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Indirekt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre Die Erfindung betrifft
eine indirekt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre mit einem Kathodenröhrchen,
das einen wendelförmigen, auf eine Mantelfläche eines hohlzylinderförmigen Isolierkörpers
aufgewickelten Heizfaden mit Abstand umschließt, und mit einem axial durch den Isolierkörper
geführten, stabförmigen Leiter.
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Indirekt geheizte Kathoden enthalten normalerweise eine Metallhülse,
auf die außen elektronenemittierende Oxyde aufgebracht sind. In der Hülse ist ein
beispielsweise aus Wolfram bestehender drahtförmiger Heizer angeordnet, der von
der Hülse isoliert ist, an diese jedoch Wärme übertragen muß. Der Heizdraht wird
im Betrieb an eine Stromquelle angeschlossen und durch Stromdurchgang erhitzt. Hierdurch
werden dann die auf die Hülse aufgebrachten Oxyde auf Emissionstemperatur gebracht.
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Bei manchen Röhren ist der Heizdraht für eine relativ hohe Betriebsspannung
ausgelegt, und der Heizdraht hat dann einen entsprechend kleinen Querschnitt. Während
beispielsweise ein für sechs Volt bestimmter Heizdraht aus Wolfram einen Durchmesser
von etwa 0,2 bis 0,25 mm hat, beträgt der Durchmesser eines Wolframheizfadens, der
für eine Betriebsspannung von 26 Volt bestimmt ist, nur noch 0,05 bis 0,13 mm, wenn
ein einwandfreier Betrieb gewährleistet sein soll.
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Bei Heizdrahtfäden für hohe Betriebsspannungen treten eine Reihe von
Schwierigkeiten auf, die zum Teil darauf beruhen, daß das Drahtmaterial für solche
Heizer relativ dünn sein muß und daher nur eine geringe Zugfestigkeit hat. Solche
relativ dünnen Heizdrähte brechen leicht und müssen mit äußerster Sorgfalt gehandhabt
werden. Auch die elektrische Isolation wirft wegen der verhältnismäßig hohen Betriebsspannung
Probleme auf. Die Isolation muß sowohl den Heizfaden von der Kathodenhülse isolieren
als auch die benachbarten Windungen des Heizers, der aus einer enggewickelten Wendel
besteht, voneinander. Ein weiteres Problem ist die Halterung des Heizfadens. Die
Halterung soll relativ robust sein, so daß sich der Heizfaden nicht aus seiner ursprünglichen
Lage verlagern kann. Schließlich soll der Heizer so gebaut sein, daß er sich leicht
in einer Kathodenhülse montieren läßt.
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Es ist bereits eine direkt geheizte Kathode für eine Hochleistungsröhre
bekannt, die einen relativ massiven Heizdraht enthält, der zickzackartig auf einer
Zylinderfläche verläuft und an den Umkehrpunkten in Nuten zweier Keramikscheiben
gehaltert ist.
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Es ist ferner eine indirekt geheizte Kathode für Elektronenröhren
bekannt, deren von einer Isolier-Schicht bedeckte Heizwendel in Form einer Kehrwendel
auf einen Keramikkern gewickelt ist.
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Schließlich ist eine indirekt geheizte Glühkathode für Elektronenstrahlröhren
bekannt, die eine napfförmige metallische Kathodenhülse enthält, die einen keramischen
Kern eng umschließt, welcher an der Ober- und Mantelfläche Vertiefungen und Rillen
aufweist, in der der Heizfaden vollständig blank oder mit einer dünnen isolierenden
Schicht bedeckt gelegt ist. Durch die Mitte des keramischen Körpers kann ein Stift
verlaufen, der gleichzeitig als Träger für das Kathodenröhrchen und als dessen Stromzuführung
dient.
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Durch die vorliegende Erfindung soll eine indirekt geheizte Kathode
für eine Elektronenröhre angegeben werden, die einfach herzustellen und leicht zu
montieren ist und die mit geringem Aufwand enge Toleranzen einzuhalten gestattet.
