Elektrischer Hochvakuum-Entladungsapparat. Die vorliegende Erfindung hat einen elek trischen llochvakuum-Entladungsapparat zum Gegentand. Unter Hochvakuum versteht man ein Vakuum, welches einem Drucke von we niger als 10-4 Torr entspricht.
Es ist bekannt, solche Entladungsappa rate, wie Röntgenröhren, Senderöhren oder dergleichen, aus CTIaskugeln und angeschmol- zenen Glasröhren herzustellen. Bei Hoch spannung überschreitet deren Länge 1 m und ihre Herstellung sowie der Transport und die Montage gestalten sich dadurch sehr schwie- rin. Man ist deshalb schon dazu übergegan gen, Glasringe zu verwenden, die mit Me tallringen verschmolzen sind, und mehrere solcher Ringe aufeinander aufzubauen.
Für höhere Spannungen und Betriebstempera turen von über 100" C machen sich die Ohmsehe Leitfähigkeit und die dielektrischen Verluste des Glases bereits störend bemerk bar. Auch gibt die Oberflächenleitfähigkeit Veranlassung zu Glimmentladungen und durch das Altern des Glases wird die Lebens dauer beschränkt. Es sind schon keramische Ringe für Vakuumgefässe vorgeschlagen wor den, welche durch organische Substanzen, z. B. Pizein , mit Metallringen abgedichtet werden. Solche Anordnungen können nicht ausgeheizt werden und die Dichtungsstelle an der Keramik gibt zu Störungen Anlass.
Der erfindungsgemässe IIochvakuum- Entladungsapparat ist dadurch gekennzeich- net, dass die Wandung des Gefässes, in wel- ehem die Entladung stattfindet, aus minde stens einem hohlen Isolator aus keramischem Material und mindestens einem metallischen Stück gebildet ist, wobei die verschiedenen Teile vakuumdicht und temperaturbeständig miteinander verschmolzen sind.
Als vakuumdicht und temperaturbestän dig wird im vorliegenden Zusammenhang eine Verbindung dann betrachtet, wenn sie bei einem Drucke von weniger als 10--4 Torr und bei Temperaturschwankungen zwischen 0 und 200 C nicht undicht. wird. Die im folgenden oft kurz einfach als vakuumdicht bezeichneten Verbindungen sollen alle in diesem Sinne temperaturbeständig sein.
Der erfindungsgemässe IIochvakuuin-Ent- ladungsapparat kann z. B. als Glühkathoden Hochvakuum-Gleichrichter-, Röntgen- oder Lenardröhre, Senderöhre, Kurzwellenröhre, Oszillographenröhre, Elektronenmikroskop so wie Ionenstrahlenröhre, insbesondere Kanal strahlröhre ausgebildet sein. Die dabei ange wendeten Spannungen können einige Tau send bis mehrere Millionen Volt, betragen. Das in ihnen auftretende Vakuum muss in vielen Fä.Hen besser als 10-'; Torr sein.
Es ist in vielen Fällen erforderlich, diese Röhren bei höherer Temperatur zu formieren und von der Pumpe abzuziehen. Bei Röhren mit. Glühkathoden besteht die Notwendigkeit, nach einigen tausend Betriebsstunden die Kathode auszuwechseln, weshalb solche Röh ren auch zerlegbar gebaut und dauernd an der Pumpe betrieben werden. Die beilie gende Zeichnung zeigt beispielsweise Aus führungsformen des erfindungsgemässen Hochvalnüun-Entladiuigsapp,arates.
In der Fig. 1 ist eine Glühkathoden- Hochvakuum-Gleichrichterröhre dargestellt. Zwischen einem stabförmigen stromeinfüh renden Leiter 1 und einem Rohr 2 ist eine Glühwendel 3 angeordnet, welche von einer Anode 4 halbkugelförmig umgeben ist. Letz tere ist vermittels eines Rohres 5 an einem Metalldeckel 6 befestigt.
Ein zwischen 3 iuld 4 liegender Entladungsraum ist von einem rohrförmigen keramischen Isolator 7 iunge- ben, der an seinen Enden Verstärkungs- wulste 7' aufweist, die mit Metallringen 8 und 9 hochvakuumdicht und temperaturbe ständig verbunden sind. Eine solche Verbin dung der Metallringe 8 und 9 mit dem Iso lator 7, kann z.
B. durch Verschmelzen mit einem Glas- oder Emailfluss, durch Weich- oder Hartlöten, durch Aufsintern oder Auf spritzen von Metallen oder ähnliche an sich bekannte Verfahren erhalten werden, die je doch zur Herstellung solcher IHochvakuum- gefässe bisher noch nicht benutzt wurden. Die Ringe 8 -Lind 9 sind mit Metalldeckeln 6 bzw. 10 verschweisst.
Der Stromleiter 1 ist an der Stelle 11 mit dem Metaliteiller 10 vermittels Glas verschmolzen. Diese Glühkathoden- Gleichrichterröhre findet insbesondere bei ho lien Spannungen und kleinen Strömen An wendung. Damit infolge des starken elektro statischen, zwischen den Teilen 3 und 4 auf tretenden Feldes aussen am Isolator 7 Glimmerscheinungen vermieden werden kön nen, sind in deren Nähe keramische Schirme 12 -Lind 13 angeordnet; die zwischen ihnen liegende Oberfläche 14 ist metallisiert und kann eventuell von aussen elektrisch ge steuert werden.
