungseinleitung zur ständigen Entladung stabil und zuverlässig gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Hohlkathoden-Entladungsvorrichtung kennzeichnet sich durch einen Vakuumkolben, eine Anode und eine Hohlkathode, wobei diese Elektroden im Vakuumkolben angeordnet sind, eine Einrichtung zur Zufuhr eines Lichtbogenstroms zwecks Aufrechterhaltung einer Lichtbogenentladung zwischen Anode und Hohlkathode, eine Einrichtung zum Evakuieren des Kolbens, eine Einrichtung zur Zufuhr von Niederdruckgas zum Kolben über die Hohlkathode, eine Einrichtung zur Begrenzung des Stroms des über die Hohlkathode in den Kolben eingeleiteten Niederdruckgases, um den Gasdruck in der Hohlkathode über dem im Kolben herrschenden Gasdruck zu halten, und eine Einrichtung zur Herbeiführung einer Entladung in der Hohlkathode.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Entladungsvorrichtung mit einer Hohlkathode gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Entladungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Hohlkathode,

Fig. 3 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform der Elektrode gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine den Fig. 1 und 2 ähnelnde Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 eine schematische Teilschnittansicht einer • Abwandlung gegenüber den Fig. 4 und 5.

Fig. l veranschaulicht schematisch die Anwendung der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung auf eine Leistungslonenquelle. Dabei sind eine Hohlkathode 2 und eine zylindrische Anode 4 in einem Vakuumkolben 6 angeordnet, der durch eine Absaugvorrichtung 8 evakuierbar ist. Das eine offene Ende der Hohlkathode 2 ist durch eine Scheibe 10 mit einer öffnung 12 verschlossen, wobei Gas, z.B. Wasserstoff, unter einem Druck von einigen Torr von einem Gasvorrat 7 in die Hohlkathode 2 und aus dieser über die öffnung 12 in den Vakuumkolben 6 eingeführt wird. Der

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Gasdruck innerhalb der Hohlkathode 2 wird auf einem höheren Pegel als der Druck im Vakuumkolben 6 gehalten. Beispielsweise kann der Gasdruck in der Hohlkathode 2 eine Größe von 1-10 Torr besitzen, während der Gasdruck im Vakuumkolben 6 auf 10 bis 10 Torr gehalten wird. Die Hohlkathode 2 besteht aus einem feuerfesten bzw. wärmebeständigen Metall, wie W, Ta oder Mo, oder sie ist an ihrer Innenfläche mit einer Elektronenquelle aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit (work function), wie BaO oder LaB,., versehen. Eine

Lichtbogen-Stromversorgung 14 für die Entladung, ein Haupt-Schalter 15 und ein Widerstand 16 zur Begrenzung des Entladungsstroms zwischen Anode 4 und,Hohlkathode sind in Reihe zwischen die zylindrische Anode 4 und die Hohlkathode 2 geschaltet. Im allgemeinen wird eine Spannung, die ausreichend niedriger ist als die durch das Paschensche Gesetz bestimmte Entladungs-Zündspannung, beim Zünden der Entladung von der Stromversorgung 14 über den zu diesem Zeitpunkt geschlossenen Schalter 15 zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 angelegt. Somit wird die Entladung auch dann noch nicht eingeleitet, wenn diese Spannung von der Stromversorgung 14 her zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 anliegt. Erfindungsgemäß ist in der Hohlkathode 2 eine Entladungs-Zünd- bzw. -Einlei teinrichtung angeordnet, die eine Entladung in der Hohlkathode 2 hervorruft, um in dieser iür die Herbeiführung der Entladung zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 zahlreiche Elektronen zu erzeugen. Der Grund für die Anordnung dieser Einrichtung ist folgender:

Nach dem Paschenschen Gesetz ist die für die Entladung erforderliche Spannung um so niedriger, je höher der Gasdruck ist, unter dem die Entladung stattfinden soll und der niedriger ist als ein vorbestimmter Gasdruck.

