EP2766916B1

EP2766916B1 - Vakuum-elektronenstrahlanordnung und verfahren zur herstellung einer elektrode dafür

Info

Publication number: EP2766916B1
Application number: EP12766910.9A
Authority: EP
Inventors: Manfred Haubner; Dawid KUPIDURA; Christof Dietrich; Martin ROGGENBUCK
Original assignee: Thales Electronic Systems GmbH
Current assignee: Thales Electronic Systems GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: DE102011053949A1; EP2766916A1; WO2013045183A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuum-Elektronenstrahlanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode.
Als Vakuum-Elektronenstrahlanordnungen mit einer Primärelektrode emittierenden Elektronenquelle und einer Elektrode, welche häufig als Elektronenstrahlröhren bezeichnet sind, seien ohne Beschränkung auf eine röhrenförmig zylindrische Form allgemein Anordnungen verstanden, bei welchen innerhalb eines evakuierten Raumes eine Elektronenquelle Elektronen zur Erzielung einer gewünschten Funktionsweise der Anordnung emittiert und bei welcher Sekundärelektronen unerwünscht sind. Die Sekundärelektronen entstehen dabei beispielsweise durch Auftreffen von Primärelektronen auf eine im Bewegungsbereich der Primärelektronen befindliche Elektrode. Die Erfindung betrifft insbesondere Vakuum-Elektronenröhren mit Bündelung der Primärelektronen zu einem gerichteten Primärelektronenstrahl, insbesondere Lauffeldröhren, wobei als Elektroden beispielsweise Strahlblenden, Gitterelektroden und insbesondere Kollektorelektroden für die Emission von Sekundärelektronen von Bedeutung sind. Elektroden können auch Strahltargets sein.
Es ist bekannt, dass eine mikroskopisch aufgeraute Oberfläche einer mit Primärelektronen beaufschlagten Elektrode eine Reduzierung der Sekundärelektronenemission bewirken kann. In "The secondary electron yield of technical materials and its variation with surface treatments", Proceding of EPAC 2000, Wien von Baglin et al. werden zur Aufrauung von Elektrodenoberflächen eine chemische Behandlung oder die Abscheidung von stark dentritischen Schichten angeben. In "Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces", SLAC, PUB-13020, 25. Nov. 2007, von Pivi et al. wird über die Strukturierung von Oberflächen in Form von Nuten mit dreieckigem oder rechteckigem Querschnitt und deren Einfluss auf die Sekundärelektronenemission berichtet.
Als ein quantitatives Maß zur Kennzeichnung der Sekundärelektronenemission dient typischerweise der Sekundärelektronen-Emissionskoeffizient (secondary electron emission yield, SEY oder SEEY).
Aus der CN 101964290 A und der CN 102117724 A sind Oberflächenstrukturen mit Poren bekannt.
In der US 2 949 558 A ist eine Röhrenanordnung gezeigt, bei der ein poröser Wolframblock vorgesehen ist, was durch Mischen und Pressen von Kupfer und Wolfram in Puderform erreicht wird. Anschließend wird ein Temperaturschritt durchgeführt, so dass das Kupfer verdampft um die gewünschte poröse Oberfläche herzustellen.
In der US 2009/0261926 A1 ist eine offenporige metallische Oberfläche für eine Vakuumröhre gezeigt, wobei die offenporige Oberfläche für einen Wellenleiter herangezogen wird.
In der US 3,973,157 ist eine Vorrichtung gezeigt, die Teil einer Elektrode bildet. Hierbei wird eine offenporige Struktur erzeugt, die aus einer Karbon/Nickel-Zusammensetzung gebildet ist.
In der US 2009/251054 A1 wird die Herstellung einem Grundkörpers aus einem Materialgerüst aus einem ersten Material und im nachfolgenden Tränken des verflüssigten zweiten Materials beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erfindung zugrunde, eine Vakuum-Elektronenstrahlanordnung mit einer Elektronenquelle für Primärelektronen und einer von diesen beaufschlagbaren Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine solche Anordnung anzugeben mit dem Ziel einer geringen Sekundärelektronenemission.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die Ausbildung der Reliefstruktur einer Elektrodenoberfläche in Form einer offenporigen Schicht lassen sich überraschenderweise besonders geringe Emissionskoeffizienten der Sekundärelektronenemission erzielen. Die offenporige Oberflächenschicht ist auf vorteilhafte Weise herstellbar.
