DE1059114B - Kathode fuer Hochleistungs-Magnetrons und Verfahren fuer ihre Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathode für Hochleistungs-Magnetrons und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathode.

Bei Magnetrons werden sehr strenge Anforderungen an die Kathodenanordnung gestellt; insbesondere sollen Magnetron-Kathoden folgende Bedingungen erfüllen:

1. ausreichende stabile Primäremission,

2. hoher Sekundäremissionsfaktor,

3. Widerstandsfähigkeit gegen Vergiftung,

4. gute Adhäsion und Kohäsion des emittierenden Überzugs,

5. schnelle Entgasung, Aktivierung und Alterung,

6. hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit,

7. Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzen, Sublimation und Spratzen,

8. Freisein von Funken- und Biogenbildung, besonders bei langem Impulsbetrieb,

9. Widerstandsfähigkeit gegen Beschießung mit schnellen Ionen oder Elektronen,

10. Reproduzierbarkeit, zuverlässige Arbeitsweise und lange Lebensdauer,

11. sehr große impulsförmige Stromemission.

Für Magnetrons hat man anfänglich mit Oxyd überzogene Kathoden verwendet, bei denen der Oxydüberzug unmittelbar auf einem zweckmäßig aufgerauhten Nickelzylinder aufgebracht war. Als die Frequenz und Leistungswerte von Magnetrons größer wurden, haben derartige Kathoden nicht mehr befriedigt. Um die erforderlichen Stromdichten von z. B. etwa 50 Ampere je Quadratzentimeter zu erhalten, wurde vorgeschlagen, eine »Netz«-Kathode zu verwenden, bei der ein geflochtenes Netz auf einem Nickel- oder Molybdänzylinder angeordnet und das elektronenemittierende Material in die Lücken dieses Netzes eingebracht wurde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Nickel gleichmäßiger verteilt werden muß, als es mit einem Netz erreicht werden kann, um den-Widerstand des Kathodenuberzugs zu verringern und die Arbeitsweise der Kathode zu verbessern. Demgemäß wurde vorgeschlagen, das Nickelnetz durch eine gesinterte Matrize aus grobem Nickelpulver zu ersetzen. Das aktive Material wird in diese Matrize in der gleichen Weise eingebracht wie in die Netzkathode. Solche Kathoden sind als »Matrizen«-Kathoden bekanngeworden.

Eine Verbesserung der Matrizenkathodenanordnung konnte dadurch erreicht werden, daß man die Matrize und das emittierende Material auf einem Molybdänkern angebracht hat. Es erwies sich dabei als notwendig, eine Nickeluntermatrize vorzusehen, um das Grundmetall bei einer Beschädigung des aktiven Überzugs gegen Oxydation durch Kohlen-Kathode für Hochleistungs-Magnetrons
und Verfahren für ihre Herstellung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Februar 1955

Eimer Abram Thurber, Bethlehem, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

dioxyd zu schützen und die Verbindung der Matrize mit dem Molybdänkern zu erleichtern.

Ein schwieriges Problem ergab sich jedoch aus der unterschiedlichen Ausdehnung des Molybdänkerns und der Nickelmatrize, Lnisbesondere bei größeren' Ausführungen mit einem Durchmesser des Molybdänkerns von etwa 2V2 cm, wie es für I-Megawatt-Magnetrons erwünscht ist. Der Ausdehnungskoeffizient des Molybdanzylinders beträgt nur ein Drittel desjenigen einer Nickeknatrize. Bei großen Kathodfenanordnungen platzt die Matrize leicht von dem Kern ab, insbesondere bei periodischen thermischen Vorgängen.