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Da der Gasdruck innerhalb der Hohlkathode 2 durch die Öffnung 12 auf einem höheren Wert als im Raum zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 gehalten wird, ist die zur Herbeiführung der Entladung in der Hohlkathode 2 benötigte Hochspannung niedriger. Mit anderen Worten: die innere Entladung innerhalb der Hohlkathode 2 kann hervorgerufen werden, ohne daß eine sehr hohe Spannung erforderlich ist. Bei der inneren Entladung in der Hohlkathode 2 entsteht ein Plasma, das in den Kolben 6 diffundiert und dabei die Entladung zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 erzeugt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist dies Entladung-Zündeinrichtung ein Heizelement 18, das zwischen zwei Schäfte (stems) 2O und 22 geschaltet ist, die gegenüber der Hohlkathode 2 elektrisch isoliert und aus ihr nach außen geführt sind. An die beiden Schäfte 20 und 22 ist eine Heizstromversorgung 28 zur Lieferung des Heizstroms zum Heizelement 18 angeschlossen. Der eine Schaft 20 oder 22 ist über einen Zündschalter 26 mit dem Minuspol der Stromversorgung 2 8 verbunden, und die Hohlkathode 2 ist mit dem Pluspol der Zündstromversorgung 28 verbunden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Heiz(element) strom von der Heizstromversorgung 24 zum Heizelement 18 geliefert, welches die Innenfläche der Hohlkathode 2 so erwärmt, daß diese leicht Elektronen zu emittieren vermag. Wenn der Schalter 26 geschlossen wird, während der Hohlkathode 2 kein Gas zugeführt wird, emittiert das Heizelement 18 Elektronen, welche die Innenfläche der Hohlkathode 2 bombardieren und dadurch die Hohlkathode 2 aufheizen. Die Leistung der Heizstromversorgung 24 kann daher vergleichsweise klein sein. Wenn bei geschlossenem

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Schalter 26 ein Gas vom Gasvorrat 7 zur Hohlkathode 2 geleitet wird, wird ein Entladungslichtbogen zwischen Hohlkathode 2 und Heizelement 18 gezündet. Das in der Hohlkathode 2 erzeugte Plasma verteilt sich über die Öffnung 12 zur Anode 4. Infolgedessen wird bei geschlossenem Schalter 26 unweigerlich ein Entladungslichtbogen zwischen der Hohlkathode 2 und der Anode 4 gezündet, wenn die Spannung der Lichtbogenstromversorgung 14 niedriger ist als die Durchbruchspannung, die durch den Gasdruck zwischen Anode 4 und Scheibe 10 bestimmt wird.

Sobald die Entladung zwischen Kohlkathode. 2 und Anode 4 gezündet ist, bleibt sie auch dann erhalten, wenn der Schalter 26 geöffnet wird. Um die Zündung eines Entladungslichtbogens erfolgreicher bzw. zuverlässiger zu gestalten, kann der Gasdruck in der Hohlkathode 2 dadurch erhöht werden, daß ihr das Gas zu Beginn der Gaszufuhr in größerer Strömungs- oder Durchsatzmenge zugeführt wird als in der restlichen Periode der Gaszufuhr.

Falls in der Hohlkathode 2 kein Elektronenbeschuß stattfindet und die Zündstromversorgung 28 nur zum Zünden eines Entladungslichtbogens benutzt wird, können die Pole der Stromversorgung 28 entgegengesetzt zu dem in Fig. 1 dargestellten Zustand angeordnet sein.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung dargestellt, bei welcher eine Scheibenelektrode 30 anstelle des Heizelements 18 gemäß Fig. 1 in der Hohlkathode 2 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist im Unterschied zu derjenigen nach Fig. 1 die Hohlkathode 2 an

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die Minuskleirane der Zundstromversorgung 28 angeschlossen, während die Scheibenelektrode 30 über einen diese tragenden Schaft (stem) 32 und den Zündschalter 26 mit dem Pluspol der Zündstromversorgung 28 verbunden ist. Beim Schließen des Schalters 26 wird von der Zündstromversorgung 28 her eine Entladungszündspannung zwischen die Innenfläche der Hohlkathode 2 und die Innenfläche der Scheibenelektrode 30 angelegt, um eine Entladung herbeizuführen, d.h. Elektronen von der Innenfläche der Hohlkathode 2 zu emittieren, wobei sich diese Elektronen zu der an einem positiven Potential liegenden Scheibenelektrode 30 bewegen. Nach dem vorher erwähnten Paschenschen Gesetz erfolgt diese Entladung in der Hohlkathode 2 bei einer niedrigeren als der zwischen Anode 4 und Hohlkathode 2 anliegenden Spannung. In die Hohlkathode 2 wird H₀-GaS eingeleitet. Wenn der Gasdruck in der

-1 Hohlkathode 2 einen Wert in der Größenordnung von 10 Torr erreicht, tritt zwischen der Scheibenelektrode 30 und den Innenflächen der Hohlkathode 2 und der Scheibe 10 eine Hohlkathoden-Glüh- oder -Glimmentladung auf, wodurch in der Hohlkathode 2 ein Plasma erzeugt wird. Die Innenflächen von Hohlkathode 2 und Scheibe 10 werden, hauptsächlich durch lonenbeschuß, so weit aufgeheizt, daß sie Elektronen emittieren. Wenn sich das Plasma bis zu einem bestimmten Grad verdichtet hat, diffundiert es durch die Öffnung 14 zur Anode 4, wobei zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 eine Lichtbogenentladung auftritt. Sobald sich die Entladung zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 stabilisiert hat, wird sie auch beim anschließenden öffnen des Schalters 26 nicht mehr unterbrochen.

