Anordnung mit einer Glühkathode. In elektronenoptischen Einrichtungen wer den oft Glühkathoden benötigt, die eine ver hältnismässig kleine, emittierende Fläche auf weisen. Dies trifft besonders in. Kathoden strahlröhren zu, bei denen die Güte der Fo- kussierung des Kathodenstrahls von der geo- metrischen Form und Grösse der Emissions fläche der Kathode (Kathodenfleck) zum mindesten indirekt abhängig ist.
Meistens ist ein, kleiner, runder Kathodenfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 mm oder weniger erwünscht. In speziellen Fällen kommen an Stelle von runden Kathodenflecken auch solche von quadratischer, rechteckiger, ellip tischer oder anderer Form zur Anwendung.
Eine bekannte Methode für die Herstel lung solcher Kathoden besteht darin, den Kathodenfleck als Elektronen emittierende Oxydschicht von der gewünschten Form und Grösse auf -ein elektrisch geheiztes Metall stück zu bringen.
Da bekanntlich Schichten bestimmter Metalloxyde, wie Bariumoxyd, Strontiumoxyd usw., bei viel tieferen Tem peraturen eine kräftigere Elektronenemission aufweisen als Metalle, so kann bei richtiger Wahl der Temperatur erreicht werden, dass bei einer derart aufgebauten Kathode nur der Oxydfleck als Emissionszone wirkt, während die Emission der übrigen Teile der Kathode zu vernachlässigen ist.
Die Anwendung von Oxydkathoden ist jedoch nur in solchen Elektronenröhren prak tisch durchführbar, in denen das Hoch- vakuum dauernd aufrechterhalten wird, z. B. in abgeschmolzenen Röhren. Apparaturen, die betriebsmässig oder auch nur gelegentlich geöffnet werden müssen, wobei Luft zur Kathode Zutritt findet, eignen. sich jedoch nicht für die Anwendung solcher Oxyd kathoden, weil diese durch Luftzutritt che misch verändert werden, was nach jedem Öffnen der Apparatur entweder deren Aus wechslung oder Neuformierung bedingen würde.
In solchen Fällen ist die Verwen dung von Metallkathoden, vorzugsweise Wolframkathoden, am Platz. Soll nun aber bei Metallkathoden die konstruktive Aus bildung derart getroffen werden, dass nur ein kleiner Fleck von vorgeschriebener Form und Grösse als wirksame Emissionsfläche in Be tracht fällt, so stösst man dabei auf fast un überwindliche Hindernisse konstruktiver und technologischer Natur.
Demgegenüber weist die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung bedeutende Vor teile auf. Die Glühkathode dieser Anord nung kann als massive Metallkathode mit be liebig kleiner Emissionsfläche beliebig wähl barer Form ausgebildet werden, ohne dass dabei Herstellungsschwierigkeiten oder an dere Nachteile in Kauf zu nehmen sind. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkathode einen länglichen, an einem Ende befestigten Körper aus Metall,
dessen freies Ende eine Fläche von der Form und Grösse des vorgeschriebenen Kathodenflecks aufweist, eine Abschirmung mit einer Öff nung, durch die das emittierende Ende des Körpers mit Spiel hindurchragt, eine um den Körper angeordnete Hilfskathode und eine Abschirmung mit einer Öffnung besitzt, durch die das gehaltene Ende des Körpers mit Spiel hindurchragt, wobei die Heizung des Körpers durch Wärmestrahlung und Elektronenbombardement von der Hilfs kathode aus erfolgt.
Zu diesem Zwecke muss notwendigerweise zwischen Metallkörper und Hilfskathode mindestens zeitweise eine elek trische Spannung angelegt werden.
Zum besseren Verständnis des Gesagten sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Fig. 1 bis 6 näher zur Darstellung ge bracht, wobei in den Fig. 1-4 und 6 nur die Glühkathode der Anordnung dargestellt ist.
