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Verfahren zum Aufbau von Elektronenröhren
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Elektronenröhren einfacher, robuster Konstruktion, grösster
Masshaltigkeit des Aufbaues und verbesserter Wirksamkeit.
In den komplexen Gebilden, als welche Elektronenröhren herkömmlicher Art aufzufassen sind, kommt es leicht zu unerwünschten mechanischen Spannungszuständen, die auf Herstellungsmassnahmen zurückgehen. Solche mechanische Beanspruchungen trachten, die den aktiven Röhrenteilen anfäng- lich erteilten Relativlagen zu verändern, wodurch die Röhrencharakteristiken bis zur Unbrauchbarkeit der
Röhre verändert werden können. Beispiele für solche Spannungen liefern die Durchführungsleiter die um bestimmte Elektroden zu halten, gebogen werden, Verbindungselemente, die, ebenfalls gebogen, zur ge- eigneten Abstandhaltung von Röhrenelementen dienen und die Verbindung von Röhrenteilen durch Schwei- ssen.
Ein anderes Problem, das sich aus der gebräuchlichen Art der Herstellung von Elektronenröhren her- leitet, besteht in der Beschränkung der für manche Röhrenteile möglichen Stoffauswahl. Beispielsweise werden in weitem Masse für die Abstandhaltung und Lagefixierung Glimmerplättchen verwendet. Glim- mergebilde sind jedoch vergleichsweise von geringer Festigkeit und können sich für die Durchführung kritischer Distanzierungsaufgaben als unbrauchbar erweisen. Glimmer ist ferner wegen seiner Neigung sich zu spalten und wegen seines Wassergehaltes zu beanstanden. Ein Teil dieses Wassers wird während der Wärmebehandlung der Röhre, ein anderer Teil während ihres Betriebes freigesetzt. Diese Freisetzung ist der emittierenden Beschichtung der Kathoden von Empfängerröhren schädlich.
Auch ein anderes wasserhältiges Material, nämlich Glas, wird in solchen Röhren ganz allgemein in Form von Haltern und Ge- fässen verwendet.
Die Verwendung von Glimmer und Glas in Empfängerröhren beschränkt die Wärmebehandlungs- und Fabrikationstemperatur, indem das für Halterungen und Gefässe meistverwendete Glas bei 400-4500 C erweicht und Glimmer bei ungefähr 6000 C Wasserdampf abgibt. Daher schliesst die Verwendung von Glas und Glimmer in Röhren die Anwendung von Bearbeitungstemperaturen aus, die höher als die eben angegebenen sind. Die Verwendung höherer Temperaturen wäre jedoch wünschenswert, indem dadurch die Erzeugungsgeschwindigkeit vergrössert werden könnte und auch die Qualität der fertigen Röhre verbessert wäre, indem die Metallteile dann nahezu frei von okkludierten Gasen wären.
Die Abwesenheit solcher Gase würde die Verwendung von Gittern zu vermindern oder sogar gänzlich zu erübrigen erlauben, ohne dass sich dies auf die Lebensdauer der Röhre ungünstig auswirken würde. Ausserdem würde die Fähigkeit solch hohen Temperaturen zu widerstehen, auch höhere Betriebstemperaturen erlauben.
Ein weiteres mit der Herstellung von Empfängerröhren verbundenes Problem hängt mit der herkömm- lichen Herstellungstechnik zusammen. Die herkömmlichen Röhren erfordern mehrere Montageunterein- heiten, um daraus einen Röhrenaufbau zusammenzusetzen. Solche Untereinheiten umfassen mindestens einen Halter und einen Elektrodenkäfig. Jede dieser Untereinheiten wird an einem andern Ort hergestellt und erfordert eine bestimmte Art von Hilfsmitteln. So wird ein Halter oder ein Gestellfuss in einer Füsschenmaschine hergestellt, mit der es möglich ist, Glas zu erhitzen und zu verformen und Durchführungsdrähte in einer bestimmten räumlichen Beziehung zum Glas anzubringen, um einen Montageteil herzustellen, der z. B. aus einem Glasplättchen mit sich durch dieses erstreckenden Leitungsdurchführungen besteht.
Die Durchführungen müssen zu einer bestimmten Form gebogen werden, die für eine sehr grosse Zahl verschiedenster Röhren immer anders ist. Elektrodenkäfige werden entweder
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Tellers in den Mantelrand des Teiles 12 erlaubt. Der Metallüberzug kann aus Molybdän bestehen. Der
Teller 14 weist ferner eine Anzahl von Durchbrechungen auf. Die diese Durchbrechungen bestimmenden
Wandungen sind mit einem Metallüberzug 18, z. B. aus Molybdän bestehend, versehen. Eine Mehrzahl gerader Drähte, umfassend Zuführungsdrähte 20,22, 24,26 und 28 und Tragdrähte 30,32, 34, 36, 38 und 40, die aus einem feuerfesten Material, z. B. Molybdän bestehen, haben einen Durchmesser, der ih- nen einen freien aber passenden Eintritt in die Durchbrechungen des Tellers 14 ermöglicht.
Die koaxial und ineinander angeordneten Elektroden umfassen eine rohrförmige Kathodentraghülse 42, die aus einem
Metall bestehen kann, das im Handel unter der Bezeichnung "Nichrome" erhältlich ist, ein rohrförmiges
Gitter 44 und eine rohrförmige Anode 46 aus Metall, z. B. Nickel. Diese Elektrodenelemente können an
Kragen oder Flanschen 48,50 bzw. 52 befestigt werden, die z. B. aus Stahl bestehen mögen. Die Durch- messer der Elektrodenelemente sind so bemessen, dass sie passend in die Rohrteile oder Absetzungen 54,
56,58 der genannten Flanschen eintreten können und gegen die nach einwärts weisenden Anschläge 60,
62,64 stossen. Die Flanschen 48,50 und 52 wirken mit Drahtdurchführungen 20-28 und Tragteilen 30-40 zusammen, letzteres in ringnutenförmigen Teilen, die eine Auftragung 68,70 und 72 eines geeigneten
Lötmittels besitzen.
Ein rohrförmiger, an einem Ende geschlossener Kathodenteil 74 trägt eine emittie- rende Beschichtung 76. Dieser Kathodenteil hat die Form eines Bechers mit einem solchen Innendurch- messer, dass sich ein passender Sitz auf dem Kathodentragteil erzielen lässt. In Verbindung mit der Trag- hülse 44 bildet er die Kathode der Röhre. Ein Heizdraht 77, der doppelt gewendelt sein möge, ist so beschaffen, dass er in die aus Teil 74 und Hülse 42 bestehende Einheit eingesetzt werden kann, um die letz- tere auf Emissionstemperatur zu erhitzen.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Durchbrechungen des Tellers 14 im Falle einer Triode in vier konzentrischen Kreisen 78,80, 82 und 84 angeordnet, und es sind in jedem dieser Kreise drei Öffnungen in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Die Öffnungen sind in benachbarten Kreisen jeweils um 600 gegeneinander versetzt, um zwischen ihnen den grösstmöglichen Abstand zu sichern.
Gemäss dieser Anordnung umfasst der innerste Kreis 84 drei Öffnungen 86,88, 90, die im Winkelab- stand von 1200 angeordnet sind. Der nächstbenachbarte Kreis 82 enthält drei Durchbrechungen 92,94 und 96, die untereinander einen Winkelabstand von 1200 und hinsichtlich der Durchbrechungen 86,90 einen solchen von 600 einhalten. Der dritte Kreis 80 enthält Durchbrechungen 98, 100, 102, die wieder gegenseitig um 1200 und hinsichtlich der Durchbrechungen 92, 94 und 96 um 600 versetzt sind. Auchdie Durchbrechungen 104, 106, 108 im äussersten Kreis 78 sind gegenseitig um 1200 und hinsichtlich der Durchbrechungen 98,100 und 102 um 600 versetzt.
Die sich durch die verschiedenen Durchbrechungen erstreckenden Zuführungs- und Stützdrähte sind demnach befähigt, eine Mehrzahl von Dreifusssystemen zu bilden, die sich durch günstige Starrheit und verminderte Kapazität auszeichnen.
Wie schon vorhin erwähnt, tragen die Flanschen 48,50 und 52 eine metallische Beschichtung 68, 70 und 72, die aus Kupfer oder einem andern geeigneten Hartlötmetall bestehen kann. Die Durchführungs-und Tragdrähte sind ebenfalls mit einem geeigneten Metall wie Kupfer beschichtet, um die Verschweissung zu ermöglichen. Diese Schichten können durch Elektroplattierung aufgetragen werden.
Die Metallbeschichtung des keramischen Tellers kann im Wege irgendeines bekannten Meiallisierungsverfahrens erzeugt werden. In diesem Beispiel ist jedoch an die Verwendung einer Lösungsmetallisierung gedacht, wozu von löslichen Molybdänsalzen ausgegangen wird, um eine metallische Beschichtung auf allen exponierten Oberflächen des Tellers zu erzeugen. Nach Reduktion des Molybdänsalzea. wird ein Schleifprozess angewendet, um die Metallschichte von den ebenen Flächen des Tellers zu entfernen.
