DE3224644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft hülsenförmige Gaslaserkathoden gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 3 sowie Verfahren zu deren Herstellung. Derartige hülsenförmige Gaslaserkathoden sind aus der NL-Z: "Physics Letters", Bd. 87A (1982), Seiten 237-239 bekannt. Sie weisen einen dreischichtigen Aufbau auf, nämlich eine Graphit-Kathode, eine diese umgebende Keramikröhre sowie einen aus Stahl bestehenden Strahlmantel im Frontbereich. Die einzelnen Schichten bestehen dabei aus separaten Bauteilen. Da diese Graphit-Kathode bei diesem Aufbau mit dem Gasentladungsgemisch des CO₂-Lasers eine physikalisch-chemische Wechselwirkung eingeht, weist diese eine begrenzte Lebensdauer auf. Außerdem ergibt sich durch die separate Herstellung der drei oben genannten Schichten und dadurch, daß die Kathode von der Keramikröhre einen Abstand von ca. 1 mm einhalten muß, eine kostenaufwendige und zugleich instabile Konstruktion.

In der Regel werden bei einem Gaslaser, insbesondere bei einem CO₂-Laser, Metallkathoden verwendet, da Metalle (Nickel, Platin uam.) die Haupteigenschaften von Kathoden, nämlich eine gute Leitfähigkeit und die Fähigkeit zur Elektronenemission gewährleisten (US 35 00 242). Jedoch gewährleisten solche Kathoden keinen dauerhaften Betrieb der Laser wegen ihrer Zerstäubung unter der Einwirkung des Ionenbeschusses und der Wechselwirkung mit den Komponenten eines Gas-Arbeitsgemisches.

Es ist eine Kathode eines Gaslasers bekannt, die in Form einer dünnwandigen (ca. 0,7 mm) zylinderförmigen Hülse aus einem elektrisch leitenden, elektronenemittierenden Stoff, nämlich "Kovar" (eine Legierung Ni-28%, Co-18%, Fe-54%) hergestellt ist, siehe z. B. O. K. Ilina u. a.: "CO₂-Laser-Serie auf der Grundlage einer Basiskonstruktion vom Typ LG-17", "Quantenelektronik", 1971, Band 6, S. 78.

Diese Kathode, wie auch andere Metallkathoden, ist einer Zerstäubung unter der Einwirkung des Ionenbeschusses unterworfen. Dies führt zu einer Änderung der Zusammensetzung des Gas-Arbeitsgemisches und zu einer rapiden Senkung der Strahlungsleistung, wodurch die Lebensdauer des Geräts beschränkt wird und höchstens 500 Stunden beträgt.

Es sind außerdem Kathoden für Elektronen-Ionengeräte aus Karbiden hochschmelzender Metalle bekannt, die über gute Emissionseigenschaften und eine hohe Leitfähgikeit verfügen (siehe S. P. Rakitin u. a.: "Einige Ergebnisse der Anwendung von Karbiden der Übergangsmetalle für Kathoden der Elektroneneinrichtungen", "Funktechnik und Elektronik", 1964, Band IX, Nr. 5, Verlag "Nauka", S. 902-904), wobei TaC und NbC als Kathodenmaterial in Erwägung gezogen wird.

Im Vergleich zu Metallen lassen sich Karbide vieler hochschmelzender Metalle unter den Bedingungen des Ionenbeschusses nur unbedeutend zerstäuben und wirken mit den aktiven Komponenten des Gasgemisches der CO₂-Laser praktisch nicht zusammen.

In der Regel werden Erzeugnisse aus Karbiden, darunter auch Kathoden, durch ein Verfahren der Pulvermetallurgie - nämlich Pressen uns Sintern - hergestellt. Die Herstellung relativ dünnwandiger (0,5-0,8 mm) Kathoden für Gaslaser aus Karbiden mittels eines solchen Verfahrens wird jedoch wegen der Sprödigkeit der Karbide erschwert (siehe L. I. Struk: "Hauptbesonderheiten des Pressens von Karbiden", Sammelbuch "Hochschmelzende Karibe", Kiev, Verlag "Naukowa dumka", 1970, S. 45-51).