Dabei zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Ka thode, Fig. 2 und<B>3</B> von unten aufgenommene Ansichten der Kathode nach Fig. 1, wobei in Fig. 2 der Kathodenfleck rund und in Fig. 3 r ee 'htee kig ausgebildet ist.
In Fig. 4 ist eine gegenüber der Kathode nach Fig. 1 etwas vereinfachte Ausbildung abgebildet. Für den Betrieb dieser Kathode kann mit Vorteil eine stossweise Heizung des Metallkörpers angewendet werden, die z. B. mit einer Schaltung nach Fig. 5 realisiert wird.
Endlich veran schaulicht Fig. 6 eine Kathode, bei der die Heizung des länglichen Metallkörpers mit Hilfe eines besonderen, zwischen Hilfskathode und Me tallkörper eingebauten Gitters gesteuert wird.
In der Fig. 1 ist mit 1 der längliche, vor zugsweise als prismatischer Stab ausgebildete Metallkörper bezeichnet, der vorzugsweise aus einem Material für eine Betriebstempe ratur von mindestens 1500 K besteht und der am untern Ende eine kleine, als Ka thodenfleck dienende Fläche 2 besitzt. Der Körper ist am obern Ende mit Hilfe des dünnen Drahtes 3 an einem festen Teil der elektronenoptischen Apparatur befestigt.
Das untere Ende des Metallkörpers ragt mit venig Spiel durch eine Öffnung der Abschirmung 4 hindurch. Aus elektronenoptischen Grün-,9 den ist es vielfach vorteilhaft, die Fläche 2 des. Kathodenflecks mindestens angenähert in die untere Begrenzungsebene der Abschir mung 4 zu legen, wie das in der Fig. 1 der Fall ist. Die Heizung des Metallkörpers 1 ; erfolgt mit einer in der Figur beispielsweise als Spirale um den Körper angeordneten Hilfskathode 5.
Zwischen der Hilfskathode, die in bekannter Weise durch Beschickung mit elektrischem Strom geheizt ist, und dem c Metallkörper wird eine Spannung angelegt, so dass die von der Hilfskathode emittierten Elektronen mit grosser Geschwindigkeit auf den Metallkörper fallen und ihn durch Elek tronenbombardement aufheizen. Eine weitere Wärmezufuhr erhält der Metallkörper von der Hilfskathode durch die Wärmestrahlung. Es hat .sich gezeigt, dass sich der Körper 1, der vorteilhaft als massives Metallstück aus gebildet ist, nach der soeben beschriebenen Methode ohne Schwierigkeiten auf hohe Temperaturen aufheizen lässt, so dass der Ka thodenfleck 2 nach Anlegen der Anodenspan nung in der elektronenoptischen Apparatur eine kräftige Emission aufweist.
Bei dieser Heizungsart ist ,es jedoch notwendig, die Be festigung des Metallkörpers 1 derart auszu bilden, dass möglichst wenig Wärme durch Wärmeleitung verlorengeht. Im Falle der Kathodenausbildung nach Fig. 1 ist dieser Forderung in der Weise Rechnung getragen, dass der Befestigungsdraht 3 sehr dünn ge wählt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die vom Befestigungsdraht durch Wärme leitung dem länglichen Körper entzogene Wärmemenge vernachlässigbar klein gegen über der vom Körper durch Strahlung abge gebenen Wärmemenge ist.
Der Befestigungs- draht wird dabei notwendigerweise vom Körper 1 längs einer bestimmten Strecke: auf hohe Temperatur gebracht, so dass die Ge fahr besteht, dass er infolge Erweichung bezw. Verlust der mechanischen Festigkeit den Körper 1 nicht mehr genau an der vor geschriebenen Stelle zu halten vermag. Um dieser Schwierigkeit vorzubeugen, wählt man als Baustoff für den Befestigungsdraht mit Vorteil einen Einkristalldraht, z.
B. ein Wolframeinkristalldrahtstück, weil bekannt lich Metalleinkristalle bis zu viel höheren Temperaturen eine gute mechanische Festig keit beibehalten als gewöhnliche, aus vielen kleinen Kristallen zusammengesetzte Metall stücke.
Schliesslich sind noch die übrigen Teile der Kathode näher zu erläutern. Die Hilfs kathode 5 ist mit einem Schirm 6 nach aussen vollständig abgeschirmt. Durch den Schirm hindurchragt lediglich oben und unten der längliche Metallkörper 1 und die Strom zuführung 7 zu einem Ende der Hilfs- kathodenspirale. Das andere Ende dieser Spirale ist beispielsweise mit dem Schirm 6 verbunden, so dass der notwendige zweite Stromansehluss 8 am Schirm 6 angeschlossen werden kann.
Der Schirm 6 dient hauptsäch lich dazu, das Elektronenbombardement auf das Metallstück 1 zu beschränken und vom Befestigungsdraht 3 fern zu halten, weil ein Elektronenbombardement dieses Drahtes dessen Temperatur unzuläsisig eirhöhen würde. Infolge der Verbindung der Hilfskathode 5 mit der Abschirmung 6 stehen beide Teile notwendigerweise auf dem gleichen Poten tial. Selbstverständlich braucht diese Ver bindung, die aus rein konstruktiven Gründen gewählt worden ist, nicht in jedem Fall zu bestehen. Es ist ohne weiteres möglich, die beiden Enden der Hilfskathode 5 isoliert aus der Abschirmung herauszuführen, womit die Möglichkeit besteht, der Abschirmung 6 ein anderes, vorzugsweise ein kleineres Potential als der Hilfskathode zu erteilen.
In den Fig. 2 und 3 ist gezeigt, wie die Kathode nach Fig. 1 von unten aussieht, und zwar entweder mit einem runden Querschnitt des Körpers 1, mit dem Kathodenfleck 2 (Fig. 2) oder einer rechteckigen Form (Fig. 3). Mit 4 ist in diesen Figuren in Übereinstimmung mit der Fig. 1 die untere Abschirmung bezeichnet.
In der Fig. 4 sind ebenfalls, alle mit der Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Zahlen versehen. Die Ausführungs- form der Kathode nach Fig. 4 unterscheidet sich von der bereits beschriebenen lediglich durch eine Verbesserung der Befestigung des Metallkörpers 1 und einer einfacheren Aus bildung des Schirmes.
Die Befestigung 3 des länglichen Metallkörpers ist durch min destens drei dünne, gespannte feine Drähte 9 verstärkt, und an Stelle der Abschirmung 6 tritt ein einfaches flaches Schirmblech 10.
Die Kathode nach Fig. 4 ist in konstruk tiver Hinsicht vereinfacht. Da es jedoch aus elektronenoptischen Gründen in den. meisten Fällen notwendig sein wird, den Körper 1 und den Schirm 4 mindestens angenähert auf das gleiche Potential zu bringen, so wür den die von der Hilfskathode emittierten Elektronen nach dem Anlegen der Spannung zwischen Hilfskathode und Körper teilweise auch auf den Schirm 4 fallen und ihn auf heizen.
Diese Schwierigkeit fällt jedoch dahin, wenn eine stossweise Heizung des Metallkör pers erfolgen kann, was z. B. in der Fern sehtechnik der Fall ist. In Fig. 5 ist eine einfache Schaltung aufgezeichnet, mit der die soeben erwähnte Stossheizung einer Ka thode nach Fig. 4 ermöglicht wird. In dieser Schaltung sind die mit der Fig. 4 überein stimmenden Teile, wie bisher, mit den glei chen Zahlen bezeichnet.
Ausserdem stellt 11 ein Verstärkerröhre (mit dem Steuergitter anschluss 12), 13 eine Anodenbatterie oder eine andere Stromquelle und 14 einen Wider stand dar. Der Metallkörper 1 mit den Schirmen 4 und 10 und die Hilfskathode 5 mit den Zuleitungen 7 und 8 sind, wie in der Figur mit 15 angedeutet ist, in das eva kuierte Gehäuse einer elektronenoptischen Apparatur eingebaut.
