DE1194988C2 - Gitterelektrode fuer hochvakuum- elektronenroehren - Google Patents

Description

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Die zulässige Verlustleistung und damit die erreichbare Ausgangsleistung von Hochvakuumelektronenröhren, insbesondere Senderöhren, ist bekanntlich nicht so sehr durch die thermische Belastbarkeit der Anode begrenzt, da dieses Problem durch geeignete Werkstoffe und Kühlmaßnahmen gut beherrschbar ist, sondern vielmehr durch die thermische Belastbarkeit sowie die primäre und sekundäre Elektronenemission der Gitterelektrode. Die primäre Elektronenemission von Gitterelektroden rührt gewöhnlich von Niederschlägen des emittierenden Kathodenmateriais her, die sich während der Fertigung und des Betriebs der Röhre bilden, wobei die für die Emission notwendige Erhitzung der Gitterelektrode auf das Elektronenbombardement und (in geringerem Maße) auf die Wärmestrahlung der Kathode zurückzuführen ist. Die sekundäre Elektronenemission ist von der Gittertemperatur fast unabhängig, jedoch von dem die Gitteroberfläche bildenden Werkstoff und von der Geschwindigkeit der auftreffenden Primärelektronen abhängig.

Bisher bekannte Gitterelektroden für hochbelastete Hochvakuumelektronenröhren bestehen fast ausschließlich aus gegenüber hohen Temperaturen beständigen Metallen wie Molybdän, Tantal oder Wolfram. ledoch sind diese Metalle einerseits nur mittelmäßige Wärmeleiter, so daß die aufgenommene Wärme zu einer beträchtlichen Erhitzung der Gitterelemente führt; andererseits begünstigen diese Metalle die Emissionsfähigkeit von auf der Gitterelektrode unerwünscht niedergeschlagenen Kathodenwerkstoffen. Des weiteren wird der Sekundärelektronenemissionskoeffizient der Metalle größer als eins, wenn die Beschleunigungsspannung der Elektronen einen Wert zwischen 150 und 250 Volt übersteigt. Bekanntlich lassen sich die unerwünschte primäre und sekundäre Elektronenemission durch Überziehen der Gitterelektrodenoberfläche mit Werkstoffen wie Zirkon, Tantalkarbid oder Kohlenstoff vermindern, die einerseits einen geringen Sekundärelektronenemissionskoeffizienten und andererseits die Eigenschaft besitzen, die Emissionsfähigkeit von Niederschlägen des Kathodenwerkstoffes zu verschlechtern. So ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 10 05 196 bereits bekannt, einen Graphitüberzug auf einem Draht für die Herstellung nichtemittierender Gitter für Elektronenröhren dadurch zu erzeugen, daß entweder der Draht oder das bereits fertiggewickelte Gitter in eine Kohlenwasserstoffdampf enthaltende Atmosphäre gebracht und dort auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Kchlenwasserstoffdampf sich zersetzt und der gebildete Kohlenstoff mit dem metallischen Giitcrdraht bzw. dem Gitter zunächst eine Karbidverbindung eingeht und sich nachfolgend in Form einer dünnen Graphitschicht niederschlägt. Ohne daß dies dort erwähnt worden wäre, handelt es sich bei diesem dünnen Überzug um sogenannten pyrolytischen Graphit, dessen Herstellung und dessen wesentliche Eigenschaften durch die Druckschrift PYROGRAPHI-TE der Firma Raytheon (Nuclear Science Abstracts B. 14, 1960, S. 1521) bekannt wurden. Im einzelnen sind in dieser Druckschrift die gegenüber gewöhnlichem Graphit höhere Dichte, die stark anisotropen thermischen und elektrischen Eigenschaften, die Gasundurchlässigkeit und der hohe Wert des Quotienten aus Zugfestigkeit und spezifischem Gewicht, der höher als bei den meisten Metallen liegt, sowie erzielbare Materialstärken bis zu etwa 1,3 cm. zusammen mit allgemünen Hinweisen auf mögliche Anwendungen auf dem Gebiet der Raumfahrt und der Raketentechnik angegeben. Bei der Gitterelektrode nach der genannten deutschen Auslegeschrift treten jedoch die vorgenannten, vorteilhaften Eigenschaften des pyrolytischen Graphits kaum in Erscheinung, da Hitzebeständigkeit, hohes thermisches Emissionsvermögen, geringe Sekundärelektronenemission und geringe thermische Elektronenemission bereits Eigenschaften des natürlichen Graphits sind und die verbesserte Haftung der dünnen Schicht aus pyrolytischem Graphit auf den Metalldrähten allein auf der gebildeten Karbidzwischenschicht beruht. Wegen der durch diese Karbidschicht hervorgerufenen Versprödung des Drahtes kommt es jedoch beim nachfolgenden Bewickeln sehr leicht zu Drahtbrüchen. Außerdem platzt die Schicht aus pyrolytischem Graphit im Bereich der kleinen Krümmungsradien um die Gitterträger herum mangels entsprechender Elastizität sehr leicht ab, und schließlich können die einzelnen Gitterdrahtwindungen auf den Gitterträgern nicht zuverlässig festgelegt werden, da die hierfür übliche Punktschweißung wegen des fehlenden direkten metallischen Kontaktes zwischen Gitterdraht und Gitterträger nicht anwendbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gitterelektrode für Hochvakuum-Elektronenröhren zu schaffen, die erheblich höhere thermische Belastungen als bekannte Gitterelektroden auszuhalten vermag,' ohne daß die Gefahr einer mechanischen Zerstörung oder Erhöhung der primären Elektronenemission besteht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gitterelektrode in ihrer Gesamtheit aus einer Löcher, Schlitze oder ähnliche Aussparungen aufweisenden Folie aus pyrolytischem Graphit besteht, der kristallographisch so ausgerichtet ist, daß seine maximale Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche des Gitters verläuft.

Gemäß einer für Hochleistungssenderöhren besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt die Gitterelektrode die Form eines Hohlzylindc-s, in dessen Wandung die Schlitze längs Kurven verlaufen, die gegen die Zylindermantellinicn geneigt sind.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Gitterelektrode die Form eines Trogs, dessen ebener Boden kreisbogenförmige Schlitze in regelmäßigem Abstand zueinander aufweist.

Wie einleitend bereits kurz ei läutert, handelt es sich bei pyrolytischem Graphit um einen kristallinischen Kohlenstoff, der sich bei Wärmezersetzung einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung, beispielsweise einer Kohlenwasserstoffverbindung, an der Oberfläche eines auf sehr hoher Temperatur (z. B. 2000'C) gehaltenen Trägerelcmentes bildet. Die sich auf diesem Träger niederschlagende Graphitschicht ist mechanisch äußerst widerstandsfähig und besitzt infolge eines ausgerichteten kristallinen Wachstums eine stark anisotrope elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. So ist bei Temperaturen unter 1000⁰C die in einer zu der Ebene der Schichten parallelen Richtung gemessene Wärmeleitfähigkeit mit der von Kupfer vergleichbar und etwa dreimal größer als diejenige gewöhnlichen industriellen Graphits, der durch Rekristallisation eines mikrokristallinen Kohlenstoffagglomerates erhalten wird. In den zu der Ebene der Schichten senkrechten Richtungen ist demgegenüber die Wärmeleitfähigkeit des pyrolytischen Graphits sehr viel kleiner als diejenige gewöhnlichen Graphits. Der Sekundärelektronenemissionskoeffizient des pyrolytischen Graphits ist etwa gleich demjenigen gewöhnlichen Gra phits; er bleibt also kleiner als eins bei sämtlicnen Geschwindigkeiten auftreffender Elektronen. Ferner verschlechtert der pyrolytische Graphit im selben Maße wie gewöhnlicher Graphit die Elektronenemissionsfähigkeit von unerwünscht niedergeschlagenen, dünnen Schichten der üblichen Kathodenwerkstoffe.

Gegenüber bekannten Gitterelektroden zeichnet sich die Gitterelektrode nach der Erfindung dank ihres einstückiger. Aufbaus aus pyrolytischem Graphit vor allem durch große mechanische Widerstandsfähigkeit und geringe primäre Elektronenemission aus. Während die geringe Festigkeit gewöhnlichen Graphits der Fertigung einstückig aus diesem Werkstoff bestehender Gitterelektroden für Hochvakuum-Elektronenröhren entgegensteht, erlaubt es der hohe Wert des Quotienten zwischen Zugfestigkeit und spezifischem Gewicht des pyrolytischen Graphits, der dem entsprechenden Wert der meisten Metalle überlegen is;, engtolerierte, dünnwandige Gitterelektroden aus diesem Werkstoff herzustellen, deren mechanische Festigkeit auch gegenüber Stoßen und Vibrationen vor allem bei hohen Temperaturen derjenigen bekannter Gitterelektroden überlegen ist. Die geringe primäre oder thermische Elektronenemission der Gitterelektrode nach der Erfindung beruht nicht allein auf der Verschlechterung der Emissionsfähigkeit der etwa aufgestäubten oder sonstwie niedergeschlagenen kathodischen Werkstoffe, sondern vor allem auch auf der unter sonst gleichen Verhältnissen im Vergleich zu bekannten Gitterelektroden geringeren Erhitzung des Gitters infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit des pyrolytischen Graphits parallel zur Oberfläche der Gitterelektrode nach der Erfindung. Dabei steht infolge des einstückigen Aufbaus der Gitterelektrode der volle Materialquerschnitt für den Wärmetransport zu den in üblicher Weise eine höhere Materialstärke aufweisenden tragenden Teilen des Gitters und von dort zu der Gitterhalterung zur Verfugung. Mit anderen Worten kann entweder die Gitterelektrode nach der Erfindung mit einer höheren Gitterverlustleistung als bekannte Gitterelektroden

