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Leistungsglühkathode und Schaltungsanordnung zu deren Betrieb Die
Erfindung betrifft eine Leistungsglühkathode und eine Schaltungsanordnung zu deren
Betrieb. Leistungsglühkathoden, also Glühkathoden mit hohem Emissionsstrom bzw.
hoher Emissionsstromdichte, werden beispielsweise bei Elektronenstrahl-, Schweiß-,
Schmelz- und Verdampfungsanlagen benutzt.
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Es ist bekannt, Glühkathoden indirekt zu heizen. Hierbei wird eine
Heizwendel, die im Innern einer Glühkathode elektrisch isoliert angeordnet ist,
elektrisch aufgeheizt. Durch die von der Heizwendel ausgesandte Wärmestrahlung wird
die Glühkathode auf Elektronenemissionstemperatur erhitzt. Die Heizwendel muß eine
wesentlich höhere Temperatur besitzen als die durch sie aufgeheizte Kathode, da
zu jeder Wärmeübertragung ein Temperaturgefälle notwendig ist. Dieses indirekte
Heizverfahren ist in seiner Anwendung beispielsweise schon von der Werkstoffseite
her beschränkt, denn es läßt sich unter anderem nicht zur Aufheizung von Wolframglühkathoden
benutzen. Durch Wechselstromheizung des Heizdrahtes kann das hierdurch erzeugte
Magnetfeld störend auf die von der Glühkathode in Richtung auf das zu behandelnde
Gut emittierten Elektronen einwirken. Diese Einwirkung ist bei dünnen Heizdrähten
durch bifilare Wendelung des Drahtes leicht zu beseitigen.
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Es ist weiterhin bekannt, eine Kathode für elektrische Entladungsgefäße
durch Elektronenbombardement aufzuheizen. Zwischen einem durch Stromdurchgang beheizten
Heizer und der Kathode wird eine Gleich- oder Wechselspannung angelegt. Bei Verwendung
von Wechselspannung werden Gleichrichteranordnungen vorgesehen, um den Heizer stets
als Kathode wirksam zu machen. Das Arbeiten mit reinen Wechselspannungen wird für
den Fall vorgeschlagen, wenn die betreffenden Wandungsteile der Kathode, die dem
Heizer zugekehrt sind, bei Betriebstemperatur keine nennenswerte Elektronenemission
aufweisen.
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Außerdem ist es bekannt, eine Leistungsglühkathode durch Elektronenbombardement
aufzuheizen. Eine in gewissem Abstand von der Leistungsglühkathode angeordnete Hilfskathode
aus dickem Draht - meist verwendet man eine Wolfram-Heizwendel - wird durch direkten
Stromdurchgang in der Größenordnung von einigen Ampere auf eine solche Temperatur
aufgeheizt, daß sie Elektronen emittiert. Zum Absaugen dieser Elektronen wird die
Leistungsglühkathode um einige hundert Volt positiv gegenüber der Hilfskathode aufgeladen.
Die durch die zwischen Hilfskathode und Leistungsglühkathode angelegte Gleichspannung
beschleunigten Elektronen bombardieren die Leistungsglühkathode, die dadurch auf
beliebig hohe Temperatur aufgeheizt werden kann. Dieses bekannte Heizverfahren für
Leistungsglühkathoden bietet die Möglichkeit, auch Leistungsglühkathoden aus Wolfram
auf Emissionstemperatur aufzuheizen. Während des Betriebes der Leistungsglühkathode
muß also die Heizwendel ständig an eine Stromquelle, .die einen hohen Strom bei
niedriger Spannung liefert, angeschlossen sein. Das durch den verhältnismäßig hohen
Heizstrom für die Heizwendel erzeugte Magnetfeld kann die von der Leistungsglühkathode
emittierten Elektronen ungünstig beeinflussen. Zur Vermeidung dieser Magnetfeldeinwirkung
sind besondere Vorkehrungen zu treffen. Das bifilare Wendeln des Heizdrahtes ist
hier wegen der Dicke des Drahtes nur schwer möglich.
