DE3713259A1

DE3713259A1 - Einkristall mit widerstandsheizung

Info

Publication number: DE3713259A1
Application number: DE19873713259
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl Ing Dr Winkler; Hans Hofer
Original assignee: Balzers Hochvakuum GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum GmbH
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-04-18
Publication date: 1988-03-31
Also published as: GB8720151D0; JPS6386332A; NL8702313A; GB2195820A; CH672860A5; US4843277A; DE8705725U1; FR2605455A1

Description

Die Erfindung betrifft Einkristalle mit mindestens einer Vorrichtung zum Verankern von Heizelementen einer indirekten Widerstandsheizung, insbesondere thermionische Emissionskatho den für elektronenoptische Anwendungen vorzugsweise bestehend aus einem Borid oder Mischborid eines Elementes aus der Reihe der seltenen Erden.

Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Verankern eines Heiz elementes einer indirekten Widerstandsheizung in einem Ein kristall und die Verwendung derartiger Einkristalle.

Einkristalle werden für sehr verschiedenartige Anwendungsge biete nach dem Prinzip einer indirekten Widerstandsheizung beheizt. Dabei stösst die dauerhafte und wartungsarme Veranke rung der Heizelemente im Kristallkörper regelmässig auf Schwierigkeiten. Für elektronenoptische Anwendungen werden beispielsweise Einkristalle aus Lanthanhexaborid (LaB₆) oder anderen Boriden als Emissionskathoden eingesetzt und üblicher weise durch eine indirekte Widerstandsheizung, welche gleich zeitig eine Stromzuführung darstellt, auf eine Betriebstempe ratur zwischen 1500°C und 1600°C aufgeheizt. In diesem Be reich tritt die Abtragung der Kristallsubstanz durch Verdamp fen gegenüber der Oxidation mit O ₂-haltigem Restgas und der anschliessenden Verdampfung des Boroxids und Lanthanoxids an Bedeutung zurück. Dementsprechend liegt selbst bei dem hohen Vakuum von 1×10^-5 Pascal, die Abtragungsrate durch Oxydation in der gleichen Grössenordnung wie die Abtragungsrate durch Verdampfung von LaB₆. Die Folge dieser oxydativen Verdampfung ist, dass sich die Hexaborid-Kathoden bei allen Halterungen, die bis heute vorgeschlagen wurden, mehr oder weniger schnell im Laufe der Zeit durch Spaltenbildung lockern, sofern das Vakuum nicht besser als 10^-5 Pascal ist.

Sobald sich ein Spalt zwischen der Kathode und ihrer Halterung bildet, ändert sich die Lage der Kathode und ihres Brenn flecks. Auch der Wärmeübergang, der jetzt teils durch Strah lung, teils durch Wärmeleitung erfolgt, wird instabil. Ist die Kathode in den Heizstrompfad mit einbezogen, ändert sich auch der Uebergangswiderstand. Beides führt zu Temperaturschwankun gen mit entsprechenden Fluktuationen der Emission.

Eine Spaltenbildung kann auch bei einer Halterung nicht ver mieden werden, bei der die LaB₆-Kathode zwischen zwei Backen aus pyrolithischem Graphit eingeklemmt ist und die Stromzufüh rung und Beheizung durch diese mit Federkraft angepressten Backen erfolgt. Sie führt zu einer stetigen, manchmal auch sprunghaften Aenderung des Uebergangswiderstands. Diese Aus führungsform ist darüberhinaus eine sehr aufwendige und bean sprucht wesentlich mehr Raum als eine Haarnadelkathode.