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Die Scheibenelektrode 30 gemäß Fig. 2 kann auch durch einen Zylinder 33 gemäß Fig. 3 oder durch Elektroden anderer Formen ersetzt werden. Zur Begünstigung der Elektronenemission von der Hohlkathode 2, d.h. zur Begünstigung der Entladung zwischen Scheibenelektrode 30 oder Zylinderelektrode 33 und Hohlkathode 2, kann eine Elektronenquelle mit niedriger Austrittsarbeitsfunktion, z.B. eine Bariumoxid enthaltende Elektronenquelle, auf die Innenfläche der Hohlkathode 2 aufgetragen sein.

.Die Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen weitere Ausführungsformen. Dabei besteht die mit der Öffnung 12 versehene Scheibe 10 aus einem leitfähigen Metall, und sie ist am einen offenen Ende der Hohlkathode 2 unter Zwischenfügung eines Isolierrings 34 aus einem Werkstoff, der hohe Temperaturen auszuhalten vermag, z.B. aus Bornitrid (BN), angebracht. Zur Verhinderung einer Wärmeableitung von der Hohlkathode 2>nach außen ist die Hohlkathode 2 in ein Wärmeabschirmgehäuse 36 unter elektrischer Isolierung diesem gegenüber eingesetzt. Das Wärmeabschirmgehäuse 36 besteht aus einem elektrisch leitenden Metall, und es ist elektrisch mit der Scheibe 10 verbunden. Vorzugsweise« kann ein Heizelement 38 zum Beheizen der Hohlkathode 2 an deren Außenumfangsflache angeordnet sein. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 h-^ steht außerdem die Hohlkathode 2 aus einem Elektronenquellenmaterial, das leicht Elektronen abzugeben vermag. Zwei sich vom Heizelement 38 durch das Gehäuse 26 erstreckende Stromquellenanschluß-Schäfte 21 und 23 sind nach außen geführt und mit der Heizstromversorgung 24 verbunden. Die Hohlkathode 2 wird von einem Tragring 2 getragen, der mit einem im Gehäuse 36 angeordneten und von diesem elektrisch isolierten leitenden Metallzylinder 42 verbunden ist,

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und sie ist über den Tragring 41 und den Metallzylinder 42 mit dem Minuspol der Zündstromversorgung 28 und dem Minuspol der Lichtbogenstromversorgung 14 verbunden. Das Gehäuse 36 ist über einen Widerstand 44 und den Entladung-Startschalter 26 an den Pluspol der Zündstromversorgung 28 angeschlossen. Das Gehäuse 36 ist mit einem Gaseinlaßrohr (stutzen) zur Einleitung von Niederdruckgas in die Hohlkathode 2 versehen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist eine innerhalb der Hohlkathode 2 angeordnete Scheibenelektrode 46 über "einen sie tragenden Schaft 45 und einen Widerstand 48 an die Minuspole von Zünd- und Lichtbogenstromversorgung 28 bzw. 14 angeschlossen. Vorzugsweise ist auf der Oberfläche der Scheibenelektrode 46 eine Elektronenquellenschicht 47 vorgesehen. Die Elektrode 46 gemäß Fig. 5 kann auch durch eine Elektrode anderer Form ersetzt werden. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 4 kann gemäß Fig. 5 die Elektrode 46 zweckmäßig relativ zur Scheibe 10 und somit in einer vorbestimmten Stellung angeordnet werden, in welcher die durch das Paschensche Gesetz bestimmte EntladungsZündspannung am kleinsten ist. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann die Hohlkathode 2' aus einem Elektronenquellenmaterial hergestellt sein.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und 5 wird eine Entladung zwischen Scheibe 10 und Hohlkathode 2 oder Elektrode 46 hervorgerufen, wodurch zuverlässig eine Entladung zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 eingeleitet wird. Insbesondere wird die Hohlkathode 2 durch das Heizelement 38 aufgeheizt und (dadurch) in einen Zustand versetzt, in welchem sie leicht Elektronen zu emittieren

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vermag. Durch anschließendes Schließen des Schalters 26 kann in einfacher Weise eine Entladung zwischen Scheibe 10 und Hohlkathode 2 oder Elektrode 46 herbeigeführt werden. Bei dieser Entladung wird innerhalb der Hohlkathode 2 ein Plasma erzeugt und dadurch die Innenfläche der Hohlkathode 2 erwärmt. Beim Schließen des Schalters 15 wird eine Hochspannung zwischen Hohlkathode 2 und Anode 4 angelegt, so daß eine sich anschließend stabilisierende Lichtbogenentladung zwischen diesen Elektroden auftritt.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung, die sich von denjenigen nach Fig. 4 und 5 nur dadurch unterscheidet, daß eine zweite Öffnung 49 vorgesehen ist. Diese besitzt die Form einer durchgehenden Bohrung in einem zwischen dem einen Ende der Hohlkathode 2 und der elektrisch leitenden Scheibe 10 angeordneten Isolator 34 aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, wie Al 0 oder BN.

Da hierbei zwei Öffnungen 12 und 49 vorgesehen sind, ist der Widerstand für den Gasstrom durch Hohlkathode 2 und Kolben 6 zur Absaugvorrichtung 8 vergrößert, so daß sich bei gleicher Strömungsmenge des Gases zur Hohlkathode 2 der Gasdruck in letzterer erhöht. Da außerdem die Öffnung 49 im Isolator 34 vorgesehen ist, kann das durch die Scheibe 10 erzeugte elektrische Feld leicht durch den Isolator 34 in die Hohlkathode 2 eindringen, wodurch die Zündung eines Entladungslichtbogens begünstigt wird.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 6 läßt sich der Entladungslichtbogen leichter und erfolgreicher bzw. zuverlässiger zünden, wenn das Gas zu Beginn der Gaszufuhr mit hoher Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durch-

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satzmenge vom Gasvorrat zur Hohlkathode geleitet wird, um dann, wenn eine stabile Entladung erreicht ist, mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zugeführt zu werden.

Das vom Gasvorrat gelieferte Gas ist nicht auf H„ beschränkt, vielmehr können an seiner Stelle auch andere Gase, wie Edelgas und Metalldampf, verwendet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung wird also zunächst eine Entladung in der Hohlkathode hervorgerufen, in welcher die Entladung leicht herbeigeführt ■werden kann, worauf eine Entladung zwischen Hohlkathode und Anode eingeleitet wird. Auf diese Weise kann zuverlässig eine ständige bzw. gleichbleibende Entladung erreicht werden, ohne daß für die Einleitung der Entladung eine hohe Stromleistung erforderlich wäre.

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L e e r s e i t

Claims

Henkel, Kern, Feiler &Hänz*2 Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

3039350

Möhlstraße 37

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha D-800Q München 80

Kawasaki, Japan Tel.· 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

KF-55P898-3

Entladungsvorrichtung mit Hohlkathode

Patentansprüche

Entladungsvorrichtung, bei welcher ein Lichtbogenstrom zwischen eine Hohlkathode und eine Anode anlegbar ist, um zwischen beiden eine Entladung herbeizuführen, wobei die Hohlkathode und die Anode in einem evakuierten Kolben angeordnet sind und ein Gas unter einem niedrigen Druck in die Hohlkathode und aus dieser über eine Öffnung derart in den Kolben einleitbar ist, daß der in der Hohlkathode herrschende Gasdruck den Gasdruck im Kolben übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) eine Elektrode (18, 10, 30, 46, 49) zur Herbeiführung einer Entladung in der Hohlkathode (2) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhreinrichtung das Gas zu Beginn der Gaszufuhr mit hoher Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchsatzmenge und anschließend, wenn eine stabile Entladung erreicht ist, mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit liefert.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode ein in der Hohlkathode (2) angeordnetes Heizelement (18) ist, das mit einem Heizstrom speisbar ist, und daß ein Zündstrom zwischen Heizelement und Hohlkathode anlegbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (30) in der Hohlkathode (2) angeordnet ist und daß ein Zündstrom zwischen Elektrode (30) und Hohlkathode (2) anlegbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch«gekennzeichnet, daß die Elektrode eine leitfähige Platte (10) mit einer Öffnung ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zündstrom zwischen die leitfähige Platte (10) und die Hohlkathode (2) anlegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hohlkathode eine weitere Elektrode vorgesehen ist und daß ein Zündstrom zwischen Elektrode (42) und leitfähige Platte (10) anlegbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenumfangsfläche der Hohlkathode (2) ein Heizelement zum Beheizen der Hohlkathode (2) angeordnet ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) in einem Wärmeabschirmgehäuse (36) zur Unterdrückung einer Wärmeableitung von der Hohlkathode (2) angeordnet ist.

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