DE1071849B - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorratskathoden der Art, die einen hohlen metallischen Kathodenkörper besitzen, in dessen Innerem sich, von demselben isoliert, ein elektrischer Heizkörper befindet, während, der Vorrat an aktivierendem Stoff, der das elektronenemittierende aktive Material der Kathode liefert, so am Kathodenkörper angeordnet ist, daß sich die Wand des Kathodenkörpers zwischen diesem Vorratsstoff und der elektrischen Heizung befindet. Der Vorratsstoff ist durch einen mit ihm in Berührung stehenden zusammengesetzten Metallkörper aus hochschmelzendem Metall bedeckt, der für das aus dem Vorratsstoff entstehende elektronenemittierende, aktive Material derart durchlässig ist, daß dieses durch den Körper auf die äußere Oberfläche desselben gelangen kann. Die elektronenemittierende aktive Oberfläche der Kathode, die mit einer Schicht höchstens molekularer Stärke des aktiven Materials bedeckt ist, ist die äußerste Oberfläche des vorerwähnten durchlässigen Metallkörpers. Kathoden dieser Art werden üblicherweise kurz als »mittelbar geheizte Vorratskathoden« bezeichnet.

Bei einer besonderen Ausführungsform der mittelbar geheizten Vorratskathoden, die üblicherweise als »L-Kathoden« bezeichnet werden, ist der obengenannte zusammengesetzte durchlässige Metallkörper ein poröser Metallkörper, meistens ein gesinterter Wolframkörper, dessen Poren das Hindurchdringen des aktiven Materials auf seine die elektronenemittieren.de aktive Oberfläche der Kathode bildende äußere Oberfläche gestatten.

Die aus der Fachliteratur zugänglichen Mitteilungen über »L-Kathoden« enthalten bezüglich dieser Kathoden ziemlich gegensätzliche Angaben, und demzufolge bestehen noch immer Meinungsverschiedenheiten in der diesbezüglichen wissenschaftlichen, und technischen Literatur bezüglich der Fragen, ob in solchen Kathoden. Bariumoxyd tatsächlich verdampft oder nicht und bejahendenfalls in welchem Ausmaße; ferner ob Bariumoxyd eine wesentliche Rolle bei der Elektronenemission dieser Kathoden spielt oder nicht, d. h. ob diese Kathoden Kathoden der Oxydkathodentype oder der Bariumfilm-Kathoden-Type sind oder ob die Verdampfung des Bariumoxyds bei ihnen wesentlich ist oder nicht. .

Es wurde nun festgestellt, daß die Bariumoxydverdampfungsgeschwindigkeit für die richtige Wirkungsweise der »L-Kathoden« wesentlich ist und daß die Verdampfungsgeschwindigkeit des das elektronenemittierende aktive Material liefernden Vorratsstoffes im Betrieb der Kathode geringer als die Bariumoxydverdampfungsgeschwindigkeit selbst sein muß, damit man eine ausreichende Lebensdauer dieser Kathoden erzielen kann.

Mittelbar geheizte Vorratskathode

Anmelder:

Egyesült Izzolampa es Villamossagi
Reszvenytärsasäg, Budapest

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Meissner,

Berlin-Grunewald, Herbertstr. 22,

und Dipl.-Ing. H. Tischer, München 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Ungarn vom 5. Februar 1955

Ando Budincsevits und Ernö Winter, Budapest,
sind als Erfinder genannt worden

Es wurde ferner festgestellt, daß die verschiedenen Probleme der »L-Kathoden« noch keineswegs durch die gemäß der vorerwähnten Beschreibung entsprechende Einstellung der Verdampfungsgeschwindigkeiten des Vorratsstoffes und des Bar.iumoxyds gelöst werden, da die meisten. Nachteile und Schwierigkeiten, denen man bei diesen Kathoden begegnet, dem Gegenwert des gesinterten porösen Metallkörpers zuzuschreiben sind. Dieser Körper kann nämlich bekanntlich nicht in beliebig kleinen Abmessungen hergestellt und nicht in beliebiger Weise im Kathodenkörper angebracht werden, wie dies den Fächleuten wohlbekannt ist. Die nicht vernachlässigbare Wandstärke dieses porösen Wolframkörpers verursacht manche Schwierigkeiten, unter anderem das Vorhandensein eines solchen Temperaturgradienten, der es außerordentlich erschwert, ja sogar in manchen Fällen unmöglich macht, diejenigen Betriebstemperaturen, welche die obengenannten Verdämpfungsgeschwindigkeiten bestimmen und auch für die Bildung des aktiven Materials und die Elektronenemission der Kathode von entscheidender Wichtigkeit sind, richtig einzustellen. Die äußerste Oberfläche eines gesinterten Wolframkörpers muß nämlich zwecks Erzielung der ausreichenden Emission der Kathode auf einer ziemlich hohen, Betriebstemperatur gehalten werden.. Es ist aber oft sehr schwierig, diese Temperatur in ein entsprechendes Verhältnis mit derjenigen Temperatur zu bringen, welche zur Erzielung der das aktive Material liefernden Reduktion des Vorratsstoffes erforderlich