Eine offenporige Struktur enthält in einem zusammenhängenden Grundgerüst eine Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlräumen als Poren, wobei oberflächennahe Poren Öffnungen direkt zu der Oberfläche aufweisen können. Als Poren seien Hohlräume angesehen, welche z. B. im Unterschied zu Nuten oder Kanälen in alle Richtungen ähnliche Dimensionen aufweisen und z. B. durch Ellipsoide mit Hauptachsenverhältnissen von im Mittel maximal 5:1 angenähert beschrieben werden können. Es zeigt sich, dass die bei der offenporigen Struktur die effektive Emission von Sekundärelektronen von der Elektrodenoberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche erheblich reduziert ist, was sich mit der besonderen Hohlraumform der Poren erklären lässt. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil der direkt zur Oberfläche weisenden Öffnungen von Poren wenigstens 10 %, insbesondere wenigstens 20 % der Oberfläche der Oberflächenschicht. Der Anteil der direkt der Oberfläche zuweisenden Öffnungen von Poren beträgt vorteilhafterweise nicht mehr als 80 % der Oberfläche.
Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung von Hinterschneidungen an Kanten von direkt der Oberfläche zuweisenden Poren. Der Längenanteil von hinterschnittenen Kantenabschnitten beträgt vorteilhafterweise im Mittel wenigstens 5 %, insbesondere wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 20 % der Gesamtlänge der Kanten. Eine Hinterschneidung ist in gebräuchlicher Weise dadurch charakterisiert, dass von der Oberfläche weg nach der eine Öffnung begrenzenden Kante der folgende Wandabschnitt von der Öffnung weg verläuft.
Ein mittlerer Porendurchmesser sei aus einer Porenmenge derjenigen größeren Poren, nachfolgend auch als Großporen bezeichnet, welche 80 % des gesamten offenen Porenvolumens ergeben, bestimmt. Die mittlere Schichtdicke der offenporigen Oberflächenschicht beträgt vorteilhafterweise wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 100 %, vorzugsweise wenigstens 150 % dieses mittleren Porendurchmesers. Vorteilhafterweise beträgt die Schichtdicke maximal das 10-fache, vorzugsweise maximal das 5-fache dieses mittleren Porendurchmessers. Oberflächenrauigkeiten von weniger als 5 % dieses mittleren Porendurchmessers seien nicht als zur Oberfläche hin offene Poren angesehen.
Der mittlere Porendurchmesser liegt vorteilhafterweise zwischen 2 µm und 15 µm, insbesondere zwischen 3 µm und 10 µm. Die Schichtdicke der offenporigen Oberflächenschicht beträgt vorteilhafterweise wenigstens 2 µm, insbesondere wenigstens 3 µm. Vorteilhafterweise beträgt die Schichtdicke maximal 30 µm, insbesondere maximal 20 µm.
In besonders vorteilhafter Ausführung erfolgt die Herstellung der offenporigen Oberflächenschicht über den Zwischenschritt einer Oberflächenschicht aus einem Verbundmaterial von wenigstens einem ersten Material, welches als ein offenporiges Grundgerüst die spätere offenporige Oberflächenschicht bildet, und von einem zweiten, die Poren des Grundgerüst in dem Verbundmaterial ausfüllenden Material. Durch den Materialverbund können Eigenschaften der beiden Materialien vorteilhaft verbunden werden. Das erste Material kann vorteilhafterweise Molybdän und/oder Wolfram enthalten. Das zweite Material besteht in vorteilhafter Ausführung überwiegend, vorzugsweise im wesentlichen vollständig aus Kupfer. Die beiden Materialien sind vorteilhafterweise so kombiniert, dass ein selektives Entfernen des zweiten Materials von dem ersten Material mit gängigen Verfahren durchführbar ist. Die beiden Materialien liegen in dem Verbundmaterial in mikroskopisch räumlich fein verteilter Form nebeneinander vor, ohne miteinander in nennenswertem Ausmaß chemische Verbindungen oder Legierungen zu bilden. Eine dünne Legierungsschicht an den Grenzflächen von erster und zweiter Schicht ist im Regelfall unkritisch.
