DE1439890A1 - Thermionischer Emitter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 1 439990

8000 MÖNCHEN 23 MAINZER STRASSE5 V1 P2O D

VARIAN ASSOCIATES

Palo Alto, California

USA

Thermionischer Emitter
und Verfahren zu seiner Herstellung

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika vom 3· Juni I963 TJ.S.-Serial No. 285,150.

Die Erfindung betrifft im allgemeinen thermionische Emitter und insbesondere polykristalline Emitter mit kornorientierter emittierender Fläche. Solche Emitter ermöglichen nicht ebene Emitterflü.chenformen mit erheblich verbesserten Emissionseigenschaften und sind besonders in Elektronenentladungseinrichtungen aller Arten brauchbar einschliesslich Klystrons, Wanderfeldröhren, Magnetrons und thermionische Wandler, aber sind nicht beschränkt hierauf.

909816/052*

BAD ORiGlNAL

<:■■-;

143389g

Es ist bekannt, dass gewisse kristallographische Ebenen eines Einkristall-Emitters, wie die 111-, 116-und 012-Ebenen von körperzentriertem kubischem Wolfram wesentlich grössere Emissionen geben als andere kristallographische Ebenen wie beispielsweise die Ebenen 110 und 112. In einem Einkristall-Emitterkörper liegen die Ebenen hoher Emission in ebenen Flächen. Einkristalle sind deshalb bei gekrümmten'Emitterflächenformen nicht anwendbar, wie sie bei den meisten praktischen Emitteranwendungen erforderlich sind. Ferner sind grosse Einkristalle sehr schwierig herzustellen.

Nicht ebene Emitterflächen sind bisher unter Verwendung von polykristallinen Emitterkörpern hergestellt worden. Die sich ergebenden Emitterflächen bestanden aus einer Vielzahl von Kristalliten mit einer mehr oder weniger statistischen Verteilung einer gross en. Anzahl von verschiedenen kristallographischen Ebenen, Emitter mit einer solchen statistischen Verteilung der kristallographischen Ebenen an der Oberfläche werden allgemein als "fleckig" bezeichnet, weil bei ihnen die Austrittsarbeit von einer Kristallenere zu.r anderen sich ändert. Fleckige Emitter sind dadurch gekennzeichnet, dass ein grosser Teil der Emission von einem kleinen Sruchtei'l der Gesamtfläche kommt, und dieser Teil ist derjenige, der an der Oberfläche Kristallflächen hoher Emission (oder niedriger Austrittsarbeit) enthält. Der übrige grosse Teil der Eiaitterfläche trägt im wesentlichen nichts zur gesamten Elektronenemission bei, strahlt aber trotzdem Wärmeenergie vom Emitter ab, so dass er noch i^ehr zum schlechten Wirkungsgrad des Emitterbetriebes beiträgt. Für Emitter in thermionischen Wandlern sind fleckige Emitter noch

90 9816/052 4

.../3 ÖAD ORIGINAL ^ "

weiter unerwünscht weil nur ein kleiner Teil der Emissionsfläche die Austrittsarbeit hat, die bei der betreffenden Betriebstemperatur dem optimalen Wirkungsgrad entspricht.

Bisher hatten gewisse polykristalline thermionische Emitter eine kleine, gewisse Ordnung der Kristallite, die durch Kaltverstrecken, Giessen und dergleichen hervorgerufen war. Die Wirkung einer solchen Orientierung auf die Gleichförmigkeit der thermioniechen Emission ist vernachlässigbar.

Erfindungsgemäss werden polykristalline thermionische Emitter mit stark kornorientierten Kristalliten gebildet, die die emittierende Fläche bilden, so dass eine wesentlich besser gleichförmige Emission erzielt wird und nicht ebene Emitter mit Wirkungsgraden, die denen von hoch emittierenden ebenen Flächen eines Einkristalles nahe kommen, erhalte:, v/erden..

Der Ausdruck "kornorientiert", wie er hier verwendet wird, soll bedeuten, dass für fast alle Kristallite oder Körner, die die emittierende Fläche bilden, die Normale zu einer bestimmten Kristallebene innerhalb eines "spezifizierten Winkels"eC zur Normalen einer die emittierende Fläche tangierenden Ebene orientiert ist. Die Richtung der Normalen zur fraglichen besonderen Kristallebene soll im Folgenden die bevorzugte Kristallrichtung genannt werden. Der "spezifizierte Winkel" soll genügend klein sein, so dass die mittlere Stromdichte von der emittierenden Fläche wenigstens doppelt so ijrosc ist wie die Stromdichte von einem vergleichbaren statistisch orientierten polykristallinen Emitter, der unter vergleichbaren

909816/0524 .../4

BAD

-4- 1438890

Bedingungen .arbeitet.

Die "Kristallrichtung" der Kristallite und der "spezifizierte Winkel" werden bequem mit Rätgenstrählen-Diffraktion gemessen. Die Kurve der integrierten Intensität der von der der bevorzugten Richtung entsprechenden Ebene gebeugten Röntgenstrahlen in Abhängigkeit vom Winkelunterschied der bevorzugten Richtung von der Oberflächennormalen wird Verteilungsfunktion genannt (vergl· Fig. 7)·

Der Winkel (*£<■) zwischen dem, bei dem die Verteilungsfunktion auf die Hafte ihrer Spitzenamplitude fällt, und demj an dem sie ihre Spitzenamplitude hat, ist der oben erwähnte "spezifizierte Winkel".

Kornorientierte thermionische Emitter nach der Erfindung erhöhen die Stromdichten wesentlich, die τοη Emittern bei einer bestimmten Temperatur abgegeben werden, oder ermöglichen die gleiche Emission bei niederen Temperaturen, so dass die letriebslebensdauer erhöht wird. Die Verwendung von thernionischen Kathodenemittern nach der Erfindung in thermionisehen Konvertern, wo eine gleichförmige, Austrittearbeit besondere wichtig ist, führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Konverter-Wirkungsgrad· τοη den niedrigen Werten von 10 bis 15jfj die zur Zeit erreicht werden«

Haupteaohlloh sollen durch die Erfindung verbesserte thermionische-Emitter zur Verwendung in Elektronenröhren verfügbar gemacht werden und Verfahren zur Herstellung solcher Emitter*

Brfindungsgealss wird sin neuartiger polykristalliner thermionischer

•0801170624 _7ς

BAD

1433890

Emitter verfügbar gemacht, bei dem die Emissionsfläche aus kornorientierten Kristalliten besteht, wodurch der Emissionswirkungsgrad verbessert wird.

Weiter wird erfindungsgemäss ein polykristalliner thermionischer Emitter verfügbar gemacht, bei dem die die emittierende Fläche bildenden Kristallite säulenförmig sind und die Säulen normal zur emittierenden Fläche orientiert sind, wodurch eine gleichförmige Emission von der emittierenden Fläche erhalten wird.

Weiterhin bilden die erwähnten Kristallite erfindungsgemäss einen Überzug, der auf einer Unterlage angeordnet ist.

Ferner wird erfindungsgemäss ein neuartiger thermionischer Emitter dieser Art verfügbar gemacht, bei dem das Überzugsmaterial aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Thoriumdioxyd, Oxyde der seltenen Erden, Karbide, Boride, Nitride und Hexaboride.

j&rfindungsgemäss wird weiterhin ein neuartiger thermionischer Emitter verfügbar gemacht, bei dem die emittierende Fläche mit einem adsorbierten dünnen Film überzogen ist, der eine kleinere Austrittsarbeit hat als die der emittierenden Fläche, wobei der Jj'ilm im Gebrauch ständig wieder aufgefüllt wird, wodurch die Austrittaarbeit der emittierenden Fläche gleichförmig erniedrigt wird.

Erfindungsgemäss kann auch ein erfindungsgemäeaer thörmionischer Emitter verfügbar gemacht werden, bei dem die emittierende Fläche gekrümmt ist. 909816/0E24

Ein wesentliches Merkmal eines erfindüngsgemässen Emitters liegt darin, dass ein polykristalliner thermionischer Emitter eine ■ Strom/Spannungs-Kennlinie bei Messung'in einer Diode ergibt, die durch einen abrupten Übergang vom voll raumladungsbegrenzten Betrieb zu voll temperaturbegrenztem Betrieb gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäss wird ferner eine neuartige Elektronenentladungseinrichtung mit einem thermionischen Kathodenemitter verfügbar gemacht, der erfindungsgemäss aufgebaut ist, wodurch der Wirkungsgrad der Einrichtung verbessert und/oder die Betriebslebensdauer vergrössert wird.

Insbesondere wird erfindungsgemäss als Elektronenentladungseinrichtung ein thermionischer Wandler verfügbar gemacht, bei dem der Umwandlungswirkungsgrad vergrössert und/oder die Betriebstemperatur herabgesetzt ist. - - .

Schliesslich wird durch die Erfindung ein polykristalliner therinionischer Emitter beliebiger Oberflächenform verfügbar gemacht, bei

.-- dem die Austrittsarbei-t durch Kornorientierung herabgesetzt ist und darüber hinaus dadurch herabgesetzt wird, dass auf der der emittierenden Fläche abgewandten Seite des Emitters ein Torrat an jberzugsmaterial mit geringerer Austrittsarbeit als das Material des Emitters selbst öder eines diesen tragenden Trägers angeordnet ist,

, so dass eine Torratskathode mit gleichförmiger hoher Emissionsfähigkeit gebildet

wi3?4 eEfiiiduftgggemäss ein Verfahren zur Herstellung von

is.ii- . '■■■;■ . ■..■■■■

■ .-./7 BAD

-T-

1439690

thermionischen Emittern mit den erläuterten Merkmalen verfügbar gemacht, bei dem die kornorientierte polykristalline emittierende Fläche durch chemischen Niederschlag aus einem Halogenid-Dampf oder Dämpfen von organo-metallischen Verbindungen gebildet wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung! in der

Zeichnung zeigern *

Fig. 1 ein Schema zur Definition gewisser kristallographischer Ebenen eines kubischen Kristalls mit Verwendung der Miller-Indizes ;

Fig. 2 ein schematisches isometrisches Schaubild eines einzelnen kubischen Kristalls;

Fig. 3 eine Kurve der Emission in Abhängigkeit von der kristallographischön Richtung der 110-Zone eines Wolfram-Einkristalls}

Fig. 4 eine schematische Darstellung eine s Teil-Schnittes durch einen erfindungsgemässen Emitter mit einem elektropolieren, polykristallinen, kornorientierten Niederschlag auf einem polykristallinen Träger;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Teils der Struktur nach Fig. 4 längs der Linie 5-5}

Fig. 6 ein Sohema für eine Röntgenstrahlen-Diffraktion zur Bestimmung der Verteilung der kristallographischen Ebenen an oder hahe der Oberfläche des Emitters;

Fig. 7 einen Schnitt durch ein Röteenstrahlen-Diffraktione-Polardiajraan einer bestimmten kristallographischen Ebene in einer kornorientierten Oberflächenshicht, die die Emissionsfläche nach Fi_fe-. 4 bildet;

909816/0524 '-"^/6

■»

v»

cv»

Pig. θ eine Strom-Spannungs-Kennlinie für einen erfindungsgemässen Emitter (Α) und einen typischen fleckigen Emitter (b) be^-" kannter Art in sonst identischen Dioden;

Pig, 9 einen Längsschnitt durch-eine Mikrowellen-Elektronenröhre mit einem Kathoden-Emitter mit Merkmalen der Erfindung}. ,

Pig. 10 einen vergrösserten Teilsohnitt des durch 10-10 begrenzten Teiles des Emitters in Fig. 9j

Pig. 11 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht eines arahtförmigen Emitters mit Merkmalen der Erfindung}

Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen thermionisehen Vorrats-Emitter mit Merkmalen der Erfindung!

Fig. 1J einen thermionischen Vorrats-Emitter in einer von Fig. 12 abweichenden Ausführungsform mit Merkmalen der Erfindung»

Fig. 14 einen Längsschnitt durch einen thermionieohen Emitter mit Überaug, bei dem Merkmale der Erfindung verwandt worden sindj

Piff. 15 einen eohematisohen Schnitt durch einen thermionisehen Wandler mit Merkmalen der Erfindung(

Hf. 16. ein Energie diagramm zur Veranschaulichen» eines möglichen. Betriebsaodus eines raumladungsneutralisierten thermionisohen Inergiewanilers % -

FIf* 17 eia* graphi«ohe Darstellung des Wirkungsgrades von therit- !•aleohen Wandlern la Abhanfigkeit τοη der Auetrittearbeit 4es laittere bei beetimaten Imitterbetriebeteaiperaturen und gewiesen «Äderen speeiellen Bedinfungeni

Ftf. 11 einen soheAfttleohen Quereohaitt eines theraionischen Wandl9t§ üit «!»β» leitter «it Verkaalen nach der Erfindung!

FIf. 1| «inea coheaatisohs« IAofseohnitt durch einen thermioniechen Iner^ewaatler Bit Merkmalen der Irflndungf

BAD ORJGINAL

Pig. 20 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum chemischen Niederschlag aus Dämpfen zur Erzielung von Oberflächen mit gleichförmig bevorzugten kristallographischen Ebenen in kornorientierten polykristallinen Niederschlägen; und

Pig. 21 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform zur Erzeugung eines chemischen Niederschlages aus Dampf»

In Pig. 1 ist eine kubische Zelle mit dem üblichen orthogonalen Koordinatensystem dargestellt, dessen Achsen mit x, y und ζ bezeichnet sind. Die kristallographischen Ebenen werden üblicherweise mit einem Indexsystem unter Verwendung von "Miller-Indizes" bezeichnet, die in "Introduction To Solid State Physics" von Kittel, 2. Auflage, _: 1956, Seite 35 ff· beschrieben sind. Kurz, die Miller-Indizes sind I drei Zahlen (h, k, l) entsprechend den Kehrwerten der Schnittpunkte ; der identifizierten Ebene mit der x-jy- bzw. z-Aehse. In -^ig» .1 sind \ die kristallographischen Ebenen (IOO), (HO), (ill) und (210) darge- · stellt und identifiziert. Die oben als normal zu einer bestimmten kristallographischen Ebene bezeichnete Kristallrichtung wird mit dem gleichen Satz Miller-Indizes identifiziert wie die Ebene (z.B. ist die Kristallrichtung 110 die Richtung normal zur Kriatallebene | 110).

Fig. 2 ?;eigt einen Einkristall eines kubischen Materials wie Wolfram oder Molybdän. Der Kristall besteht aus einer Anordnung von kubischen Zellen. Die Zellen sind· gleichförmig angeordnet und jede willkürlich

If

durch den Kristall gelegte Ebene legt eine Fläche frei, die von einer einzigen kristallographischen Ebene gebildet wird. Es ist dabei zu

909016/0524 ,

.../10

BAtJORlQINAt

beachten, dass eine aus einer einzigen kristallographiseherL Ebene gebildete Fläche niemals über eine gekrümmte Fläche des Einkristalls erhalten werden kann. So ist irgendeine durch den Einkristall gelegte gekrümmte Fläche nicht gleichförmig in dem Sinne, dass -verschiedene Kristallflächen in ihrem Bereich frei liegen.

Fig. "3 zeigt die Emission von den verschiedenen kristalle-graphischen Ebenen der HO-Zone" eines Wolf ram-Einkristalls, wie von G.F. Smith, ". Physical Review, VqI. 94> Seite 295 (1954)» gemessen. Die/Emissionsspitzen liegen in den kristallographisehen Ebenen (111) und (116). Die geringste Emission wurde· von der Ebene (HO) erhalten. Die Ebene (116) entspricht der niedrigsten Austrittsarbeit von 4>3O eV und die Ebene (11O) entspricht der grössten Austrittsärbeit von 6,00 eV. Die Austrittsarbeit für die Ebenen (Hi), (100) und (012) liegen bei 4,59 eT_f 4»55 eV bzw, 4>34 sV. Die bevorzugten Ebenen eines Einkristall-Emitters können zwar unter hohen Kosten für

ebene Emitterformen ausgenutzt werden, sie sind jedoch nicht anwendbar an nicht ebene Formen, wie sie in fast allen Emitterannrendungen benutzt werden.

Polykriatalline thermionische Emitter werden gewöhnlich bei der Herstellung von gekrümmten emittierenden Flächen verwendet, bei diesen trat ^edöohbisher ungleichförmig»oder fleckige Emission auf. Die Bauptureäche der ungleichförmigen Emission von polykristallinen Metallen ist der Unterschied in der Austrittsarbeit in den verschiedenen kristallögraphischen Ebenen, die die emittierende Fläche bilden» Die mittlere Austrittsarbeit für einen statistisch orientierten polykristallinen Wolfram-Emitter liegt bei 4»52 eV,

909818/0524

.../11

d.h. etwa 0,2 eV höher als die der kristallographischen Ebene eines Einkrietall-Wolframemitters mit höchster Emission (116). Es ist zu erwähnen ι dass im normalen Betriebsbereich von praktischen Emittern eine Änderung von 0,1 eV in der Austrittsarbeit einer Änderung in der Betriebstemperatur von 6O⁰K bei gleicher .Emission entspricht. Ferner ist zu erwähnen, dass eine Änderung von 10$ in der Austrittsarbeit eine zehnfache Änderung der Kmission bei der gleichen Betriebstemperatur mit sich bringt. Fleckige Emitter haben normalerweise Austrittsarbeits-Variationen über die ganze Fläche in der Grössenordnung von 10$. Bereiche mit geringer Austrittsarbeit, obwohl sie nur einen relativ kleinen Bruchteil der gesamten Oberfläche darstellen, bringen deshalb einen grossen Teil der Gesamtemission, während Bereiche mit grosser Austrittsarbeit relativ gesprochen thermionisch tot sind·

In Tabelle I ist die ungefähre Verbesserung dargestellt, die erhalten werden kann, wenn die gesamte Oberfläche mit gleichförmig niedriger Austrittsarbeit hergestellt wird, wenn τοη verschiedenen fleckigen Flachen mit Bereichen hoher und niedriger Auetritt»arbeit ausgegangen wird. Bei dieser Annäherung sind Zwieohenflecken-Effekte vernachlässigt.

...12

909816/0524

BAD

Tabelle I

Ursprünglicher ' Anteil an der Gesamt- Mögliche Yergröseerung Flächenanteil mit emission von den Teil- der Emission, wenn die hoher Emission flächen hoher Emission* Gesamtfläche hohe Emission

hat*

20

f- 55096

200$

* Unter der Annahme eines Unterschiedes von 10$ in der Austrittsarbeit zwischen den Bereichen hoher Emission und den Bereichen geringer Emissic der gesamten emittierenden Fläche.

In Fig. 4 ist ein TeilBChnitt durch einen drahtförmigen Emitter nach der Erfindung dargestellt. Ein aus.feuerfestem Metall bestehender
Draht oder Träger 11_f beispielsweise aus Wölfram, Molybdän, Ehenium, Niobium, Tantal usw. trägt eine Schicht 12 aus kornorientiertem palykristallinen feuerfestem Werkstoff, wie beispielsweise einem oder
mehreren der erwähnten feuerfesten Metalle. ■

"■ ■.■'"■■■'■■ -> .../13

9098167Ö524

H39390

Die kornorientierte Sohioht 12 kann nach einer Reihe verschiedener Verfahren hergestellt werden, vorzugsweise wird sie durch ohemiaohen. Niederschlag aus dem Dampf erzeugt. Dieses bevorzugte Niedersdhlagsverfahren wird später in Verbindung mit Fig. 20 erläutert.

Bei einem typischen Beispiel einer fadenförmigen Emitteretruktur (Fig. 4) nach der Erfindung wird ein Wolframdraht 11 mit 0,15 JM* Durohmesser mit einem 0,015 mm starken Niederschlag von kornorientiert em Wolfram überzogen, indem ein chemischer Dampfniedersohlag aus einer zusammengesetzten Gasatmosphäre aus Wolframhexafluorid und einem reduzierenden Wasseratoffgaa erzeugt wird.* Durah geeignete Kontrolle der thermodynaraischen und der strömungsdynejBisohen Parameter des Dampfniedersohlagsprozesses wird ein gleichförmiges 'wachsen der Wolframkristallite 12 über die ganze Aussenseit* dee Wolframdrahtes 11 erzielt. Die Kristallite sind.länglich in Sichtung normal zur Oberfläche des Trägerdrahtes 11, so dass eine.kornoritntierte Säulenstruktur gebildet wird, bei der die Säulen normal, zur Aussenseite des Emitters liegen. Durch geeignete Eontroll· von fie ders chlags temperatur, -druok, «gasmischung usw. werden die Kristallitkörner orientiert.

Die Aussenfläohe der niedergeschlagenen Schicht ist normalerweise anfänglich rauh und besteht möglicherweise aus vielen verschiedenen kriställographischen Ebenen. Diese Oberfläohenunregelmässigkeiten v/erden beispielsweise durch Elektropolieren entfernt, SQ dass die kristallographischen .Ebenen 15 normal zur Kornaohae freigelegt werden. Auf diese ',/eise werden die orientierten kristallographischen Ebenen

.../14

809816/062*

BADORiGlNAL

"t'

an derAueaenflache der Schicht 12 freigelegt, die die Emitterflache ■bildet. Min bevorzugtes 131 ektropoli er-Verfahren wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 20 beschrieben,

Eine indirekte Prüfung der Verteilung der kristallographischen Ebenen an. der emittierenden. Fläche kanijraiit Röntgenstrahlen-Diffraktion erhaltfcri werden», wi$ in Fign. 6 und 7 angedeutet, wobei ein Norelcoi»olardiagrÄiam-2eiohner verwendet werden kann. Kurz, eine Röntgenröhre H| die in der Y-Z-Eben® liegt_s gibt einen gut gebündelten . Röntgenstrahl alt charakteristischer KeC**Strahlung auf die Emissionsfllqh© tj- ®iner Schicht 12₀ Biage Sohicht oder dieser Überzug bildet eine ebene Fläche parallel zur !»Achse und ist um. die Y-Achse Tim Winkel φ,-dfSMmr» Bin Rontgenetrahlendetefctor 15, beispielsweise ein Geigerzähler liegt in der Y-*Z=Sbene und ©mpfängt von der Schicht 12 reflelctiefte Höntgenstrahlen? Dsr RÖÄtgenstrahlendetektor 15 ist 80 ingeoFdntt, dsaa er reflektierte Röntgenstrahlen von der Probe 12 iÄi wesentlichen nur unter dem gleichen Winkel 0 gegenüber der Y-Achse erhiltg den tar auftreffende RöntgenstKahl mit der Y-Achse eineohliesaf« Sie flashe Emittersehicht 12 ist auch um ei'nen Y/inkelft? um eine Achte M eenlsraoht zur Ebeno der Schicht 12 drehbar. Kurveaafür die integrierte Intensität aufgenommener Röntgenstrahlen in Abhängigkeit vom Winkel $ hergestellt.

Der Winkel ϋ legt eindeutig die kristallographische Ebene fest, die durch die nach dem Bragg'sehen Gesetz A=*2d sin β gebeugten Signales festgestellt wird? Die kristallographische Ebene in der polykristallinen Sohioht 12 von besonderem Interesse ist die Ebene parallel zur Emissionsfläche, weil die Emissionsfläche aus dieser Ebene "be-

.,./15

BAO

-ι δ-

steht, wenn die Oberfläche in geeigneter Weise geglättet und poliert ■ worden ist, wie durch Khan et al, Physical Review, ToI 129, Nr. 4 vom 15· Februar 1963* Seite 1514» bestätigt worden ist.

Ein Schnitt durch ein Polardiagramm der Ebene (1(5O) für einen kornorientiertön Wolframniederschlag ist in Fig. 7 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt, dass die Ebene (1OO) des ni*dergeschlagenen polykristallinen Überzuges vorwiegend parallel zur Oberfläche liegt.

Zusätzlich zur Identifizierung der bevorzugten Kristallebene beschreibt das Polardiagramm seine Verteilung innerhalb etwa der gesamten Hemisphäre um die Oberflächennormale. Die Halbwertsbreite (2*C) der aufgeaeichneten Verteilung ist ein bedeutsames Maß für den Grad der bevorzugten Orientierung« Die Kurve Fig. 7 ist aus einem tatsächlichen Niederschlag erhalten und zeigt eine typische Halbwertsbreite der Verteilung von etwa 20 bei einer Spitzenintensität von 22 Einheiten. Alle bisher bei chemisch aus dem Dampf niedergeschlagenem Wolfram erhaltenen Kurven waren zylindrisch symmetrisch um die Oberflächennormale N, wodurch angezeigt wird, dass für die Niederschlagsebene keine bevorzugte Orientierung vorliegt* Es genügt also ein einzelner Schnitt durch das volle Polardiagramm für alle Winkel von 0 von 90° bis +90° wie in Fig. 7, um die Oberfläche in der gesamten Hemisphäre zu definieren.

Sine ."liläe YPirnebehandlung, I900 G für 30 I'inuten, führt zu einer Verbesserung der Gleichförmigkeit der niedergeschlagenen Fläche. - T-ie.-o Verteilung öer behandelten Fläche ist als Kurve B in Fig.' 7 dar.ros:c-21t. Fi£. ö zeigt iia Vergleiah Strom-Spannungs-Kennlinien

909816/0524

BAO

von Hochvakuumdioden, die in jeder Beziehung identisch aufgebaut sind,

nur dass bei einer ein kornorientierter polykristalliner drahtförmiger Emitter und in der anderen ein gewohnlicher polykristalliner Emitter- -verwendet wurde. Kurve B zeigt die EmisBionscharakteristik des flekkigen drahtförmigen Emitters. Kurve A zeigt die EmiBSionscharakteristiken des polykristallinen Emitters mit gleichförmiger Austrittsarbeit. Die Schärfe oder Abruptheit des "Knie" der Kurve A zeigt den hohen Gleichförmigkeit egrad der Emission vom kornorientierten Emitter. Je gleichförmiger die emittierende Fläche ist, um so plötzlicher ist der Übergang von voll raumladungsbegrenzter zu voll temperaturbegrenzter Emission. ·

Flächen, die eine gleichförmigere Emission nach diesem Kriterium in Vakuum zeigen, zeigen auch einen abrupteren Übergangvom Verzögerungs-· feldbetrieb in den temperaturbegrenzten Beschleunigungsfeldbetrieb, wenn sie raumladungsneutralisiert in einer positiven Ionenatmosphäre unter geringem Druck arbeiten, wie bei einigen thermionischen Energiewandlern. Oberflächengleichförmigkeit ist bei Emittern für thermionische Wandler sehr wichtig, und die durch solche Gleichförmigkeit erziel« baren Vorteile werden weiter unten in Verbindung mit der Ausführungsforin nach Fig. 15 für thermionische Wandler beschrieben.

Die Austrittsarbeit der aus dem Dampf niedergeschlagenen polykristallinen Emitter mit gleichförmiger Austrittsarbeit, gemessen aus einer : Stromspannungskurve, einer mit positiven Ionen neutralisierten Diode betrug 4»56 eV. Das stimmt fast perfekt mit dem anerkannten 7/ert von 4i53 eT für die Austrittsarbeit in der Kristallebene (100) eines lolframeinkristalles überein. Das Beugungs-Polardiagramm des llieder-

_4Λ :jm

BAD ORIGINAL

I [■

Schlages deutete auf eine kornorientierte Fläche, bei der die Kristallebene (100 ) parallel zur Emissionsfläche orientiert war und diese bildete.

Eine Elektronenröhre mit einem erfindungsgemäss aufgebauten Kathodenemitter ist in Fign. 9 und 10 dargestellt. Die Röhre enthält eine Kathodenanordnung 21 an einem Ende, mit der ein Elektronenstrahl 22 über einen länglichen Strahlweg geformt und projiziert wird. Eine Kollektorelektrode 23 ist am anderen Ende des Strahles ■ angeordnet, wo die Elektronen aufgenommen und ihre Energien abgeführt werden.

Eine Anzahl Hohlraumresonatoren 24 sind hintereinander längs des Strahlweges so angeordnet» dass sie die Hochfrequenzenergie mit dem durch sie laufenden Strahl austauschen. Die Hohlraumresonatoren 24 sind zwischen der Kathode 21 und dem Kollektor 23 angeordnet. Der stromaufwärts liegende Resonator enthält einen Eingang 25» durch den Eingangs-HF-Signale, die verstärkt werden sollen, an den Eingangsresonator gegeben werden. Der letzte oder stromabwärts liegende Resonator enthält einen Ausgang 26, durch den verstärkte HF-Schwingungsenergie von der Röhre abgenommen werden kann. Ein Vakuuragefäss 27 umgibt die erwähnten Röhrenelemente, so dass ein geeignetes niedriges Vakuum von 10"*' mm Hg in der Röhre aufrechterhalten werden kann. Die Röhre arbeitet in der Weise eines üblichen Klystron-Verstärkers.

Die Kathodenanordnung 21 enthält eine Elektranenspritzen-Anardnung nach Pierce und einen Kathodenheizer 28 vom ElektroneneBeschuss-Typ*

9GS81S/ÖS24 ..._/18

BAO ORIGINÄR ;

Der primäre thermionische Emitter der Brektron.en.spr it ze besteht aus •einem konkaven kreisförmigen Emitterglied oder -struktur 29» der aus einer Scheibe mit einem sphärisch konkav geformten Segment gebildet wird_r das die emittierende Fläche 5I bildet. Die konkave· emittierende Fläche 31 besteht aus einer Schicht 32 aus einem kornorientierten polykristallinen feuerfesten oder hochschmelzenden Metall, so dass eine gleichförmige und verbesserte Emission im Tergleich mit statistisch orientierten polykristallinen Emittern erhalten wird.

Bei einer beVorzugten Ausführungirform wird die Metallschicht 32 auf einem konkaven feuerfesten-oder hochschnielzenden träger 33 ni&cergeschlagen, der beispielsweise aus Wolfram oder thoriertem Yfolfram besteht. Die Körner der Schicht 32 sind vorzugsweise länglich zu Säulen geformt, und ihre Längsachsen·, liegen normal zur Oberfläche des Triers und der konkaven Emissionsfläche 3T. Die Kristallite der Schicht 32 sind so orientiert, dass die Emission verbessert wird.

