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Elektronenröhre.
Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre jener Art, bei welcher als Elektronenquelle eine Kathode verwendet wird, die auf die gewünschte Betriebstemperatur erhitzt werden kann.
Zweck der Erfindung ist, die Leistungsfähigkeit solcher Röhren im Betrieb zu erhöhen.
Bei Ausführung der Erfindung wird in dem die Kathode umgebenden Raum ein niedriger Dampfdruck gewisser Alkalimetalle, wie Caesium oder Rubidium aufrechterhalten, welche, wie entdeckt wurde, unter gewissen Bedingungen die Elektronenemission aus einer heissen Kathode stark erhöhen. Diese Wirkung ist besonders dann bemerkenswert, wenn die Kathodentemperatur so niedrig ist, dass bei Abwesenheit des Dampfes keine erhebliche Elektronenemission stattfinden würde. Die Entdeckung ermöglicht daher den Betrieb bei einer so niedrigen Kathodentemperatur, dass die Lebensdauer der Vorrichtung in hohem Masse vergrössert wird und gestattet gleichzeitig den Betrieb der Vorrichtung bei einer grösseren Elektronenemission als diejenige, die bei weit höheren Kathodentemperaturen und bei Abwesenheit des Dampfes erreichbar wäre.
Diese vorteilhaften Ergebnisse sind anscheinend der ununterbrochenen Bildung einer adsorbierten Schicht auf der Kathode zuzuschreiben, welche der Verdampfung bei einer weit über dem Verdampfungspunkt des Alkalimetalles liegenden Temperatur widersteht.
Es wurde bereits vorgeschlagen, in Elektronenröhren, die Wolframkathoden mit einer Thoriumschicht besitzen, geringe Mengen eines Alkalimetalles einzubringen. Dieses Metall wird verdampft und soll eine Oxydation des Thoriums verhindern. Im Gegensatz dazu hat es bei der Erfindung die Aufgabe, auf der Kathode eine adsorbierte Schicht zu bilden, was noch sehr erleichtert wird, wenn man in den Raum zwischen den Elektroden gewisse Gase einführt, welche geeignete Eigenschaften aufweisen. Wenn Atome gewisser Gase auf die erhitzte Kathode treffen, so scheint es, dass sie eine adsorbierte Schichte von etwa Atomdicke darauf bilden, an welchen Atome des Alkalimetalles viel fester haften als an der Oberfläche der reinen erhitzten Elektrode, und daher wird die Bildung der Elektronen emittierenden Schichte, die aus Alkalimetallatomen besteht, erleichtert.
Es ist gefunden worden, dass man vorteilhafte Resultate durch Einführung kleiner Mengen elektronegativer Gase, wie Stickstoff usw., in den Raum zwischen den Elektroden erzielt, wofern die Gase mit Caesium oder dem sonstigen verwendeten Alkalimetall keine Verbindung eingehen, aber mit dem Kathodenmaterial in Reaktion treten. Bekanntlich verringern elektronegative Gase, für sich allein benutzt, die Emission aus einer Wolframfläche in hohem Masse. Bei Gegenwart eines geeigneten Alkalimetalles haben solche Gase jedoch die entgegengesetzte Wirkung.
Die Praxis zeigt, dass man bei Gegenwart von Caesium eine Elektronenemission von 0'2 Ampère per mi2 bei einer Kathodentemperatur von etwa 8000 absolut erzielen kann, wenn man die Kathode der Einwirkung gewisser Gase aussetzt, das ist angenähert gleich derjenigen Emission, die mit einem reinen Wolframfaden erst bei 25000 absolut erreicht werden kann. Die Emission aus Caesium erreicht ihr Maximum bei einer Temperatur in der Nähe von 800 absolut und wenn die Temperatur merklich über den Punkt gesteigert wird, bei welchem die Maximalemission sich einstellt, so nimmt die Emission rasch ab und über 1100'bis 1200'absolut wird sie praktisch vemachlässigbar.
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Es kann zweckmässig eine geringe Menge Stickstoff oder Kohlenoxyd in die Röhre eingelassen werden, nachdem deren Entlüftung beendigt und Caesium in sie eingeführt worden ist. Der Behälter kann dann bis zum gewünschten Grad evakuiert und von der Pumpe abgeschmolzen werden.
