DE3906587A1

DE3906587A1 - Hohlleiter aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden metall

Info

Publication number: DE3906587A1
Application number: DE19893906587
Authority: DE
Inventors: Werner Szcepaniak; Uwe Hoffmann; Manfred Dr Ing Thumm
Original assignee: GALVANO T ELECTROFORMING PLATI
Current assignee: GALVANO T ELECTROFORMING PLATI
Priority date: 1989-03-02
Filing date: 1989-03-02
Publication date: 1990-09-06

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Metall.

Hohlleiter sind Wellenleiter, die durch ein Rohr mit leitenden Wänden nach außen vollständig begrenzt sind. Sie dienen vorrangig dazu, Hochfrequenzenergie zu transportieren.

In der Plasmaphysik hat sich die Anwendung hochfrequenter Wellen seit langem bewährt und die konventionellen Methoden ergänzt und teilweise auch ersetzt. Die Plasmaerzeugung und Plasmaheizung mit Hochfrequenz ist in verschiedenen Frequenzbereichen möglich, wobei die höherfrequenten Mikrowellenverfahren besondere Vorteile wegen der Möglichkeit der Polarisierbarkeit der Wellen und der guten Bündelung hoher HF-Leistungen aufweisen. Die Hochenergie-Plasmaphysik, die die kontrollierte Kernfusion zum Ziel hat, kommt nicht ohne eine starke Zusatzheizung des Plasmas aus. Die bisher verwendeten Heizverfahren, wie ohmsche Heizung oder Heizung mittels schneller Neutralteilchen, werden durch die Hochfrequenz- Heiz-Verfahren ergänzt. Dabei werden hohe HF-Leistungen über Antennen in das Plasma eingekoppelt. Für den Transport dieser hohen HF-Leistungen und für das Einkoppeln in das Plasma sind Hohlleiter der eingangs erwähnten Art erforderlich.

Für den genannten Zweck hat sich die HE₁₁-Welle als sehr geeignet herausgestellt, da dieser Wellentyp eine geringe ohmsche Dämpfung aufweist. Sie wird über sogenannte Rillenhohlleiter übertragen.

Üblicherweise bestehen die Hohlleiter aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie z. B. Aluminium oder Kupfer. Zur Verbesserung ihrer Übertragungseigenschaften werden sie an ihrer inneren Oberfläche vielfach noch versilbert.

Soll die übertragene Leistung bei Hohlleitern erhöht werden, müssen vielwellige Hohlleiter verwendet werden, d. h. solche, bei denen der Durchmesser sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist. An unvermeidbaren Hohlleiterstörstellen, wie Flanschverbindungen, Versetzungen, Knicken oder Krümmungen kommt es häufig auch zu einer stärkeren Ausbildung von Stör- bzw. Falschmoden, d.h. anderer Wellentypen. Diese Stör- oder Falschmoden können zu Felderhöhungen und somit zu Überschlägen und damit zu einer Zerstörung des Hohlleiters und zur Abschaltung der Millimeterwellenquelle führen. Man hat deshalb versucht, in aufwendiger Weise diese Störmoden durch Filter etc. herauszufiltern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiter für höhere Leistungsübertragung von Millimeterwellen anzugeben, der insbesondere für die Übertragung von HE₁₁-Wellen geeignet ist und bei dem bei hoher Leistungsübertragung Überschläge vermieden sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Hohlleiter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die innere Oberfläche des Hohlleiters eine Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 50% IACS aufweist (IACS = International Annealing Copper Standard = Leitfähigkeit von Kupfer in geglühtem Zustand). Durch die schlecht leitende Schicht werden Stör- oder Falschmoden ohne wesentliche Dämpfung der Hauptwelle HE₁₁ weggedämpft. Dadurch besteht die Möglichkeit, höhere Leistungen zu übertragen, ohne befürchten zu müssen, daß es zu Überschlägen und zu einer Zerstörung des Hohlleiters kommt.

Mit besonderem Vorteil beträgt die elektrische Leitfähigkeit der Schicht weniger als 20% IACS.

Der Werkstoff für die Schicht ist zweckmäßigerweise paramagnetisch. Ein ferromagnetischer Werkstoff würde in der Umgebung des Hohlleiters magnetische Störfelder entstehen lassen, die höchst unerwünscht sind.

