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Verfahren zur Herstellung von quipotentiellen Glühkathoden.
Die vorliegende Erfindung betrifft thermionische Elektroden (Glühkathoden) von der als äquipotentielle Kathoden bezeichneten Art, bei welchen der Elektronen emittierende Teil durch Strahlung oder Leitung oder beide von einem Heizkörper aus erhitzt wird, der selbst wieder elektrisch erhitzt wird.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Kathoden durch Isolierung der Heizkörper und Einsetzen des isolierenden Körpers in ein Metallrohr oder Gehäuse herzustellen, auf dessen Oberfläche ein Elektronen emittierender Überzug aufgebracht ist. So wurden schon Wolframfäden in Quarz-oder Zirkonröhren eingezogen.
Um mit einer solchen Kathode die besten Ergebnisse zu erzielen und einen auf Thermionenwirkung beruhenden Gleichrichter von geringer Impedanz zu erhalten, soll der Querschnitt des Isolators klein sein, so dass das Verhältnis zwischen Kathodenoberfläche und Heizkörperoberfläche möglichst klein ist, weil bei einer mit einem Oxyd überzogenen Kathode, die im allgemeinen eine Betriebstemperatur von etwa 900 C hat, der Heizkörper eine Temperatur aufweisen muss, die um einen von dem
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Temperatur des Heizkörpers zu hoch, so entstehen Unzukömmlichkeiten, beispielsweise durch chemische Reaktionen zwischen dem Heizkörper und dem Isolator und Zersetzung des letzteren ; dadurch wird das Vakuum in der Vorrichtung beeinträchtigt, in welcher die Kathode verwendet wird.
Der Heizkörper soll auch in den Isolator möglichst dicht eingepasst sein, um die Wärmeleitung an die Kathode zu verbessern.
Bisher war es üblich, mindestens den Isolator und den Heizkörper voneinander gesondert herzustellen und dann den letzteren in den ersteren einzubringen. Es erwies sich aber als schwierig, kleine Isolatorröhren von einem äusseren Durchmesser von etwa 1 mm herzustellen.
Gemäss der Erfindung wird der Heizkörper an den erforderlichen Stellen mit hitzebeständigem, isolierendem Material dadurch überzogen, dass man dieses Material um den Heizkörper formt oder auf letzteren eine Suspension, einen Brei oder Anstrich aus einem isolierenden Stoff und einer Flüssigkeit durch Eintauchen, Aufspritzen oder in anderer Weise aufbringt. Das isolierende Material kann dann auf dem Heizkörper gebrannt, gesintert oder selbst geschmolzen werden. Der so hergestellte isolierte Heizkörper kann dann in einem Metallgehäuse eingeschlossen werden, dessen Oberfläche bei Erhitzung Elektronen zu emittieren vermag, und zu diesem Zweck etwa mit einem Gemisch von Erdalkalioxyden über-
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gebildet oder durch Aufsprtzen oder chemische Fällung oder eine Kombination dieser Methoden.
Der isolierte Heizkörper kann jedoch auch in einem gesondert hergestellten Metallrohr eingeschlossen werden.
Bei einer äquipotentiellen Kathode der angegebenen Art ist es wünschenswert, dass der Isolator aus einem Material besteht, welches unter den Betriebsbedingungen der Kathode, insbesondere unter den Temperatursbedingungen seine Isolierfähigkeit beibehält und während einer ausreichend langen
Lebensdauer mit dem Heizkörper nicht in unerwünschte Reaktion tritt. Für den Isolator selbst ist Kaolin vorzuziehen. Andere Stoffe, wie Feldspat, Kalk od. dgl. können hinzugefügt werden, um das Sintern zu
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Zusatz anderer Stoffe ist nicht wesentlich, weil das Verfahren die Verwendung eines Isolators geringer
Festigkeit gestattet. Ist nämlich der Isolator einmal in ein Metallrohr eingeschlossen, so entsteht für gewöhnlich kein Schaden, selbst wenn der Isolator splittert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein gerader Wolfram-oder Molybdänfaden von O'l MK Durchmesser durch einen mehr oder weniger dicken Brei von Kaolin und Wasser gezogen. Der
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so erhaltene Überzug wird auf dem Faden getrocknet zweckmässig durch einfache Verdunstung an der Luft und wird einem Vorbrennen in einer Muffel bei etwa 800 C unterzogen, um ihn vollends zu trocknen, oder es kann der mit dem Überzug versehene Faden unmittelbar ohne vorangehendes Trocknen durch
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lich zwei genügen. Der so überzogene Heizkörper wird dann in einem Ofen oder in einer Gasflamme auf eine hohe Temperatur erhitzt, um das Kaolin scharf zu brennen, zweckmässig bis zum völligen Zusammenbacken.