to betrieben werden, oder die Gitterelektrode nach der Erfindung kann bei gleicher Verlustleistung kleiner als bekannte Gitterelektroden ausgeführt werden, was in Verbindung mit den ohne weiteres erzielbaren engen Fertigungstoieranzen eine Verkleinerung der Elektrodenabstände und damit eine Erhöhung der Betriebsfrequenz der entsprechenden Röhre gestattet.

Rohlinge aus pyrolytischem Graphit für Gitterelcktroden nach der Erfindung können in Form zylindrischer oder ebener Folien nach bekannten Verfahren durch Niederschlag auf einem Kern beispielsweise aus gewöhnlichem Industriegraphit hergestellt werden, von dem sie sich nach Abkühlung ablösen.

In der Zeichnung ist eine Gitterelektrode nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch im Längsschnitt veranschaulicht. Die Gitterelektrode besteht aus einer Folie aus pyrolytischem Graphit, der gemäß bekannten Verfahren auf einem Dorn zuvor niedergeschlagen und dann von diesem getrennt wurde. Sie besitzt einen kegeligen Teil 1, einen zylindrischen Teil 2 und einen ebenen Boden 3. Innerhalb des zylindrischen Teils 2 sind Schlitze 4 auf zu den Mantellinien 5 des Zylinders 2 geneigten Kurven verlaufend angeordnet. Im einzelnen folgen die Schlitze 4 und demzufolge die zwischen ihnen befindlichen Stege 6 des Gitters Kurven, die sich aus dem Schnitt des Zylinders 2 mit gegenüber seiner Achse geneigten Ebenen ergeben. Im Interesse einer klareren Darstellung ist in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ein Neigungswinkel 7 gewählt, der größer als in der Praxis üblich ist. Eine solche Gitterelektrode kann vorzugsweise mittels Titan- oder Zirkonkarbid oder reinem Titan in Form einer Schicht 9 auf einem Gitterträger 8 befestigt werden, der gegebenenfalls aus gewöhnlichem Graphit besteht.

Zur Herstellung der dargestellten Gitterelektrode geht man von einem Hohlzylinder aus ausgerichtetem Graphit aus, der beispielsweise durch Zersetzung eines Kohlenwasserstoffgases auf der Oberfläche eines auf hoher Temperatur gehaltenen Dorns aus gewöhnlichem Graphit erhalten wird. Die Bearbeitung der Gitterelektrode erfolgt beispielsweise durch ein Formverfahren, durch das in den noch ungeschlitzten Hohlzylinder der Gitterelektrode die betreffenden Schlitze in regelmäßigen Abständen zueinander mittels eines fräsenden, schleifenden oder sonstwie formenden Drehwerkzeugs eingebracht werden, dessen Angriffsebene zur Achse des Hohlzylinders geneigt eingestellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gitterelektrode für Hochvakuum-Elektronenröhren, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrer Gesamtheit aus einer Löcher, Schlitze (4) oder ähnliche Aussparungen aufweisenden Folie aus pyrolytischem Graphit besteht, der kristallographisch so ausgerichtet ist, daß seine maximale Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche des Gitters verläuft.

2. Gitterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Form eines Hohlzylinders (2) besitzt, in dessen Wandung die Schlitze (4) längs Kurven verlaufen, die gegen die Zylindcxmantellinien (5) geneigt sind.

3. Gitterelektrode nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß sie die Form eines Trogs besitzt, dessen ebener Boden kreisbogenförmige Schlitze in regelmäßigem Abstand zueinander aufweist.