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Mittelbar beheizte Vorratskathode
Die Erfindung bezieht sich auf Vorratskathoden derjenigen Art, deren elektrischer Heizkörper im Inneren des hohlen metallischen Kathodenkörpers, von demselben isoliert, angeordnet ist. Der Vorrat an aktivierendem Stoff, der das elektronenemittierende aktive Material der Kathode liefert, ist derart am Kathodenkörper angeordnet, dass sich die Wand des Kathodenkörpers zwischen diesem Vorratsstoff und dem elektrischen Heizkörper befindet. Dieser Vorratsstoff wird durch einen mit ihm in Berührung stehenden zusammengesetzten Metallkörper aus hochschmelzendem Metall bedeckt, der für das aus dem Vorratsstoff entstehende elektronenemittierende aktive Material durchlässig ist, so dass das aktive Material durch diesen Körper auf die äusserste Oberfläche desselben gelangen kann.
Die elektronenemittierende aktive Oberfläche der Kathode, die mit einer Schicht höchstens molekularer Stärke des aktiven Materials bedeckt ist, ist. die äusserste Oberfläche des obengenannten durchlässigen Metallkörpers. Kathoden dieser Art werden in der Industrie üblicherweise kurz als "mittelbar beheizte Vorratskathoden" bezeichnet.
Bei einer besonderen, in der Industrie üblicherweise kurz als"L-Kathoden"bezeichneten Ausfüh- rungsform der mittelbar beheizten Vorratskathoden ist der obengenannte zusammengesetzte durchlässige Metallkörper ein poröser Metallkörper, meistens ein gesinterter Wolframkörper, durch dessen Poren das aktive Material auf die die elektronenemittierende aktive Oberfläche der Kathode bildende äusserste Oberfläche des Wolframkörpers gelangen kann.
Bezüglich der die Wirkungsweise der "L-Kathoden" erklärenden Theorien finden sich in der Fachliteratur ziemlich gegensätzliche Angaben. Demzufolge bestehen noch immer Meinungsverschiedenheiten in der wissenschaftlichen und technischen Literatur bezüglich der Fragen, ob in solchen Kathoden Bariumoxyd tatsächlich verdampft oder nicht und bejahendenfalls in welchem Ausmasse, ferner ob das Bariumoxyd eine wesentliche Rolle bei der Elektronenemission dieser Kathoden spielt oder nicht, d. h. ob diese Kathoden solche der Oxydkathoden-Type oder der BariumfUm-Kathoden-Type sind und ob die Verdampfung des Bariumoxyds bei ihnen wesentlich ist oder nicht.
Es wurde hiebei festgestellt, dass die Bariumoxydtension für die richtige Wirkungsweise der "L-Ka- thoden"wesentlich ist und dass die Tension des das elektronenemittierende aktive Material liefernden Vorratsstoffes im Betrieb der Kathode geringer als die Bariumoxydtension selbst sein muss, damit man eine ausreichende Lebensdauer dieser Kathoden erzielen kann. Wie man dies erreichen kann, wurde bereits in der österr. Patentschrift Nr. 195497 der Erfinderin beschrieben.
Es wurde aber auch festgestellt, dass die verschiedenen Probleme der "L-Kathoden" nicht völlig. durch die gemäss der österr. Patentschrift Nr. 195497 vorgeschlagene Einstellung der Tensionen des Vorratsstoffes und des Bariumoxyds gelöst werden, da die meisten Nachteile und Schwierigkeiten, denen man bei diesen Kathoden begegnet, der Gegenwart des gesinterten porösen Metallkörpers zuzuschreiben sind. Dieser Körper kann nämlich bekannterweise nicht in beliebig kleinen Abmessungen hergestellt und nicht in beliebiger Weise im Kathodenkörper angebracht werden.
Die nicht vernachlässigbare Wandstärke dieses porösen Wolframkörpers verursacht manche Schwierigkeiten, unter anderem das Vorhandensein eines so grossen Temperaturgefälles, dass es ausserordentlich erschwert, ja sogar in manchen Fällen unmöglich gemacht wird, diejenigen Betriebstemperaturen, welche die obengenannten Tensionen bestim-
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men, und auch für die Bildung des aktiven Materials und die Elektronenemission der Kathode von entscheidender Wichtigkeit sind, richtig einzustellen.
Die äusserste Oberfläche des gesinterten Wolframkör- pers muss nämlich zwecks Erzielung der ausreichenden Emission der Kathode auf einer ziemlich hohen Betriebstemperatur gehalten werden ; es ist aber oft sehr schwierig, diese Temperatur in ein entsprechendes Verhältnis zu derjenigen Temperatur zu bringen, welche zur Erzielung der das aktive Material lieferndenReduktion des Vorratsstoffes erforderlich ist.
Im Falle der Verwendung von energischen Reduk tionsmitteln, welche das emittierende Material, Ublicherweise Barium, durch Reduktion des Vorratsstoffes schon bei verhältnismässig niedriger Temperatur liefern, ist es nämlich meistens unmöglich, den gesinterten Wolframkörper auf die zur Erzielung ausreichender Emission erforderliche Temperatur zu erhitzen, ohne eine gleichzeitige Überhitzung des Vorratsstoffes zu verursachen, welche die Reduktion übermässig beschleunigen und dadurch den Vorratsstoff allzu rasch erschöpfen würde. Falls man aber ein schwächeres Reduktionsmittel, wie z. B.
Molybdän, verwendet, erfolgt die Reduktion zwar erst bei höheren Temperaturen, wodurch es zwar möglich wird, die emittierende aktive Oberfläche des gesinterten Wolframkörpers auf die zur Sicherung der ausreichenden Emission erforderliche Temperatur zu erhitzen, doch ist in diesem Falle ein hoher Heizstromverbrauch und eine übermässige thermische Beanspruchung des Heizkörpers der Kathode unvermeidlich.
Um die Notwendigkeit, einen gesinterten Wolframkörper mit dessen Nachteilen verwenden zu müs- sen, der insbesondere einen vakuumdichten Abschluss der den Vorratsstoff enthaltenden Kammer erforderlich macht, zu vermeiden, hätte man angesichts der Tatsache, dass aktives Material diese Kammer nur durch die Poren des gesinterten Wolframkörpers verlassen kann, die Verwendung eines zusammengesetzten Metallkörpers "Migrationskörper", der das Herausdringen des aktiven Materials aus der Vorratskammer durch Oberflächenwanderung (auch "Migration" genannt) gestattet, auf Grund des Inhaltes der USAPatentschrift Nr. 2, 107, 945 und der franz. Patentschrift Nr. 907. 226 bereits erwägen können.
Diese Lösung der Aufgabe schien aber nicht ermutigend zu sein, insbesondere in Anbetracht des Inhaltes der Zeilen 42 - 52 der Seite 1 der Beschreibung der obengenannten franz. Patentschrift, und des Inhaltes der Zeilen 35 - 66 der Seite 2 der Beschreibung und der Fig. 8 der Zeichnung der obengenannten USA-Patentschrift.
Im Gegensatz zu alldem, was auf Grund dieser Offenbarungen erwartet werden musste, und unter Überwindung des durch dieselben verursachten Vorurteils, hat die Patentinhaberin erkannt und festgestellt, dass, wenn man für entsprechende Oberfiächenwanderung des elektronenemittierenden aktiven Materials von Vorratsstoff zur aktiven Oberfläche der Kathode sorgt, und demnach keine das Durchdringen dieses Materials durch seine Poren gestattenden gesinterten porösen Metallkörper verwendet, ausgezeichnete Ergebnisse und eine Anzahl bedeutender Vorteile erzielt werden können.
Die Erfindung besteht nun im wesentlichen darin, dass bei einer mittelbar beheizten Vorratskathode der eingangs beschriebenen Art der aus nichtporösen, hochschmelzenden Metallgliedern bestehende, mehrschichtige Migrationskörper eine Gesamtwandstärke von höchstens 50 Mikron besitzt und dass die Dicke des zur Aufnahme des Vorratsstoffes zur Verfügung stehenden Raumes zwischen der Oberfläche des Kathodenkörpers und der Innenseite des Migrationskörpers eine praktisch konstante Stärke derselben Grö- ssenordnung wie die Wandstärke des Migrationskörpers aufweist. Hiebei soll unter dem Ausdruck"dersel- ben Grössenordnung" eine Dicke des Vorratsstoffraumes verstanden werden, welche ungefähr das 0, 5fache bis ungefähr das 2fache der Wandstärke des Migrationskörpers aufweist.
Durch die erfindungsgemässe Bemessung der Gesamtwandstärke des mehrschichtigen Migrationskörpers bzw. durch das Verhältnis der Gesamtwandstärke zur Dicke des den Vorratsstoff aufnehmenden Raumes werden vor allem zwei wesentliche Vorteile erreicht, u. zw. erstens ein geringes Wärmegefälle im Migrationskörper und zweitens kurze Wanderungsstrecken für das aktive Material.
Wenn nämlich die Gesamtwandstärke des Migrationskörpers im Sinne der Erfindung höchstens 50 Mikron beträgt, zweckmässig im Bereich zwischen etwa 20 und 50 Mikron liegt, wird erreicht, dass die emittierende Oberfläche der Kathode sehr nahe dem Vorratsstoff liegt und demzufolge die Wanderungsstrecken kurz sind. Die Betriebstemperaturen des Vorratsstoffes und der Kathodenoberfläche sind dann praktisch gleich. wodurch stets eine entsprechende Tension des aktiven Materials sowohl an der Katho- denoberfläche wie im Vorratsraum und stets ausreichende Versorgung der Kathodenoberfläche mit aktivem Material gesichert wird.
Insbesondere die Sicherung kurzer Wanderungsstrecken ist für die Erzielung einer gleichmässigen Emission und langer Lebensdauer der Kathode von ausserordentlicher Bedeutung, da es sich aus Untersuchungen der Patentinhaberin ergeben hat, dass durch Sicherung kurzer Wanderungsstrecken erreicht werden kann, dass die Kathode selbst bei hohen Betriebstemperaturen und Strombelastungen von 200 bis 250 Alpe2 an ihrer gesamten Oberfläche und nicht nur an einzelnen Punkten emittiert. Der Grund dieser Erscheinung ist, dass bei langen Wanderungsstrecken das aktive Material bei hoher
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Belastung verbraucht wird, bevor es sämtliche Punkte der Kathodenoberfläche erreichen kann.
Bei ansonsten gleichen Verhältnissen ist nämlich die Wanderungsgeschwindigkeit hauptsächlich von der Temperatur abhängig und die einzelnen Teilchen des aktiven Materials durchwandern daher bei gleichen Temperaturen gleich lange Strecken. Sind nun z, B. die den Migrationskörper bildenden Drähte dünn genug, so langen diese Wanderungsstrecken dazu aus, dass die von beiden Seiten des Drahtquerschnittes wandernden Teilchen sich am Gipfelpunkt des Querschnittes treffen und die ganze Kathodenoberfläche bedecken, wodurch dieselbe gleichmässig emittiert.
Sind hingegen die Drähte dick, so reichen die Wanderungsstrecken hiezu nicht aus, die Gipfelpunkte der Drahtquerschnitte bleiben unbedeckt und die Emission zerfällt auf diejenigen Teile der Kathodenoberfläche, die noch mit aktivem Material bedeckt sind. Ähnliches trifft auch bei Plankathoden zu, wobei im Falle langer Wanderungsstrecken bei diesen nur die in unmittelbarer Umgebung der Migrationsöffnungen befindlichen Punkte der Kathodenoberfläche emittieren.
Als weitere Vorteile werden bei den in erfindungsgemässer Weise ausgebildeten Kathoden ein mässiger Heizstromverbrauch und weitgehende Unempfindlichkeit gegen starke stossweise Überbelastungen sowie gegen Beschädigungen durch Funken, welche insbesondere bei Impulskathoden auftreten können, erzielt. Ferner treten auch die bei den üblichen mittelbar beheizten Oxydkathoden im Laufe der Benützung derselben entstehenden halbleitenden Zwischenschichten ("interface layers") nicht auf. Schliesslich wird durch den Einbau der erfindungsgemässen Kathode in Radioempfangsröhren eine Befreiung dieser Röhren von den in der Industrie kurz als"Flikker"bezeichneten Störgeräuschen erzielt, wobei auch der allgemeine Rauschpegel solcher Elektronenröhren erniedrigt wird.
Es sind nun zwar bereits mittelbar beheizte Vorratskathoden bekannt, bei welchen ebenfalls der Vorratsstoff zwischen einem einen Heizkörper umgebenden Kathodenkörper und einem den Vorratsstoff bedeckenden Mantel angeordnet ist. Gemäss einer bekannten Konstruktion besteht dieser Mantel aus zwei Schichten eines gelochten Bleches und mindestens zwei Schichten von je 50 Mikron Stärke.
Bei einer andern Konstruktion ist der Vorratsstoff von einer oder mehreren Lagen eines 30 Mikron starken Wolframdrahtes bedeckt. Es hat sich erwiesen, dass durch diese bekannten Konstruktionen die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile nicht erreicht werden können, da eine derartige Bemessung der Gesamtwandstärke des den Vorratsstoff bedeckenden mehrschichtigen Mantels keine genügend kurze Wanderungspfade und somit keine gleichmässige Emission über die gesamte emittierende Oberfläche der Kathode ergibt.
Bei einer Ausbildung des den Vorratsstoff bedeckenden Mantels durch eine einzige Schicht des 30 Mikron starken Wolframdrahtes im Sinne der bekannten Konstruktion liegt aber wieder kein mehrschichtiger Migrationskörper vor und es hat sich erwiesen, dass lediglich einschichtige Migrationskörper, insbesondere wenn sie von einer Schicht gewickelten Drahtes gebildet sind, an ihrer äussersten Oberfläche, welche die molekulare Schicht des elektronenemissionsfähigen aktiven Materiales tragen, mangels besonderer Massnahmen keine genügend gleichmässige Temperaturverteilung aufweisen, um die gleichmässige Emission im Sinne der Erfindung erzielen zu können.
Abgesehen davon beträgt bei diesen bekannten Konstruktionen auch die Dicke des den Vorratsstoff aufnehmenden Raumes weit mehr als dans 2flache der Stärke der den Vorratsstoff bedeckenden Schicht, was sich ebenfalls auf die Emissionsbedingungen insbesondere auf die Lebensdauer der Kathode ungünstig auswirkt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung trägt der Kathodenkörper den Vorratsstoff in der Gestalt einer Schicht praktisch gleichmässiger Wandstärke. Dies ergibt die günstigsten Emissionsbedingungen und Lebensdauerverhältnisse. Hiebei kann der Vorratsstoff in verschiedener Weise am Kathodenkörper angeordnet sein. Bei einem zylindrischen Kathodenkörper kann beispielsweise die Anordnung so getroffen sein, dass der Kathodenkörper an beiden Enden erweitert ist und den Überzug an Vorratsstoff nur an seinem Mittelteil geringeren Aussendurchmessers trägt.
