DE1234858B - Gluehkathode fuer elektrische Entladungsroehren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOlj

DeutscheKl.: 21g-13/03

Nummer: 1234 858

Aktenzeichen: G 40191 VIII c/21 g

Anmeldetag: 25. März 1964

Auslegetag: 23. Februar 1967

Die Erfindung betrifft Glühkathoden für elektrische Entladungsröhren mit einem metallischen Träger für den Emissionsstoff, der mit einem Überzug aus mindestens einem Metallborid umgeben ist. Gewisse Metallboride ermöglichen bekanntlich die Herstellung von Glühkathoden, die im allgemeinen bessere Emissionseigenschaften als andere bekannte Emissionsstoffe besitzen. Emissionsstoffe aus Bonden der Erdalkalimetalle, der Seltenen Erden (mit Ordnungszahlen von 57 bis 71), Thorium oder Uran haben sich als gut geeignet erwiesen. Insbesondere Lanthanhexaborid nimmt eine bevorzugte Stellung unter den Emissionsstoffen ein. Boride der Legierungen von Seltenen Erden sind ein besonders gut geeignetes Material, wenn wirtschaftliche Überlegungen von Bedeutung sind, weil diese Legierungen leicht verfügbar und nicht kostspielig sind.

Als metallischer Träger für diese Emissionsstoffe aus MetalIboriden ist Wolfram bekannt. Es ist ferner bekannt, zum Zweck der Erniedrigung der Austrittsarbeit Wolframkathoden mit einem Thoriumoxydzusatz bis zu 10^fl/o zu verwenden und dabei statt Wolfram Rhenium als Trägermetall zu benutzen.

Bei der Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften dieser Metallboride als Emissionsstoff ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß die Träger aus Wolfram, Molybdän, Platin, Niob oder Tantal bei hohen Temperaturen verhältnismäßig brüchig sind. Es ist anzunehmen, daß durch in das Metallgitter dieser Trägermetalle eindiffundierendes Bor Borlegierungen gebildet werden, wobei auch das Metall der Borverbindung freigesetzt wird, was eine Verringerung des verfügbaren Emissionsstoffes zur Folge hat.

Eine Glühkathode für elektrische Entladungsröhren mit einem metallischen Träger für den Emissionsstoff, der mit einem Überzug aus mindestens einem Borid von Kalzium, Barium, Strontium, Thorium, Uran oder Seltenen Erden umgeben ist, ist unter weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den Emissionsstoff aus Rhenium besteht. Praktische Versuche haben gezeigt, daß von den genannten Bonden besonders Lanthanhexaborid und Boride der Legierungen von Seltenen Erden bei der Verwendung von Rhenium als Träger als Emissionsstoffe geeignet sind. Vorzugsweise ist der Träger eine lose gewickelte Wendel aus Rheniumdraht, um die der Überzug angeordnet und dadurch gestützt ist.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Kathode gemäß der Erfindung,

Glühkathode für elektrische Entladungsröhren
Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. F. Endlich, Patentanwalt,
Unterpfaffenhofen, Blumenstr. 5

Als Erfinder benannt:

James Martin Lafferty, Schenectady, Ν. Y.;

William Rudolph Grams,

Ballston Spa, Ν. Υ. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 26. März 1963 (268 107)

F i g. 2 einen Schnitt durch die Kathode nach Fig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Kathode gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel und

Fig. 5 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel.

Während durch die Erfindung Rhenium als Träger für Glühkathoden bei Verwendung verschiedener Metallboride als Emissionsstoff angegeben wird, soll der Einfachheit halber bei den folgenden Ausführungsbeispielen auf Kathoden mit Lanthanhexaborid als Emissionsstoff bezug genommen werden, da Lanthanhexaborid nach den obigen Ausführungen besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Das Element Rhenium gleicht Wolfram oder Rhodium und ist ein hitzebeständiges Metall mit einer Schmelztemperatur von 3100° C Rhenium besitzt eine hexagonale Kristallstruktur. Seine Verdampfung im Vakuum ist bei der Betriebstemperatur der Boride vernachlässigbar. Das Material kann mechanisch verarbeitet werden und ist in Form von verbiegbarem Draht verfügbar. Rhenium besitzt glühelektrische Eigenschaften, die ähnlich denjenigen von Wolfram sind, und beide Metalle können mit einem Thoriumoxydzusatz als Emissionsstoffe Verwendung finden. Aber wie Wolfram weist Rhenium nur eine geringe Elektronenemission bei den üblichen Betriebstemperaturen der guten Emissionsstoffe auf. Lanthanhexa-