Eine weitere Lösung ist in DE-OS 32 03 917 A1 offenbart. Dar nach soll die Spaltbildung zwischen einer LaB ₆-Kathode und ihrer Halterung dadurch überwunden werden, dass die als U-för miger Bügel ausgebildete Halterung aus einem hochschmelzenden Metall mit dem genau eingepassten LaB₆-Einkristall, der als Kathode verwendet wird, durch Sintern verbunden wird. Um eine Reaktion zwischen der Kathode und dem Metallbügel zu verhin dern, wird zwischen die Flächen, die miteinander verbunden werden sollen, eine dünne Schicht, die aus kolloidalem Kohlen stoff und einem Reaktionsbarrierematerial besteht, als Paste eingebracht. Da eine solche Zwischenschicht nach dem Sintern spröde ist, darf sie keiner mechanischen Beanspruchung im Be trieb ausgesetzt werden. Dies bedingt lange, elastische Strom zuführungen. Auch hier wurde festgestellt, dass wegen der ver schiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Halterung und Kathode im Lauf der Zeit sich dennoch Spalten bilden, die zu einer allmählichen Verschlechterung des Wärmeübergangs vom Heizele ment zur Kathode und schliesslich zur Lockerung der Kathode führen.

Bei anderen Anwendungen von beheizten Einkristallen treten ähnliche Schwierigkeiten auf.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde

- eine dauerhafte, zuverlässige und wartungsarme Verbindung zwischen thermisch beanspruchten Einkristallen
- und dem Element einer indirekten Widerstandsheizung

zu schaffen. Bei dieser Verbindung muss gewährleistet sein, dass auch bei höheren Betriebstemperaturen durch Re- oder Um kristallisation keine Verzögerungen auftreten. Schliesslich soll die Erfindung verhindern, dass die unterschiedliche Aus dehnung des Heizelements und der Kathode beim Aufheizen und Abkühlen nicht zu Spannungsrissen führt, die den Wärmeübergang verschlechtern.

Die Aufgabe wird durch Einkristalle der im Gattungsbegriff umschriebenen Art gelöst, welche folgende Merkmale aufweisen:

a) das einzelne Heizelement ist in einer Ausnehmung des Einkristalls eingebettet,
b) der Einkristall ist mit diesem Heizelement mittels einer Sintermasse dauerhaft verbunden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass angesichts des Sauerstoffangriffs auf den thermionisch belasteten Ein kristall und einer nicht vernachlässigbaren Verdampfungsrate des Materials dieses Einkristalls eine dauerhafte mechanische Verbindung und ein konstanter Wärmefluss zwischen Einkristall und Heizelement nur dann erreicht wird, wenn es gelingt, für die Verbindung ein Material zu finden, das sowohl am Einkri stall als auch am Heizelement gut haftet, d.h. sich mit ihnen verbindet, und das nicht dem gleichen Abbau durch Oydation und Verdampfung wie der Einkristall unterliegt.

Dabei wurde gefunden, dass eine wesentlich bessere Lösung des Problems, einen dauerhafteren Wärmeübergang zu erreichen, er zielt wird, wenn der Wärmeübergang vom Heizelement zum Ein kristall nicht wie bei der bekannten Lösung von aussen nach innen erfolgt, vielmehr gerade umgekehrt, also von innen nach aussen. Der Einkristall wird also nicht mehr vom Heizelement umhüllt, sondern das Heizelement wird vom Material des Einkri stalles umschlossen. Dies geschieht am einfachsten dadurch, dass auf einer Seite eines zylindrischen Kristallabschnitts ein verhältnismässig schmaler Schlitz eingeschliffen wird, der nur wenig weiter ist als der Durchmesser des Heizleiters, und dass der Heizleiter in diesen Schlitz mittels einer Sinter masse aus verhältnismässig hochschmelzenden Komponenten einge setzt wird, die sich bei der Sinterung sowohl mit dem Einkri stall als auch mit dem Heizleiter verbindet.

Der wesentliche Unterschied zu den bisherigen Lösungen, bei denen das Heizelement auf dem Einkristall aufgelegt ist oder diesen umfasst, besteht darin, dass der Wärmefluss vom Heiz element erfindungsgemäss nach allen Seiten erfolgt und das Heizelement mit der Einbettmasse vom Einkristall wie von einer Klammer umfasst wird, so dass die entstehenden Zug- und Druck spannungen elastisch aufgenommen werden können und nicht mehr zur Rissbildung führen.

