CH629033A5 - Gluehkathode. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkathode auf der Basis eines ten Schicht eine weitere Schicht eines für den besagten Zusatz hochschmelzenden Trägermetalls, einer als Oxyd eines Metalls diffusionshemmenden Stoffes vorgesehen ist.

der Gruppe IHb vorliegenden Aktivierungssubstanz, eines als 65 Der der Erfindung zugrunde liegende Leitgedanke beruht Karbid des Trägermetalls vorliegenden Reduktionsmittels und auf der Erkenntnis, dass die Temperaturabhängigkeit der eines die Diffusion der Aktivierungssubstanz an die wirksame Eigendiffusion des diffusionsfördernden Zusatzes (beispiels-Oberfläche fördernden Zusatzes. weise Platin) ins Innere des Trägermetalls (beispielsweise

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Molybdän) wesentlich steiler verläuft als die Temperaturabhän- kann in den Grenzen von 1 bis 20 jx variieren. Hierauf wurde gigkeit des entsprechenden Abdampfmasses. Mit anderen das Plättchen mit einer Platinschicht von 10 n Dicke versehen,

Worten, der von der beschichteten Oberfläche in den Katho- die ebenfalls elektrolytisch aufgebracht wurde. Diese Oberflä-denkörper hineindiffundierende prozentuale Anteil des Zusat- chenschicht kann vorteilhafterweise 1 bis 50 n dick sein. Das zes ist umso höher, je höher die Betriebstemperatur ist. Es geht 5 Sinterplättchen wurde hierauf in einem Benzol-Wasserstoffge-also gerade bei den zur Erlangung einer hohen Emissionsstrom- misch karburiert.

dichte geforderten höheren Betriebstemperaturen ein unver- Den Aufbau der Kathode zeigt Fig. 1 im Schnitt. 1 stellt den hältnismässig grosser Prozentsatz an diffusionsförderndem aus Trägermetall (z. B. Molybdän) und Aktivierungssubstanz Zusatz für die Kathodenoberfläche verloren. Andererseits hat bestehenden Sinterkörper dar, welcher in einer Fassung 4 aus sich gezeigt, dass die Konzentration dieses, die Diffusion der io einem Hochtemperaturwerkstoff (z. B. ebenfalls Molybdän) Aktivierungssubstanz im Gefüge des Trägermetalls fördernden gehalten und von einem Heizwendel 5 aus mittelbar erwärmt Zusatzes wesentlich kleiner gewählt werden darf, als bisher wird. Die Sperrschicht 3 aus diffusionshemmendem Stoff (beiangenommen wurde. Die Lebensdauer der Kathode kann spielsweise Rhenium) befindet sich auf der wirksamen Seite der daher durch Einschaltung einer zusätzlichen, die Eigendiffusion Kathode, direkt unterhalb der Oberflächenschicht 2 aus Platin-des Zusatzes nach dem Innern des Körpers hemmenden is metall.

Schicht wesentlich erhöht werden. Die Kathode kann auch direkt beheizt ausgeführt werden,

An eine derartige Sperrschicht wird die Bedingung gestellt, wodurch der Heizwendel 5 und die Fassung 4 in Wegfall kom-dass sie im übrigen die chemisch-thermodynamischen Gleich- men bzw. durch andere Bauelemente ersetzt sind. Dabei kann gewichte sowie die entsprechende Reaktionskinetik der betei- der Sinterkörper auch eine andere als die in der Figur skiz-ligten Stoffe nicht in ungünstiger Weise beeinflusst. Insbeson- 20 zierte Form aufweisen.

dere darf sie die Diffusion der Aktivi'erungssubstanz an die

Kathodenoberfläche nicht beeinträchtigen. Die Sperrschicht Ausführungsbeispiel 2 darf ferner mit dem diffusionsfördernden Zusatz keine derar- Siehe Fig. 2 :

tige Legierung eingehen, welche die Aktivierungssubstanz 99% Molybdänpulver und 1 % Lanthanoxydpulver wurden chemisch-physikalisch verändern und deren Diffusion an die 25 zur Herstellung einer Hülle gemischt, gepresst und gesintert Kathodenoberfläche herabsetzen könnte. und anschliessend mechanisch zu einem Hohlzylinder verarbei-

