DE1276242B - Kathodenanordnung fuer Gasentladungsvorrichtungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MUWWl· PATENTAMT Int. Cl.:

H05h

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-61/00

Nummer: 1 276 242

Aktenzeichen: P 12 76 242.4-33 (H 61386)

Anmeldetag: 23. Dezember 1966

Auslegetag: 29. August 1968

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für Gasentladungsvorrichtungen, in denen von der Kathode thermisch emittierte Elektronen zur Bildung eines Plasmas ein Gas ionisieren (vgl. die französische Patentschrift 1 392 968).

Der Bauteil, der in Gasentladungsvorrichtungen, wie beispielsweise in Ionentriebwerken, am stärksten einer Zerstörung ausgesetzt ist, ist gewöhnlich die Kathode. Die Kathode liefert die Elektronen, die das Gas innerhalb der Vorrichtung beschießen, um die Ionen zu bilden. Wenn das Gas ionisiert worden ist, werden die Gasionen elektrostatisch mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, um den gewünschten Schub zu erzeugen. Derartige Schubtriebwerke sind für die Verwendung im Weltraum vorgesehen, so daß von dem Triebwerk eine hohe Lebensdauer gefordert werden muß, die von 1000 bis über 10000 Betriebsstunden betragen kann.

Es wurden erhebliche Anstrengungen gemacht, um Kathoden zu erzeugen, die während der ganzen er- ao forderlichen Betriebszeit Elektronen zu liefern vermögen. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten liegen darin, daß der resultierende Emissionsstrom, der eine auf ein Heizelement aufgebrachte Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material durchfließt, diese Schicht überhitzt und zu einem Abblättern sowie zu Verdampfungsverlusten des emittierenden Materials führt, wenn diese Schicht eine relativ große Dicke aufweist. Eine andere Erscheinung, die einen Verlust des emittierenden Materials aus der emittierenden Schicht verursacht, ist die Zerstäubung des Materials unter der Wirkung des Ionenbeschusses. Wenn die Kathode der vollen Beschußdichte ausgesetzt ist, wie sie innerhalb der Plasmaentladungsvorrichtung existiert, wird die Elektronen emittierende Schicht in kurzer Zeit zerstäubt, so daß die Kathode inaktiv wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Kathodenanordnung zu schaffen, bei der Verluste an emittierendem Material infolge der Widerstandswärme im wesentlichen vermieden und die Zerstäubungsverluste wesentlich vermindert sind, so daß eine Kathode geschaffen wird, die auch in Plasmaentladungsvorrichtungen eine relativ lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die eingangs bezeichnete Kathodenanordnung ein vielfach mäanderförmig gewundenes Blech oder Netz aus Metall aufweist, das mit einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material bedeckt ist und dessen einander benachbarte Windungen einen Abstand voneinander haben, der dem Plasma ein Eindringen zwischen die Windungen ermöglicht.

Kathodenanordnung für
Gasentladungsvorrichtungen

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,

Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler

und Dipl.-Phys. H. Schwindling, Patentanwälte,

7000 Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:
Hayden E. Gallagher,
Wolfgang Knauer,
Malibu, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Januar 1966
(518 246)

Es ist eine dem Blech oder Netz Heizstrom zuführende Heizvorrichtung vorgesehen.

Die Kathode kann also aus einem dünnen Metallblech oder vorzugsweise einem Metallnetz bestehen, das mit einem Elektronen emittierenden Material bedeckt ist. Das Metallblech oder -netz ist zu einer vielfach gewundenen Form gefaltet, um die Oberfläche der Kathode zu vergrößern und zugleich den Flächenanteil zu vermindern, der dem vollen Ionenbeschuß ausgesetzt ist. Wenn ein Netz benutzt wird, ist die Oberfläche der Kathode in einem solchen Maße vergrößert, daß eine dünnere Schicht des emittierenden Materials aufgebracht werden kann, als es je bisher möglich war. Dies ist für die Ausschaltung der Wirkungen der Widerstandswärme von Vorteil. Da nicht die gesamte emittierende Oberfläche nicht dem Beschüß aus dem Bereich der vollen Ionendichte innerhalb der Plasmaentladung ausgesetzt ist, sind auch die Zerstäubungsverluste vermindert. Darüber hinaus wird infolge der gewundenen Form der Kathode Oberflächenmaterial, das durch Zerstäuben abgelöst wird, an benachbarten Kathodenflächen wieder niedergeschlagen, so daß es wieder in das aktive Material einbezogen wird.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

809 598/454

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Es zeigt 0,1 mm. Es versteht sich, daß diese Angaben nur zur

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Kathodenan- Veranschaulichung der Erfindung dienen und keine

Ordnung, beschränkende Bedeutung haben.

