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Aktivierte Glühkathode.
Die Erfindung bezieht sich auf aktivierte Glühkathoden mit aus vorzugsweise hochschmelzendem Metall bestehendem und zum Festhalten der emittierenden Stoffe mit dünnem Metalldraht schraubenförmig bewickeltem Drahtkern zur Verwendung in Entladungsröhren.
Eine gebräuchliche Bauart solcher Glühkathoden ist z. B. in dem Patent Nr. 139315 beschrieben ; der Drahtkern der Kathode besteht in diesem Fall aus hochschmelzendem Metall und ist mit zahlreichen Windungen eines dünnen Drahtes aus demselben oder einem andern Metall bewickelt.
Die engen Zwischenräume zwischen diesen Drahtwindungen eignen sich sehr gut zum Festhalten der emittierenden Stoffe, es ist aber der auf diese Art und Weise unterzubringende Vorrat an solchen Stoffen verhältnismässig gering.
Besonders bei lonenentladungsröhren sind die so entstehenden, teils kapillaren Spalte von Bedeutung, da bei diesen Röhren die Gas-oder Dampfionen die negative Raumladung an der Glühkathode aufheben und es so ermöglichen, dass auch die tiefer in den Zwischenräumen befindlichen Teilchen der emittierenden Stoffe zur Elektronenemission herangezogen werden. Auch wird durch den vergrösserten Vorrat an emittierenden Stoffen die Lebensdauer der Röhre sehr günstig beeinflusst.
So entstand durch diese Röhren ein erhöhtes Bedürfnis an Kathodenkörpern mit noch mehr feinen Aushöhlungen, Spalten und Kanälen zur Unterbringung eines grossen Vorrats an emittierenden Stoffen.
Die Erfindung bezweckt eine diesem Bedürfnis entsprechende Verbesserung dieser Kathodenbauart, die dadurch erreicht wird, dass der schraubenförmig auf den Kern aufgewickelte Metalldraht derart aufgebracht wird, dass diese Bewicklung mehrere, von Zwischenräumen für die emittierenden Stoffe durchsetzte Metallschichten bildet.
Hiezu kann man die schraubenförmige Bewicklung selbst aus einer oder mehreren Lagen von mit dicht zusammenliegenden Windungen ausgeführtem Wendeldraht zusammensetzen.
Zweckmässig wird zur Bewicklung eine Drahtwendel benutzt, die mittels eines an sich bekannten Verfahrens durch Aufwickeln eines Drahtes auf einen im nachstehenden als Dorn bezeichneten Kern aus einem andern Material und nachfolgende Beseitigung des Dornes, z. B. auf chemischem Wege, erhalten worden ist. Da die Windungen dicht zusammenliegen, bleibt die Wendel nahezu wie ein massiver Draht auf dem Kerndraht der Kathode liegen.
Es ist festgestellt worden, dass durch die beschriebene Ausbildung der auf den Kathodenkerndraht aufgewickelten Drahtwendel eine sehr grosse Vervollkommnung gegenüber den bekannten Kathoden erzielt wird. Es ist wahrscheinlich, dass hiezu u. a. die folgenden Faktoren mitwirken, doch ist die Erfindung selbstverständlich an eine bestimmte theoretische Erklärung nicht gebunden.
Die auf den Kathodenkern aufgewickelte Drahtwendel kann, was ihre äussere Form betrifft, in erster Linie mit dem bekannten aufgewickelten massiven Draht verglichen werden und verrichtet somit alle Funktionen dieses Drahtes. Ausserdem aber bildet die Wendel einen Hohlleiter mit Schlitzen in der Oberfläche, so dass sich im Innern dieses Hohlkörpers und in den Schlitzen (d. h. in den Räumen zwischen den Windungen) eine grosse Menge emittierenden Materials festsetzen kann. Sogar wenn die
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Räume nicht mit emittierendem Stoff ausgefüllt werden, sondern nur überall auf der Oberfläche eine Haut aus demselben gebildet wird ; wird eine sehr beträchtliche Verbesserung durch die sehr erhebliche, mittels der neuen Ausbildung des aufgewickelten Drahtes erhaltene Oberflächenvergrösserung erzielt.