Mit besonderem Vorteil besteht die Schicht aus stromlos abgeschiedenem Nickel mit einer weiteren Legierungskomponente, wobei die Legierungskomponente mit einem Anteil von mehr als 5 Gew.% vorliegt. Die Legierungskomponente verfolgt den Zweck, die Leitfähigkeit des Nickels zu verringern und das Nickel paramagnetisch zu machen. Dies gelingt in einfacher Weise, wenn die Legierungskomponente Phosphor ist und ihr Gewichtsanteil mindestens 7-10% vorzugsweise höher als 10% ist. Eine solche Werkstoffkombination hat den Vorteil, daß sie sehr gut auf chemischem Wege, d.h. stromlos abgeschieden werden kann, und eine konturengetreue Wiedergabe von Werkstücken ermöglicht.

Die Wanddicke der Schicht sollte zwischen 10 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 25 und 50 µm betragen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Eindringtiefe der Wellen - auch der Stör- oder Falschmoden - nicht über die Wanddicke der dämpfenden Schicht hinausgeht. Zweckmäßigerweise weist die Schicht zumindest an ihrer nach innen weisenden Oberfläche eine Rillung auf. Die sich aus dieser Maßnahme ergebenden Vorteile bestehen darin, daß damit eine HE₁₁- Welle übertragen werden kann.

Die Tiefe der Rillen sollten im Gegensatz zur Lehrmeinung kleiner als λ/4, vorzugsweise kleiner als 0,5 λ/4 sein, wobei λ die Wellenlänge der zu übertragenden Welle ist. Mit besonderem Vorteil beträgt die Rillentiefe 0,3 λ/4. Hierdurch wird die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Hohlleiters, unerwünschte Moden zu filtern bzw. zu dämpfen, verstärkt. Das den eigentlichen Hohlleiter bildende Metall ist vorteilhafterweise Kupfer. Dieser Werkstoff läßt sich gut galvanisch abscheiden und hat darüberhinaus ein sehr gutes thermisches Leitvermögen, so daß die in dem Hohlleiter u.U. entstehende Verlustwärme schnell nach außen abgeführt werden kann.

Ein Verfahren, mit dem die Hohlleiter gemäß der Lehre der Erfindung hergestellt werden können, zeichnet sich dadurch aus, daß auf einer Negativform zunächst eine Nickelschicht mit wenigstens 5, vorzugsweise mehr als 10 Gew.% Phosphor stromlos abgeschieden und vor oder nach dem Entfernen der Negativform auf der äußeren Oberfläche der Nickel-Phosphor-Schicht eine Kupferschicht galvanisch abgeschieden wird. Diese Vorgehensweise führt zu einem konturengetreuen Hohlleiter. Zwar ist es auch möglich, ein bereits fertiggestelltes Rohr, z.B. ein gezogenes Kupferrohr innen mit der erfindungsgemäßen Schicht zu versehen, jedoch ist diese Vorgehensweise nur sinnvoll anwendbar bei glattwandigen Schichten bzw. auch sehr dünnen Schichten.

Die Erfindung soll anhand des in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Fig. 1 zeigt einen Hohlleiter 1 zur Übertragung einer HE₁₁-Welle, der aus einem Rohr 4, vorzugsweise aus Kupfer, welches an seiner inneren Oberfläche eine Schicht 2 aus einem Metall mit einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit aufweist. Die Schicht 2 ist vorzugsweise eine stromlos abgeschiedene Nickelschicht, die ca. 10 Gew.% Phosphor enthält. Die Schicht 2 verläuft im Querschnitt gesehen mit besonderem Vorteil nach Art eines Mäanders.

Für die wirtschaftliche Herstellung eines solchen Rillenhohlleiters 1 wird zweckmäßigerweise zunächst eine nicht dargestellte Negativform hergestellt, deren äußere Oberfläche das Rillenprofil trägt.

Als Negativform wird ein Rohr oder eine Rundprofil aus Aluminium verwendet, in dessen Mantelfläche durch spanende Verformung das Rillenprofil eingearbeitet wird. Das Aluminiumprofil bzw. das Aluminiumrohr wird dann stromlos vernickelt, und zwar bis zu einer Schichtdicke von 25 bis 50 µm. Die Vernickelung erfolgt nach dem Natriumhypophosphitverfahren, welches eine gleichmäßige Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht ermöglicht. Die Nickelschicht ist porenfrei und dementsprechend hervorragend korrosionsbeständig.

