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Indirekt geheizte Kathode.
Bei der Herstellung von elektrischen Entladungsgefässen, insbesondere von Verstärkerrohren mit Glühkathode, bieten gegenwärtig die indirekt geheizten Kathoden noch vielfach Schwierigkeiten.
Diese treten ganz besonders auf, wenn man sich die Aufgabe stellt, indirekt geheizte Kathoden mit Barium oder ähnlichen hochemissionsfähigen Substanzen herzustellen. Das Herstellungsverfahren für derartige emissionsfähige Schichten ist selbst an eine so grosse Anzahl von Nebenbedingungen gebunden, dass Bariumkathoden sich nicht bei jeder Art Kathodenkonstruktion herstellen lassen, selbst wenn die Herstellung derartiger Kathodenkonstruktionen an sich für andere emissionsfähige Schichten durchaus möglich ist.
So kommt es, dass bisher noch kein Verfahren bekannt geworden ist, um in zuverlässiger Weise Elektronenröhren mit indirekt geheizten Bariumkathoden herzustellen. Die Anforderungen, die dabei an derartige Röhren teils notwendiger-, teils zweckmässigerweise zu stellen sind und die sich bisher nicht miteinander vereinigen liessen, sind :
1. Die durch Aufstäuben von Barium erhaltene emittierende Schicht muss auf der Kathoden- oberfläche gut haften.
2. Die Kathode muss eine gut leitende metallische Schicht enthalten (Äquipotentialfläche).
3. Die Äquipotentialfläche muss gegenüber Punkten des Heizdrahtes genügend isoliert sein, die sich auf verschiedenem Potential befinden.
4. Die zu heizenden Teile müssen eine genügende Wärmeträgheit besitzen (damit die Temperaturschwankungen des Heizdrahtes keine hörbaren Schwankungen des Emissionsstromes verursachen).
5. Die zum Anheizen der Kathode erforderliche Zeit darf nicht zu gross sein.
6. Durch die Temperaturschwankungen der Röhre dürfen keine zerstörenden (mechanische Druck-, Zug-) Spannungen entstehen.
7. Alle elektrischen Kontakte müssen bei den auftretenden Temperaturen dauerhaft sein.
8. Der Aufbau der Kathode muss fest und so dauerhaft sein, dass mechanische Schwankungen (freie oder erzwungene, durch äussere Erschütterungen verursachte Schwingungen) vermieden werden.
9. Bei der Entstehung (Aufspritzung, Aufstäubung) des Bariums sollen möglichst gleichzeitig schädliche Gasreste gebunden werden (Getterwirkung) ; neue Gase dürfen nicht auftreten, weder durch die Reaktion selbst, noch als deren Folge.
10. Durch keinen Effekt an der Röhre, ausser durch die beabsichtigte Gittersteuerung, dürfen Anodenstromschwankungen hörbarer Frequenz entstehen.
Zwecks Erfüllung der Forderung 1 ist man zurzeit noch auf eine geringe Anzahl von Wegen beschränkt. Zweckmässig verwendet man metallische Unterlagen von Wolfram, bei gewissen Verfahren auch von Kupfer. Wolfram hat zwar die Eigenschaft, dass an ihm nach Oxydation Barium nicht nur gut haften, sondern gleichzeitig, vermutlich durch gewisse Reaktionen zwischen dem Barium und gewissen Bestandteilen des Wolframdrahtes, z. B. eine Oxydschicht, eine hohe Emissionsfähigkeit der Bariumschicht eintritt. Gerade bei Verwendung von Wolfram ist man wiederum hinsichtlich der Verarbeitbarkeit des Materials stark eingeengt. Im wesentlichen wird man Wolframdraht verwenden. Schon die Verwendung von Wolframdraht nach der Forderung 1 lässt sich nur schwer mit den übrigen Forderungen vereinigen.