909 690/468

ist. Im Falle der Verwendung von energischen Reduktionsmitteln, welche das emittierende Material, üblicherweise Barium, durch Reduktion des Vorratsstoffes schon bei verhältnismäßig niedriger Temperatur liefern, ist es nämlich meistens unmöglich, den gesinterten Wolframkörper auf die zur Erzielung ausreichender Emission erforderliche Temperatur zu erhitzen, ohne gleichzeitig eine die Reduktion übermäßig beschleunigende Überhitzung des Vorratsstoffes zu erhalten^ wodurch der Vorratsstoff allzu rasch erschöpft wird. Falls man aber ein schwächeres Reduktionsmittel, wie .Z...B. Molybdän, verwendet, erfolgt die Reduktion zwar erst bei höheren Temperaturen, wodurch es zwar möglich wird, die emittierende aktive Oberfläche des gesinterten Wolframkörpers auf die zur Sicherung der ausreichenden Emission erforderliche Temperatur zu erhitzen, doch ist in diesem Falle ein hoher Heizstromverbrauch und eine übermäßige thermische Beanspruchung dies Heizkörpers der Kathode unvermeidlich.

Zwecks Vermeidung der, Notwendigkeit der Verwendung eines gesinterten Wolframkörpers und der damit verbundenen Nachteile, insbesondere der Notwendigkeit eines derartigen vakuumdichten Abschlusses der den Vorratsstoff enthaltenden Kammer, daß aktives Material diese Kammer nur durch die Poren des gesinterten Wolframkörpers verlassen kann, hätte man bereits die Verwendung eines solchen zusammengesetzten Metallkörpers, der das Herausdringen des aktiven Materials aus der Vorratskammer durch Oberflächenwanderung gestattet, auf Grund des Inhaltes der USA.-Patentschrift 2 107 945 und der französischen Patentschrift 907 226 erwägen können. Diese Lösung der Aufgabe erschien aber nicht ermutigend zu sein, insbesondere in Anbetracht des Inhaltes der Zeilen 42 bis 52 auf Seite 1 der Beschreibung dieses französischen Patentes und des Inhaltes der Zeilen 35 bis 66 auf Seite 2 der Beschreibung und der Fig. 8 der Zeichnung des genannten USA.-Patentes. Im Gegensatz zu alledem, was auf Grund dieser Offenbarungen erwartet werden mußte, und unter Überwindung der durch dieselben verursachten Vorurteile ist erfindungsgemäß erkannt und festgestellt, daß, wenn man. für eine entsprechende, auch »Migration« genannte Oberflächenwanderung des elektronenemittierenden, aktiven Materials von Vorratsstoff zur aktiven Oberfläche der Kathode sorgt und demnach keine das Durchdringen dieses Materials durch seine Poren gestattenden gesinterten porösen Metallkörper verwendet, ausgezeichnete Ergebnisse und eine Anzahl bedeutender Vorteile erzielt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend die Schaffung einer mittelbar beheizten Vorratskathode, deren mit dem Vorratsstoff in Berührung stehender zusammengesetzter Metallkörper es dem aktiven Material ermöglicht, vom Vorratsstoff auf die die äußerste Oberfläche dieses Metallkörpers bildende emittierende Oberfläche der Kathode durch Oberflächenwanderung zu gelangen, so daß die Verwendung des gesinterten porösen Metallkörpers nebst deren sämtlichen Nachteilen fortfällt.

Eine solche mittelbar geheizte Vorratskathode soll zur Massenherstellung geeignet sein und soll in sehr engen mechanischen und elektrischen Toleranzgrenzen hergestellt werden könnet^ sie soll außerdem lange Lebensdauer, mäßigen Heizstromverbrauch und weitgehende Unempfindlichkeit· gegen starke stoßweise Überbelastungen und Beschädigung durch Punkten, die insbesondere bei Impulskathoden auftreten können, aufweisen, und schließlich sollen bei ihr die bei den üblichen mittelbar geheizten Oxydkathoden im Laufe der Benutzung derselben entstehenden halbleitenden Zwischenschichten nicht entstehen können.
Schließlich wird durch die Erfindung auch eine mittelbar geheizte Vorratskathode geschaffen, bei der die als »Flikker« bezeichneten Störgeräusche nicht auftreten und durch die auch der allgemeine Rauschpegel von Elektronenröhren erniedrigt wird.

ίο Ebensowenig wie ein bekannter Mantel, der bei Verwendung von Thorium od. dgl. als Emissionsstoff aus einer geschlossenen Schicht von Molybdän od. dgl. besteht, den Erfolg nach der Erfindung erzielt, führen auch die bekannten Aufbauten des Mantels aus dünnen Drähten nicht zum Ziel, bei denen die Drähte einen bestimmten Durchmesser oder eine Schichtung dünner Drähte eine bestimmte Dicke überschreiten.

Gemäß der Erfindung ist eine mittelbar geheizte Vorratskathode, deren elektrischer Heizkörper im Inneren eines hohlen metallischen Kathodenkörpers isoliert angeordnet ist und deren stellenweise mit dem Kathodenkörper in gut wärmeleitender Verbindung sowie mit dem Vorratsstoff in Berührung stehender Mantel von nichtporöser Struktur aus mehreren miteinander in Berührung stehenden Gliedern aus hochschmelzendem Metall besteht, auf denen der Vorratsstoff durch Oberflächenwanderung auf die Außenseite des Mantels gelangt und dort eine höchstens molekulare Schicht von elektronenemissionsfähigem aktivem Material bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel — zwecks Sicherung praktisch gleicher Betriebstemperatur und hierdurch praktisch gleicher Verdampfungsgeschwindigkeit des aktiven Materials sowohl an der Kathodenoberfläche wie im Vorrats stoffraum und ferner kurzer Wanderungsstrecken für das aktive Material — eine Wandstärke von höchstens 50' Mikron besitzt und daß die Dicke des zur Aufnahme des Vorratsstoffes zur Verfügung stehenden Raumes zwischen der Oberfläche des Kathodenkörpers und der Innenseite des Mantels eine praktisch konstante Stärke derselben Größenordnung wie die Wandstärke des Mantels aufweist.

Bei dieser Ausbildung ist erreicht, daß die emittierende Oberfläche; der Kathode sehr nahe zum Vorratsstoff liegt und demzufolge die Wanderungsstrecken kurz sind und daß die Betriebstemperaturen des Vorratsstoffes und der Kathodenoberfläche praktisch gleich sind, wodurch stets entsprechende Verdampfungsgeschwindigkeit des aktiven Materials sowohl an der Kathodenoberfläche wie im Vorratsraum und stets ausreichende Versorgung der Kathodenoberfläche mit aktivem Material gesichert ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Kathode besteht der Mantel aus übereinander angeordneten Drahtwendeln, wobei jede dieser Wendeln derart gewunden ist, daß sich ihre benachbarten Gänge dicht berühren und demnach keine wahrnehmbaren Zwischenräume zwischen diesen benachbarten Gängen bestehen. Die Wendeln sind zweckmäßig derart übereinander angeordnet, daß die gesamte Wandstärke des durch sie gebildeten Mantels geringer als die Summe der Durchmesser der die Wendeln bildenden Drähte ist, was dadurch erreicht wird, daß sich die Gänge der ■ überlagerten Wendel in Berührung mit je zwei Gängen derjenigen Wendel befinden, auf der die überlagerte Wendel ruht.

Der Mantel kann aber auch aus Metallfolien bestehen, die mit feinen Durchbrechungen versehen und •derart angeordnet sind, daß sich ihre Durchbrechungen nicht decken. Hierdurch wird die Bildung von

freien Durchgangskanälen zwischen Vorratsstoff und Kathodenoberfläche vermieden, und das Hindurchdringen des aktiven Materials wird nur durch längs den miteinander in Berührung stehenden Oberflächen dieser Folien und den Wandflächen ihrer Durchbrechungen gestattet. Diese Metallfolien können entweder flach oder zu Körpern entsprechender Form, vorteilhaft Röhrenform, geformt sein, je nach Form und Beschaffenheit des Kathodenkörpers.

Die Erfindung wird nachstehend näher an einigen beispielsweisen Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Kathode in teilweisem Längsschnitt und teilweiser Seitenansicht;

Fig. 2 und 3 zeigen je eine weitere Ausführungsform der Kathode in derselben Darstellungsweise, und

Fig. 4 zeigt eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen, vorzugsweise für Kathodenstrahlröhren bestimmten Ausführungsform der Kathode.

Die in Fig. 1 dargestellte, Vorratskathode ist auf den röhrenförmigen metallischen Kathodenkörper 11 aufgebaut, der durch den üblichen Heizkörper 12 geheizt wird, welcher aus einer mit entsprechendem Isoliermantel aus z. B. Aluminiumoxyd versehenen Wolframdrahtwendel besteht. Der Kathodenkörper 11 kann aus Nickel oder aus der zur Herstellung der Kathodenkörper von Oxydkathoden üblicherweise benutzten. Nickellegierung oder auch aus Wolfram, Molybdän, Eisen oder einem anderen entsprechenden Metall oder einer entsprechenden Metallegierung· bestehen. Der Vorratsstoff ist am Kathodenkörper 11 als zylindrischer Überzug 13 praktisch konstanter Wandstärke angebracht. Dieser Vorratsstoff kann aus einer beliebigen geeigneten Verbindung oder Legierung von Erdalkalimetallen, z. B. aus Bariumoxyd, Strontiumoxyd und Calciumoxyd, bestehen. Der mit dem Überzug 13 in Berührung stehende Mantel besteht aus der inneren Drahtwendel 14' und der äußeren Drahtwendel 14. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegen die benachbarten Gänge dieser beiden Wendeln eng aneinander, und die Gänge der Wendel 14 berühren stets je zwei Gänge der Wendel 14'. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Wandstärke des aus diesen beiden Wendeln zusammengesetzten Mantels geringer als die Summe der miteinander vorteilhaft gleichen Durchmesser der diese beiden Wendeln bildenden Drähte ist und daß durch etwaige Herstellungsfehler verursachte Zwischenräume zwischen den miteinander benachbarten Gängen der Wendel 14' durch die überlagerten Gänge der Wendel 14 verdeckt werden. Demzufolge ist der Vorratsstoff 13 auch gegen elektrische Entladungen geschützt, da an beiden Enden des Kathodenkörpers einige Gänge der die Wendeln bildenden Drähte unmittelbar auf den Kathodenkörper aufgewickelt sind. Diese Gänge sind am linken Ende des Kathodenkörpers in der Zeichnung mit 18 bezeichnet. Der Vorratsstoff 13 ist demzufolge vollständig abgeschlossen und kann die durch die äußere freie Oberfläche 15 der Wendel 14 gebildete emittierende Oberfläche der Kathode nur durch Oberflächenwanderung erreichen, die längs der Oberflächen der diese Wendeln bildenden Drähte erfolgt. Durch die unmittelbare Berührung der die Wendeln bildenden Drähte mitdtem Kathodenkörper wird dauernd guter elektrischer Kontakt und guter Wärmeübergang zwischen Kathodenkörper und Wendeln gesichert. Die emittierende Oberfläche 15 der Kathode besteht aus einer äußerst dünnen Schicht des.aktiven Materials, deren Stärke monoatomisch bis molekular sein kann.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Kathode ist der röhrenförmige Kathodenkörper 11 an beiden Enden erweitert, und der Übergang zwischen dem mittleren zylindrischen Teil 11 b kleineren Durchmessers und den ebenfalls zylindrischen Enden größeren Durchmessers wird durch die konischen Teile 11a gebildet. Der Vorratsstoff befindet sich als zylindrische Schicht 13 nur am mittleren Teil 11 b des Kathodenkörpers und wird durch die innere Wendel 14' bedeckt, welche ebenso wie die äußere Wendel 14 mit ihren Enden auf dem konischen Teil 11 α des Kathodenkörpers aufliegt. Die gegenseitige Anordnung dieser Wendeln ist dieselbe wie bei der Kathode in Fig. 1, und es können hier ebenso wie bei der Kathode in Fig. 1 an Stelle der zwei Wendeln 14' und 14 auch drei in ähnlicher Weise übereinander angeordnete Wendeln verwendet werden. Diese Wendeln können auch aus solchen Drähten bestehen, deren Querschnitt nicht kreisförmig, sondern oval, rechteckig oder bandförmig ist. Falls die Wendeln aus Metallbändern bestehen, berühren sich die miteinander benachbarten Gänge dieser Wendeln mit den Schmalseiten der Bandquerschnitte.

Die die Wendeln bildenden Drähte oder Bänder können aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob oder Nickel bestehen, und ihre Enden sind am Kathodenkörper mittels Schweißens befestigt. Die Wandstärke des Vorratsstoffüberzuges 13 ist bei Kathoden mit röhrenförmigem Kathodenkörper etwa der Wandstärke des durch die beiden Wendeln gebildeten Mantelkörpers gleich. Der Durchmesser der die Wendeln 14' und 14 bildenden Drähte beträgt vorteilhaft etwa 10 bis 30 Mikron. Zwecks Vergrößerung der Wanderungsflächen ist es meistens vorteilhaft, möglichst dünne Drähte von etwa 10 Mikron Durchmesser zu verwenden. In einigen Fällen, wie z. B. bei Impulskathoden, besteht aber die Gefahr, daß so feine Drähte durch. Funkenbildung durchbrannt werden können, und in solchen Fällen verwendet man daher vorteilhaft Drähte von etwa 20 bis 30 Mikron Durchmesser.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen scheinen darauf hinzuweisen, daß die emittierende aktive Oberfläche 15 der neuen Kathoden höchstwahrscheinlich aus einer an der äußeren Oberfläche des Mantels abgelagerten äußerst dünnen Erdalkalimetalloxydschicht und einer auf dieser ruhenden monomolekularen oder höchstens atomischen Schicht' metallischen Erdalkalimetalls, meistens einer Bariumschicht, besteht. Da diese Schichten äußerst dünn sind, ist ihre Bindung an ihre Unterlage äußerst fest, und demzufolge kann die aktive Oberfläche der Kathode auch starke Überbelastungen schadlos vertragen. Im Falle eines Verlustes an aktivem Material wird derselbe sehr bald wettgemacht, indem der Vorratsstoff 13 frisches aktives Material auf die Oberfläche der Kathode wandern läßt. Infolge der gut wärmeleitenden Berührung zwischen dem Mantel und dem Kathodenkörper sind nämlich die Betriebstemperaturen der Kathodenoberflächen 15 und der Schicht 13 praktisch gleich, wodurch praktisch gleiche Erdalkalimetallverdampfungsgeschwindigkeiten, üblicherweise Bariumverdampfungsgeschwindigkeiten, sowohl an der Kathodenoberfläche wie bei der Vorratsschicht gesichert sind. Da die Vorratsschicht 13 sowohl den Kathodenkörper wie das innerste Glied des Mantels, z. B. die innere Wendel 14', unmittelbar berührt, können sich störende Halbleiterzwischenschichten zwischen Vorratsstoff und Kathodenkörper oder Wendel nicht bilden, und die durch solche Zwischenschichten bedingten bekannten Nachteile der mittelbar

geheizten üblichen Oxydkathoden fallen demnach fort. Es wurde ferner festgestellt, daß bei den mit diesen Kathoden versehenen Röhren das »Flikker-Geräusch« praktisch fehlt und daß der allgemeine Rauschpegel solcher Radio-Empfangsröhren ebenfalls sehr niedrig ist. Es konnte ferner festgestellt werden, daß bei diesen Kathoden die sonst bei Impulskathoden auftretenden störenden, vermutlich durch örtliche Metalldampf entwicklung eingeleiteten Funkenentladungserscheinungen praktisch sozusagen nie beobachtet werden können. Es scheint auch, daß, falls die aktive Oberfläche der neuen Kathoden durch impulsartige starke Überbelastungen leidet, nicht nur Erdalkalimetalle, also z. B. Barium selbst, sondern auch Erdalkali metal loxyde, also z. B. Bariumoxyd, vom Vorratsstoff zur Kathodenoberfläche, wandern können, wodurch die Kathode ihre volle Emissionsfähigkeit sehr rasch wiedergewinnt. Dies ist wahrscheinlich dem Umstand zuzuschreiben, daß infolge der Konstruktion und der Betriebstemperatur der Kathode keine wahrnehmbare Verdampfung des aktivierenden Materials vom Vorratsstoff stattfindet, im Gegensatz zu der diesbezüglichen Mitteilung der französischen Patentschrift 907 226 bezüglich der in derselben beschriebenen Kathode. Bei der Kathode nach der Erfindung wandert das aktive Material ausschließlich an den an den Oberflächen der Glieder des Mantels vorhandenen, für diesen Zweck geeigneten Wanderungspfaden und ist an. diese Oberflächen gebunden. Diese Wanderung des aktiven Materials hängt von verschiedenen Faktoren ab, und durch entsprechende Wahl derselben kann es immer erreicht werden, daß die Kathodenoberfläche stets in ausreichendem Maße mit aktivem Material versorgt wird. Es muß aber betont werden, daß, obzwar die Richtigkeit der obigen, die Wirkungsweise der Kathoden zu erklären trachtenden Theorien überzeugend ist, die Erfindung keineswegs an die Richtigkeit oder Unrichtigkeit dieser Theorien gebunden ist. Es ist nämlich nicht ausgeschlossen, daß die vorteilhaften Eigenschaften dieser Kathoden auch noch anders erklärt werden können. Jedenfalls sind die Eigenschaften beweisbare Tatsachen und können auf Grund einiger, die optimalen Faktoren bestimmender Vorversuche stets erreicht werden.

. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der neuen Kathode ist der röhrenförmige Kathodenkörper 11 ähnlich wie derjenige der in Fig. 2 dargestellten Kathode geformt. Der- Durchmesser des mittleren Teils 11 6 ist jedoch nur etwa um die doppelte Schichtstärke der Vorratsstoffschicht 13 kleiner als die beiden äußeren Enddurchmesser. Der Mantel besteht bei dieser Ausführungsform aus den beiden dünnwandigen Röhren 14 a und 146., die mit einer Anzahl feiner Durchbrechungen 17 bzw. 16 versehen sind. Die innere Röhre 14 6 paßt genau auf die zylindrischen Enden des Kathodenkörpers 11 und ist an. demselben vorteilhaft mittels Schweißung befestigt. Ebenso ist die äußere Röhre 14 a an der inneren Röhre 14 6, auf welche sie ebenfalls genau paßt, befestigt. Die gegenseitige Anordnung dieser Röhren ist derart, daß sich die Durchbrechungen 16 und 17 nicht überdecken, um die Bildung freier Durchgangskanäle von der Vorratsstoffschicht 13 zur emittierenden Oberfläche 15 der Kathode zu vermeiden und um zu sichern, daß das aktive Material nur durch Oberflächenwanderung zur Kathodenoberfläche gelangen kann. Diese Oberflächenwanderung erfolgt längs der Innenwandfiächen der Durchbrechungen 16 und 17 und den einander berührenden Mantelflächen der Röhren 14 a und 14 6. Die Durchbrechungen 16 und 17 sind sehr fein, ihr Durchmesser liegt vorteilhaft zwischen 1 und 10 Mikron, und die Wandstärke jeder der Röhren 14 a und 14 6 kann zwischen etwa 20 und 25 Mikron betragen. Die Anzahl der Durchbrechungen dieser Röhren ist ebenfalls viel größer, als in der Zeichnung dargestellt, und es können statt zwei Röhren auch drei übereinandergeschobene durchbrochene Röhren ■ geringerer Wandstärke verwendet