Bei elektronenoptischen Anwendungen von Kathoden aus Lanthan borid (LaB₆) wurde bisher bei konstanter Heizstromstärke immer eine allmähliche Abnahme der Kathodentemperatur als Folge der Verschlechterung des Wärmeübergangs durch diese Rissbildung festgestellt. Bei der erfindungsgemässen Verankerung des Heiz elementes hingegen nimmt die Temperatur zu, und zwar im selben Masse, wie die abgestrahlte Leistung als Folge der Verkleine rung der Kathodenoberfläche durch den Materialabbau abnimmt.

Selbst nach einer Abnahme des Kathodendurchmessers von 1,0 auf 0,8 mm konnte keine Verschlechterung des Wärmeübergangs fest gestellt werden. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht also längere Betriebszeiten der eingesetzten Einkristalle.

Als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemässe Vorrichtung können Einkristalle beliebiger chemischer Zusammensetzung ent sprechend dem konkreten Anwendungsgebiet eingesetzt werden. Beispielsweise werden für den Einsatz als thermionische Katho den für elektronenoptische Anwendungen üblicherweise zylindri sche, zonengeschmolzene LaB₆-Einkristallstäbe mit einer <001<- Achse und einem Durchmesser von 1,0 mm eingesetzt. Die Ausneh mung, in der das einzelne Heizelement plaziert wird, kann an sich in beliebiger Form ausgestaltet werden, doch haben sich Schlitze mit parallelen Wänden, Kreis- oder Kegelsegmente bzw. -Sektoren sowie Bohrungen vom fertigungstechnischen Standpunkt aus als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die Form der im Einkristall zu verankernden Heizelemente kann an sich beliebig ausgestaltet sein, doch haben sich aus prakti schen Gründen Drähte als besonders vorteilhaft und zweckmässig erwiesen. Diese können vorteilhafterweise in der Form einer Haarnadel gestaltet sein, wobei das U-förmige Ende im Einkri stall verankert wird.

Für besondere Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine Mehr heit von Heizelementen in der erfindungsgemässen Art in einen Einkristall zu verankern. Diese Heizelemente können ggf. gleichzeitig als Stromzuführungen für eine direkte Widerstands heizung des Einkristalls verwendet werden.

Der Werkstoff des Heizelementes richtet sich nach den Erfor dernissen der konkreten Einzelanwendung, wobei chemische, elek trische und thermische Eigenschaften gleicherweise berücksich tigt werden müssen. Zur Verankerung in Einkristallen aus Lan thanhexaborid (LaB₆) haben sich beispielsweise Heizelemente bewährt, welche aus Wolfram, Tantal oder einer Wolfram-Rheni um-Legierung mit mehr als 50% Wolfram bestehen.

Tantal und die Wolfram-Rhenium-Legierung haben den Vorteil, dass sie auch noch nach dem Sinterprozess genügend duktil blei ben, um eine genaue Justierung der Kathode zu ermöglichen.

Die Zusammensetzung der Sintermasse richtet sich ebenfalls nach den Erfordernissen der Einzelanwendung, doch hat sich als zweckmässig erwiesen, einen Anteil einer Substanz mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der Einkristall vor zusehen, vorzugsweise einen Volumenanteil von rund 50%, der eine dauerhafte Verbindung zu diesem letzteren gewährleistet. Beispielsweise haben sich für das Verankern von Heizelementen in Einkristallen vor Lanthanhexaborid (LaB₆) Zusammensetzungen bewährt, welche neben dem Volumenanteil von rund 50% LaB₆ bzw. eines Hexaborids eines anderen Elementes aus der Reihe der seltenen Erden noch eines oder mehrere hochschmelzende Metalle (beispielsweise Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Rhe nium) oder Boride, Silizide oder Carbide dieser Elemente ent halten, welche eine dauerhafte Verbindung mit dem Heizleiter bewirken.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Einkri stalle weist folgende Merkmale auf:

