DE1646989B1

DE1646989B1 - Vakuumdichte verbindung zwischen einem karamikrohr und einem scheibenfoermigen metallteil eines elektrischen ent ladungsgefaesses

Info

Publication number: DE1646989B1
Application number: DE19651646989
Authority: DE
Inventors: Max Dr Sandhagen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-03-24
Filing date: 1965-03-24
Publication date: 1971-05-13
Also published as: GB1133843A; FR1471877A; US3384400A

Description

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Die Erfindung betrifft eine vakuumdichte, durch viermal, über einen wesentlichen Teil seines Quer-Stumpfhartlötung hergestellte Verbindung zwischen ■ Schnitts etwa in radialer Richtung unterbrochen, eineinem einen Teil der Röhrenwandung eines elektri- gekerbt oder gebogen ist und daß dessen Wärmeausschen Entladungsgefäßes bildenden Keramikrohr und dehnungskoeffizient größer oder gleich dem des einem mindestens im Bereich der Lötstelle ebenen, 5 Metallteiles ist.

im wesentlichen senkrecht zur Röhrenachse erstreck- Durch diese Maßnahme, bei der in vorteilhafter ten, nach Art einer Platte, Ringscheibe oder derglei- Weise die Dicke des sogenannten Versteifungsringes chen ausgebildeten, als Elektrodenanschluß oder mindestens gleich der des zu versteifenden Metall-Stütze dienenden, insbesondere über den äußeren teiles gewählt wird, ist der verstärkte Metallteil im Umfang (Durchmesser) des Keramikrohres hinaus- io Bereich der Keramikmetallverbindung so steif, daß ragenden Metallteil aus einem für die Keramik ther- er nicht mehr abschälen kann. Dabei kann mit Vormisch nicht angepaßten Werkstoff mit z. B. größerem teil der sogenannte Versteifungsring aus dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, auf dessen dem Metall wie das durch ihn zu versteifende Metallteil Keramikrohr abgewandten Seite dem Keramikrohr gewählt und durch Metallötung hergestellt werden, gegenüber ein Gegenring befestigt ist. Sie hat beson- 15 Wegen der besonders günstigen physikalischen und dere Bedeutung für Leistungsröhren aller Art, unter mechanischen Eigenschaften können mit besonderem anderem auch für solche, die als Lauffeldröhren aus- Vorteil zur Lösung der gestellten Aufgabe Kupfer gebildet sind. und Nickel verwendet werden. Der Versteifungsring

Beim Aufbau einer Röhrenwandung eines elektri- kann somit aus einem Metall hergestellt werden, des-

schen Entladungsgefäßes, aus z. B. abwechselnd 20 sen Wärmeausdehnungskoeffizient entweder gleich

aneinandergelöteten Keramikrohr- und meist schei- oder größer als der des zu versteifenden Metallteils

benförmigen Metallteilen sind die wegen ihrer beson- ist. Vom Versteifungsring (-teilen) ist außerdem der

deren Eigenschaften am häufigsten im Röhrenbau kreisringförmige Zusammenhang direkt, z. B. durch

verwendeten Metalle, wie z. B. Kupfer, Nickel Einschnitte, unterbrochen oder indirekt in seiner

od. dgl., nicht auf die betreffende Keramik im Hin- 25 Wirkung durch Einbuchtungen derart abgeschwächt,

blick auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten ange- daß das betreffende Keramikrohr beim Abkühlen

paßt. Bei auf beiden Seiten einer Metallscheibe nach nicht mehr gesprengt wird.