Gleichzeitig Soll eine sichere Halterung aller Teile gewährleistet sein, so daß
auch durch hohe Beschleunigungen und Stöße keine Beschädigungen oder Isolationsfehler
auftreten können.
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Diese Aufgaben werden bei einer indirekt geheizten Kathode der eingangs
genannten Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der stabförmige Leiter von
einer isolierenden, an der Innenwand des Kathodenröhrchens anliegenden Ringscheibe
isoliert gehaltert ist und einen flanschartigen Metallkragen
trägt,
der ein Ende des hohlzylinderförmigen Isolierkörpers abstützt und mit einem Ende
des Heizfadens elektrisch leitend verbunden ist, während das andere Ende des Heizfadens
mittels eines flanschartigen, an dem anderen Ende des Isolierkörpers befestigten
Metallkragens mit dem Kathodenröhrchen leitend verbunden ist.
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Zur Vereinfachung der Montage ist der stabförmige Leiter vorzugsweise
über einen Ringflansch mit dem ersterwähnten Metallkragen verbunden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung setzt sich das Kathodenröhrchen
über eine als Zuleitung dienende Verlängerung, die etwa am Befestigungsbereich des
zweiten Metallkragens beginnt und eine verringerte Wandstärke aufweist, in einen
ebenfalls als Zuleitung dienenden Flanschteil fort.
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Das andere Ende des stabförmigen Leiters durchsetzt vorzugsweise eine
Mittelöffnung eines becherförmigen Flansches und ist dort leitend mit diesem verbunden,
und der becherförmige Flansch ist über eine ringförmige Isolierscheibe mit dein
Flanschteil des Kathodenröhrchens verbunden. Vorzugsweise ist dabei zwischen dem
Isolierring und dem Flanschteil des Kathodenröhrchens eine zur Kompensation unterschiedlicher
Wärmedehnungen bemessene Metallscheibe angeordnet.
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Die Kathode gemäß. der Erfindung eignet sich besonders für höhere
Betriebsspannungen, bei denen relativ dünne Heizdrähte verwendet werden müssen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert, es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch
eine indirekt geheizte Kathode gemäß der Erfindung und F i g. 2 eine Teilansicht
in einer Ebene 2-2 der Fig. 1.
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Die in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte indirekt
geheizte Kathode enthält ein Kathodenröhrchen 10, dessen aktiver Teil 12 eine Schicht
14 aus einem elektronenemittierenden Material trägt, das Barium-, Strontium- und
Caleiumcarbonat enthalten kann. Das Kathodenröhrchen kann beispielsweise aus Nickel
bestehen. Die Kathode wird später in eine Röhre eingebaut und in üblicher Weise
formiert.
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An den aktiven Teil 12 des Kathodenröhrchens 10 schließt sich ein
Zwischenteil 18 verringerter Wandstärke an, durch den Wärmeverluste durch Ableitung
vom aktiven Teil 12 zu einem Flansch 16 vermieden werden, der sich an das dem Teil
12 abgewandte Ende des Zwischenteiles 18 anschließt. Das in Fig. 1 obere Ende des
Kathodenröhrchens 10 ist durch einen ringförmigen, nach innen gebogenen Endteil
20, der eine Öffnung 22 aufweist, teilweise geschlossen.
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Das Kathodenröhrchen 10 umschließt eine Heizeranordnung 24. Diese
weist einen Zylinder 26 aus Keramik, z. B. Forsterit auf, auf dem sich eine enggewickelte
Wendel 28 befindet, die aus Wolframdraht 30 besteht, welcher mit einem Isoliermaterial
32, wie Aluminiumoxyd, überzogen ist,. um benachbarte Windungen der Wendel gegeneinander
zu isolieren.
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Am oberen Ende des Zylinders 26 ist ein Metallkragen 34 befestigt,
der beispielsweise aus Nickel bestehen kann. Der Durchmesser des Kragens 34 und
der Wendel 28 ist beträchtlich kleiner als der Innendurchmesser des aktiven
Teils 12 des Kathodenröhrchens, so daß sie von diesem durch einen Zwischenraum isoliert
sind. Zur Befestigung des Kragens 34 an der oberen Endfläche des Zylinders 26 ist
diese metallisiert, z. B. mit Hilfe eines üblichen Molybdänsalz, und die resultierende
Molybdänschicht ist mit Kupfer plattiert, so daß ein ringförmiger Teil des Kragens
34 hart angelötet werden kann. Der Kragen 34 ist mit einer Mittelöffnung versehen,
die einen beispielsweise aus Nickel bestehenden Metallstab oder -stift 36 satt aufnimmt.
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Zur Befestigung des oberen Endes des Drahtes 30 der Heizwendel 28
ist ein nicht überzogener Teil 54 des Heizdrahtes (F i g. 2) zwischen den oberen
Kragen 34 und die obere Fläche des Zylinders 26 geklemmt. Wie Fig. 1 zeigt, wird
der Heizdraht beim Verlöten des oberen Kragens 34 mit der Metallschicht 56, was
bei einer Temperatur von etwa 1140° C durchgeführt wird, in das erweichte Kupfer
der Metallschicht eingebettet und elektrisch gut leitend mit dem Metallkragen 34
verbunden. Da der obere Kragen 34 leitend mit dem Stab 36 in Verbindung steht, der
seinerseits wieder leitend mit einem Flansch 48 befestigt ist, kann letzterer in
der Praxis als Einführung für das obere Ende der Heizwendel 28 dienen.
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Das nicht dargestellte untere Ende der Wendel 28
ist ebenfalls
nicht isoliert und zwischen die metallisierte untere Stirnfläche des Zylinders 26
und einem ringförmigen Teil eines unteren Nickelkragens 38 eingeklemmt, welcher
an der metallisierten unteren Stirnfläche des Zylinders befestigt ist. Wenn das
Kupfer der Metallisierungsschicht beim Hartlöten auf etwa 1140° C erhitzt wird und
schmilzt, wird das bloße untere Ende der Wendel 28 in die Lotverbindung mit dem
unteren Kragen 38 eingebettet. Da dieser Kragen, wie erwähnt, an der Innenfläche
der Kathode befestigt ist, kann der Flansch 16 der Kathode als Einführung für das
untere Ende der Heizwendel 28 verwendet werden. Die Verbindung des unteren Endes
des Heizdrahtes mit dem Kragen 38 kann wie oben in Verbindung mit dem oberen Ende
des Heizdrahtes ausgeführt sein.
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Der Kragen 38 bildet eine Mittelöffnung 40, die einen ausreichenden
Abstand von dem Stab 36 hat. Der untere Kragen 38 hat einen größeren Außendurchmesser
als der obere Kragen 34 und paßt satt in das Innere des unteren Endes des aktiven
Teils 12 des Kathodenröhrchens. Der Kragen 38 wird an der Innenwand des Teils 12
befestigt, z. B. durch eine Ringschweißung 42.
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Das obere Ende der Heizeranordnung 24 wird vom Teil 12 des Kathodenröhrchens
durch eine Isolierscheibe 44 isoliert, die beispielsweise aus Keramik, wie Aluminiumoxyd,
bestehen kann und eine Mittelöffnung aufweist, in die das obere Ende des Stabes
36 im Gleitsitz paßt. Die Scheibe 44 hat einen größeren Außendurchmesser als der
obere Kragen 34 und paßt genau in das Kathodenröhrchen 10. Vor der Befestigung des
unteren Kragens 38 an der Innenfläche der Kathode wird die Heizeranordnung in der
Kathode nach oben geschoben, bis die Oberseite der Scheibe 44 an der Innenfläche
des nach innen gebogenen Teils 20 der Kathodenhülse anliegt. Die Öffnung 22 im oberen
Ende der Kathode ist so groß, daß das obere Ende des Stabes 36 ohne Gefahr eines
Kurzschlusses durchreichen kann.