In ähnlicher Weise ist der dem Kragen 9 zugekehrte Teil eines Schir mes 15 in 16 metallisiert. Der Durchmesser dieser Schirme ist grösser als derjenige der Verstärkungswulste 7'. Die Röhre kann in üblicher Weise bei 400 bis 500 C formiert -Lund von der Pumpe abgetrennt werden. Zur Regeneration des Glühfadens wird die zwi schen den Teilen 9 und 10 liegende Schweiss stelle geöffnet..
Auch bei dem in der Fig. 2 dargestellten Hochvakuiun - Entladungsgefäss findet die Entladung innerhalb eines rohrförmigen keramischen Isolators 27 statt. Zwei Metall deckel 25 und 30 weisen Ringe 25' und 30' auf, die mit dem Isolator 27 vakuumdicht verblinden sind. In dem Metalldeckel 30 ist eine Verlängerung 32 nach einwärts einge setzt, welche als Anode dient und mit einem Kühlmantel 34 sowie mit einem Führungs blech 33 versehen ist.
Ein Glühfaden 23 be findet sich innerhalb der Anode 32 und ist vermittels eines Leiters 21 und eines Ver- schmelzungsisolators 22 einerseits und durch einen Haltedraht 24 anderseits mit dem Deckel 25 vakuumdicht verschmolzen. Letz terer und der Metalldeckel 30 stehen mit den an Schirmen 28 angebrachten metallischen Belägen 29 in leitender Verbindung. Ein ta schenartiger Ring 31 ist mit Lot gefüllt und gestattet durch Erwärmen ein Öffnen des Gefässes.
Eine ähnliehe Öffnungsstelle 35 ist im Deckel 25 vorgesehen, an welchem aueh ein Pumpstutzen 26 liegt., falls das Entlade gefäss dauernd an einer Pumpe betrieben wird. Die Bauart dieses Entladegefässes be zweckt, durch das Ineinanderstecken der Be standteile eine Verkürzung der Länge zu ermöglichen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Hochvakuuni- Ii',ntladiuigsgefässe, bei denen die Entladung, nur innerhalb eines Metallmantels vor sich geht. In Fig. 3 wird ein Glühfaden ä über ein Rohr 2 und einen Stab 1 durch eine Rohrfeder 4 gespannt, welche über einen Kragen 5, einen rohrförmigen, keramisehen Isolator 6 und einen Kragen 7 mit einem Kragen 8 hochvakinimdicht verbunden ist.
Ein Schutzring 9 verhindert ein Glimmen des obern Endes eines keramischen Isolator, 1.0, der seinerseits mit einem Kragen 11 va kuumdicht verbunden ist. Zwischen einer mit Rippen 15 versehenen Anode 14 und dem Kragen 11. liegt eine Schweissnaht, welche durch Schleifen gegebenenfalls gelöst wer den kann. Die Kühltmg der Anode erfolgt. vermittels eines in einem Isolierrohr 16 an geordneten Lüfters 17.
Ein metallischer Be lag 13 an einem keramischen Schirm 1.2 steht in leitender Verbindung mit, dem Kra gen 11, zwecks Unterdrückung von Gleit- funken. Ein eventueller Überschlag wird vom Isolator durch eine Funkenstrecke 18 fern gehalten, wobei der eine Pol. an einem metal lischen Rohr 19 liegt., innerhalb dessen ein Heizleiter 20 durchgeht und welches mit dem Kragen 8 durch Weichlöten verbunden ist. Zum Auswechseln des Glühfadens kann die zwischen den Kragen 7 und 8 gelegene Schweissstelle geöffnet werden, nachdem das Rohr 19 durch Aufheizen entfernt worden ist. Da die Anode bei diesem Entladungs gefäss direkt gekühlt ist, eignet es sich ins besondere für grössere Leistungen.
Es kann auch mit, einem oder mehreren Steuergittern ausgerüstet werden.
Bei dein Hochvakuuni-Entladegefäss ge mäss Fig 4 entsteht Anodenwärme an einem Schwermetallgitter 60, von welchem sie durch Strahlung an eine mit Rippen 62 ver sehene 1Rletallwanc1 61. gelangt. Ein Heiz- faden 43 ist durch zwei symmetrisch ange ordnete Halbrohre 41 und 42 gehalten, die ihrerseits vermittels Schrauben lösbar mit Metallteilen 44 und 45 verbunden sind.
Wie in Fig. 5 näher dargestellt ist, kann das Ent- ladegefäss durch Erwärmen von in einer U-förmigen Rille 56 enthaltenem Lot 55 ver mittels einer Heizwicklung 57 geöffnet wer den. Ein als Wärmedrossel ausgebildeter Kragen 54 ist finit einem Metallring 53 und dieser mit einem rohrförmigen kerainisehen Isolator 52 hochvakutundicht verbunden. Die Rille 56 ist mit einem Isolator 46 über einen Kragen 44 ebenfalls lioelivaktttimdicht ver bunden.