entsprechender Metallisierung angelöteten Keramik- Es ist bereits bei einem Mehrkammer-Klystron rohrteilen treten insofern keine besonderen Schwie- eine vakuumdichte Verbindung zwischen einem rohrrigkeiten auf, als die bei Temperaturänderung, insbe- 30 förmigen Keramikteil und einem scheibenförmig sondere beim Abkühlen beim Lötvorgang, in der Löt- ausgebildeten Metallteil bekanntgeworden, bei der fläche (Metallisierungsfläche) auftretenden Schub- ein als Ringflansch ausgebildeter dünnwandiger Teil kräfte sich in der gesamten Lötverbindungsstelle auf des betreffenden Metallteile an der der Stirnfläche des zwei Querschnitte verteilen. Jedoch bei einseitiger Keramikrohrs gegenüberliegenden Seite derart mit Stumpf lötverbindung-wird entweder bei relativ gro- 35 einem Keramikring versehen ist, daß auf diesem die ßer Dicke des Metallteils das betreffende Keramikrohr den eigentlichen Abschluß des Entladungsgefäßes infolge zu hoher Biegebeanspruchung gesprengt oder bildende relativ dicke Metallscheibe bei thermischer aber bei einer dünnen Metallscheibe diese auf Grund Belastung gleiten kann. Da bei dieser bekannten eines Abschäleffektes vom Keramikrohr gelöst. Ein Anordnung somit abweichend von der erfindungsentsprechend dimensioniertes Metallteil für die Ver- 40 gemäßen Verbindung der das Entladungsgefäß abbindung zu verwenden — dessen Verhalten zwischen schließende Metallteil sehr dickwandig ausgebildet diesen beiden geschilderten Fällen liegen würde —, ist, muß er unbedingt noch einen dünnwandigen Teil würde eine erhebliche Unsicherheit für das betreffende aufweisen, auf den dann ein genügend dicker Kera-Entladungsgefäß bedeuten, und deshalb würde eine mikring nach entsprechender Metallisierung aufgesolche Dimensionierung bei hochwertigen Röhren 45 lötet ist.
nicht vertretbar sein. Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- einiger in den Figuren rein schematisch dargestellter

steht deshalb darin, durch eine besondere Gestaltung Ausführungsbeispiele erläutert werden. Teile wie

des Metallteils einer durch Stumpfhartlötung herge- z. B. das Elektrodensystem bzw. das Entladungsgefäß

stellten vakuumdichten Verbindung mit einem Kera- 50 sind dabei fortgelassen.

mikrohr die Verwendung von allgemein üblichen und In Fig. 1 ist mit 1 ein einen Teil der Gefäßwan-

im Röhrenbau bewährten Metallen zu ermöglichen dung des Entladungsgefäßes darstellendes Keramik-

und damit die Voraussetzungen für eine zuverlässig rohr bezeichnet, an dessen Stirnseite 2 ein einen

und technisch einfach herzustellende, für die Massen- Abschluß darstellender Metallteil 3 nach entspre-

fertigung besonders geeignete Verbindung zu schaffen. 55 chender Metallisierung des Keramikrohres stumpf

Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz be- hart aufgelötet ist. Der Metallteil 3 ist relativ dünn-

schriebenen vakuumdichten, durch Stumpfhartlötung wandig ausgebildet, ragt über den Umfang des Kera-

hergestellten Verbindung zwischen einem einen Teil mikrohres hinaus und besitzt außerdem einen dazu

der Röhrenwandung eines elektrischen Entladungs- senkrecht in Längsrichtung der Rohrachse erstreck-

gefäßes bildenden Keramikrohr und einem scheiben- 60 ten Zylinderrand, wie er z. B. dann vorgesehen wird,

förmigen Metallteil nach der Erfindung dadurch, daß wenn das betreffende Metallteil gleichzeitig als kon-

der mit dem Keramikrohr direkt verbundene Metall- taktierende Durchführungsscheibe, z. B. bei einer

teil die Dicke (Stärke) einer eingespannten Platte hat, Scheibenröhre, verwendet wird. Auf der mit dem

die allein abschälen würde und deshalb gegenüber zylindrischen Rand versehenen Seite des Metallteils

dem Keramikrohr mit einem nach Art eines Gegen- 65 ist gegenüber der Stirnfläche des Keramikrohres ein

ringes mechanisch verbundenen Versteifungsring Versteifungsring 4 vorgesehen, dessen Breite etwa der

(-teilen), etwa vom Ausmaß der Lötstelle, versehen Dicke des Keramikrohres entspricht und dessen Dicke

ist, der mindestens einmal, vorzugsweise mindestens zumindest größer als vom Metallteil selber ist. Der

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Verstärkungsring 4 weist außerdem Radialeinschnitte 5 lässige Resultate selbst bei einer Massenfertigung

auf, so daß der an sich sehr steife Ring aus einzelnen erzielt werden.