Bekanntlich enthalten Metallelektroden selbst nach sorgfältiger Behandlung erhebliche Mengen von Gasen, die beim Betrieb frei werden. Es ist deshalb schwierig, die durch die unmittelbare Einführung elektronegativer Gase bedingten Wirkungen und jene auseinander zu halten, welche dem aus der Elektrode frei gewordenen Gas zuzuschreiben sind, besonders weil sich gezeigt hat, dass unter gewissen Bedingungen auch die aus der Elektrode entwickelten Gase die angestrebten Wirkungen hervorbringen.
Eine Röhre mit einer fadenförmigen Wolframkathode und einer Anode aus auf gewöhnliche Weise dargestelltem Nickel wird unter Erwärmung evakuiert, um Wasserdampf aus dem Behälter zu entfernen.
Dann wird, während die Vorrichtung noch mit der Pumpe verbunden ist, die Anode erhitzt, um aus ihr
Gase auszutreiben, und es wird Caesium eingeführt. In manchen Fällen können die auf diesem Wege erhaltenen Gase die Maximalemission ohne weitere Behandlung erzielen lassen. In andern Fällen kann es sich herausstellen, dass auch schädliche Gase, z. B. Wasserstoff aus der Anode frei werden, welche zunächst verhindern, dass die gewünschte Maximalemission erreicht wird. Wenn deshalb die erhöhte
Emission nicht sofort auftritt, kann man die Kathode durch einige Minuten auf 1400-1600 absolut erhitzen. Wird dann die Kathodentemperatur auf die gewünschte Betriebstemperatur herabgebracht, so erzielt man die gewünschten Resultate.
Es werden durch dieses Erhitzen die schädlichen Gase aus der Kathode ausgetrieben und durch die Pumpe entfernt, während die vorteilhaften Gase zurückbleiben und die gewünschte Schichte auf der Kathode erzeugen. Zeigt sich, dass die Kathode in befriedigender
Weise arbeitet, so wird die Vorrichtung von der Pumpe abgeschmolzen.
Fig. 1 zeigt eine Röhre gemäss der Erfindung. Fig. 2 veranschaulicht ein Schaltungsschema, bei dem die Erfindung zum Empfangen von Radiosignalen verwendetwerden kann, und Fig. 3 zeigt schematisch eine abgeänderte Form dieser Röhre und eine damit zu verwendende Schaltung.
In Fig. 1 ist eine Elektronenröhre mit drei Elektroden gezeigt, bei welcher in der evakuierten
Röhre 1 eine schraubenförmig gewickelte Fadenkathode 6, der der Heizstrom durch die Zuleitungen 3,4 zugeführt wird, eine Anode 5 aus Caesium und ein Gitter 2 enthalten sind, das aus einem schraubenförmig gewickelten, die Kathode umgebenden Draht besteht. Die Verbindungen mit der Anode und dem Gitter können durch die Zuleitungs drähte 7, 8 hergestellt werden.
Zunächst wird die Röhre 1 evakuiert und vor dem Abschmelzen von der Pumpe wird eine geringe
Menge des gewünschten Metrlles in die Röhre 1 eingebracht. Das gewünschte Gas zur Erreichung der günstigsten Ergebnisse kann in die Röhre gebracht werden, bevor man sie zuschmilzt, indem man Gas aus Nickel entwickelt, das in einer Seitenkammer der Röhre enthalten ist oder es kann dadurch eingeführt werden, dass man das Gitter 2 in irgendeiner Weise erhitzt, wenn das Gitter aus Nickel oder Molybdän besteht, da sich gezeigt hat, dass die aus Molybdän entwickelten Gase ähnliche Wirkungen hervorrufen, wie die aus Nickel entwickelten. Die Einführung von Caesium kann dadurch erfolgen, dass man die Röhre mit einem kleinen Ballon oder einer Seitenkammer verbindet, in welcher das Metall aus einer Verbindung reduziert wird.