a) das einzubettende Heizelement (1) wird in der Aus nehmung des Einkristalles (2) in der gewünschten La geplaziert,
b) die Sintermasse (3) wird als dünnflüssige Suspension aus den verschiedenen Komponenten in die Ausnehmung des Einkristalles (2) eingebracht,
c) die Sintermasse (3) wird an der Luft getrocknet, und anschliessend
d) unter Verwendung des Heizelementes (1) im Vakuum bei Temperaturen über 2000°K gesintert.

Dieses erfindungsgemässe Vorgehen ergibt eine poröse Struktur der Sintermasse, welche besser als ein dichtes Gefüge in der Lage ist, die mechanischen Spannungen elastisch aufzunehmen, welche beim Aufheizen und Abkühlen zwischen Heizelement und Einkristall ggf. entstehen. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der mittlere Korndurchmesser der Komponenten dieser Sintermasse zu Beginn des Verfahrens klei ner als 5 µm ist.

Im folgenden werden einige besondere Ausführungsformen der Er findung anhand von Zeichnungen näher erläutert, wobei die Er findung selbstverständlich nicht auf diese besonderen Ausfüh rungsformen beschränkt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt und

Fig. 2 eine schematische An sicht eines erfindungsgemässen Einkristalls;

Fig. 3 einen Längsschnitt und

Fig. 4 eine Ansicht einer komplizierten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Längsschnitt und

Fig. 6 eine Ansicht eines längsgestreckten erfindungsgemässen Einkristalls;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines erfin dungsgemässen Einkristalles mit zwei Heizelementen.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang der Hauptachse einer Kathode (2) für elektronenoptische Anwendungen, Fig. 2 eine Seitenansicht einer derartigen Kathode mit eingesetztem Heiz element (1). Diese Kathode (2) besteht aus zonengeschmolzenen Lanthanhexaborid (LaB₆) mit der gewünschten Kristallorientie rung und weist einen eingeschliffenen Schlitz (4) auf, in den das Heizelement (1) eingesetzt ist. Dieses kann beispielsweise aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0.125 mm bestehen, der in den Schlitz (4) mit einer lichten Weite von beispielsweise 0.15 mm passt, der im übrigen von der porösen Sintermasse (3) ausgefüllt wird.

In Fig. 3 und 4 ist ein haarnadelförmiger Kristallhalter (5) an einem dünnen Blechstreifen (6) aus Wolfram, Tantal, Niob oder Molybdän angepunktet, der seinerseits in den Schlitz (7) der Kathode eingesintert ist und die Wärme überträgt. Diese Lösung kommt dann in Betracht, wenn ein Träger benötigt wird, der auch noch nach dem Ausglühen duktil bleibt und ein nach trägliches Ausrichten des Kristalles ermöglicht.

Fig. 5 und 6 zeigen Längsschnitt und Ansicht von Linien kathoden für elektronenoptische Anwendungen, bei der das Heiz element (9) in eine Längsnut des Einkristalls eingesetzt ist.

Fig. 7 zeigt einen langgestreckten Einkristall (12) bei dem zwei Heizelemente (10, 11) in die entsprechenden Ausnehmungen (13, 14) einsetzt sind, um eine gleichmässige Temperaturver teilung über die ganze Länge zu gewährleisten. Diese Heizele mente (10, 11) können ggf. gleichzeitig als Stromzuführungen für eine direkte Widerstandsheizung verwendet werden.

