DE1044987B

DE1044987B - Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit bestehenden Heizkoerpers fuer direkt oder indirekt geheizte Kathoden

Info

Publication number: DE1044987B
Application number: DED26307A
Authority: DE
Inventors: Richard Magner
Original assignee: Deutsche Elektronik GmbH
Current assignee: Deutsche Elektronik GmbH
Priority date: 1957-08-27
Filing date: 1957-08-27
Publication date: 1958-11-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit bestehenden Heizkörpers für direkt oder indirekt geheizte Kathoden mit einer Emissionstemperatur über 1400° C für Elektronenröhren. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein nach diesem Verfahren hergestellter Heizkörper sowie eine indirekt geheizte hochbelastbare Kathode mit diesem Heizkörper.

Indirekt, geheizte Kathoden für Elektronenröhren haben üblicherweise als Heizelement eine Wolframwendel, die mit einer aufgesinterten, Aluminiumoxydschicht isoliert ist. Das Äluminiurnoxyd behält seine guten Isolationseigenschaften bis zu etwa 1600° C Bei dieser Temperatur Hegt etwa die Grenze der Verwendbarkeit. Aufgabe des Heizelementes ist es, den Emissionsschichtträger,, beispielsweise eine Nickelhülse, auf die Emissionstetnperatur zu erhitzen,..

Besteht die Emissionsschicht aus Erdalkalioxydea, so reichen diese Heizelemente meistens aus, um die erforderliche Emissionstemperatur zu halten. Es treten aber auch hier schon Fälle auf,, wo die thermische Belastung des. Brenners zu hoch wird, z. B. bei Magnetronkathoden aus Erdalkalioxyden mit Metallpulverzusatz, bei denen an den Enden, des Emissionsträgers Abschirmflansche angeordnet sind, die die Temperaturstrahlung erheblich vergrößern, wobei die Belastung des Brenners insbesondere beim Entgasen und Formieren der Kathode zu groß, werden kann« Geht man aber zu Emissionsstoffen wie Thorittmoxyd, Lanthanborid, Titannitrid, Titancarbid und ähnlichen Stoffen über, deren Emissionstemperaturen oberhalb 1500° C liegen, dann reicht die Belastbarkeit des mit Aluminiumoxyd isolierten Brenners, für indirekt geheizte Kathoden mit beispielsweise zylindrischer Fläche nicht mehr aus.

Man geht bei Thoriumoxyd als Emissionssubstanz dann zu direkt, geheizten Kathoden über, bei denen auf einen Wolframdraht das. Thoriumoxyd unmittelbar aufgebracht wird. Auch die bekannte Wolfram-Thoriumfilm-Kathode wird als direkt geheizte Kathode gebaut. Dünnwandige Zylinder aus, Wolfram, thorierteni Wolfram, Molybdän oder Tantal als Träger für bei hohen Temperaturen emittierende Stoffe durch direkten Stromdurohgang zu erhitzen ist zwar möglich, wird aber wegen der erforderlichen hohen Ströme praktisch· selten angewandt. So braucht beispielsweise eine Kathode mit einem Durchmesser von 5 mm und einer aktiven Fläche, von 3. cm² mit der Wärmeableitung durch Siromzuführungen und vergrößerter Abstrahlung durch Ahschirmscheiben bei 16QO⁰C 170. Watt Heizleistung.. Bei einer Wandstärke, des, Röhrohens von, 04 mm ergeben sich Ströme, die weit über 100 Ampere liegen. In den meisten Fällen sind so hohe Ströme nicht tragbar.

Verfahren zur Herstellung

eines aus Graphit bestehenden

Heizkörpers für direkt oder indirekt

geheizte Kathoden

Anmelder:

Deutsche Elektronik G. m. b. H._r
Berlin-Wilmersdorf, Forckenbeckstr. 9-13

Richard Magner, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt worden

Man bat daher vorgeschlagen, Röhrchen aus Wolfram und Thoriumoxyd in bestimmten Mischungsverhältnissen zu verwenden,, bei denen der Widerstand erheblich größer ist als bei reinem Wolfram. Bei solchen Körpern ist es, aber schwierig, die Stromztrführungen. anzubringen, so daß Kathoden dieser Art praktisch keine Bedeutung erreicht haben. Bei geringer werdendem Thoriumaxydzusatz zu Wolfram würde der stärker in Erscheinung tretende metallische Charakter solcher Körper zwar das Anbringen der Stromzufiihrungen erleichtern, der elektrische Widerstand würde aber herabgesetzt, so daß in bezug auf die Herabsetzung der Stromstärke für die Heizung kein Vorteil in Erscheinung tritt.