Die Schaltung, die hauptsächlich für Fernsehzwecke in Frage kommt, arbeitet in der folgenden Weise: Auf das Steuergitter 12 der Verstärkerröhre 11 werden periodisch kurzdauernde, positive, zeitlich voneinander getrennte Spannungs impulse gegeben, so dass die Verstärkerröhre während der Dauer dieser Impulse Strom führt. Dadurch wird nun die Spirale der Hilfskathode 5 mit kurzzeitigen Strom- impulsen beschickt, die bei entsprechender Intensität die Hilfskathode auf die ge- wünschte Temperatur aufheizen.
Bei jedem Stromimpuls wird gleiehzeitig infolge der am Widerstand 14 auftretenden Spannung der Metallkörper 1 auf ein gegenüber der Hilfskathode positives Potential gehoben und dabei dem Elektronenbombardement ausge setzt. Zwischen den Imp,ilsen ist die Verstär- kerröhre gesperrt und stromlos. wobei sich der Metallkörper 1, die Abschirmungen 4 und 10 und. die Hilfskathode 5 auf dem glei chen Potential befinden. In diesem Zeitinter vall übt die Glühkathode ihre normale Funk tion aus. Selbstverständlich kühlt sich die ganze Anordnung dabei ab.
Wenn jedoch die Heizstromimpulse genügend rasch aufeinan derfolgen, so ist die zwischen jedem Heiz stromimpuls auf cretende Abkühlung unbe- deutend.
In der Fernsehtechnik wird man die Ileiz- stramimpulse zweckmässigerweise in die Syn- chronisierlücken des Fernsehsignale ver legen.
Die Ausführungsform der Kathode nach Fig. 6 ist genau gleich aufgebaut wie die nach Fig. 1. Sie weist jedoch zusätzlich zwi schen der Hilfskathode 5 und dem Metall körper 1 ein Steuergitter 16 mit der Zulei tung 17 auf. Mit Hilfe dieses. Steuergitters kann das Elektronenbombardement und da mit die Temperatur des Metallkörpers l in be kannter Weise durch Anlegen einer bestimm ten Spannung an das Steuergitter auf ein fache Weise geregelt werden.
Es ist selbstverständlich, dass die Glüh- kathode auch in abgeschmolzenen elektronen optischen Apparaten verwendet werden kann. Es ist in diesem Falle auch ohne weiteres möglich, den Kathodenfleck 2 mit einer Ogydschicht zu bedecken, womit erreicht wird, dass die Temperatur des Metallkörpers 1 nicht so hoch getrieben werden muss.
Arrangement with a hot cathode. In electron-optical devices who often need hot cathodes that have a relatively small, emitting area. This is particularly true in cathode ray tubes, in which the quality of the focusing of the cathode ray is at least indirectly dependent on the geometric shape and size of the emission surface of the cathode (cathode spot).
Most of the time, a small, round cathode spot with a diameter of about 1 mm or less is desirable. In special cases, square, rectangular, elliptical or other shapes are used instead of round cathode spots.
A known method for the produc- tion of such cathodes is to bring the cathode spot as an electron-emitting oxide layer of the desired shape and size onto an electrically heated metal piece.
Since it is known that layers of certain metal oxides, such as barium oxide, strontium oxide, etc., at much lower temperatures have a stronger electron emission than metals, with the correct choice of temperature it can be achieved that, with a cathode constructed in this way, only the oxide spot acts as an emission zone, while the Emission of the remaining parts of the cathode is negligible.
However, the use of oxide cathodes is only practically feasible in those electron tubes in which the high vacuum is continuously maintained, e.g. B. in melted tubes. Apparatus that have to be opened for operational purposes or only occasionally, with air being able to access the cathode, are suitable. However, not for the use of such oxide cathodes, because they are chemically changed by air admission, which would require either their replacement or re-formation after each opening of the apparatus.
