SE453033B - Gaslaserkatod och forfarande for framstellning derav - Google Patents

Description

453 033 2 sammanpressning av karbider", samlingsverk "Tugoplavkie Karbidy", Kiev, "Naukova dumka", 1970, s. 45-51).

Ett känt förfarande för framställning av detaljer gör det dessutom möjligt att framställa katoder av karbíder av svårsmälta metaller. Detta förfarande omfattar uppvärmning av ett grafitämne i en atmosfär av tantal- eller niobpentaklorid och argon och grun- dar sig på att grafit bringas att reagera med en metallhalogenid vid en hög temperatur under bildande av en karbidbeläggning [jäm- för exempelvis Repnikov N.N. m. fl. "Fysikaliska och kemiska ut- fällningsförhällanden för niokarbid på grafit", samlingsverk "Temperaturoustojchivye zashtitnye pokrytija" ("Temperaturbeständi- ga skyddsbeläggningar"), Leningrad, förlaget "Nauka", 1968, sid. 12ü]. Framställning av gaslaserkatoder medelst detta kända förfa- rande leder emellertid icke till någon märkbar ökning av laserns livslängd, eftersom grafitunderlaget reagerar (omsättes) aktivt med gasmediet i lasern och härigenom förhindrar att själva karbi- dens nyttiga egenskaper utnyttjas fullständigt.

Ett annat känt förfarande för framställning av detaljer (bl.a. katoder) av karhider av svårsmälta metaller omfattar upp- värmning av ett metallämne i en sats av pulverformig grafit i en argongasatmosfär, bl.a. ett ämne av tantal eller niob. Förfarandet är baserat på diffusionsuppkolning (jämför exempelvis Samsonov G.B, m.fl. "Svårsmälta beläggningar", Moskva, förlaget "Metallurgi- ja", 1973, sid. 135). Ej heller detta kända förfarande är emeller- tid lämpligt att använda för framställning av gaslaserkatoder på grund av den aktiva basbeståndsdelen av metall, som inverkar på gasmediets sammansättning.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en gaslaserkatod, som uppvisar goda emissionsegenskaper och elektriskt ledande egenskaper och samtidigt finfördelas endast i ringa grad under inverkan av jonbombardemang, vilket bidrar till att öka den med denna katod försedda laserns livslängd, samt att åstadkomma ett förfarande för framställning av en sådan katod.

Detta syfte uppnås medelst en gaslaserkatod, som är uppbyggd i form av en hylsa av ett elektriskt ledande emissionsmaterial, varvid det för föreliggande uppfinning utmärkande är att hylsan är uppbyggd av tre skikt av karbider av metaller, vilka tillhör den s.k. sidoundergruppen av grupp V i grundämnenas periodiska system, varvid de yttre skikten har sammansättningen MeC0,7A_O,95 och inner- skiktet har en sammansättning motsvarande formeln MeC0,92_O,98 (än 453 033 3 eller är framställt av en halvkarbid MeCO,5.

Nämnda syfte uppnås dessutom medelst ett förfarande för fram- ställning av katoden, vid vilket ett grafitämne uppvärmes i en atmosfär av tantal- eller niobpentaklorid och argon, varvid det för förfarandet utmärkande är att grafitämnet för framställning av ka- toden uppvärmes till en temperatur av 2300-250000 och hålles vid denna temperatur under en tid av 5-8 timmar.

En andra utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen för framställning av katoden är baserad på att ett ämne av tantal eller niob uppvärmes i en sats av pulverformig grafit i en argon- gasatmosfär, varvid det för denna utföringsform av förfarandet ut- märkande är att ämnet för framställning av katoden (katodämnet) uppvärmes till en temperatur av 2000-220000 och hâlles vid denna temperatur under en tid av 5-10 timmar.

Den enligt föreliggande uppfinning utformade gaslaserkatoden utmärker sig av att den finfördelas endast i ringa grad, är be- ständig i ett gasformigt medium samt uppvisar hög mekanisk håll- fasthet, hög elektrisk ledningsförmåga och goda emissionsegenskaper.

Dessa fördelar med katoden enligt uppfinningen gör det möjligt att avsevärt (i det närmaste tiodubbelt) öka gaslasrarnas livslängd.

Samtliga utföringsformer av förfarandet enligt uppfinningen för framställning av en gaslaserkatod är enkla att genomföra och gör det möjligt att framställa tunnväggiga (exempelvis med en vägg- tjocklek av 0,5-0,7 mm),mekaniskt hållfasta katoder.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, som visar ett längdsnitt genom gaslaserkatoden enligt föreliggande uppfinning.

Gaslaserkatoden enligt uppfinningen är uppbyggd i form av en cylindrisk hylsa, vars väggar uppvisar en treskiktsstruktur och är framställda av karbider av metaller, vilka tillhör sidounder- gruppen av grupp V i grundämnenas periodiska system, varvid de yttre skikten 1 uppvisar sammansättningen MeC0,7u_0,95, medan in- nerskiktet 2 har sammansättningen MeC0,92_0,98 eller är framställt av en halvkarbid MeC0,5. Tjockleksförhållandet mellan skikten 1-2-1 varierar mellan 1:1:1 och 1:0,25:1. Samtliga parametrar beror på att katodens godtagbara driftsegenskaper (dvs. dess obe- tydliga tendens till finfördelning, dess goda stabilitet i ett gas- formigt medium, etc.) måste kombineras med den höga mekaniska håll- fasthet som katoden måste uppvisa såsom laserns konstruktionsele- ment . 453 033 H Genom försök har man kunnat konstatera, att katodens önskade driftsegenskaper säkerställes medelst en monokarbid med sammansätt- ningen MeC0,7u_0,95, varför sammansättningen av de yttre karbid- skikten 1 icke får avvika från de i denna formel angivna gränserna 0,7U-0,95.

Katodens önskade mekaniska hâllfasthet säkerställes medelst ett inre skikt 2 med bikakestruktur, varvid detta skikt är fram- ställt av en tantal- eller niobmonokarbid med sammansättningen MeC0 _ eller av en tantal- eller niobhalvkarbid med samman- ,92 0,98 sättningen MeC MeC 0,5 (när de yttre skikten har sammansättningen 0,8_O:95), vars viskositet är högre än monokarbidernas.

Ett tjockleksförhållande mellan skikten 1-2-1 varierande mellan 1:1:1 och 1:0.25:1 ger, såsom konstaterats genom försök, den nödvändiga mekaniska hâllfastheten åt katoden såsom laserns konstruktionselement.

Förfarandet för framställning av gaslaserkatoden har två utföringsformer.

Enligt den första utföringsformen av förfarandet använder man som basbeståndsdel ett ihâligt grafitämne med en väggtjocklek, som är något mindre än den färdiga katodens tjocklek. Ämnet upp- värmes.i en blandning av tantal- eller niobpentakloridånga och argon (1,5-2 kg pentaklorid per liter argon) till en temperatur av 2300-250000 och hålles vid denna temperatur i nämnda gasformiga ne- dium under en tid av 5-8 timmar. Processtemperaturen, processti- den, ämnets utgångstjocklek och pentakloridkoncentrationen bör väljas så, att karbidiseríngsförloppet fortgår under bildande av en treskiktad karbidstruktur med önskad sammansättning och med önskat skikttjockleksförhållande.

Katoden får treskiktsstruktur genom att ett kompakt (yttre) karbidskikt samtidigt bildas över hela ytan av grafitämnet vid de så valda processparametrarna, varvid den fortsatta karbidtillväx- ten endast kan ske genom koldiffusion från den inre basbestånds- delen av grafit, som under ett bestämt skede av förloppet omvand- las till en uppluckrad struktur, längs vars korngränser (inter- kristallina gränser) pentakloriden tränger in, varigenom denna struktur omvandlas till en karbid, som armerar de yttre skikten.

