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Mittelbar beheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren
Bekanntlich bestehen die mittelbar beheizten Kathoden von Elektronenröhren aus einem mit dem aktiven Material versehenen, d. h. einen Überzug aus dem aktiven Material tragenden, oder mit dem akti- ven Material imprägnierten oder dieses Material in einer Vorratskammer enthaltenden Kathodenkörper und einem im Innenraum des Kathodenkörpers angeordneten, aus einem hochschmelzenden Metall bestehenden, Heizkörper. Die Erfindung betrifft Kathoden der oben genannten Art, welche in elektrischen Entladungsröhren, insbesondere Hochvakuumelektronenröhren, Verwendung finden.
Der obengenannte Heizkörper wird bekanntlich zumeist aus Wolfram oder einem andern hochschmel- zenden Metall hergestellt. Daher bedeutet der Ausdruck "hochschmelzendes Metall" im folgenden eines der nachfolgenden Metalle : Wolfram, Tantal oder Molybdän. Diese Metalle werden als Heizkörper der Kathoden sowohl in Form von einfachen Drähten, wie von einfach oder doppelt gewendelten Drähten verwendet. Im allgemeinen sind diese als Heizkörper dienenden Drahte mit einem isolierenden Uberzug, z. B. einem aufgesinterten Aluminiumoxydüberzug versehen.
Anlässlich der Untersuchungen der Patentinhaberin von heute üblichen, mit Kathoden der obengenannten Art versehenen Elektronenröhren, insbesondere solchen Elektronenröhren, die in Reihenschaltung ihrer Heizkörper verwendet werden, wurde festgestellt, dass die Heizkörper der Kathoden solcher Röhren keine solche mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisen, wie sie bei der neuzeitlichen industriellen und sonstigen Verwendung der Röhren erforderlich wäre. Die diesbezüglichen Erfordernisse werden stets höher und mangels hinreichender mechanischer Widerstandsfähigkeit der Heizkörper tritt oft vorzeitig deren Bruch auf, wodurch die Röhren zugrunde gehen.
Elektronenröhren und sonstige Entladungsröhren, die einer erhöhten mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind, können daher gegebenenfalls nur durch ganz besondere, die Röhren stark verteuernde Konstruktion derart gestaltet werden, dass sie auch in mechanischer Hinsicht widerstandsfähig werden.
Zweck der Erfindung ist, eine Kathode bzw. Röhre zu schaffen, bei welcher die Heizkörper der Kathode hohe mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisen, ohne dass hiezu die Verwendung kostspieliger Konstruktionen und bzw. oder Werkstoffe notwendig ist. Durch Verwendung der erfindungsgemässen Kathoden werden daher die mit diesen Kathoden versehenen Röhren mechanisch bedeutend widerstandsfähiger und daher auch auf solchen Gebieten verwendbar, wo dies bisher nicht möglich war.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass der Heizkörper der mittelbar beheizten Kathode aus einem solchen hochschmelzenden Metalldraht (z. B. Wolfram, Molybdän, Tantal) besteht, welcher eine nur primär rekristallisierte Struktur aufweist und dass der Heizkörper in an sich bekannter Weise mindestens 0, 5 Gewichtsprozente eines feuerfesten Oxyds enthält. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, dass der Heizkörper der mittelbar beheizten Kathode als feuerfestes Oxyd eines der nachfolgenden Oxyde enthält : Thoriumoxyd, Zirkoniumoxyd, Hafniumoxyd, Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd.
Die die Grundlage der Erfindung bildenden theoretischen Betrachtungen werden nachstehend kurz wie folgt zusammengefasst :
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Es ist bekannt, dass in der vakuumtechnischen Industrie sowohl auf dem Gebiet der elektrischen Ent- ladungsröhren, insbesondere Elektronenröhren, wie auch auf dem Gebiet der Glühlampen bereits seit län- gerer Zeit ausschliesslich solche Heizkörper oder Glühkörper aus hochschmelzendem Metall Verwendung finden, deren Werkstoff ein zu einer grosskristallinen (oft auch grobkristallinen oder langkristallinen ge- nannten) Struktur führendes hochschmelzendes Metall ist, d. h. ein hochschmelzender Metalldraht, der im Zustand der sekundären (vollkommenen) Rekristallisation eine grosskristalline Struktur aufweist.