In such cases, the use of metal cathodes, preferably tungsten cathodes, is appropriate. If, however, the structural design of metal cathodes is to be made in such a way that only a small patch of the prescribed shape and size is considered as an effective emission surface, one encounters almost insurmountable obstacles of a structural and technological nature.
In contrast, the arrangement according to the present invention has significant advantages on parts. The hot cathode of this arrangement can be designed as a solid metal cathode with any small emission area of any desired shape, without manufacturing difficulties or other disadvantages having to be accepted. The arrangement is characterized in that the hot cathode has an elongated body made of metal, fixed at one end,
the free end of which has a surface the shape and size of the prescribed cathode spot, a shield with an opening through which the emitting end of the body protrudes with play, an auxiliary cathode arranged around the body and a shield with an opening through which the The held end of the body protrudes with play, the body being heated by thermal radiation and electron bombardment from the auxiliary cathode.
For this purpose, an electrical voltage must be applied between the metal body and the auxiliary cathode at least temporarily.
For a better understanding of what has been said, embodiments of the invention in Figs. 1 to 6 are brought closer to the representation ge, wherein in Figs. 1-4 and 6 only the hot cathode of the arrangement is shown.
1 shows a longitudinal section through the cathode, FIGS. 2 and 3, views of the cathode according to FIG. 1 taken from below, the cathode spot being round in FIG. 2 and round in FIG. 3 r ee 'htee kig is trained.
In Fig. 4 a compared to the cathode of Fig. 1 is shown a somewhat simplified design. For the operation of this cathode, intermittent heating of the metal body can be used with advantage. B. is realized with a circuit according to FIG.
Finally, Fig. 6 illustrates a cathode in which the heating of the elongated metal body is controlled with the aid of a special grid built in between the auxiliary cathode and Me tallkörper.
In Fig. 1, 1 denotes the elongated metal body, preferably designed as a prismatic rod, which is preferably made of a material for an operating temperature of at least 1500 K and has a small surface 2 serving as a cathode spot at the lower end. The upper end of the body is attached to a fixed part of the electron-optical apparatus with the aid of the thin wire 3.
The lower end of the metal body protrudes through an opening in the shield 4 with little play. For electron-optical reasons, it is often advantageous to place the surface 2 of the cathode spot at least approximately in the lower boundary plane of the shield 4, as is the case in FIG. The heating of the metal body 1; takes place with an auxiliary cathode 5 arranged, for example, as a spiral around the body in the figure.
A voltage is applied between the auxiliary cathode, which is heated in a known manner by charging it with electric current, and the metal body, so that the electrons emitted by the auxiliary cathode fall at high speed onto the metal body and heat it up by electron bombardment. The metal body receives a further supply of heat from the auxiliary cathode through thermal radiation. It has been shown that the body 1, which is advantageously formed as a solid piece of metal, can be heated to high temperatures using the method just described without difficulty, so that the cathode patch 2 after the anode voltage has been applied in the electron-optical apparatus has strong emission.
With this type of heating, however, it is necessary to form the fastening of the metal body 1 in such a way that as little heat as possible is lost through conduction. In the case of the cathode configuration according to FIG. 1, this requirement is taken into account in such a way that the fastening wire 3 is very thin. It can thereby be achieved that the amount of heat withdrawn from the elongated body by heat conduction from the fastening wire is negligibly small compared to the amount of heat given off by the body through radiation.
The fastening wire is necessarily brought to a high temperature by the body 1 along a certain distance, so that there is a risk that it will or Loss of mechanical strength the body 1 is no longer able to hold exactly at the place before written. In order to avoid this difficulty, one chooses a single crystal wire as the building material for the fastening wire with advantage, e.g.
B. a piece of tungsten single crystal wire, because known Lich single metal crystals up to much higher temperatures maintain a good mechanical strength than ordinary pieces of metal composed of many small crystals.