Segmenten 6 besteht, die sich beim Abkühlen, z. B. Danach unterscheidet sich der Erfmdungsgegenvon Löttemperatur, nicht mehr zusammenhängend stand vom Stand der Technik wesentlich dadurch, zusammenziehen können und somit auch keine zer- 5 daß der Metallversteifungsring, der außerhalb der störende Schubkraft auf die Lötstelle ausüben kön- abdichtenden Lötstelle am eigentlichen relativ dünnen. Andererseits kann aber der dünnwandige Metall- nen Metallteil angelötet ist, mindestens einmal über teil nicht abschälen, weil ihn daran die steifen aufge- einen wesentlichen Teil seines Querschnitts etwa in löteten Segmente hindern. Beim Auflöten können die radialer Richtung unterbrochen, eingekerbt oder ge-Ringsegmente mit einer Lehre gehalten werden. Dies io bogen ist. Das Metallteil ist sowohl hinsichtlich seiner ist bei dem in der F i g. 2 dargestellten Ausführungs- Gestaltung als auch hinsichtlich seiner Berührungsbeispiel insofern nicht notwendig, als dort die einzel- flächen bzw. Verbindungsflächen mit dem Keramiknen Segmente 6 durch eine stirnseitige Folie 7 beim teil so ausgestaltet, daß ein gesondertes Zwischen-Auflöten zusammengehalten werden. Die Folie 7 stück nicht mehr erforderlich ist.
kann, wie dargestellt, an der unteren Seite oder aber 15 Durch diese Maßnahme wird eine Minderung der auch auf der oberen Stirnseite vorgesehen sein. In Wärmespannungen erreicht, weil sowohl ein Abschälletzterem Falle kann sie, falls erforderlich, noch effekt des relativ dünnen Metallteils als auch eine nachträglich durchschnitten werden, so daß gar kein Sprengung des Keramikrohres vermieden wird. Dabei direkter Zusammenhang zwischen den einzelnen ist es auf keinen Fall erforderlich, daß sowohl das Segmenten selber, außer in der Lötstelle, besteht. 20 eigentliche Metallteil als auch der Versteifungsring

In Fig. 3 ist ein anderes Beispiel eines in Seg- irgendwie hinsichtlich der Wärmeausdehnung der-

menten aufgeteilten Versteifungsringes 4 dargestellt, Keramik angepaßt sein müssen,

bei dem abweichend vom vorherigen Beispiel ein Bei den nachfolgend erläuterten zum Stand der

gewisser Zusammenhang dadurch erreicht worden Technik zugehörenden Anordnungen dagegen wird

ist, daß die nicht ganz durchgeführten Einschnitte 5 25 statt dessen ein nicht unbedingt dünnwandiges Zwi-

im Ring abwechselnd von innen und von außen ein- schenstück derart in die Lötfuge zusätzlich eingefügt,

gebracht worden sind. daß angenähert ein angepaßtes Wärmeausdehnungs-

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispie- verhalten erzielt wird. Deshalb ist bei diesen bekannten ist der betreffende Versteifungsring jeweils durch ten Anordnungen unbedingte Voraussetzung, daß die nachträgliche mechanische Bearbeitung in Segmente 30 Wärmeausdehnungskoeffizienten von vornherein einaufgeteilt worden, was jedoch einen gewissen Kosten- ander angepaßt sind oder diese Anpassung durch aufwand für die betreffende Röhrenfertigung bedeu- Stärke und Ausdehnungsverhalten des ausgewählten tet. In den nachfolgenden Fi g. 4 und 5 sind deshalb Zwischenstücks erreicht wird.

billige, für die Massenherstellung geeignete Formen Während die bekannten Verfahren bei Vorsehung von entsprechenden Versteifungsringen dargestellt. 35 des Metallteils aus Kupfer als Endabschluß z. B. völ-In F i g. 4 ist z. B. ein in laufender Länge mäander- lig versagen, ist eine derartige Stumpfhartlötung nach artig geformtes Metallband zu einem Ring gebogen dem Erfindungsgegenstand ohne weiteres möglich,
und an seinen beiden zusammenstoßenden Enden 8 Es ist eine Metallkeramik-Stumpfhartlöt-Verbin- und 9 entweder zusammengehalten oder mechanisch dung mit einem relativ massiven Metallteil aus Eisen miteinander verbunden. Mit seiner Stirnkante ist es 4° bekannt, das selber nicht angepaßt ist, sondern einen zur Erzielung der erforderlichen Steifigkeit des als größeren Ausdehnungskoeffizienten hat. Die Verbin-Ringscheibe ausgebildeten Unterlagemetalls 3 hart dung des Metallteils ist jedoch nicht unmittelbar mit aufgelötet. Beim Abkühlvorgang auftretende zusam- der Keramik, sondern über ein metallisches Zwischenmenziehende Kräfte können sich bei dieser Ausfü- stück, aus z. B. Molybdän, mit kleineren Ausdehrungsform deshalb nicht störend auf die Lötverbin- 45 nungskoeffizienten, erfolgt. Bei dieser Verbindung dung auswirken, weil diese von den einzelnen gewell- muß das Metallzwischenstück hinsichtlich sowohl ten Elementen durch entsprechende elastische Ver- seiner Wärmeausdehnungseigenschaften als auch seiformung aufgenommen werden. ner Stärke (Dicke) so gewählt werden, daß das sich