Eine vorteilhafte Konstruktion ergibt sich jedoch auch dann, wenn im Rahmen der Erfindung ein Ende des Kathodenkörpers durch eine zwischen dem Vorratsstoff und dem Heizkörper befindliche Wand abgeschlossen ist, und diese Wand den Boden einer den Vorratsstoff enthaltenden Vertiefung bildet, die durch den Migrationskörper ebener Oberfläche verdeckt ist. Beide Konstruktionen sind leicht herstellbar und bilden sichere Aufnahmen für den Vorratsstoff.
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ergeben sich, wenn im Rahmen der Erfindung die wannenförmige Vertiefung des Kathodenkörpers von einem aus mindestens zwei durchbrochenen Metallfolien bestehenden Migrationskörper bedeckt ist, dessen Metallfolien entweder am oberen Rand des Kathodenkörpers, oder am konischen Wandteil der den Vorratsstoff enthaltenden Vertiefung befestigt und derart angeordnet sind, dass sich ihre Durchbrechungen nicht überdecken.
Es kann jedoch auch im Rahmen der Erfindung die Anordnung so getroffen sein, dass
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der Migrationskörper aus Metalldrahtwendeln besteht, die derart eng gewunden sind, dass sich ihre benachbarten Gänge berühren und derart übereinander angeordnet sind, dass die zwischen den einander berührenden Gängen der einzelnen Wendeln bestehenden Oberflächenwanderungspfade der unteren Wendel durch die Gänge der auf diese untere Wendel überlagerten Wendel verdeckt werden, wobei die einzelnen Gänge der überlagerten Wendel je zwei Gänge der unteren Wendel berühren.
Durch beide Konstruktionen wird die Bildung von freien Durchgangskanälen zwischen Vorratsstoff und Kathodenoberfläche vermieden, und das Durchdringen des aktiven Materials nur durch entlang den miteinander in Berührung stehenden Oberflächen der Folien und den Wandflächen ihrer Durchbrechungen bzw. zwischen den einzelnen Wendelgängen gestattet. Die Metallfolien können entweder flach oder zu Körpern entsprechender Form, vorteilhaft Röhrenform, geformt sein, je nach Form und Beschaffenheit des Kathodenkörpers.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemässen Kathode schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Kathode, teilweise im Längsschnitt und teilweise in Seitenansicht. Die Fig. 2 und 3 zeigen je eine weitere Ausführungsform der Kathode in derselben Darstellungsweise, und Fig. 4 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, auf eine andere, vorzugsweise für Kathodenstrahlröhren bestimmte Ausführungsform der Kathode. In allen Figuren ist der Deutlichkeit halber die Stärke des Migrationskörpers etwas übertrieben dargestellt.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorratskathode ist um den röhrenförmigen metallischen Kathodenkörper 11 aufgebaut, der durch den üblichen Heizkörper 12 beheizt wird, welcher aus einer mit einem entsprechenden Isoliermantel aus z. B. Aluminiumoxyd versehenen Wolframdrahtwendel besteht. Der Kathodenkörper 11 kann aus Nickel oder aus der zur Herstellung der Kathodenkörper von Oxydkathoden üblicherweise benützten Nickellegierung, oder auch aus Wolfram, Molybdän, Eisen oder einem andern entsprechenden Metall oder einer entsprechenden Metallegierung bestehen. Der Vorratsstoff ist am Kathodenkörper 11 als zylindrischer Überzug 13 praktisch konstanter Wandstärke angebracht. Dieser Vorratsstoff kann aus einer beliebigen geeigneten Verbindung oder Legierung von Erdalkalimetallen, z.
B. aus Bariumoxyd, oder einem Gemisch vonBariumoxyd, Strontiumoxyd und Calciumoxyd bestehen. Der mit dem Über- zug13in BerUhrung stehende Migrationskörper besteht aus einer innert. nDrahtwende114' und einer äusseren Drahtwendel 14. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, liegen die benachbarten Gänge dieser beiden Wendeln eng aneinander ;
die Gänge der Wendel 14 berühren stets je zwei Gänge der Wendel 14'. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Wandstärke des aus diesen beiden Wendeln zusammengesetzten Migrationskörpers geringer als die Summe der Durchmesser der vorteilhaft gleich starken, diese beiden Wendeln bildenden Drähte ist, und dass durch etwaige Herstellungsfehler verursachte Zwischenräume zwischen den miteinander benachbarten Gängen der Wendel 14'durch die überlagerten Gänge der Wendel 14 verdeckt werden. Demzufolge ist der Vorratsstoff 13 auch gegen elektrische Entladungen geschützt, da an beiden Enden des Kathodenkörpers einige Gänge der die Wendeln bildenden Drähte unmittelbar auf den Kathodenkörper aufgewickelt sind. Diese Gänge sind am linken Ende des Kathodenkörpers mit 18 bezeichnet.
Der Vorratsstoff 13 ist demzufolge vollständig abgeschlossen. Die durch die äussere freie Oberfläche 15 der Wendel 14 gebildete emittierende Oberfläche der Kathode kann nur durch Oberflächenwanderung erreicht werden, die entlang der Oberflächen der diese Wendeln bildenden Drähte erfolgt. Durch die unmittelbare Berührung der die Wendeln bildenden Drähte mit dem Kathodenkörper wird dauernd ein guter elektrischer Kontakt und ein guter Wärmeübergang zwischen Kathodenkörper und Wendeln gesichert. Die emittierende Oberfläche 15 der Kathode besteht aus einer äusserst dünnen Schicht des aktiven Materials, deren Stärke monoatomisch bis molekular sein kann.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Kathode ist der röhrenförmige Kathodenkörper 11 an beiden Enden erweitert. Der Übergang zwischen dem mittleren zylindrischen Teil 11b kleineren Durchmessers und den ebenfalls zylindrischen Enden grösseren Durchmessers wird durch konische Teile lla gebildet. Der Vorratsstoff befindet sich als zylindrische Schicht 13 nur am mittleren Teil llb des Kathodenkörpers und wird durch die innere Wendel 14'bedeckt, welche, ebenso wie die äussere Wendel 14, mit ihren Enden auf dem konischen Teil lla des Kathodenkörpers aufliegt.
Die gegenseitige Anordnung dieser Wendeln ist dieselbe wie bei der Kathode gemäss Fig. 1 und es können hier, ebenso wie bei der Kathode gemäss Fig. l, an Stelle der zwei Wendeln 14'und 14 auch drei übereinander in ähnlicher Weise angeordnete Wendeln verwendet werden. Diese Wendeln können auch aus solchen Drähten bestehen, deren Querschnitt nicht kreisförmig, sondern oval, rechteckig, oder bandförmig ist. Falls die Wendeln aus Metallbändern bestehen, berühren sich die miteinander benachbarten Gänge dieser Wendeln mit den
Schmalseiten der Bandquerschnitte.
Die die Wendeln bildenden Drähte oder Bänder können aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob oder
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Nickel bestehen, wobei ihre Enden am Kathodenkörper durch Schweissen befestigt sein können. Die Wandstärke des Vorratsstoffüberzuges 13 ist bei Kathoden mit röhrenförmigem Kathodenkörper etwa der Gesamtwandstärke des durch die beiden Wendeln. gebildeten Migrationskörpers gleich, kann aber auch grösser sein, falls man zwecks Sicherung einer besonders langen Lebensdauer der Kathode für grössere Mengen des Vorratsstoffes zu sorgen hat. Die Wandstärke des Vorratsstoffraumes 13 soll jedoch nicht mehr als das 2fache und nicht weniger als das etwa 0. 5fache der Gesamtwandstärke des Migrationskörpers betragen.
Der Durchmesser der die Wendeln 14'und 14 bildenden Drähte beträgt vorteilhaft etwa 10 - 25 Mikron. Zwecks Vergrösserung der Migrationsflächen ist es meistens vorteilhaft, möglichst dünne Drähte von etwa 10 Mikron Durchmesser zu verwenden. In einigen Fällen, wie z. B. bei Impulskathoden, besteht aber die Gefahr. dass so feine Drähte durch Funkenbildung durchbrennen können. In solchen Fällen verwendet man daher vorteilhaft Drähte von etwa 20 bis 25 Mikron Durchmesser.
Die Untersuchungen der Patentinhaberin scheinen darauf hinzuweisen, dass die emittierende aktive Oberfläche 15 der neuen Kathoden höchstwahrscheinlich aus einer an der äusseren Oberfläche des Migrationskörpers gelagerten äusserst dünnen Erdalkalimetalloxydschicht und einer auf dieser ruhenden monomolekularen oder höchstens atomaren Schicht metallischen Erdalkalimetalls, meistens einer Bariumschicht, besteht. Da diese Schichten äusserst dünn sind, ist ihre Bindung an ihre Unterlage sehr fest, und demzufolge kann die aktive Oberfläche der Kathode auch starke Überbelastungen schadlos vertragen. Im Falle eines Verlustes an aktivem Material wird derselbe sehr bald dadurch wettgemacht, dass vom Vorratsstoff 13 frisches aktives Material auf die Oberfläche der Kathode wandert.
Infolge der gut wärmeleitenden Berührung zwischen dem Migrationskörper und dem Kathodenkörper sind nämlich die Betriebstemperaturen der Kathodenoberfläche 15 und der Schicht 13 praktisch gleich, wodurch praktisch gleiche Erd- a1kalimetalltensionen. üblicherweise Bariumtensionen, sowohl an der Kathodenoberfläche als auch in der Vorratsschicht gesichert sind. Da die Vorratsschicht 13 sowohl den Kathodenkörper als auch das innerste Glied des Migrationskörpers, z. B. die innere Wendel 14', unmittelbar berührt, können sich störende Halbleiter-Zwischenschichten ("interface layers") zwischen Vorratsstoff und Kathodenkörper oder Wendel nicht ausbilden und die durch solche Zwischenschichten bedingten bekannten Nachteile der mittelbar beheizten üblichen Oxydkathoden fallen demnach fort.
Es wurde ferner festgestellt. dass bei den mit diesen Kathoden versehenen Röhren das"Flikker-Geräusch"praktisch fehlt und dass der allgemeine Rauschpegel solcher Radio-Empfangsröhren auch sehr niedrig ist. Es konnte ferner festgestellt werden, dass bei diesen Kathoden die sonst bei Impulskathoden auftretenden störenden, vermutlich durch örtliche Metalldampfentwicklung eingeleiteten. Funkenentladungserscheinungen praktisch fast nie beobachtet werden können. Es scheint auch, dass, falls die aktive Oberfläche der neuen Kathoden durch impulsartige starke Überbelastungen leidet, nicht nur Erdalkalimetalle, also z. B. Barium selbst, sondern auch Erdalkalimetalloxyde, also z. B.
Bariumoxyd, vom Vorratsstoff zur Kathodenoberfläche wandern können, wodurch die Kathode ihre volle Emissionsfähigkeit sehr rasch wiedergewinnt. Dies ist wahrscheinlich dem Umstand zuzuschreiben, dass infolge der Konstruktion und der Betriebstemperatur der Kathode keine wahrnehmbare Verdampfung des aktivierenden Materials vom Vorratsstoff stattfindet, im Gegensatz zu den diesbezüglichen Ausführungen der franz. Patentschrift Nr. 907.226. Bei der erfindungsgemässen Kathode wandert das aktive Material ausschliesslich auf den an den Oberflächen der Glieder des Migrationskörpers vorhandenen, für diesen Zweck geeigneten, Wanderungspfaden, und ist an diese Oberflächen gebunden. Das aktive Material scheint sich demnach ähnlich zu verhalten, wie. sich zweidimensionale Gase verhalten würden. Infolge der besonderen.
Art der Versorgung der Kathodenoberfläche mit aktivem Material schlägt die Patentinhaberin vor, diese neue Kathode als Abkürzung des Ausdrucks "Migrationskatho- de"kurz als"M-Kathode"zu bezeichnen. Diese, auch Migration genannte Wanderung des aktiven Materials hängt von verschiedenen Faktoren ab. Durch entsprechende Wahl derselben kann es immer erreicht werden, dass die Kathodenoberfläche stets in ausreichendem Masse mit aktivem Material versorgt und dadurch das nachteilige Abfallen der Emissionskurve A der Fig. 8. der USA-Patentschrift Nr. 2. 107. 945 vermieden wird.
Es muss aber betont werden, dass, obzwar die Patentinhaberin von der Richtigkeit der obigen, die Wirkungsweise der "M-Kathoden" zu erklären trachtende, Theorien überzeugt ist, die Erfindung keineswegs an die Richtigkeit oder Unrichtigkeit dieser Theorien gebunden ist. Es ist nämlich nicht ausgeschlossen, dass die vorteilhaften Eigenschaften dieser Kathoden auch anderswie erklärt werden können, doch sind dieselben beweisbare Tatsachen und können auf Grund einiger die optimalen Faktoren bestimmenden Vorversuche stets erreicht werden.
Bei der in Fig.. 3 dargestellten Ausführungsform der neuen Kathode ist der röhrenförmige Kathodenkörper 11 ähnlich wie der der in Fig. 2 dargestellten Kathode geformt. Der Durchmesser des mittleren Teils llb ist jedoch nur etwa um die doppelte Schichtstärke der Vorratsstoffschicht 13 kleiner als die
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Durchmesser liegt vorteilhaft zwischen 1 und 10 Mikron ; und die Gesamnvandstärke der Röhren 14a und 14b kann zwischen etwa 20 - 40 Mikron betragen. Die Anzahl der Durchbrechungen dieser Röhren ist viel grösser als in der Zeichnung dargestellt, und es können statt zwei Röhren auch drei übereinandergeschobene durchbrochene Röhren verwendet werden.
Statt denselben kann als Migrationskörper auch ein aus sehr feinen Metalldrähten bestehendes Drahtgeflecht oder Drahtgewebe ähnlicher Beschaffenheit, wie es in Fig. 3 der Zeichnung der USA-Patentschrift Nr. 2, 107, 945 dargestellt ist, verwendet werden. Wesentlich ist nur, dass auch dieser Migrationskörper keine freien Durchdringungskanäle für das aktive Material offen lässt, sondern das Durchdringen desselben nur durch Oberflächen wanderung an den Oberflächen der Drähte gestattet, u. zw. in solchem Ausmasse. dass stets eine hinreichende Versorgung der Kathodenoberfläche mit aktivem Material gesichert ist.
Hiezu muss auch die Gesamtwandstärke und Wärmeleitfähigkeit dieses Körpers entsprechenderweise gewählt und für eine gut wärmeleitende Verbindung sowohl der Glieder des Migrationskörpers untereinander, als auch mit dem Kathodenkörper gesorgt werden, um praktisch gleiche Temperaturen und demnach gleiche Tensionen des aktiven Materials an der Kathodenoberfläche und im Vorratsstoffraum zu sichern.
Die Kathodenkörper der in den Fig. 1 - 3 dargestellten Kathoden besitzen kreisringförmige Querschnitte, doch können auch röhrenförmige Kathodenkörper ovalen oder rechteckigen Querschnitts verwendet werden, je nachdem, wie das Elektrodensystem der Röhre beschaffen ist. Die Kathodenquerschnitte können auch entlang der Länge der Kathode zunehmen und/oder abnehmen, um Kathoden entsprechender Form, z. B. etwa elliptischer Rotationskörperform, zu erhalten. Es können auch flache Kathoden hergestellt werden.
Die in den Fig. 1 - 3 dargestellten Kathoden sind insbesondere für Radioempfangsröhren geeignet, in welche dieselben in genau derselben Weise montiert werden können, wie die bisher üblichen mittelbar beheizten Oxydkathoden, doch wird der Heizkörper der erfindungsgemässen Kathode vorteilhaft derart angeordnet, dass seine beiden Zuleitungen an demselben Ende des Kathodenkörpers aus demselben herausragen. Da der Kathodenkörper sehr genau hergestellt werden kann, ist es möglich, die Abmessungen der Kathoden innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen zu halten. Demzufolge können diese Kathoden auch in solchen Röhren Verwendung finden, in welchen der Abstand zwischen Kathode und Gitter nur etwa 30 - 40 Mikron beträgt, was im Falle der Verwendung von Vorratskathoden bisher bekannter Art unmöglich war.
Der Heizstromverbrauch der neuen Kathoden ist ebenfalls recht gering. Als Beispiel sei angeführt, dass für dieselbe Emission der Heizenergieverbrauch der "L-Kathoden" etwa 30 - 35 Watt beträgt, während die"M-Kathoden"etwa 15-16 Watt an Heizenergie verbrauchen. Es beträgt daher der Heizenergieverbrauch der "M-Kathoden" weniger als das Doppelte desjenigen bekannter guter Oxydkathoden, die für dieselbe Emission etwa 8 - 10 Watt an Heizenergie verbrauchen.
Die erfindungsgemässe Vorratskathode kann auch mit ebener emittierende Oberfläche hergestellt werden, wie dies bei Kathoden für Kathodenstrahlröhren, z. B. für Fernsehzwecke, üblich ist. Eine solche Kathode ist in Fig. 4 dargestellt und wird durch den Heizkörper 12 erhitzt, der aber, ebenso wie diejenigen der bereits beschriebenen Kathoden, auch anders beschaffen und vom Kathodenkörper auch anderswie isoliert sein kann. Der Kathodenkörper 11 ist an seinem Oberteil mit einer durch den ebenen Bodenteil llb und den konischen Seitenwandteill1a gebildeten Vertiefung versehen, in welcher sich der Vorratsstoff 13 befindet. Derselbe wird durch dünne Metallfolien 14b, 14a bedeckt, die mit Durchbrechungen 16 bzw. 17 versehen sind. Diese Folien sind derart angeordnet, dass ihre Durchbrechungen sich nicht überdecken.
Wandstärke der Folien und Durchmesser ihrer Durchbrechungen können derselben Grö - ssenordnung wie bei den Röhren 14a, 14b der Kathode gemäss Fig. 3 sein. Die Metallfolien 14a, 14b liegen an ihrem Umfang auf dem konischen Teil lla des Kathodenkörpers auf und sind an demselben angeschweisst. Diese beiden Metallfolien, statt deren auch drei übereinander angeordnete Metallfolien verwendet werden können, bilden zusammen den Migrationskörper, der das Durchdringen des aktiven Mate-
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rials durch Oberflächenwanderung in derselben Weise gestattet, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Der Kathodenkörper 11 kann auch derart beschaffen sein, dass die Folien 14a und 14b nur auf seinen oberen Rand aufliegende Deckel bilden, die ebenfalls am Kathodenkörper angeschweisst sind.
Der aktivierende Vorratsstoff der erfindungsgemässen Kathoden kann aus verschiedenen Stoffen oder Stoffgemischen bestehen. Im Falle der Kathoden gemäss den Fig. 1 und 2 ist insbesondere die Verwendung eines Gemisches aus Bariumoxyd, Strontiumoxyd und Calciumoxyd, vorzugsweise im molekularen Verhältnis von 2 : 1 : 2, vorteilhaft. Dieses Gemisch wird in Form eines Gemisches der entsprechenden Karbonate und eines entsprechenden Bindemittels, z. B. Nitrozellulose oder eines andern zellulosehältigen Bindemittels, als Schicht gleichmässiger Stärke auf den Kathodenkörper aufgetragen. Die Patentinhaberin hat festgestellt, dass die Metalldrahtwendel des Migrationskörpers auf eine solche Schicht ohne jegliche Schwierigkeiten oder Nachteile aufgewickelt werden kann, im Gegensatz zur diesbezüglichen Mitteilung der franz.
Patentschrift Nr. 907. 226. Die Zersetzung der Karbonate zu Oxyden kann in üblicher Weise durch entsprechende Erhitzung der Kathode erfolgen, während sich die Röhre auf der Pumpe befindet. Die Aktivierung der Kathode erfordert jedoch mehr Zeit als bei den üblichen Oxydkathoden, da zur Wanderung des aktiven Materials auf die Oberfläche der Kathode einige Zeit erforderlich ist. Hiedurch wird aber der Herstellungsvorgang der Röhren nicht verzögert, da. diese Aktivierung während der üblichen Alterung der bereits abgeschlossenen Röhren erfolgen kann, welche Alterung bekanntlich mindestens ein bis zwei Stunden dauert, während die Aktivierung der neuen Kathoden meistens innerhalb von 20 - 30 Minuten beendet ist.
Das aktive Material der derart aktivierten Kathoden ist an der Kathodenoberfläche in einer äusserst dünnen Schicht höchstens molekularer Stärke vorhanden, wie dies durch Messung der betreffenden Elektronenaustrittsarbeiten in üblicher Weise festgestellt werden kann.
Statt den obengenannten Vorratsstoffen können auch andere verwendet werden, z. B. die in der österr. Patentschrift Nr. 195497 der Patentinhaberin beschriebenen Verbindungen eines Erdalkalimetalles, vorzugsweise Bariums. mit Sauerstoff und einem der nachfolgenden Metalle : Beryllium, Titan, Stron- tium, Zirkon, Aluminium und seltene Erdmetalle, insbesondere Scandium, Yttrium und Lanthan. Die Reduktion des Vorratsstoffes kann durch ein Metall des den Vorratsstoff berührenden Metallkörpers, also des Kathodenkörpers oder des Migrationskörpers, und/oder durch ein dem Vorratsstoff zugemischtes Reduktionsmittel bewerkstelligt werden. Das Reduktionsmittel kann ein schwaches Reduktionsmittel, z. B.
Molybdän, sein, welches dem Bariumoxyd zugemischt ist, doch können auch starke Reduktionsmittel, wie z. B. Silizium mit entsprechenden Bariumverbindüngen oder mittelstarke Reduktionsmittel, wie z. B.
Aluminium, verwendet werden. Der Vorratsstoff kann demnach einer derselben sein, die in der österr.
Patentschrift Nr. 185472 der Patentinhaberin im Zusammenhang mit "L-Kathoden" beschrieben worden sind. Es können aber auch Bariumlegierungen, z. B. Barium-Aluminium-Legierungen oder BariumBeryllium-Legierungen, oder die Legierungen von Barium mit einem seltenen Erdmetall, wie z. B.
Scandium, Yttrium oder Lanthan, verwendet werden, oder die in der österr. Patentschrift Nr. 202602 der Patentinhaberin beschriebenen Legierungen. Die Einzelglieder des Migrationskörpers können auch aus Molybdän, Niob oder Nickel hergestellt und an ihren Oberflächen mit einem Überzug aus einem der Metalle der Platingruppe, insbesondere einem Platinüberzug, versehen werden, u. zw. in ähnlicher Art, wie es im Zusammenhang mit porösen Metallkörpern der österr. Patentschriften Nr. 182459 und Nr. 202602 der Patentinhaberin beschrieben ist.
Im vorliegenden Falle kann aber ein solcher Überzug nicht nur unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Metall des Migrationskörpers und dem Vorratsstoff verhindern, sondern auch eine Oberflächenwanderung des aktiven Materials in erhöhtem Ausmasse gestatten, da die Oberflächen der Metalle der Platingruppe in dieser Hinsicht besondere EigentUInlichkeitel1 aufweisen.
Durch entsprechende Wahl des Vorratsstoffes und/oder der die Einzelglieder des Migrationskörpers und/oder deren Überzüge bildenden Metalle nebst entsprechender Wahl der Betriebstemperaturen der verschiedenen Teile der neuen Kathode, z. B. zwischen 850 und 1150oC. vorteilhaft innerhalb etwa 900 und 950 C, ist es in der Praxis stets möglich, die obengenannten vorteilhaften Eigenschaften der Kathoden zu sichern, wozu meistens einige einfache Vorversuche genügen. Demzufolge können diese Kathoden auch für ganz besondere. Zwecke, z. B. als Impulskathoden, hergestellt und in sozusagen sämtlichen Entladungsröhren, ob nun Hochvakuumröhren oder andere Röhren benutzt werden, wodurch oft eine ganze erhebliche Verbesserung der mit den neuen Kathoden versehenen Röhren möglich ist.
Es sei noch betont, dass infolge des grundlegenden Charakters der vorliegenden Erfindung dieselbe keineswegs auf die oben beispielsweise beschriebenen Ausführungsformen derselben beschränkt ist, da die neuen Kathoden in sehr verschiedenen Ausführungsformen hergestellt und den jeweiligen Erfordernissen hiedurch weitgehend angepasst werden können.