Der Heizer 28 beschiessit die Rückseite des Trägers 33 -lit Elektronen von beträchtlichen Energien^ beispielsweise 2500 eV, so dass eier Kathodenemitter auf seine Betriebstemperatur von etwa 2000 C erhitzt wird.

Eine mit einer zentralen öffnung: versehene Anode 36 liegt, in Abstaue" vom Emitter 29 und auf einem geeigneten, positiven Potential gegenüber dem Kathodenemitter, beispielsweise +17»5 kY. Die Anode 36 ist mit einer verjüngten Öffnung¹ versehen _t die axial mit dem Käthodenehiitter ausgefluchtet ist und koaxial zu diesen liegt _t so dass ein konvertierender Elektronenstrahl durch sie hindurchgezogen wird.. '"■■■- ■ '■ ÖÖSf1f/ßS24 ' ; .../19 . .·

ΒΛ0

Eine zylindrische Fokussierelektrode 37t beispielsweise aus Tantal, umgibt den Aussenumfang des konkaven Emitter-Stückes und dient dazu, den Emitter 29 über eine Anzahl nach innen gerichteter tangential berührender Finger 38 zu tragen, die beispielsweise aus Tantal bestehen und an ihren Enden an die Fokussierelektrode 37 und den Emiiterträger 29 punktgeschweisst sind*

Der Vorteil der gleichförmigen thermionischen Emitterfläche, wie oben beschrieben, liegt darin, dass es möglich ist, die Röhre bei höheren Leistungspegeln bei gleicher Kathodenbetriebstemperatur zu betreiben, wie sie vorher für fleckige Emitter verwendet wurde, oder bei gleicher Leistung mit niedrigeren Kathodenbetriebstemperaturen zu arbeiten, so dass die Betriebsdauer der Bohre im Vergleich zu Höhren mit fleckigen Emittern erheblich erhöht wird.

In Fig. 11 ist eine isometrische Ansicht eines thermionischen Emitters mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Ein thorierter Wolframemitter 41 ist mit einem niederschlag 42 von kornorientiertem feuerfesten Metall überzogen, wie oben beschrieben, um eine gleichförmigere und bessere Emission von der Emissionsfläche 43 zu erhalten.

Diese Ausführungsform ist ein Beispiel der vielen Möglichkeiten für Trögerwerkstoffe, auf die eine kornorientierte Schicht aufgebracht werden kann, um gleichförmige Enissionseigenschaften zu erzielen« Der verbesserte thermionische Emitter nach Piß¹. 11 nutzt ,zusätzlich zn der erfindungs^emässen gleichförmigen Oberfläche die Porosität der polykristallinen-kornorientierten 3-.sl.icht aus. Durch diese Porosität ist es möglich, dass ein J'aterial mit kleiner Austrittsarbeit^

909816/0524 .../20

BAD

beispielsweiee Thorium, kontinuierlich durch die Korngrenzen zur Oberfläche diffundiert und sich über die Oberfläche des Emitters . ausbreitet, um die Austrittsarbeit der Emissionsfläche 45 gleichförmig zu verringern.

Bei einem typischen Ausführungsbeiepiel des thorierten Wolframemitters nach Fig. 11 besteht der thorierte Wolframträger 41 aus einem .thorlerten Wölframdraht 44 von 0,15 mm Durchmesser, der in seiner äusseren Oberflächenschicht 45 karburiert ist, beispielsweise dadurch, dass bei Zimmertemperatur mit XyIöl-Dampf gesättigtes Wasserstoffgas über den auf ungefähr I7OG⁰ C erhitzten thorierten Wolframträgerdraht geleitet wird. Die Karburierung ist zu dem, Zeitpunkt beendet, an dem der Gesamtiri4erBtand des Drahtes sich um I05& von seinem Angangswert geändert hat. Die kornorientierte Schicht wird direktauf die karburierte SubetratBchioht 45 mit einer Tiefe von beispielsweise 0,0025 mni bis 0,025 ™& durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf niedergeschlagen, wie genauer epater in Verbindung mit Fign. 20 und 21 beschrieben wird.

Die Oberfläche 45 der aus dem Dampf niedergeschlagenen Schicht 42 wird geglättet, wie beispielsweise durch Elektropolieren, wie später beschrieben wird, um Oberflächenunregelmässigkeiten zu beseitigen und die gleichförmig kornörientierte emittierende Fläche freizulegen.

Der Emitter wird aktiviert, beispielsweise durch direkte Beheizung. des Emitterdrahtes durch durchflieSsenden elektrischen Strom. Die Temperatur des Emitters während der Aktivierung kann nahe bei der normalen Betriebstemperatur liegen, wie beispielsweiße I6OO C

BAD ORiGfN^

up

. -21-

U39890

bis 165ο⁰ C. Sie AÜtiTi*rung»»*it (für du ölig« Beispiel ungefähr 120 Minuten) soll ausreichend sei», ua dafür au sorgen, dass genügend Thorium zur und über die Oberfläche diffundiert, so dass" die Oberflächenfcedeckuntf ausreichend i§t,«die leission vom Emitter typisch gleich der to» einer Binkristallflache aus Wolfram mit einer monoatomischen Schicht von Thori«· über der Oberfläche zu machen.

Ia Betrieb, bei den typischen Betriebstemperaturen von I6OO C bis I65O C, wird Thorium von der Oberfläche abgegeben, wird jedoch kontinuierlich durch Diffusion von Thorium aus dem thorierten Wolframträger durch die Korngrenzen der kornorientierten Schicht 42 wieder aufgefüllt, so dass kontinuierlioh eine etwa monoatomiache Thoriumschicht an der Oberfläche aufrechterhalten wird. Die monoatomische Oberflächenbedeckung mit Thorium erniedrigt die Austrittsarbeit der emittierenden Fläche 43 ά-βτ Schicht 42 auf beispielsweise 3,0 eV in der gleichen Weise wie eine typische electropositive adsorbierte Oberflächenschicht.

Der Ausdruck "emittierende Fläche" oder "Emissionsfläche" soll die Emitterfläche bezeichnen, aus der die Elektronen austreten, ausschliesslich etwaiger adsorbierter dünner Filme mit- einer Dicke in der Qrössenordnung von einigen wenigen Atomen oder Molekülen.

Eine wesentlich verbesserte Emission wird von dem thorierten WoIframemitter nach Fig. 11 erhalten. Genauer ergibt sich eine Steigerung; von 400/£ <3er Emission aus einem Emitter nach Fig. 11, bei dem die kristallographische Ebene (1OO) von Wolfram die emittierende

.../22

908816/0524

ÖAO

Fllehe bildet, Terglichen mit einem identischen Äaitter bei der ■ gleiohen Temperatur, bei dem der Emitter eine typische fleck,ige Emieaionaflache hatte. Durch Niederschlag der krietallographischen Ebene (111) im Gegensatz zu einer Emiesionsflache, die aus der Ebene (1OO) gebildet ist, wird eine Steigerung von 1000$ oder mehr der Beieeion erreicht, verglichen mit der eine».fleckigen Emitters.

In Fign. 12 und 13 sind zwei andere Vorratskathoden-Ausführungsformen unter Verwendung der erfindungegemäsaen Oberflächengleichförmigfceit dargestellt. Wie bereits in Verbindung Bit Fig. 11 erläutert, nützen dieee thermionischen Vorrats-Emitter auch die lorosität der kornorientierten Schioht -aus, die es ermöglicht, dass Materialien mit geringer Austrittsarbeit, nie Barium, Thorium u.dgl., im Emitterkörper gespeichert werden und durch die Korrigrenzen der niedergeschlagenen Schicht diffundieren, so dass eine kontinuierliche monoatomisch© oder monomolekulare Schicht eines Material« mit kleiner Auatrittaarbeit an die polykristalline Smitterflache diffundiert, die aus körnorientierten Kristallite!! gebildet ist. ■ . '."_../ :.■■'■■

Der thermioniache Vorrats-Emitter nach i'ig. 15 enthält eine Röhre aus feuerfestem oder hochschmelzendem Metall, beispielsweise liolybdän, die an einem Ende mit einer-porösen feuerfesten Ketallscheilje 52 oder Matrix, beispielsweise aus ffeeintertesi Wolfram oder iiickel abgeschiossen ist, die mit einer geschmolzenen Mischung von Bariucioxyd und Aluminiumoxyd im Molverhältnis 5·2 imprägniert ist. Die gteohmolzene Mischung füllt alle Hohlräume und Zwischenräume der

.../23

9Q981S/0S24

BAD

1439*90

porösen Scheibe 52» die rom Xusseren der Scheibe 52 aus zugänglich sine vollständig oder teilweise« '

Ein Heizer 53 ist in die Köhre zur Heizung der Kathode montiert. Um die Verdampfung des Erdalkalimetalls und seine Diffusion in das Molyb- , dänrohr 51 zu reduzieren, sind die Unterseite 54 und die Seiten 55 t geläppt, um die Poren zu schliessen, ehe die Scheibe 52 mit der Erdalkalimischung imprägniert wird.

Der poröse Körper 52 wird an der Aussenfläche 56 bearbeitet, um eine ' Oberfläche entsprechend der !Form der gewünschten Emissionsfläche _; zu bilden. In einigen Fällen, beispielsweise einer Elektronenspritee nach Pierce» ist diese Oberfläche sphärisch konkav. In anderen Fällen ist die Fläche 56 flach.

Eine kornorientierte Schicht 57 aus einem hochschmelzenden Material, I vorzugsweise einem feuerfesten Metall, wird, beispielsweise durch j chemischen Niederschlag aus dem Dampf, auf der Oberfläche 56 nieder« f gesohlagen. Die säulenförmigen kristallite oder Körner der niedergeschlagenen Schicht 57 sind vorzugsweise normal zur Fläche 56 orientiert und bo niedergeschlagen, wie später erläutert wird, dass eine bestimmte bevorzugte kristallographische Ebene normal zu den Säulen liegt, was gleichbedeutend damit ist, dass diese die Emissionsfläche bildet. Auf diese Weise ist die Emissionsfläche gleichförmig aus de.r bevorzugten Kristallebene zusammengesetzt. Die Oberflächen·- schioht 57 hat irgendeine geeignete Dicke, von beispielsweise 0,0025 mm bis 0,025 nun.