Das Öffnen des Gefässes vollzieht sich zwischen metallischen Teilen und nicht an der Keramik. Während des Ausheizens kann das Lot durch eine Kühlvorrichtung 58 in festem Zustande erhalten werden, wäh rend gleichzeitig sämtliche übrigen Teile des Entladegefässes vermittels einer Heizwick- lung 64, eines Ventilators 63 und eines Füh rungsrohres 65 mit heisser Luft bestrichen -erden. Rohrförmige keramische Isolatoren 46 und 47 sind hochvakuumdicht mit Me tallringen 48 bis 51. unlösbar verbunden.
Der Isolator 47 dient zum Isolieren der katho- dischen Teile von einer Molekularpumpe 65, wobei 66 ein Kühlrohr und 67 eine Wärme drossel sind. Eine Klappe könnte zwischen Pumpe und Gefäss derart vorgesehen sein, dass sie sich schliesst, wenn der Druck auf der Seite der Pumpe höher ist als der Druck innerhalb des Gefässes.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Hoehvakuum-Entladeröhre ar beitet zweckmässigerweise dauernd an der Molekularpumpe. Die Fig. 6 zeigt die Aus bildung eines metallischen Hochv aktium- Entladeg,efässes als Röntgenröhre. Eine Heizspirale 73 ist mit zwei Zuführungs stäben 41 und 42 elektrisch verbunden, wo bei 74 eine Fokussiereinriehtung bezeichnet.
Diese Heizspirale 73 gibt ihre Elektronen durch ein feines Loch in einem Schwerme- tallkörper 76 an eine Antikathode 75 ab, die in gut leitender Verbindung mit einer Aussen wand 77 steht. Diese ist mit -einem ein Fen ster 79 enthaltenden, zylindrischen Metall mantel. 78 verschweisst, der anderseits mit einem rohrförmigen keramischen Isolator 5 2 vakuiundicht verbunden ist. Auf der andern Seite des Isolators befindet sieh ein nicht gezeichneter Metalldeckel, der mit dein Iso lator 5 2 vakuumdicht verbunden ist und mit der Kathode in leitender Verbindung steht.
Bei der in der Fig. 7 dargestellten trans portablen Röntgenröhre ist ein keramischer rohilöriniger Isolator 83 konisch ausgebildet, so dass ein unter Hochspannung stehender und einen zur Einführung eines Glühfadens 94 bestimmten kleinen Durchführungsiso- lator 82 aufweisender Verschlussdeekel 81 einen kleineren Durchmesser als ein geerdeter Deckel 89 aufweist.
Ringförmige Teile der Metalldeckel 81 und 89 sind mit dem Isolator 83 v akuurndicht verbunden. Der Cirlühfaden 94, ein Fokussierungsschirm 93 und eine Antikathode 92 befinden sich ausserhalb des keramischen Isolators und innerhalb des mit Rippen 91 versehenen Metallgefässes 89. Der Stromanschluss des Heizfadens erfolgt durch zwei in einem Gummikabel 86 eingebaute Leiter 84 und 85.
Ein geerdeter Mantel 87 umschliesst eine. aus Pressstoff bestehenden Isolierkörper 88, der sich zwecks Vermei dung von Glimmentladtnmgen möglichst eng an die übrigen Teile anschliesst. Der zwi schen dem am untern Ende des keramischen Isolators 83 und dem geerdeten Mantel 87 liegende Hohlraum ist mit einer Isolier masse 90 ausgefüllt. Die dargestellte trans portable Röntgenröhre zeichnet sich durch die geringe Zerbrechlichkeit sowie durch ihre Bauart aus, die kleine Abmessungen ermöglicht.
Bei den in den Fig. 8 und 9 dargestell ten Hochvakuum-Entladeröhren liegt der Entladeraum innerhalb eines metallischen Gefässes, das mit besonderen Kühlvorrich tungen zur Abführung der Anoden- und Kathodenwärme ausgerüstet ist. Die Entla dung findet in Längsrichtung des Gefässes statt. Auf beiden Seiten hiervon befinden sich rohrförmige keramische Isolatoren, die zwecks Aufteilung des Spannungsgefälles in je zwei rohrförmige Teile zerlegt sind.
In der Fig. 8 ist ein Heizfaden 21. von einem Deckel 26 her und eine Anode 22 von einem Deckel 25 her gehailten. Die Stromzuführung und die Stromableitung ziun Glühfaden sind koaxial. Ein auf einem mittleren Potential befindliches Metallgefäss 23 ist vermittels eines Mantels 24 wassergekühlt. Vier genau gleiche rohrförmige keramische Isolatoren 27 sind im Innern mit Metallschirmen 28 ver sehen, welche zur Konzentration .des Span nungsgefälles auf der Vakuumseite dienen und von aussen elektrisch gesteuert wer den können.
Diese Steuerung kann durch Ohmsche Widerstände, durch Kapazitäten, durch Abgriffe an den Transformatoren, durch schwach leitende Beläge auf den Iso latoren 27 oder durch schwache Glimmentla- dungen in der umgebenden Atmosphäre er zielt werden. Schutzringe 29 dienen zur Ver hinderung einer Glimmentladung.
In der Fig. 9 sind ein Glühdraht 41, des sen Stromzuführiuig und Stromableitiuig koaxial sind, ein Fokussierungsschirm 40 und eine Antikathode 42 an zwei Deckeln 45 befestigt und die entstehende Verlustwärme wird durch an einem Metallmantel 43 ange brachte Rippen 44 abgeführt.