Matrizenkathoden aus anderem Material als Nickel sind in der Technik ebenfalls bekannt, z. B. die sogenannte L-Kathode, bei welcher Wolframpulver auf einem Molybdänkern gepreßt ist und die Matrize der Kathode bildet. Beträchtliche Schwierigkeiten entstehen jedoch bei der Sinterung des Wolframpulvers. Man versuchte sich mit der Pressung der Wolframmatrize bei hohem Druck zu helfen. Ein anderes bekanntes Verfaihren besteht darin, daß man zunächst eine mit Kupfer versetzte bearbeitbare Wolframmatrize herstellt und nachträglich das Kupfer durch Vakuumglühen entfernt, so daß eine reine poröse Wolframmatrize entsteht. Jedoch besteht auch bei einer reinen Wolframmatrize auf einem großen Molybdänkern das Problem, das durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegeben ist.

Die Erfindung verbessert die bekannten Matrizen-Kathoden, damit dieselben' auch bei hohen Bean-

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spruchungen und insbesondere hohen thermischen Beanspruchungen arbeitsfähig sind und eine lange störungsfreie Arbeitsfähigkeit besitzen. Bei Kathoden für Hochleistungs-Magnetrons, bei denen ein Molyb-. dänkern von einer Nickel enthaltenden Matrize um^ geben ist, besteht nach der Erfindung die Matrize aus Wolframteilchen, die einzeln vollständig mit Nickel bedeckt sind, und ferner ist, gemessen an einer radial von der Oberfläche- des Molybdänkerns bis zur Oberfläche der Matrize verlaufenden Linie, die Menge des Wolframs viermal größer als die Menge des Nickels.

Bei dieser Kathode bleiben die vorteilhaften Eigenschaften, welche das Nickel und das Wolfram zu bieten vermögen, erhalten, insbesondere sind hohe Leitfähigkeit, hohe Hitzebeständigkeit und großes Wärmeleitvermögen gewährleistet. Darüber hinaus ist eine aus Nickel und Wolfram zusammengesetzte Kathode verhältnismäßig leicht bearbeitbar. Der entscheidende Vorteil der Kathode liegt aber in einer solchen Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der die Kathoden bildenden Bestandteile, so daß die Kathode ein System bildet, welches sich als Ganzes ausdehnen und als Ganzes schrumpfen kann, und zwar in beliebig raschem Wechsel, ohne daß ein Abplatzen der Matrize von dem Molybdänkern zu befürchten ist. Für diese Unempfindlichkeit gegen Wärmeausdehnung und Schrumpfung und gegenüber einem häufigeren Wechsel dieser Vorgänge ist das angegebene Verhältnis zwischen Nickel und Wolfram von entscheidender Bedeutung. Die angegebene Bemessung der Wolfram- und Nickelmenge und die Verteilung der beiden Komponenten ergeben ein bestimmtes lineares Verhältnis, das sich wie 1 :4 verhält.

- Das Problem der richtigen Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Molybdänkerns und der Matrize ist bereits in der Weise versucht worden, daß .man einen porösen Wolframkörper auf einen Molybdänkern aufbringt, indem der poröse Wolframkörper durch Sintervorgänge bei einer oberhalb der Betriebstemperatur liegenden Temperatur auf den Kern aufgeschrumpft wird und zugleich Verbindungen geschaffen werden, welche selbst bei hohen Betriebstemperaturen fest bleiben sollen. Die auftretenden, nicht vermeidbaten Spannungen können sich in der porösen Wolframmatrize ausgleichen. Demgegenüber kann bei der Matrize nach der Erfindung, das Nickel den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Molybdän und Wolfram überbrücken, so daß das Auftreten gefährlicher Spannungen innerhalb der Matrize vermieden ist.

Der Nickelanteil der Matrize braucht nicht in seiner Gesamtheit zur Bedeckung der Wolframteilchen herangezogen zu werden. Vielmehr ist es möglich, einen Teil des Nickels für die Anbringung einer Untermatrize aus Nickel zu verwenden, welche zwischen der Wolframoberfläche und der eigentlichen Matrize liegt. In Verbindung mit der nach der Erfindung aufgebauten Matrize hat sich die Venvendung von Erdalkalioxyden als elektronenemittierendes Material als besonders zweckmäßig erwiesen.

