DE1123051B

DE1123051B - Emission cathode, especially for high vacuum tubes

Info

Publication number: DE1123051B
Application number: DES65817A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Johann Thomas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-11-13
Filing date: 1959-11-13
Publication date: 1962-02-01

Description

Emissionskathode, insbesondere für Hochvakuumröhren Zur Erzeugung von freien Elektronen im Hochvakuum wird wegen der Ergiebigkeit meistens eine Glühkathode verwendet. Diese Glühkathoden haben den Nachteil, daß sie eine erhebliche Heizleistung erfordern und infolge ihrer mehr oder weniger langen Anheizzeit nicht sofort betriebsbereit sind. Ferner ist mit diesen Glühkathoden eine Steuerung des Emissionsstromes durch entsprechend schnelle Heizschwankungen infolge der Wärmeträgheit nicht möglich. Die Glühkathoden haben dabei vorzugsweise senkrecht zur Austrittsebene der Elektronen aus der Kathode angeordnete Spalte, die aus zusammengepreßten Metalldrähten gebildet sein können. Diese gepreßten Drähte werden in Scheiben geschnitten und bilden die poröse Abschlußwand eines mit Emissionsstoffen gefüllten Vorratsraumes, unterhalb dem die Heizkörper angeordnet sind. Diese Spalte haben also nur den Zweck, eine möglichst gleichmäßige Austrittsmenge von Elektronen aus der Kathodenoberfläche zu sichern.Emission cathode, especially for high vacuum tubes For generation of free electrons in a high vacuum is mostly a hot cathode because of the productivity used. These hot cathodes have the disadvantage that they have a considerable heating output require and due to their more or less long heating-up time not immediately ready for operation are. In addition, these hot cathodes can be used to control the emission current correspondingly rapid heating fluctuations due to the thermal inertia are not possible. The hot cathodes are preferably perpendicular to the exit plane of the electrons gaps arranged from the cathode and formed from compressed metal wires could be. These pressed wires are cut into slices and form the porous end wall of a storage space filled with emissions substances, below which the radiators are arranged. So these columns only have the purpose of a The most uniform possible amount of electrons escaping from the cathode surface to secure.

Demgegenüber liegt dem Gegenstand der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Emissionskathode zu schaffen, die ohne Heizleistung auskommt und die Nachteile der Glühkathoden nicht aufweist. Mit der Emissionskathode nach der Erfindung wird zumindest im Zeitbereich von Schaltvorgängen praktisch trägheitslos gearbeitet. Hierzu weist die Emissionskathode nach der Erfindung gegenüber den bekannten das Merkmal auf, daß an den Emissionskörper in Spaltrichtung eine Beschleunigungsspannung angelegt ist und die Spaltoberflächen als Emissionsflächen wirksam sind. Die Elektronen emittieren dabei aus den die Spalte begrenzenden Körpern und nicht aus einem davon abgeschlossenen eigenen Vorrat an Emissionsstoffen. Zur einwandfreien Erfüllung der gestellten Aufgabe müssen die Spalte in der Größenordnung einiger Moleküldurchmesser sein. Dadurch gelingt es nämlich ohne besondere Abtrennarbeit aus den die Spalte begrenzenden Flächen, Elektronen lediglich auf Grund der ihnen bei normaler Temperatur innewohnenden kinetischen Energie austreten zu lassen, d. h., es werden von gegenüberliegenden Spaltwänden ständig Elektronen durch die Spalte wandern, und zwar mit mehr oder weniger großer Geschwindigkeit. Dabei ist die Verweilzeit solcher Elektronen im Spalt am größten, deren kinetische Energie gleich dem Übertrittsenergiepotential ist. Die anderen Elektronen werden entweder wieder auf ihre Oberfläche zurückfallen oder mehr oder minder schnell den Spalt durchqueren und zu einer anderen Spaltwand gelangen. Nun kann insbesondere bei den Elektronen mit großer Verweilzeit eine in Längsrichtung des Spaltes wirkende Beschleunigungsspannung eine Bewegung der Elektronen in Längsrichtung des Spaltes herbeiführen und den Elektronen die zum Austritt aus dem Spalt erforderliche Abtrennarbeit zuführen.In contrast, the object of the invention is based on the object to create an emission cathode that works without heating power and the disadvantages which does not have hot cathodes. With the emission cathode according to the invention Worked practically inertia at least in the time range of switching operations. For this purpose, the emission cathode according to the invention has, compared to the known ones Feature that an accelerating voltage is applied to the emission body in the split direction is applied and the gap surfaces are effective as emission surfaces. The electrons emit from the bodies delimiting the gaps and not from one of them closed own stock of emissions. For perfect fulfillment For the task at hand, the gaps must be in the order of magnitude of a few molecular diameters be. As a result, it is possible to get the gap out of the gaps without any special separation work delimiting surfaces, electrons only due to them at normal temperature to release inherent kinetic energy, d. i.e., it will be from opposite Slit walls constantly move electrons through the gap, with more or more less great speed. The residence time of such electrons is in the The largest gap, the kinetic energy of which is equal to the transfer energy potential is. The other electrons will either fall back onto their surface or more or less quickly cross the gap and to another gap wall reach. Now an in Accelerating voltage acting in the longitudinal direction of the gap causes a movement of the electrons in the longitudinal direction of the gap and the electrons to exit apply the required cutting work to the gap.

In Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen der Entfernung eines Elektrons aus einer Leiteroberfläche und der hierzu notwendigen Energie dargestellt, und zwar für einen allein stehenden Leiter mit der Oberfläche 2, aus dem ein Elektron 1 um eine Entfernung S entfernt werden soll. Auf der Abszisse ist die Energie Ein Elektronenvolt aufgetragen. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, bedarf es zur endgültigen Entfernung des Elektrons aus der Leiteroberfläche einer Energie, die sich aus der Summe der Beträge a und b zusammensetzt. Der Betrag a wird dabei aus der dem Elektron innewohnenden kinetischen Energie gewonnen. Er reicht jedoch allein nicht aus, so daß zusätzlich noch eine sogenannte Abtrennarbeit b aufgebracht werden muß. Diese Abtrennarbeit wird bei den Glühkathoden durch Erhitzen, d. h. durch Zufuhr thermischer Energie besorgt. Wenn jedoch, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, dem Leiter 2 ein Leiter 3 gegenübergestellt wird in einem Abstand von einigen Moleküldurchmessern, dann wird, bezogen auf die beiden Oberflächen, die in Fig. 1 gezeigte Kurve spiegelbildlich ergänzt und der Potentialberg so erniedrigt, daß der Energiebedarf b zu Null wird, d. h., um ein Elektron aus der Oberfläche des einen Leiters zu entfernen, genügt schon die dem Elektron dieses Leiters innewohnende kinetische Energie.1 shows the relationship between the removal of an electron from a conductor surface and the energy required for this, specifically for a single conductor with the surface 2, from which an electron 1 is to be removed by a distance S. The energy one electron volt is plotted on the abscissa. As can be seen from FIG. 1, the final removal of the electron from the conductor surface requires an energy which is composed of the sum of the amounts a and b. The amount a is obtained from the kinetic energy inherent in the electron. However, it is not enough on its own, so that a so-called separation work b must also be applied. This separation work is done with the hot cathodes by heating, ie by supplying thermal energy. If, however, as shown in FIG. 2, the conductor 2 is opposed to a conductor 3 at a distance of a few molecular diameters, then, based on the two surfaces, the curve shown in FIG. 1 is complemented in a mirror-inverted manner and the potential mountain is thus reduced that the energy requirement b becomes zero, that is, to remove an electron from the surface of one conductor, the kinetic energy inherent in the electron of this conductor is sufficient.

Aus der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß das Energiegefälle in der Mitte des Spaltes Null oder sehr gering ist, so daß die Verweilzeit der bis zur Mitte des Spaltes völlig abgebremsten Elektronen an sich beliebig lang ist. Diesen Elektronen kann nun durch das Anlegen einer in Spaltlängsrichtung wirkenden Beschleunigungsspannung eine solche Energie zugeführt werden, daß die Elektronen aus der Kathodenoberfläche austreten können. Die Elektronen haben dabei eine kinetische Energie entsprechend der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung. Wie bebereits erwähnt, ist dabei die Höhe des Energieberges um so niedriger, je enger der Spalt ist, und damit nimmt auch die Zahl der in der Mitte des Spaltes abgebremsten Elektronen zu, da nach der obengenannten Geschwindigkeitsverteilung die Zahl der Elektronen mit der kleinen Geschwindigkeit größer ist.From Fig. 2 it can be seen that the energy gradient is in the middle of the gap is zero or very small, so that the residence time of the up to the middle of the gap completely decelerated electrons is arbitrarily long. These electrons can now by applying an acceleration voltage acting in the longitudinal direction of the gap such energy is supplied that the electrons are removed from the cathode surface can emerge. The electrons have a corresponding kinetic energy the Maxwellian velocity distribution. As already mentioned, this is the one The narrower the gap, the lower the height of the mountain of energy, and thus it increases also the number of electrons decelerated in the middle of the gap, since after the Above speed distribution the number of electrons with the small Speed is greater.