ίο werden. Statt derselben kann als Mantel auch ein aus sehr feinai Metalldrähten bestehendes Drahtgeflecht oder Drahtgewebe verwendet werden. Wesentlich ist nur, daß auch dieser Mantel keine freien. Durchdringungskanäle für das aktive Material offen läßt, sondem das Hindurchdringen desselben nur durch Oberflächenwanderung an den Oberflächen der Drähte gestattet, und zwar in solchem Ausmaße, daß eine stets hinreichende Versorgung der Kathodenoberfläche mit aktivem Material gesichert ist, wozu auch die Gesamtwandstärke und Wärmeleitfähigkeit dieses Körpers entsprechenderweise gewählt und für gut wärmeleitende Verbindung sowohl der Glieder des Mantelkörpers miteinander, wie mit dem Kathodenkörper gesorgt werden muß, um praktisch gleiche Temperaturen und demnach gleiche Verdampfungsgeschwindigkeiten des aktiven Materials an der Kathodenoberfläche und im Vorratsstoffraum zu sichern.

Die Kathodenkörper der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Kathoden besitzen kreisringförmige Querschnitte, doch können auch röhrenförmige Kathodenkörper ovalen oder rechteckigen Querschnitts verwendet werden, je nachdem, wie das Elektrodensystem der Röhre beschaffen ist. Die Kathodenquerschnitte können auch längs der Länge der Kathode zunehmen und/oder abnehmen, um Kathoden entsprechender Form, z. B. etwa elliptischer Rotationskörperform, zu erhalten, und es können auch flache Kathoden hergestellt werden.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kathoden sind insbesondere für Radioempfangsröhren geeignet, in welche dieselben in. genau derselben Weise montiert werden können wie die bisher üblichen mittelbar geheizten Oxydkathoden, doch wird in diesem Falle ihr Heizkörper vorteilhaft derart angeordnet, daß seine beiden Zuleitungen an demselben Ende des Kathodenkörpers aus demselben herausragen. Da der Kathodenkörper sehr genau hergestellt werden kann, ist es möglich, die Abmessungen der Kathoden innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen zu halten, und demzufolge können diese Kathoden auch in solchen Röhren Verwendung finden, in welchen der Abstand zwischen Kathode und Gitter nur etwa 30 bis 40 Mikron beträgt, was im Falle der Verwendung von Vorratskathoden, bisher bekannter Art unmöglich war. Der Heizstromverbrauch der neuen Kathoden ist ebenfalls recht gering. Als Beispiel sei angeführt, daß für dieselbe Emission der Kathoden der Heizenergieverbrauch, der »L-Kathoden« etwa 30 bis 35 Watt beträgt, während die Kathoden nach der Erfindung nur etwa 15 bis 16 Watt an Heizenergie verbrauchen, d. h. daß ihr Heizenergieverbrauch das Doppelte desjenigen bekannter guter Oxydkathoden, die für dieselbe Emission etwa 8 bis 10 Watt an Heizenergie verbrauchen, nicht übersteigt.

Die neue Vorratskathode kann auch mit einer ebenen emittierenden Oberfläche hergestellt werden, wie dies bei Kathoden für Kathodenstrahlröhren, z. B. für Fernsehzwecke, üblich ist. Eine solche Kathode ist in Fig! 4 dargestellt. Dieselbe wird durch den Heizkörper 12 erhitzt, der aber, ebenso wie diejenigen der

bereits beschriebenen Kathoden, auch anders beschaffen und vom Kathodenkörper auch anders isoliert sein kann. Der Kathodenkörper 11 ist an¹ seinem Oberteil mit einer durch den ebenen Bodenteil 11 b und den konischen Seitenwandteil Ho gebildeten Vertiefung versehen, in welcher sich der Vorratsstoff 13 befindet. Derselbe wird durch die dünnen Metallfolien 14 b und 14 a bedeckt, die mit Durchbrechungen 16 bzw. 17 versehen sind. Diese Folien sind derart angeordnet, daß ihre Durchbrechungen sich nicht überdecken. Wandstärke der Folien und Durchmesser ihrer Durchbrechungen können derselben Größenordnung sein wie bei den Röhren 14 a und 14 & der Kathode gemäß Fig. 3. Die Metallfolien 14a und 14& liegen an ihrem Umfang auf dem konischen Teil Ha des Kathodenkörpers auf und sind an demselben mittels Schweißens befestigt. Diese beiden Metallfolien, statt derer auch drei übereinander angeordnete Metallfolien verwendet werden können, bilden zusammen den Mantelkörper, der das Hindurchdringen des aktiven Materials durch Oberflächenwanderung in derselben Weise gestattet, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Der Kathodenkörper 11 kann auch derart beschaffen sein, daß die Folien 14 a und 146 nur einen auf seinem oberen Rand aufliegenden Deckel bilden, der ebenfalls mittels Schweißung am Kathodenkörper befestigt ist.