In bevorzugter Ausführung erfolgt die Herstellung der Elektrode oder zumindest deren Oberflächenschicht, indem ein offenporiges Grundgerüst aus dem ersten Material erzeugt und das zweite Material in verflüssigtem Zustand in die Poren des Grundgerüst eingebracht wird, was auch als Tränken des ersten Materials mit dem zweiten Material bezeichnet wird. Das zweite Material weist hierfür einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das erste Material. Das Grundgerüst kann eine größere Dicke als die Schichtdicke der späteren offenporigen Oberflächenschicht aufweisen. Das offenporige Grundgerüst kann z. B. aus einem Metallpulverpressling des ersten Materials durch Sintern hergestellt werden. In anderer Ausführung kann das Verbundmaterial beispielsweise durch gleichzeitiges Sprühkompaktieren von erstem und zweitem Material oder durch Presskompaktieren einer Materialmischung von erstem und zweitem Material herstellbar sein.
Die offenporige Oberflächenschicht wird aus dem Verbundmaterial hergestellt, indem das zweite Material selektiv aus dem Verbundmaterial entfernt wird. Dabei kann sowohl das Verbleiben geringer Mengen des zweiten Materials in oder an dem Grundgerüst als auch ein geringer Abtrag von erstem Material zulässig sein.
In der Erfindung erfolgt das Entfernen des zweiten Materials aus dem Grundgerüst des ersten Materials durch Elektropolieren, wobei die Verfahrensparameter so einstellbar sind, dass das zweite Material selektiv von dem ersten Material gelöst wird. Während Elektropolierverfahren typischerweise zur Erzeugung von glatten Oberflächen mit möglichst geringer Rauigkeit eingesetzt werden, dient bei der vorliegenden Erfindung der auf das Lösen des zweiten Materials abgestimmte Elektropoliervorgang dem gegensätzlichen Ziel eines Aufrauens der Oberfläche. Vorteilhafterweise sind die Verfahrensparameter so gewählt, dass scharfe Kanten und Spitzen des Grundgerüsts des ersten Materials beim Elektropolieren gerundet werden. Die Abrundung von Spitzen und Kanten des Grundgerüsts aus dem ersten Material kann auch in einem eigenen auf den Abtrag von erstem Material abgestimmten, vorzugsweise wiederum elektrochemischen Vorgang erfolgen. Das zweite Material kann in vorteilhafter Ausführung für eine mechanische Bearbeitung des Verbundmaterials zur makroskopischen Formung der gewünschten Elektrodenoberfläche dienen, indem es das offenporige Grundgerüst aus dem ersten Material während der mechanischen Bearbeitung, welche insbesondere einen mechanischen Materialabtrag von Verbundmaterial beinhalten kann, stützt. Der mechanische Materialabtrag kann insbesondere einen spanabhebenden Abtragvorgang umfassen. Die gegenüber reinem Wolfram oder Molybdän verbesserte Spanbarkeit eines Verbundmaterials WCu_xbzw. MoCu_x mit z. B. 30 % Anteil x an Kupfer ist an sich bekannt.
Das zweite Grundgerüst des ersten Materials erstreckt sich in der fertigen Elektrode vorteilhafterweise von der Oberfläche über die Schichtdicke der offenporigen Oberflächenschicht tiefer in die Elektrode oder durchsetzt diese ganz. Der Oberfläche abgewandt setzt sich die Elektrode senkrecht zur Oberfläche nach der offenporigen Oberflächenschicht dann vorteilhafterweise in Form des Verbundmaterials mit durch das zweite Material ausgefülltem Grundgerüst aus dem ersten Material fort. Das zweite Material kann dabei vorteilhafterweise die Poren des ersten Materials vakuumdicht verschließen und/oder eine gute Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials gewährleisten, wobei für den letztgenannten Effekt Kupfer als zweites Material besonders geeignet ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine Wanderfeldröhre,
Fig. 2: Schritte eines Herstellungsverfahrens,
Fig. 3: eine schematische Zeichnungsdarstellung der Oberflächenschicht,
Fig. 4: EM-Aufnahme einer offenporigen Oberfläche,
Fig. 5: einen Schnitt durch eine offenporige Oberflächenschicht,
Fig. 6: einen Vergleich gemessener Sekundärelektronenemission.