Eine technisch noch einfacher und billiger herzu- daraus ergebende Ausdehnungsverhalten angenähert stellende Form eines sogenannten Versteifungsringes 50 mit der der Keramik übereinstimmt,
ist in F i g. 5 wiedergegeben. Hier erfolgt der Aufbau Weiter ist eine davon abweichende Anordnung aus Abschnitten 6 von einem gebogenen Metallband, einer Hartlöt-Keramik-Metall-Verbindung bekannt, die auf einem Kreis oder auch auf zwei konzentri- bei der die Metallbeilagen zur Herstellung der Verschen Kreisen so mit ihren Stirnseiten angeordnet bindung geschmolzen werden, so daß sie die Aufgabe und aufgelötet sind, daß zwischen benachbarten Ab- 55 nicht nur der Lötschicht, sondern auch der Metallischnitten Spalte 5 frei bleiben. Beim Auflöten eines sierung übernehmen müssen. Sie üben also keine derart aufgeteilten Versteifungsringes müssen aller- Funktion von zusätzlichen Metallbeilagen aus, denn dings erforderlichenfalls die Bandabschnitte in einer dann müßte ja bei jeder Lötverbindung das Metallteil entsprechenden Lehre gehalten werden. als eine Verbindung mit einem dünnen zusätzlichen

Durch abgewandelte Formen der betreffenden Ab- 60 Metallteil aufgefaßt werden.

schnitte lassen sich weitere zweckmäßig gestaltete Außerdem ist eine Metall-Keramik-Stumpfhartlöt-

sogenannte Versteifungsringe schaffen, die sehr billige verbindung bekannt, bei der zwischen dem eigent-

Herstellungstechniken ermöglichen. liehen dünnen Metallteil aus z. B. Molybdän mit klei-

Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Maß- nerem Ausdehnungskoeffizienten ein stärkeres, hochnähme besteht vor allem darin, daß in der Auswahl 65 wärmeleitfähigeres duktiles Metallteil aus z. B. Kupdes Metallpartners für die Metallkeramikverbindung fer zwischengefügt ist. Dieses zwischengefügte zusätzvöllige Freiheit besteht und daß außerdem durch die liehe Metallteil soll für eine gute Wärmeverteilung dadurch ermöglichte Metall-Lötung wirklich zuver- sorgen.

Voraussetzung bei dieser Stumpfhartlötung ist, abweichend von der beschriebenen Anordnung, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten angenähert übereinstimmen, da ein dickeres Metallzwischenstück an einem dünneren, nämlich dem eigentlichen Metallteil 5 befestigt ist.

Bei einer weiteren bekannten Metallkeramik-Verbindung handelt es sich abweichend um die Verbindung von zwei Rohren, von denen dasjenige aus Eisen mit größerem Ausdehnungskoeffizient das Keramikrohr wesentlich umschließt, so daß eine druckbeanspruchte Hartlötverbindung vorliegt. Ein zwischengefügtes Kupferteil, das an seinem einen Ende verjüngt ist, ist über einen Glasfluß mit der Keramik derart verbunden, daß es allein die Wärmespannungen aufnehmen soll. Somit übernimmt das metallische Zwischenstück den Ausgleich der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten im Sinne eines Zwischenglasteiles bei einer Metallanglasung, ohne eine innerhalb der Verbindungsstelle eingeordnete Zwischenlage darzustellen.

Bei weiteren, ebenfalls ausgesprochen rohrförmigen Verbindungen ist ein zwischengefügtes dünnes Metallteil, aus z. B. Eisen, mit relativ großem Ausdehnungskoeffizient so angeordnet, daß es stets innerhalb der Lötverbindung auf Druck beansprucht wird. Die auftretenden thermischen Spannungsverhältnisse sind aber gar nicht mit denen bei einer Stumpfhartlötung der beschriebenen Art zu vergleichen.