Den oben genannten Bedingungen genügen vor allem Eie- tet. Zur Herstellung eines Kerns wurden 97% Molybdänpulver mente, deren Korngrenzendiffusion im Innern des Kathoden- mit 3% Lanthanoxydpulver nach dem gleichen Verfahren zu körpers kleiner ist als diejenige des gleichzeitig zur Anwen- einem Stab verarbeitet. Letzerer wurde mit der Hülle zusam-dung kommenden diffusionsfördernden Zusatzes für die jewei- 30 mengefügt und durch Rundhämmern auf einen kleineren lige Aktivierungssubstanz. Darüber hinaus werden sich diejeni- Durchmesser reduziert. Hierauf wurde der auf diese Weise her-gen Elemente in vorteilhafter Weise auswirken, deren Dampf- gestellte Draht von 3 mm Durchmesser in einem Benzol-Was-druck bei der Betriebstemperatur niedriger ist als der Dampf- serstoffgemisch karburiert, zunächst mit einer galvanisch abge-druck des gleichzeitig verwendeten diffusionsfördernden schiedenen Rheniumschicht von 5 |i Dicke und zum Schluss mit

Zusatzes. Besteht letzterer beispielsweise aus Platin oder einer 35 einer 10 |x dicken Platinschicht versehen.

hauptsächlich dieses Metall enthaltenden Legierung, so können Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch einen derartigen Katho-für die Sperrschicht vor allem die Elemente Hafnium, Rhenium, dendraht mit schichtweisem Aufbau der Aktivierungssubstanz. Ruthenium, Osmium oder Iridium sowie Legierungen dieser Die Kernzone 6 des Trägermetalls (z. B. Molybdän) ist mit Elemente wie auch eine Palladium/Rhenium-Legierung Ver- einem verhältnismässig hohen Gehalt an Aktivierungssubstanz wendung finden. Es kann ganz allgemein gesagt werden, dass, 40 (z. B. Lanthanoxyd) dotiert. An die Kernzone 6 schliesst sich die falls der diffusionsfördernde Zusatz aus einem Platinmetall Randschicht mit niedrigem Gehalt an Aktivierungssubstanz an. besteht, für die Sperrschicht ein anderes Platinmetall oder ein Darauf folgt die Sperrschicht 3 aus diffusionshemmenden Stoff sonstwie geeignetes Metall mit niedrigerem Dampfdruck (z. B. Rhenium) und zu äusserst die Oberflächenschicht 2 aus genommen werden kann. Platinmetall (im vorliegenden Fall Platin).

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den durch Figuren 45 näher erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Dabei Ausführungsbeispiel 3 zeigen: Siehe Fig. 3.:

Fig. 1 den Querschnitt durch ein als Kathode wirkendes Sin- Nach dem unter Beispiel 2 angegebenen Verfahren wurde terplättchen, je ein Kern und eine Hülle hergestellt, wobei beide die gleiche

Fig. 2 den Querschnitt durch einen Kathodendraht mit 50 Konzentration an Aktivierungssubstanz Lanthanoxyd von 3% schichtweisem Aufbau der Aktivierungssubstanz, aufwiesen. Vor dem Zusammenfügen wurde der Kern mit einer

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Kathodendraht mit dif- elektrolytisch abgeschiedenen Rheniumschicht von 20 |i Dicke fusionsförderndem Zusatz als Zwischenschicht, und einer Platinschicht von 100 p. Dicke versehen. Die Schicht-

Fig. 4 den Querschnitt durch einen Kathodendraht mit dif- dicken können zwischen 5 und 50 n bzw. 20 und 200 |i variieren, fusionsförderndem Zusatz als Kern, 55 Hierauf wurde der Körper zunächst durch Rundhämmern auf

Fig. 5 den Querschnitt durch einen Kathodendraht mit fein- einen Durchmesser von 3 mm und dann durch Ziehen auf einen verteiltem diffusionsförderndem Zusatz in der Kernzone, solchen von 1 mm heruntergebracht und anschliessend karbu-

Fig. 6 ein Diagramm der Lebensdauer in Funktion der riert. Der Draht wurde zum Schluss mit je einer galvanisch auf-

Dicke des diffusionsfördernden Zusatzes für einen rundgehäm- gebrachten Rhenium- und Platinschicht von 3 bzw. 15 |x verse-merten Kathodendraht mit und ohne Sperrschicht. 60 hen.