Beispiel

Zylindrische, zonengeschmolzene Einkristallstäbe aus Lanthan hexaborid (LaB₆) mit einer <001<-Achse und einem Durchmesser von 1.0 mm wurden auf die gewünschte Länge zugeschnitten und an einem Ende kegelförmig angeschliffen. Am anderen Ende wurde eine schlitzförmige Ausnehmung von 0.15 mm lichter Weite und und einer Tiefe von 0.6 mm eingeschliffen. In diese Ausnehmung wurde ein U-förmig gebogener Draht von 0.125 mm Durchmesser aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung mit einem gewichtsmässigen Anteil von mehr als 50% Wolfram mit einem Mikromanipulator entsprechend Fig. 1 plaziert. Anschliessend wurde die Ausneh mung mit einer Suspension aufgefüllt, welche aus rund 50 Volu menprozenten des Borids eines Elementes aus der Reihe der sel tenen Erden, 40-42 Vol.-% Molybdän-Silizid und als Rest eines der bereits genannten hochschmelzenden Metalle (Wolfram, Tan tal, Molybdän, Niob, Rhenium) bestand. Diese drei Komponenten wurden in einer Lösung von 5 Gewichts-% Nitrozellulose in Es sigsäure (Eisessig, wasserfrei) suspendiert. Der mittlere Korn durchmesser aller drei Komponenten betrug dabei weniger als 5 µm. Darauf wurde diese Suspension während zwei bis drei Minuten bei Zimmertemperatur an der Luft getrocknet. Schliess lich wurde der derart behandelte Einkristall bei einem Druck von p=10^-3 Pascal während einer Minute auf 2000°K aufge heizt.

Nach dieser Behandlung wies die Sintermasse eine poröse Struk tur auf, welche die mechanischen Spannungen elastisch aufneh men konnte, die beim Aufheizen und Abkühlen des Einkristalls entstehen.

Claims

1. Einkristall mit mindestens einer Vorrichtung zum Veran kern von Heizelementen einer indirekten Widerstands heizung

- insbesondere thermionische Emissionskathode für elek tronenoptische Anwendungen
- vorzugsweise bestehend aus einem Borid oder Misch borid eines Elementes aus der Reihe der seltenen Erden,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) das einzelne Heizelement (1) in einer Ausnehmung des Einkristalls (2) eingebettet ist und
b) der Einkristall (2) mit dem Heizelement (1) mit tels einer Sintermasse (3) dauerhaft verbunden ist.

2. Einkristall nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung in der Form eines Schlitzes, Segments, Sektors, oder einer Bohrung ausgebildet ist.

3. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einzubettende Heizelement (1) haarnadelförmig ausge bildet ist.

4. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einzubettende Heizelement (1) eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Wolfram, Tantal.

5. Einkristall nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das einzubettende Heizelement (1) eine Wolfram/Rhenium- Legierung mit einem Anteil von mehr als 50% Wolfram ent hält.

6. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse Material der gleichen chemischen Zusam mensetzung wie der Einkristall enthält.

7. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) Lanthanhexaborid oder ein Hexaborid eines anderen Elementes aus der Reihe der seltenen Erden enthält.

8. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Rhenium.

9. Einkristall nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermasse (3) ein Silizid, Borid oder Karbid eines oder mehrerer der folgenden Elemente enthält: Wolfram Tantal, Molybdän, Niob, Rhenium.

10. Verfahren zum Verankern eines Heizelementes einer Widerstandsheizung in einem Einkristall, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das einzubettende Heizelement (1) in der Ausnehmung des Einkristalles (2) in der gewünschten Lage pla ziert wird,
b) die Sintermassse (3) als dünnflüssige Suspension aus den verschiedenen Komponenten in die Ausnehmung des Einkristalles (2) eingebracht wird,
c) die Sintermasse (3) an der Luft getrocknet wird, und anschliessend
d) unter Verwendung des Heizelementes (1) im Vakuum bei Temperaturen über 2000°K gesintert wird.

11. Verwendung eines Einkristalles nach den Patentansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrheit von Heizelementen (1) neben ihrer Funktion als indirekte Widerstandsheizung gleichzeitig als Strom zuführungen für eine direkte Widerstandsheizung des Ein kristalles (2) eingesetzt werden.