Mit den Dek- keln 45 verbundene keramische Isolatoren 46 sind über Ringe 51 mit Isolatoren 47 und über Ringe 52 mit dem Metallmantel 43 hochvakuumdicht verbunden. Metallische Schirme 48, 49 und 50 teilen das Spannungs gefälle in axialer Richtung auf.
Die als Hohl ringe ausgebildeten Schirme 49 tragen zylin drische Fortsätze in der Richtung zum Ent- ladungsraum, so dass das Spanniuigsgefälle durch diese Fortsätze und durch Hohlringe 52 auch in radialer Richtung aufgeteilt wird. Zur Verlängerung der elektrischen Strecke der Isolatoren 46 und 47 sind an ihnen kera mische Schirme angebracht, die mit leitenden Belägen versehen sind.
Die Fig. 10 stellt eine Hochvakuum- Röntgenröhre mit einer Betriebsspannung für etwa eine Million Volt dar, sie kann auch als Lenardröhre betrieben werden. Eine Glüh- kathode 3 ist vermittels eines Stabes 1 und eines Rohres 2 an Metalldeckel 4 und 5 ange schlossen, welche vermittels eines kerami schen rohrförmigen Isolators 6 voneinander isoliert sind. Die Antikathode 7 besteht aus einer unter 450 geneigten Wolframplatte und ist vermittels eines Rohres 8 an einen Metall deckel 9 angebaut.
Sechs Isolatoren 10 sind mit Metallringen 11 hochvakuumdicht und temperaturbeständig verbunden, welch letz tere zu je zweien unter sich und mit einem hohlringförmigen Fokussierungsschirm 12 ver schweisst sind. Dadurch wird das zwischen den Metalldeckeln 5 und 9 auftretende elek trische Spannungsgefälle in sechs Stufen unterteilt, welche zweckmässig gleich gross ge wählt werden, was durch elektrische Steue rung von Schutzringen 13 vermittels Ohmscher oder kapazitiver Spannungsteilung oder durch vom Transformator abgegriffene Steuerspan nungen erreicht werden kann.
Die Schutz ringe 13 sind zur Vermeidung von Glimment- ladungen und Gleitfunken gut gerundet.. Sie können aber auch absichtlich mit scharfen ,Kanten versehen werden, wodurch dann die an ihnen auftretende Glimmentladung eine annähernd gleichmässige Verteilung des Span nungsgefälles zwischen 5 und 9 ergibt. Die .Entladung findet in diesem Falle teils inner halb der keramischen Teile 6 und teils inner halb des Metallrohres 8 statt. Um die Röhre als Lenardröhre zu betreiben, könnte das Wolframplättchen 7 durch ein sogenanntes Lenardfenster ersetzt werden.
Die Schirme 12 bilden ein elektrostatisches Linsensystern und dienen der Konzentration des von dem Glüh faden 3 ausgehenden Elektronenstrahls auf die Antikathode 7. Da die dielektrische Festig keit im Vakuum bedeutend höher ist als die dielektrische Festigkeit in gewöhnlicher Luft, können die Schirme 12 einander viel mehr an genähert werden als die Schirme 13. Die dargestellte Röntgenröhre kann pumpenlos oder mit einer -.#lolekularpuinpe 17 betrieben werden.
Im letzteren Falle wird sie zweckmä ssig zerlegbar gebaut, wobei der untere Me tallring des Isolators 6 mit dem Deckel 5 durch Weichlöten verbunden wird, so dass der Glühfaden 3 bequem ausgewechselt werden kann, wobei der zwischen den Metalldeckeln 5 und 9 befindliche mehrteilige keramische Iso lator nicht zerlegt wird. Soll die Röhre trotz dem bei höherer Temperatur ausheizbar sein, so können die Trennstellen in die Deckel 5 und 9 verlegt und vermittels Löten oder Schweissen hergestellt werden. Soll auch der mehrteilige, zwischen den .Deckeln 5 und 9 lie gende Isolator 10 zerlegbar sein, so können zwischen den Kragen 11 übliche versehraub- bare Dichtungen vorgesehen werden.
Der Vor teil der beschriebenen Ausführungsform ist dann der, dass diese Dichtungen beliebig stark angezogen werden können, da auf die Kera mik keine Kräfte ausgeübt werden.
Die Fig. <B>11.</B> zeigt eine Variante der Fig. 7.0, wobei der Isolator 10 mit keramischen Schir men 14 versehen ist, die an den Stellen 15 metallisiert sind, und dieser Metallbelag in leitender Verbindung mit dem Metallkragen 11 steht. Durch einen auf der Innenseite des Isolators 10 angebrachten schwach leitenden Belag 16 kann eine günstige Spannungsver teilung im Isolator 1.0 sowie eine annähernd lineare Spannungsverteilung zwischen den Metalldeekeln 5 und 9 erreicht werden.
Die in Fig. 12 dargestellte, in einen Druck behälter hineinragende Röntgenröhre weist einen rohrförmigen keramisehen Isolator 100 auf, der mit dem Flansch einer Metallhülse <B>1.03</B> vakuumdicht verbunden ist. Der Isolator 100 ist mit engem Zwischenraum in einen rohrförmigen keramischen Isolator 101 einge schoben, der in einem mit Pressgas gefüllten Behälter mit einer Wandung 107 eingebaut ist. Das Pressgas hat eine höhere dielektrische Festigkeit als Luft von Atmosphärendruck.
