DK141349B - Emissionselektrode til drift ved hoej temperatur samt fremgangsmaade til dens fremstilling - Google Patents

Description

(tt) \fia/ OD FREMLÆ66ELSESSKRIFT 141349 DANMARK (,”'η, α4Η H BJ »m §(21) Anmgnlng nr. 59^9/7^ (22) kidteMMt dan 22· Jul. 1974 (23) Løb*tog 22. Jul. 197^ (44) Antegningen fremtogt og oc ,πολ

Traniw90MMiiMifw offvnoiuspin øen ^ >

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet beger* fr» Am

25. Jul. 1973, 2537344, DE

(71) SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, Berlin und Muenchen, 8 Muenchen 2, Wlt-Tfelshacherplatz 2, DE.

(72) Opfinder: Hermann Trattner, 8000 Muenchen 60, Metiers tr as se 28, DE.

(74) Fuktmmgtig under »egene behendflng:

Internationalt Patent-Bureau.

(64) Emieslonselektrode til drift red høj temperatur samt fremgangsmåde til dens fremstilling.

Opfindelsen angår en emissionselektrode til drift ved høj temperatur æd en ved smeltning sintret, elektronemitterende masse, bestående af en blanding af thoriumdioxid og et yderligere metaloxid, samt en fremgangsmåde til fremstilling af en sådan masse.

Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 1.589.111 kendes en elektrode til rør, bestående af en wolframs tav, bvori der er blandet thoriumdioxid. Til ry»· mi-trig af elektroden bærer den en ligeledes af wolfram bestående varmespiral. For at lette løsrivelsesarbejdet for elektronerne er såvel wolframstavens spids som varme-spiralen overtrukket med en blanding bestående af thorlumdioxidpulver og thorium-pulver. For at få denne palverblanding til at hæfte til elektrodens bræadplet er den tilsat et bindemiddel. Ved bueudladning omformes pulver overt rakket ved ca.

2000°C til en keramikmasse; denne masse hæfter nu fast til wolframtråden og elektrodestiften. Binderaidlet fordamper ved overtræksmassens smeltning. Den således frembragte overtræksmasse er i besiddelse af relativt gode elektron-emissionsegen- 141349 2 skaber, men har i sammenligning med andre hidtil kendte elektroder til rør en forholdsvis ringe mekanisk styrke. Wolfram blandet med thoriumdioxid og thorium er overordentligt skørt, og denne skørhed tiltager med tilsætningsmængden af thorium. Bindingsegenskaberne eller stabiliteten for en af thorium og thoriumoxid bestående blanding kan kun i begrænset omfang udsættes for termisk belastning. Stiger temperaturen over smeltepunktet for thorium, 1845°C, går massen nemt over i flydende tilstandj elektroden begynder endda at dryppe. I størknet tilstand er massen i besiddelse af en meget glat eller jævn overfladestruktur.

Endvidere kendes fra tysk patentskrift nr. 1.806.856 en af wolfram med tilsætning af thorium bestående, ikke-frasmeltende elektrode for en såkaldt wolframæde Igassvejsemetode. For at forbedre elektron-emissionsegenskaberne bærer denne elektrode et af thoriumdioxid bestående overtræk. Dette overtrækslag er anbragt på elektrodespidsen ved smeltesintring. Påføringen af thoriumdioxidlaget på wolframelektroden sker ved smeltesintring. Til dette formål belægges elektrodens spids først med thoriumdioxidpulver, hvorefter elektrodespidsen opvarmes langsomt indtil smeltning af thoriumdioxidet. Derpå antændes ved en til at begynde med lav strømstyrke en lysbue, og thoriumdioxidet sintres på elektrodespidsens overflade under forøgelse af elektrodeafstanden og kraftig forhøjelse af strømstyrken langt ud over elektrodens normale arbejdsområde. Også sådanne overtrækslag besidder gode elektron-emissionsegenskaber. Selv om sådanne elektroder i praksis har vist stor pålidelighed, er de temmelig følsomme over for mekaniske belastninger af den art, der let kan forekomme ved svejsearbejder gennem berøring med et emne; massen brækker af, således at elektroden bliver ubrugelig. Allerede i det nævnte patentskrift er det også foreslået at tilsætte overtræksmassen, i det foreliggende tilfælde thoriumdioxidet, andre metaloxyder for at lette sintringsprocessen. Hertil anvendes et ved væsentligt lavere temperatur end thoriumdioxidet smeltende metaloxyd. Det har imidlertid vist sig, at ved anvendelse af sådanne metaloxyder formindskes modstandsdygtigheden mod enten mekaniske eller termiske belastninger eller begge dele og til dels også elektron-emissionsegenskaberne. De to metaloxyder danner et eutektikum, således at massen allerede ved ringe overbelastning af elektroden som allerede nævnt går over i flydende tilstand; elektroden forringes således hurtigt.