Der aktivierende Vorratsstoff der Kathoden kann aus verschiedenen Stoffen oder Stoffgemischen bestehen. Im Falle der Kathoden nach Fig. 1 und 2 wurde insbesondere die Verwendung eines Gemisches aus Bariumoxyd, Strontiumoxyd und Calciumoxyd, vorzugsweise im molekularen Verhältnis von 1:1:2, als vorteilhaft befunden. Dieses Gemisch wird in Form eines Gemisches der entsprechenden Karbonate und eines entsprechenden Bindemittels, z. B. Nitrozellulose oder eines anderen zellulosehaltigen Bindemitteis, als Schicht gleichmäßiger Stärke auf den Kathodenkörper aufgetragen. Es wurde festgestellt, daß die Metalldrahtwendel des Mantels auf eine solche Schicht ohne jegliche Schwierigkeiten, oder Nachteile aufgewickelt werden kann. Die Zersetzung der Karbonate; zu Oxyden kann in üblicher Weise durch entsprechende Erhitzung der Kathode erfolgen, während sich die Röhre an der Pumpe befindet. Die Aktivierung der Kathode erfordert jedoch mehr Zeit als bei den üblichen Oxydkathoden, da zur Wanderung des aktiven Materials auf die Oberfläche der Kathode einige Zeit erforderlich ist. Hierdurch wird aber der Herstellungsvorgang der Röhren nicht verzögert, da diese Aktivierung während der üblichen Alterung der bereits abgeschlossenen Röhren erfolgen kann und diese Alterung bekanntlich mindestens 1 bis 2 Stunden lang dauert, während die Aktivierung der neuen Kathoden meistens innerhalb 20 bis 30 Minuten beendet ist. Das aktive Material der derart aktivierten Kathoden ist an der Kathodenoberfläche in einer äußerst dünnen Schicht höchstens molekularer Schichtstärke vorhanden, wie dies durch Messung der betreffenden Elektronenaustrittsarbeiten in üb-1 icher Weise festgestellt werden kann.

Statt der obengenannten Vorratsstoffe können auch andere verwendet werden, z. B. die Verbindungen eines Erdalkalimetalls, vorzugsweise Bariums, mit Sauerstoff und einem der nachfolgenden Metalle: Beryllium, Titan, Strontium, Zirkon, Aluminium und seltene Erdmetalle, insbesondere Scandium, Yttrium und Lanthan. Die Reduktion des Vorratsstoffes kann durch ein Metall des den Vorratsstoff berührenden Metallkörpers, also des Kathodenkörpers oder des Mantels und/oder durch ein dem Vorratsstoff zugemischtes Reduktionsmittel bewerkstelligt werden. Das Reduktionsmittel kann ein schwaches Reduktionsmittel, z. B. Molybdän sein, welches Bariumoxyd zugemischt ist, doch können auch starke Reduktionsmittel, wie z. B. Silizium, mit entsprechenden Bariumverbindungen oder mittelstarke Reduktionsmittel, wie z. B. Aluminium verwendet werden. Es können aber auch Bariumlegierungen, z. B. Barium-Aluminium-Legierungen oder Barium-Beryllium-Legierungen, oder die Legierungen von Barium mit einem seltenen Erdmetall, wie z. B. Scandium, Yttrium und Lanthan, verwendet werden. Die Einzelglieder des Mantels können auch aus Molybdän, Niob oder Nickel hergestellt und an ihren Oberflächen mit einem Überzug aus einem der Metalle der Platingruppe, insbesondere einem Platinüberzug versehen werden. Im vorliegenden Falle kann aber ein solcher Überzug nicht nur unerwünschte chemische Reaktionen zwischen, dem Metall des Mantels und dem Vorratsstoff verhindern, sondern auch die Oberflächenwanderung des aktiven Materials in erhöhtem Ausmaße gestatten, da die Oberflächen der Metalle der Platingruppe in dieser Hinsicht besondere Eigentümlichkeiten aufweisen.