Für indirekt geheizte Kathoden sind auch schon kofalenstafflhaltige Stäbe oder Graphitstäbe als Heizkörper verwendet worden. Es hat sich aber gezeigt, daß Graphitstäbe nicht ohne weiteres als Heizkörper für hochbelastbare und mit einer Emissiotistemperat«r über 1400° C arbeitende Kathoden verwendbar sind. Je nach Herkunft, Reinheitsgrad und Herstellungsverfahren sehwanken nämlich die spezifischen Widerstände der verschiedenen Graphitsorten zwischen 18 und 50 Ohm/mm² ■ m. Größtenteils sind die Streuungen der Widerstände auf keramische Beimengungen zurückzuführen. Diese keramischen Beimengungen können emissionssdiädliche Stoffe enthalten und außerdem bei hohen Betriebstemperaturen reduziert werden,, wodurch sich die physikalischen Eigenschaften der Körper, wie beispielsweise elektrischer Widerstand uad mechanische Festigkeit, ändern.

Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie man zu einem Heizkörper aus Graphit gelangt, der diese

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Nachteile nicht aufweist und für Kathoden, die hoch belastet werden und bei hohen Temperaturen, und zwar über 1400° C, arbeiten sollen, hervorragend geeignet ist. Gemäß der Erfindung wird so vorgegangen, daß der Graphitkörper bei etwa 3000° C behandelt wird und einen elektrischen Widerstand von mindestens 30 Ohm/mm² · m besitzt und daß er an den Stellen der Stromzuführungen mit Armierungen aus einem Metall versehen wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient über dem des Graphits liegt.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein so hergestellter Heizkörper aus Graphit auch bei hoher Belastung und bei Temperaturen über 1400° C über lange Betriebszeiten eine hohe und gleichmäßige Emission der Kathode gewährleistet. Hohe Belastbarkeit bei langer Lebensdauer sind also die Vorzüge der auf dem erfindungsgemäßen Wege gewonnenen neuen Heizkörper und der damit ausgerüsteten Kathoden.

Die Armierung an den Stellen der Stromzuführungen besteht zweckmäßigerweise aus Molybdän und ist mit dem Graphitkörper verschraubt.

Der nach der Erfindung hergestellte Heizkörper aus Graphit kann sowohl als Träger einer direkt geheizten Kathode als auch als Heizelement für indirekt geheizte Kathoden dienen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Heizkörpers sollen an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden.

In der Zeichnung sind zwei Kathoden im Längsschnitt dargestellt, und zwar in

Fig. 1 eine direkt geheizte Kathode und in

Fig. 2 eine indirekt geheizte Kathode.

Die Herstellung eines direkt geheizten Heizkörpers ist verhältnismäßig einfach. Auf ein Graphitrohr mit nach außen verdickten und mit Gewinde versehenen Enden sind zum Anbringen der Stromzuführungen gleichfalls mit Gewinde versehene Molybdänflansöhe oder -hülsen aufgeschraubt. Die Stromzuführungen können dann durch Schweißen befestigt werden. Molybdän ist deswegen für den Übergang Kohle—Metall besonders geeignet, weil die Wärmeausdehnungen beider Stoffe gering sind. Die Kohle hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten unter 50 · 10~⁷ und liegt damit unter dem von Molybdän. Dies ist wichtig, da die Kohle im Betrieb eine höhere Temperatur hat als die Molybdänarmierung, wodurch eine Gefahr der Zerstörung des Rohres durch das Auftreten von Scherkräften an den Übergängen zu den Gewinden vermieden wird.

In Fig. 1 bezeichnet 1 das an den Enden verdickte, mit Gewinde versehene Graphitrohr, 2 und 3 Molybdänflansche für die Stromzuführung mit zwei an ihren Stirnseiten angeschweißten Molybdänplättchen4und5, die beim Aufschrauben der Flansche auf das Graphitrohr einen Anschlag geben.

Bei dem oben angeführten Beispiel einer direkt geheizten Kathode mit 3 cm² aktiver Fläche und 5 mm Rohrdurohmesser kann man mit einer Wandstärke von etwa 0,3 mm und einer Stromstärke von nur 25 bis 30 Ampere eineTemperatur von 1600° C erreichen.

Die Anwendung solcher Heizkörper ist aber auf Fälle beschränkt, bei denen eine Ansinterung metallischer Emissionssubstanzen in so dünnen Schichten ausreichend ist, daß nooh keine nennenswerte Herabsetzung des elektrischen Widerstandes des Trägers durch die Schicht zu befürchten ist.