Fig. 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Wanderfeldröhre als besonders vorteilhaften Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung. Die Wanderfeldröhre TWT enthält in einem evakuierten Innenraum eine Kathode KA, welche Elektroden emittiert. Die von der Kathode KA emittierten Elektronen werden mittels einer Gitteranordnung GI beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl ES gebündelt. Die nur schematisch angedeutete Gitteranordnung GI kann insbesondere Beschleunigungsgitter, Steuergitter, Schattengitter, Blenden enthalten, welche auf unterschiedlichen Potentialen liegen können. Der fokussierte Elektronenstrahl ES wird durch das Magnetfeld einer Magnetanordnung MA durch eine Verzögerungsleitung VL geleitet und tritt dabei in Wechselwirkung mit einem Hochfrequenzfeld, welches an einem Signaleingang SE als HF-Eingangssignal eingekoppelt und als verstärktes Ausgangssignal am Signalausgang SA ausgekoppelt wird. Am Ende der Verzögerungsleitung wird der Elektronenstrahl ES, welcher über die Länge der Verzögerungsleitung gegen ein bremsendes Potentialgefälle läuft, mit einer Restenergie der Elektronen in einen typischerweise mehrstufigen Kollektor CO geleitet, in welchem die Elektronen möglichst vollständig absorbiert werden sollen. Beim Auftreffen der Elektronen auf Oberflächen innerhalb des Kollektors können Sekundärelektronen entstehen, welche durch das genannte, verzögernd auf den Elektronenstrahl ES wirkende Potentialgefälle in Richtung der Gitteranordnung GI und der Kathode KA beschleunigt werden und durch Schädigung der Kathode die Leistung und Lebensdauer der Wanderfeldröhre TWT beeinträchtigen. Es ist daher wünschenswert, die Emission von Sekundärelektronen im Kollektor CO möglichst gering zu halten. Eine störende Sekundärelektronenemission kann auch an anderer Stelle der Wanderfeldröhre, insbesondere bei einem für gepulst betriebene Kathodenstrahlröhren häufig verwendeten Schattengitter, auftreten. Andere Arten von Vakuum-Elektronenstrahlröhren können in entsprechender Weise durch Sekundärelektronenemission beeinträchtigt sein.
Fig. 2 zeigt am Beispiel eines Kollektor-Zwischenrings einer Wanderfeldröhre stellvertretend für unterschiedliche, Sekundärelektronen emittierende Komponenten einer Vakuum-Elektronenstrahlröhre. Der typischerweise kreiszylindrische Zwischenring ZR ist in Fig. 2 (A) vergrößert als Schnittbild mit einer die Mittelachse MA der Kreisform enthaltenden Schnittebene dargestellt. Die Abbildungen nach Fig. 2 (B) bis Fig. 2 (F) zeigen in wiederum vergrößerter Darstellung eines in Fig. 2 (A) eingekreisten Ausschnitts verschiedene Schritte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens.
In bevorzugter Ausführung wird der Zwischenring ZR in der Weise hergestellt, dass aus einem Gemisch eines Metallpulvers, beispielsweise Molybdän, und einem Füllstoff in einer Vorstufe eines Sinterprozesses ein sogenannter Grünkörper gepresst wird, bei welchem die Teilpartikel als erstes Material in gegenseitigem Kontakt stehen. Das erste Material sei in Fig. 2 (B) als ein in sich zusammen hängender Grundaufbau P1 bezeichnet, dessen Zwischenräume mit einem Füllmaterial FS ganz oder teilweise ausgefüllt sind.
In einem Sinterprozess werden zum einen die Metallpartikel an ihren Kontaktflächen miteinander fest verbunden und zum anderen das Füllmaterial FS entfernt, so dass nach Abschluss des Sinterprozesses ein aus den miteinander verbundenen Metallpartikeln entstandenes zusammen hängendes Grundgerüst GG mit Hohlräumen HG vorliegt. Auch die Hohlräume HG sind in dreidimensionaler Struktur untereinander verbunden.