Die
Herstellungsverfahren von Drähten dieser Art sind aus zahlreichen Literaturstellen und Patentschriften be- kannt. Eine Ausnahme von der allgemeinen Verwendung solcher grosskristallinen Drähte bilden die Glüh- kathoden der Senderöhren. Diese Glühkathoden bestehen bekanntlich aus Wolframdrähten mit ziemlich hohem (etwa zweiprozentigem) Thoriumdioxydgehalt, die nicht grosskristallin, sondern kleinkristallin sind und die bei Betriebstemperaturen von über 16000C sehr gute elektronemittierende Eigenschaften auf-
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struktur aus solchem Ausgangsmaterial hergestellt werden, welchem im Laufe des Herstellungsverfahrens bewusst gewisse Zusätze zugesetzt werden, die im Laufe der Verarbeitung des Ausgangsmaterials zum Draht aus dem Material sozusagen vollkommen wieder entfernt werden,
so dass der fertige Wolframdraht nur einen zahlenmässig nicht genau bestimmbaren Gehalt an Fremdstoffen aufweist, dessen Grössenord - nung nur etwa 0, 001 Gewichtsprozente beträgt. Es ist auch bekannt, dass Wolframdrähte, die unter Verwendung solcher Zusätze hergestellt werden, nach Erreichung ihrer grosskristallinen Struktur günstigere Festigkeitseigenschaften als kleinkristalline Drähte aufweisen. Die grosskristalline Struktur erreichen die obengenannten Drähte z. B. bei ihrem Einbau in Glühlampen als Glühkörper derselben anlässlich der ersten Einschaltung der Glühlampe. Hiebei werden nämlich die Wolframdrähte auf Temperaturen erhitzt, welche über ihrer sekundären Rekristallisationstemperatur von über 1800 C, meistens bei etwa 2200 C, liegen.
Hingegen zeigen solche Drähte, in welchen anlässlich ihrer Herstellung Zusatzstoffe in grösserer Menge verblieben sind und die nach ihrer sekundären Rekristallisation kleinkristalline Struktur aufweisen, bekanntlich weniger günstige Festigkeitseigenschaften als Drähte grosskristalliner Struktur. Hiebei ist un- ter "sekundäre bzw. primäre Rekristallisationstemperatur" folgendes zu verstehen : Gemäss G. L. Davies : Recrystallisation of Tungsten Wires, Brit. Metallurgia, November 1958, Seiten 228-232, vollzieht sich die Rekristallisation eines Wolframdrahtes in zwei deutlich voneinander unterscheidbaren Stufen. Die erste Stufe sei primäre Rekristallisation genannt.
Bei dieser Stufe tritt ohne Änderung der bevorzugten Orien- tierung eine säulenartige Struktur der Körner ein, wobei der Draht leitend bleibt. Diese Struktur wird erreicht durch ein Wachsen der Kristallite, wobei die übliche Kernbildung und das Wachsen mehr oder weniger gleichgerichteter neuer Körner nicht beobachtet werden kann.
Die sekundäre'Rekristallisation bildet die zweite Stufe des Rekristallisationsprozesses und erfolgt bei einer höheren Temperatur als derjenigen Temperatur, bei welcher die primäre Rekristallisation als vollendet anzusehen ist. Sie tritt häufig abrupt ein, wobei kein Wechsel in der bevorzugten Orientierung auftritt. Die sekundäre Rekristallisation bedeutet somit denjenigen Rekristallisationsteil, als dessen Ergebnis die endgültige Kristallstruktur ausgebildet wird.
Im Falle von in der Vakuumtechnik verwendetem Wolfram liegt die Temperatur der sekundären Rekristallisation zwischen etwa 1800-2200 C, wogegen die primäre Rekristallisation bereits bei wesentlich geringeren Temperaturen von z. B. etwa 10000C in Gang gesetzt wird.