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Um die Handhabung der Heizeranordnung beim Einsetzen in die Kathodenhülse
10 zu erleichtern, ist der Stab 36 mit dem oberen Kragen 34 über einen
Metallring
46 verbunden, der sowohl mit dem Kragen 34 als auch mit dem Stab 36 verschweißt
sein kann. Innerhalb des Flansches 16 sind zwischen den Querteilen dieses Flansches
und des Flansches 48 ein Isolatorring 50, beispielsweise aus Keramik, wie Aluminiumoxyd,
und eine Metallscheibe 54, beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung, wie
Kovar, eingesetzt. Die Scheibe 54 stellt eine Verbindung mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Isolierring 50 und dem Flansch 16 dar. Zur Erleichterung der Befestigung
der gegenüberliegenden Seiten des Ringes 50 am Flansch 48 und der
Scheibe 54 können diese Flächen metallisiert werden, z. B. unter Verwendung eines
üblichen Molybdänsalzes. Der Umfang des Isolierringes 50 wird nicht metallisiert,
so daß die beiden Seitenflächen voneinander isoliert sind.
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Die Heizeranordnung 24 kann zum Einsetzen in das Katodenröhrchen 10
derart am Stab 36 gehalten werden, daß sich der Kragen 34 oben befindet. Anschließend
wird die Isolierscheibe 44 auf das obere Ende des Stabes geschoben und in Berührung
mit dem Kragen 34 gebracht. Das Kathodenröhrchen 10 kann dann nach unten über die
Heizeranordnung geschoben werden, bis die Scheibe 44 an der Innenseite des eingebogenen
Teils 20 des Kathodenröhrchens anliegt. In dieser Lage kann dann der untere Kragen
38 an der Innenfläche des Kathodenröhrchens befestigt werden. Man beachte, daß der
untere Kragen 38 an dem aktiven und relativ dicken Teil 12 des Kathodenröhrchens
befestigt wird, was zur Robustheit der Anordnung nicht unwesentlich beiträgt.
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Anschließend werden die Scheibe 54 und der Isolierring 50 auf den
Querteil des Flansches 16 gelegt, die Anordnung wird dabei vorzugsweise so gehalten,
daß der Flansch 16 nach oben weist. Hierauf wird der Flansch 48 über das untere
Ende des Stabes 36 geschoben, bis er an der metallisierten Unterseite des Ringes
50 anliegt. Nach Anbringen eines geeigneten Hartlotes, z. B. BT-Lot, zwischen dem
Stab 36 und dem Flansch 48, zwischen gegenüberliegenden Flächen des Rings
50 und des Flansches 48 und der Scheibe 54 und zwischen dieser und dem Flansch
16 wird die Anordnung in einer reduzierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff, in einem
Ofen für etwa 10 Minuten auf etwa 1140° C erhitzt, um die erwähnten Teile miteinander
zu verlöten.
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Anschließend wird eine Kathodenpaste aus emittierenden Karbonaten
und einem Bindemittel auf den aktiven Teil 12 der Kathode aufgebracht, z. B. aufgespritzt,
um die Schicht 14 zu bilden. Da die emissionsfähige Schicht 14 nach dem Hartlöten
aufgebracht wird, besteht keine Gefahr, daß sie durch die beim Verlöten auftretenden
hohen Temperaturen beschädigt wird.
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Die beschriebene Kathodenheizeranordnung stellt eine robuste Lagerung
für die Heizwendel 28 dar und erleichtert die Montage der Heizeranordnung
in der Kathode. Die Teile können leicht mit so engen Toleranzen hergestellt werden,
daß eine Selbsteinjustierung oder -zentrierung möglich ist. Füreine Nennheizspannung
von 26 Volt kann für die Heizwendel ein Wolframdraht mit einer Dicke zwischen 0,05
und 0,2 mm verwendet werden. Die Isolierschicht 32 auf dem Wolframdraht kann z.
B. aus Aluminiumoxyd bestehen und etwa 0,05 mm dick sein. Ein einwandfreier elektrischer
Kontakt zwischen den Enden des Heizwendeldrahtes und den Kragen 34, 38 wird durch
die neuartige und besonders vorteilhafte Einbettung der bloßen Enden der Wendel
in die Metallisierungsschichten auf den Stirnflächen des Zylinders 26 erreicht.