Durch Einschieben des Rohres 100 der Rönt genröhre in das Rohr 101. der Fassung, wird der Stromkreis für einen Heizfaden 102 ge- sehl.ossen. Die Erzeugungsstelle der Röntgen strahlen liegt ausserhalb des Druckbehälters und weist eine Antikathode 101 auf, die aus dem Rotor eines kleinen, in ein Rohr 103 ein gebauten Motors<B>105</B> besteht. Die Röntgen strahlen treten durch eine @Iffnung 7_06 aus dem Rohre 1.03 heraus.
Bei der in der Fig. 13 dargestellten An ordnung einer Röntgenröhre ist ein rohrför- mi-er keramischer Isolator<B>1.10</B> oben kugelför- inig geschlossen und trägt zentrisch einen Stab, an dessen unterem Ende eine Anti kathode 1.12 sitzt. Ein Glühfaden 111 ist. seit lich eingebaut, so dass die Röntgenstrahlen senkrecht nach unten austreten können. Ein aus Metall bestehender Gefässteil 113 ist, über einen Metallring<B>116</B> v akuiundicht mit dem Isolator verbunden. Die Röntgenröhre arbeitet dauernd an einer Pumpe 114 und trägt am untern Ende eine Erweiterung 115, welche init Lot gefüllt ist.
Wird diese Stelle erwärmt, dann kann der Glühfaden demontiert und ausgewechselt werden.
Die Ausführungsbeispiele zeigen, dass der rohrförmige keramische Isolator zylindriseli oder konisch oder an seinen Enden eingezogen oder erweitert sein kann. Derselbe könnte aber z. B. auch spiralförmig gebogen sein. Auch kann er mit keramischen Schirmen und mit Verstärkungswulsten versehen sein. Mit ihm hochvakuumdicht und temperaturbestän dig verbundene metallische Ringe können zy lindrisch oder eben sein und an ihm aussen oder innen oder auf einer Stirnfläche auf liegen. Diese Metallringe werden mit kerami schen Ringen zusammen als ein untrennbares Konstruktionselement betrachtet.
Als Keramik können Porzellan oder ähn liche Massen verwendet werden. Besonders ge eignet sind specksteinhaltige Massen, wegen ihrer geringen Verluste bei Wechselspannung und ihrer geringen Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen. Für besonders hohe Anforde rungen können Sinterkorund und ähnliche Massen verwendet werden, deren Erwei- chumgspunkt wesentlich. höher als derjenige von Steatit liegt.
Die Metallringe, welche mit den rohrförmigen keramischen Isolatoren hochvakuumdicht und temperaturbeständig verbunden werden, müssen eine der Keramik angepasste Wärmeamdehnimg haben und können durch Legieren von Eisen mit Chrom, Nickel, Kobalt erhalten werden. Die Verbin dung Keramik-Metall kann durch Weich- oder Hartlöten, durch Aufspritzen von Metall, durch Aufsintern oder Einbrennen von Me tall oder durch einen Glas- oder Emailfluss erreicht werden.
Solche Verbindungen, die im vorliegenden Zusammenhang generell als Ver- schmelzungen bezeichnet werden, gestatten ein @lusheizen bei mehreren 1000 C.
Solche HochvakuLuu-Entladegefässe können von der Pumpe getrennt betrieben werden. Falls sie dauernd an der Pumpe bleiben, wer den sie zweckmässig zerlegbar gebaut, wobei die Öffnungsstelle nicht zwischen den rohr- förmigen keramischen Isolatoren und ihren Metallringen, sondern zwischen davon weg verlegten Metallteilen angeordnet wird. Auch für dauernd an der PLunpe arbeitende Dnt- ladegfässe ist ein Ausheizen in vielen Fällen unbedingt nötig, was die beschriebenen Aus- führLmgsbeispiele gestatten.
Zusätzliche Kühlvorrichtungen, welche die entstehende Verlustwärme abführen sollen, können mit Luft oder mit Wasser oder mit einer wasserstoffionenfreien Flüssigkeit ar beiten, letzteres, falls durchtretender Wasser stoff vermieden werden muss, oder es kann zu diesem Zweck der mit Wasser in Berührung stehende Metallmantel aus Kupfer oder einer Chromeisenlegierung oder aus ähnlichen Stof fen hergestellt werden. Es ist auch möglich, mehrere solche Stoffe übereinandergesehichtet anzuwenden.
High vacuum electric discharge apparatus. The subject of the present invention is an electric hole vacuum discharge apparatus. A high vacuum is understood to mean a vacuum which corresponds to a pressure of less than 10-4 Torr.
It is known to manufacture such discharge apparatus, such as X-ray tubes, transmitter tubes or the like, from CTIaskospheres and fused glass tubes. In the case of high voltage, their length exceeds 1 m and their manufacture, transport and assembly are very difficult as a result. One has therefore already transitioned to using glass rings that are fused with Me tallringen, and build several such rings on top of each other.