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borid ermöglicht dagegen eine ausreichende Elektronenemission bei Temperaturen von etwa 1400° C. Bei dieser Temperatur ist die Elektronenemission von Rhenium im Vergleich dazu vernachlässigbar. Der Träger aus Rhenium hat deshalb praktisch keinen Anteil an den Emissionseigenschaften der Kathode.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Kathode gemäß der Erfindung dargestellt. Der Träger besteht aus einer Wendel 1 mit einer Anzahl von Wicklungen 2 eines Drahts, von dem zumindest eine Oberflächenschicht aus Rhenium besteht. Der Überzug 3 besteht aus Lanthanhexaborid, welches die Wendel 1 ausfüllt und dadurch gestützt wird.

Eine Kathode der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Art wurde durch Wicklung eines Rheniumdrahts von 0,5 mm Durchmesser um einen Dorn mit einem Durchmesser von 0,5 mm hergestellt, der danach entfernt wurde. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist die Wendel 1 lose gewickelt, so daß ein gewisser Abstand zwischen den Wicklungen 2 verbleibt. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel betrug der Abstand zwischen den Wicklungen 0,5 mm. Der Überzug 3 kann durch Aufsprühen, Eintauchen oder Bestreichen aufgebracht werden. Ein besonders geeignetes Verfahren besteht jedoch darin, den Raum innerhalb und zwischen den Wicklungen 2 der Wendel 1 auszufüllen und danach das Lanthanhexaborid zu sintern, damit sich eine vollständige Einkapselung der Wendel 1 ergibt.

Die Zuleitungen 4 und 5 der Wendel dienen zur Halterung der Kathode und zur Zuführung von Heizstrom. Ferner findet einer der Leiter 4 und 5 zum elektrischen Anschluß der Kathode selbst Verwendung.

Eine gemäß den F i g. 1 und 2 ausgebildete Kathode, welche die beispielsweise angegebenen Abmessungen besaß, fand in einer elektrischen Entladungsröhre Verwendung. Während eines 1000 Stunden andauernden Betriebs der Kathode bei einer Temperatur von 1400° C zeigte sich keine Verringerung der Emissionseigenschaften des Überzugs 3. Eine danach erfolgte Prüfung unter dem Mikroskop ergab, daß keine Diffusion oder eine andere Reaktion zwischen dem Rhenium und dem Lanthanborid aufgetreten war.

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Kathode gemäß der Erfindung. Das Ausführungsbeispiel in F i g. 3 besitzt einen stabileren Trägeraufbau als im Fall des Ausführungsbeispiels in den F i g. 1 und 2.

Der Träger in F i g. 3 hat zwei Seitenglieder 6 und 7, die normalerweise starr am Röhrenfuß od. dgl. befestigt sind. Die Glieder 6 und 7 weisen bei diesem Beispiel Stützkappen 8 und 9 auf, die beispielsweise an deren oberen Enden angeschweißt sind. Die Kappen 8 und 9 dienen zur Halterung der Enden eines Rheniumröhrchens 10 mit verhältnismäßig großem Durchmesser. Die Stützeinrichtung weist ferner eine Wendel aus Rheniumdraht mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser auf, von dem eine Anzahl von Wicklungen um das Röhrchen 10 gewickelt sind. Die Enden der Wendel sind beispielsweise an den Stellen 13 oder 14 an das Rohr angeschweißt, können jedoch auch an den Gliedern 6 und 7 oder den Kappen 8 und 9 befestigt sein. Der Anschluß für den Heizstrom zu dem Röhrchen 10 erfolgt über die Glieder 6 und 7 und die Kappen 8 und 9, die aus

einem leitenden Material bestehen. Ein Überzug 12 aus Lanthanborid wird auf das Röhrchen 10 und zwischen die Wicklungen 11 durch irgendein übliches Verfahren gebracht, indem z. B. eine Füllung und Sinterung am Ort selbst erfolgt. Es ist ersichtlich, daß alle Oberflächenbereiche des Trägers in Fig. 3, welche mit dem Überzug 12 aus Lanthanhexaborid in Verbindung stehen, nämlich das Röhrchen 10 und die darum gewickelte Wendel, aus Rhenium bestehen.