Opgaven for den foreliggende opfindelse består i at frembringe en emissionselektrode og at give anvisning på en fremgangsmåde til fremstilling af en sådan elektrode, hvorved der ud over gode elektron-emissionsegenskaber opnås en god stabilitet af elektroden ved høj driftstemperatur.

Elektroden ifølge opfindelsen er med henblik herpå ejendommelig ved, at massen består af 33-50 vægtprocent thoriumdioxid og som yderligere metaloxid af 4-15% aluminiumoxid, hvorhos denne blanding yderligere er blandet med 63-35% wolframpulver.

3 141349

Til fremstilling af elektrodeaassen går man Ifølge opfindelsen frem på den måde, at den foran nævnte masse fortrinsvis sammen med dens højtemperaturbestandige bærelegeme opvarmes i det mindste til den eutektiske temperatur for thoriua-dioxid-alumlniumoxidblandingen, 1950 C t men fortrinsvis til en temperatur over 2l00°C, hvorefter den wolframpulver indeholdende smelte, der herved dannes, bringes til at størkne, idet tidsrummet indtil smeltene størkning holdes lig med eller kortere end en værdi svarende til de senere driftsbetingelser for emissionselektroden.

En ved denne fremgangsmåde fremstillet elektrode besidder udover gode elektron-emissionsegenskaber også stor modstandsdygtighed over for termiske og mekaniske belastninger. Gennem tilsætningen af wolfraapulver til massen opnås ved høj temperatur en forholdsvis god stabilitet af denne. Ganske vist går den af de nævnte metaloxyder bestående masse over i smeltefasen, når den forholdsvis høje eutektiske temperatur nås, men det i smelten indeholdte wolfram forhindrer dryp-ning af massen, der befinder sig i en sej dejagtig tilstand, der heller ikke ved kraftig termisk overbelastning af elektroden ændres i væsentlig grad. Selv ved normale rystelser hæfter massen fast til bærelegemet. Det er overraskende, at de i det væsentlige ved de to metaloxyder bestemte elektrotr-emisaionsegenskaber ikke ændres i væsentlig grad som følge af den forholdsvis høje andel af wolframpulver i den samlede masse, men tværtimod forbedres. Dette kan føres tilbage til, dels at dele af smelten ved dennes afkøling danner krystaller, dels at smeltens overflade som følge af den høje andel af wolfraapulver antager en særlig ru form, altså gennem spidafladning og forøgelse af overfladen, opnås en væsentlig forbedring af elektron-emissionsegenekaberne, navnlig ved tænding af elektroden, og dermed også i kold tilstand. Det er vigtig, at afkølingstiden ved e 1 ektrodemassens fremstilling ikke holdes længere end den under normale driftsforhold forekommende afkølingstid. Hvis denne afkølingstid er for lang, dannes der større krystaller inde i massen; det kan endda forekomme, at disse krystaller under elektrodens drift, og navnlig, når den eutektiske temperatur ikke nås, deles. Massen taber sin indre sammenhæng og kan allerede i kold tilstand af elektroden let brække i stykker ved stød eller slag.

Massen egner sig såvel til fremstilling af elektrodelegemer, f.eks. som indlejringsmasse i en af wolfram bestående elektrode af den art, der f.eks. finder anvendelse ved førnævnte wolfram-ædelgassvejs esae tode og ved plasmasvejsning. Endvidere er den også velegnet til anvendelse som indlejringsaasse i noter eller hulrum i et af et keramisk materiale fremstillet elektrodelegeme. Sådanne elektroder kan finde anvendelse som emissionselektroder i elektronstrålekanoner, men også i røntgenrør og lignende.

Emissionselektroden og fremgangsmåden ifølge opfindelsen forklares under hen 141349 4 visning til tegningen, hvor fig. 1 i diagramform viser den mængdemæssige sammensætning af emissionsmassen ved elektroden ifølge opfindelsen i afhængighed af den for en specifik elektrode forventede driftstemperatur, fig. 2 et forstørret slibebillede af en smeltesintret emissionsmasse, og fig. 3-7 forskellige udførelsesformer for en elektrode ifølge opfindelsen.

I fig. 1 er i diagramform vist den mængdemæssige sammensætning af blandingen i afhængighed af den driftstemperatur, der forventes for en specifik emissions-elektrode. Blandingens enkelte pulverformige bestanddele, nemlig aluminiumoxid 1, wolfram 2 og thoriumdioxid 3, skal være således afstemt efter hinanden, at massen i forbindelse med dens bærelegeme ved den specifikke driftstemperatur, der forventes for elektroden, udover optimale elektron-emissionsegenskaber også udviser en tilsvarende god modstandsdygtighed over for termiske og mekaniske belastninger og dermed en god driftssikkerhed. Skal emissionselektroden for eksempel arbejde ved en driftstemperatur på 2000°C, vælges wolframandelen for at undgå dryp-ning af massen så høj som muligt, i det foreliggende eksempel til 53 vægtprocent, thoriumdioxidandelen til 40 vægtprocent og aluminiumoxidandelen til 7 vægtprocent; skal emissionselektroden imidlertid kun arbejde ved 1000°C, andrager andelene af blandingskomponenter i den samlede masse i den ovennævnte rækkefølge fortrinsvis 44 vægtprocent, 45 vægtprocent og 11 vægtprocent.

Efter blanding på i og for sig kendt måde, f.eks. ved presning, limning, sintring eller pakning, forbindes den således frembragte masse provisorisk med bærelegemet. Afhængigt af elektrodens anvendelsesformål følger nu en opvarmning af massen sammen med bærelegemet i det mindste til den eutektiske temperatur for thoriumdioxid-aluminiumoxid, 1950°G, men fortrinsvis til en temperatur, der ligger over smeltepunktet for det højest smeltelige metaloxyd, der her er aluminiumoxidet, hvis smeltepunkt er 2050°C, dvs. til 2l00-2200°C. Herved går såvel eutektiket som den overskydende andel af aluminiumoxid over i flydende tilstand. Opvarmningen af bærelegemet sammen med massen sker enten i en lysbue eller ved tænding af en lysbue eller gennem modstandsopvarmning, eller i forenklet form eventuelt i en magne-siumoxidbeklædt højtemperaturovn. Som nævnt i det foregående er det vigtigt, at afkølingen af bærelegemet med smelten sker i overensstemmelse med de senere driftsbetingelser.

I fig. 2 er i tegningsmæssig fremstilling og i stærkt forstørret målestok vist et slibebillede af en i området for en overflade 4 smeltesintret masse 7.

De her viste lyse punkter vil i slibebilledet optræde mørke. Massens overflade er som følge af det i massen indeholdte wolfram 8 ru og vil udvise tydelige forhøjninger 5 og fordybninger 5*. I massen ses krystaller 6, der kan udvise forskellig størrelse i afhængighed af afkølingshastigheden for smelten. Den for massens elektron-emissionsegenskaber væsentlige overfladeruhed andrager mindst 100 μπι.

5 141349 I fig. 3 og 4 er vist et keramiklegeme 9, i hvilket der er udformet en spiralformet not 10. Denne not beklædes med et lag klæbemiddel, hvorpå den pulver-formige masse indføres, f.eks. ved at legemet rulles i denne masse. Herpå opvarmes legemet 9 i en magnesiumoxidbeklædt ovn til omkring 2000°C, hvorefter smeltesintringsprocessen for massen indledes. Klæbemidlet fordamper, hvorved massen sintres til bærelegemets keramiske materiale. Kontakttilslutning til elektroden sker ved 11 og 11*. Sådanne elektroder kan finde anvendelse i stedet for wolfram-spiralelektroder som elektronemissions-elektroder i elektronstrålekanoner.

I fig. 5 er i forstørret målestok vist spidsen af en af wolfram bestående svejseelektrode 12; denne elektrode kan Indsættes i en til wolfram-ædelgassvejsning eller plasmasvejsning egnet svejsebrænder. Elektroden har et hulrum 13, i hvilket massen 7 er indlejret. Smeltesintringen af massen sker her ved tænding af en lysbue, hvorved elektrodespidsen opvarmes til en temperatur, der ligger langt over dens driftstemperaturområde. Hvis det i massen indeholdte eutektikum under svejseelektrodens drift igen går over i flydende tilstand, et fænomen, der kan forekomme ved høj strømbelastning af en elektrode, vil massen som følge af den høje wolframandel forblive i en sej, dejagtig tilstand, således at den fastholdes sikkert i bærelegemets eller svejseelektrodens hulrum.

I fig. 6 og 7 er vist et af massen 7 bestående elektrodelegeme. På en for eksempel i form af en spiral 15 viklet, af wolfram bestående tråd eller trådspiral er presset en af massen 7 bestående pille. Påpresningen af pillen kan her ske sammen med et klæbemiddel. Det er imidlertid også muligt at forudopvarme bærelegemet, i dette tilfælde tråden 14, sammen med pillen og herefter foretage en smeltesintring. Elektrodens smeltesintring kan også i dette tilfælde ske i en magnesiumoxidbeklædt ovn. Sådanne, her i forstørret målestok viste emissionselektroder kan fortrinsvis finde anvendelse i elektronstrålegeneratorer, som f.eks. billedrør, røntgenrør og elektronstrålekanoner.