Fig. 3 zeigt eine Emissionskathode nach der Erfindung im vergrößerten Maßstab. Mit 4 und 5 sind Leiter oder Teile der Kathode bezeichnet, zwischen denen ein Spalt 6 vorhanden ist, der in Größenordnung einiger Moleküldurchmesser liegt. Der Spalt 6 ist angefüllt mit Elektronen, die sich infolge ihrer kinetischen Energie von den Spaltwänden gelöst haben. Damit Elektronen aus der Kathodenspalte emittiert werden können, wird an die Kathode eine Beschleunigungsspannung gelegt, die ein elektrisches Feld hervorruft, durch welches die Elektronen beschleunigt werden. Der Spalt in der Kathode bildet nunmehr eine Beschleunigungsstrecke, auf welcher die Elektronen die zum Verlassen der Kathodenoberfläche erforderliche kinetische Energie erhalten. Wie zuvor ausgeführt, stammen die zur Emission komenden Elektronen in der Hauptsache aus der Spaltmitte. Je größer die äußere an die Kathode angelegte Beschleunigungsspannung ist, desto mehr kommen auch Elektronen zur Emission, die aus außermittigen Spaltbezirken stammen, da nun die zum Erreichen der Antrittsarbeit erforderliche Verweilzeit kleiner sein darf.Fig. 3 shows an emission cathode according to the invention on an enlarged scale. 4 and 5 denote conductors or parts of the cathode, between which there is a gap 6 which is of the order of a few molecular diameter. The gap 6 is filled with electrons that have become detached from the gap walls as a result of their kinetic energy. So that electrons can be emitted from the cathode column, an acceleration voltage is applied to the cathode, which creates an electric field by which the electrons are accelerated. The gap in the cathode now forms an acceleration path on which the electrons receive the kinetic energy required to leave the cathode surface. As previously stated, the electrons emitted mainly come from the middle of the gap. The greater the external acceleration voltage applied to the cathode, the more electrons that come from eccentric fissure areas are also emitted, since the dwell time required to achieve the initial work can now be shorter.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kathode nach der Erfindung. Sie besteht aus einer Anzahl von Leitern 7, die zu einem Leiterbündel zusammengepreßt sind. Die Einzelleiter können hierbei beliebiges Profil haben. Infolge der Unebenheiten der Oberflächen bilden sich entlang der Leiter sogenannte Emissionsspalte 8 aus. Wird ein runder Leiterquerschnitt verwendet, so werden infolge der Rundung der Leiter diese Spalte zunehmend breiter. An den breiten Spalten können jedoch keine ausreichenden Elektronen-Verweilzeiten und damit auch keine Spaltemission erzielt werden. An diesen Stellen kann sich jedoch eine Sekundäremission ausbilden, die durch Überzüge der Leiter in an sich bekannter Weise verstärkt werden kann.Fig. 4 shows an embodiment of a cathode according to the invention. It consists of a number of conductors 7 which are pressed together to form a bundle of conductors. The individual conductors can have any profile. As a result of the unevenness of the surfaces, so-called emission gaps 8 are formed along the conductors. If a round conductor cross-section is used, these gaps become increasingly wider as a result of the rounding of the conductors. However, sufficient electron dwell times and therefore also no gap emission can be achieved at the wide gaps. At these points, however, a secondary emission can develop, which can be intensified by coating the conductors in a manner known per se.

Die Kathode kann aus halbleitendem Material bestehen. Unter Umständen ist es von Vorteil, Nichtleiter zu verwenden, die mit leitfähigem Material überzogen sind. Diese Überzüge, die zur Erniedrigung der Austrittsarbeit dienen, können beispielsweise Oxyde von Barium, Strontium, Rubidium, Caesium u. dgl. oder auch seltene Erden wie Cerium oder Europium sein. Außerdem können Zusätze von Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen, wie beispielsweise Graphit, benutzt werden. An Stelle von zusammengepreßten faden- oder stäbchenförmigen Leitern können auch zusammengepreßte Platten oder Folien 9 (Fig. 5) verwendet werden. Die Spaltbildung ist durch die unvermeidlichen Unebenheiten der Folien gegeben.The cathode can consist of semiconducting material. In certain circumstances it is advantageous to use non-conductors coated with conductive material are. These coatings, which serve to lower the work function, can, for example Oxides of barium, strontium, rubidium, cesium and the like or rare earths such as Be cerium or europium. In addition, additions of carbon and carbon compounds, such as graphite can be used. Instead of compressed thread or rod-shaped conductors can also be plates or foils 9 pressed together (Fig. 5) can be used. The gap formation is due to the inevitable bumps given the slides.