In einem nächsten Schritt wird zweites Material in flüssiger Form, beispielsweise geschmolzenes Kupfer, in die Hohlräume HG des Grundgerüsts GG eingebracht, was als Tränken des Grundgerüsts GG aus Molybdän an sich bekannt ist. Das flüssige zweite Material M2 füllt die Hohlräume HG des Grundgerüsts GG im wesentlichen vollständig aus, so dass ein Aufbau der in Fig. 2 (B) skizzierten Art entsteht, bei welchem für den Zwischenring ein Verbundmaterial aus einem Molybdän-Grundgerüst GG als erstem Material mit durch Kupfer als zweitem Material M2 ausgefüllten Zwischenräumen des Grundgerüsts vorliegt.
Ein solcher Körper aus einem Verbundmaterial von Molybdän und Kupfer kann vorteilhafterweise wesentlich einfacher durch mechanische Oberflächen-Bearbeitungsverfahren bearbeitet werden als das reine Molybdän-Grundgerüst GG oder ein massiver Molybdän-Körper. In Fig. 2 (E) ist schematisch dargestellt, dass an einer axialen Stirnfläche und einer radial inneren Wandfläche des kreiszylindrischen Zwischenrings ein Materialabtrag MB gegenüber den mit unterbrochener Linie dargestellten vorherigen Konturen vorgenommen wurde. Die Skizze ist nicht maßstäblich zu verstehen. Bei dem Materialabtrag, beispielsweise durch ein spanabhebendes Drehen, kann eine Verschmierung der Oberflächenstrukturen auftreten. Durch die mechanisch materialabtragende Bearbeitung kann mit hoher Präzision eine gewünschte Form und Abmessung des Zwischenrings ZR erreicht werden.
Nach gegebenenfalls wie in Fig. 2 (E) dargestellter mechanischer Oberflächenbearbeitung wird zumindest an dem Oberflächenteil des Zwischenrings ZR, an welchem während des Betriebs der Vakuum-Elektronenstrahlröhre unerwünschte Sekundärelektronenemission zu erwarten ist, als für die Erfindung wesentlicher Schritt eine Oberflächenbearbeitung vorgenommen, welche in einer Oberflächenschicht OS zweites Material M2 selektiv aus dem Grundgerüst GG löst, so dass die Oberfläche eine offenporige Struktur aufweist. Es zeigt sich, dass auch nach selektivem Entfernen des zweiten Materials M2 in der Oberflächenschicht OS eine zuverlässige Lötbarkeit der Oberfläche erhalten bleibt, was für die typischerweise durch Löten erfolgende Verbindung des Zwischenrings ZR mit geometrisch benachbarten Komponenten des Kollektors CO einer Wanderfeldröhre TWT von Vorteil ist. Die mikroporöse Struktur der Oberflächenschicht OS wirkt sich bei einem solchen Prozess nicht nachteilig aus. Das Lot füllt die Poren der Oberflächenschicht OS im wesentlichen vollständig aus und bildet eine vakuumdichte und mechanisch feste Verankerung. Hierdurch kann vorteilhafterweise die gesamte Oberfläche des Zwischenrings ZR ohne Maskierung einzelner Oberflächenbereiche dem Bearbeitungsschritt der selektiven Entfernung von Kupfer als zweitem Material in der Oberflächenschicht OS des Verbundmaterials unterzogen werden, was beispielsweise in einem den gesamten Zwischenring ZR umfassenden Bad erfolgen kann.
Die selektive Entfernung zweiten Materials M2 in der Oberflächenschicht OS erfolgt durch das sogenannte Elektropolieren, bei welchem in einer wässrigen Lösung ein auf das zu lösende Material abgestimmter Elektrolyt in Verbindung mit Anlegen einer elektrischen Spannung eingesetzt wird. Das Lösen des zweiten Materials kann dabei weitgehend ohne Lösen des das Grundgerüst GG bildenden ersten Materials erfolgen. Es kann aber auch eine Lösung benutzt werden, welche auch ein Auflösen des ersten Materials bewirkt, wobei das erste Material des Grundgerüsts GG weniger gelöst wird als das zweite Material. Insbesondere kann ein Lösen von erstem Material dafür vorgesehen sein, scharfe Kanten und Spitzen oder verschmierte Materialfahnen des ersten Materials zu entfernen, so dass das verbleibende Grundgerüst GG an der Oberfläche der Oberflächenschicht OS von mikroskopisch feinen scharfen Strukturen innerhalb der porösen Struktur befreit ist. Vorzugsweise wird für die teilweise Entfernung von erstem Material ein gesonderter Elektropoliervorgang mit auf das erste Material abgestimmten Parametern gewählt. Das Verfahren des Elektropolierens ist an sich bekannt und wird eingesetzt zur Erzielung von sehr glatt polierten Flächen. Im Gegensatz dazu wird der Vorgang des Elektropolierens bei der bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dazu benutzt, eine Oberfläche eines Verbundmaterials aufzurauen und eine poröse Oberfläche zu erzeugen.