For higher voltages and operating temperatures of over 100 "C, the ohmic conductivity and the dielectric losses of the glass are already noticeable. The surface conductivity also gives rise to glow discharges and the aging of the glass limits its service life. They are already ceramic Rings for vacuum vessels have been proposed, which are sealed with metal rings by organic substances, for example pizzas, such arrangements cannot be baked out and the sealing point on the ceramic gives rise to malfunctions.
The high vacuum discharge apparatus according to the invention is characterized in that the wall of the vessel in which the discharge takes place is formed from at least one hollow insulator made of ceramic material and at least one metallic piece, the various parts being vacuum-tight and temperature-resistant with one another are fused.
In the present context, a connection is considered to be vacuum-tight and temperature-resistant if it does not leak at a pressure of less than 10-4 Torr and with temperature fluctuations between 0 and 200 C. becomes. The connections, which are often referred to simply as vacuum-tight in the following, should all be temperature-resistant in this sense.
The inventive IIochvakuuin discharge apparatus can z. B. as a hot cathode high vacuum rectifier, X-ray or Lenard tube, transmitter tube, shortwave tube, oscillograph tube, electron microscope as well as ion beam tube, especially channel beam tube. The voltages used can range from a few thousand to several million volts. The vacuum that occurs in them must in many cases be better than 10- '; Be torr.
In many cases it is necessary to form these tubes at a higher temperature and to remove them from the pump. For tubes with. Glowing cathodes need to be replaced after a few thousand hours of operation, which is why such tubes can also be dismantled and operated continuously on the pump. The accompanying drawing shows, for example, embodiments of the inventive Hochvalnüun Entladiuigsapp, arates.
In Fig. 1, a hot cathode high vacuum rectifier tube is shown. Between a rod-shaped Stromeinfüh generating conductor 1 and a tube 2, a filament 3 is arranged, which is surrounded by an anode 4 hemispherical. The latter is attached to a metal cover 6 by means of a tube 5.
A discharge space between 3 and 4 is formed by a tubular ceramic insulator 7, which has reinforcing beads 7 'at its ends, which are connected to metal rings 8 and 9 in a high vacuum-tight and temperature-resistant manner. Such connec tion of the metal rings 8 and 9 with the Iso lator 7 can, for.
B. can be obtained by fusing with a glass or enamel flow, by soft or hard soldering, by sintering or spraying on metals or similar methods known per se, which have not yet been used for the production of such IHochvakuum- vessels. The rings 8-Lind 9 are welded to metal covers 6 and 10 respectively.
The conductor 1 is fused at the point 11 with the metal part 10 by means of glass. This hot cathode rectifier tube is used in particular with ho lien voltages and small currents. So that due to the strong electrostatic, between the parts 3 and 4 on stepping field on the outside of the insulator 7 glow phenomena can be avoided NEN, ceramic screens 12-Lind 13 are arranged in their vicinity; the surface 14 lying between them is metallized and can possibly be electrically controlled from the outside.
In a similar way, the part of a screen 15 facing the collar 9 is metallized in 16. The diameter of these screens is greater than that of the reinforcing beads 7 '. The tube can be formed in the usual way at 400 to 500 ° C and disconnected from the pump. To regenerate the filament, the weld between parts 9 and 10 is opened.
In the high-vacuum discharge vessel shown in FIG. 2, the discharge also takes place within a tubular ceramic insulator 27. Two metal lids 25 and 30 have rings 25 'and 30' which are blinded to the insulator 27 in a vacuum-tight manner. In the metal cover 30 an extension 32 is set inwardly, which serves as an anode and is provided with a cooling jacket 34 and a guide plate 33.
A filament 23 is located inside the anode 32 and is fused to the cover 25 in a vacuum-tight manner by means of a conductor 21 and a fusion insulator 22 on the one hand and by a holding wire 24 on the other. The latter and the metal cover 30 are in conductive connection with the metallic coverings 29 attached to the screens 28. A pocket-like ring 31 is filled with solder and allows the vessel to be opened by heating.
A similar opening point 35 is provided in the cover 25, on which there is also a pump nozzle 26, if the discharge vessel is continuously operated on a pump. The design of this discharge vessel be intended to enable a shortening of the length by nesting the components.
3 and 4 show Hochvakuuni- Ii ', ntladiuigsgefäß in which the discharge takes place only within a metal jacket. In FIG. 3, a filament is stretched over a tube 2 and a rod 1 by a tube spring 4 which is connected to a collar 8 in a highly vacuum-tight manner via a collar 5, a tubular, ceramic insulator 6 and a collar 7.
A protective ring 9 prevents the upper end of a ceramic insulator 1.0 from glowing, which in turn is connected vacuum-tight to a collar 11. Between an anode 14 provided with ribs 15 and the collar 11 there is a weld seam which can be loosened by grinding if necessary. The anode is cooled. by means of a fan 17 arranged in an insulating tube 16.
A metallic coating 13 on a ceramic screen 1.2 is in conductive connection with the collar 11 for the purpose of suppressing glide sparks. A possible flashover is kept away from the insulator by a spark gap 18, with one pole. on a metallic pipe 19 is. Within which a heating conductor 20 passes and which is connected to the collar 8 by soft soldering. To replace the filament, the weld located between the collars 7 and 8 can be opened after the tube 19 has been removed by heating. Since the anode in this discharge vessel is directly cooled, it is particularly suitable for higher capacities.
It can also be equipped with one or more control grids.