Bekanntlich arbeiten bei der überwiegenden Mehrzahl von Elektronenröhren die Heizkörperihrer mittelbar beheizten Kathoden bei einer Temperatur, die niedriger als die sekundäre Rekristallisationstemperatur der betreffenden Drähte ist. Im Laufe der Untersuchungen der Patentinhaberin wurde nun die überraschende Tatsache festgestellt, dass auf sämtlichen Verwendungsgebieten, bei denen die Betriebstemperatur der Heizkörper der Kathoden unter ihrer sekundären Rekristallisationstemperatur liegt, diejenigen Drähte, die nach ihrer vollendeten sekundären Rekristallisation grosskristalline Struktur aufweisen würden, bei weitem nicht diejenigen günstigen Festigkeitseigenschaften aufweisen, die den neuzeitlichen Erfordernissen genügen. Dabei weisen die mit solchen Kathoden versehenen Röhren meistens auch nicht die erforderliche lange Lebensdauer auf.
Im Sinne der Erfindung wird somit als Heizkörper für die mittelbar beheizten Kathoden ein hochschmelzender Metalldraht verwendet, welcher im Falle einer über seiner sekundären Rekristallisations- temperatur liegenden Betriebstemperatur eine kleinkristalline Struktur aufweisen würde, und dabei ein feuerfestes Oxyd in einer mindestens 0, 5 Gewichtsprozente betragenden Menge enthalten. Drähte, die aus hochschmelzendem Metall bestehen und im Falle ihrer Erhitzung auf ihre sekundäre Rekristallisationstemperatur kleinkristalline Struktur erhalten, sind an sich bekannt. Im allgemeinen sind diese Drähte sol-
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ehe, welche Zusatzstoffe enthalten, welche im Laufe ihres Herstellungsverfahrens nicht wieder ausgeschie- den werden. Solche Zusatzstoffe sind schwer reduzierbare feuerfeste Oxyde, wie z. B.
Thoriumoxyd, Zir- koniumoxyd, Hafniumoxyd, Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd usw. Durch ihre Untersuchungen hat die
Patentinhaberin festgestellt, dass für die erfindungsgemässe Verwendung solche Drähte bestgeeignet sind, welche eines der vorgenannten Oxyde enthalten.
Es beruht somit die Erfindung auf der Erkenntnis, dass man im Gegensatz zur ganz allgemein verbrei- teten bisherigen Auffassung und Praxis bei sämtlichen solchen vakuumtechnischen Erzeugnissen, bei de- nen die Heizkörper bei einer Betriebstemperatur arbeiten, die unter ihrer sekundären Rekristallisations- temperatur, also bei Wolfram unter etwa 1800-22000C, liegt, solche Drähte zu verwenden hat, die nach ihrer sekundären Rekristallisation nicht grosskristalline, sondern kleinkristalline Struktur aufweisen, also aus den Drähten nicht entweichende, sondern darinbleibende Zusatzstoffe enthalten.
Aus diesen Er- kenntnissen folgt auch der Umstand, dass man im Laufe der Herstellung der Heizkörper der erfindungsge- mässen Kathode sorgfältig darauf achten muss, dass die Drähte nicht auf Temperaturen erhitzt werden, die über ihren sekundären Rekristallisationstemperaturen liegen.
Die Kristallstruktur der Drähte der Heizkörper kann mittels mikroskopischer Untersuchung bekannt- lich stets einwandfrei festgestellt werden. Wenn die Drähte der Heizkörper der erfindungsgemässen Ka- thoden nachträglich über ihre sekundäre Rekristallisationstemperatur erhitzt werden, bildet sich in den- selben die kleinkristalline Struktur aus, was zur Identifizierung der Heizkörper der erfindungsgemässen
Kathoden ebenfalls herangezogen werden kann.
Wie bereits erwähnt, sind feuerfeste Oxyde enthaltende Drähte aus hochschmelzendem Metall, z. B.
ThO enthaltende Wolframdrähte, längst bekannt, wurden jedoch für die erfindungsgemäss vorgeschlage- nen Zwecke, also als Heizkörper, nie verwendet. Sie finden ihre Verwendung als unmittelbar beheizte
Kathoden von Senderöhren unter ganz andern Betriebsbedingungen, nämlich bei solchen Betriebstemperaturen, welche über ihrem Rekristallisationstemperaturbereich liegen. Ferner sind die erfindungsgemässen Heizkörperdrähte unaktiviert und enthalten die Zusatzstoffe nur zwecks Verbesserung ihrer Festigkeitseigenschaften.