Anstelle des Elektropolierens können auch nicht erfindungsgemässe Verfahren zum selektiven oberflächlichen Entfernen des zweiten Materials aus dem Grundgerüst des ersten Materials und gegebenenfalls zum Entfernen von scharfen Strukturen des ersten Materials eingesetzt werden. Geeignet hierfür sind insbesondere materialselektive Beizverfahren oder das sogenannte Plasmapolieren, welches gleichfalls ein elektrochemisches Verfahren darstellt. Das Verfahren mit Entfernen mikroskopisch scharfer Strukturen des ersten Materials in einem Polierschritt und selektivem Entfernen von zweitem Material aus der Oberflächenschicht OS in einen anderen Polierschritt stellt eine besonders vorteilhafte Oberfläche mit besonders geringer Sekundärelektronenemission dar.
Fig. 3 zeigt in schematisch zeichnerischer Darstellung in weiter vergrößertem Maßstab nochmals Schritte der bereits anhand von Fig. 2 erläuterten Herstellung in vereinfachter Form. In Fig. 3 (A) ist das nach dem Sinterprozess vorliegende Grundgerüst GG aus erstem Material M1 dargestellt, welches leere Zwischenräume HG aufweist. Die Zwischenräume HG stehen untereinander in dreidimensionaler Struktur in Verbindung, so dass in der Schnittebene nach Fig. 3 (A) isoliert erscheinende Hohlräume über Strukturen senkrecht zur Zeichenebene mit anderen Hohlräumen verbunden sind und in der Schnittebene nach Fig. 3 (A) isoliert erscheinende Bereiche ersten Materials M1 gleichfalls über dreidimensionale Strukturen Teil des als starr anzusehenden Grundgerüsts GG sind.
In Fig. 3 (B) ist die Situation nach Tränken des Grundgerüsts GG aus erstem Material mit zweitem Material dargestellt. Das zweite Material füllt die Zwischenräume HG des Grundgerüsts GG nach Fig. 3 (A) aus und bildet mit dem ersten Material ein Verbundmaterial MV.
Der Schritt der mechanisch materialabtragenden Oberflächenbearbeitung sei in der zeichnerischen Darstellung nach Fig. 3 weg gelassen und in Fig. 3 (C) ist gleich der Übergang von dem bis zur Oberfläche OF reichenden Materialverbund MV zur Erzeugung der porösen Oberflächenschicht OS dargestellt. In der Oberflächenschicht OS liegt nach selektivem Entfernen von zweitem Material M2 wiederum die poröse Struktur des Grundgerüsts GG mit den hohlen Zwischenräumen vor. Von der Oberfläche OF durch die Oberflächenschicht OS beabstandet liegt aber unverändert der Materialverbund MV mit zweitem Material M2 in den Zwischenräumen des Grundgerüsts aus erstem Material M1 vor.
An einer zur Oberfläche OF hin offenen Pore PO der Oberflächenschicht OS aus dem ersten Material ist eine Hinterschneidung HS des die Öffnung der Pore PO zur Oberfläche hin bildenden Randes explizit eingezeichnet. Die Entstehung solcher Hinterschneidungen bei der Ausbildung der Oberflächenschicht OS erweist sich als von besonderem Vorteil hinsichtlich einer erwünschten geringen Sekundärelektronenemission. Der Anteil von Porenkanten mit solchen Hinterschneidungen HS beträgt vorteilhafterweise wenigstens 10 %, insbesondere wenigstens 20 % aller Kantenabschnitte.