Ifall processtemperaturen är lägre än 230000, formas alltför kom- pakta yttre skikt, varför karbidiseringen sker avsevärt långsamma- re och det önskade resultatet icke kan uppnäs under något accepta- 453 033 5 helt tidsintervall. Om processtemperaturen är högre än 250000, formas luckra karbidskikt genom att reaktionen sker volymmässigt. Ämnets utgângstjocklek bör väljas genom beräkning av tantal- eller niobkarbidens densitet, varefter densitetens exakta värde bestäm- mes genom försök.

Eftersom samtliga processparametrar för framställning av ka- toder med erforderliga parametrar har samband med varandra, be- stämmes karbidiseringstiden genom försök med ledning av dels re- sultaten av metallografisk röntgenstrukturanalys av de färdiga ka- toderna.och dels grafitämnets viktändring efter karbidiseringen.

Grafiten omvandlas fullständigt till karbidstrukturen under nämnda processtid av 5-8 timmar.

I tabell 1 nedan redovisas konkreta processparametrar för genomförande av den första utföringsformen av förfarandet enligt uppfinningen samt de framställda katodernas parametrar.

Den andra utföringsformen av förfarandet enligt uppfinningen för framställning av katoder är baserad på att ett ämne av metall, exempelvis tantal eller niob, vars väggtjocklek är något mindre än den färdiga katodens väggtjocklek, uppvärmes i Hisats av pulver- formig grafit i ett inert medium till en temperatur av 2000-220000 och hâlles vid denna temperatur under en tid av 5-10 timmar. Pro- cessparametrarna och ämnets tjocklek bör väljas så, att karbidi- seringen fortgår under bildande av en treskiktad karbidstruktur med önskad sammansättning och med önskat skikttjockleksförhållande.

Katoden får i detta fall treskiktsstruktur genom att metal- lerna, som tillhör sidoundergruppen av grupp V i grundämnens perio- diska system, karbidiseras i överensstämmelse med tillståndsdia- grammet Me-C, vilket med andra ord innebär att det i de yttre, i kontakt med kolet varande skikten bildas en monokarbid MeCX, där x kan få värden vilka är nära den övre s.k. homogenitetsgränsen för karbiden, medan det inre skiktet omvandlas till en halvkarbid vid lång uppehållstid.

De verkliga processhastigheterna är beroende av många para- metrar och kan icke beräknas teoretiskt med erforderlig noggrann- het, varför de aktuella processparametrarna för framställning av katoder med önskade parametrar måste bestämmas genom försök.

Ifall processtemperaturen är lägre än 200000, sker karbidiseringen mycket långsamt, vilket resulterar i en avsevärd ökning av karbidi- seringstiden. Om temperaturen är högre än 220000, âtföljes karbi- diseringen av en felbildning i de karbidskikt som tillväxer samt 453 035 s av en ändring av katodens form genom inre spänningar och plastisk deformation. När katoderna framställes av niobkarbid eller tan- talkarbid, hålles processtemperaturen inom gränserna 2000-210000 respektive 2100-220000. Eftersom samtliga processparametrar för framställning av katoder med önskade parametrar har samband med varandra, är processtiden en summa-faktor, som bestämmes genom försök med ledning av metallografianalysdata. Processtiden ökar med sänkning av processtemperaturen och med minskning av tjockleken av innerskiktet med sammansättningen MeC0,5. Eftersom tantal- och niobhalvkarbiderna uppvisar ettmycket snävt s.k. homogenitets- område och ett hexagonalt kristallgítter, har man med ledning av röntgenanalysdata icke kunnat bestämma variationsgränserna för halvkarbidens sammansättningf Konkreta pxmessparametrar för genomförande av den andra ut- föringsformen av förfarandet enligt uppfinningen samt de framställ- da katodernas parametrar redovisas i tabell 2 nedan.