Wird der Wolframdraht so aufgewickelt, dass die Windungen keinen Schluss gegeneinander besitzen, so weist er eine gewisse Selbstinduktion und ohmsehen Widerstand auf. Forderung 2 ist dann
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nicht erfüllt. Schnelle Spannungsschwankungen zwischen Gitter und Kathode können sieh nicht momentan auf der gesamten Kathode auswirken. Wenn hingegen der Versuch gemacht wird, die Windungen des Wolframs so dicht nebeneinander zu legen, dass sie gegenseitig Kontakt machen, so kann man nicht damit rechnen, dass dieser Kontakt stets, insbesondere auch bei äusseren Erschütterungen, unveränderlich ist. Der Kontaktwiderstand wird vielmehr unter mannigfache äusseren und inneren Einflüssen schwanken. Forderung 7 ist dann nicht zu erfüllen.
Durch die Schwankungen werden Änderungen des Anodenstromes entgegen der Forderung 10 auftreten, die sieh als tönende oder brummende Geräusche oder als sonstige Störerscheinungen bemerkbar machen.
Als isolierende Unterlage gemäss Forderung 3 kann man ein Röhrchen aus Porzellan oder aus Verbindungen oder Gemischen oder gesinterten Produkten von Magnesium, Silikaten od. dgl. verwenden, auf die der Wolframdraht aufgewickelt wird. Diese besitzen aber im allgemeinen einen unregelmässigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der häufig kleiner ist als derjenige des Wolframdrahtes. Der Wolfram- draht wird sich daher bei erhöhter Temperatur lockern. Die Forderungen 7 und 10 und gegebenenfalls auch die Forderung 2 werden daher bei hoher Temperatur nicht mehr erfüllt sein.
Wenn man bisher ein indirekt geheiztes Röhrchen aus Isoliermaterial, auf dem sich somit im allgemeinen eine nicht völlig aneinanderliegende Wicklung von Wolframdraht befand, mit Barium bestäubte, so erzeugte das metallische Barium auf dem Isolierrohr Reduktionserscheinungen, z. B. in der Weise, dass es durch diejenigen Teile des Bariums, die auf dem Isoliermaterial auftrafen, reduziert wurde. Dadurch konnten Gase, wie Sauerstoff, frei werden, die auf diese Weise das Vakuum verschlechterten, oder es wurden die zunächst gut evakuieren oberen Schichten des Isoliermaterials zerstört und tiefere noch nicht entgaste Lagen des Isolationskörpers erhielten die Möglichkeit, Gase in das Vakuum abzugeben.
Schliesslich besteht auch schon dann die Unmöglichkeit, den Bariumprozess in der gewohnten Weise durchzuführen, wenn bei dem Auftreffen des Bariums auf das Isoliermaterial zwar keine Gase frei werden, die vorher gebunden waren oder mit dem Va1. 11umraum nicht in Verbindung standen, wenn aber durch die Dicke des Isoliermaterials die gesamte von der Kathodenfläche zur Verfügung stehende Bariummenge oxydiert wird, so dass kein freies Barium mehr übrigbleibt.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das verdampfte Barium nicht nur als Emissionssubstanz dienen soll, sondern dass gewisse Bariumreste später noch zur fortlaufenden Verbesserung des Vakuums, also als Getter, selbsttätig zu wirken haben. Auch diese Wirkung gemäss Forderung 9 würde nicht eintreten. wenn zur Aufnahme des Bariums bestimmte Wolframfäden direkt auf eine indirekt geheizte Kathode der üblichen Art aufgewickelt würden.
Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten durch eine derartige Ausbildung der Kathode, dass sich alle genannten Forderungen gleichzeitig erfüllen lassen.
Erfindungsgemäss wird das bei indirekt geheizten Kathoden verwendete Isoliermaterial (z. B.