Für einen guten Halt der emittierenden Substanz und eine feste Lage der Drahtwendel auf dem Kathodenkern ist es vorteilhaft, dem Wendeldraht einen Durchmesser von höchstens 300 Mikron zu geben. Der Durchmesser und die Steigung der Drahtwendel werden weiter entsprechend der Stärke des Kathodenkerndrahtes bestimmt.
Um den durch dieses Verfahren bedingten Aufwand an Kernmaterial, Herstellungskosten des Wendeldrahtes, Chemikalien zum Entfernen des Wickelkerns usw., ohne Preisgabe des durch obige Bauart gegebenen erhöhten Fassungsvermögens der Kathode für die emittierenden Stoffe weitgehend herabzusetzen, kann man auch die schraubenförmige Bewicklung, zwar nach der alten eingangs erwähnten Methode, mit einfachem Metalldraht, aber in mehreren Wicklungslagen ausführen.
Diese aufeinanderfolgenden Lagen bilden ebenfalls eine an Hohl-und Zwischenräumen sehr reiche und sich zum Festhalten der emittierenden Stoffe ausserordentlich gut eignende Bedeckung des für die Beheizung und Stromzuführung dienenden hochschmelzenden Kernes, aber die Herstellungskosten sind weitaus geringer, da das aufeinanderfolgende Bewickeln des Kerndrahtes in einem fortlaufenden Arbeitsgang stattfinden kann und sich überdies jegliche chemische Entfernung eines metallischen Wickelkernes erübrigt.
Vorteilhaft wird jede Wicklungslage mit einem Wicklungssinn ausgeführt, der dem Wicklungsinn der vorhergehenden Lage entgegengesetzt ist, da durch die entgegengesetzt gerichteten Spannkräfte der Bewicklungen ein besserer Halt auf dem gemeinschaftlichen Kern und durch die Überkreuzung der einzelnen Windungen mit denen der benachbarten Wicklungslagen ein erhöhtes Fassungsvermögen an emittierenden Stoffen erzielt wird, u. zw. deshalb, weil eben durch diese Überkreuzungen die einzelnen Windungen den Wicklungslagen nicht mehr zwischen diejenigen der vorhergehenden Lagen fallen, wie dies bei gleichem Wicklungssinn aller Lagen der Fall wäre.
Eine Ausführung der Bewicklung mit einer Steigung, die grösser ist als der Durchmesser des benutzten Drahtes, wirkt günstig durch die Bildung von Zwischenräumen zur Aufnahme der emittierenden Stoffe ; es ist vorteilhaft, die Steigung mindestens zweimal so gross wie den Drahtdurchmesser zu wählen.
Es ist festgestellt worden, dass gemäss der Erfindung aktivierte Kathoden von vorzüglicher Beschaffenheit erzielt werden können, ohne dass es notwendig ist, eine besondere Metallart, wie Nickel, an dem die emittierenden Substanzen besonders leicht haften, für die Bewicklung oder als Überzug zu verwenden. Man kann also ein hochschmelzendes Metall, z. B. Wolfram, benutzen. In Fällen, in denen man das Schmelzen eines Nickelüberzuges infolge hoher Temperaturen nicht zu befürchten braucht, kann man die Eigenschaften der Kathode durch Verwendung von Nickel noch günstiger gestalten, indem man z. B. sowohl den Kerndraht als auch die Drahtbewicklung aus vernickeltem Wolfram herstellt.