•••/24

909816/0524

Fach Niederschlagen, der Schicht 57 wird diese vorzugsweise mit irgendwelchen geeigneten Mitteln poliert ν vorzugsweise elektropoliert, wie später erläutert wird, um die orientierten Kristallite gleichförmig freizulegen. Der poröse imprägnierte Körper 52 mit der niedergeschlagenen Schicht 57 ist- in der Röhre 51 ."befestigt, beispielsweise angeschweisst, und wird in ein evakuiertes ßefäss montiert. Nach Entgasung des G-efässes wird die Kathode dadurch aktiviert, dass der Emitter unter einer etwas höheren als der üblichen Betriebstemperatur, beispielsweise 1000° C bis 1200° C-, erhitzt wird, bis die Kathode befriedigend emittiert.

Im Betrieb reagiert die Erdalkaliverbindung bei höheren Betriebsr temperaturen mit dem feuerfesten Metall, hauptsächlich in der Weise, dass freies Erdalkalimetall produziert wird. Das Erdalkalimetall diffundiert aus der porösen feuerfesten Matrix zur Oberfläche der niedergeschlagenen Schicht durch die Grenzen der orientierten Körner der niedergeschlagenen Schicht 57» Auf der Emissionsfläche der polykristallinen kornorientierten Schicht 57 diffundiert das Lietall üb.er die Oberfläche der Schicht 57» so dass eine Schicht von Erdalkalimetall mit einer Dicke von im wesentlichen einem Molekül auf der Oberfläche gebildet wird.

■ Stairt den Körper in der beschriebenen Weise spanabhebend zu bearbeiten, kann der Körper mit einem Püllmetall imprägniert werden, im Gesenk geschmiedet oder gerollt und anschliesserid auf einen kleineren Durchmesser gezogen werden, um Drähte zu erhalten, die zu Kathoden weiterentwickelt werden können. In gleicher Weise kann der Körper aus feuerfestem Metall durch Spritzen geformt werden

■„ -''009816/0-624" " . V../25

und mit einem Füllermetall imprägniert werden, oder pulverförmiges feuerfestes Metall kann mit pulverförmigem Füllermetall gemischt und der Körper gepresst und gesintert werden.

Ale Imprägnierungsmaterialien sind solche besonders gut geeignet, die mit dem feuerfesten Metall hauptsächlich in einer Weise reagieren, dass freies Erdalkalimetall erzeugt wird. Als feuerfestes IiIetall wird Wolfram bevorzugt, aber Molybdän, Tantal, Niobium und Rhenium sind u.a. ebenfalls geeignet. Im Falle von Wolfram reagieren gewisse Erdalkaliverbindungen, insbesondere die !Titrate mit diesem, so dass Wolramate gebildet werden, wodurch sich' die Menge des im freien Zustand verfügbaren freien Erdalkalimetalls entsprechend verringert. Es ist wahrscheinlich, dass ähnliche Reaktionen mit anderen feuerfesten Metallen auftreten, und aus diesem Grunde erscheint es zweckmässig, keine Hiträte der Erdalkalimetalle au verwenden.

Der poröse feuerfeste Metallkörper 52 kann nach einer Anzahl verschiedener Verfahren imprägniert v/erden, wobei eine Anzahl verschiedener !Materialien verwendet wird, wie beispielsweise in den folgenden US-PatentSchriften beschrieben: 2.7OO.OQO}2.700.118} 2.176.716} 2.769.708j 2.ÖI5.8O7; 2.848.644} und 2.929.155· I

Solche Imprägniermittel sind beispielsweise Mischungen von Erdalkalimetall-Aziden und/oder -hydriden mit Formiaten oder Carbonaten, Mischungen von Erdalkalimetall-Wolframaten und einem reduzierenden j Lietall, wie Thorium, Zirkonium und/oder Tantal, und andere Mischungen. ]

In i"ig. 12 ist eine andere Ausführungsform eines Vorrats-Emitters

909810/0624 "'^/z6

14-W990

dargestellt. Bei dieser -^asfuhrungsform. sind die Skitter die gleichen, wie in Fig. I3 dargestellt und gleiche Bezugszeiclien sind für identische .-Elemente verwendet worden. In. diesem Falle ist die korn-· "orientierte Schicht 57 ^au^ einer porösen Scheibe 61 aas feuerfestem Metall, beispielweise gesintertem pulverförmigen Wolfram niedergeschlagen, die einen'Hohlraum 62 absehliesst, welcher einte Erdalkali-Verbindung enthält und ein Reservoir für-Materialien mit niedriger Austrittsarbeit bildet. Geeignete Verbindungen -tuafaasen Materialien, die mit der feuerfesten Scheibe 61 hauptsächlich is. einer li'eise reagieren können, dass freies Erdalkalimetall mit -geringer Austritts-, arbeit erzeugt wird.

Das Material mit niedriger Austrittsarbeit, beispielsweise Barium oder Thorium, diffundiert durch die poröse Scheibe 61 m&ä dann durch den Überzug 57 zur Emissionsfläche<> An der Smissiönsflache- füllt . . das Metall mit niedriger Austrittsarbeit das abgegebene Metall mit niedriger ^Austrittsarbeit auf_s so dass eine gleichförmig® -Saissionsflache mit geringer Austrittearbeit aufrechterhalten w

In Fig-. 14 ist eine andere Aus führungs form der - Mpfine- img dargestellt, bei 'der die erfindungsgemässe Oberflachengle-ichföriaigkeit mit Vorteil in einem thermionischen Emitter mit .Überzug¹ sngevraaöt ist β Bei diesem Typ von thermionischen Emittern ist ■ ein .ÜTbersüg aus einem Material, das eine reichliche Emission liefern, kann, auf einer Basis» aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt niedergeschlagen-, beispielsweise aus Wickel, Wolfram oder Tantal.

BAD

Geeignete Überzugsmaterialien, die reichliche Emission bei relativ niedrigen Temperaturen von "beispielsweise 14OO°C liefern, sind: Thoroxyd, Oxyde seltener Erden-wie beispielsweise Yttriumoxyd, Gadoliniumoxyd, Dysprosiumoxyd und viele andere, und gewisse Karbide, Boride und ITitride, wie beispielsweise Zirkonkarbid, Thoriumkarbid und Urankarbid, TJrannitrid und gewisse Hexaboride, wie Lanthanhexaborid und Neodymhexaborid.

Erfindungsgemäss wird die Emissionsschicht, beispielsweise aus einem der erwähnten. Werkstoffe, niedergeschlagen, beispielsweise durch chemischen niederschlag aus dem Dampf, auf eine Basis 71 aus einem hochschinclsenden Material, beispielsweise Hickel, so dass eine polykristalline Emisijiorisschicht 72 gebildet wird, die zäh an der Basis 71 haftet.

Die Emissionsschicht 72 ist ein kornorientierter Niederschlag. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Emissionsfläche 75 elektropoliert, um Oberflächenunregelmässigkeiten zu beseitigen und die bevorzugten Kristallebenen der orientierten Kristallite gleichförmig freizulejun.

Ein Heizer 74 ist innerhalb der Basis 71 gehaltert, so dass der Emitter auf seine Betriebstemperatur von etwa I4OO C erhitzt werden kann.

In Fig. 1? ist ir. schematischer Form ein thermionischer Snergiewandler d1 dargestellt, bei de:,i ein thermionischer Emitter 82 mit Llerk-Bialen c:er Erfir.^-.ing Verwencung findet. Kurz besteht der thermionische Ener,':ie-,va».ul»⁵r öl aus einem .gasdichten Gefäss oder einer Umhüllung 83,

909816/0524 _></28

βΑΟ

-•28·" .

beispielsweise aus Glas oder gebrannter Tonerde". Ein tliermionischer Emitter 82, der genauer später beschrieben wird, ist gegenüber und im Abstand von einem Kollektor 84? beispielsweise aus Wolfram, angebracht. Ein eine positive Ladung tragendes Medium, wie ionisiertes Cäsium, Kalium, Rubidium oder ein Edelgas, unter beispielsweise 0,01 mm Hg füllt das Gefäss 83, um die Elektronen-Raumladung an der Emissionsfläche des Emitters 82 und.im Raum zwischen dem Emitter 82 und Kollektor 84 zu neutralisieren.

Das neutralisierende Gas wird durch ein Reservoir 85 geliefert, das ein flüssiges neutralisierendes Metall, wie Cäsium, Kalium oder Rubidium in Gasverbindung mit dem Gefäss 83 enthält. Das Reservoir 85 wird mit einem Heizer 86 erhitzt, um eine genügende Menge von flüssigem Metall zu verdampfen, so dass der gewünschte Betriebsdampfdruck im Gefäss 85 aufrechterhalten wird.

Der Emitter 82 wird auf .seine Betriebstemperatur von beispielsweise 16OO^Q C mit irgendeinem geeignetem Mittel aufgeheizt, beispielsweise mit einer Flamme, Sonriennergie oder Kernenergie, wodurch die Rückseite des Emitters 82 erhitzt wird. .-_'_■

Der Kollektor wird mit irgendwelchen geeigneten Mitteln gekühlt, wie beispielsweise durch Strahlung und/oder Konvektion. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel führen Kühlspiralen 87 ein flüssiges · Kühlmittel, das zirkuliert? diese Spiralen sind auf der Rückseite der Kollektorelektrode 84 angebracht.

Das neutralisierende Medium kann auf irgendeine geeignete Weise

90981670524 ,

• · «/29

BAD

ionisiert werden, beispielsweise durch Oberflächenionisation vom Emitter 82 oder anderen Elektroden, durch Photonenaufprall, wie bei 88 angedeutet, wobei ßnergiereiche Photonen durch die Wand des Gefässes 83 hindurchtreten, oder dur.ch eine Elektronenentladung zwischen einem Elektrodenpaar 89.

Ein Verbraucher oder eine Belastung 91 liegt in Reihe mit" dem Emitter 82 und dein Kollektor 84.

Im Betrieb wird der Emitter auf seine Betriebstemperatur von beispielsweise I6OO⁰ C aufgeheizt. Elektronen kochen aus der Emissionsfläche mit genügender Wärmeenergie aus, um die Austrittsarbeit der Emitteroberfläche von etwa 1 bis 4 eT (vergl. Fig. 16) zu überwinden. Die Raumladung¹ wird durch die positiven Ionen oder das Plasma in dem Raum zwischen dem Emitter 82 und dem Kollektor -84 neutralisiert, Wegen ihrer anfänglichen thermischen Geschwindigkeit und der zusätzlichen Geschwindigkeit, die durch die positive Raumladung im Bereich des Kathodenemitters 82 hinzugefügt wird, durchqueren die Elektronen den Raum ztim gegenüberliegenden Kollektor 84, wo sie durch eine geringere negative Kollektor-Austrittsarbeit laufen und auf das Fermi-Hiveau des Kollektors fallen. Unter typischen Betriebsbedingungen ist der iirier-jieverlust der Elektronen durch das Fallen auf das Fermi-Niveau des J'Ollektors kleiner als die thermische Energie, die sie beim Verlassen des Emitters erhalten haben. So weisen sie immer noch Energie auf, die sie zum Verbraucher.91 bei ihrer Rückkehr zum Emitter liefern*

Beim thermionischen V/andler tf1 nach der Erfindung wird der thermionische Emitter 82 durch eine polykristalline Schicht 95 aus kornorientiertem, , hochschmelzendem Material gebildet und vorzugsweise einem feuerfesten

909816/0524

BAD

H39890

Metall, wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän, das beispielsweise • durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf auf einem feuerfesten ■ Träger 94» beispielsweise aus Wolfram, niedergeschlagen wird. Auf diese Weise wird die Emissionsfläche $6 gleichförmig aus kornorientierten Kristalliten gebildet. Die Oberflächenschicht 93 hat irgendeine geeignete Dicke, beispielsweise 0,0025 mm bis 0,025 nim. Hach Niederschlag der Schicht 93 wird diese vorzugsweise geglättet, beispielsweise durch Elektropolieren wie später beschrieljen, um die bevor-

zugten kristallographischen Ebenen der orientierten Kristallite durch Entfernung von Oberfläohenunregelmässigkexten freizulegen»

Die vorteilhaften Ergebnisse, die durch Entfernen der Fleckigkeit der Emissionsfläche auf die obige Weise erhalten werden können _s können aus^ig. 17 (Hernquist et al S.O.Ä. Eevue, Juni 1358} abgeleitet werden, wo eine Darstellung des Wandlerwirkungsgrades in Abhängigkeit von der Austrittsarbeit und der temperatur der Emissionsfläche ; für einen Wolfy.amemitter dargestellt ist. Me Darstellung zeigt deutlich?dass bei einer gegebeBsn Emittertsmperatur f^ine optimale Effiiiter-Austrittsarbeit φ vorhanden ist. Wenn die Äiitteroberflgehe

fleckig-ist, hat nur ein kleiner Brüchteil der Ssnissionsflache eine dem Optimum entsprechende Austrittsarbeit, Wenn Jedoch äia üniesionsfläehe gleichförmig ist, d.h. aus einer Kornorientierung besteht_? wie bei. der Erfindungi dann ist diese Emitterfläciie durch eine gleichfÖ3?mige Axistrittsarb0it gekennzexchnet₉ Die ganze Ejaissionsflache j kanjl also so hergestellt werden, dass sie optiiialen Wirkungsgrad hat, 'indem einfach der Emitter bei der Temperatur !betrieben isird, bei dem j ;ieine gleichförmige Austrittsarbeit optimalen ¥aadler-¥irkungsgrad ■; ergibti < kai" diese Weise wird- der WaRäler-Wirkaiigsgrad wesentlich

erhöht.

Der thermionische Emitter 82 nach Fig. 15 ist charakteristisch für ' eine Klasse von thermionischen Emittern mit dünnem Film, bei denen ein dünner Film (Monoschicht) aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit, der auf der Emissionsfläche adsorbiert ist, kontinuierlich aus einem Dampf wieder aufgefüllt wird, in diesem Falle Cäsium, Kalium oder Rubidium, der mit der Emissionsfläche 96 in Gleichgewicht steht. Me adsorbierte monoatomische Material schicht erniedrigt die Austrittsarbeit der kristallograpliischen Ebenen der Emissionsfläche 96 auf eine Austrittsarbeit typisch für eine Einkristall-Fläche nit einer Ilonoschicht des Films. Herrn der "überzug genügend dick wird, beispielsweise eine Dicke in der Grössenordnung von 5 bis 10 Atomen hat, nimmt die Oberfläche die Austrittsarbeit äes Oberzugsmaterials an«

Es ist zu erwähnen, dass nicht alle kristallograpliischen Ebenen ' den dünnen Film gleichförmig adsorbieren. Der Adsorptionsmechanismus j hängt von den Atoaabstänclen der freiliegenden Fläche ab, sowohl

i direkt, weil sie die packung der adsorbierten Atome beeinflussen, als auch indirekt mit Rücksicht auf die Grosse der Austrittsarbeit. ; So wir<? Cäsium vorzugsweise auf den ',Volframflächen mit der höchsten ! Austrittsarbeit adsorbiert, den Ebenen (112) und (HO), weil der indirekte Effekt grosser ist, während Barium und Thorium vorzugsweise auf der (I1i)-Ebene adsorbiert werden, die die niedrigste Austrittsarbeit hat, weil bei diesen luaterialien der direkte Effekt JlVGiVOT" XSt.

1^£.^: -αιι<ΐ 15 sind zwei thermionische Wandler dargestellt, bei

909816/0524

.../32

SAG

denen nicht ebene gleichförmige thei-mionische Emitter nach der Erfindung verwendet werden. -

In Fig. 18 ist schematisch ein !kugelförmiger thermionischer Wandler dargestellt. Genauer, ein hohler sphärischer thermionischer Emitter 101 liegt in einer hohlen sphärischen Anode 1Q2, die auch als gasdichtes Gefäss dient. Miteinander ausgefluchtete Öffnungen und 104 liegen in "der Anode -102 und im Emitter 101, so dass thermische Energie eintreten kann, die durch die Öffnungen 103 und mit einem Spiegel 105 fokussiert wird. Die aussere Öffnung 103 ist mit einem wärmedurchlässigen, gasdichten Fenster 100, beispielsweise aus Saphir, abgeschlossen»"Die thermische Energie wird im Inneren des Emitters aufgenommen, so dass dieser auf Betriebstemperatur erhitzt wird.

Eine elektropositive Atmosphäre aus beispielsweise ionisiertem Cäsium unter einem Druck von 0,01 Torr füllt den kugelförmigen Raum zwischen der Anode 102 und der Kathode 101, um die Raumladung zu neutralisieren. ·

Das Cäsium wird dem Raum aus einem Reservoir 106 zugeführt, der mit dem Raum in. Gasverbindung steht. Der Druck- des Cäsiumdampfes wird mit einer Heizspule 107» einem veränderlichen Widerstand und einer Batterie 109 geregelt.

Die Last 110 liegt in Reihe mit der Anode 102 und der Kathode' über Leitungen 111. Wärmeabstrahl-Fahnen 112 sind äusserlich an der Anode 102 «u deren Kühlung angebracht.

../35

BAD ORIGINAL

Die thermionische Emitterkathode 101 ist mit einer äusseren Schicht

113 aus säulenförmigem, kornorientiertem hochschmelzenden Material versehen, dessen Säulen normal zur Aussenflache II4 orientiert sind. Die Schicht 113 ist derartig niedergeschlagen, dass die Oberfläche

114 aus kornorientierten Kristalliten besteht, wie oben beschrieben, so dass eine gleichförmige, nicht fleckige polykristalline Emissionsfläche gebildet wird, wodurch der ¥/andlerwirkungsgrad erhöht wird, wie bereits in Verbindung mit Fig. I5 beschrieben.

In Fig. 19 ist ein verbesserter thermionischer Wandler von im allgemeinen zylindrischer Form dargestellt, der einen thermionischen Emitter nach der Erfindung enthält*

Genauer, ein hohlzylindrischer thermionischer Emitter 121 liegt koaxial und im Abstand von diesem in einem hohlzylindrischen Kollektor 122, der gleichzeitig als gasdichtes Gefäss dient. Ein ringförmiger Isolator 123 hält den Kathodenemitter 121 isoliert im Abstand vom Kollektor 122. Ein Reservoir 124 aus flüssigem Metall, beispielsweise Cäsium oder Rubidium, ist in Gasverbindung mit dem Ringraum zwischen Kollektor 122 und Kathodenemitter 121 angeordnet, so dass eine Atmosphäre eines neutralen Plasmas unter niedrigem Druck im Raum zwischen Kollektor und Kathode geschaffen wird. Eine Heizanordnung mit einer Heizspirale 125, einem veränderlichen. Widerstand I26 und einer Batterie 127 dient dazu, den Gasdruck im Wandler zu regeln. - ■

Der Kollektor 122 ist mit einer Vielzahl nach aussen gerichteter Kühlfahnen 120 versehen, um den Kollektor durch Strahlung und

909816/0524 .../34

SADORJGiNAL

34_ \ T43wyu

Konvektion zu kühlen. Eine aussere Last 129 ist in Beihe mit dem thermionischen Emitter 121 und dem Kollektor 122 über Leitungen geschaltet.

Der thermionische Emitter 121 wird auf seine Betriebstemperatur von etwa I3ÖO C mit einem Brenner 152 erhitzt, dessen Flamme in das hohle Innere des Emitters 121 gerichtet ist»

Der Emitter enthält einen hohlzylindrisckea"träger 133s beispielsweise aus polykristallinem Wolfram j mit einer Schicht 1J4 ^aUS kornorientiertem} polykristallinen_s hoehsehmelzendem Materials "vorzugsweise einem feuerfesten Emittermaterial, wie Wolfram. Die Körner der Schicht 134 sind vorwiegend normal zur Aussenflache 135 des Emitters 121 orientiert, wie in Verbindung mit Pig«. 15 beschrieben,, um_ eine gleichförmige, nicht fjsckige Emissionsfläche 135 ²^ erhalten.

Der thermionische Wandler nach Pign. 15, -18 oder -19 arbeitet nit Raumladungsneutralisierung in Verbindung mit Düimfiln-Emissicn vom thermionischen Emitter. Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Wandlerformen im. wesentlichen gleich den in Fign. I5» 18 und 19 dargestellten, nur äass das die Konverterelemente, wie Emitter und Kollektor,enthaltende G-efäss auf ein rela- tiv hohes Vakuum von etwa 10~ mm Hg evakuiert ist. Zusätzlich ist der Abstand zwischen dem thermionischen Emitter und dem Kollektor auf einen sehr kleinen Wert herabgesetzt, beispielsweise in der Grössenordnung von 0,0025 nun» so dass diese andere Ausi'ünrungsform des Wandlers raumladungsbegrenzt-entsprechend Child's

Gesetz i'^— arbeitet, worin V etwa der Unterschied im Perai-

:BAD"

Niveau zwischen Emitter und Kollektor ist, c[ der Abstand zwischen Emitter und Kollektor, und i^ die Stromdichte. Die Oberflächengleichförmigkeit nach der Erfindung ist in gleicher Weise auf diesen raumladungsbegrenzten Wandler anwendbar wie auf raumladungsnei^tralisierte Wandler, die eben beschrieben worden sind, um'einen verbesserten Wirkungsgrad des thermionischen Wandlers zu erzielen.

In Fig. 20 ist in schematischer Form eine Vorrichtung zum chemischen Niederschlag von gleichförmigen kornorientierten Schichten aus dem Dampf dargestellt. Genauer, ein Träger I4I» auf den eine Schicht I42 aus kornorientiertern Material niedergeschlagen werden soll, ist auf einem Auflage-143, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, in einer geschlossenen lliederschlagskammer 144» beispielsweise aus rostfreiem Stahl, mit einem geeigneten Inhalt von beispielsweise einem Liter angeordnet,

Ein Heizer 145 ist innerhalb des hohlzylindrischen Auflagers I43 angeordnet, um das Auflager 143 und den Träger I4I auf eine Nieder- l Schlagstemperatur zu erhitzen, die genauer später beschrieben wird. Eine Kühlmittelleitung I46 endet in der Nähe der Rüakseite des Auflagers 143f so dass wahlweise ein Kühlmittelstrom auf das erhitzte Auflager gerichtet werden kann, um es schnell abzukühlen, wie später beschrieben wird. Eine Dampfeinlassleitung 147 von beispielsweise 9,5 ^ma Durchmesser ist oberhalb des Trägers angeordnet, um den Dampf-, stro:.i -löichförmig über den Träger I4I zu leiten. Der Dampf wird i von eier !Tanker 144 über ein Absaugrohr I4Ö abgepumpt.

Die IlristallrichtungCiOO) des Wolframs wird normal zur Emissionsfläche

909816/0524 .""^/36

auf folgende Weise gerichtet: - - ___ . . Y/ass er stoff gas, das von einem Hochdrucktan'k 149 abgezogen wird, wird in einem Reiniger I5I gereinigt und über parallele Leitungen 152 und 153 in die Niederschlagskammer 144 geleitet, um das System auszuspülen und Sauerstoff und Wasserdampf aus den Leitungen 152 und I55 sowie der Niederschlagskammer 144 zu entfernen. Eine fünfminütige Spülung bei Zimmertemperatur reidht aus.-

Die Parallelleitung 152 wird von der Wasserstoffquelle durch Schliessen des Ventils 154 abgeschlossen. Di°e vom Tank 149 in die Niederschlags- kammer 144 fliessende Viasserstoff-Reduziergasmenge wird auf einen geeigneten Strömungswert eingestellt,, der mit einem Durchflussmesser 155 überwacht -wirel. Eine typische Wasserstoff-Durchflussmenge in eine Kammer 144 ^von 1 Liter Rauminhalt ist 1,5Ltr. pro Minute.

Eine Vakuumpumpe I56, beispielsweise eine kleine mechanische Pumpe mit einer Leistung von 5 Ltr. pro Sekunde, wird angeschlossen, um die Niedersehlagskammer I44 über Absaugleitung 148, Kühlfalle 157 mit flüssigem Stickstoff und Ventil 158 leerzupumpen. Die Vakuumpumpe v/ird in Betrieb genommen, und die N&federschlagskammer 144 wird auf 4OO Torr leergepumpt. Der Druck von 4OO Torr wird mit einem Ballastsystem aufreohternalten, das aus einem Tank 159 mit Stickstoff unter hohem Druck besteht, der an die Eingangsleitung der Pumpe 156 über einen Druckregulator I6I und ein Ventil 162 angeschlossen ist. Der Druckregulator liefert genügend Stickstoff-Ballastgas an die Pumpe 156, um den $z*u,ck; iaanerhalb --der- Niederschljagakammer I44 auf dem gewünschten

Ein Träger I4I wird auf die Niederschlagstemperatur von beispielsweise zwischen 5OÖ G und 800 G und vorzugsweise von 6OO C mit dem Heizer 145 gebracht, der Strom von einer Batterie I63 über einen variablen Widerstand I64 und Schalter 165 erhält. Ein nicht darge- , stelltes, in das Auflager 143 eingebettetes Thermoelement misst die Temperatur des Auflagers.

Gasförmiges Wolframhexafluorid wird in die Niederschlagskammer aus einem Hochdrucktank 166 über Ventil 167 und Durchflussmesser I68 geliefert. Der Strom des gasförmigen Wolframhexafluorids wird mit ■ Ventil 167 so geregelt, dass das Verhältnis der Wasserstoffmenge zur Wolframhexaf luoricimcnge, die in die Kammer 144 strömt, beispielsweise zwischen 5i3 und 11 und vorzugsweise bei 10 liegt. Wenn das Verhältnis 10 ist, beträgt die Durchflussmenge des Wolframhexafluorids in di-e Kammer 144 beispielsweise 0,15 Ltr. pro L'inute.

Das r.'iedersciilajen v/ird ausreichend lange fortgesetzt, um die gewünschte Dicke einer kornorienfeierten Schicht I42 niederzuschlagen, beispielsweise 5 Sekunden für O,OO6J5 nun Schichtdicke. Typische Schiohtdicken lie,,en zwischen 0,0025 und 0,025 mm.

Die !lieäerBchlagmig wird dadurch beendet, dass die Niedersohlagsfläche sciinoll unter die Niederschlagstemperatur abgekühlt wird, während rlur Flias:; der ivurainnenieset2ten Gase beibehalten wird. Bei- :ϋ;ο1..;ο wird i:a vorliegenden Falle der Träger schnell abgekühlt,

fl.ii. in einer bia zwei Sekunden von 6OO G auf 400 C, indem ein './a:-·::er;;tit.ul von der Kühlrni fctelröhre I46 auf die Rückseite des Auf- la>-;ora 1-Ϊ3 ocrichtct viird, nachdem der Heizer 145 durch den Schalter I65 auti,;O..jchal.tot worden ist. art η g λ g / λ r O I

. Nach Abkühlen des Auf lagers 143"--und des Trägers I4I wird das Wolframhexafluorid mit Ventil 1.67 abgedreht, um Gas au sparen, und die Pumpe 156 wird stillgesetzt. Die auf dem Träger roder-" geschlagene Schicht- kann dann aus der Kammer 144 herausgenommen vrerden. Während des ITi edersGiilags Vorgangs des korrodierenden Wolframhexafluorids wird dieses in der Eühlfalle 157 niedergeschlagen und dadurch daran gehindert, die Pumpe I56 zu "verunreinigen, und zu beschädigen.■ Das System kann für einen folgenden niederschlag durch Wasserstoff spülung wie oben beschrieben vorbereitet werden. - ■■■-·.. .

Oberflächenunregelmässigkeiten auf der Emissionsfläche der Schicht-. 152 werden durch Polieren entfernt, und vorzugsweise- z.B. Elektropolieren. Bei einem typischen Ausführungsheisrisl für ^"o If ram τ/ird der Träger 141 mit. dem niedergeschlagener! i/olfraurlbersug 142 5.1s . Anode in eine elektrolytisch© Solle gebracht. Bin geeigneter ■"... .-; Elektrolyt ist eine bei Simiaertemperatur. .0y5--pr'bsenii&e Losung von latriunihydroxyd» Eine Spannung von 6 ToIt Anode und Kathode für eine ausreichende Zeitspanne -angelegt, um Oberflächenunregelmässigkeiten zu beseitigen, beist»ielsvieise 5 bis 10 Minuten für Schichtniederscliläge va'n ."0,0025 bis 0,025 mn Dicke. ■-"'-.- . .. ■-."'■■-'""■-.. . '■■."■-■

Nach dem aiektropolieren werden der Träger I4I und. die Schicht- 142. mit. Wasser gewaschen' und anschliessend mit Azeton gespült» Die-. "..-■" so hergestellten Emitter sind dann zur. Terwenäun^ in iilektroiienentladungseinrichtungen geeignet,. ... ;- . ■". "'"■■",

5|li1f/tilÄ

BAD ORIGINAL,

Die Kristallrichtung (21O) von Wolfram wird normal zur Emissionsfläche nach dem gleichen, oben in Verbindung mit Fig. 20 beschriebenen Verfahren gerichtet, nur dass das Verhältnis von Y/asserstoff zu Wolframhexafluorid nicht 10s1 sondern 8:10 ist. Die H~-Durchflussrate kann geändert und die WF^-Durchflussrate konstant gehalten werden, um dieses Verhältnis zu erhalten.

Die prozentische Änderung der Austrittsarbeit über die Halbwerts- ' breite (2dC)-Verteilung beträgt 2-ß> für die erwähnten kornorientier-' ten niedergeschlagenen Emissionsflächen für Wolfram der Ebenen (1OO) und (210) verglichen mit einer zelmprozentigen Anterung der Austrittsarbeit über einer typischen fleckigen Emissionsfläche.

Die maximale Grosse der Y/inkelspreizung der Halbwertsbreite, die für eine gev/isne Gleichförmigkeit der Austrittsarbeit toleriert werden kann, hängt von der Grcßpe der Änderung der Austrittsarbeit in Abhängigkeit von der Kristallrichtung ab. Die Änderungsrate der Ai;strittsarbeit ändert sich stark in Abhängigkeit von der Kristallrichtun,!;, wie aus Fi,c.-5 abgeleitet worden kann.