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Um diese Mängel bei einer Leistungsglühkathode mit im Abstand davon
angeordneter beheizter Hilfskathode, von der aus die Leistungskathode durch Elektronenbombardement
beheizt wird, zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Hilfskathode
so angeordnet und daß die Leistungskathode aus so temperaturbeständigem Material
hergestellt ist, daß nach anfänglichem Aufheizen durch Stromdurchgang die Hilfskathode
durch Rückheizung mittels Elektronenbombardement aus der Leistungskathode weiter
betrieben werden kann. Zwischen Hilfskathode und Leistungsglühkathode wird zu diesem
Zweck eine hohe Wechselspannung, beispielsweise von einigen tausend Volt, angelegt,
und der Heizstrom für die Hilfskathode wird nach Erreichen einer ausreichenden Emissionstemperatur
der Leistungsglühkathode abgeschaltet. Hierdurch wird erreicht, daß sich von dem
Augenblick an, an dem die Leistungsglühkathode eine ausreichende Emissionstemperatur
erreicht hat, die Hilfskathode und die Leistungsglühkathode gegenseitig
aufheizen,
so daß die Stromquelle für die Hilfskathode dann abgeschaltet werden kann. Während
des laufenden Betriebes der Leistungsglühkathode ist also im Gegensatz zu dem bekannten
Heizverfahren durch Elektronenbombardement nur noch eine Stromquelle erforderlich,
die eine hohe Wechselspannung und einen sehr niedrigen Strom liefert. Es werden
auch die besonderen Vorrichtungen und Maßnahmen zur Vermeidung der Einwirkung des
Magnetfeldes, das bei den bekannten Verfahren durch den hohen Heizstrom für die
Heizwendel während des Betriebes der Leistungsglühkathode erzeugt wird, auf die
von der Leistungsglühkathode in Richtung auf das Schweißstück, den zu schmelzenden
oder zu verdampfenden Körper emittierten Elektronen überflüssig. Außerdem ermöglicht
die Erfindung eine leichte Regulierbarkeit der Temperatur der Leistungsglühkathode
während ihres Betriebes durch Regelung der an die Heizwendel und die Leistungsglühkathode
angelegten Wechselspannung.
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In den F i g. 1 und 2 sind zwei Schaltungsanordnungen für den Betrieb
einer erfindungsgemäßen Leistungsglühkathode schematisch dargestellt.
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In Fi g. 1 ist die Hilfskathode 1 über einen Transformator
2 an eine _ Stromquelle 3 über einen Schalter 4 im Primärkreis des
Transformators 2 angeschlossen. Der Transformator 2 ist so ausgelegt, daß er auf
der Sekundärseite einen hohen Strom, beispielsweise von einigen Ampere, bei niedriger
Spannung liefern kann. Die im Abstand von der Hilfskathode 1 angeordnete Leistungsglühkathode
5 und die Hilfskathode 1 sind mit der Sekundärseite eines Transformators 6 elektrisch
leitend verbunden. Die Primärseite des Transformators 6 ist mit einer StromqueIIe
7 verbunden (Wechselstromnetz). Der Transformator 6 ist so ausgelegt, daß er auf
der Sekundärseite eine hohe Wechselspannung, beispielsweise von einigen tausend
Volt, bei niedriger Stromstärke liefern kann. In bevorzugter Ausführung wird die
Primärseite des Transformators 6 zur Spannungsregulierung in an sich bekannter Weise
regulierbar ausgebildet. An Stelle zweier Transformatoren 2, 6, wie dies in F i
g. 1 dargestellt ist, kann auch eine Schaltungsanordnung mit einem Transformator
gemäß F i g. 2 benutzt werden. In F i g. 2 sind die Leistungsglühkathode 5 und das
eine Ende der Hilfskathode 1 elektrisch mit der -Sekundärseite eines Transformators
8 direkt verbunden, dessen Primärseite, die vorzugsweise ebenfalls in bekannter
Weise regulierbar ausgebildet sein kann, an eine Stromquelle 7 angeschlossen ist.
Das andere Ende der Hilfskathode 1 ist über einen Schalter 9 mit einer Anzapfung
10 der Sekundärseite des Transformators 8 verbunden. Hierdurch wird erreicht,
daß auch der Heizstrom für die Hilfskathode 1 mittels des gleichen Transformators
8, der auch die hohe Wechselspannung liefert, erzeugt werden kann.