DE1273076B - Miniaturvorratskatode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche KL: 21g-13/24

Nummer: 1273 076 .

Aktenzeichen: P 12 73 076.6-33 (G 44416)

Anmeldetag: 13. August 1965

Auslegetag: 18. Juli 1968

Die Erfindung betrifft eine Miniaturvorratskatode zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahls, bestehend aus einem Körper mit als Seitenstützen ausgebildeten Stromzuführungen und mit einer einseitig an die Oberfläche tretenden Bohrung mit einem dem Strahlquerschnitt entsprechenden Querschnitt, die bis zur Oberfläche des Körpers mit einem emissionsaktiven Sintermaterial gefüllt ist.

Vorratskatoden für Vakuumröhren u. dgl., die ein elektropositives Material enthalten, haben die Vorteile einer langen Lebensdauer und einer hohen Elektronenemissionsdichte. Bei den normalen Vorratskatoden verursacht eine Erwärmung die Wanderung des elektropositiven Materials aus dem Katodeninneren durch eine poröse Schicht an die Katodenoberfläche, wo es eine einatomige Schicht bildet. Die Geschwindigkeit dieses Vorgangs ist etwa gleich der Verdampfungsgeschwindigkeit eines solchen Materials von der Oberfläche. Katoden dieser Art werden in leistungsstarken Senderöhren ao u. dgl. gebraucht, in denen sie eine relativ große emittierende Oberfläche darstellen und einen relativ breiten und leicht streuenden Elektronenstrahl erzeugen. Die Emission geht gewöhnlich nicht nur von der bezeichneten Oberfläche, sondern auch vom Rand oder von der Seite des Katodenkörpers aus, der um diese Fläche herum liegt. Zur Erzeugung eines kleineren, konzentrierten Elektronenstrahls sind kleine Katoden erwünscht. Im allgemeinen erfordern jedoch Vorratskatoden große Heizspulen, um die Katode auf die geeignete Emissionstemperatur zu bringen, wodurch eine untere Grenze für die Katodengröße gegeben ist.

Kleine begrenzte Elektronenstrahlen werden im allgemeinen mit den bekannten direkt oder indirekt geheizten Katoden hergestellt. Die üblichen Katodenstrahlröhren enthalten z. B. zur Erzeugung eines engen Elektronenstrahls eine indirekt geheizte Katode an der rückwärtigen Seite des Strahlerzeugungssystems. Der in diesen Katodenstrahlröhren erzeugte Elektronenstrahl dient z. B. zur bildlichen Darstellung von Schwingungsformen oder zur Reproduktion von Fernsehbildern und ähnlichem. Oftmals ist jedoch ein Elektronenstrahl mit noch geringeren Dimensionen erforderlich. Ein enger Elektronenstrahl ist z.B. zum Aufschreiben sehr detaillierter Ladungsbilder auf einer die Ladung festhaltenden Oberfläche notwendig. Das Ladungsmuster kann z. B. die Zeilen eines dreifarbigen Beugungsrasters auf einem deformierbaren Medium in einem Lichtventil enthalten, welches für die Erzeugung eines dreifarbigen Fernsehbildes gebraucht wird.

Miniaturvorratskatode

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichet, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Homer Hopson Glascock, jun.,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. August 1964 (390 077)

Dazu ist ein Elektronenstrahl in der Größenordnung von einigen Mikron erwünscht. Zur Bildung eines derart begrenzten Elektronenstrahls wird zur Zeit eine direkt geheizte Katode verwendet, die einen kleinen haarnadelförmigen Glühfaden aus Wolframdraht enthält, der einen sehr konzentrierten Strahl erzeugt, welcher aber durch fokussierende Elektroden noch weiter begrenzt wird. Diese direkt geheizten Glühkatoden erfordern einen hohen Heizstrom, da sie zur Erzeugung einer genügenden Emission von ihrer kleinen Oberfläche bei einer relativ hohen Temperatur betrieben werden. Die zur Erzeugung einer ausreichenden Emission notwendigen hohen Temperaturen verringern jedoch die Lebensdauer der haarnadelförmigen Glühfäden, und daher ist auch die Lebensdauer des gesamten Strahlerzeugungssystems einschließlich Katode begrenzt.

Bekannt sind weiterhin indirekt geheizte Bariumoxydkatoden, die beispielsweise aus einem Körper mit einer einseitig an die Oberfläche tretenden Bohrung mit einem dem Strahlquerschnitt entsprechenden Querschnitt bestehen, die bis zur Oberfläche des Körpers mit einem aus einer Mischung von Wolfram und Bariumoxyd bestehenden emissionsaktiven Sintermaterial gefüllt ist. Nachteilig beim Bariumoxyd sind die nur geringen erreichbaren Temperaturen.

Bei den mit einem Elektronenstrahl arbeitenden Schreibgeräten, die oben in Verbindung mit detaillierten Elektronenladungsmustern genannt wurden, haben sich immer höhere Elektronenemissions-

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dichten und daher auch immer höhere Betriebs- der Miniaturkapsel her kann nicht stattfinden, da temperaturen für die Katoden als wünschenswert er- diese nur sehr wenig mit Thorium bedeckt sind, wiesen, damit auch unter erschwerten gasförmigen Ebensowenig emittieren die Metallstützen 5 und 6. Bedingungen, die für die Elektronenemission un- Die Kapsel selbst ist äußerst klein, und die Metallgünstig sind, ein intensiver Elektronenstrahl erzeugt 5 stützen tragen nur insofern zur Größe des Gerätes werden kann. Bei Temperaturen oberhalb des eutek- bei, als gerade genügend Material zum stabilen tischen Schmelzpunktes von Tantal und Thorium Unterstützen der Katode verwendet wird. Außerdem beginnt jedoch das emittierende Katodenmaterial versorgen die Metallstützen die Katoden mit Heizsich zu verflüssigen, so daß Emissionsverluste auf- strom und werden dabei gleichzeitig durch den durch treten und schließlich die gesamte Katode zerstört io sie fließenden Strom so stark erhitzt, daß sie ihrerwird. seits Wärme auf die Kapsel übertragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Eine Vorratskatode der beschriebenen Art kann

Miniaturvorratskatoden zu schaffen, deren emissions- in einem mit einem Elektronenstrahl arbeitenden aktives Sintermaterial bei relativ hohen Tempera- Schreibgerät Verwendung finden. In einem solchen türen einen hohen Emissionskoeffizienten besitzt, der 15 Gerät bombardiert ein von der Katode ausgehender, auch in ungünstigen Atmosphären nicht wesentlich eng begrenzter Elektronenstrahl, der durch eine Einbeeinflußt wird. gangsnachricht moduliert ist, ein erwärmtes thermo-Gemäß der Erfindung geschieht dies dadurch, daß plastisches Band od. dgl. Das Band hat genauso wie als Sintermaterial eine Mischung aus Wolfram und öle oder ähnliche Stoffe (d. h. gewisse öle für Licht-Thoriumcarbid verwendet wird. ao ventile), auf denen von einem Elektronenstrahl ver-Die Erfindung wird nun auch an Hand der Ab- mittelte Eindrücke aufgeschrieben werden können, bildungen ausführlich beschrieben. die Eigenschaft, kohlenstoffhaltigen Dampf zu ent-Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer wickeln. Thorium hat die erwünschte Eigenschaft, Vorratskatode mit ihren leitenden Stützen, die auf mit diesen Dämpfen Carbide zu bilden, die gute einer Auflagevorrichtung für das Strahlerzeugungs- 25 glühelektrische Emissionsstoffe sind. Daher kann eine system befestigt sind; Katode, die Thorium enthält, einen geringen Druck

Fig. 2 zeigt die Vorratskatode mit den leitenden von Kohlenwasserstoffdämpfen aushalten. Stützen; Wenn jedoch höhere Gasdrücke vorliegen, dann

Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Fig. 2. verursachen sie einen lonenbeschuß, eine Zer-

Nach den Fig. 1, 2 und 3 enthält die Miniatur- 30 stäubung und chemische Reaktionen, die die vervorratskatode eine sehr kleine, längliche und im wendete Katode und die Glühelektrode beschädigen wesentlichen zylindrische Kapsel 1 mit einer Öff- oder zerstören können und die Elektronenemission nung 3. Die Kapsel besteht aus einem hitzebeständi- unter den normalerweise zur Verfügung stehenden gen Material, vorzugsweise aus Wolfram, Rhenium Wert reduzieren. Die Elektronenemission kann unter oder Legierungen davon. Die Kapsel ist so weit hohl, 35 solch ungünstigen Bedingungen durch erhöhte Bedaß sie einen Körper aus elektronenemittierendem triebstemperaturen verbessert werden. Dem ist je-Material2 aufnehmen kann, der vorzugsweise aus doch durch den Schmelzpunkt des emittierenden einer stabilen gesinterten Verbindung aus Wolfram Materials Thorium eine Grenze gesetzt, und Thoriumcarbid besteht. Der bisher beschriebene gesinterte Körper gemäß

Während des Betriebs fließt von einer Spannungs- 40 der Erfindung bildet eine stabile, gehärtete und quelle 22 aus ein Strom durch zwei Metallstützen 5 gegenüber Ionenbombardement od. dgl. widerstands- und 6, durch die Vorratskatode mit der Kapselt fähige Emissionsoberfläche, auch wenn ziemlich und durch den Körper 2 aus gesintertem Material. hohe Betriebstemperaturen verwendet werden. Das Der Strom erhitzt den Körper auf eine Temperatur, emittierende Material Thorium wird bis zum Gebei der auf der Oberfläche 4 eine Elektronen- 45 brauch in einer relativ stabilen Verbindung gehalten emission stattfindet. Bei Betriebstemperaturen ober- und erzeugt dann bei hohen Betriebstemperaturen halb von 2000⁰K und vorzugsweise unterhalb einen intensiven und engen Elektronenstrahl. Die 2500⁰K laufen chemisch reversible Reaktionen Katode ist daher besonders nützlich in Schreibinnerhalb des Körpers 2 ab, bei denen sich ein geräten, die zum Schreiben einen Elektronenstrahl Gleichgewicht von einerseits Wolfram und Thorium- 50 verwenden. Die starke Emission geht von der kleinen carbid und andererseits Wolfram, Thorium und Oberfläche einer mit einem stabilen gesinterten Kohlenstoff einstellt. Das Thorium mit seiner höhe- Körper gefüllten Kapsel der Vorratskatode aus. Die ren Verdampfungsgeschwindigkeit gegenüber den Emission außerhalb des Bereiches der Kapseloberanderen Stoffen diffundiert zu der Oberfläche 4 und fläche ist vernachlässigbar, auch im Bereich der die erzeugt dort eine einatomige Schicht, die die Aus- 55 Katode haltenden Metallstützen. Kein Abfließen trittsarbeit dieser Oberfläche erheblich herabsetzt. Da flüssiger emittierender Bestandteile behindert die Thorium auf der Oberfläche verbraucht wird, stellen Emission des engen Elektronenstrahls, noch werden sich die Reaktion und die Diffusion so ein, daß das dadurch die Metallstützen beschädigt. Thorium an der Oberfläche kontinuierlich vom Obgleich das emittierende Material innerhalb des

Inneren der Kapsel her erneuert wird. Das Thorium 60 gesinterten Körpers bisher mit Thorium angegeben wird, bis es gebraucht wird, gebunden gehalten, und ist, da dieses eine besonders geringe Austrittsarbeit, der Sinterkörper ist bei den Betriebstemperaturen einen niedrigen Dampfdruck und eine lange Lebensziemlich fest und gegen Emissionsverluste durch dauer hat und außerdem in einer stabilen Carbid-Ionenbombardement, Zerstäubung u. dgl. wider- verbindung eingeschlossen ist, können gewisse andere standsfähig. 65 Stoffe verwendet werden, die ebenfalls im gesinter-

Eine Elektronenemission geht fast ausschließlich ten Zustand in einer stabilen Verbindungsform vorvon der Oberfläche des gesinterten Materials aus. liegen. Dazu gehören z. B. Lanthan, Uranmetalle Eine Störemission von Elektronen von den Seiten und elektropositive seltene Erden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Miniaturvorratskatode zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahls, bestehend aus einem Körper mit als Seitenstützen ausgebildeten Stromzuführungen und mit einer einseitig an die Oberfläche tretenden Bohrung mit einem dem Strahlquerschnitt entsprechenden Querschnitt, die bis

   zur Oberfläche des Körpers mit einem emissionsaktiven Sintermaterial gefüllt ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Sintermaterial eine Mischung aus Wolfram und Thoriumcarbid ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 674 258.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen