DE69201290T2

DE69201290T2 - Direkt geheizte dispensierende Kathode mit verbessertem schraubenförmigen Element und Edelgas-Ionen-Lasersystem mit einer solchen Kathode.

Info

Publication number: DE69201290T2
Application number: DE1992601290
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Seura
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: EP0535870B1; EP0535870A1; JP2567898Y2; JPH0531268U; DE69201290D1

Description

Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine direkt geheizte Vorratskathode und insbesondere den Aufbau einer in einem Edelgasionen-Lasererzeugungssystem verwendeten schrauben- oder spiralförmigen, direkt geheizten Vorratskathode.

Beschreibung der verwandten Technik

Die direkt geheizte Vorratskathode ermöglicht eher einen großen Stromfluß durch die Kathode und erreicht eine längere Betriebdauer als eine Oxidschichtkathode. Andere Vorteile der direkt geheizten Vorratskathode sind die Beständigkeit gegen Ionenaufprall und Bogenentladung. Aus diesem Grund wird die direkt geheizte Vorratselektrode in Hochleistungs-Laserröhren verwendet.
Fig. 1 zeigt ein typisches Beispiel einer in einer herkömmlichen Hochleistungs-Laserröhre bzw. in einem Multi- Kilowatt-Laser verwendeten direkt geheizten Vorratskathode (vergl. z.B. US-A-5050184). Die herkömmliche direkt geheizte Vorratskathode ist zu einer Wendel geformt, die aus mehreren miteinander verschmolzenen spiralförmigen Elementen 1 gebildet wird. Die äußersten spiralförmigen Elemente sind an Zuleitungsdrähten 2a und 2b angeschweißt oder durch Hartlöten daran befestigt, wobei die Schweißpunkte durch Punkte 3a und 3b in Fig. 1 dargestellt sind. Der Querschnitt 4 jedes spiralförmigen Elements 1 ist im wesentlichen rechteckig, wie in Fig. 2 dargestellt, und über die Wendel gleichmäßig. Die Wendel wird aus gesintertem Wolfram hergestellt, das mit einer elektronenemittierenden Substanz, wie beispielsweise ein Gemisch aus Bariumoxid (BaO), Calciumoxid (CaO) oder Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) getränkt ist. Wenn Strom durch die Wendel fließt, wird die elektronenemittierende Substanz erwärmt, so daß Elektronen davon abgestrahlt werden.
Die herkömmliche direkt geheizte Vorratskathode wird durch die folgende Verarbeitungsfolge hergestellt. Die Verarbeitungsfolge beginnt mit der Vorbereitung von Wolframpulver, das zu einer dicken, geraden Stange gepreßt wird. Das stangenförmige Wolframpulver wird unter geeigneten Bedingungen gesintert, wobei durch den Sinterprozeß ein poröser Sinterkörper hergestellt wird. Der Sinterkörper wird anschließend mit einem Inert-Kunststoffüllmittel getränkt, durch das die maschinelle Bearbeitbarkeit des Sinterkörpers verbessert wird. Anschließend wird der derart mit dem Inert-Kunststoffüllmittel getränkte stangenförmige Sinterkörper maschinell zu einer Wendel verarbeitet und das Inert-Kunststoffüllmittel in Vakuum oder in Luft entfernt. Die Zuleitungsdrähte 2a und 2b werden an den Punkten 3a und 3b an den jeweils äußersten spiralförmigen Elementen angeschweißt, und der Sinterkörper wird mit einem Pulver der elektronenemittierenden Substanz beschichtet. Das Pulver der elektronenemittierenden Substanz wird in Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre über eine bestimmte Temperatur erwärmt und geschmolzen, so daß es den Sinterkörper durchtränkt.
Die derart hergestellte herkömmliche direkt geheizte Vorratskathode wird in einem Argongasionen-Lasererzeugungssystem angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Argongasionen-Lasererzeugungssystem weist eine Kathodenröhre 5 und eine von der Kathodenröhre 5 hervorstehende Laserkapillare (oder Laserleuchtkörper) 6 auf. In der Kathodenröhre 5 ist eine Kathodenkammer 5a definiert, in der die herkömmliche direkt geheizte Vorratskathode angeordnet ist. Im Laserleuchtkörper 6 ist ein Trennelement 6a angeordnet, durch das eine Anodenkammer 6b von der Kathodenkammer 5a getrennt wird. Im Trennelement 6a sind eine Durchgangsöffnung 6c und Gasrückführkanäle 6d ausgebildet, und in der Anodenkammer 6b ist eine Anode 6e angeordnet.
Das so aufgebaute Argongasionen-Lasererzeugungssystem verhält sich folgendermaßen. Zunächst werden die Kathodenund die Anodenkammer 5a bzw. 6b evakuiert, wodurch in diesen Kammern Vakuum erzeugt wird. Wenn der herkömmlichen direkt geheizten Vorratskathode Strom zugeführt wird, werden die spiralförmigen Elemente 1 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und Argongas wird in die Kammern 5a und 6b eingeleitet. Es findet eine Bogenentladung statt, wodurch im herkömmlichen Argongasionen-Lasererzeugungssystem ein Argongaslaser gebildet wird.
Ein Problem bei der herkömlichen direkt geheizten Vorratskathode ist die relativ kurze Betriebsdauer. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß Argonionen die Oberfläche des porösen Sinterkörpers beschädigen, wobei aufgrund der geschmolzenen Sintersubstanz, die die porösen Oberflächen der spiralförmigen Elemente bedeckt, kaum Elektronen emittiert werden. Die Betriebsdauer der direkt geheizten Vorratskathode ist dem Entladungsstrom umgekehrt Proportional. Wenn der Strom etwa 6 Ampere beträgt, liegt die Betriebsdauer in der Größenordnung von 10000 Stunden. Wenn der Strom auf 10 Ampere erhöht wird, arbeitet die herkömmliche direkt geheizte Vorratskathode jedoch nur für etwa 500 Stunden.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher ist es eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkt geheizte Vorratselektrode bereitzustellen, die über eine längere Zeitdauer betrieben werden kann.
Der vorliegende Erfinder hat festgestellt, daß nur ein oder zwei spiralförmige Elemente an der Anodenseite schnell beschädigt werden und die Beschädigung zu den hinteren spiralförmigen Elementen fortschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine direkt geheizte Vorratselektrode bereitgestellt, mit: a) einem aus einer porösen gesinterten Substanz, die mit einer elektronenemittierenden Substanz durchtränkt ist, gebildeten Wendelelement mit mehreren miteinander verschmolzenen spiralförmigen Elementen, die in eine erste, an der Anodenseite angeordnete Gruppe und eine zweite, an der der Anode entgegengesetzten Seite angeordnete Gruppe aufgeteilt sind, wobei vom äußersten spiralförmigen Element der ersten Gruppe ein Flansch derart hervorsteht, daß dieser der Anode gegenüberliegt; b) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der ersten Gruppe verbundenen ersten Zuleitungsdraht; und c) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der zweiten Gruppe verbundenen zweiten Zuleitungsdraht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Edelgasionen-Lasererzeugungssystem bereitgestellt, mit: a) einem ersten Rohrelement mit einer Anodenkammer; b) einer in der Anodenkammer angeordneten Anode; c) einem zweiten Rohrelement mit einer mit der Anodenkammer verbundenen Kathodenkammer; und d) einer in der Kathodenkammer angeordneten direkt geheizten Vorratskathode mit d-1) mehreren aus einer porösem gesinterten Substanz, die mit einer elektronenemittierenden Substanz durchtränkt ist, gebildeten spiralförmigen Elementen, die miteinander verschmolzen sind und in eine an der Anodenseite angeordnete erste Gruppe und eine an der der Anode entgegengesetzten Seite angeordnete zweite Gruppe aufgeteilt sind, wobei vom äußersten spiralförmigen Element ein Flansch derart hervorsteht, daß dieser der Anode gegenüberliegt, d-2) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der ersten Gruppe verbundenen ersten Zuleitungsdraht und d-3) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der zweiten Gruppe verbundenen zweiten Zuleitungsdraht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale und Vorteile der erfindungsgemaßen direkt geheizten Vorratskathode wird anhand der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Aufbaus der herkömmlichen direkt geheizten Vorratskathode;
Fig. 2 eine Querschnittansicht zum Darstellen der spiralförmigen Komponente der herkömmlichen direkt geheizten Vorratskathode;
Fig. 3 eine Querschnittansicht zum Darstellen des Aufbaus des herkömmlichen Edelgasionen-Lasererzeugungssystems;
Fig. 4 eine Querschnittansicht zum Darstellen des Aufbaus des erfindungsgemäßen Edelgasionen-Lasererzeugungssystems;
Fig. 5 eine Seitenansicht des Aufbaus einer erfindungsgemäßen direkt geheizten Vorratskathode;
Fig. 6 eine Querschnittansicht zum Darstellen des Aufbaus eines Wendelelements der direkt geheizten Voratskathode; und
Fig. 7 eine Seitenansicht des Aufbaus einer anderen erfindungsgemäßen direkt geheizten Vorratskathode.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungs formen

Erste Ausführungsform

Gemäß Fig. 4 weist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Edelgasionen-Lasererzeugungssystems eine Kathodenröhre 11 und einen von der Kathodenröhre 11 hervorstehenden Laserleuchtkörper oder -kapillare 12 auf. In der Kathodenröhre 11 ist eine Kathodenkammer 11a definiert, in der eine direkt geheizte Vorratskathode 13 angeordnet ist. In die Laserkapillare 12 ist ein Trennelement l2a eingesetzt, durch das eine Anodenkammer 12b von der Kathodenkammer 11a getrennt wird. Im Trennelement 12a sind eine Durchgangsöffnung 12c und Gasrückführkanäle 12d ausgebildet, und eine Anode 12e ist in der Anodenkammer 12b angeordnet.
Gemäß Fig. 5 weist die direkt geheizte Vorratskathode 13 ein Wendelelement 13a oder miteinander verschmolzene spiralförmige Elemente 131 bis 137 sowie Zuleitungsdrähte 13b und 13c aus Molybdän auf, die jeweils an Schweißpunkten 13d und 13e durch Lichtbogenschweißen an den spiralförmigen Elementen 131 bzw. 137 befestigt sind. Die Zuleitungsdrähte können jedoch auch durch Hartlöten am Wendelelement 13a befestigt werden. Das Wendelelement 13a wird aus porösem gesinterten Wolfram hergestellt, wobei das poröse gesinterte Wolfram mit einer elektronenemittierenden Substanz, wie beispielsweise ein Gemisch aus BaO, CaO oder Al&sub2;O&sub3;, durchtränkt ist. Ein Flansch 13f steht von beiden Seiten eines Teils des Wendelelements 13a hervor, wie in Fig. 6 dargestellt, und erstreckt sich über das gesamte spiralförmige Element 131 und eine Hälfte des nächsten spiralförmigen Elements 132. Die übrigen spiralförmigen Elemente weisen jedoch keinen Flansch auf und besitzen einen rechteckigen Querschnitt. In diesem Beispiel sind die spiralförmigen Elemente 131 und 132 einer ersten Gruppe zugeordnet, und die anderen spiralförmigen Elemente 133 bis 137 bilden kombiniert eine zweite Gruppe.
Die direkt geheizte Vorratskathode 13 wird durch die folgende Verarbeitungsfolge hergestellt. Die Verarbeitungsfolge beginnt mit dem Vorbereiten von Wolframpulver, das zu einer dicken, geraden Stange gepreßt wird. Das stangenförmige Wolframpulver wird unter geeigneten Bedingungen ges intert und durch den Sinterprozeß ein poröser Sinterkörper hergestellt. Der poröse Sinterkörper wird anschließend mit einem Inert-Kunststoffüllmittel getränkt, durch das die maschinelle Bearbeitbarkeit des Sinterkörpers verbessert wird. Daraufhin wird der derart mit dem Inert-Kunststoffüllmittel getränkte stangenförmige poröse Sinterkörper maschinell zu einer im wesentlichen spiralförmigen Anordnung verarbeitet. D.h., die spiralförmigen Elemente 131 und 132 werden zu einem rechteckigen Querschnitt mit dem Flansch 13f geformt und die anderen spiralförmigen Elemente 133 bis 137 zu einem rechteckigen Querschnitt geformt. Nach der Formgebung wird das Inert-Kunststoffüllmittel in Vakuum oder in Luft entfernt. Die Zuleitungsdrähte 13b und 13c Werden an den Punkten 3a und 3b an den äußersten spiralförmigen Elementen 131 bzw. 137 angeschweißt, und der poröse Sinterkörper wird mit einem Pulver der elektronenemittierenden Substanz beschichtet. Das Pulver der elektronenemittierenden Substanz wird in Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre über eine bestimmte Temperatur erwärmt und geschmolzen, um den Sinterkörper zu durchtränken.
Das derart aufgebaute Edelgasionen-Lasererzeugungssystem verhält sich folgendermaßen. Zunächst werden die Kathoden- und die Anodenkammer 11a bzw. 12b evakuiert, wodurch in diesen Kammern ein Vakuum erzeugt wird. Wenn der direkt geheizten Vorratskathode 13 Strom zugeführt wird, wird die Wendel 13a auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und Edelgas, wie beispielsweise Argon, wird in die Kammern 11a und 12b eingeleitet. Es findet eine Bogenentladung statt, wobei im Edalgasionen-Lasererzeugungssystem ein Argongas-Laser gebildet wird.
Weil der von den spiralförmigen Elementen 131 und 132 hervorstehende Flansch 13f gegen Ionenbeschuß abschirmend wirkt, können die spiralförmigen Elemente 133 bis 137 nicht so leicht beschädigt werden. D.h., wenn der Flansch 13f über 1.5 Windungen der spiralförmigen Elemente der direkt geheizten Vorratselektrode mit einem Außendurchmesser von 12.7 Millimeter vorgesehen ist, ist die Betriebsdauer bei einem Entladungsstrom von 10 Ampere doppelt so lang wie bei der in Fig. 3 dargestellten herkömmlichen Anordnung, so daß der Flansch 13f sicher gegen Ionenbeschuß wirkt.