In your high-vacuum discharge vessel according to FIG. 4, anode heat is generated on a heavy metal grid 60, from which it reaches a metal wall 61 provided with ribs 62 by radiation. A heating filament 43 is held by two symmetrically arranged half-tubes 41 and 42, which in turn are detachably connected to metal parts 44 and 45 by means of screws.
As shown in more detail in FIG. 5, the discharge vessel can be opened by heating solder 55 contained in a U-shaped groove 56 by means of a heating coil 57. A collar 54, designed as a heat throttle, is finely connected to a metal ring 53 and this is connected to a tubular kerainis insulator 52 with high vacuum leakage. The groove 56 is also connected to an insulator 46 via a collar 44 in a lioelivaktttimproof manner.
The opening of the vessel takes place between metallic parts and not on the ceramic. During the heating, the solder can be kept in a solid state by a cooling device 58, while at the same time all other parts of the discharge vessel are coated with hot air by means of a heating coil 64, a fan 63 and a guide tube 65. Tubular ceramic insulators 46 and 47 are in a high vacuum-tight manner with metal rings 48 to 51. permanently connected.
The insulator 47 serves to isolate the cathodic parts of a molecular pump 65, 66 being a cooling tube and 67 being a heat throttle. A flap could be provided between the pump and the vessel in such a way that it closes when the pressure on the side of the pump is higher than the pressure inside the vessel.
The high vacuum discharge tube shown in FIGS. 4 and 5 ar expediently operated continuously on the molecular pump. Fig. 6 shows the formation of a metallic Hochv aktium Entladeg, efässes as an X-ray tube. A heating coil 73 is electrically connected to two supply rods 41 and 42, where at 74 a focusing device is designated.
This heating coil 73 emits its electrons through a fine hole in a heavy metal body 76 to an anticathode 75, which is in good conductive connection with an outer wall 77. This is with -einem a window 79 containing cylindrical metal jacket. 78 welded, which on the other hand is connected vacuum-tight to a tubular ceramic insulator 5 2. On the other side of the insulator is a metal cover, not shown, which is connected to your Iso lator 5 2 in a vacuum-tight manner and is in conductive connection with the cathode.
In the portable X-ray tube shown in FIG. 7, a ceramic tubular insulator 83 is conical, so that a high-voltage plug 81 with a small bushing insulator 82 intended for the introduction of a filament 94 has a smaller diameter than a grounded cover 89 having.
Annular parts of the metal covers 81 and 89 are connected to the insulator 83 in an acuur-tight manner. The filament 94, a focusing screen 93 and an anti-cathode 92 are located outside the ceramic insulator and inside the metal vessel 89 provided with ribs 91. The filament is connected to electricity by two conductors 84 and 85 built into a rubber cable 86.
A grounded jacket 87 encloses one. Insulating body 88 made of molded material, which adjoins the other parts as closely as possible in order to avoid glow discharge. The between tween the lower end of the ceramic insulator 83 and the grounded sheath 87 cavity is filled with an insulating mass 90. The illustrated portable X-ray tube is characterized by its low fragility and its design, which enables small dimensions.
When in Figs. 8 and 9 dargestell th high vacuum discharge tubes, the discharge space is located within a metallic vessel which is equipped with special cooling devices to dissipate the anode and cathode heat. The discharge takes place in the longitudinal direction of the vessel. On both sides of this there are tubular ceramic insulators, which are divided into two tubular parts in order to split up the voltage gradient.
In FIG. 8, a filament 21 is hailed from a cover 26 and an anode 22 is hailed from a cover 25. The power supply and the power supply for the filament are coaxial. A metal vessel 23 at a medium potential is water-cooled by means of a jacket 24. Four exactly identical tubular ceramic insulators 27 are provided with metal screens 28 inside, which serve to concentrate the voltage gradient on the vacuum side and which can be electrically controlled from the outside.
This control can be achieved through ohmic resistances, through capacitances, through taps on the transformers, through weakly conductive coatings on the insulators 27 or through weak glow discharges in the surrounding atmosphere. Guard rings 29 are used to prevent a glow discharge.
9 shows a filament 41, whose Stromzuführiuig and Stromableitiuig are coaxial, a focusing screen 40 and an anti-cathode 42 attached to two covers 45 and the resulting heat loss is dissipated through ribs 44 attached to a metal jacket 43.
Ceramic insulators 46 connected to covers 45 are connected to insulators 47 via rings 51 and to metal jacket 43 via rings 52 in a high vacuum-tight manner. Metallic screens 48, 49 and 50 divide the voltage gradient in the axial direction.
The shields 49 designed as hollow rings have cylindrical extensions in the direction of the discharge space, so that the tension gradient is also divided in the radial direction by these extensions and by hollow rings 52. To extend the electrical route of the insulators 46 and 47 kera mix screens are attached to them, which are provided with conductive coatings.
10 shows a high-vacuum X-ray tube with an operating voltage for about one million volts, it can also be operated as a lenard tube. A hot cathode 3 is connected by means of a rod 1 and a tube 2 to metal covers 4 and 5, which are insulated from one another by means of a ceramic tubular insulator 6. The anticathode 7 consists of a tungsten plate inclined at 450 and is attached to a metal cover 9 by means of a tube 8.