Fig. 4 zeigt in Form von mittels eines Rasterelektronenmikroskops gewonnenen Aufnahmen der Oberfläche eines durch Elektropolieren oberflächlich bearbeiteten Zwischenrings die poröse Struktur der Oberflächenschicht, wobei die Blickrichtung in Fig. 4 (A) senkrecht und in Fig. 4 (B) geneigt zur Oberfläche verläuft. Der Zwischenring besteht dabei aus einem Molybdän-Kupfer-Materialverbund mit ca. 30 % Gewichtsanteil Kupfer im Materialverbund. Nach einem zweistufigen Elektropolierprozess mit auf die Lösung von Molybdän gerichteter Abrundung bzw. Entfernung von scharfen geometrischen Formen des Grundgerüsts nach der mechanischen Oberflächenbearbeitung in einem Elektropolierschritt und nach selektivem Entfernen von Kupfer in einer Oberflächenschicht in einem anderen Elektropolierschritt ergibt sich die dargestellte poröse Struktur. Die Aufnahmen zeigen eine stark zerklüftete Oberflächenschicht mit einem porösen Molybdän-Grundgerüst und unregelmäßigen Hohlräumen in der Oberflächenschicht sowie mit einem beträchtlichen Anteil von hinterschnittenen Kanten der Berandungen der Poren an der Oberfläche des Molybdän-Grundgerüsts. Der mittlere Porendurchmesser liegt in dem in Fig. 4(A) und (B) dargestellten Beispielen bei ca. 5-8 µm.
Fig. 5 zeigt zwei Mikroskopaufnahmen von Schliffbildern in Schleifebenen senkrecht zur Oberfläche des Molybdän-Grundgerüsts in einem oberflächennahen Bereich. Die Aufnahmen zeigen jeweils eine stark zerklüftete, mikroporöse Oberflächenschicht OS an der Oberfläche eines Elektrodenkörpers EK.
Von der Oberfläche durch die Oberflächenschicht OS beabstandet besteht der Elektrodenkörper EK aus einem Materialverbund von einem Grundgerüst aus Molybdän und Kupfer als die Zwischenräume des Grundgerüsts ausfüllendem zweitem Material. Die Aufnahme nach Fig. 5 (A) zeigt eine den Aufnahmen nach Fig. 4 zuzuordnende, durch Elektropolieren erzeugte Struktur. Fig. 5 (B) zeigt eine durch Beizen erzeugte Oberflächenstruktur. Die mittleren Dicken der Oberflächenschichten liegen in den gezeigten Beispielen bei ca. 8-10 µm.
In Fig. 6 sind beispielhaft Messwerte zur Sekundärelektronenemission für unterschiedliche Oberflächen dargestellt, wobei der Sekundärelektronen-Emissionskoeffizient SEEY über der Energie, mit welcher Primärelektronen auf die Oberfläche auftreffen, aufgetragen ist. Den diskreten Messwerten sind jeweils geglättete Kurven anhand gängiger Theorien für die Abhängigkeit des Emissionskoeffizienten SEEY von der Energie der Primärelektronen zugeordnet.
Die durch aufrechte Kreuze (+) repräsentierten Messwerte sind von einer Probe gewonnen, bei welcher bis zur Oberfläche ein Materialverbund aus Molybdän und Kupfer mit ca. 30 Gewichtsprozent Kupfer entsprechend den Skizzen nach Fig. 2 (D) oder Fig.3 (B) vorliegt.
Die durch gekippte Kreuze (x) dargestellten Messwerte sind von einer Materialprobe gewonnen, bei welcher eine poröse Oberflächenschicht durch selektives Entfernen von Kupfer aus der vorgenannten Probenzusammensetzung mittels eines nasschemischen Beizvorgangs erfolgt ist. Die dermaßen gebeizte Oberfläche zeigt bereits, insbesondere in dem für die Anwendung in einer Wanderfeldröhre besonders bedeutsamen Bereich von Primärelektronen-Energiewerten unter 1 keV, stark reduzierte Werte des Sekundärelektronen-Emissionskoeffizienten.