Unter Umständen kann die Kathode auch aus Körnern 10 gemäß Fig. 6 zusammengesetzt sein. Die hierbei auftretende Emission ist mit Pfeilen angedeutet. Ferner können auch mit Rissen durchzogene Leiterkörper Verwendung finden.Under certain circumstances, the cathode can also be composed of grains 10 according to FIG. 6. The emission occurring here is indicated with arrows. Furthermore, conductor bodies with cracks can also be used.

Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathode zur Steuerung des Elektronenstromes in einem Vakuum. Hierbei ist mit 11 ein Behälter bezeichnet, der eine Spaltelektrode 12 nach der Erfindung und eine Anode 13 enthält. An die Klemmen 14 und 15 wird eine Beschleunigungsspannung gelegt, während an die Klemmen 16, 17 in üblicher Weise die Anodenspannung angelegt wird.Fig. 7 shows an application example of the cathode according to the invention for controlling the electron flow in a vacuum. Here, 11 designates a container which contains a gap electrode 12 according to the invention and an anode 13 . An acceleration voltage is applied to terminals 14 and 15, while the anode voltage is applied to terminals 16, 17 in the usual way.

Fig.8 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathode, und zwar zur Lichtbogenlöschung an einem Leistungs-Vakuumschalter. Die Hauptkontakte des Schalters sind hierbei mit 18 und 19 bezeichnet, die in Pfeilrichtung betätigt werden. Um die Kontakte, vorzugsweise in der Nähe der Berührungsstelle, sind Spaltkathoden 20 und 21 angeordnet. Während des Öffnens der Hauptkontakte wird an die Spalteemissionskathoden eine Hilfsspannung gelegt, so daß die Hauptkontakte durch die emittierten Elektronen überbrückt werden und damit das Entstehen einer Abschaltüberspannung vermieden wird. Durch entsprechende Bemessung der Kathoden kann auf diese Weise ein lichtbogenfreies Schalten erzielt werden. Die dabei erforderlichen großen Kathodenflächen können durch Zusammensetzen vieler kleiner Spaltkathoden erzielt werden.FIG. 8 shows a further application example of the cathode according to the invention, specifically for extinguishing arcs on a power vacuum switch. The main contacts of the switch are denoted by 18 and 19 , which are actuated in the direction of the arrow. Slit cathodes 20 and 21 are arranged around the contacts, preferably in the vicinity of the point of contact. During the opening of the main contacts, an auxiliary voltage is applied to the column emission cathodes, so that the main contacts are bridged by the emitted electrons and the occurrence of a switch-off overvoltage is avoided. Arc-free switching can be achieved in this way by appropriately dimensioning the cathodes. The large cathode areas required for this can be achieved by assembling many small slit cathodes.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Emission cathode, especially for high vacuum tubes with preferably arranged perpendicular to the exit plane of the electrons from the cathode Columns, characterized in that on the emission body in the direction of the split Accelerating voltage is applied and the gap surfaces as emission surfaces are effective.

2. Cathode according to claim 1, characterized in that the cathode consists of semiconducting material.

3. Cathode according to claim 1, characterized by the use of non-conductors covered with conductive material.

4th Cathode according to one of Claims 1 to 3, characterized in that it is made from compressed Threads, platelets or foils is formed.

5. Cathode according to claim 4, characterized in that it receives coatings or additives of a type known per se to lower the work function.

6. Cathode according to one or more of the preceding claims 1 to 5, characterized in that it is arranged around the main contacts of a circuit breaker to avoid overvoltages when switching off.

7. Cathode after Claim 5, characterized by using oxides of barium, Strontium, rubidium, cesium and the like B.

Cathode according to Claim 5, characterized by adding carbon and carbon compounds.

9. Cathode according to claim 8, characterized by the addition of graphite.

10. Cathode according to claim 5, characterized by adding cerium, europium or other rare earths. Considered Publications: German Patent Specifications No. 833 089, 967 137.