Die Dauer des Soha. rfbrennens des Überzuges wird vorteilhaft so gewählt, dass das Material zu- sammenbackt, aber nicht in solchem Masse, dass die Wolframkristalle gleiche Axenrichtung annehmen, wodurch der Wolframfaden spröd wird. Aus diesem Grund ist das Brennen in der Flamme im allgemeinen
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zug versehene Heizkörper dadurch gebrannt werden, dass man einen Strom durch den Heizkörper schickt, u. zw. im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre, Dauer und Temperatur des Brennens
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1450 bis 15000 C ist jedenfalls ausreichend.
Nach dem Scharfbrand ist der isolierte Heizkörper für das Aufbringen der äquipotentiellen Oberfläche bereit, die den isolierten Heizkörper umschliesst und aus einem auf ihn aufgeschobenen Rohr oder aus einem daran haftenden Überzug aus Metall besteht. Die Metalloberfläche kann dadurch gebildet werden, dass man den Isolator zunächst mit Platin überzieht, indem man ihn in eine Lösung von Platin-
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Verfahren aufgespritzt werden, der zweckmässig aus Nickel besteht. Der Metallüberzug kann auch nach andern chemischen Verfahren oder durch Elektrolyse aufgebracht werden.
Hierauf kann das ganze, wenn gewünscht, vernickelt werden, bis der Metallüberzug die gewünschte Dicke erlangt hat und dann kann eine Oxydschicht in der gewöhnlichen Weise aufgebracht werden. Eine Methode zum
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B. tryum- und Strontiumkarbonat taucht oder damit bestreicht und sie dann in einer Kohlensäure- atmosphäre erhitzt, worauf der so erhaltene Karboni. tüberzug in Oxyd übergeführt wird.
Durch Aufbringen des Metallüberzugs in der oben beschriebenen Weise kann die Dicke der Kathode sehr klein gehalten werden. Doch kann der isolierte Heizkörper auch in ein gesondert hergestelltes Metallrohr-eingeschoben werden oder es kann der Metallüberzug durch Umwickeln des isolierten Heizkörpers mit dünner Metallfolie erhalten werden. Nach einer Modifikation besteht die Kathode aus einem kleinen Nickelrohr von länglichem Querschnitt, in das der isolierte U-förmige Heizkörper eingeschoben werden kann. Man kann auch einen Platinstreifen um diesen Körper wickeln. so dass er seine Oberfläche bedeckt.
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isolierendem Material umschlossen ist, die selbst wieder in einer Metallhülse steckt.
Wenn auch das isolierende Material zerfällt oder splittert, so wird es durch die Metallhülse dennoch an seiner Stelle sicher zusammengehalten.
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dunsten oder Erwärmen getrocknet, nicht aber gebrannt. Der so überzogene Heizkörper wird dann U-förmig gebogen, so dass die Schenkel sich berühren und es werden zweckmässig eine oder mehrere weitere Kaolinschichten, wie vorstehend beschrieben, aufgebracht. Das ganze kann dann gebrannt und mit Metall und
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häufig als vorteilhaft, diesen durch Aufspritzen einer wässerigen Kaolinsuspsnsion auf den Heizkörper zu erzeugen. Ferner kann der Heizkörper von jeder beliebigen Form sein, z.
B. ein gerader oder ein schraubenförmig gewickelter Faden ; im letzteren Falle können die Enden der Schraube an die Zuleitungsdrähte angeschweisst sein, die zweckmässig in das Innere der Schraube passen. Man kann auch andere als U-förmige induktionsfreie Heizkörper benutzen.
Ein thermionischer Gleichrichter mit einer wie vorstehend beschrieben hergestellten Kathode kann z. B. eine Anode und ein Gitter besitzen, die in der gewöhnlichen Weise in einem Füssehen an einem Ende
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werden. Zwei in das Füssshen eingesehmolzene Drähte dienen als Zuleitunsdrähte für den U-förmigen Heizkörper, während ein weiterer Zuleitungsdraht für den emittierenden Überzug der Kathode gleichfalls durch das Füsschen geht. Das obere Ende der Kathode kann durch eine Glasperle gesichert sein. An
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Die Zeichnungen veranschaulichen beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 ist eine vergrösserte Seitenansicht einer äquipotentiellen Kathode, Fig. 2 ist ein stark vergrösserter Querschnitt derselben, Fig. 3 ist eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht eines Heizkörpers mit U-förmigem induktions-
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freiem Glühfaden, Fig. 4,5 und 6 veranschaulichen die Herstellung einer Kathode mit einem induktionsfreien Heizkörper, Fig. 7 ist ein stark vergrösserter Schnitt der Kathode nach Fig. 3 oder 6. Fig. 8 und 9 zeigen vergrössert die Herstellung einer Kathode mit schraubenförmigem Heizkörper.
Fig. 10 veranschaulicht das Formen eines Heizkörpers in isolierendem Material, Fig. 11 zeigt den so geformten Heizkörper vergrössert, Fig. 12 und 13 sind stark vergrösserte Querschnitte äquipotentieller Kathoden zur Veranschaulichung des Aufbringens einer äquipotentiellen Oberfläche, Fig. 14 bis 18 veranschaulichen ein abgeändertes Verfahren zur Herstellung einer äquipotentiellen Kathode mit U-förmigem Heizkörper, Fig. 19 zeigt einen Gleichrichter mit einer erfindungsgemässen äquipotentiellen Kathode ; ein Teil der
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bracht wurden. Das Metallgehäuse 3 kann zwecks Erleichterung der Elektronenemission mit einem Oxyd- überzug versehen sein.
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nach Fig. 3 wird ein gerader Wolframfaden, Fig. 4, mit Tonschlich überzogen und getrocknet, aber nicht gebrannt.
Die Isolation wird von der Mitte des Fadens und seinen beiden Enden entfernt, wie Fig. 4 zeigt, worauf der Faden so gebogen wird, dass die überzogenen Teile desselben parallel zueinander liegen und einander berühren, wie Fig. 5 zeigt. Der so umgestaltete Faden wird dann in den Tonschlich getaucht und erhält so einen weiteren Überzug, der getrocknet und schliesslich gebrannt wird, um das Material
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spritzen oder in anderer Weise aufgebracht werden. Der Heizkörper kann in diesem Falle auf eine Drehscheibe gesetzt werden, wobei Sorge zu tragen ist, dem Überzug eine gleichmässige Dicke zu geben. Der Metallüberzug kann darauf in irgendeiner der vorstehend angegebenen Weisen aufgebracht werden.
Fig. 3 und 7 zeigen den so erhaltenen Heizkörper in der Seitenansicht bzw. im Querschnitt. Wird das Met1llgehäuse durah elektrolytisches Niederschlagen von Metall aufgetragen, so passt es sich der Gestalt des Porzellanüberzuges genau an, wie Fig. 7 zeigt. In manchen Fällen kann das Brennen nach dem Aufbringen des Metallgehäuses erfolgen, sofern das Metall hinreichend hitzebeständig ist.
In Fig. 7 ist der erst aufgebrachte mit Bezug auf Fig. 5 beschriebene Überzug 2 durch die punktierten Kreise angedeutet, während der letzte Überzug mit 2a bezeichnet ist.
In Fig. 8 und 9 ist der Heizkörper schraubenförmig und-seine Enden sind an Zuleitungsdrähte 4,
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benen Weise, worauf schliesslich ein Metallüberzug 3 aufgebracht wird.
In Fig. 10 stellt 5 eine Form und 6 derenDeckel dar. Ein Wolframfaden wird in der mit Bezug auf Fig. 4 und 5 beschriebenen Weise teilweise mit einem Überzug versehen und in den Hohlraum 7 der Form 5 gebracht. Sodann wird mit Wasser zu einem dicken Brei angerührtes Kaolin in den Hohlraum gebracht
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körper hat dann den aus Fig. 11 ersichtlichen Querschnitt. Form und Deckel werden zweckmässig mit Rüböl eingefettet, um das Anhaften der Isolation an ihnen hintanzuhalten. Das auf den Faden aufgebrachte Isolationsmaterial wird dann gesintert oder zusammengebacken, wobei der Faden zweckmässig gespannt gehalten wird.
In Fig. 1. 2 und 13 wird das Metallgehäuse von einem Metall-z. B. Nickelrohr gebildet, das durch Biegen von Nickelblech erhalten wird. Das Blech kann um einen Heizkörper nach Fig. 5 oder nach Fig. 6 oder nach Fig. 11 gebogen werden oder es kann ein Metallrohr gesondert hergestellt werden, in das der isolierte Heizkörper eingeschoben wird.
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körpers ist dem mit Bezug auf Fig. 3 bis 6 beschriebenen vielfach ähnlich. An die Enden eines U-förmig gebogenen Wolframfadens 1 wird ein U-oder V-förmiger Nickelteil angeschweisst. Der vom Teil 8 gehaltene Faden wird dann mit einem isolierenden Überzug durch Eintauchen in Tonschlich versehen, wobei vorteilhaft Sorge zu tragen ist, dass der V-förmige Teil 8 nicht überzogen wird.
Sodann wird die Isolation von der Bucht des Fadens 1 entfernt (Fig. 15) und die Schenkel des Fadens werden gegeneinandergedrückt (Fig. 16). Die Isolation wird dann zweckmässig gebrannt, während der Wolframfaden unter Spannung gehalten wird, indem in seine blanke Bucht ein Haken eingreift und der Teil 8 gleichfalls festgehalten wird. Der so erhaltene isolierte Heizkörper kann dann in ein Nickelrohr 3 (Fig. 17) geschoben werden, an dessen linkes Ende (Fig. 17) ein Nickel- oder Molybdändraht 9 angeschweisst wird und das schliesslich mit Oxyden überzogen wird. Wird das Metallgehäuse durch Niederschlagen von Metall erhalten, so kann der Draht 9 um das rechte Ende der Porzellanisolation (Fig. 18) gewickelt und der Metallüberzug auf die Isolation und den Draht 9 niedergeschlagen werden.
Wenn auch bei den bisher beschriebenen Anordnungen die Isolation auf fast den ganzen Heizfaden aufgebracht wird, so ersieht man doch, dass sie nur über eine solche Strecke des Fadens aufgebracht zu werden braucht, die erforderlich ist, um die nötige Isolation zu ergeben und die in verschiedenen Fällen
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verschieden gross sein kann. Ein durch die Erfindung erzielter wesentlicher Vorteil ist, dass eine durch Wechselstrom zu heizende äquipotentielle Kathode von sehr geringem Umfang erhalten werden kann.
Bei einem Wolframfaden von 0'1 mm Durchmesser war es z. B. möglich, eine äquipotentielle Kathode von einem Umfang von 2 mm herzustellen. Ist eine solche Kathode 4 cmlang und mit einem Oxydüberzug versehen, so kann sie mit Wechselstrom von 4 Volt. und l Ampere, d. i. j5 Watt je Quadratzentimeter gespeist werden. Ein solcher Heizkörper weist eine lange Lebensdauer auf.
Der in Flg. 19,20 und 21 beispielsweise dargestellte Gleichrichter besteht aus der Birne 10 mit dem einspringenden, unten offenen Füssehen 11, das oben bei 12 zusammengequetscht ist und die Zuleitungdrähte und Elektrodenstützen trägt, nämlich eine Anodenstütze 13, zwei Heizkörperstützen 14, 15, eine Kathodenzuleitungsdraht 16 und eine Gitters-litze 17, die als Hülse ausgeführt ist.
Die Anode ist bei 18, das Gitter bei ? und die äquipotentielle Kathode bei 20 angedeutet. Das Gitter besteht aus einem schraubenförmig gewundenen Wolframdraht, der an einer genuteten Stütze 21 befestigt ist. Die Anode von der aus Fig. 21 deutlich ersichtlichen Gestalt ist an dem Stützdraht 13 angeschweisst.
Die Gitterstütze 21 und die Anodenstütze 13 sind an den oberen freien Enden durch an sie angeschweisste Drähte 22,23 verbunden, die in eine Glasperle 24 eingeschmolzen sind. Die Kathode ist ähnlich der in Fig. 17 dargestellten. Der V-fönnige Teil 8, Fig. 16, ist durchschnitten und an seine Arme sind die Stützdrähte 14 und 15 angeschweisst, während der Draht 9 am Draht 16 angeschweisst ist.
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geschmolzen, in die auch ein Draht 29 eingeschmolzen ist, der an die Anodenstütze 13 angeschweisst ist.
Der Heizfaden wird so unter Spannung gehalten, wobei, wenn die eigentliche Kathode ein gesondert hergestelltes Metallrohr aufweist, sie auf dem isolierten Heizkörper innerhalb gewisser Grenzen hin-und herleiten kann.
Es können verschiedene Modifikationen in der beschriebenen Erzeugung der Elektroden und in den Elektroden selbst Platz greifen, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung einer äquipotentiellen Kathode, bei welcher ein Glühfaden aus hitze- beständigem Metall (z. B. Wolfram oder Molybdän) ganz oder teilweise von hitzebeständigem isolierenden
Material umgeben ist, welches eine leitende Oberfläche trägt, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende
Material unmittelbar rund um den Heizkörper oder Glühfaden geformt wird oder letzterer durch Ein- tauchen, Aufspritzen oder in anderer Weise mit einer Suspension oder einem Brei oder Anstrich aus hitze- beständigem isolierenden Material überzogen wird.