Eine weitere signifikante Verbesserung ergibt sich für eine Probe, bei welcher in einem zweistufigen Elektropoliervorgang wie geschildert die zeichnerisch in Fig. 2 (F) oder Fig. 3 (C) und bildlich in Fig. 4 und Fig. 5(A) dargestellte Oberflächenschicht erzeugt wurde. Von Bedeutung sind, insbesondere für die genannte bevorzugte Anwendung bei einer Kollektorelektrode einer Wanderfeldröhre, Energien der Primärelektronen zwischen 0,5 keV und 1 keV.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Vakuum-Elektronenstrahlanordnung (TWT) mit einer Primärelektronen emittierenden Elektronenquelle (KA) und mit wenigstens einer im Bewegungsbereich der Primärelektronen angeordneten Elektrode (CO), in welcher auftretende Primärelektronen die Emission von Sekundärelektronen auslösen können, wobei die Oberfläche (OF) der Elektrode eine Reliefstruktur aufweist, um die Emissionsrate von Sekundärelektronen gegenüber einer unstrukturiert glatten Oberfläche zu verringern, dadurch gekennzeichnet, dass die Reliefstruktur durch eine offenporige metallische Oberflächenschicht (OS) mittels Elektropolieren gebildet ist und dass die Ränder von zur Oberfläche (OF) hin offenen Poren (PO) zumindest teilweise Hinterschneidungen (HS) auf der der Oberfläche abgewandten Seite aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 5 %, insbesondere wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 20 % der Ränder Hinterschneidungen aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Porenöffnungen (PO) an der Oberfläche (OF) wenigstens 10 %, insbesondere wenigstens 20 % beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens 80 % des Porenvolumens ergebenden größeren Poren der offenporigen Schicht (OS) einen mittleren Porendurchmesser bestimmen und die Schichtdicke der Oberflächenschicht wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 100 %, vorzugsweise wenigstens 150 % dieses mittleren Porendurchmessers beträgt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Schichtdicke der Oberflächenschicht (OS) weniger als das 5-fache, vorzugsweise weniger als das 2,5-fache des mittleren Porendurchmessers beträgt.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porendurchmesser zwischen 2 µm und 15 µm liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige Oberflächenschicht (OS) aus einem ein zusammenhängendes Grundgerüst (GS) bildenden ersten metallischen Material (M1) besteht, welches sich über die Schichtdicke der Oberflächenschicht hinaus von der Oberfläche weg mit durch ein zweites Material (M2) ausgefüllten Zwischenräumen fortsetzt, wobei das zweite Material (M2) selektiv aus Zwischenräumen des ersten Materials (M1) entfernbar ist und die offenporige Oberflächenschicht (OS) durch selektives Entfernen des zweiten Materials (M2) aus anfänglich mit diesem gefüllten Zwischenräumen (HG) des Grundgerüst (GG) einer Oberflächenschicht hergestellt ist, wobei das zweite Material (M2) eine höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit und/oder eine höhere Duktilität als das erste Material (M1) besitzt.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (M1) zumindest überwiegend Wolfram und/oder Molybdän enthält.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (M2) zumindest überwiegend aus Kupfer besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Kathodenstrahlröhre, insbesondere eine Wanderfeldröhre (TWT) handelt.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (GI, CO) eine Gitterelektrode, eine Strahlblende oder eine Kollektorelektrode bildet.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Vakuum-Elektronenstrahlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einer durch eine Reliefstruktur einer metallischen Oberfläche reduzierten Sekundärelektronenemission, wobei
- ein Grundkörper hergestellt wird, welcher zumindest in einer Oberflächenschicht aus einem Materialverbund aus einem ersten und einem zweiten Material besteht, wobei das erste Material ein Grundgerüst (GG) mit Zwischenräumen (HG) bildet und das zweite Material (M2) Zwischenräume (HG) des Grundgerüstes (GG) ausfüllt,

- das zweite Material (M2) selektiv aus den Zwischenräumen (HG) des Grundgerüsts (GG) der Oberflächenschicht (OS) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (M2) durch Elektropolieren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Grundkörpers ein Materialgerüst aus dem ersten Material erzeugt und dieses mit verflüssigtem zweiten Material (M2) getränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers vor dem Entfernen des zweiten Materials (M2) durch ein materialabtragendes Verfahren geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass scharfe Kanten und Spitzen an der Oberfläche aus dem ersten Grundgerüst (GG) gerundet oder entfernt werden.