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Kathoden aus Karbiden hochschmelzender Metalle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2 bekannt, welches das Erhitzen eines Graphithalbzeugs in einer Atmosphäre von Tantal- bzw. Niobpentachlorid und Argon umfaßt und auf der Wechselwirkung des Graphits mit einem Metallhalogenid bei einer hohen Temperatur unter Bildung eines Karbidüberzugs beruht (siehe N. N. Repnikov u. a.: "Physikalisch-chemische Bedingungen der Abscheidung des Niobkarbids am Graphit", Sammelbuch "Temperaturbeständige Schutzüberzüge", Verlag "Nauka", Leningrad, 1968, S. 124). Die Herstellung von Kathoden für Gaslaser mittels dieses Verfahrens führt jedoch zu keiner bemerkbaren Verlängerung der Lebensdauer des Lasers, da die Graphitunterlage mit dem gasförmigen Medium des Lasers aktiv zusammenwirkt und es nicht gestattet, nützliche Eigenschaften des Karbids selbst voll zu realisieren.

Es ist weiter ein Verfahren zur Herstellung von Kathoden aus Karbiden hochschmelzender Metalle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 bekannt, welches das Erhitzen eines Metallhalbzeugs in einer Beschickung aus Pulvergraphit in einer Argon- oder auch Tantal- oder Niobatmosphäre umfaßt und auf einem Diffusionsaufkohlen beruht (siehe G. V. Samsonov u. a.: "Hochschmelzende Überzüge", Verlag "Metallurgÿa", Moskau 1973, Seite 135). Jedoch bietet die Herstellung von Kathoden für Gaslaser mittels dieses Verfahrens wegen der vorhandenen aktiven Metallgrundlage, die auf die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums Einfluß ausübt, ebenfalls keine Perspektiven.

Die Verwendung von Metallkarbiden bei der Herstellung eines Helim-Neon-Lasers ist aus US 40 85 385 zu dem Zweck bekannt, die Kathode, die selbst nicht aus Karbiden, sondern aus einem Graphitzylinder besteht, zur Erhöhung der Widerstandfähigkeit mit einer Karbidummantelung zu versehen, so daß die Kathode vor Zerstäubung geschützt ist. Jedoch kann aufgrund der guten Absorptionseigenschaften des Graphits die Wechselwirkung mit den Komponenten des Gasgemisches trotz der Karbidummantelung nicht ausgeschlossen werden, wodurch sich eine relativ geringe Betriebsdauer ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hülsenförmigen Gaslaserkathoden der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß diese gleichzeitig bei einfacher Herstellung einen stabilen Aufbau aufzeigen und keine physikalisch-chemische Wechselwirkungen mit dem Gasentladungsgemisch des Lasers eingehen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Verfahren zur Herstellung dieser Gaslaserkathoden sind Gegenstand der Ansprüche 2 bzw. 4.

Die erfindungsgemäße Gaslaserkathode zeichnet sich durch eine geringe Zerstäubung, durch Beständigkeit im gasförmigen Medium, durch eine hohe mechanische Festigkeit, durch eine hohe Leitfähigkeit und durch hohe Emissionseigenschaften bei stabilem Aufbau aus, wodurch sich eine wesentliche Steigerung der Betriebsdauer der Gaslaserkathode bis auf das Zehnfache erzielen läßt.

Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Gaslaserkathoden sind einfach zu realisieren und ermöglichen die Herstellung von dünnwandigen (ca. 0,5 bis 0,7 mm), mechanisch festen Kathoden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf eine Zeichnung, in der die Kathode eines Gaslasers im Querschnitt dargestellt ist, näher erläutert.