Mit großem Vorteil lassen sich Graphitkörper nach der Erfindung auch für indirekt geheizte Kathoden verwenden. Der Aufbau einer Kathode mit indirekter Heizung und Kohle als Heizelement weicht von dem soeben beschriebenen Beispiel erheblich ab, da der Heizer gegen die Kathodenhülse als den eigentlichen Träger der Emissionsschicht isoliert sein muß. Er ist in Fig. 2 an einem Beispiel dargestellt.

Da der Graphit auch bei hohen Temperaturen seine Standfestigkeit behält, genügt es, zwischen Graphitkörper und Kathodenhülse einen nach Zehntel Millimetern bemessenen konzentrischen Spalt zu lassen. An einer Stirnseite der Kathode wird der Heizer gegen die Kathodenhülse durch eine auf den Heizer aufgeschraubte Kappe aus Molybdän isoliert, auf deren Oberfläche eine etwa 150 μ starke Aluminiumoxydschidht aufgesintert ist. Da an den Enden des Heizelementes durch die Wärmeableitung der Stromzuführungen und den Temperatursprung zwischen Kohle und Metallarmierung ein Temperaturabfall bis zu 300° C auftritt, erreicht das Aluminiumoxyd

selbst bei einer Kathodentemperatur von 2000° C nur etwa 1700° C, eine Temperatur, die kurzzeitig beim Formieren auftreten kann, ohne Schaden zu verursachen. Im normalen Betrieb herrscht eine niedrigere Kathodentemperatur, und die Temperatur des AIuminiumoxyds bleibt unterhalb der eingangs erwähn-• ten kritischen Grenze.

Die Hülse als Emissionsschichtträger kann bei indirekter Heizung beliebig dickwandig gewählt werden, ebenso die Emissionsschicht selbst. Die Hülse kann ein Wolfram-, Molybdän- oder Tantalrohr sein, sie kann auch, und das ist wichtig, aus einer Wolfram-Thoriumoxyd-Mischung oder Wolfram-Molybdän mit oder ohne Thoriumoxydzusatz bestehen, sie kann dicht sein oder, falls eine gewisse Porosität gewünscht wird wie bei Vorratskathoden, auch porös sein.

Man kann dadurch, daß der neue Heizkörper Temperaturen von 2000° C erreicht, auch Wolfram-Thoriumfilm-Kathoden bequem herstellen. Die Kohle als Heizelement gibt beim Entgasen reduzierende Dämpfe ab, die sich beim Formieren positiv auswirken.

In Fig. 2 ist mit 11 die Kathodenhülse aus Wolfram, Tantal, Molybdän od. dgl. als Träger der Emissionsschicht bezeichnet, mit 12 und 13 die auf ihre Stirnseiten aufgeschweißten oder aufgesinterten Flansche. Während der Flansch 12 mit Gewinde 18 zum Einschrauben des Heizelementes 14 aus Graphit versehen ist, hat der Flansch 13 am oberen Ende eine napfförmige Ausdrehung, die eine mit einer AIuminiumoxydschicht 15 isolierte Molybdänkappe 16 gut aufnimmt, welche mit dem anderen Ende des Heizelementes 14 mittels des Gewindes 19 befestigt ist. Da im Betrieb das Heizelement wärmer als der Schichtträger 11 wird, muß sich die isolierte Molybdänkappe in der Ausdrehung des Flansches 13 in axialer Richtung bewegen können, um Druckspannungen im Heizelement zu vermeiden. Mit 5 ist wieder eine auf dem Flansch 12 befestigte Platte bezeichnet, die beim Eindrehen des Heizelementes als Anschlag dient.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung eines aus Graphit bestehenden Heizkörpers für direkt oder indirekt geheizte Kathoden mit einer Emissionstemperatur über 1400°, C für Elektronenröhren, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper bei etwa 3000° C behandelt wird und einen elektrischen Widerstand von mindestens 30 Ohm/mm² · m besitzt und daß er an den Stellen der Strom-

Zuführungen mit Armierungen aus einem Metall versehen wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient über dem des Graphits liegt.

2. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellter Heizkörper, gekennzeichnet durch eine Metallarmierung aus Molybdän.

3. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellter Heizkörper, gekennzeichnet durch eine Gewindeverbindung zwischen Armierung und Graphitkörper.

4. Kathode mit indirekter Heizung mit einem Heizkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Armierung des Graphitkörpers als eine mit Aluminiumoxyd überzogene Molybdänkappe ausgebildet ist, die in der Kathodenhülse in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

5. Kathode mit indirekter Heizung mit einem Heizkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kathodemhülse aus thoriertem Wolfram, Wolfram-Thoriumoxyd, Wolfram-Molybdän-Thoriumoxyd-Mischungen oder porösem Wolfram-Molybdän.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 612 633, 628 618.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen