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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Elektronenröhren Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elektronenröhren, deren
Hüllenteile aus mit einem Metallüberzug versehenen Keramikteilen mit metallischen
Hüllenteilen in einer oxydationsfreien Vakuumkammer unter Druck und Wärmeanwendung
dicht verbunden werden, wobei der Druck unmittelbar über die Keramikteile der Röhre
auf die Metalldichtflächen übertragen wird.
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Es ist bereits bekannt, die Hüllenabschnitte der Elektronenröhre mit
Hilfe geschmolzener Verbindungen, wie Lot- und Schweißverbindungen, zu vereinigen.
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Auch ist es bekannt, einen luftdichten Verschluß bei unterhalb des
Schmelzpunktes liegenden Temperaturen herzustellen. Hierbei ist es jedoch erforderlich,
die zu verbindenden Flächen besonders zu bearbeiten und ihnen eine sogenannte optische
Politur zu geben. Eine derartige Feinbearbeitung der zu verbindenden Flächen ist
jedoch teuer.
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Zwar ist bereits ein Verfahren zum Verbinden eines Keramikteiles mit
einem Metallteil bekanntgeworden, wobei bei hohen Temperaturen, jedoch bei noch
relativ niedrigen Drücken von 1,5 bis 2 kg/mm2 gearbeitet wird. Hierbei sind aber
noch relativ lange Kontaktzeiten von beispielsweise 2 Stunden, wenn mit Kupfer gearbeitet
wird, erforderlich. Eine Verbindung metallisierter Keramikteile mit Metallteilen
wird hier nicht angegeben.
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Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines vakuumdichten Verschlusses
eines Gefäßes für halbleitende Elektrodensysteme, Entladungsröhren od. dgl. bekannt,
bei dem nach dem Prinzip des Kaltpreßschweißens gearbeitet, also Hitze überhaupt
nicht benutzt wird. Die angewandten Drücke liegen außerordentlich hoch, so daß dieses
Verfahren zwar zum Verbinden der Metallflansche, aber nicht des eigentlichen Elektronenröhrenmantels
benutzt werden kann.
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Bei anderen bekannten Verfahren wird jedoch die Schmelztemperatur
erreicht oder überschritten. Auch ist es im einzelnen bekannt, eine Elektronenröhre
aus Metall- und Keramikteilen, die einzelne Hüllenringe bilden, aufzubauen, die
Röhre zu erhitzen und die Gase aus der Hülle durch die kleinen Öffnungen abzusaugen,
die zwischen den benachbarten Hüllenringen vorhanden sind. Bei diesem Verfahren
soll die Verbindung aber lediglich durch Anwendung der Hitze und ohne Anwendung
eines hinreichend hohen, zum Verbinden dienenden Druckes zustande kommen.
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Demgegenüber ist das Verfahren zur Herstellung von Elektronenröhren,
das im ersten Absatz näher beschrieben ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Teile zunächst einer unterhalb der Schmelztemperatur des oder der Dichtflächenmetalle
liegenden Arbeitstemperatur ausgesetzt werden, daß dann ein wesentlich höherer Arbeitsdruck
als derjenige Druck verwendet wird, der nach Evakuieren der dem Atmosphärendruck
ausgesetzten Röhre gegeben ist, wobei dieser Arbeitsdruck 774 bis 1266 kg/cm2 beträgt,
und daß die metallischen Verschlußflächen nach ihrer Oberflächenbearbeitung noch
rauh sind.
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Erst durch die Verbindung dieser Merkmale in ihrer Gesamtheit kann
man in einer wesentlich kürzeren Zeit als bisher bei aus einer Vielzahl von Hüllenteilen
bestehenden Elektronenröhren die gleichfalls vorhandene Vielzahl von abzudichtenden
Stellen einwandfrei abdichten. Die Röhre wird gleichzeitig einwandfrei entgast,
und es wird im einzelnen auch insofern eine Kostenersparnis erzielt, als eine Feinbearbeitung
(optische Politur) der einzelnen Verbindungsstellen nunmehr entfällt. Durch Verwendung
der noch rauhen Oberflächen werden gleichzeitig während des Druckvorganges die Oberflächenoxyde
an diesen Flächen aufgebrochen, so
daß eine Verbindung von Metall
zu Metall beständiger wird. Trotz vorhandener Vielzahl einzelner Hüllenteile aus
keramischem Werkstoff werden diese nicht beschädigt. Wenn ein Arbeitsdruck von 774
bis 1266 kg/cm2 verwendet wird, erhält man besonders gute Arbeitsergebnisse bei
einer Temperatur von etwa 750° C.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
unmittelbar in den metallischen Abdichtungsteilen der Röhre ein Hochfrequenzheizstrom
induziert wird. Hierbei entfällt einmal das übliche Auslaßröhrchen an der Elektronenröhre;
die Aufheizung erfolgt schneller, ohne daß ein ganzer Ofen aufgeheizt zu werden
braucht.
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Diese sowie weitere Erfindungsgegenstände werden an Hand der nachfolgenden
Zeichnungen erläutert, die Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise darstellen.
Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer Vakuumkammer mit
einem Druckdorn und einer Elektronenröhre in der Kammer, wobei dieser Dorn auf die
Röhre drückt, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vakuumkammer der F i g. 1 in
einem vergrößerten Maßstab, wobei kein Druck auf die Röhre ausgeübt wird, F i g.
3 eine Ansicht nach der Linie 3-3 der F i g. 1, F i g. 4 eine im vergrößerten Maßstab
gezeichnete Draufsicht auf die die Röhre haltende Hilfseinrichtung der F i g. 1
und 2 und F i g. 5 eine Seitenansicht einer vollständigen Röhre gemäß F i g. 2.
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F i g. 5 zeigt eine zylindrische Röhre 10, deren Hüllenwand
aus einer Mehrzahl von keramischen Ringen 11 und metallischen Ringen 13 bis 22 besteht.
F i g. 2 zeigt die Röhre 10 im Querschnitt. Die Bauart dieser Röhre ist am
besten aus der F i g. 2 zu erkennen. Die Röhre selbst ist eine doppelte Triode,
so daß die metallischen Ringe 14 und 21 beide Anoden an den Enden der Röhre bilden.
Die metallischen Ringe 15 und 20 bilden Träger für die Steuergitter; die Ringe 16
und 19, die Kathodenstützen und die Ringe 17 und 18 Zuleitungen für
eine einzelne Heizvorrichtung, die innerhalb der doppelten Kathode liegt. Die Endringe
13 und 22 dienen lediglich dazu, die Anodenringe gegen Beschädigung zu schützen.
Jeder der Elektrodenringe ist mit einem Anschlußlappen versehen, für die mit einem
g'« versehene Bezugszeichen verwendet sind. Die Anschlußlappen sind in zwei gegenüberliegenden
Reihen angeordnet.
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Wenn auch für die Beschreibung des Verfahrens und der Einrichtung
eine besondere Röhre gezeigt ist, können natürlich auch andere Röhrenarten hergestellt
werden.
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F i g. 1 veranschaulicht das Standrohr 30 einer üblichen Pumpvorrichtung
mit einer wassergekühlten Lagerscheibe 33, einem Verschlußring 35 und einem Tragring
37. In einer Grundplatte 40 befestigt sind Bohrungen 43, 44
und Ausnehmungen wie 45
vorhanden.
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Auf dem Tragring 37 sitzt eine Plattform 50 mittels drei Stangen 51,
die mittels der drei anderen Stangen 56 üblichen hydraulischen Zylinder und einen
Kolben 55 trägt.
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Eine Kolbenstange 63 ragt von der Einheit 55 nach unten, ist in ein
Kupplungsstück 64 eingeschraubt und durch eine Verriegelungsmutter 65 festgelegt.
Eine Stange 67 wird genau durch eine Buchse 69 (F i g. 1) geführt, die an der Plattform
50 durch Schrauben 70 befestigt ist. Die Stange 67 greift mit beträchtlichem Spiel
in das Kupplungsstück 64, so daß Buchse 69 und Kolbenstange 63 ausgerichtet werden.
Ein Verbindungsstück 72 sitzt auf dem Ende der Stange 67, mittels einer Schraube
73 gehalten. Die Stange 67 sitzt genau passend im Verbindungsstück 72.
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Im unteren Ende des Verbindungsstückes 72 (F i g. 2) sitzen zwei Verschlußringe
77 und 78, wobei hier ein Kühlrohr 79 für die Verschlußringe angebracht ist. Ein
Glaszylinder 80 wird durch Reibhaftsitz mit den Verschlußringen 77 und 78
an dem Ende der Kupplung 72 gehalten. Ein Druckdorn 82 sitzt fest zwischen dem ausgesparten
Ende des Verbindungsstückes 72 und dem oberen Ende des Zylinders 80. Er besteht
aus Keramik oder einem anderen dielektrischen Material, das eine hohe Festigkeit
und niedrige Wärmeleitfähigkeit hat.
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Der Zylinder 80 ist in deren Mitte von einer rohrförmigen Windung
85 umgeben. Durch diese Windung 85 strömen ein Hochfrequenzstrom und das Kühlwasser
hindurch. Die Windung kann sich mit dem Zylinder nach oben und unten verschieben.
Eine andere Plattform 87 aus isolierendem Material ist an dem einen Ende gespalten
und durch eine Schraube 88 am Verbindungsstück 72 festgeklemmt. Die Enden der Windung
85 sind an der Plattform 87 angebracht, um die Windung zu tragen.
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Aus den F i g. 2 und 4 ist zu ersehen, daß die Röhrenteile in einem
zylindrischen Hilfsbehälter 94 angebracht sind, der eine zentrale Bohrung 95 und
längs verlaufende Nuten 96 hat. Die Nuten 96 müssen in der Anzahl mindestens gleich
der Zahl der Reihen von Anschlußlappen sein, vorausgesetzt, daß die Röhre Anschlußlappen
hat. Aus F i g. 4 ist zu erkennen, daß dieser Behälter 94 vier Nuten 96 hat, während
die Röhre 10 nur zwei Reihen von Anschlußlappen aufweist. Die beiden zusätzlichen
Nuten sind für den freien Luftdurchtritt von der Röhre zu der Auslaßkammer erwünscht.
Der Behälter 94 wird aus dielektrischem Material, beispielsweise aus Keramik, hergestellt.
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Der Behälter 94 wird von einem zylindrischen Ständer 98 (F i g. 2)
getragen, der in der Aussparung 45 der Platte 40 sitzt. Ein kurzer Ring 100 wird
von dem oberen Ende des Ständers 98 aufgenommen. Ein Druckring 102 sitzt auf dem
oberen Ende der Röhre und ist mit einer zentralen Bohrung 103 versehen. Der Dorn
82 weist ein zugespitztes Ende 104 auf, das mit dem Rand der Bohrung 103 in Eingriff
tritt, um einen gleichförmigen Druck herzustellen. Der Ständer 98 sowie die Ringe
100 und 102 werden aus Keramik oder einem anderen dielektrischen Material gemacht,
das eine hohe Festigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat.
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Die Hilfseinrichtung 94 ist mit zwei öffnungen 106 versehen, um die
elektrische Verbindung zu den Lappen 17' und 18' herzustellen. Diese Verbindung
erfolgt durch Leitungen 108 und 109, die durch die Öffnung 44 in der Grundplatte
40 hindurchgehen und mit den Anschlüssen 110 und 111 verbunden sind, die isoliert
an dem Ständerrohr 30 vorgesehen sind. Die oberen Enden der Leitungen 108 und 109
sind mit Kontaktfingern versehen, die durch die Öffnungen 106 mit den Lappen 18'
und 17' im Eingriff stehen.
F i g. 1 und 2 zeigen eine Röhre 10,
die im Inneren der luftdichten Kammer liegt, welche durch die Grundplatte 40 in
Verbindung mit der Wand gebildet ist, die den Zylinder 80 und das Verbindungsstück
72 aufweist. Zuerst werden die Röhrenteile in die luftdichte Kammer eingeführt.
Vorzugsweise werden die Röhrenteile, wie 13 bis 22, in den Hilfsbehälter
94 gelegt, bevor dieser in die Vakuumkammer gebracht wird. Es ist erwünscht, den
Ständer 98, den Ring 100, den Hilfsbehälter 94, die Röhrenteile und den anderen
Ring 102 außerhalb der Vakuumkammer zu vereinigen und sie als eine Einheit einzusetzen.
Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß durch Betätigung des Zylinders und des Kolbens
55 die Kolbenstange 63 angehoben, somit der Glaszylinder 80 gelüftet wird, so daß
seine Bodenkante sich oberhalb des Ringes 102 befindet, um eine leichte Einführung
der Röhre und der zugehörigen Keramikteile 98, 100, 94 und 102 zu
gestatten.
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Nachdem die Röhre mit den zugehörigen keramischen Hüllenteilen in
Bearbeitungsstellung gebracht ist, wobei der Ständer 98 in der Aussparung
45 sitzt, werden die Enden der Heizleitungen 108 und 109 durch die Schlitze
106 hindurchgesteckt, so daß die Kontaktfinger mit den Lappen 18' und 17' der Heizvorrichtung
in Eingriff treten. Darauf werden Zylinder und Kolben 55 betätigt, um den Glaszylinder
80 zu senken, bis sein unteres Ende in verschließende Berührung mit dem Ring
47 kommt, aber bevor der Dorn 82 den Ring 102 (F i g. 2) berührt.
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Jetzt wird über das Standrohr 30 der Zylinder 80 und somit die Röhre
10 evakuiert. Die getrennten metallenen und keramischen Hüllenteile haben Verschlußflächen,
die keine optische Feinbearbeitung aufweisen. In Werklichkeit brauchen die Verschlußflächen,
die zusammengepreßt werden, überhaupt nicht poliert zu werden, wenn auch eine Bearbeitung
zu Erzielung ebener Flächen erwünscht ist. Außer der Ersparnis der optischen Polierung
ermöglicht die Benutzung solcher Verschlußflächen, die im fertigen Zustand rauher
als nach einer optischen Feinbearbeitung sind, daß die Röhre schnell und vollständig
in einer Vakuumkammer leergepumpt werden kann, unter Verzicht auf besondere Hilfseinrichtungen.
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Jetzt wird die Röhre erhitzt und gleichzeitig evakuiert. Die Erhitzung
erfolgt durch Induzierung eines Hochfrequenzstromes direkt in die metallischen Teile
der Röhre. Eine zeitraubende Erhitzungs- und Abkühlungsperiode wird beseitigt, die
erforderlich sein würde, wenn ein üblicher Heizofen verwendet wird. Einer der Gründe
für die Herstellung der Teile 98, 100, 102 und 82 und im besonderen
der Hilfsbehälter 94 aus dielektrischem Material ist der, daß sie die Induktion
des Hochfrequenzstromes in den metallischen Teilen der Röhre nicht verhindern oder
abschwächen. Die Beseitigung von Metall als Material für diejenigen Teile, die einer
hohen Temperatur ausgesetzt werden, macht es möglich, den Zylinder 80 unmittelbar
nach der Bildung der durch Druck hergestellten Verschlüsse anzuheben. Wenn Metall
verwendet werden würde, so würde es notwendig sein, innerhalb des Vakuums eine Abkühlungsperiode
vorzusehen, da andernfalls sich Oxyde bilden und die Toleranzen für die Teile 98,
100, 102, 104 und im besonderen für 94 zerstören würden. Während der Entgasungsperiode
wird die erforderliche Kathodenbildung vorgenommen. Die in den Zeichnungen besonders
dargestellte Röhre verwendet eine übliche mit Oxyd bedeckte Kathode. Die Herstellung
der Kathode erfolgt dadurch, daß eine EMK den Leitungen 108 und
109 zugeführt wird, welche die Heizvorrichtung bis zu einem Betrage mit Strom
versehen, der notwendig ist, um die Kathode auf die Herstellungstemperatur zu erhöhen.
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Wenn die Herstellung der Kathode und die Entgasung beendet sind, besteht
der nächste Schritt darin, die Druckverschlüsse zu machen. Diese Verschlüsse werden
dadurch hergestellt, daß die aus Zylinder und Kolben bestehende Einheit 55 betätigt
wird, um die Kolbenstange 63 nach unten zu bewegen, bis der Druckdorn 82 über den
Druckring 102 eine genügend hohe Kraft bzw. einen Druck auf die Verschlußflächen
überträgt. Das Luftleermachen der Vakuumkammer und die Induktionserhitzung der Verschlußflächen
werden fortgesetzt, wenn der Schließdruck ausgeübt wird. Nachdem der luftdichte
Verschluß gebildet ist, wird der Heizstrom in der Windung 85 abgeschaltet, das Standrohr
30 von der Vakuumpumpe getrennt, der Zylinder 80 angehoben und die Röhre 10 mit
dem Hilfsbehälter 94 von der Unterdruckkammer entfernt und schließlich die Röhre
selbst von dem Hilfsbehälter abgenommen.
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Wenn auch die eine wissenschaftliche Erklärung des Verschlusses mit
nachprüfbarer Sicherheit nicht bekannt ist, so ist einleuchtend, daß der praktische
Erfolg des durch Druck erfolgenden Verschlußverfahrens gemäß der Erfindung in der
Hauptsache von der Tatsache abhängt, daß die zu verschließenden Flächen in einem
Vakuum erhitzt werden, bevor der Druck ausgeübt wird, und nicht aus dem Vakuum zwischen
der Erhitzung und der Druckanwendung entfernt werden. Es ist wesentlich, daß die
Verschlußflächen vollständig frei von Staub, abgelagerten Gasen, Oxyden und anderen
Unreinigkeiten sein müssen. Eine der besten Reinigungen besteht darin, die Fläche
in einer nichtoxydierenden Umgebung, wie beispielsweise in einem Vakuum oder in
einem inerten Gase, zu erhitzen. Das Verfahren kann also auch dazu benutzt werden,
mit Gas gefüllte Röhren herzustellen, indem man eines der inerten Gase, wie beispielsweise
Helium, oder auch andere Gase, wie Wasserstoff, benutzt, wobei diese anderen Gase
nicht Verbindungen mit irgendeinem der besonderen Metalle eingehen, aus denen die
Verschlußflächen bestehen. Die Erfindung sieht die einzig praktische Methode zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Sauberkeit vor, nämlich das Verfahren zum Zusammenpressen
der zu verschließenden Flächen in derselben Kammer, in der die Flächen gereinigt
werden.
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Es wird ein relativ hoher Druck verwendet. Wenn nämlich Verschlußflächen,
die nicht vollkommen glatt sind, zusammengebracht werden, so können sich Verbindungsfugen
von merkbarer Festigkeit bilden, und sie werden bei niedrigem Verschlußdruck nicht
eine fortlaufende Wand oder einen luftdichten Verschluß bilden. Außerdem hat sich
herausgestellt, daß die Ausbeute an guten Verschlüssen erhöht wird, wenn ein ausreichender
Druck ausgeübt wird, um tatsächlich eine radiale Deformierung wenigstens der weicheren
Fläche zu veranlassen, wenn die Flächen aus unterschiedlichem Material bestehen.
Dies
geht auf das Aufbrechen der Flächenoxyde zurück, welche durch die hohe Temperatur
allein nicht entfernt werden können. Bei Verschlußflächen, welche eine Fertigbearbeitung
haben, die rauher als eine optische Fertigbearbeitung ist, werden eben die Flächenoxyde
leichter ausgebrochen, wenn verhältnismäßig rauhe Flächen statt optisch glatter
Flächen aufeinandergepreßt werden.
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Die Vorrichtung sieht auch eine einfache Anordnung vor. Sie vermeidet
die Benutzung von umständlichen Blasebalganordnungen, indem man die den Druck ausübende
Einrichtung oder den Dorn 82 mit der Kammerwand 80 bewegbar macht.
Die Bewegung, die anfänglich die Kammer abschließt, bringt den Dorn 82 in
druckausübende Berührung, und die Bewegung, die den Druck von dem Dorn 82 entfernt,
öffnet auch die Kammer, so daß eine fertig hergestellte Röhre sofort herausgenommen
werden kann. Wichtig ist, daß, wenn Druck ausgeübt wird, er durch schlechte Wärmeleiter,
wie beispielsweise durch die keramischen Teile 98, 100, 102 und
82 ausgeübt wird. Eine gute wärmeleitende Verbindung, welche von den Verschlußflächen
zur Zeit der Verschlußbildung Wärme abzuziehen und durch ein plötzliches Abkühlen
der keramischen Teile in der Röhre Brüche entstehen lassen könnte, ist unerwünscht.
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Durch die Lehre der Erfindung ist es möglich, im einzelnen die minimalen
Temperaturen, Drücke sowie die Anwendungszeiten zu bestimmen, die alle notwendig
sind, um gute Verschlüsse zwischen den verschiedenen Materialien zu erzielen. Beispiel
Es sind Versuche mit Röhren gemacht worden, weiche aus folgender Hüllenbauart bestehen:
Aus einem hochwertigen Aluminium-Keramikteil, wie beispielsweise die Ringe 11, einem
auf der Keramik angebrachten Molybdän-Mangan-Metallüberzug, einer Nickelschicht,
welche auf dem metallisierenden Überzug eine aufplattierte Verschlußfläche bildet,
einem dünnen Verschlußring aus Kupfer und einem metallischen Hüllenring, wie beispielsweise
den Ringen 13 bis 22 aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung oder Nickel. Die Metallisierung,
die Nickelplattierung und die Kupferringe erscheinen nicht in den Zeichnungen, zumal
die Erfindung auf diese Materialien nicht beschränkt ist und diese Teile sehr dünn
sind. So ist beispielsweise der Kupferring nur 7,62 - 10-2 mm und die Metallisierung
und Nickelplattierung je nur 5,65 - 10-s mm dick. Röhren mit guten Verschlüssen
und aus vorstehenden Werkstoffen sind gemäß folgendem Verfahren hergestellt worden,
wobei man die Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt: Die Röhrenteile werden in
die Vakuumkammer gebracht, letztere evakuiert, dann während ungefähr 3 Minuten ein
Hochfrequenzstrom zu den Verschlußflächen induziert, um deren Temperatur auf etwa
750° C zu erhöhen. Der Druckdorn 82 geht herab, um an den Verschlußflächen einen
Druck zwischen 774 und 1266 kg/cm2 zu liefern; man hält diesen Druck für etwa 21/z
Minuten aufrecht. Die Kaihode muß vor der Druckanwendung gebildet werden, und je
früher sie gebildet wird, um so länger wird die Zeitdauer für die Entleerung der
Röhre von Gasen sein, die während der Herstellung abgegeben werden. Weder das Verfahren
noch die Vorrichtung der Erfindung sind auf bestimmte Materialien beschränkt, und
es ist möglich, die durch Druck hergestellten Verschlüsse auszuführen, auch wenn
leicht oxydierte Metalle, wie beispielsweise Kupfer, benutzt werden. Der Vorteil,
Kupfer zu benutzen, das ein erwünschtes Metall für Elektronenröhren ist, wird deswegen
möglich, weil die Verschlußflächen aus der nichtoxydierenden Umgebung zwischen der
Zeit, in der sie durch Wärme gereinigt, und der Zeit, in der sie zusammengedrückt
werden, nicht entfernt werden.