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Direkt oder indirekt geheizte Glühkathode für elektrische Entladungsgefäße
und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen Emissionsstoff
für elektrische Entladungsröhren, wie Gleichrichter mit oder ohne Gasfüllung, Empfangs-
oder Senderöhren für drahtlose Telegraphie, Telefonie oder ähnliche Zwecke, mit
zwei oder mehreren Elektroden und mit oder ohne Gasfüllung, Röntgenröhren, gasgefüllte
Entladungslampen usw.
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Zweck der Erfindung ist es, einen solchen. Stoff für die Glühkathoden
zu wählen, daß bei einer bestimmten Heizleistung eine möglichst starke Elektronenemission
vorhanden ist und außerdem eine genügend lange Lebenszeit ganz unabhängig von der
Größe der Belastung erreicht wird, wobei man mit der Stromentnahme bis zur Sättigung
gehen kann.
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Nach der Erfindung besteht die emittierende Oberfläche einer direkt
oder indirekt geheizten Glühkathode für elektrische Entladungsröhren ganz. oder
teilweise aus einem dünnen Überzug aus Mischkristallen der Nitride und Karbide des
Titans, Zirkons oder Hafniums oder aus Nitrid-Karbid-Schichten von mindestens zwei
Metallen der Gruppe Titan; Zirkon und Hafnium.
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Die Emissionseigenschaften von Karbiden, wie Tantalkarbid, und von
Titannitrid sind an sich bekannt, jedoch wesentlich ungünstiger als die Emissionseigenschaften
der Überzüge aus den Mischkristallen dieser Verbindungen. So beträgt beispielsweise
-die Austrittsarbeit bei Tantalkarbid 3,14 V gegenüber nur 2,5 V bei den Mischkristallen
der Erfindung. Die vielfach für den gleichen Zweck Thorium enthaltenden Elektroden
besitzen zwar ebenfalls günstige Austrittsarbeiten (2,6 V), jedoch verdampft Thorium
je nach Kathodentemperatur mehr oder minder schnell von der Oberfläche, so daß eine
ziemlich genaue Temperatur (etwa 1327° C) eingehalten werden muß. Es ist ferner
seit langem bekannt, Glühkathoden mit oberflächlichen Schichten von Titannitrid
oder Zirkonnitrid oder Hafniumnitrid oder einem Gemenge dieser Verbindungen zu verwenden.
Diese Stoffe besitzen zwar ebenfalls eine gute Elektronenemission. Es hat sich jedoch
gezeigt, daß insbesondere bei höheren Temperaturen die Verbindungen dissoziieren
und dadurch die Elektronenemission nachläßt.
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Es wurde weiter gefunden, daß der dünne Überzug von Titannitrid-Titankarbid-Mischkristallen
vorzugsweise in Form des Mischkristalls mit einem Verhältnis 1 :1 herzustellen ist,
weil bei diesem Mischungsverhältnis von 1 :1 der Schmelzpunkt im Titannitrid.-Titankarbi.d-Diagramrn
ein Maximum (3227° C) durchläuft, der bei dieser Zusammensetzung der Mischkristalle
besonders stabil ist. Diese Verbindung hat die bereits erwähnte sehr niedrige Austrittsarbeit
von etwa 2,5 V und dementsprechend eine sehr hohe Elektronenemission. So wurde z.
B. gefunden, daß bei einer Titannitrid-Titankarbid-Schicht der Sättigungsstrom einer
Gleichrichterröhre in zylindrischer Anordnung bei 2027° C 45 mA (Miniampere) beträgt,
was einer spezifischen Emission von etwa 0,9 A/cm2 bei einem Heizmaß von 8 mA/W
entspricht.
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Man kann solche Schichten auf einen schwer schmelzbaren Körper, z.
B. Wolfram oder Molybdän, oder auf einen keramischen Werkstoff aufbringen. Es ist
dabei ffir die Elektronenemission selbst nicht notwendig, daß die ganze Oberfläche
dicht überzogen ist.
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Titannitrid und Titankarbid können zur Herstellung dieses- Überzüge
einzeln oder gemeinsam auf die Oberfläche der Elektrode oder einen Teil derselben
aufgebracht werden. Verwendet man hierbei als Grundwerkstoff ein hochschmelzendes
Metall, dann wird vorzugsweise zunächst eine Schicht von Titanni,trid und auf diese
eine Schicht von Titankarbid aufgebracht. Durch diese Maßnahme wird die Versprödung
des Grundmetalls durch Karbidbildung vermieden. Bei keramischen Werkstoffen ist
die Reihenfolge der Aufbringung beliebig.
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Überzüge von Titannitrid werden vorzugsweise durch eine Reaktion in
der Gasphase auf den betreffenden Gegenständen abgeschieden. Beispielsweise kann
man Überzüge aus Titannitrid durch folgende Reaktion sofort auf der Oberfläche des
Werkstückes abscheiden: Ti C14+2H2+1/zN2=TiN+4HC1; auf dieser Titannitridschicht
wird dann Titankarbid abgeschieden, beispielsweise durch Reaktion einer Gas.mis.chung
aus Titantetrachlorid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Methan.
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Glüht man eine solche Elektrode; die eine Titannitrid- und eine Titankarbidschicht
besitzt, beispielsweise
bei etwa 1727° C, dann tritt eine Umsetzung
in der Schicht ein unter Bildung eines Mischkristalls zwischen Titannitrid und Titankarbid,
und man erhält eine sehr temperaturbeständige Oberflächenschicht, die eine sehr
konstante Elektronenemission auch bei relativ hohen Temperaturen besitzt.
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Für die Herstellung der Elektroden ist es möglich, zunächst nur die
beiden Schichten Titannitriid und Titankarbid aufzubringen. Die Mischkristallbildung
setzt dann bei der Benutzung der Elektrode von selbst ein.
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Ein besonderer Vorteil der Schichten für Glühkathoden ist, daß sie
selbst eine recht gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, so, daß auch auf Keramik
abgeschiedene Schichten durch direkte Heizung betrieben werden können, wobei ein
wesentlich günstigeres Heizmaß erreichbar ist als bei indirekter Heizung, wie sie
beispielsweise bei den bekannten Oxydkathoden erforderlich ist.
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Zur Herstellung eignet sich insbesondere Wolfram als Kathodenmaterial,
beispielsweise in Form von Glühfäden. Derartige Glühfäden mit einem Überzug in der
Größenordnung von beispielsweise einem oder wenigen Mikron Dicke ergeben einen gegenüber
den bisher üblichen Kathodenwerkstoffen sehr hohen Emissionsstrom und sind in bezug
auf Zerstörung bei Temperaturänderung sehr unempfindlich. Die erfindungsgemäßen
Kathoden können sowohl im kaumladungs- als auch Sättigungsbetrieb betrieben werden.
Titannitrid-Titankarbid-Überzüge auf einem Wolframfaden von 0,08 mm Durchmesser
und. einer Glühkathodenlänge von etwa 1,9 cm in einer zylindrischen Nickelanode
angeordnet mit einem Anodendurchmesser von etwa 6 mm ergaben bei einer Kathodentemperatur
von 2027° C bei etwa 6 V Anodenspannung einen Anodenstrom von 1 mA, bei 18 V Anodenspannung
dagegen schon 45 mA, womit der Sättigungsstrom erreicht war. Bei einer weiteren
Steigerung der Anodenspannung bis auf etwa 200 V steigt der Sättigungsstrom nur
noch etwa um 2,5 mA. Eine solche Kennlinie konnte bisher nicht erreicht werden.