Der fertige Drahtquerrschnitt ist aus Fig. 3 ersichtlich. 6 Ausführungsbeispiel 1 stellt die Kernzone mit hohem Gehalt an Aktivierungssubstanz

Siehe Fig. 1 : und 8 die entsprechende, ebenfalls hoch dotierte Randschicht

98 % Molybdänpulver wurden mit 2 % Lanthanoxydpulver dar. Die Sperrschicht 10 aus diffusionshemmendem Stoff (beigemischt, gepresst und gesintert. Vom wärmebehandelten Sin- 65 spielsweise Rhenium) befindet sich unmittelbar unter der Zwi-terkörper wurde ein Plättchen abgetrennt, seine Oberfläche schenschicht 9 aus Platinmetall. Der Aufbau der Oberflächenpoliert und auf elektrolytischem Wege mit Rhenium beschich- schichten 2 und 3 entspricht demjenigen der Fig. 2. Die Oberflä-tet. Die Dicke der Sperrschicht betrug durchschnittlich 5 p. und chenschicht 2 aus Platinmetall kann gegebenenfalls im Anliefe-

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rungszustand auch fehlen, wobei zunächst die Sperrschicht 3 die Rolle des diffusionsfördernden Zusatzes in der Randzone übernimmt, bis genügend Platinmetall aus dem Innern an die Oberfläche diffundiert ist. Dank zahlreicher Legierungsbildungsmöglichkeiten zwischen 2 und 3 sind ohnehin weitere Werkstoffkombinationen mit unterschiedlich abgestuften Funktionen ausführbar.

Ausführungsbeispiel 4 Siehe Fig. 4:

96% Molybdänpulver und 4% Lanthanoxydpulver wurden zur Herstellung eines Mantels gemischt, gepresst, gesintert und anschliessend mechanisch zu einem zylindrischen Stab mit einer Bohrung verarbeitet. In die Bohrung wurde ein Platindraht stramm passend eingeschoben und das Ganze durch Rundhämmern auf einen Durchmesser von 4 mm reduziert. Der auf diese Weise gefertigte Draht wurde nach dem unter Beispiel 2 angegebenen Verfahren mit einer Rheniumschicht von 8 \l Dicke und einer Platinschicht von 20 |x Dicke versehen und anschliessend karburiert.

In Fig. 4 ist der Querschnitt des Kathodendrahtes schematisch dargestellt. 11 stellt den Kern aus diffusionsförderndem Zusatz (Platinmetall, im vorliegenden Fall Platin) dar, während mit 12 der mit hohem Gehalt an Aktivierungssubstanz dotierte Mantel aus Trägermetall (hier Molybdän) bezeichnet ist. Die Oberflächenschicht 2 aus Platinmetall (Platin) liegt auf der Sperrschicht 3 aus diffusionshemmendem Stoff (Rhenium) auf.

Ausführungsbeispiel 5 Siehe Fig. 5:

Nach dem unter Beispiel 2 angegebenen Verfahren wurde je ein Kern und eine Hülle hergestellt, wobei jedoch den pul-verförmigen Ausgangsmaterialien für den Kern zusätzlich noch 0,5% Platinmoor zugegeben wurde. Die Weiterverarbeitung erfolgte analog den im Beispiel 2 erwähnten Verfahrensschritten. Der mit einer 4 [x dicken Rhenium- und einer 25 p, dik-ken Platinschicht versehene rundgehämmerte Draht wies einen Durchmesser von 3,5 mm auf.

Fig. 5 zeigt den schichtweisen Aufbau eines derartigen Kahodendrahtes. Die Kernzone 13 des Trägermetalls (z. B. Molybdän) weist einen verhältnismässig hohen Gehalt an Aktivierungssubstanz (Lanthanoxyd) auf und ist überdies mit feinverteiltem Platin als diffusionsförderndem Zusatz dotiert. Die Randschicht 7 mit niedrigem Gehalt an Aktivierungssubstanz trägt ihrerseits die der Fig. 2 entsprechenden Oberflächenschichten 2 und 3.

In Fig. 6 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Lebensdauer in Funktion der Schichtdicke des diffusionsfördernden Zusatzes für einen rundgehämmerten Kathodendraht gemäss Fig. 2 darstellt. Die Einflüsse der Sperrschicht sowie der Betriebstemperatur sind durch verschiedene Linienzüge gekennzeichnet. Die Kurven «a» und «b» beziehen sich auf eine Betriebstemperatur von 2050 °K, die Kurven «c» und «d» auf eine solche von 1880 °K. Auf der Abszisse ist die Schichtdicke des diffusionsfördernden Zusatzes (Platin) in ji im natürlichen, auf der Ordinate die Lebensdauer der Kathode in h im logarithmischen Massstab aufgetragen, «a» und «c» sind die Vergleichskurven für Glühkathoden ohne Sperrschicht, auf der Basis von Molybdän als Trägermetall, Molybdänkarbid als Reduktionsmittel und Platin als diffusionsförderndem Zusatz, «b» und «d» stellen die entsprechenden Kurven für Glühkathoden mit einer zusätzlichen Rhenium-Sperrschicht von 5 \i Dicke dar. Der Betriebsdruck der Elektronenröhre betrug 5 • 10~4 Torr. Aus dem Kurvenvergleich geht hervor, dass die Lebensdauer durch die Rheniumbeschichtung durchschnittlich auf den 2,5fachen Wert des ursprünglichen erhöht werden konnte.

