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Gitterstrebe für elektrische Entladungsgefässe.
Bei elektrischen Entladungsgefässen tritt häufig als sehr störende Erscheinung eine Elektronenemission des Gitters auf, die thermischer Natur ist. Diese thermische Gitteremission ist'darauf zurück' zuführen, dass das Gitter, das oft einen sehr geringen Abstand von der Kathode besitzt, durch die von der Kathode ausgesandte und von den übrigen Elektroden zurückgeworfene Strahlung auf Glühtemperatur erhitzt wird.
Da es nun unvermeidlich ist, dass hei der Behandlung der Röhren auf der Pumpe und auf dem Formierrahmen geringfügige Mengen des gut elektronenemittierenden Kathodenwerkstoffs, z. B.
Erdalkalioxyd oder-metall, verdampft und sich auf dem Gitter niederschlägt, so sendet das Gitter schon bei verhältnismässig niedriger Temperatur Elektronen aus. Ein Teil dieser Elektronen wird in der üblichen Schaltung, bei der das Steuergitter eine negative Vorspannung gegenüber der Kathode besitzt, zur Kathode beschleunigt und verursacht dadurch das Auftreten eines störenden Gitterstroms. Die thermische Gitteremission kann u. a. dadurch verhindert werden, dass man die Temperatur des Steuergitter erniedrigt. Dies kann man dadurch erreichen, dass man eine möglichst grosse Wärmemenge vom Gitter nach aussen ableitet. Bei gegebenem Querschnitt ist die abgeleitete Wärmemenge um so grösser, je grösser die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs ist.
Infolgedessen müssen die Streben des Gitters aus einem Werkstoff mit möglichst grosser Wärmeleitfähigkeit bestehen. In welcher Weise die Temperatur des Steuergitter von der Wärmeleitfähigkeit der Streben abhängt, ist für eine bestimmte Röhrenart aus der Zeichnung zu ersehen. Die Abbildung zeigt den Verlauf der Gittertemperatur in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit der Gitterstreben bei einer Kathodentemperatur von T, = 1100'abs. Darin ist Tz (max. ) die örtliche Höchsttemperatur des Gitters, also z. B. der Gitter- mitte, und Tz (e) die Temperatur des Gitters an einem Ende. Die Temperaturen sind die absoluten Temperaturen. Die Wärmeleitfähigkeiten von Kupfer und Nickel sind in der Zeichnung angegeben.
Es ist leicht ersichtlich, dass Kupfer ein guter Werkstoff für die Strebe ist. Noch etwas günstiger ist
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Kupfer und Silber als Strebenwerkstoffe besitzen nun aber gewisse Nachteile, welche einmal durch ihre -Strahlungseigenschaften und weiterhin durch ihre schlechte Verschweissbarkeit bedingt sind.
Was zunächst den an sich nicht so bedeutungsvollen Zusammenhang zwischen der Temperatur und den Strahlungseigenschaften des Gitters anbelangt, so wird die Temperatur eines Gitters um so geringer sein, je mehr Energie von der auf das Gitter auftreffenden Strahlungsenergie wieder ausgestrahlt wird.
Nun beträgt die bei einer Temperatur von etwa 8009 ausgestrahlte Gesamtenergie z. B. bei Kupfer nur etwa 25% der von Nickel ausgestrahlten Gesamtenergie. Wenn also die absorbierte Energie bei einem mit Kupferstreben versehenen Gitter ebenso gross wäre wie bei Verwenduug von Nickelstreben und wenn die verschiedene Wärmeleitfähigkeit der beiden Werkstoffe unberücksichtigt bleibt, so müsste die Temperatur eines Gitters mit Kupferstreben erheblich höher sein als die eines Gitters mit Niekelstreben. In Wirklichkeit ist allerdings das Absorptionsvermögen und infolgedessen auch die absorbierte Energie bei Kupfer und Nickel nicht gleich gross ; für die Strahlung, wie sie die in elektrischen Entladungsgefässen benutzten Kathoden aussenden, beträgt das Absorptionsvermögen von Kupfer etwa 33% desjenigen von Nickel.
Da nun aber, wie erwähnt, die Ausstrahlung des Kupfers nur etwa 25% derjenigen von Nickel beträgt, so ist trotz des geringeren Absorptionsvermögens, welches Kupfer gegenüber Nickel besitzt, bei nicht berücksichtigter Wärmeleitung die Temperatur eines Gitters mit
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Kupferstreben höher als die eines Gitters mit Nickelstreben. Nickel besitzt also Strahlungseigenschaften, welche es für die Verwendung als Werkstoff für die Streben von Steuergitter geeigneter machen als Kupfer. Ähnlich wie bei Kupfer und Nickel liegen die Verhältnisse bei Kupfer und den andern Metallen der Eisengruppe bzw. bei Silber als Strebenwerkstoff.