Six insulators 10 are connected to metal rings 11 in a highly vacuum-tight and temperature-resistant manner, which last two under each other and with a hollow-ring-shaped focusing screen 12 are welded ver. As a result, the electrical voltage gradient occurring between the metal covers 5 and 9 is divided into six stages, which are appropriately selected to be the same size, which can be achieved by electrical control of guard rings 13 by means of ohmic or capacitive voltage division or by control voltages tapped from the transformer.
The protective rings 13 are well rounded to avoid glow discharges and sliding sparks. However, they can also be deliberately provided with sharp edges, so that the glow discharge that occurs on them results in an approximately even distribution of the voltage gradient between 5 and 9. The discharge takes place partly within the ceramic parts 6 and partly within the metal tube 8 in this case. In order to operate the tube as a Lenard tube, the tungsten plate 7 could be replaced by a so-called Lenard window.
The screens 12 form an electrostatic lens system and serve to concentrate the electron beam emanating from the filament 3 on the anticathode 7. Since the dielectric strength in a vacuum is significantly higher than the dielectric strength in normal air, the screens 12 can do much more to each other are approached as the screens 13. The X-ray tube shown can be operated without a pump or with a molecular pump 17.
In the latter case, it is expediently built so that it can be dismantled, the lower Me tallring of the insulator 6 being connected to the cover 5 by soft soldering, so that the filament 3 can be easily replaced, the multi-part ceramic insulator located between the metal covers 5 and 9 is not disassembled. If the tube is to be baked out at a higher temperature in spite of this, the separation points can be laid in the covers 5 and 9 and produced by soldering or welding. If the multi-part insulator 10 located between the lids 5 and 9 is also to be able to be dismantled, customary removable seals can be provided between the collars 11.
The advantage of the described embodiment is then that these seals can be tightened as much as desired, since no forces are exerted on the ceramic.
FIG. 11 shows a variant of FIG. 7.0, wherein the insulator 10 is provided with ceramic shields 14 which are metallized at the points 15, and this metal covering is in conductive connection with the metal collar 11 stands. With a weakly conductive coating 16 attached to the inside of the insulator 10, a favorable voltage distribution in the insulator 1.0 and an approximately linear voltage distribution between the metal covers 5 and 9 can be achieved.
The X-ray tube shown in FIG. 12, which projects into a pressure vessel, has a tubular ceramic insulator 100 which is connected in a vacuum-tight manner to the flange of a metal sleeve. The insulator 100 is pushed into a tubular ceramic insulator 101 with a narrow gap, which is installed in a container with a wall 107 which is filled with compressed gas. The compressed gas has a higher dielectric strength than atmospheric pressure air.
By pushing the tube 100 of the X-ray tube into the tube 101 of the socket, the circuit for a filament 102 is closed. The point where the X-rays are generated is outside the pressure vessel and has an anticathode 101, which consists of the rotor of a small motor 105 built into a tube 103. The X-rays come out of the tube 1.03 through an opening 7_06.
In the arrangement of an X-ray tube shown in FIG. 13, a tubular ceramic insulator 1.10 is closed in the shape of a ball at the top and carries a rod centrally, at the lower end of which an anti-cathode 1.12 is seated. A filament 111 is. Installed on the side so that the X-rays can exit vertically downwards. A vessel part 113 made of metal is connected to the insulator in a battery-tight manner via a metal ring 116. The X-ray tube works continuously on a pump 114 and has an extension 115 at the lower end, which is filled with solder.
If this point is heated, the filament can be dismantled and replaced.
The exemplary embodiments show that the tubular ceramic insulator can be cylindrical or conical or drawn in or expanded at its ends. But the same could e.g. B. also be curved in a spiral. It can also be provided with ceramic screens and reinforcing beads. Metallic rings connected to it in a highly vacuum-tight and temperature-resistant manner can be cylindrical or flat and rest on the outside or inside or on an end face. These metal rings are regarded as an inseparable structural element together with ceramic rings.
Porcelain or similar materials can be used as ceramic. Soapstone-containing masses are particularly suitable because of their low losses with alternating voltage and their low conductivity at higher temperatures. For particularly high requirements, sintered corundum and similar compounds can be used, the softening point of which is essential. higher than that of steatite.
The metal rings, which are connected to the tubular ceramic insulators in a highly vacuum-tight and temperature-resistant manner, must have a thermal expansion adapted to the ceramic and can be obtained by alloying iron with chromium, nickel and cobalt. The connection ceramic-metal can be achieved by soft or hard soldering, by spraying on metal, by sintering on or burning in metal or by a glass or enamel flow.
Such connections, which are generally referred to as fusions in the present context, allow for heating at several 1000 C.
Such high-vacuum discharge vessels can be operated separately from the pump. If they stay on the pump permanently, whoever built them to be able to be dismantled, the opening point is not arranged between the tubular ceramic insulators and their metal rings, but between metal parts laid away from them. In many cases, bakeout is also absolutely necessary for discharge vessels that are constantly working on the PLunpe, which the exemplary embodiments described permit.
Additional cooling devices, which are supposed to dissipate the resulting heat loss, can work with air or with water or with a liquid free of hydrogen ions, the latter if penetrating hydrogen must be avoided, or the metal jacket made of copper or in contact with water can be used for this purpose a chrome iron alloy or similar materials. It is also possible to use several such fabrics in a layered manner.