Verfahrensbedingt enthält das nach dem Natriumhypophosphitverfahren abgeschiedene Nickel mindestens 7-9% Phosphor. Durch den Phosphoranteil verändern sich auch die Eigenschaften des Nickels. So ist das Nickel paramagnetisch, sofern es nicht wärmebehandelt wird. Außerdem verringert sich die elektrische Leitfähigkeit auf weniger als 5% IACS.

Auf diese Nickelschicht 2 wird in einem galvanischen Prozeß eine Kupferschicht 4 von 2-6 mm Schichtdicke aufgebracht, welche im wesentlichen die Aufgabe hat, die dünne Nickelschicht 2 zu stützen, d.h. in ihrer runden Querschnittsform zu erhalten. Bei der Verkupferung wird die Rillung der Schicht 2 außen eingeebnet, d.h. nach der Verkupferung liegt ein außen glatter Körper vor. Die Kupferschicht 4 kann, falls erwünscht, endseitig spanend bearbeitet werden, beispielsweise um eine versatzfreie Verbindung von zwei oder mehreren Hohlleitern zu ermöglichen. Nach diesen Arbeiten wird die Negativform entfernt, z.B. im Falle einer Aluminiumform durch Auflösen in Natronlauge. Nach einem Spülen ist der Hohlleiter fertiggestellt. Ein auf die beschriebene Weise hergestellter Rillenhohlleiter hat z. B. folgende Abmessungen:

Länge:\|2000 mm
Außendurchmesser:	95 mm
Innendurchmesser:	89 mm
Wanddicke der Kupferschicht:	ca. 3 mm
Wanddicke der Nickel-Phosphor-Schicht:	0,03 mm
Rillentiefe:	0,35 mm
Rillenabstand:	0,70 mm
Rillenbreite:	0,35 mm

Ein solcher Rillenhohlleiter ist geeignet, Hochfrequenzenergie mit einer Leistung von 1 Megawatt oder mehr zu übertragen, und zwar mit einer Welle vom Typ HE₁₁. Die Frequenz beträgt dabei ca. 140 GHz. Überschläge sind nicht zu beobachten. Stör- oder Falschmoden werden aufgrund der schlechten Leitfähigkeit der Schicht 2 gedämpft, ohne die HE₁₁-Welle wesentlich zu dämpfen. So beträgt beispielsweise die ohmsche Dämpfung der HE₁₁-Welle =0,0003 dB/m = 0,7% pro 100 m. Die ohmsche Dämpfung der TE_15,2 Welle beträgt = 0,043 dB/m = 63% pro 100 m.

Claims

1. Hohlleiter aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Hohlleiters (1) eine Schicht (2) aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 50% IACS aufweist.

2. Hohlleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer Leitfähigkeit von höchstens 20% IACS besteht.

3. Hohlleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) paramagnetisch ist.

4. Hohlleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus stromlos abgeschiedenem Nickel mit einer weiteren Legierungskomponente besteht, wobei die Legierungskomponente mit einem Anteil von mehr als 5 Gew.% vorliegt.

5. Hohlleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungskomponente Phosphor ist und ihr Gewichtsanteil mindestens 7-10%, vorzugsweise höher als 10% ist.

6. Hohlleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Schicht (2) zwischen 10 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 25 und 50 µm beträgt.

7. Hohlleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) zumindest an ihrer nach innen weisenden Oberfläche eine Rillung (3) aufweist.

8. Hohlleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (3) kleiner als λ/4, vorzugsweise kleiner als 0,5 λ/4 ist, wobei g die Wellenlänge der zu übertragenden Welle ist.

9. Hohlleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (3) 0,3 λ/4 ist.

10. Hohlleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch und thermisch gut leitende Metall (4) Kupfer ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Hohlleiters nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Negativform zunächst eine Schicht aus Nickel mit mindestens 5, vorzugsweise mehr als 10 Gew.% Phosphor stromlos abgeschieden und vor oder nach dem Entfernen der Negativform auf der äußeren Oberfläche der Nickelschicht eine Kupferschicht galvanisch abgeschieden wird.