Finally, the remaining parts of the cathode must be explained in more detail. The auxiliary cathode 5 is completely shielded from the outside with a screen 6. The elongated metal body 1 and the power supply 7 protrude through the screen only at the top and bottom to one end of the auxiliary cathode spiral. The other end of this spiral is connected to the screen 6, for example, so that the necessary second power supply 8 can be connected to the screen 6.
The screen 6 is mainly used to limit the electron bombardment on the metal piece 1 and to keep it away from the fastening wire 3, because an electron bombardment of this wire would eirhöhen its temperature inadmissible. As a result of the connection of the auxiliary cathode 5 to the shield 6, both parts are necessarily at the same potential. Of course, this connection, which has been chosen for purely structural reasons, does not need to exist in every case. It is easily possible to lead the two ends of the auxiliary cathode 5 out of the shield in an isolated manner, which means that the shield 6 can be given a different, preferably a lower potential than the auxiliary cathode.
2 and 3 show how the cathode of FIG. 1 looks from below, either with a round cross section of the body 1, with the cathode spot 2 (FIG. 2) or with a rectangular shape (FIG. 3) . With 4 in these figures, in accordance with FIG. 1, the lower shield is designated.
In FIG. 4, all parts which correspond to FIG. 1 are also provided with the same numbers. The embodiment of the cathode according to FIG. 4 differs from the one already described only in an improvement in the fastening of the metal body 1 and in a simpler formation of the screen.
The attachment 3 of the elongated metal body is reinforced by at least three thin, tensioned fine wires 9, and a simple flat shield plate 10 occurs in place of the shield 6.
The cathode of Fig. 4 is simplified in constructive terms. However, since it is in the. In most cases it will be necessary to bring the body 1 and the screen 4 at least approximately to the same potential, so the electrons emitted by the auxiliary cathode would also fall partly on the screen 4 after applying the voltage between the auxiliary cathode and the body and on it heat.
However, this difficulty falls away if intermittent heating of the Metallkör pers can take place, which z. B. in television technology is the case. In Fig. 5, a simple circuit is recorded with which the just mentioned shock heating of a Ka method according to FIG. 4 is made possible. In this circuit, the parts that correspond to FIG. 4 are, as before, denoted by the same numbers.
In addition, 11 represents an amplifier tube (with the control grid connection 12), 13 an anode battery or another power source and 14 a counter stand. The metal body 1 with the screens 4 and 10 and the auxiliary cathode 5 with the leads 7 and 8 are, as in the figure is indicated by 15, built into the evacuated housing of an electron-optical apparatus.
The circuit, which is mainly used for television purposes, works in the following way: On the control grid 12 of the amplifier tube 11, short-duration, positive, temporally separated voltage pulses are periodically given so that the amplifier tube carries current for the duration of these pulses. As a result, the spiral of the auxiliary cathode 5 is now charged with brief current pulses which, with a corresponding intensity, heat the auxiliary cathode to the desired temperature.
With each current pulse, the metal body 1 is raised to a positive potential with respect to the auxiliary cathode and the electron bombardment is set out at the same time as a result of the voltage occurring at the resistor 14. The amplifier tube is blocked and de-energized between the pulses. wherein the metal body 1, the shields 4 and 10 and. the auxiliary cathode 5 are at the same potential. The hot cathode performs its normal function in this time interval. Of course, the whole arrangement cools down in the process.
However, if the heating current pulses follow one another sufficiently quickly, the cooling that occurs between each heating current pulse is insignificant.
In television technology, the Ileizstramimpulse is expediently placed in the synchronization gaps of the television signal.
The embodiment of the cathode according to FIG. 6 is constructed exactly the same as that according to FIG. 1. However, it also has a control grid 16 with the supply 17 between the auxiliary cathode 5 and the metal body 1. With the help of this. Control grid, the electron bombardment and there with the temperature of the metal body l can be regulated in a known manner by applying a certain th voltage to the control grid in a simple manner.
It goes without saying that the incandescent cathode can also be used in fused-off electronic optical devices. In this case, it is also easily possible to cover the cathode spot 2 with an oxide layer, which means that the temperature of the metal body 1 does not have to be raised so high.