Man provade s.k. bortlödda C02-lasrar med olika, enligt upp- finningen utformade katoder, vilkas parametrar anges i tabellerna 1 och 2. För jämförelse provades dessutom en bortlödd CO2~laser med katod av metall (kovarlegering) med liknande form.

Prövningen har visat, att användning av de föreslagna kato- derna av tantal~ eller niobkarbid, vilka har framställts medelst förfarandet enligt uppfinningen, gör det möjligt att öka de bort- lödda C02-lasrarnas livslängd från 500 timmar (för kovarkatoden) till 100mJtimmar och däröver. Samtidigt erhåller man högsta möj- liga specifika strålningseffekt per längdenhet, varvid denna ef- fekt kan hållas praktiskt taget konstant med tiden. Man har kunnat konstatera, att lasrarnas livslängd icke begränsas av kato- dens inverkan utan av inverkan av andra faktorer, vilkas elimine- ring skulle bidraga till att ytterligare öka livslängden.

Fördelen med den enligt föreliggande uppfinning föreslagna gaslaserkatoden jämfört med de kända katoderna av detta slag är alltså, att lasrarnas livslängd ökar flera gånger. Detta gäller icke endast C02-lasrar utan även många andra gaslasrar, i vilka katodens finfördelning (pulverisering) är av principiell betydel- se, exempelvis CO-lasrar, He-Ne-lasrar, etc.

Ah' 453 033 7 Tabell 1 Exempel Ärmesnlaterial Processpararnetrar Temperatur, Processtid, Pentakloridkoncent- OC h ration, g/liter argon 1 grnafit 2500 5 2 2 grafit 2300 8 2 5 grafit 21300 6 1,5 L! grafit 2300 8 1,5 Exempel De framställda katodemas parametrar Skikttjockleks- Det yttre skíktets Det inre skiktets förhållande sammansättning sammansättning 1 1:O,5:1 TaCoßg TaCOßQ 2 1.1.1 TaCoJu TaC0,98 3 1.0,5.1 NbCOSQ NbCoßz LI lzlzí NbCOfiu NbCoågs Tabell 2 Exempel Ämnesmaterial Processparaznetrar Temperatnr, OC Processtíd, h 1 niob 2000 14 2 tantal 2200 8 3 niob 2100 5 i! tantal _2100 ,1O Exempel De framställda katoderraas parametrar smmcjeekleke- Det yttre ekiktefie De: inre skiktete förh ållandeï 0 D sammansättning samansättnírmg : : C 1 1 0,5 1 0:95 Nbcoß 2 1:0,25:1 1210038 TaCoß , 1:o,3=1 Nbcoß Nbcoßš ll 1:O,5:1 TaCoàßs sTaCoåš

Claims (2)

453 033 8 Patentkrav

1. Gaslaserkatod i form av en hylsa av ett elektriskt ledande emitteringsmaterial, k ä n n e t e c k n a d av att hylsan är upp- byggd av tre skikt av karbider av metaller, vilka tillhör den s.k. sidoundergruppen av grupp V i grundämnenas periodiska system, var- vid hylsans yttre skikt har sammansättningen MeC och dess eller är framställt inre skikt har sammansättningen MeC0I92_0'98 av en halvkarbid MeC0'5.

2. Förfarande för framställning av en katod enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att ett grafitämne uppvärmes till en temperatur av 2300-2500°C i en atmosfär av tantal- eller niob- pentaklorid och argon och hàlles vid denna temperatur under en tid av 5-8 timmar, eller att ett ämne av tantal eller niob uppvärmes till en temperatur av 2000-2200°C i en sats av pulverformig grafit i argongasatmosfär och hâlles vid denna temperatur under en tid av 5-10 timmar. w n»