Zweite Ausführungsform

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen direkt geheizten Vorratskathode 23. Diese Ausführungsform der direkt geheizte Vorratskathode ist der ersten Ausführungsform ähnlich, außer daß ein vom ersten und vom zweiten spiralförmigen Element 131 bzw. 132 an der Anodenseite hervorstehender Flansch 23f vorgesehen ist. Aus diesem Grund sind die Komponenten der direkt geheizten Vorratskathode 23 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie diejenigen der entsprechenden Elemente der ersten Ausführungsform, wobei eine ausführliche Beschreibung weggelassen wird.
Der Flansch 23f ist aus Tantal hergestellt und zu einem Ring geformt. Der ringförmige Flansch 23f wird am gesamten Umfang der spiralförmigen Elemente 131 und 132 durch Laserschweißen befestigt, so daß die anderen spiralförmigen Elemente 133 bis 137 durch den von der ersten und der zweiten Windung des Wendelelements 13a hervorstehenden Schutzflansch 23f gegen Ionenbeschuß geschützt sind.
Wie gemäß der vorstehenden Beschreibung verdeutlicht wird, schützt der Flansch die spiralförmigen Elemente wirksam gegen Ionenbeschuß, so daß die Betriebsdauer der erfindungsgemäßen direkt geheizten Vorratskathode erhöht wird.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können. Beispielsweise sind die erfindungsgemäßen direkt geheizten Vorratskathoden auch für Kryptonionen-Lasererzeugungssysteme verwendbar. Ferner kann der Flansch durch Hartlöten an den spiralförmigen Elementen befestigt werden und einige spiralförmige Elemente können direkt maschinell bearbeitet werden, um Flansche auszubilden.

Claims

1. Direkt geheizte Vorratskathode (13; 23) mit:

a) einem aus einer porösen gesinterten Substanz, die mit einer elektronenemittierenden Substanz getränkt ist, hergestellten Wendelelement (13a) mit mehreren miteinander verschmolzenen spiralförmigen Elementen (131 bis 137), die in eine zur Anode (12e) weisende erste Gruppe (131, 132) und eine von der Anode abgewandte zweite Gruppe (133 bis 137) unterteilt sind;

b) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element (131) der ersten Gruppe verbundenen ersten Zuleitungsdraht (13b); und

c) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element (137) der zweiten Gruppe verbundenen zweiten Zuleitungsdraht (13c),

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Flansch (13f; 23f) vom äußersten spiralförmigen Element (131) der ersten Gruppe derart hervorsteht, daß er der Anode zugewandt ist.

2. Direkt geheizte Vorratskathode nach Anspruch 1, wobei der Flansch sich zum nach dem äußersten spiralförmigen Element angeordneten spiralförmigen Element (132) der ersten Gruppe erstreckt.

3. Direkt geheizte Vorratskathode nach Anspruch 2, wobei der Flansch (23f) aus einem ringförmigen Tantalelement hergestellt ist und am äußersten spiralförmigen Element (131) sowie am nach dem äußersten spiralförmigen Element angeordneten spiralförmigen Element (132) angeschweißt ist.

4. Direkt geheizte Vorratskathode nach Anspruch 1, wobei die direkt geheizte Vorratskathode zusammen mit a) einem ersten Rohrelement (12) mit einer Anodenkammer (12b), b) einer in der Anodenkammer angeordneten Anode (12e) und c) einem zweiten Rohrelement (11) mit einer mit der Anodenkammer verbundenen Kathodenkammer (11a), in der die direkt geheizte Vorratskathode (13) angeordnet ist, ein Edelgasionen-Lasererzeugungssystem bildet.

5. Edelgasionen-Lasererzeugungssystem mit:

a) einem ersten Rohrelement (12) mit einer Anodenkammer (12a), b) einer in der Anodenkammer angeordneten Anode (12e), c) einem zweiten Rohrelement (11) mit einer mit der Anodenkammer verbundenen Kathodenkammer und d) einer in der Kathodenkammer angeordneten direkt geheizten Vorratskathode mit: d-1) mehreren aus einer porösen gesinterten Substanz, die mit einer elektronenemittierenden Substanz getränkt ist, gebildeten spiralförmigen Elementen (131-137), wobei die mehreren spiralförmigen Elemente miteinander verschmolzen sind und in eine an der Anodenseite angeordnete erste Gruppe (131-132) und eine der Anode abgewandte zweite Gruppe (133-137) unterteilt sind, d-2) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der ersten Gruppe verbundenen ersten Zuleitungsdraht (13b) und d-3) einem mit dem äußersten spiralförmigen Element der zweiten Gruppe verbundenen zweiten Zuleitungsdraht (13c), gekennzeichnet durch einen Flansch (13f), der vom äußersten spiralförmigen Element derart hervorsteht, daß er der Anode zugewandt ist.