Die Herstellung einer Kathode erfolgt zweckmäßig in;der Weise, daß zunächst die Oberfläche der Wolframteilchen mit einer Bindelösung angefeuchtet wird und . daß man anschließend ein sehr feines -Pulver aus Nickel oder Nickeloxyd auf die Wolframteilchen aufbringt. Das vorher aufgetragene Bindemittel muß zur Festlegung des Nickels oder Nickeloxyds selbstverständlich noch klebefähig sein. Da-

nach werden die bedeckten Teilchen so vorerhitzt, daß alles vorhandene Nickeloxyd reduziert wird. Die so vorbehandelten Teilchen werden auf einen vorher . mit einer Nickeluntermatrize ausgestatteten Molyb-5. dänkern aufgebracht und zusammen mit dem Kern erhitzt. Bei dieser Erhitzung erfolgt eine Einsinterung der Teilchen in der Nickeluntermatrize. Schließlich wird die aus den Teilchen gebildete Matrize mit einem elektronenemittierenden Material getränkt. Es

ίο hat sich vorteilhaft erwiesen, während des Aufbringens des Nickelpulvers auf die Teilchen diese fortlaufend zu bewegen.

Eine in dieser Weise zusammengesetzte und hergestellte Kathode stellt sich als Ganzes praktisch spannungsfrei dar. Die Ausdehnung der Matrize ist im wesentlichen an die Ausdehnung des Molybdänkerns angepaßt. Diese Ausdehnungen sind von der Länge und von den linearen Abmessungen der die Kathode bildenden Teile abhängig, nicht aber von dem Gewicht. Der Zusammenhang zwischen dem angegebenen 4 : !-Verhältnis von Wolfram zu Nickel ist eine lineare oder Längenbeziehunig, nicht eine Gewichtsbeziehung. Das lineare Verhältnis 4 :1 entspricht einem Gewichts verhältnis von etwa 2:1.

Eine nähere Erläuterung der Erfindung soll im Zusammenhang mit der Zeichnung gegeben werden; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt der Kathode für ein Magnetron,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil der - Kathode in Vergrößerung.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Kathodenanordnung 11 ist Bestandteil eines Magnetrons einer an sich bekannten Bauart. Die Kathode ist dabei von einer mit Abstimmitteln ausgestatteten Anode umgeben und in einemHalter 12 festgelegt. Die Kathode 11 besteht aus einem hohlen zylindrischen Kern 15, der aus Molybdän gefertigt ist und auf dem die Kathodenmatrize 16 angebracht ist. Die Matrize ist als Wolfram-Nickel-Matrize ausgebildet und aus mit Nickel bedeckten Wolframteilchen zusammengesetzt. Ein Flansch 18 ist nahe an einem Ende der Matrize 16 angebracht und dient als elektrostatische - Abschirmung. Der Endteil 19 des Kathodenkerns 15 erstreckt sich vorteilhafterweise in einen angrenzenden Polschuh (nicht dargestellt) und dient als Wärmestrahler. In der Nähe des anderen Endes der Kathodenmatrize 16 befindet sich ein breiterer flacher Flansch 21, der als innerer Polschuh dient. Ein Abstandstück 22 liegt zwischen dem Flansch 21 und dem konischen Teil 23 des koaxialen Teils 23 des Halters 12 der Kathodenanordnung. Innerhalb der Kathode befindet sich die Heizvorrichtung, die aus einem hohlen isolierenden Kern 25 -bestehen kann, auf dem ein Heizdraht 26 wendelförmig aufgewickelt ist. Ein Ende des Heizdrahtes ist mit Hilfe eines Leiters 27 mit dem inneren Teil des koaxialen Halters 12 verbunden und das andere Ende des Heizdrahtes mit Hilfe des Abstandsstückes 28 mit dem Kathodenkern 15, der durch das konische Element 23 mit dem äußeren Teil des koaxialen Halters 12 verbunden ist.