Zylinder oder Röhrchen aus Porzellan oder gebrannten Mischungen von Magnesia. Silikaten u. ds : l.) vor der Aufstäubung des Bariums mit einem so dicht schliessenden metallischen Mantel versehen. dass keine oder wenigstens keine wesentlichen Mengen des Bariums mehr auf das Isoliermaterial auf treffen. wenn das Barium etwa zerstäubt wird. Hiezu wird zweckmässig das Porzellanröhrchen mit einem vorzugsweise zylindrischen Mantel aus widerstandsfähigem Metall umgeben. Man kann einen Vollzylinder auf das Röhrchen aufschieben oder ein Blech um das Röhrchen herumlegen, gegebenenfalls auch eine Spirale aus festem Draht mit eng aneinander anschliessenden Windungen um das Röhrchen wickeln.
In den Fällen, in denen durch derartige Metallbelegungen kleine Spalte frei bleiben, durch die Teile des Isolators unbedeckt sind, werden diese Spalte, Schlitze u. dgl. zweckmässig so gelegt, dass die Hauptmenge des entwickelten und aufgestäubten Bariums von diesen Spalten ferngehalten wird. Falls man an einer Stelle, etwa an der Anode der Röhre, eine Goldsehmidt'sche Reaktion vornimmt, um das Barium zu erzeugen, wird etwa bei Anwendung eines geschlitzten Blechmantels die von dem Schlitz abgelegene Seite des Bleehmantels der Reaktionspastille gegenüber angebracht.
Dieser Metallmantel, hinsichtlich dessen man mit der Materialauswahl zunächst in grossem Umfang auf zahlreiche Nebenbedingungen Rücksicht nehmen kann, wird alsdann mit demjenigen Metall versehen, auf dem das Barium haftet und gute Emission ergibt ; beispielsweise wird also auf diesen Metallmantel ein Wolframdraht aufgewickelt. Bei geeigneter Auswahl des Metalls für den Mantel steht auch nichts im Wege, das Wolfram aufzustäuben oder etwa durch Reduktion aus Wolfram-Hexachlorid al" dÜnne Schicht aufzutragen.
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solchen Stoffe genommen, der einen grösseren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als Wolfram bzw. als dasjenige Metall, das auf den Metallzylinder aufgetragen wird.
Bei Verwendung von Wolframdraht als Träger für das Barium wird zweckmässig ein Metallzylinder aus Nickel genommen. Dieser dehnt sich bei der Erhitzung stärker aus als das Wolfram : je kräftiger die Erhitzung, um so stärker presst sich also der Wolframdraht an den Nickelmantel an. Eine Entstehung von Wackelkontakten oder von störenden, brummenden Geräuschen ist nicht mehr zu befürchten. Der Wolframdraht kann sich unter Umständen so fest an den Nickelmantel anschmiegen, dass er später auch nach Abkühlung ein einheitliches festes Ganzes bildet.
Auf alle Fälle wird aber die Schwierigkeit überwunden, die bisher bestand. Denn
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selbst wenn das Isolationsröhrchen nunmehr einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Nickelmantel, bildet trotzdem der Niekelmantel eine so feste Einheit, dass selbst bei gewisser Lockerung des Zusammenhanges zwischen Porzellanröhrehen und Nickelmantel in der Wärme Kontaktschwierigkeiten oder periodische Kontakt-oder Stromschwankungen nicht entstehen.
Wenn aber hochemissionsfähige Stoffe, wie Barium, als Kathodenmaterial Verwendung finden, so ist es möglich, bei diesen Kathoden die normale Emissionstemperatur wesentlich niedriger zu halten als bei den bisher üblichen indirekt geheizten Kathoden. Damit werden weitere wesentliche Vorteile erzielt. Man kann hiedurch insbesondere die Forderungen 4 und 5, die einander sonst häufig widersprechen. in weitem Masse einander angleichen.