Die Patentinhaberin hat experimentell unzweideutig festgestellt, dass die Leckströme der Heizkörper der erfindungsgemässen Kathoden keineswegs grösser als diejenigen der bekannten Kathoden sind, und dass die neuen Heizkörper auch unisoliert verwendet werden können.
Im Rahmen der Erfindung werden die Heizkörper vorzugsweise aus Wolframdraht hergestellt, der z. B. mindestens 0,5 Gewichtsprozente von Thoriumoxyd enthält und nicht sekundär rekristallisiert worden ist.
Die überraschend guten Schlag- bzw. Vibrationsfestigkeitseigenschaften der Heizkörper der erfindungsgemässen Kathoden ist wahrscheinlich der Tatsache zuzuschreiben, dass die in ihnen vorhandenen feuerfesten Oxyde für die innerhalb der Kristalle und zwischen den Kristallen der Drähte anlässlich ihrer mechanischen Beanspruchung stattfindenden plastischen Deformationen hinderlich sind.
Die ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften der Heizkörper der erfindungsgemässen Kathoden wurden an fertigen Radioröhren in Vergleich mit andern handelsüblichen Röhren mit der für solche Prüfungen üblichen Fallradmethode geprüft. Hiebei wurde festgestellt, dass die mechanische Widerstandsfähigkeit der Heizkörper der erfindungsgemässen Kathoden diejenige der üblichen bekannten Kathodenheizkörper um mindestens eine Grössenordnung überstieg. So wurden z. B. Radioröhren der Type UBL 21, die mit den bisher verwendeten üblichen Heizkörpern ihrer mittelbar beheizten Kathoden versehen waren, unter derart strengen Bedingungen geprüft, dass oft 30 - 50,,/0 der Heizkörper brachen.
Die Vergleichsprüfungen mit Röhren vollkommen identischen Aufbaues, in denen aber die erfindungsgemässen Kathoden eingebaut waren, ergaben bei den mit obigen gleichen Prüfungsbedingungen einen Bruchprozentsatz der Heizkörper, der stets unter llo lag, und oft sogar den Wert von Null aufwies. Die Heizkörper bestanden in beiden Fällen aus einfach gewendelten, einen aufgesinterten Aluminiumoxydüberzug tragenden Wolframdrähten, deren Drahtdurchmesser 45 u betrug. Das Drahtmaterial war bei den bisher verwendeten Heizkörpern der bekannte, für diese Zwecke üblicherweise verwendete, praktisch fremdstofffreie, nicht sekundär rekristallisierte Wolframdraht, der also nach seiner Rekristallisation grosskristalline Struktur aufweisen würde.
Bei den neuen Heizkörpern wurde anlässlich der Herstellung derselben dem reinen Wolframoxyd Thoriumoxyd in einer Menge von 0, 75 Gewichtsprozenten zugemischt. Anlässlich der Herstellung der Heizkörper überstieg die höchste Temperatur der Wärmebehandlung etwa 15500C - 16000C nicht. Ausser Thoriumoxyd enthielten die Drähte der Heizkörper der neuen Kathoden keine Fremdstoffe in nachweisbarer Menge und besassen eine lediglich primär rekristallisierte Kristallstruktur.
Die erfindungsgemässe bedeutende Verbesserung ihrer Kathoden gestattet die Verwendung von Elek-
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tronenröhren auch auf solchen Verwendungsgebieten, wo infolge der grossen mechanischen Beanspruchungen bisher nur Transistoren verwendet werden konnten. Infolge Verringerung des Ausschusses bedeutet die
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dung derneuen Kathoden bei solchen Hochvakuum-Elektronenröhren, deren Abmessungen sehr klein sind, und/oder deren Kathodenheizkörperdraht sehr dünn ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mittelbar beheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren mit mindestens einem Heizkörper aus hochschmelzendem Metalldraht, vorzugsweise Wolframdraht, welcher unterhalb seiner sekundären Rekristallisationstemperatur betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Heizkörper aus einem solchen hochschmelzenden Metalldraht (z. B. Wolfram, Molybdän, Tantal) besteht, welcher eine nur primär rekristallisierte Struktur aufweist und dass der Heizkörper in an sich bekannter Weise mindestens 0, 5 Gewichtsprozente eines feuerfesten Oxyds enthält.