Die Kathode eines Gaslasers ist in Form einer zylinderförmigen Hülse ausgeführt, deren Wandungen eine dreischichtige Struktur aufweisen und die aus Karbiden von Metallen der Nebengruppe der V. Gruppe des Periodensystems der Elemente gefertigt ist. Dabei haben die Außenschichten 1 eine Zusammensetzung von MeC_0,74-0,95. Die Innenschicht 2 hat eine Zu­ sammensetzung von MeC_0,92-0,98 bzw. ist aus dem Halbkarbid MeC_0,5 hergestellt. Das Verhältnis der Dicken der Schichten 1-2-1 liegt im Bereich von 1 : 1: 1 bis 1 : 0,25 : 1. Die genannten Parameter sind durch die Notwendig­ keit bedingt, die Betriebseigenschaften einer Kathode (ge­ ringe Zerstäubung, Beständigkeit im gasförmigen Medium usw.) mit ihrer mechanischen Festigkeit als eines konstruktiven Elements des Lasers zu verbinden.

Es wurde experimentell festgestellt, daß die geforder­ ten Betriebseigenschaften einer Kathode durch eine Zusammen­ setzung des Monokarbids _0,74-0,95 gewährleistet werden, deshalb darf die Zusammensetzung der Karbidaußenschichten 1 die genannten Grenzen nicht überschreiten.

Die erforderliche mechanische Festigkeit der Kathode wird durch die Innenschicht 2 mit einer Wabenstruktur aus Tantal- bzw. Niobmonokarbid entsprechender Zusammensetzung im Bereich MeC_0,92-0,98 bzw. aus Tantal- bzw. Niobhalb­ karbid MeC_0,5 (bei einer Zusammensetzung der Außenschich­ ten von MeC_0,8-0,95) gewährleistet, welches über eine größere Viskosität im Vergleich zu den Monokarbiden verfügt.

Ein Verhältnis der Dicken der Schichten von 1 : 1: 1 bis 1 : 0,25 : 1, wie es experimentell festgestellt wurde, gewähr­ leistet die erforderliche mechanische Festigkeit der Katho­ de als eines konstruktiven Elements des Lasers.

Es existieren zwei Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung einer Kathode für Gaslaser.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der Kathode verwendet man als Grundlage ein hohles Graphithalbzeug mit einer Wandungsdicke, welche etwas geringer als die der fertigen Kathode ist. Das Halbzeug wird in einem Dampfgemisch von Tantal- bzw. Niob­ pentachlorid und Argon (1,5-2 g/l Argon) auf eine Tem­ peratur von 2300-2500°C erhitzt und bei dieser Temperatur im genannten gasförmigen Medium 5-8 Stunden gehalten. Die Temperatur und Dauer des Prozesses, die Aus­ gangsdicke des Halbzeugs sowie die Pentachloridkonzentra­ tion werden so gewaählt, daß der Verlauf des Karbidisie­ rungsprozesses unter Bildung einer dreischichtigen Karbid­ struktur mit der erforderlichen Zusammensetzung und dem erforderlichen Ver­ hältnis der Schichtdicken gewährleistet wird.

Die dreischichtige Struktur der Kathode wird dadurch gesichert, daß bei den gewählten Parametern des Prozesses auf der gesamten Oberfläche des Graphithalbzeugs gleichzeitig eine dichte Karbidschicht (Außenschicht) gebildet wird, wobei das weitere Karbidwachstum lediglich durch Kohlen­ stoffdiffusion aus der inneren Graphitgrundlage erfolgen kann, welche sich in einem bestimmten Stadium des Prozes­ ses in eine aufgelockerte Struktur verwandelt, in die Pentachlorid durch interkörnige Grenzen eindringt und sie in ein Karbid verwandelt, das die Außenschichten armiert. Bei einer Temperatur des Prozesses unter 2300°C werden zu dichte Außenschichten gebildet, weshalb sich der Karbidisie­ rungsprozeß stark verlangsamt. Es ist nicht möglich, das gewünschte Resultat innerhalb einer günstigeren Zeit zu erreichen. Bei einer Temperatur über 2500°C werden lockere Karbidschichten gebildet, da die Reaktion in einem begrenzten Volumen verläuft. Die Ausgangsdicke des Halbzeugs wird durch Be­ rechnung der Dichte des Tantal- bzw. Niobkarbids und auf Grund experimenteller Ergebnisse im Sinne einer Präzisierung gewählt.

Da sämtliche Bedingungen der Durchführung des Prozes­ ses der Herstellung von Kathoden mit den erforderlichen Para­ metern eng miteinander verbunden sind, wird die Zeit der Karbidisierung experimentell anhand der Ergebnisse einer metallografischen und Röntgenstrukturanalyse der fertigen Kathoden und der Gewichtsänderung des Graphitrohteils nach der Karbidisierung ermittelt. Die genannten Grenzen von 5 bis 8 Stunden gewährleisten eine vollständige Graphitum­ wandlung in einer Karbidstruktur.

Die konkreten Bedingungen der Verwirklichung des er­ sten Ausführungsbeispiels des Verfahrens sowie die Parameter der herzustellenden Kathoden sind in der Tabelle I angeführt.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfah­ rens zur Herstellung von Kathoden wird ein Metallhalbzeug (aus Tantal bzw. Niob) mit einer Wandungsdicke, welche etwas geringer als die der fertigen Kathode ist, in einer Beschickung aus pulverförmigem Graphit in einem inerten Medium auf eine Temperatur von 2000-2200°C erhitzt und bei dieser Temperatur 5 bis 10 Stunden gehalten. Die Arbeitsweise und Dicke des Halbzeugs werden so gewählt, daß der Verlauf des Karbidisierungsprozesses unter Bildung einer dreischichtigen Karbidstruktur der erforderlichen Zu­ sammensetzung und des erforderlichen Verhältnisses der Dicken gewährleistet wird.

Eine dreischichtige Struktur der Kathode wird in diesem Fall dadurch gewährleistet, daß die Karbidisierung von Metallen der Nebengruppe der V. Gruppe in Übereinstimmung mit dem Diagramm der Zustände Me-C erfolgt, d. h. in den Außenschichten, die mit Kohlenstoff in Kontakt stehen, wird Monokarbid MeC _x gebildet, wobei x Werte annehmen kann, die der oberen Grenze der Homogenität des Karbids nah sind, wo­ bei sich aber die Innenschicht in ein Halbkarbid bei einer längeren Haltezeit verwandelt.

Die realen Geschwindigkeiten des Prozesses hängen von vielen Parametern ab und lassen sich theoretisch mit der erfor­ derlichen Genauigkeit nicht berechnen. Deshalb ist eine experimentelle Ausarbeitung der Bedingungen für die Durch­ führung des Prozesses sowie der Parameter der herzustel­ lenden Kathoden notwendig. Bei einer Temperatur unter 2000°C verlangsamt sich der Karbidisierungsprozeß stark, was zu einer wesentlichen Verlängerung der Karbidisierungszeit führt. Bei einer Temperatur über 2200°C wird der Karbidisierungs­ prozeß unter Entstehung von Defekten in den wachsenden Kar­ bidschichten sowie mit einer Formänderung der Kathode auf­ grund der Eigenspannungen und einer bleibenden Deforma­ tion begleitet. Bei der Herstellung von Kathoden aus Niob­ karbid wird die Temperatur im Bereich von 2000 bis 2100°C und aus Tantalkarbid im Bereich von 2100 bis 2200°C ge­ halten. Da sämtliche Bedingungen für die Durchführung des Prozesses der Herstellung von Kathoden mit den erforderlichen Parametern eng miteinander verbunden sind, ist die Zeit der Durchführung des Prozesses ein Summenfaktor und seine Werte werden experimentell anhand einer metallografischen Analyse ermittelt. Die Zeit der Durchführung des Prozesses nimmt mit der Temperaturerniedrigung und der Verringerung der Dicke der Innenschicht mit der Zusammensetzung Me_0,5 zu. Da Tan­ tal- und Niobkarbide einen sehr schmalen Bereich der Homo­ genität und ein hexagonales Gitter besitzen, war es nicht möglich, anhand der Röntgenangaben die Abänderungen der Zu­ sammensetzung des Halbkarbids festzustellen.

Die konkreten Bedingungen für die Durchführung des zwei­ ten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Parameter der herzustellenden Kathoden sind in Tabelle II angeführt.

Tabelle I

Tabelle II

Es wurden abgelötete CO₂-Laser mit verschiedenen vorstehend beschriebenen Kathoden geprüft, deren Parameter in den Tabellen I und II angeführt sind. Zum Vergleich wurde auch ein abgelöteter CO₂-Laser mit einer Metallkathode ("Kovar") ähnlicher Form geprüft.

Die Prüfungen haben gezeigt, daß die Anwendung der Kathoden aus Tantal- bzw. Niobkarbid, die nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, die Lebensdauer der abgelöteten CO₂-Laser von 500 Stunden (für eine "Kovar"-Kathode) auf 10 000 Stunden und mehr steigert. Dabei wird gleichzeitig der größtmögliche Wert der spezifischen Strahlungsleistung pro eine Längeneinheit gewährleistet und dieser Wert über die Zeit praktisch konstant gehalten. Es wurde festgestellt, daß die Beschränkung der Lebensdauer nicht durch den Einfluß der Kathode, sondern durch andere Faktoren ausgeübt wird, deren Beseitigung eine weitere Erhöhung der Lebensdauer gewährleisten.

Somit besteht ein Vorteil der Kathoden für Gaslaser im Vergleich zu den bekannten in einer mehrfachen Verlängerung der Lebensdauer der Laser. Dies bezieht sich nicht nur auf CO₂-Laser, sondern auch auf viele andere Gaslaser, in denen die Zerstäubung der Kathoden eine prinzipielle Rolle spielt.

Claims (4)

1. Hülsenförmige Gaslaserkathode aus einem elektrisch leitenden, elektronenemittierenden Stoff, die dreischichtig aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Karbiden von Metallen der Nebengruppe der V. Gruppe des Periodensystems hergestellt ist, wobei die innere Schicht der Hülse eine Zusammensetzung von MeC_0,92-0,98 sowie die beiden äußeren Schichten eine Zusammensetzung von MeC_0,74-0,95 aufweisen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Kathode nach Anspruch 1 durch Erhitzen eines Graphitwerkstücks in einer Atmosphäre von Tantal- bzw. Niobpentachlorid und Argon, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während des Kar­ bidisierungsprozesses auf eine Temperatur von 2300 bis 2500°C erhitzt und bei dieser Temperatur 5 bis 8 Stunden gehalten wird.

3. Hülsenförmige Gaslaserkathode aus einem elektrisch leitenden, elektronenemittierenden Stoff, die dreischichtig aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Karbiden von Metallen der Nebengruppe der V. Gruppe des Periodensystems hergestellt ist, wobei die innere Schicht der Hülse aus einem Halbkarbid MeC_0,5 besteht und die beiden äußeren Schichten eine Zusammensetzung von MeC_0,8-0,95 aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung einer Kathode nach Anspruch 3 durch Erhitzen eines Halbzeuges aus Tantal bzw. Niob in einer Beschickung aus Pulvergraphit in einer Argonatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während des Karbi­ disierungsprozesses auf eine Temperatur 2000 bis 2200°C erhitzt und bei dieser Temperatur 5 bis 10 Stunden gehalten wird.