Die Erfindung ist nicht auf die in den vorgenannten Beispielen erläuterten Ausführungsformen beschränkt. Sie lässt sich in vorteilhafter Weise auch auf andere als die oben beschriebenen Werkstoffkombinationen anwenden. Ausser dem System Mo/ Mo2C/La203/Pt kommen vor allem auch die Systeme W/W2C/ ThÜ2/Ru und Ta/Ta2C/Y203/Pd in Betracht. Die vorgeschlagene Sperrschicht lässt sich ganz allgemein auf alle Werkstoffkombinationen von mit einem diffusionsfördernden Zusatz dotierten Reaktionskathoden des Diffusionsnachlieferungstyps anwenden, um eine unliebsame Eigendiffusion des Zusatzes in eine unerwünschte Richtung zu verringern oder gänzlich zu unterbinden.

Durch die erfindungsgemässen neuen Glühkathoden wurden Bauelemente für Elektronenröhren geschaffen, die bei hoher Emissionsstromdichte beste Ausnutzung der verfügbaren Materialien ermöglichen und eine lange Lebensdauer gewährleisten. Die Sperrschicht gestattet, die chemisch-physikalischen Vorgänge weitgehend in die gewünschte Richtung zu dirigieren und unvorteilhafte Nebenerscheinungen im Betrieb wirksam einzuschränken.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

629033 2 PATENTANSPRÜCHE Glühkathoden für Elektronenröhren sind in der Technik in

1. Glühkathode auf der Basis eines hochschmelzenden zahlreichen Ausführungsformen und Werkstoffkombinationen Trägermetalls, einer als Oxyd eines Metalls der Gruppe IHb bekannt. Sie reichen von den klassischen Oxydkathoden mit tievorliegenden Aktivierungssubstanz, eines als Karbid des fer Betriebstemperatur und geringer Emissionsstromdichte Trägermetalls vorliegenden Reduktionsmittels und eines die 5 aber langer Lebensdauer bis zu komplizierten Vielstoffsyste-Diffusion der Aktivierungssubstanz an die wirksame Ober- men insbesondere der Gattung der sogenannten Reaktionska-fläche fördernden Zusatzes, dadurch gekennzeichnet, dass zur thoden. Unter letzteren werden vor allem die mit chemischer Herabsetzung der Eigendiffusion des besagten diffusions- Umsetzung und Nachlieferung der Aktivierungssubstanz aus fördernden Zusatzes von der wirksamen Kathodenoberfläche dem Innern arbeitenden und eine verhältnismässig hohe weg ins Innere auf der der wirksamen Oberfläche abgewandten 10 Betriebstemperatur aufweisenden Kathodenmaterialien des Seite der den diffusionsfördernden Zusatz enthaltenden oder Typs W/WîC/ThOî («thorierte Wolframkathoden») eingesetzt, durch letzteren gebildeten Schicht (2) mindestens eine weitere Sie zeichnen sich durch lange Lebensdauer bei massiger Emis-Schicht (3,10) eines für den besagten Zusatz diffusionshemmen- sionsstromdichte aus. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die den Stoffes vorgesehen ist. Austrittsarbeit der Elektronen durch Hinzufügen eines Platin-

2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 15 metalls zum vorgenannten System gesenkt und dessen Emis-dass der diffusionshemmende Stoff bei der Betriebstemperatur sionseigenschaften verbessert werden können (z. B. DE-OS der Kathode einen niedrigeren Dampfdruck aufweist als der 1 614 541 ). Es sind ausserdem noch andere Werkstoffkombina-diffusionsfördernde Zusatz. tionen bekannt, welche bei mittlerer Lebensdauer eine Steige-

3. Glühkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, rung der Emissionsstromdichte erlauben, worunter vor allem dass der diffusionsfördernde Zusatz aus einem Platinmetall 20 die Systeme Mo/Mo2C/La203 (nach DE-AS 2 344 936) und Mo/ oder einer Legierung von mindestens zwei Platinmetallen MozC/LazOa/Pt-Metall und ähnliche (nach DE-AS 2 454 569) besteht und dass der diffusionshemmende Stoff aus einem ande- genannt seien. Es sind ausserdem Glühkathoden bekannt, ren Platinmetall oder aus Hafnium oder Rhenium oder einer welche auf der Basis von aus Pulvermischungen eines hoch-Legierung von mindestens zweien der vorgenannten Elemente schmelzenden Metalls mit einem Platinmetall hergestellten aufgebaut ist. 25 porösen Sinterkörpern aufgebaut sind, deren Poren mit einem

4. Glühkathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die Aktivierungssubstanz enthaltenden Material ausgefüllt sind dass der diffusionshemmende Stoff aus mindestens einem der (z. B. DE-OS 2 727 187). Derartige Kathoden zeichnen sich vor Elemente Hafnium, Rhenium, Rhuthenium, Osmium oder Iri- allem durch hohe Emissionsstromdichte bei verhältnismässig dium besteht. niedrigen Betriebstemperaturen aus.

5. Glühkathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 30 Die Lebensdauererwartung der vorgenannten Kathoden ist dass der diffusionsfördernde Zusatz aus Platin und der diffu- in Anbetracht der meist noch als relativ hoch anzusehenden sionshemmende Stoff aus Rhenium besteht. Betriebstemperaturen für viele Anwendungszwecke ungenü-

6. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, gend. Bei den ein Platinmetall als diffusionsfördernden Zusatz dass das Trägermetall Molybdän und das Reduktionsmittel enthaltenden Kathodenwerkstoffen (z. B. System M0/M02C/ Molybdänkarbid ist, dass die Aktivierungssubstanz aus Lanthan 35 La203/Pt) hat sich nun gezeigt, dass sowohl Lebensdauer wie oxyd, der diffusionsfördernde Zusatz aus Platin oder einer Pia- Emissionsvermögen der monoatomaren Aktivatorschicht tinlegierung und der diffusionshemmende Stoff aus Rhenium massgebend von der Konzentration bzw. Lebensdauer des dif-besteht. fusionsfördernden Zusatzes in der wirksamen Oberflächen-

7. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Schicht bzw. Randzone der Kathode abhängt. Der Bestand dass die Schicht des diffusionsfördernden Zusatzes eine Dicke Uo einer dichten Schicht dieses Zusatzes ist einesteils von dessen von 1 bis 50 ji und diejenige des diffusionshemmenden Stoffes Abdampfmass an der Oberfläche, andernfalls von dessen Diffu-eines solche von 1 bis 20 n aufweist. sionsgeschwindigkeit ins Innere des Kathodenkörpers abhän-

8. Glühkathode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, gig. Beide Faktoren sind stark temperaturabhängig, so dass der dass sie in Form eines Sinterkörpers vorliegt, wobei der Gehalt Kathodenlebensdauer schlussendlich auch von dieser Seite her an Aktivierungssubstanz im wesentlichen gleichmässig über 45 Grenzen gesetzt sind. Bei den herkömmlichen Reaktionsme-den Trägermetallquerschnitt verteilt ist und die aktive Ober- thoden wird die Funktionsfähigkeit durch den ins Innere des fläche mit einer Schicht eines diffusionshemmenden Stoffes Trägermetalls diffundierten und nicht kontrollierbaren Anteil versehen ist, über welcher eine Schicht des diffusionsfördern- an diffusionsförderndem Zusatz vorzeitig beeinträchtigt, so den Zusatzes liegt. dass sich der Vorrat des letzteren in der Oberflächenschicht

9. Glühkathode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, 50 frühzeitig erschöpft.

dass sie in Form eines Drahtes, Bandes oder Bleches vorliegt, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühka-

dass der Querschnitt bezüglich Konzentration und/oder Anord- thode zu entwickeln, welche unabhängig von Form und Her-nung der im Trägermetall eingelagerten Aktivierungssubstanz stellungsverfahren sowie Gefügebeschaffenheit bei hoher schichtweisen Aufbau besitzt, und dass der diffusionsfördernde Emissionsstromdichte eine optimale Werkstoffausnutzung Zusatz die Oberflächenschicht und/oder eine Zwischenschicht 55 ermöglicht und eine möglichst hohe Lebensdauer selbst unter bildet, unter welcher jeweils eine Schicht des diffusionshem- den härtesten Betriebsbedingungen gewährleistet.

menden Stoffes liegt. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei der eingangs definierten Glühkathode zur Herabsetzung der Eigendiffusion des besagten diffusionsfördernden Zusatzes von 60 dei- wirksamen Kathodenoberfläche weg ins Innere auf der der wirksamen Oberfläche abgewandten Seite der den diffusionsfördernden Zusatz enthaltenden oder durch letzteren gebilde-