ίο Deshalb kann keine Diffusion von Boratomen in irgendeinem Teil des Trägers auftreten.

In der in F i g. 4 dargestellten Kathode wird ein Überzug 15 aus Lanthanborid um den Träger 17 aus Rheniumdraht angeordnet und von diesem getragen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel steht die Heizwendel mit den Wicklungen 16 nicht in Berührung mit dem Überzug 15. Deshalb muß die Heizwendel nicht notwendigerweise aus Rheniumdraht bestehen, so daß das Material irgendein üblicherweise für diesen Zweck verwendbares hitzebeständiges Metall sein kann. Die Stützglieder 6 und 7 und die Kappen 8 und 9 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel leitend, um eine Anschlußmöglichkeit für den Überzug 15 zu ergeben, da die Heizwendel nicht wie in F i g. 1

a5 mit dem Träger verbunden ist.

F i g. 5 zeigt eine Haarnadelkathode mit zwei Seitengliedern 18 und 19, welche einen Rheniumdraht

20 tragen. Der Draht 20 ist wie ein umgekehrtes V ausgebildet und mit den Gliedern 18 und 19 an seinen Enden beispielsweise verschweißt. Ein Rheniumdraht 21 mit einem geringeren Durchmesser ist um den Draht mit einer Anzahl von Windungen 22 gewickelt, dessen Enden 23 und 24 mit dem Draht 20 beispielsweise verschweißt sind. Wahlweise können die Enden 23 und 24 an den Gliedern 18 und 19 befestigt werden. Bei einer besonders zufriedenstellenden Stützeinrichtung dieser Art betrug der Durchmesser des Drahts 20 das Doppelte des Durchmessers des Drahts 21, während der Abstand zwischen den Windungen 22 gleich dem Durchmesser des Drahts

21 war.

Wie in dem Ausführungsbeispiel in F i g. 3 sind die Seitenglieder 18 und 19 in F i g. 5 elektrisch leitend und dienen als ein Teil des Kathoden- bzw. Heizkreises. Es ist nicht erforderlich, daß der Draht 21 einen wesentlichen elektrischen Leitungsweg darstellt, da der Heizstrom hauptsächlich durch den Draht 20 fließt. Der Draht 21 dient lediglich als mechanische Stütze für den Überzug 25.

Es wurde eine Haarnadelkathode der in F i g. 5 dargestellten Art hergestellt, bei welcher der Rheniumdraht 20 einen Durchmesser von ¹Amm und der Rheniumdraht 21 einen Durchmesser von Vs mm besaß, während der Abstand zwischen den Windungen Ve mm betrug. Der Draht 21 war mit den Enden des Drahts 20 in der Nähe der Glieder 18 und 19 verschweißt. Der Raum zwischen den Windungen wurde durch Auftragen einer Paste mit Lanthanhexaborid ausgefüllt, die aus Boridpulver und Amylazetat bestand. Die Kathode wurde in Argon 5 Minuten lang bei 1600° C gesintert. Die fertige Kathode lieferte einen Emissionsstrom von IO^-7 A bei einer Oberflächentemperatur von lediglich 675° C. Der durch die Glieder 18 und 19 zugeführte Heizstrom betrag 1,8 A und die Heizleistung 1,7 Watt. Bei det

' · anschließenden Prüfung der Kathode unter einem Mikroskop konnte keine Diffusion von Bor in den Träger aus Rhenium festgestellt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Glühkathode für elektrische Entladungsröhren mit einem metallischen Träger für den Emissionsstoff, der mit einem Überzug aus mindestens einem Borid von Kalzium, Barium, Strontium, Thorium, Uran oder Seltenen Erden umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den Emissionsstoff aus Rhenium besteht.

2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallborid Lanthanhexaborid ist.

3. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Boride der Legierungen von Seltenen Erden verwendet werden.

4. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine lose gewickelte Wendel aus Rheniumdraht ist, um die der Überzug angeordnet und dadurch gestützt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 856 666, 883 935;
USA.-Patentschrift Nr. 2 659 685.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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