Da aber die emittierenden Stoffe bekanntlich an Nickel in den meisten Fällen besser haftenbleiben als an den für Glühkathoden gebräuchlichen hochschmelzenden Metallen (z. B. Wolfram oder Molybdän), diese letzteren aber den zerstörenden Einwirkungen des Entladungsvorganges besser widerstehen, kann es vorteilhaft sein, einen oder mehrere getrennte Teile der Kathode mit einer Nickelschicht zu überziehen, wobei unter getrennten Teilen der Kathode der hochschmelzende Drahtkern und die verschiedenen Bewicklungen zu verstehen sind.
Aus eben demselben Grunde kann es sich auch lohnen, wenigstens einen Teil der Bewicklungen mit Nickeldraht auszuführen.
Die Eigenschaften der aktivierten Kathode kommen besonders bei Verwendung in einer Ionenentladungsröhre zur Geltung, da sich hier auch die infolge der neuen Kathodenform in den Hohlräumen enthaltenden emittierenden Stoffe ausgiebig an der Emission beteiligen können.
Unter Ionenentladungsröhren sollen sowohl ein Gas oder einen Dampf, wie z. B. Quecksilberdampf, als auch eine Mischung von Gasen und Dämpfen enthaltende Entladungsröhren verstanden werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 ist eine Teilansicht einer Kathode. Fig. 2 und 3 sind Querschnitte. Fig. 4 ist eine stark vergrösserte Ansicht eines bewickelten Drahtkernes. Fig. 5 ist eine damit hergestellte Kathode. Fig. 6 ist ein stark vergrösserter Teilquerschnitt einer derartigen Kathode.
In Fig. 1 befindet sich auf dem Kerndraht 1, der aus Wolfram besteht und schraubenförmig gewickelt ist, eine auf ihn gleichfalls schraubenförmig aufgewickelte Drahtwendel 2.
Die emittierende Schicht 3 ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sie, wenn sie alle Räume, Schlitze und Öffnungen ausfüllt, eine starke Schicht darstellt, die im Innern als Haftkörper eine Wendel enthält. Wenn die Öffnungen nicht ganz ausgefüllt sind, die emittierende Substanz aber die ganze vorhandene Oberfläche in einer dünnen Schicht überzieht, entsteht die in Fig. 3 dargestellte Form.
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Im allgemeinen sind beide Formen bei ein und derselben aktivierten Kathode vorhanden, besonders wenn nach längerem Gebrauch der Kathode an vielen Stellen das in den Hohlräumen und Schlitzen vorhandene aktivierende Material durch Herausfallen oder Zerstäuben verschwunden ist. Auch im letzteren Falle besitzt aber die Kathode, deren verfügbare Oberfläche zum Teil mit emittierender Substanz überzogen ist, ein beträchtliches Emissionsvermögen, und es ist ferner ersichtlich, dass eine Kathode von sehr langer Lebensdauer erzielt werden kann. In der Praxis hat es sich daher auch in manchen Fällen ergeben, dass die Lebensdauer gegenüber einer unter gleichen Bedingungen verwendeten Kathode von gleichen Abmessungen, bei der jedoch die Drahtbewicklung massiv war, vervierfacht wurde.
Bei der Herstellung der Kathode könnte man den Kerndraht für sich in Schraubenform biegen und darauf den zuvor in Schraubenform gebrachten Wendeldraht auf einen Dorn mit gleichem Durchmesser wie der Kerndraht aufwickeln, um schliesslich nach Entfernung des Dornes diese Wendel auf den Kerndraht aufzuschieben.
Man kann die Kathode jedoch auch in der Weise herstellen, dass die aufzuwickelnde Wendel direkt auf einen geraden Kerndraht aufgewickelt wird, der somit als Dorn benutzt wird, und darauf dieser Kerndraht in die gewünschte, in Fig. 1 dargestellte Schraubenform gebracht wird.
Es ist ersichtlich, dass man zwecks Herstellung von sehr grossen Kathoden den Vorgang noch ein oder mehrere Male wiederholen kann.
In bezug auf die Herstellung der aufzuwickelnden Drahtwendel selbst kann man nach bekannten Verfahren in der Weise vorgehen, dass man z. B. einen Wolframdraht auf einen Kerndraht aus Molybdän aufwickelt und diesen Molybdändorn sodann beispielsweise mittels eines Gemisches aus konzentrierter Schwefelsäure und starker Salpetersäure beseitigt.
Die Entfernung des Dornes aus der Wendel sowie auch gewünschtenfalls das Anbringen eines Nickelüberzuges kann selbstredend in verschiedenen Stufen der Herstellung der schraubenförmigen aktivierten Kathode, gegebenenfalls sogar als letzter Vorgang vor dem Aufbringen der emittierenden Substanz, erfolgen.
Das Aufbringen der emittierenden Schicht erfolgt z. B. durch Eintauchen des ganzen, auf die vorher beschriebene Weise erhaltenen Körpers in ein Bad von geschmolzenem Bariumhydroxyd Ba (OH) 2' Dieses Bariumhydroxyd wird darauf nach Einbringen der Kathode in die Entladungsröhre durch Erhitzen in Bariumoxyd umgewandelt.
Auch andere Bäder, z. B. ein aus Bariumkarbonat, Strontiumkarbonat und einem Bindemittel gebildeter Brei, können verwendet werden.
Bei der Verwendung eines solches Bades kann man den Brei auch mittels eines Pinsels auftragen.
Es folgen im nachstehenden zwei Beispiele von in der Praxis verwendeten Ausmassen.
Beispiel 1. Wolframdraht mit einer Stärke von 75 Mikron wird auf einen Molybdändorn mit einer Stärke von 120 Mikron aufgewickelt, wobei die Steigung der Wendel 200 Mikron beträgt.
Der erhaltene Körper wird mit einer Steigung von 400 Mikron auf einen Wolframdraht mit einer Stärke von 450 Mikron aufgewickelt.
Dieser Wolframdraht wird mit einer Steigung von 5000 Mikron auf einen Dorn mit einer Stärke von 3000 Mikron aufgewickelt. Nach dem Ausziehen dieses Dornes und der chemischen Entfernung des Molybdänkerns kann die emittierende Schicht aufgebracht werden. Hat eine solche Kathode sechs Windungen, so ist die Metalloberfläche 6 em2.
Beispiel 2. Wolframdraht mit einer Stärke von 125 Mikron wird mit einer Steigung von 200 Mikron auf einen Molybdänkern von 250 Mikron Stärke aufgewickelt. Dieser Körper wird mit einer Steigung von 600 Mikron auf einen Wolframdraht aufgewickelt, der eine Stärke von 1800 Mikron hat.
Aus dem so erhaltenen Körper wird eine Wendel mit einem Durchmesser von 3500 Mikron und einer Steigung von 4000 Mikron hergestellt.
Acht Windungen dieser Wendel haben dann eine Oberfläche von annähernd 1 dm2.
In Fig. 4 wird die aufeinanderfolgende Bewicklung eines Kerndrahtes 1, z. B. aus Wolfram von 0'5-2 mm Durchmesser, mit dünnen Metalldrähten 4 und 5, z. B. aus Wolfram von 0'1-0'5 mm Durch- messer, dargestellt, von denen 4 rechtsgängig und 5 linksgängig aufgewickelt worden sind. Mit einem derartigen Drahtkern wird dann die endgültige Kathodenspirale 6 der Fig. 5 gewickelt, die Bezugsziffern der Fig. 5 stimmen wie die der Fig. 6 mit den in der Fig. 4 für entsprechende Teile verwendeten überein.
Fig. 6 zeigt in einem Teilquerschnitt der Kathode, wie die emittierende Schicht 3 derart von der Bewicklung 4-5 des Kernes 1 durchsetzt ist, dass ein ausserordentlich inniger mechanischer und elektrischer Kontakt bei stark vergrösserter emittierender Oberfläche der Kathode sowie ihrer Beschickung mit emittierenden Stoffen erzielt wird.
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