Eine andere Ausführungrsform einer Niederschlagskammer zur Erzielung gleichföraijer polykristalliiicr kornorientierter Niederschläge auf fadenförmigen Trauern ist in Fig. 21 veranschaulicht. Ein hohlzylindrisches Geisse 171> 1-oiiiTdelsweise aus Glas, enthält einen Träjrerdraht 172, beisj ielsv.eise aus Wolfram von 0,15 nm Durchmesser und 12,7 cm Länge. Her Draht ist koaxial im Gefäss 17I angeordnet und wird an seinen Enden :.iit Klemmen 173 gespannt gehalten. Der Tr«G<?rfaäen wird auf seine Niederschlags temperatur von beispielsweise

809116/0624 .../40

. ■' I

BAD ORIGINAL

-40- 14 3 98 y U

βΟΟ C über durch, den Draht 172 unter niedriger. Spannung τοπ beispielsweise 6 YoIt fliessenden Strom erhitzt, der aus einer Batterie 174 kommt und mit einem veränderlichen Widerstand 175 geregelt wird. Die zusammengesetzte DampfatmoSphäre wird in die Kammer 171 mit einem gläsernen Eingangsverteiler 176* beispielsweise einem Glasrohr von 9,5 um Durchmesser mit einer Anzahl von Glasröhren 177 von 9>5 aim Durchmesser zugeführt, die zwischen das Verteilerrohr I76 und die Kammer 171 geschalte't sind. Ein ähnlicher Verteiler führt die Dampfatmosphäre über Rohre.. 178 und Verteilerrohr 179 nach aussen. Der Niederschlag wird' schnell dadurch beendet, dass der elektrische Heiz-kreis mit Schalter 181 geöffnet wird, so dass der Draht 172 schnell unter die Niederschlagstemperatur von 4OO C abgekühlt wird, und wegen der geringen thermischen Trägheit des Fadens 172.

Es wurde gezeigt, dass die Emissionseigenschaften von thermionischen Emittern im allgemeinen dadurch verbessert-.werdeny dass die Emissionsfläche aus einem polykristallinen kornorientierten Material gebildet wird. Das kornorientierte Material'kann im allgemeinen aus irgendeinem von einer Anzahl verschiedener hochschmelzender Materialien einschliesslich Elementen und Verbindungen bestehen.

Geeignete hochschmelzende Elemente sind die feuerfesten Metalle wie Wolfram, Molybdän, Tantal, Niobium und Bhenium. Andere hOchs.chmelzende Elemente sind Kohlenstoff, Hafnium, Iridium, Osmium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Thorium, Titan, Vanadium, Ytterbium und Zirkonium», diese sind ebenfalls verwendbar*

BAD ORiGiNAi.

Claims (1)

1. DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 8000 MÜNCHEN 23 - MAINZER STRASSE 5 V1 P2O D

   Patentansprüche

   1. Thermionischer Emitter für Betrieb bei höheren Temperaturen, bestehend aus einem Körper aus hochsehmelzendem Material mit wenigstens einer Elektronen emittierenden Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronen emittierende Fläche aus einem kornorientierten polykristallinen liaterial besteht.

   2. Emitter nach Anspruch 1, bei dem die emittierende Fläche gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die die emittierende Fläche bildende Kornorientierung über die gekrümmte Fläche beibehalten ist.

   3«. iümitter nach Anspruch 1 oder 2_$ dadurch gekennzeichnet, dass seine in einer Diode gemessene Strom/Spannungs-Kennlinie einen wesentlich schärferen Übergang von voll raumladungsbegrenztem Betrieb zu voll temperaturbegrenztem Betrieb hat als ein vergleichbarer typischer polykristalliner fleckiger Emitter.

   4. Emitter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierende Fläche in allen mikroskopischen Teilen im wesentlichen gleiche Ernissionseigenschaften hat,

   909816/052*
   SADOKlGHNAt,

   5. Emitter nach einem der Ansprüche 1 -v4> dadurch gekennzeichnet, dass die emittierende Fläche.in allen mikroskopischen Teilen im wesentlichen gleiche Austrittsarbeit hat.

   ^! 6« Emitter nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Aus-I trittsarbeit über die halbe Breite der Verteilungsfunktion der i die emittierende Fläche bildenden Kristallrichtung auf 2 $ * j gleichförmig ist.

   7· Emitter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Träger besteht, auf den ein Überzug aus dem polykristallinen Material zur Bildung der emittierenden Fläche auf-■■■■=- gebracht ist.

   8. Emitter nach Anspruch ¹J_f dadurch gekennzeichnet_s dass äsr Träger aus einem polykristallinen Metall besteht_o

   naaji !»Spruch J oder S₈ dadurch, gekennzeichnet_s dass der

   _;fräg©r poKÖp ist» . ■ .. ■. ■ _: . - '

   ι 10»'Äiiiternacli einem der Ansprüche 1 - 9s dadurch gekennzeichnet _s das# die emittierende Fläche aus den freiliegenden Enden einer

   I ·:- ^:- ■ ■ ". ■■"■.■'.-. '■"■'■■' ■'■"■-■- ' ' ■■ * j Insanialiittg yon säulenförmigen Kristall!ten besteht und die Kristallite tfjjöjsall im wesentlichen gleich zur emittierenden Fläche _t- ."'■"■ orientiert,- öind. . · · "■"■·"-"■

   t -.- ■:.-■■■■ v .::-^:" -;^; -■■ -^; -- ■■:■■.■■-'■■ ■/■■ , ,-.,v 11» Eaiitter nach Anspruch 10, dadurch, gekennzeichnet, dass ein über-

   BAD ORIGiHAt

   «a

   wiegender Teil der Kristallite etv/a senkrecht zur emittierenden Fläche liegt.

   12. Emitter nach einem der Ansprüche 7 - 111 dadurch gekennzeichnet, dass das die emittierende Fläche bildende Material Wolfram, Molybdän, Tantal, niobium, Rhenium, Kohlenstoff, Hafnium, Iridium, Osmium, Platin, Rhodium, Ruthenium, tfhoriümj Titan,Vanadium, Ytterbium und/oder Zirkon ist.

   13· Emitter nach einem der Ansprüche 7 - 11» dadurch gekennzeichnet, dass das die emittierende Fläche bildende.Material ein OJtyd einer seltenen Erde, Zirkonkarbid, Thoriumkarbid, Urankarbid, Urannitrid, Lanthanhexaboria und/oder Heodymhexaborid ist.

   14· Emitter nach einem der Ansprüche 1-11, gekennzeichnet durch eine Quelle, aus der auf der emittierenden Fläche.aus polykristallinen! Material eine Monoschicht aus einem Überzugsmaterial gebildet wird, das eine geringere Austrittsarbeit hat als die nackte emittierende Fläche.

   13. Emitter nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ifono* schicht durch Diffusion aus äer Quelle durch das polykristallin· Material nach Verbrauch wieder aufgefüllt wird.

   16. Emitter nach Anspruch 9 und I5, dadurch gekennzeichnet, da-ss die Quelle für das Überzugsmaterial mit geringer Auatrittearbeit in dem porösen Träger gebildet ist.

   9098i6/0S2i

   BAD ORIGINAL

   17· Emitter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für das Überzugsmaterial ein Vorrat auf der der emittierenden Fläche fernen Seite der kornorientierten Schioht 1st. .

   1Θ. Emitter nach einem der Ansprüche I4 - 17» bei dem das polykristalline Material der emittierenden' Sohioht Wolfram let, dadurch gekennzeichnet, dass das Überzügsmaterial Barium oder Thorium ist.

   • -

   19. Emitter nach einem der Ansprüche 7-1?» dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus thoriertem Wolfram besteht und das Überzugsmaterial Thorium ist.

   20. Emitter nach Anspruch 18 oder 19» dadurch gekennzeichnet, dass die emittierende Fläche durch die kriBtallographische (I1i)-Ebene von Wolfram gebildet wird.

   21. Elektronenentladungseinrichtung, insbesondere thermionischer Energiewandler mit einem Emitter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle zur Bildung einer Monqschicht eine positiv ionisierte Dampfatmosphäre im Entladungsgefass in Gleichgewicht mit der emittierenden Schicht· ist.

   22. Einrichtung nach Anspruch 21, bei dem das Material der emittierenden Fläche Wolfram und diese gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das tfberzugsmaterial Cäsium ist.

   ' .■■,■' ..■.■■■' ;■ ■■■■-'-■■ .".'V-⁴ ' ^;/ : ζ' V..A5

   . 909816/0S24

   ;<£ί% rt*,a

   23# Verfahren zur Herateilung eines bei höheren Temperaturen arbeitenden thermionischen Emitters, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schic&t aus kornorientiertem Material auf einen Träger niedergeschlagen wird.

   24· Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche, insbesondere durch Elektropolieren, behandelt wird,'um

   Oberflächenunregelmässigkeiten zu beseitigen und die kristallographische Ebene senkrecht zur Kristallorientierung des kornorientierten Materials gleichförmig freizulegen.

   25· Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einer Gasatmosphäre niedergeschlagen wird, die einen Haiοgen-Dampf und/oder einen organometallischen Dampf enthält.

   26. Verfahren nach Anspruch.25, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre eine Mischung eines Dampfes und eines reduzierenden Gases ist.

   27· Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-.atmosphäre eine Mischung eines L'Ietall-Hexafluorid-Dampfes mit reduzierendem Wasserstoffgas ist.

   28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das niederschlagen, dadurch beendet wird, dass die Gasatmosphäre beibehalten und die Temperatur des Trägers schnell unter die minimale ITiederschlagstemperatur erniedrigt wird.

   909818/0524 _uc

   .../Ao

   BADOFUGINAt

   29; Verfahren nach Anspruch 25, 26 oder'27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre einen geringeren als Atmosphärendruck hat, der Träger sich auf einer Temperatur zwischen 500° C und 800° C befindet, die Gasatmosphäre über den Träger strömt und das Verhältnis der Durchflussraten der Gasbestandteile der Atmosphäre so ausgewählt wird, dass die kornorientierte Schicht niedergeschlagen wird.

   90 9816/052Λ