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II durch die Aus der in den F i g. 1 und 1 veranschaulichten

Anordnung nach F i g. 1, 5 Anordnung ist ersichtlich, daß die Wärmeabschirmun-

F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht der Netzstruktur gen den gesamten emittierenden Aufbau der Kathode

der Kathode, bis auf ein Ende umgeben und daß der emittierende

F i g. 4 eine Ansicht einer anderen Form des Heiz- Aufbau eine gewundene Gestalt hat. Hierdurch wird

elementes, wie es bei einer Kathodenanordnung ahn- erreicht, daß die emittierende Oberfläche der Kathoden-

lich F i g. 1 Verwendung finden kann, « anordnung etwa das Zehnfache der Oberfläche beträgt,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine andere Kathoden- die der Ionenkammer zugewandt ist. Auf diese Weise

anordnung und werden die Zerstäubungsverluste etwa auf ein Zehntel

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI durch des Wertes vermindert, die bei Kathoden auftreten,

die Anordnung nach F i g. 5. bei denen die gesamte emittierende Oberfläche der

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Kathode weist 15 Ionenkammer zugewandt ist. Der Grundgedanke drei Wärmeabschirmungen 10, 12 und 14 auf, die besteht demnach darin, daß unabhängig von der tateinen zylindrischen Topf bilden. Es versteht sich, sächlichen Größe der emittierenden Oberfläche der daß auch eine andere Anzahl von Wärmeabschir- Kathode die Gesamtzahl der energiereichen Ionen, mungen vorgesehen sein kann. Innerhalb des inneren die auf die Kathode aufprallen, von der Vorderfläche Topfes 14 ist eine Elektronen emittierende Anordnung 20 der Kathode bestimmt wird, die dem Plasma zuge-16 vorgesehen. Diese Anordnung kann ein dünnes wandt ist. Diese Überlegung ist richtig, weil der größte Metallblech oder ein Metallnetz enthalten. Bevorzugt Teil der Ionenerzeugung über das ganze Volumen der wird ein Metallnetz 18, von dem in F i g. 3 ein Ab- Entladungskammer verteilt ist. Dies bedeutet mit schnitt vergrößert dargestellt ist. Das Metallnetz ist anderen Worten, daß der Anteil von Ionen, der in mit einem Material überzogen, das Elektronen 25 unmittelbarer Nachbarschaft der Kathode erzeugt emittiert, wenn es erwärmt wird. wird, relativ klein ist. Bei einer gewundenen Struktur

Das Metallnetz hat eine gewundene Form, die in von der Art, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, der Endansicht nach F i g. 1 als blütenähnlich be- ist anzunehmen, daß die Plasmadichte innerhalb der zeichnet werden kann. Das beispielsweise mit einem von dem Kathodennetz gebildeten Windungen sich von Oxyd beschichtete Metallnetz ist in die blütenähnliche 30 selbst auf den Wert einstellt, der durch das Eindringen Gestalt unter Verwendung einer Vielzahl von von Ionen aus dem Hauptplasma bedingt ist. Die Pföstchen21 und 23 gebogen, die den Radius der Plasmadichte wird deshalb in der unmittelbaren einzelnen Biegungen bestimmen. Jedes der Pföstchen, Nachbarschaft der Kathodenoberfläche innerhalb der die aus Aluminiumoxyd bestehen, werden von den Windungen kleiner sein als in dem Rest der Entladungs-Biegungen des mit Oxyd beschichteten Metallnetzes an 35 kammer. Infolgedessen ist zu erwarten, daß das Verihrem Platz gehalten und dienen zur Versteifung des hältnis der Dichte des Ionenstromes, der die emittierende Netzes gegen seitlichen Druck. Das mit Oxyd be- Oberfläche der Kathode beschießt, zu der Dichte des schichtete Metallnetz wird innerhalb des Abschirm- Ionenstromes, der in der Entladungskammer an der topf es 14 von mehreren Isolatoren 20,22,24,26 und 28 Vorderfläche der Kathode vorhanden ist, in der gleichen aus Aluminiumoxyd getragen, die an dem Boden des 4° Größenordnung liegt wie das Verhältnis der vorderen Abschirmtopfes befestigt sind, sich an der Kathode Kathodenfläche zu der emittierenden Gesamtfläche entlang erstrecken und konzentrisch zum Topf fest- der Kathode.

halten. Bei Bedarf können auch ein oder mehr Bei einem Verhältnis von 10:1, das sich als sehr

Isolatoren am Boden des Topfes angeordnet sein und praktisch herausgestellt hat, kann die Oxydschicht,

die Kathode im Abstand vom Boden des Topfes 45 die für eine Lebensdauer von 10000 Stunden benötigt

halten. wird, gegenüber der bisher benötigten Menge um den

Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich, stehen vom Faktor 10 reduziert werden.

Boden des Topfes Heizleiter 30 und 32 ab und sind mit Bei der Verwendung eines Drahtnetzes anstatt eines

den Enden des Drahtnetzes auf geeignete Weise ver- Bleches ist eine zusätzliche Unterbringung von Elek-

bunden. Eine bevorzugte Anordnung ist in F i g. 1 ver- 50 tronen emittierendem Material zwischen den einzelnen

anschaulicht. Zwei Nickelstreifen 29 und 31 bzw. 33 Drähten des Kathodennetzes möglich. Daher kann

und 35 sind so gebogen, daß sie den entsprechenden die Dicke zusätzlich um den Faktor 2 vermindert

Heizleiter 30 bzw. 32 und das entsprechende Ende des werden, so daß die endgültig benötigte Dicke des

Metallnetzes umgreifen. Die Nickelstreifen sind dann emittierenden Materials in der Größenordnung von

durch Punktschweißen befestigt, um sowohl die be- 55 0,25 mm liegen kann. Das ist ein im Hinblick auf die

nötigten elektrischen Verbindungen herzustellen als Entwicklung von Joulescher Wärme sehr befriedigender

auch die mechanische Festigkeit zu geben. Wert, zumal die mittlere Dichte des Elektronenstromes

Bei einer praktischen Ausführungsform besteht das wegen der großen Gesamtoberfläche ebenfalls gering

Metallnetz aus Nickeldraht von etwa 0,11 mm Durch- ist. Endlich geht bei einer gefalteten oder gewundenen

messer, und es sind in beiden Richtungen etwa 28 60 Anordnung von der Art, wie sie in F i g. 1 veran-

Drähte pro cm vorgesehen. Die Breite des Netzes be- schaulicht ist, ein großer Teil des zerstäubten aktiven

trägt etwa 13 mm. Ein Stück dieses Drahtnetzes von Materials nicht verloren, sondern wird auf anderen

etwa 150 mm Länge ist dann zu der blütenähnlichen aktiven Teilen der Kathodenoberfläche wieder nieder-

Gestalt gebogen. Auf das Netz ist ein Überzug von geschlagen.

Bariumoxyd als emittierendes Material aufgebracht. 65 Die erfolgreiche Anwendung von Kathoden nach

Die Menge des aufgebrachten Materials beträgt der Erfindung hängt in hohem Maße davon ab, ob das

10 mg je cm². Die Wärmeabschirmungen bestehen Plasma in die einzelnen Räume der Kathode eindringt

ebenfalls aus Nickel und haben eine Dicke von etwa oder nicht. Eine ausreichende Elektronenemission

wird nur dann erzielt, wenn die Plasmahülle der emittierenden Oberfläche der Kathode folgt. Diese Bedingung ist in der Regel dann erfüllt, wenn der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Kathodenstruktur beträchtlich größer ist als die Dicke der Plasmahülle. Es kann angenommen werden, daß die Dicke der Plasmahülle etwa der Debye-Länge gleich ist. Die Debye-Länge ergibt sich in cgs-Einheiten zu

_ {kiy 2\π η e²

In dieser Gleichung bedeuten IcT die thermische Energie der Ionen, η die Plasmadichte und e die Elektronenladung.

Bei einer Plasmadichte von 5 · 10¹¹ Teilchen je cm³ und einer thermischen Ionenenergie, die 30 eV entspricht, ergibt sich für die Debye-Länge etwa 10~² cm. Wenn daher der Abstand zwischen den Kathodenwindungen größer als 10-²cm ist, sollte das Plasma in der Lage sein, zwischen diese Windungen leicht einzudringen.

F i g. 4 zeigt eine Ansicht der offenen Seite des Kathodentopfes einer Ausführungsform der Erfindung, die im wesentlichen der Ausführungsform nach F i g. 1 gleich ist, abgesehen davon, daß die blütenähnliche Gestalt der nur am Ausschnitt dargestellten Kathode vollständig geschlossen ist und die Heizdrähte 36 und 38 mit dem Metallnetz der Kathode an einander diametral gegenüberliegenden Stellen Kontakt machen. Infolgedessen teilt sich der über die Heizdrähte 36 und 38 zugeführte Strom und durchfließt die beiden Hälften des Metallnetzes. Ein mittlerer isolierter Ring 39 bildet einen Träger und hält die Kathode in ihrer Mitte zentriert.

Die Kathodenanordnung nach den F i g. 5 und 6
weist eine andere Ausbildung der Kathodenstruktur auf. In diesem Fall hat die Kathode 40 die Gestalt eines Waffelgitters, indem sie in Richtung der Kathodenachse mehrfach U-förmig gewunden ist. An den Seiten und am Boden des Waffelgitters ist eine Wärmeabschirmung 42 vorgesehen. Die zur Zuführung von Heizstrom dienenden Leiter 44 und 46 erstrecken sich durch Isolatoren 45 und 47, die in der Wärmeabschirmung 42 vorgesehen sind. Die Leiter 44 und 46 sind mit den Enden des Gitters verbunden und dienen zugleich dazu, das Gitter in der Wärmeabschirmung zu befestigen.

Da nur der kleinste Teil der waffeiförmigen Kathode der Ionenkammer zugewandt ist, sind die oben angestellten Überlegungen auch auf diese Kathode anwendbar, daß nämlich die Dicke der emittierenden Schicht, die zur Herstellung einer Kathode für eine hohe Lebensdauer erforderlich ist, in einem Verhältnis vermindert werden kann, das dem Verhältnis der Oberfläche, die der Ionenkammer zugewandt ist, zu der Gesamtfläche der Kathode gleich ist. Wegen der Verwendung eines Metallnetzes und der zusätzlichen Unterbringungsmöglichkeiten in dem Netz ist eine weitere Verminderung der Beschichtungsdicke um etwa die Hälfte möglich.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß eine Kathodenanordnung geschaffen wurde, bei der die Dicke des die Kathode bedeckenden emittierenden Materials für eine gegebene Elektronenemission während einer bestimmten Zeitspanne in solchem Maße reduziert werden kann, daß die Emissionsströme keine Überhitzung der Schicht mehr bewirken und daher das emittierende Material infolge solcher Überhitzungen abblättern, reißen oder verdampfen kann. Darüber hinaus ist die Form und die Anordnung der Kathode so gewählt, daß die Wirkungen des Ionenbeschusses stark vermindert werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kathodenanordnung für Gasentladungsvorrichtungen, in denen von der Kathode thermisch emittierte Elektronen zur Bildung eines Plasmas ein Gas ionisieren, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein vielfach mäanderförmig gewundenes Blech oder Netz (16) aus Metall aufweist, das mit einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material bedeckt ist und dessen einander benachbarte Windungen einen Abstand voneinander haben, der dem Plasma ein Eindringen zwischen die Windungen ermöglicht.

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das direkt geheizte Blech oder Netz (16) eine blütenähnliche Gestalt aufweist, die dadurch entsteht, daß das Blech oder Netz (16) zur Kathodenachse symmetrisch angeordnet ist, daß die Breitendimension des Bleches oder Netzes sich parallel zur Kathodenachse erstreckt und daß Blech oder Netz konzentrisch auf drei Seiten von einer topfförmigen Wärmeabschirmung (10, 12, 14) umgeben ist.

3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech oder Netz (40) in Richtung der Kathodenachse mehrfach U-förmig gewunden ist und eine topfförmige Wärmeabschirmung (42) vorgesehen ist, die die Windungen auf drei Seiten umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften
Französische Patentschrift Nr. 1 392 968.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 598/454 8.68 © Bundesdruckerei Berlin