In Fig. 2 ist stark vergrößert ein Teil des Molybdänkerns 15 mit dem darauf befindlichen Überzug im Schnitt dargestellt; das elektronenemittierende Material ist auf der Oberfläche der Wolfram-Nickel-Matrize aufgebracht, nach der Darstellungjedochnoch nicht von der Matrize absorbiert. Der Molybdänkern 15 ist vorteilhafterweise mit wendeiförmigen Nuten 27 versehen, in denen eine Nickeluntermatrize 29 angeordnet ist. Die Nuten 27 ermöglichen eine festere

Claims (1)

I 059 Bindung zwischen der Kathodenmatrize und dem Katbodeiikevn. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einem sich als Ganzes ausdehnenden System im Sinne der Erfindung, bei dem die Kathodenmatrize aus mit Nickel bedeckten Wolf ramteilchen besteht, die wendelförmigen Nuten nicht notwendig sind und ohne Beeinträchtigung der Bindung zwischen dem Kathodenkern und der Matrize und ohne Vergrößerung der Möglichkeit des Abbrechens der Matrize vom Kathodenkern weggelassen werden können. Die mit Nickel bedeckten Wolframteilchen 30 befinden sich oberhalb der Nickeluntermatrize 29. Tatsächlich hat sich herausgestellt, daß sich -ebenso durch Diffusion eine Legierung zwischen dem Nickel und den Wolframteilchen bildet. Eine entsprechende Legierung entsteht zwischen der Nickeluntermatrize 29 und dem Molybdänkern 15. Diese Diffusions- oder Übergangsschichten tragen zu der Ausdehnungsfähigkeit des Systems bei und unterstützen zugleich die Wirkung des Nickelüberzuges auf den Wolframteilchen. Es hat sich daher als vorteilhaft "20 herausgestellt, eine Nickeluntermatrize anzubringen. Die Gesamtmenge des Nickels, die für ein sich als Ganzes ausdehnendes System erforderlich ist, d. h. für ein System, bei dem das lineare Verhältnis zwischen der Menge des Wolframs und des Nickels 4 :1 beträgt, kann entweder allein für das Bedecken der Wolf ramteilchen dienen oder auf diese Bedeckung und die Untermatrize 29 aufgeteilt werden. Im erstgenannten Fall würde es sich empfehlen, daß das Nickel in mehreren Stufen auf die Wolframteilchen aufgebracht wird, da es nicht vorteilhaft ist, eine große Nickelmenge auf einmal auf die Wolframteilchen aufzubringen. Das elektronenemittierende Material 31 wird auf die Oberfläche der mit Nickel bedeckten Wolframmatrize in einer sehr feinen Suspension aufgebracht, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist. Das emittierende Material bleibt jedoch nicht auf der äußeren Oberfläche der Kathodenmatrize, sondern sickert in die »Poren der Matrize ein, so daß diese mit dem emittierenden Überzug getränkt wird. Die Matrize wird dann zusammengepreßt, um ihre Dichte zu erhöhen. Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Leitfähigkeit, und die mechanischen Eigenschaften der Matrize verbessert. Der Emissionsüberzug 31 kann jedes geeignete hochaktive elektronenemittierende Material enthalten. Vorteilhafterweise finden hierfür Erdalkalioxyde, wie Barium-, Strontium- und Calciumoxyd, Verwendung. Die Matrize selbst ist verhältnismäßig dick und ist auf den Kern 15 und die Untermatrize 29 als schwammiger halbporöser Überzug aufgebracht; der Überzug wird dann erhitzt, um ein Zusammenbacken der Matrize zu erreichen und eine Bindung zwischen Matrize und Untermatrize 29 und damit eine Festlegung an dem Kern 15 zu verwirklichen. Demgemäß besteht die erläuterte Kathodenausführung aus einem Kern, auf dem eine Nickeluntermatrize aufgebracht ist, aus einer Kathodenmatrize, die aus mit Nickel bedeckten Wolframteilchen zusammengesetzt ist, und schließlich aus einem Heizelement, welches innerhalb des Kerns liegt und die Kathodenanordnung aufheizt. Obgleich der Kathodenkern einen ziemlich großen Außendurchmesser haben kann, z. B. etwa 2,5 cm und mehr, besteht nicht die Gefahr, daß die Matrize reißt oder infolge thermischer Spannungen vom Kern abbricht, da die Matrize und der Kern sich um dieselben Beträge ausdehnen. Diese Gefahr ist insbesondere dadurch ausgeschaltet, daß die Menge des Wolframs viermal größer ist als die Menge des Nickels. Der verhältnismäßig niedrige Ausdehnungskoeffizient des Molybdäns, kann sich daher nicht, nachteilig auswirken. Die Kathodenmatrize wird vorteilhafterweise in folgender Weise hergestellt. Zunächst wird die Oberfläche des groben Wolf rampulvers mit einer geeigneten Bindelösung, z. B. mit einer plastisch gemachten Nitrozelluloselösung, angefeuchtet. Die Wolframteilchen können- etwa 0,074 bis 0,037 mm groß sein.. Solatigedie Oberfläche noch klebrig ist, wird ein sehr feines Nickelpulver, Nickeloxydpulver oder ein Pulver aus Nickel und Nickeloxyd auf die Teilchen aufgestäubt. Während des Aufstäubens sollen die Wolf ramteilchen bewegt werden, um eine gleichmäßige Bedeckung sicherzustellen. Dieses Aufstäuben kann durchgeführt werden, indem das Oxydpulver auf die bewegten Wolframteilchen aufgestäubt oder geblasen wird. Das Nickel- oder Nickeloxyd kann auch auf elektrolytischem Wege oder durch Aufdampfung aufgebracht werden. Wenn das Bindemittel mit dem sehr feinen Nickel- und/oder Nickeloxydpulver auf der Oberfläche der Teilchen getrocknet ist, werden dieselben in einen Ofen gebracht, wo sie in Wasserstoff reduziert und gesintert werden. Das kann bei einer Temperatur von etwa 600 bis 900° C geschehen. Die weitere Herstellung der Kathode kann dann in der Weise vor sich gehen, wie es für reine Nickelmatrizen üblich ist. Die Molybdänkathodenkerne, auf die vorher Nickeluntermatrizen aufgebracht wurden, werden in Formen aus rostfreiem Stahl gelegt, die mit dem vorbereiteten Pulver gefüllt sind. Sie werden dann in Wasserstoff bei 1000° C geglüht, aus den Formen herausgenommen und abermals bei 1250 bis 1300° C behandelt, um den Matrizenüberzug fest an den Kern zu binden. Die elektrische Abschirmung 18 und andere Teile werden dann auf den Kathodenkern 15 gelötet, worauf die Matrize mit einem emittierenden Überzug, z. B. einer Barium-Strontiumkarbonat-Suspension, getränkt und schließlich auf die gewünschte Größe zusammengepreßt wird. Die Kathode ist jetzt für den Einbau in das Magnetron fertig. Kathodenmatrizen der vorstehend erläuterten Art besitzen die gleichen ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften wie die bekannten reinen Nickelmatrizenkathoden; sie haben aber gleichzeitig auch die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der aus Wolfram bestehenden Kathoden. So ist die Anfangsstabilisierungszeit, die Bogenbildung bei langem Impulsbetrieb, die Widerstandsfähigkeit gegen Abbrechen bei periodischen thermischen Vorgängen und die Lebensdauer gegenüber früheren reinen Nickelmatrizenkathoden wesentlich verbessert. Daher sind bei diesem besonders robusten, widerstandsfähigen System mit gleicher Ausdehnung aller Teile die besten Eigenschaften jedes Bestandteils ausgenutzt, wodurch die Kathode den strengen Anforderungen hinsichtlich Arbeitsweise und Lebensdauer genügen kann, die an viele Magnetrons gestellt werden. Patentansprüche:

1. Kathode für Hochleistungs-Magnetrons, bei der ein Molybdänkern von einer Nickel enthaltenden Matrize umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize aus Wolframteilchen besteht, die einzeln vollständig mit Nickel bedeckt sintL und daß, gemessen an einer radial von der Oberfläche des Molybdänkerns bis zur Oberfläche der Matrize verlaufenden Linie, die Menge des Wolframs viermal größer ist als die Menge des Nickels.