Nach diesem Schleifvorgang trägt der Teller 14 eine Metallschichte 16, 18 lediglich an bevorzugten Oberflächenbereichen, nämlich auf den Wandungen der Durchbrechungen und auf der Peripherie.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nur einige der in Fig. 1 gezeigten Drähte, nämlich die
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Röhre in Verbindung zu stehen, sondern auch um sich vom Teller 14 nach aussen zu erstrecken und als Anschlussstifte zu dienen. Demnach erstrecken sich die Zuführungsdrähte 20,22, 24,26 und 28, e Fig. 2 zeigt, durch die Öffnungen 106,98, 94,86 bzw. 88. Die Zuführungsdrähte 20, 22 und 24 stehen mit Kragen 52,50 bzw. 48 in Verbindung, die mit den drei Röhrenelektroden verbunden sind, wogegen sich die Zuführungsdrähte 26 und 28 nur wenig über den Teller erstrecken, damit sie mit den freien Enden der Heizwicklung 110 und 111 verbunden werden. Die inneren Enden der Zuführungsdrähte 26,28 mögen einen Metallüberzug, z.
B. aus Kupfer, tragen, damit an diesen die Heizfadenenden angeschlossen werden können.
Die andern in Fig. 1 gezeigten Drähte, nämlich 30,32, 34,36, 38 und 40, haben eine Länge die
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ausreicht, um sie in Berührung mit den Flanschen 48,50 und 52 zu bringen und um nur teilweise in den
Teller 14 zu reichen. So ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass der Draht 34 nur zum Teil den Teller durchsetzt.
Anders als der Draht 28 erstreckt er sich (ausserhalb der Röhre) nicht nach aufwärts, um so als Zuführung- elektrode zu dienen. Die nicht verwendeten Durchbrechungen 92,96, 100,102, 104 und 108 (Fig. 3) von denen eine in Fig. 4 gezeichnet ist, können mit einem z. B. aus Kupfer bestehenden Metallkörper 113 gefüllt werden. Die Öffnung 90 des innersten Kreises, in die kein Zuführungsdraht reicht, kann ebenfalls mit einem Metallbolzen ausgefüllt werden, wie z. B. aus Kupfer, um einen hermetischen Verschluss die- ser Öffnung zu erzielen.
Obgleich die Öffnung 90 nutzlos ist, wenn einmal die geeigneten Durchbre- chungen im. innersten Kreis gewählt wurden, welche die Heizleiter 110 und 111 aufnehmen sollen, so ist sie zur Orientierung des Tellers hinsichtlich dieser Heizfadenanschlüsse dann von Nutzen, wenn es sich um eine mechanisierte Montage handelt.
Nach einer andern Vorgangsweise sind die Zuführungsdrähte und die Stützdrähte vorerst gleich lang und werden nach Fergigstellung der Röhre auf die gewünschte Länge zugeschnitten.
Die vorhin genannten metallischen Überzüge sind nicht nur auf den Absetzungen 54,56, 58 der Kra- gen vorgesehen, sondern umfassen auch innere metallische Überzüge 115,117 und 119 (Fig. 1), um die genannten Flanschenteile mit der Kathodenhülse 42, dem Gitter 44 und der Anode 46 auf eine noch zu beschreibende Weise zu verschweissen.
Es ist ersichtlich, dass die Flanschen 48,50 und 52 sich nach aussen erstreckende Tragteile für ihre
Elektrodenelemente vorstellen. Demnach besitzt jedes Elektrodenelement an seinem einen Ende einen sich erweiternden Tragteil, durch welchen es, wie dies im folgenden noch deutlicher erklärt wird, mit ihrer Gruppe von drei Drähten verschweisst wird. Jede Dreiergruppe von Drähten stellt einen Dreifuss vor, durch den jeder Tragteil und das zugeordnete Elektrodenelement von dem Teller gestützt und getragen wird. Es ist auch ersichtlich, dass die Drähte, die mit dem einen Tragteil zu verbinden sind (z. B. dem
Gittertragteil oder Gitterflansch 50) weiter voneinander entfernt sind als die Drähte, die mit einem an- dern Tragteil (z. B. dem Tragteil 48 der Kathodenhülse 42) verbunden sind.
Die Drähte, die am weitesten voneinander entfernt sind, sind jene, welche den Tragteil tragen, der in der grössten Entfernung vom isolierenden Teller 14 angeordnet ist.