Durch entsprechende Wahl des Vorratsstoffes und/ oder der die Einzelglieder des Mantels und/oder deren Überzüge bildenden Metalle nebst entsprechender Wahl der Betriebstemperaturen der verschiedenen Teile der neuen Kathode, z.B. im Bereich von zwischen 850 und 1150° C, vorteilhaft innerhalb etwa 900 und 950° C, ist es in der Praxis stets möglich, die obengenannten vorteilhaften Eigenschaften der Kathoden zu sichern, wozu meistens einige einfache Vorversuche genügen. Demzufolge können diese Kathoden auch für ganz besondere Zwecke, z. B. als Impulskathoden hergestellt und in sozusagen sämtlichen Entladungsröhren, ob in Hochvakuumröhren oder in anderen Röhren, benutzt werden, wodurch oft eine ganz erhebliche Verbesserung der mit den neuen Kathoden versehenen Röhren möglich ist.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Mittelbar geheizte Vorratskathode, deren elektrischer Heizkörper im Inneren eines hohlen metallischen Kathodenkörpers isoliert angeordnet ist und deren stellenweise mit dem Kathodenkörper in gut wärmeleitender Verbindung sowie mit dem Vorratsstoff in Berührung stehender Mantel von nicht poröser Struktur aus mehreren miteinander in Berührung stehenden Gliedern aus hochschmelzendem Metall besteht, auf denen der Vorratsstoff durch Oberflächenwanderung auf die Außenseite des Mantels gelangt und dort eine höchstens molekulare Schicht von elektronenemissionsfähigem aktivem Material bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel — zwecks Sicherung praktisch gleicher Betriebstemperatur und hierdurch praktisch gleicher Verdampfungsgeschwindigkeit des aktiven Materials sowohl an der Kathodenoberfläche wie im Vorratsstoff raum und ferner kurzer Wanderungsstrecken für das aktive Material — eine. Wandstärke von höchstens 50 Mikron besitzt und daß die Dicke des zur Aufnahme des Vorratsstoffes zur Verfügung stehenden Raumes zwischen der Oberfläche des Kathodenkörpers und der Innenseite des Mantels eine praktisch konstante Stärke derselben Größenordnung wie die Wandstärke des Mantels aufweist.

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2. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper den Vorratsstoff in der Gestalt einer Schicht von praktisch' gleichmäßiger Stärke trägt.

3. Vorratskathode nach Anspruch 1 oder 2 mit einem rohrförmigen Kathodenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kathodenkörper_;s an beiden Enden erweitert ist und daß der Überzug an Vorratsstoff nur an dem Mittelteil geringeren Außendurchmessers angebracht ist (Fig. 2).

4. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit einem topfförmigen Kathodenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kathodenkörpers eine- den Vorratsstoff enthaltende Vertiefung bildet, die durch einen Mantel ebener Oberfläche verdeckt ist (Fig. 4).

5. Vorratskathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wannenförmige Vertiefung des Kathodenkörpers durch einen aus mindestens zwei durchbrochenen Metallfolien bestehendem Mantel bedeckt ist, dessen Metallfolien entweder am oberen Rand des Kathodenkörpers ■ oder am konischen Wandteil der den. Vorratsstoff enthaltenden Vertiefung befestigt und derart angeordnet sind, daß sich ihre Durchbrechungen nicht überdecken.

6. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus Metalldrahtwendeln besteht, die derart eng gewunden sind, daß sich ihre benachbarten Windungen berühren, und derart übereinander angeordnet sind, daß die zwischen den einander berührenden Windungen bestehenden Oberflächenwanderungspfade der untersten Wendel durch die Windungen der darübergelagerten Wendel verdeckt werden, indem die einzelnen Windungen der äußeren Wendel je zwei Windungen der unteren Wendel berühren.

7. Vorratskathode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wendeln bildenden Drähte bandförmige Querschnitte besitzen und die einzelnen. Windungen miteinander mit den Schmalseiten der Bandquerschnitte in Berührung stehen.

8. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper aus Nickel, Eisen, oder einer mindestens eines dieser Metalle enthaltenden Metallegierung besteht.

9. Vorratskathode nach einem der Anspruchs 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Glied des Mantels aus Nickel, Wolfram, Molybdän, Tantal oder Niob besteht.

10. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Glied des Mantels einen aus einem Metall der Platingruppe, vorteilhaft aus Platin, bestehenden Überzug trägt.

11. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff das Oxyd eines Erdalkalimetalls, vorteilhaft Bariumoxyd, enthält.

12. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff ein Gemisch von Bariumoxyd, Strontiumoxyd und Kalziumoxyd, vorzugsweise im molekularen Verhältnis von 2:1:2, enthält.

13. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff eine Verbindung eines Erdalkalimetalls mit Sauerstoff und mit einem der Metalle Beryllium, Titan, Zirkon, Aluminium und seltene Erdmetalle enthält.

14. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff eine Erdalkalimetallverbindung, vorteilhaft Bariumverbindung, und ein metallisches Reduktionsmittel enthält.

15. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff eine Legierung eines Erdalkalimetalls, vorteilhaft des Bariums, mit mindestens einem der Metalle Beryllium, Aluminium und seltene Erdmetalle, insbesondere Scandium, Yttrium und Lanthan, enthält.

16. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 10·, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstoff eine Erdalkalimetallverbindung enthält und mindestens ein diesen Vorratsstoff berührender Metallteil der Kathode aus einem für diese Erdalkalimetallverbindung als Reduktionsmittel wirkenden Metall besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 874 487, 879 872, 243, 885 898, 885 899, 888 285, 899 235, 907 091; österreichische Patentschrift Nr. 181 333;

französische Patentschriften Nr. 1080710,1081416;

»Entwicklungsber. Sieniens-Halske«, Bd. 14, 1951, S. 123 bis 126;

»Phys. Blätter«, Jg. 8, 1952, S; 497, 498.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 690/ΛΪ8 12.59