Die gute Wärmeleitfähigkeit des Kupfers und des Silbers erschwert ausserdem das Schweissen.
Es ist nahezu unmöglich, bei der Massenherstellung von Gittern aus reinem Kupfer oder Silber regelmässig gute Schweissungen zu erhalten.
Gemäss der Erfindung werden nun die Gitterstreben aus einem Kupfer-oder Silberkern hergestellt, der einen Mantel aus einem oder mehreren Metallen der Eisengruppe besitzt. Dadurch werden die guten Eigenschaften des Kupfers und die des Silbers mit den Vorteilen der Verwendung von Metallen der Eisengruppe vereinigt.
Die Gitterstreben kann man dadurch herstellen, dass ein Kupferkern elektrolytisch mit Eisen, Nickel usw. überzogen wird. Die so erhaltenen Streben besitzen indessen den Naehteil, dass sie sich immer noch sehr schlecht schweissen lassen, weil es nicht möglich ist, elektrolytisch einen genügend dicken, gleichmässigen und festhaftenden Überzug zu erhalten.
Zweckmässig wird daher ein Werkstoff, welcher die guten Strahlungseigenschaften und die leichte Verschweissbarkeit der Eisenmetalle mit der guten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers oder des Silbers verbindet, für die Gitterstreben dadurch erhalten, dass ein Kupfer-oder Silberkern mit einem Mantel aus einem dieser Metalle oder aus einer ihrer Legierungen versehen wird. Dabei ist die Dicke des Mantels so zu wählen, dass eine gute Verschweissbarkeit erhalten wird, ohne dass sich die Wärmeleitfähigkeit sehr stark vermindert. Es können also je nach den Drahtdicken Manteldicken von etwa 10 bis 110 jj. und darüber benutzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Kerndraht einen Durchmesser von 0'7 mm und der Mantel eine Dicke von etwa 30 t-t. Bei Verwendung eines Niekelmantels hat dann die zusammengesetzte Strebe eine Wärmeleitfähigkeit, die mehr als 75% der Wärmeleitfähigkeit einer Kupferstrebe gleichen Querschnittes beträgt. Die Verwendung derartiger Mäntel, die gegenüber den nach dem elektrolytisehen Verfahren erzeugten Mänteln als stark zu bezeichnen sind, hat gleichzeitig den Vorteil, dass dadurch die Festigkeit der Streben gegenüber der Festigkeit des reinen Kupfers oder Silbers erheblich vergrössert wird.
Es darf dabei nicht vergessen werden, dass die Strebenwerkstoffe keine grauen Strahler, sondern
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Energie nur dann einander proportional, wenn die emittierende Strahlung die gleiche spektrale Verteilung besitzt wie die absorbierte. Besässe also bei den Entladungsgefässen, bei welchen die durch die Erfindung zu verhindernde störende Erscheinung der thermischen Gitteremission auftritt, die auf das Gitter auftreffende Strahlung dieselbe spektrale Verteilung wie die vom Gitter ausgesandte, so wäre in der Tat ein Einfluss der Strahlungseigenschaften verschiedener Gitterwerkstoffe nicht vorhanden.
In Wirklichkeit ist jedoch die spektrale Verteilung der auf das Gitter auftreffenden Strahlung eine andere als die der vom Gitter ausgesandten Strahlung. Bei den Entladungsgefässen, bei welchen die Erfindung angewendet werden soll, wird nämlich der allergrösste Teil der Energie, welche die unerwünschte Erwärmung des Steuergitter bewirkt, von der Kathode geliefert. Demgemäss wird die dem Gitter zugestrahlte Energie, von der ein Teil vom Gitter absorbiert wird, im wesentlichen die gleiche spektrale Verteilung besitzen wie die von der Kathode ausgesandte Strahlung, deren spektrale Verteilung natürlich durch die Temperatur der Kathode bestimmt ist. Die spektrale Verteilung der vom Gitter ausgesandten Strahlung ist bei einem bestimmten Werkstoff dagegen allein durch die Gittertemperatur bestimmt.
Da nun sicher die Gittertemperatur niedriger ist als die Kathodentemperatur, so liegt die Hauptmenge der vom Gitter ausgestrahlten Energie stets bei längeren Wellenlängen als die Hauptmenge der dem Gitter zugestrahlten Energie. Beispielsweise liegt bei einer Kathodentemperatur von 1100 und einer Gittertemperatur von 800 die Hauptmenge der zugestrahlten Energie im Wellenlängenbereich von 1-10 p dagegen die Hauptmenge der ausgestrahlten Energie im Wellen- längenbereich von 1'5-15 p..
Wäre der Gitterwerkstoff ein grauer Strahler, so wäre das Absorptionsvermögen in beiden Wellenlängenbereichen das gleiche. Infolgedessen würde eine Verringerung der vom Gitter absorbierten
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und die Temperatur des Gitters bliebe ungeändert. In Wirklichkeit sind aber die angegebenen Metalle Selektivstrahler, bei denen die Grösse des Absorptionsvermögens von der Wellenlänge abhängig ist.
Bei Berücksichtigung dieser Abhängigkeit, wie sie beispielsweise aus den Tabellen von Landolt-Börnstein entnommen werden kann, ergibt sich dann, dass die Temperatur eines Gitters mit Kupferstreben höher ist als die eines Gitters mit Nickelstreben, wenn man von der Wärmeableitung absieht.
Besonders günstige Ergebnisse werden erhalten, wenn man solche Metalle der Eisengruppe verwendet, welche emissionsvermindernd wirken. Ein solches Metall ist z. B. das Eisen selbst. Aus den Versuchen ergibt sich, dass eine Röhre, welche einen mit einem Eisenmantel versehenen Kupferdraht als Strebe enthält, eine besonders geringe thermische Gitteremission aufweist. Man kann auch den Gitterdraht selbst aus Eisen herstellen, um die Emission noch weiter herabzusetzen. Es können zu-
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sätzlich alle diejenigen Verfahren benutzt werden, die zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung und zur Verringerung der Emission bekannt sind, z. B. das Karburieren oder das Zirkonisieren.
Die Herstellung des Manteldrahtes erfolgt z. B. in der Weise, dass auf einen Kupferdorn von passend gewählter Dicke ein Rohr aus dem gewünschten Werkstoff, z. B. Nickel oder Eisen, von geeigneter Wandstärke sauber aufgezogen wird und dann beide zusammen geglüht werden. Die weitere Bearbeitung erfolgt z. B. zunächst in Hämmermaschinen, wie sie bei der Herstellung des Wolframdrahtes benutzt werden, u. zw. im warmen Zustand, in dem der Stab zunächst durch einen Ofen geht, ehe er in die Hämmermaschine gelangt, oder durch Walzen. Zur Verhinderung der Oxydation des Metalls ist die Verwendung eines Schutzgases, wie Stickstoff oder Wasserstoff, zweckmässig. Der Draht wird so lange gehämmert, bis der Mantel fest auf dem Kern haftet. Besonders gute Ergebnisse wurden z.
B. dann erzielt, wenn der Draht von 10 mm Durchmesser auf 6 mm Durchmesser heruntergehämmert und dann gezogen wird. Es ist aber auch möglich, viel weiter, z. B. bis 1'5 mm, herunterzuhämmern. Bei der Weiterverarbeitung durch Ziehen ist der Draht zweckmässig hin und wieder zu glühen, damit der Mantel weich bleibt. Auch der fertig gezogene Draht sollte noch einmal geglüht werden, um ihm eine genügende Weichheit zu geben. Der Draht kann auch durch Anwendung nur eines der genannten Verfahren hergestellt werden.
Anstatt den Mantel über einen Kupfer-oder Silberkern zu schieben, kann man den Mantel auch mit Kupfer-oder Silberpulver anfüllen und dann in gleicher Weise weiterverarbeiten. Vor der mechanischen Bearbeitung ist zweckmässig, auf Sintertemperatur zu erhitzen.
Zwischen Mantel und Kern kann auch eine geeignete Zwischenschicht zur besseren Verbindung vorgesehen werden. Es ist z. B. möglich, den Kern vor dem Aufbringen des Mantels elektrolytisch zu vernickeln oder den Mantel innen elektrolytisch zu verkupfern. Auch eine Zwischenschicht wird oft Vorteile bieten ; bei einem Kupferkern wählt man für die Zwischenschicht zweckmässig Silber.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gitterstrebe für elektrische Entladungsgefässe, gekennzeichnet durch einen Kern aus Kupfer oder Silber und einen Mantel aus einem oder mehreren Metallen der Eisengruppe.