Die Metallhülse12 ist mit einer nach aussen gezogenen Erweiterung 116 versehen (Fig. 1 und 7), auf welche Weise man einen ringförmigen Anschlag 118 erhält, gegen welchen sich der Teller 14 anlegt, um so das Ausmass, um welches der Teller in die Hülse eindringen kann, festzulegen. Um die Hülse 12 mit der am Umfang des Tellers 14 vorhandenen Metallisierung 16 hermetisch zu verbinden, verwendet man einen Ring 120 aus Lötmetall, vgl. Fig.. 6.
Im folgenden wird, als Beispiel für die Ausübung der Erfindung, eine bevorzugte Art des Zusammensetzens und Vorbehandelns der Röhrenteile beschrieben. Gemäss diesem Beispiel umfasst das Verfahren drei Gruppen von Verfahrensschritten.
Die erste Gruppe von Schritten umfasst die Vereinigung gewisser aus Fig. 1 ersichtlicher Teile in einer geeigneten Arbeitsvorrichtung, wie dies Fig. 2 zeigt, die zweite Gruppe besteht in einer Erhitzung der Vorrichtung und der darin enthaltenen Teile zwecks Verschwassung zu einem spannungsfreien, selbsttragenden Gebilde mit anschliessendem Hinzufügen eines weiteren Teiles zu diesem, und die dritte Gruppe besteht darin, dass zu dem geschweissten Gebilde ein weiterer Teil hinzugefügt wird, sowie im Erhitzen des so resultierenden Gebildes unter Vakuum auf eine Temperatur, die niedriger ist als die der ersten Erhitzung, um so die zusätzlichen Teile mit dem selbsttragenden Gebilde zu verbinden und um okkludierte Gase auszutreiben.
Zur Durchführung der ersten Gruppe von Herstellungsschritten bedient man sich einer Montagevorrichtung 121, die aus Metall nach Ar. des "Nichromes" oder aus einem keramischen Baustoff wie Zirkon-oder Aluminiumoxyd besteht. Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, umfasst diese Vorrichtung eine zylindrische Wandung mit an einem Ende derselben vorgesehenen Bodenteil 124. Um die Wärme- übertragung zu erleichtern, können Teile der Wandung weggeschnitten sein. Im Bereiche des freien Endes ist die Wand 122 vergleichsweise dünn, um eine Ringschulter 125 zu bilden. Vom Bodenteil 124 erheben sich zwei konzentrische, relativ dünnwandige, zylindrische Körper 126,128, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um zwischen sich das zylindrische Gitter 44 und die zylindrische Anode 46 im gegenseitigen Abstand aufzunehmen, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Der äussere Zylinder 126 hat eine Länge, die etwas geringer als die der zylindrischen Anode 46 ist und einen solchen Innendurchmesser, dass die Anode 46 gut passend aufgenommen werden kann. Der Innenzylinder 128 weist eine Länge auf, die der Länge des Aussenzylinders 126 entspricht und einen Aussendurchmesser, um das Gitter 44 passend aufnehmen zu können. Des weiteren hat der Innenzylinder einen Innendurchmesser, um
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eingesetzt werden und kann eine Länge haben, welche der Dicke des Tellers 14 gleich ist.
Die sich so ergebende lose Zusammenstellung von Einzelteilen stellt ein System von Flanschen vor, in welchem die Flanschen sowohl in der Quer-oder Radialrichtung, als auch in der Längsrichtung der Vor- richtung 121 abgestuft sind. Dies ist nicht nur hinsichtlich der Montage, wie eben beschrieben, von Vor- teil, sondern auch insoferne, als man ein Gebilde erhält, in welchem kapazitive Beeinflussungen zwi- schen den Zuführungen vermindert sind. Des weiteren steht jedes Element mit einem andern über eine
Metallschichte in Verbindung, mit der es möglich ist, diese Elemente untereinander zu einem festem
Gebilde zu verbinden, nachdem die zweite zu beschreibende Gruppe von Verfahrensschritten vollendet ist. Die lose zusammengesetzten Teile sind frei von Spannungen und daher selbst spannungsfrei.
Die zweite Gruppe von Verfahrensschritten umfasst die Erhitzung der Vorrichtung 121 und der in ihr gemäss Fig. 2 untergebrachten Teile, in einer reduzierenden Atmosphäre, wie z. B. Wasserstoff. Der er- ste Schritt der zweiten Gruppe von Schritten besteht in einer Erhitzung der Vorrichtung und ihrer Teile in einem Wasserstoffofen, in dem eine Temperatur von zirka 11300 C herrscht. Gemäss einer beispielswei- sen Vorgangsweise wurden die Teile während der ersten Minute der Erhitzung auf Ofentemperatur ge- bracht. Nachdem die Teile diese Temperatur angenommen hatten, wurden sie über einen Zeitraum von mehreren Minuten im Ofen belassen. Der nächste Schritt besteht darin, die Vorrichtung und die darin be- findlichen Teile auf eine Temperatur von zirka 2500 C abzukühlen. Dieser Abkühlungsvorgang dauert ungefähr zwei Minuten.
Die in der Vorrichtung untergebrachten Teile sind nun durch die früher erwähn- ten Metallbeschichtungen miteinander verschweisst. Nach Entnahme aus dem Ofen erlaubt man der Vor- richtung und den Teilen eine Abkühlung auf Raumtemperatur ohne zusätzliche Kühlung. Während dieses zweiten Herstellungsvorganges werden die Teile in keiner Weise unter die Wirkung von Spannungen ge- bracht.
Das resultierende verschweisste Gebilde wird nunmehr aus der Vorrichtung entnommen und die Ka- thode 74 wird dicht passend über das freie Ende der Kathodentraghülse 42 geschoben, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Auf diese Weise nimmt nun die Kathode einen Teil jenes Raumes ein, der früher vom
Vorrichtungszylinder 128 eingenommen wurde und der als zeitweiliges Stützglied diente und der entfernt wird, indem das verschweisste Gebilde aus der Vorrichtung herausgenommen wird.
Die innere Oberfläche des Teiles 74 und die äussere Oberfläche der Kathodenhülse 42 sind hinrei- chend rauh, um eine Vielfachpunktberührung zu sichern, die zu einer innigen Verbindung durch Sintern führt, sobald die dritte Gruppe der Erzeugungsschritte angewendet wird, die nunmehr erläutert sei.
Die dritte Gruppe von Verfahrensmassnahmen schliesst die Verwendung einer Heiz- und Pumpvorrichtung ein, die in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Vorrichtung bildet eine evakuierte Kammer, z. B. in Form einer Glocke 140 aus keramischem Material oder einem hitzebeständigen Glas, die an eine (nicht dargestellte) Vakuumquelle dicht angeschlossen ist, indem sie auf einer hitzebeständigen Dichtung 142 anliegt, die auf einem mit Flansch versehenen, metallischen Leitungsteil 144, der mit der Vakuumquelle in Verbindung steht, ausgebildet ist. Innerhalb der Glocke ist eine metallische Muffel 146 mit nahe ihren Enden angeordneten Hitzeschirmen 148 und 150 untergebracht.
Innerhalb der Muffel 142 ist des weiteren ein Tragglied 152 vorgesehen, auf dem eine Röhrenzusammenstellung, bestehend aus dem Gefässteil 12. und dem Teller 14 mit dem in Fig. 5 dargestellten Gebilde, zwischen den Schirmen 148 und 150 untergebracht werden kann. Eine Hochfrequenzinduktionsspule 154, die mit einer (nicht gezeichneten) geeigneten, einstellbaren Energiequelle verbunden werden kann, ist zur Erhitzung der Muffel 146 vorgesehen. Die Muffel strahlt ihrerseits Hitze an die genannte Röhrenzusammenstellung ab.
Bei Durchführung der dritten Gruppe von Verfahrensschritten wird die Hülse 12 über den Tellerrand 14 geschoben, bis die Absetzung 118 (Fig. 1) der Hülle auf dem Teller aufliegt, nachdem zuvor ein Ring aus Lötmetall 120 so eingebracht wurde, dass er mit der Peripherie des Tellers in Berührung steht und auf dem HUlsenrand liegt, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Dieses Röhrengebilde wird sodann auf den Halter 152 gelegt und die Spule 154 eingeschaltet, um die Muffel 146 auf eine Temperatur zu bringen, die hoch genug ist, um mittels strahlender Hitze das Röhrengebilde auf ungefähr 8000 C zu erhitzen. Das Gebilde wird auf dieser Temperatur über eine Zeit von einigen Minuten belassen, um eine Entgasung der Metallteile der Zusammenstellung zu erreichen.
Während dieser Erhitzung ist die Vakuum quelle in Tätigkeit, um Gas aus der Glocke 140 und aus dem Inneren der Röhre, das durch die Hülle 12 und den Teller 14 umgrenzt ist, zu entfernen. Die Entfernung der Gase aus diesem Raum geschieht durch einen Ringspalt, der zwischen der nur lose zusammengesteckten Hülle und dem Teller mit Röhrenaufb'au besteht. Diese erwähnte Temperatur reicht nicht aus, um den
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