Man kann ein Chlorid des Metalles nebst einem Reduktionsmittel, wie Kalzium in die Seitenkl1mmer einbringen, die dann hinreichend weit erhitzt wird, um das Metall zu reduzieren und es in die Röhre 1 überzudestillieren.
Es kann so eine genügende Menge des Metalles in die Röhre 1 eingeführt werden, um darin nicht nur eine Dampffüllung von dem gewünschten Druck, sondern auch einen Überschuss von unverdampftem
Metall zu erhalten, der ausreicht, die Anode 5 zu bilden. Es ist besonders dafür Sorge zu tragen, dass
Wasserdampf von der Röhre 1 ferngehalten wird, indem man sowohl die Röhre 1 als auch die Seitenkammer erhitzt, bevor der Metalldampf in die Röhre 1 eingeführt wird.
Der Dampfdruck in der Röhre 1 wird zweckmässig unter dem Wert gehalten, bei welchem die
Stossionisation so stark wird, dass sie eine zunehmende Regelung des Elektronenstromes zu beeinträchtigen vermag. Der Druck, bei dem nachteilige Ionisation eintritt, hängt vor allem von der Konstruktion der
Röhre ab. Im allgemeinen soll jedoch, wenn Gitterregelung verwendet wird, der Betriebsdruck etwa 2 20 (0'00002 mm) HG oder weniger betragen.
Bei Zimmertemperatur ist der Druck des Caesiumdampfes
2 jj, und selbst bei diesem niedrigen Dampfdruck macht sich eine vorteilhafte Wirkung der Gegenwart des Caesiumdampfes bemerkbar. Zweckmässig wird jedoch die Vorrichtung bei einer Röhrentemperatur von etwas mehr als Zimmertemperatur betrieben, beispielsweise bei etwa 50 C, bei der der Caesium- dampfdrúck 20 Hg beträgt. Durch entsprechende Bemessung der Röhre kann die von der Kathode gelieferte Wärme ausreichen, um die Vorrichtung auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen.
Unter den oben beschriebenen Bedingungen kann eine befriedigende Elektronenemission mit einer gewöhn- lichen Wolframkathode von einer Temperatur von 800 absolut erhalten werden, bei welcher Temperatur die Elektronenemission eines reinen Wolfram drahtes vernachlässigt werden kann. Wenn die Temperatur der Kathode über etwa 1000 absolut gesteigert wird, sinkt die Elektronenemission und kann bei 1100 oder 1200'absolut vernachlässigt werden. Das ist anscheinend dem Umstand zuzuschreiben, dass bei
Steigerung der Temperatur das Caesium die Neigung zeigt, zu verdampfen, sowie es auf die Kathode trifft, so dass keine adsorbierte Schichte auf der Kathode gebildet wird.
Caesiumdampf liefert zwar
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befriedigendere Resultate, doch erhält man auch bei Rubidium günstige Ergebnisse, indessen ist des niedrigeren Dampfdruckes des Rubidiums wegen eine Elektronenröhre mit Rubidium bei höherer Temperatur zu betreiben als eine solche mit Caesium, und die Temperatur, bei welcher die Maximalemission eintritt, ist auch etwas höher als bei Caesium.
Wie Langmuir in den "Transactions of the American Electrochemical Society", Band 29,1916, Seite 125, darlegt, findet eine Absorption von Energie statt, wenn Elektronen von erhitzten Metallen ausgesendet werden, die als absorbierte Wärme gemessen und als Funktion eines Spannungsunterschiedes in Volt berechnet werden kann, der ein Mass der bei der Trennung eines Elektrons von einer emittierenden Fläche errichteten Arbeit darstellt. Dieser Wert wird als "Elektronenaffinität" des emittierenden Materials bezeichnet und ist für eine Anzahl von Materialien bestimmt worden. Der Wert für Wolfram ist 4. 52 Volt, während der Wert für Caesium etwa 1. 4 Volt ist.
Wenn ein Caesiumatom in die Nähe einer Wolframfläche gelangt, so wird, da das Wolfram eine höhere Elektronenaffinität besitzt als das Caesium, dem Caesiumatom ein Elektron entzogen und das Atom bleibt als positives Ion zurück. Diese Caesiumionen influieren, wenn sie sich in der Nähe der Wolframfläche befinden, eine negative Ladung auf dieser und werden dort durch elektrostatische Kraft festgehalten. Diese Kraft ist es, welche die Bildung der adsorbierten Caesiumschicht hervorruft. Ist die Temperatur zu hoch, so wird die adsorbierte Schicht trotz dieser Kraft weggetrieben. Ist eine Schicht von elektronegativem Gas auf der Kathodenoberfläche vorhanden, so wird das Caesium anscheinend von der Kathode stärker festgehalten, weil dann die Oberfläche eine noch stärkere Elektronenaffinität besitzt als das Wolfram.
Infolge der niedrigen Betriebstemperatur der Kathode, bei welcher es möglich ist, eine befriedigende Elektronenemission zu erzielen, können auch andere Materialien als Wolfram als Kathode benutzt werden ; Nickel und Molybdän können beispielsweise mit ähnlichen Ergebnissen benutzt werden.
In Fig. 2 ist die Vorrichtung nach Fig. 1 mittels der gewöhnlichen Schaltungen einer Röhre mit drei Elektroden als Empfänger für drahtlose Telegraphie dargestellt. In diesem Falle wird jedoch eine Wechselstromquelle unter Vermittlung eines Transformators 9 zur Erhitzung der Kathode 2 verwendet, wobei der Heizstrom durch einen Widerstand 10 geregelt wird. Wird die oben beschriebene Röhre in der angedeuteten Schaltung benutzt und die Kathode auf die gebräuchliche Betriebstemperatur eines Wolframfadens erhitzt, so ist die Emission anscheinend nicht stärker als bei Abwesenheit von Caesium und gegebenenfalls Stickstoff und das Wechselstromsummen in den Empfangstelephonen, das durch den Heizstrom erzeugt wird, ist so laut, dass es ein befriedigendes Aufnehmen kräftiger Radiotelephonzeichen verhindert.
Schwächt man jedoch den Heizstrom im Faden, so erreicht man einen Punkt, bei welchem die Stärke der Zeichen so viel stärker wird als das Wechselstromsummen, dass ein befriedigendes Empfangen von Zeichen möglich ist. Die günstigen Ergebnisse sind wahrscheinlich zwei Umständen zuzuschreiben ; der Spannungsabfall längs des Fadens wird sehr verringert und die Elektronenemission gleichzeitig vergrössert. Der Faden arbeitet an diesem Punkt unterhalb der Rotglut, bei welcher Temperatur die Elektronenemission aus reinem Wolfram bei Abwesenheit von Caesiumdampf für praktische Zwecke zu klein wäre.
In Fig. 3 ist eine abgeänderte Einrichtung zur Ausführung der Erfindung veranschaulicht. In diesem Falle hat die Kathode 11 zylindrische Form und umgibt einen fadenförmigen Leiter 12. Sendet man mit Hilfe des Transformators 13 Strom durch den Leiter 12, so kann die Kathode 11 durch Strahlung bis auf die gewünschte Betriebstemperatur erwärmt werden. Die Kathode ist vom Gitter 14 umgeben, das seinerseits von der zylindrischen Anode 15 umgeben ist. Von der Antenne 16 empfangene Zeichen können auf den Gitterstromkreis der Röhre übertragen und im Anodenkreis wahrgenommen werden.
Man kann bei dieser Einrichtung mit Caesiumdampf befriedigende Ergebnisse erzielen, ohne im Anodenkreis eine Batterie zu verwenden ; die Kathode und Anode können aus Nickel bestehen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung besteht die Anode aus Caesium, das ist indessen nicht wesentlich, da das Caesium an irgendeiner Stelle der Röhre ausser Berührung mit irgendeiner Elektrode untergebracht werden kann. Es ist festzuhalten, dass Rubidium und andere Alkalimetalle Äquivalente des Caesiums sind. Die wesentlichen Erfordernisse zur Erreichung der vorstehend beschriebenen Ergebnisse sind, dass die Kathode aus einem Metall von kleinem Atomvolumen und hoher Elektronenaffinität besteht und der verwendete Metalldampf ein grosses Atomvolumen und eine kleine Elektronenaffinität besitzt.
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