Zu diesem Zweck werden nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung Isoliermaterialröhrchen verwendet, die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser nur eine relativ
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- im Verhältnis zu den bisher benutzten Röhrchen-derart erheblicher Weite der Röhrchen wird an Stelle eines gestreckten Glühfadens eine Glühdrahtspirale benutzt, da der gleiche Spannungsabfall mit dünnerem Draht erzeugt sein kann und nur geringere Heizleistung verbraucht wird. Da die Emissionsschicht nur auf niedere Temperatur gebracht zu werden braucht, ist die Anheizzeit gemäss Forderung 5 klein, besonders da die Wärmekapazität des Porzellanröhrchens infolge der geringen Dicke wesentlich kleiner ist. Diese beiden Faktoren unterstützen sich also bei den erfindungsgemässen Kathoden gegenseitig.
Mit Rücksicht auf die geringere Emissionstemperatur ist aber bei dieser Emissionstemperatur die Abkühlung der Kathode wesentlich kleiner als bei höheren Temperaturen. Die Wärmeabgabe in denjenigen Zeiten, in denen der Heizdraht schwächer oder gar nicht vom Strom durchflossen ist (bei Wechselstromheizung, also zu den Zeiten der Nullpunkte des Heizstromes), ist also kleiner als bisher, die Wärmeträgheit der Kathode also grösser. Die Forderung 4 ist somit bei den erfindungsgemässen Kathoden besonders gut zu erfüllen. Gleichzeitig ergibt sich auch hieraus kein Anlass, dass Forderung 10 nicht erfüllt wäre.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Ein Röhrchen 1 aus Isoliermaterial, Porzellan oder Zirkonoxyd oder Magnesia, dessen äusserer Durchmesser etwa der 3-5fachen Wandstärke entsprechen mag. wird von einer eingängigen Heizspirale 2 aus Wolframdraht durchzogen, die etwa bei einem Spannungsabfall von 4 Volt auf eine Temperatur von über 1000 (1100-14000 C) zu bringen ist. Das Porzellanröhrchen wird von einem Mantel. 3
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gefalteten Blech hergestellt sein kann. Auf diesen Niekelmantel ist eine Schicht Wolframdraht aufgetragen und beispielsweise als Spirale 4 aufgewickelt.
Die Nickelunterlage dieses Wolfl'1llndrahtes enthält bei 5 den Ableitungskontakt, der eine gut leitende Verbindung herstellt zu den einzelnen Drahtwindungen oder sonstigen Schichtteilen des Wolframs und über diese zu der Bariumschicht 6, die auf dem Wolframdraht erzeugt wird, so dass eine vorzügliche Äquipotentialkathode entsteht. Wenn Barium in der aus Fig. 1 schematisch durch Pfeile angedeuteten Weise aufgestäubt wird, so bedeckt sich nicht nur der Wolframdraht mit einer dünnen Schicht des Metalles, die später als Emissionssehicht wirkt, sondern auch das Nickel wird damit bedeckt. Selbst sofern die Emission vom Nickel aus nicht erfolgen würde, befindet sich hier ein Vorrat von Barium, das eine Reinigung des Vakuums hervorrufen kann.
Wenn insbesondere noch kleine Teile des Randes des Isolierröhrehens mit Barium bedeckt werden, so dass etwa an dieser Stelle Gase entstehen könnten, oder wenn sonst im Laufe des Betriebes aus dem Porzellanröhrchen Gasreste frei werden sollten. so genügt der auf dem Nickelröhrchen vorhandene Bariumrest vollauf zur fortlaufenden Aufrechterhaltung des Hochvakuum, zumal bei den relativ dünneren Porzellanröhrehen nach der Anmeldung sich diese von vornherein wesentlich besser ausglühen und besser vom Gas befreien lassen als die Porzellanröhrchen, die man bisher verwendete.
(Bisher betrug bei zirka 1 mm Aussendurch- messer und darüber die lichte Weite des Loches 0'2'mm.)
Durch die Verwendung eines geschlitzten Metallbleches kann der weitere Vorteil erreicht werden, dass auch in der Wärme der Nickelmantel auf dem Porzellanrohr fest anliegt, u. zw. in der Weise, dass der Schlitz in dem Nickelmantel sich bei der Erwärmung verengt, ohne die Festigkeit der Auflage auf dem Metallrohr zu beschränken. Diese Wirkung kann gerade durch einen Gegendruck aus einem Material von kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Wolfram gesteigert werden. In anderer Weise lässt sich eine günstige Druckverteilung mit Hilfe eines Niekelmantels erreichen, der ans Niekeldraht aufgewickelt worden ist (Fig. 3).
Besonders zweckmässig ist eine Ausführung nach Fig. 4 (Querschnitt). bei der die beiden Kanten des Nickelbleehes sich überlappen.
Weiterhin hat es sich als besonders geeignet erwiesen, eine derartige Nickelunterlage nach dem Metallspritzverfahren aufzuspritzen. Eine solche gespritzte Nickelschicht bildet einen vorzüglichen Wärmekontakt mit dem Porzellanröhrehen.
Eine sehr gleichmässige Schicht aus reinstem Nickel lässt sich durch galvanische Abscheidung aus einem entsprechenden Elektrolyten herstellen, nachdem in an sich bekannter Weise durch oberflächliches Überziehen mit Graphit oder Silber zunächst eine Leitfähigkeit der Porzellanröhrchenoberfläche hergestellt worden ist. Auf diese Weise kann man eine sehr glatte Nickelschicht erzielen, die einen guten Kontakt mit dem Wolfram ergibt.
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Wenn nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung zunächst auf das Isolierröhrchen der zur Ableitung der Kathode zu benutzende Draht 5 aufgebracht, beispielsweise herumgewickelt oder mit einer Manschette befestigt wird, ergibt sich bei Anwendung des Spritzverfahrens sowohl wie bei der galvanischen Abscheidung von Nickel der weitere Vorteil, dass man einen vorzüglichen Kontakt zwischen Äquipotentialkathode und Kathodenableitung erhält. Besondere Vorteile treten auf, wenn die Nickelschicht durch Abscheidung aus einer gasförmigen Nickelverbindung, beispielsweise aus einer Atmosphäre von Nickeltetrakarbonyl, erzeugt wird.
Dies ist besonders zweckmässig bei Systemen mit sehr schwacher Heizleistung, die infolgedessen nur eine geringe Stärke des Porzellanröhrehens aufweisen und demgemäss unter dem Einfluss des Spritzens leicht mechanisch überansprucht werden können. Nach dem Galvanisieren des Porzellanröhrehens ist ein gutes Ausspülen der in den Elektrolyten eingetauchten Teile erforderlich. Dies ergibt bei besonders porösen Materialien Schwierigkeiten. Besonders in solchen Fällen empfiehlt es sich, das Porzellanröhrehen mit dem Heizdraht in einer Gasatmosphäre anzubringen, in der nach Erwärmung des Röhrchens Nickel abgeschieden wird. Da das Röhrchen ohnehin eine Heizvorrichtung besitzt, ist dieses Metallisieren des Porzellanrohres fabrikationsmässig ohne Schwierigkeiten durchführbar.
Eine gewisse Sprödigkeit, die sich sonst bei derartigen Nickelüberzügen (vermutlich infolge eines verbleibenden Kohlenstoffgehaltes) bemerkbar machte, bildet bei Äquipotentialkathoden, bei denen das Nickel nur als leitende Unterlage für Wolframdraht od. dgl. dient, keine Nachteile, da der Wolframdraht den Niekelbelag festhält.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Indirekt geheizte Kathode, die einen isolierten Heizkern enthält, und bei der ein hochemittierendes Material, wie z. B. Barium, auf einer Unterlage aus Metall, wie z. B. Wolfram, angeordnet ist, wobei das Unterlagsmetall in Form einer Drahtspirale, eines Bandwickels od. dgl. ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Isolationskörper des Heizkerns und der metallischen Drahtspirale od. dgl., die das hoehemissionsfähige Material trägt, eine metallische Zwischenschicht angeordnet ist, deren Ausdehnungskoeffizient gleich oder grösser ist als der Ausdehnungskoeffizient der metallischen Trägerschicht.