Darüber hinaus ist eine Metalldurchführung durch ein Keramikrohr bekannt, bei der der eigentliche Metalldurchführungsteil allein aus der Nickel-Verstärkungsschicht der Metallisierungsschicht und der betreffenden Lötschicht besteht. Die innen und außen angeordneten dickwandigen Metallkörper in Form von Metallringen sind aber abweichend vom bisherigen mit einem dünnwandigen Metallteil in Richtung der Ausdehnung der Lötfuge, also nicht wie bei den anderen vorher besprochenen bekannten Anordnungen, in Richtung senkrecht zur Lötfuge verbunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumdichte, durch Stumpfhartlötung hergestellte Verbindung zwischen einem einen Teil der Röhrenwandung eines elektrischen Entladungsgefäßes bildenden Keramikrohr und einem mindestens im Bereich der Lötstelle ebenen im wesentlichen senkrecht zur Röhrenachse erstreckten nach Art einer Platte, Ringscheibe oder dergleichen ausgebildeten als Elektrodenanschluß oder Stütze dienenden, insbesondere über den äußeren Umfang (Durchmesser) des Keramikrohres hinausragenden Metallteil aus einem für die Keramik thermisch nicht angepaßten Werkstoff mit z. B. größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, auf dessen dem Keramikrohr abgewandter Seite dem Keramikrohr gegenüber ein Gegenring befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Keramikrohr direkt verbundene Metallteil die Dicke (Stärke) einer eingespannten Platte hat, die allein abschälen würde und deshalb gegenüber dem Keramikrohr mit seinem nach Art eines Gegenringes mechanisch verbundenen Metall-Versteifungsring (-teilen), etwa vom Ausmaß der Lötstelle versehen ist, der mindestens einmal, vorzugsweise mindestens viermal, über einen wesentlichen Teil seines Querschnitts etwa in radialer Richtung unterbrochen, eingekerbt oder gebogen ist und daß dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer oder gleich dem des Metallteiles ist.

2. Vakuumdichte Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Versteifungsring die Dicke, d. h. die Ausdehnung in Richtung der Röhrenachse, mindestens gleich der des mit ihm zu versteifenden Metallteils ist.

3. Vakuumdichte Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsring aus dem gleichen Metall wie das mit ihm zu versteifende Metallteil besteht und mit diesem durch Hartlötung verbunden ist.

4. Vakuumdichte Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsring und der damit versteifte Metallteil aus Kupfer, Nickel oder einem anderen üblichen Metall mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften bestehen.

5. Vakuumdichte Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ( der Versteifungsring aus einem mehrfach gebogenen, insbesondere mäanderförmig gebogenen Bandmaterial besteht.

6. Vakuumdichte Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsring aus mehreren auf einem Kreis, insbesondere auf zwei konzentrischen Kreisen entsprechend angeordneten zu Kreisbogen gebogenen Metallbandstücken besteht.

7. Vakuumdichte Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Versteifungsring und zu versteifendes Metallteil durch mechanische Bearbeitung aus einem Stück hergestellt sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten Verbindung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die metallisierte Ring-Stirnfläche des Keramikrohres zunächst das aufzulötende scheibenförmige Metallteil, darauf ein Versteifungsring jeweils unter Zwischenfügen eines ent- i sprechenden Hartlötmittels, ζ. B. in Form einer Folie, eines Ringes od. dgl., gelegt werden und daß dann die beiden Lötverbindungen gleichzeitig in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vom Versteifungsring die Schlitze, Spalte, Einbuchtungen od. dgl. gerade so breit hergestellt werden, daß beim Lötvorgang noch kein Verlöten zwischen benachbarten Teilen (Segmenten) des Versteifungsrings eintritt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Versteifungsring die jeweilige Spalte, Schlitze od. dgl. bis auf etwa Folienstärke nicht ganz durchgehend hergestellt werden und daß der Versteifungsring mit der so gebildeten zusammenhängenden Kreisringfläche auf das Metallteil aufgelötet wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Versteifungsring die Spalte, Schlitze od. dgl. derart bis auf etwa Folienstärke nicht ganz durchgehend hergestellt werden, daß nach Mäanderart jeweils abwechselnd außen und innen einer von ihnen endet bzw. anfängt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen