DE1489279A1

DE1489279A1 - Gluehemissionskonverterroehre und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1489279A1
Application number: DE19651489279
Authority: DE
Inventors: Hall William Bernard; Keller Robert Franklin
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1964-05-01
Filing date: 1965-04-29
Publication date: 1968-12-19
Also published as: US3279028A; SE319544B; GB1110411A

Description

Glühemissionskonverterröhre und Verfahren zu ihrer Herateilung.

Die vorliegende Erfindung betrifft Glühemissionskonverter röhren und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Unter einer Glühemissionskonverterröhre versteht man eine Elektronenröhre, die eine Glühemissionselektrode (Emitter, Kathode) und einen Kollektor (Anode) enthält und die Wärmeenergie, die der Glühemissionselektrode zugeführt wird, in elektrische Leistung umzuwandeln gestattet, die an äusseren Anschlüssen der Elektroden zur Verfügung steht. In der Praxis bilden Emitter und Kollektor Teile des Röhrenkolbens oder sie sind thermisch mit dieeenvso gekoppelt, dass der Emitter durch eine äussere Wärmequelle erhitzt und der Kollektor durch eine äussere Anordnung gekühlt

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werden können. Mit solchen Röhren lassen sich zwar relativ hohe Ausgangsströme erreichen, die in der Gröss enordnung von Hunderten von Amperen liegen können, wenn man eine Cäsiumatmosphäre in der Röhre verwendet, um die Elektronenraumladung zu neutralisieren, die Ausgangsspannung ist jedobh relativ klein und liegt in der Grössenordnung von einem Volt und darunter. Zum Erzeugen höherer Spannungen schaltet man daher solche Röhren,ähnlich wie Batterien,in Reihe. Die Emitter solcher in Reihe geschalteter Röhren kann man dabei durch eine gemeinsame Wärmequelle heizen, indem man die Röhren auf einewWärmeleitung montiert, die ein heisses Medium, z. B. flüssiges Lithium, führt. Wenn die Wärmeleitung aus Metall besteht, muss sie elektrisch von den Emittern der Konverterröhre isoliert werden, damit die Reihenschaltung nicht kurzgeschlossen wird. Die Isolation zwischen der Wärmeleitung und den einzelnen Emittern soll ausserdem eine mechanisch feste und gut wärmeleitende Verbindung darstellen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Dies hat jedoch bisher beträchtliche Schwierigkeiten bereitet und einwandfreie Verbindungen für Glühemissionskonverterröhren, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, sind bisher nicht bekannt geworden.

Durch die Erfindung wird nun eine gegossene Keramikschicht zwischen einer Elektrode einer Glühemissi ons konverterröhre und einem benachbarten Wärmeübertragungselement angegeben, die elektrisch isoliert und eine mechanisch feste und gut wärmeleitende Verbindung darstellt.

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Dies wird bei einem Gliihemissionskonverter mit einer Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten und zwischen sich eine Entladungsstrecke bildenden Elektroden aus einem hoct\jvarmfesten Metall, und mit einem aus einem hoch warmfesten Metall bestehenden Wärmeübertragungselement, das eine der einen der Elektroden entsprechende Form hat und in gleichförmigem Abstand von dieser angeordnet ist, dadurch erreicht dass eine dünne Masse aus gegossenem, gut wärmeleitendem Keramikmaterial den Zwischenraum zwischen dem Wärmeübertragungslerant und der genannten Elektrode ausfüllt und eine innige mechanische, gut wärmeleitende und elektrisch isolierende Verbindung zwischen dem Element und der Elektrode bildet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Glühemissions konverter röhre gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrösserten Axialschnitt der Kathode und des Wärmeübertragungselementes der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in einem Zwischenzustand während der Herstellung der Anordnung;

Fig. 3 eine Querschnitts ansicht in einer Ebene 3-3 der Fig. und

Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht der fertiggestellten Anordnung, die die Kathode und das Wärmeübertragungselement enthält und

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in der in Fig. 1 dargestellten Röhre montiert werden kann.

Die in Fig. 1 beispielsweise dargestellte Glühemissi ons konverterröhre enthält eine hohlzylinderförmige Kathode 1 aus einem thermisch emittierenden warmfesten Metall, die in nahem Abstand koaxial durch eine aus Metall bestehende Anode 3 entsprechender Form umgeben wird. Die Kathode 1 umfasst einen grossflächigen dicken Zwischenteil 5 und zwei dünne Endteile 7. Die Kathode 1 und die Anode 3 bilden Teile des Röhrenkolbens und sind an ihren Enden jeweils elektrisch isoliert durch eine Reihe von ringförmigen Metallteilen 9, 11, 13 und 15 und einen Keramikring 17, die aneinander und mit Anode und Kathode durch Hartlöten oder dergleichen befestigt sind, verbunden, so dass ein geschlossener Kolben gebildet wird. Innerhalb des Kolbens befindet sich vorzugweise etwas Cäsium, das im Betrieb der Röhre verdampft. Der Cäsiumdampf wird im Betrieb der Röhre ionisiert, beispielsweise durch Stossionisation bzw· Kontaktionisation an der heissen Kathodenoberfläche, so dass im Entladungsraum zwischen Kathode und Anode positive Ionen entstehen, die die Elektronenraumladung neutralisieren und dadurch den Ausgangsstrom der Röhre erhöhen. Die Anode 3 kann mit einer Kühlanordnung versehen sein, beispielsweise einer Anzahl von Wärmeabstrahlungsrippen 19.

Die in Fig. 1 dargestellte Glühemissionskonverterröhre kann mit ähnlichen Röhren in Reihe auf einer langgestreckten, aus Metall bestehenden Wärmeleitung 21 montiert werden. Um die einzelnen Konverterröhren

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von der rohrförmigen Wärmeleitung 21 und damit voneinander zu isolieren, sind sie jeweils mit einem rohrförmigen aus warmfestem Metall bestehenden WärmeUbertragungselement 23 versehen, das von der Kathode 1 der Röhre isoliert ist und an der Wärmeleitung 21 durch Hartlötung oder dergleichen befestigbar ist. In den engen Zwischenraum zwischen der Kathode 1 und dem Wärmeübertragungselement 23 wird ein warmfestes, gut wärmeleitendes, keramisches Isoliermaterial 25 gegossen, um eine innige mechanische und theimische Verbindung bei gleichzeitig elektrischer Isolation zu bilden« Uni den Konverter mit einer relativ hohen Kathodentemperatur, z.B. in der Grössenordnung von 1100 bis 1800 C betreiben zu können, müssen die Schmelzpunkte der Materialien, aus denen die Kathode 21, die keramische Isolation 25 und das WärmeUbertragungselement bestehen, beträchtlich über der Betriebstemperatur liegen. Ausserdem müssen die Schmelzpunkte der Materialien, aus denen die Kathode 1 und das Wärmeübertragungs element 23 bestehen, wesentlich über dem der keramischen Isolation 25 liegen, so dass diese Isolation geschmolzen und zwischen die beiden Metallteile gegossen werden kann. Das Metall soll ausserdem vorzugsweise mit dem Keramikmaterial nicht bei hohen Temperaturen chemisch reagieren, damit eine lange Lebensdauer der elektrischen Isolation gewährleistet ist. Das bevorzugte Material für die keramische Isolation 25 ist Saphir, also im wesentlichen reines Aluminiumoxyd, Al O , mit einem Schmelzpunkt von etwa 2050 G. Die Kathode 1 und das Wärme-

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übertragungs eiern ent 23 werden vorzugsweise aus Molybdän hergestellt, dessen Schmelzpunkt bei ungefähr 2610 C liegt. Wo die Isolation in Form einer Schicht zwischen zwei ähnlichen konzentrischen Metallteilen angeordnet ist, sind kleine Abweichungen zwischen den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metalles zulässig. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Saphir und Molybdän betragen etwa 4, 9 χ 10 bzw· 8, 5 χ 10 ' / C. Unter anderem können auch die folgenden keramischen Materialien verwendet werden;

Keramikmaterial Schmelzpunkt (⁶CJ

Mullit (3Al₂O₃* 2S|p₂) 1830 6,3 · I&

Forsterit (Mg· SjjO } 1910 10*5

Hochproz. Aluminium- jj

jj oxyd fr> 85% A1_O_Q) äÖÖÖ 6,5

Berylliumoxyd (BeO) 2530 7» S

Zirconoxyd {2rö ) 2700 8,6

Andere geeignete warmfeste Metalle, die für die Kathode Ϊ und das Wärmeübertragungselement 23 verwendet werden können, sind:

Metall Schmelzpunkt^ ⁰C ) Wärmeausdehnungskoeffizient

Iridium 2454 6,8 · iO~^Cf⁰C

Tantal 2996 6,5

Rhenium 3180 6,7

Wolfram 3410 4,6

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Fig· 2 zeigt, wie Saphir oder eine andere keramische Isolation gegossen werden kann. Als erstes wird ein,beispielsweise aus Molybdän bestehender Hohlzylinder la, dessen Länge und radiale Abmessungen denen der Kathode 1 entsprechen, am einen Ende bei 7a etwa dreiviertel der Länge des Endteiles 7 (Fig. 1) tief aufgebohrt. Ein Stück Molybdenrohr 23a, das etwas länger ist, als das Element 23, jedoch den gleichen Innendurchmesser wie dieses und einen dem Innendurchmesser des Rohres 23a entsprechenden Aussendurchmesser hat, wird zwischen seinen Enden bei 27 auf den endgültigen Aussendurchmesser des Elementes 23 abgedreht, so dass zwei: sich nach aus sen erstreckende Sitzflansche oder -Ansätze 29, 31 an den Enden verbleiben. Der Flansch 29 wird abgeflacht oder auf andere Weise mit Kanälen 33 versehen, wie Fig. 3 zeigt. Entsprechende Kanäle 35 können auch im anderen Flansch 31 gebildet werden. Der Flansch 29 wird in einem geringen Abstand vom Ende des Rohres 23a angeordnet, das bei 37 unterschnitten wird, um eine Endkappe 39 aufzunehmen, die aus einem warmfesten Metall, z. B. auch aus Molybdän besteht.

Das mit der Endkappe 39 versehene Innenrohr 23a wird so in das Aussenrohr la eingebracht, dass sich die Endkappe 39 beim Boden des auf gebohrten Stückes 7a befindet. Auf die Kappe 39 und die Bohrung 7 a werden dann Saphirstückchen gebracht und die Anordnung wird dann senkrecht stehend in einen nur schematisch dargestellten Wasserstoff of en 41 eingebracht. In diesen

.!■■■„; in. cvV Ofen wird die beschriebene Anordnung auf eine den Schmelzpunkt des Saphirs

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ttbersteigeflde Tempeapatu? iwisihea 1ΘΙΘ € uad 3400 € e^hit^t, bei de? da§ gesehmeliefte Aluminiüm^d uflte? de? Wirkung v§a die Kanäle §§ im Hältefttögsfiäfiieh Ig in deft engen d§? die Käth§de bildeftdeft Seiife iä und def das elemeat biidendeti ftöh^e i§ä fiie§§t« f Sf das ge§ehmoiiefte Material genügend ICerämikgtäek@heft ei»gefäilt| um deft ^wiBehen^aum veüötändig gueeufälieft· Sie ÖbeffiäehetispätitiUttg und die Kapillarwirkung haben bei AIgOg äolehe Oi'eäie« dass ein etwaiger Überschuss unten abfüesstj wenn hierfür Kanäle 3g vorgesehen sind, der £wiöehenraUfn zwischen de» beiden a^?efi bleibt jedeeh dabei v©iii Sie Temgefätui* wifd eifte 2eit iaag oberhalb de§ §ehmelißu»kte§ des Ai₃O₃ gehaltet so dass Gase, die aus dem Metall ausgetrieben werden, und eingesöhlossener Wasserstoff zitir Oberfläche hochsteigen und du roh Ai₃O. ersetzt werden. Naöhdem der Zwischenraum ausgefällt ist« wird die Temperatur des Ofens vorzugsweise langsam auf 18Ot)⁰G gesenkt j worauf die Anorditung so rasch wie möglich auf Raum= temperatur abgekühlt wird, um klaresAiph&«Aiuminitimo*yd (Saphir) m

dem Abkühlen wird die verbundene Anordnung gemäss FIg₁ S iß die iä Fig> 4 dargestellte endgültige form gebracht· Hierzu wenden die Kappe Sg und die F!ansehe Sg₄ Sl entfernt und ai& dünnen flndteüe 1 werden gebildet, se dass das innere Wärmeübertragungseiemeni S3 iwaf mechäniöch feit und gut wärmeleitend dureh die gegossene KeramikiSölation ig mit der

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Kathode 1 verbunden bleibt« elektrisch von dieser jedoch isoliert ist. Die Güte der Verbindung an den Grenzschichten kann durch Ultraschallwellen untersucht werden, deren Durchtreten auch bei den geringsten Hohlräumen an den Grenzschichten vollständig verhindert wird. Es hat sich ergeben, dass die Ultraschallwellen durch die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Verbindungen ohne messbare Reflektion durchgelassen werden.

Eine Untersuchung von verbundenen Anordnungen aus Molybden und Saphir ergaben, dass die Verbindung in erster Linie mechanischer Natur ist und dass chemische Vorgängen, wenn überhaupt, nur in sehr geringem Ausmasse mitspielen. Bei Verwendung reaktionsfähiger warmfester Metalle oder Legierungen, z. B. einer Legierung aus Molybdän, Titan und Zircon kommt andererseits auch eine gewisse chemische Bindung hinzu.

Der aussere Zylinder, der die Kathode 1 bildet, kann beispielsweise loo mm lang und 2, 5 mm dick sein und 15 mm lange und 0, 38 mm dicke ■^ndteile 7 aufweisen. Der das Wärmeübertragungselement bildende Innenzylinder kann nach der Fertigbearbeitung eine Länge von 71 mm und eine Dicke von 1, 27 mm haben. Die Flansche 29, 31 können 1, 5 bis 2, 5 mm breit sein. Der Abstand zwischen den Zylindern kann zwischen 0, 075 und 0, 5 mm, vorzugsweise etwa o, 125 mm betragen.

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Gewunschtenfalls kann die Kathode 1 auch direkt mit der rohrförmigen Wärmeleitung 21 isoliert verbunden werden, indem die keramische Isolation zwischen diese Teile gegossen wird. Die beschriebenen Verfahren lassen sich auch zum Verbinden von anders geformten Teilen als den beschriebenen Hohlzylindern verwenden, wenn man entsprechende Formen wählt, die ein kapillares Fliessen fördern, z. B. ebene, quadratische oder dreieckige Profile.

In manchen Fällen ist es wünschenswert, die Anoden mehrerer Röhren zum Kühlen mit einem gemeinsamen Kühl element zu verbinden. Auch hier müssen die einzelnen Anoden von dem kühlenden Wärmeübertragunge element elektrisch isoliert sein. Diese Isolation und die erforderliche mechanische und wärmeleitende Verbindung lässt sich ebenfalls durch das oben beschriebene Verfahren herstellen. Da die Anode einer Glühemissionskonverterröhre normalerweise auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur arbeitet, als die Kathode, können die verwendeten keramischen Werkstoffe und Metalle niedrigere Schmelzpunkte haben. Für eine maximale Anodentemperatur von 800 Cgsnügt beispielsweise ein keramisches Material mit einem Schmelzpunkt von mindestens 1000 C. Hierunter fällt beispielsweise Quarz, dessen Schmelzpunkt zwischen 1400 und 1700 C liegt und der einen Wärmeausdehnungs· koeffizient von 4, 6 χ 10 hat, und geschmolzenes StO„ mit einem Schmelzpunkt

von etwa 1700 C und einem Wärmeausdehnungskoeffizient von etwa 8, 6 χ 10 ·

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Die Anöde uad das fühlelement öder ein twisehengesehaltetei Warms&bertra· gungselement können aus Titan (Smp. 1Θ8Ι^§Ο), Zi?eon (Imp, IiIa⁰C) öder (Sffip. 1178⁰C) bestehen« Sie Wgrmeausdehaunggköefäiienten

dieser Metalle liefen bei etw& 9 χ ie / Or&d S· §d§e dä^utitei¹ und liegen damit nahe geaug an deaea der eugehdrigen kergmi§ehea Mäteiiäiiea, um ein= wandfrei e Ver^iaduagea tu ergeben« Säg for die Anode verwendete Metall muss eelbstversiändUeh einen weeentlieh höheren Sehmelißunkt als die verwendete Keramik haben und auseerdem mit dem Oä@iumdämp£ in der ttöhre verträgiieh sein, weaa eine selche Füllung verwendet wird· Alle eben erwähnten Metalle sind als hoch warmfest eu beieiehnen, da ihre Schmelzpunkte β ehe hoch und über denen von Eisen (i§§i®€), Kobalt (14Sg³C) und Nickel (1483⁰G) liegen«

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Claims

Patentansprüche

1.) Glühemissionskonverter mit einer Anzahl von aus einem hoch warmfesten Metall bestehenden Elektroden, die im Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen sich eine Elektronenentladungsstrecke bilden, und mit einem aus einem hoch warmfesten Metall bestehenden Wärme*· übertragungselement, das eine ähnliche Form wie eine der Elektroden hat, gekennzeichnet durch eine dünne Masse aus einem gegossenen wärmeleitenden keramischen Material, das den Zwischenraum zwischen dem Wärmeübertragungselement und der genannten Elektrode ausfüllt und eine innige mechanische und thermische Verbindung sowie einen elektrischen Isolator zwischen diesem Element und der Elektrode bildet.

2. Glühemissionskonverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine hohlzylindrische, thermisch emittierende Kathode aus einem hoch warmfesten Metall, in der das Warmeübertragungs element konzentrisch und in geringem Abstand angeordnet ist,

3. Glühemissionskonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des keramischen Materials mindestens 1800 C beträgt und dass die Anode und das Wärmeübertragungselement aus Metallen bestehen, deren Schmelzpunkt wesentlich über dem des keramischen Materials liegt·

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4. Gluhemissionskonverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material praktisch reines Aluminiumoxyd und das Metall Molybdän sind·

5· Gluhemissionskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen Teil des Kolbens des Konverters bildet·

6. Verfahren zum Herstellen eines Glühemissionskonverters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode und das Wärmeübertragungselement mit engem, gleichförmigem Zwischenraum beieinander angeordnet werden, dass an einer Grenze des Zwischenraumes zwischen der Elektrode und dem Wärmeübertragungselement etwas wärmeleitendes keramisches Material angeordnet wird, dass die Elektrode, das Wärmeübertragungs element und das keramische Material in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um das Material zu schmelzen und unter dem Einfluss von Kapillarkräften in den Zwischenraum fliessen und diesen ausfüllen zu lassen, und dass die so gebildete Anordnung abgekühlt wird, um das keramische Material erstarren zu lassen und eine Bindung zwischen der Elektrode und dem Wärmeübertragungselement herzustellen.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, zur Herstellung einer Glühemissionskathode aus einem hoch warmfesten Metall, das thermisch und mechanisch mit einem aus einem hoch warmfesten Metall bestehenden Wärmeübertragungselement verbunden, elektrisch von diesem jedoch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet dass die Kathode in der Anordnung aus Kathode, dem ähnlich wie die Kathode geformten Wärmeübertragungselement und dem keramischen Material erhitzt wird, um nach dem Abkühlen eine Verbindung zwischen der Kat hode und dem Wärmeübertragungselement zu bilden·

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohlzylinderförmiges Warmeübertragungselement aus einem hoch warmfesten Metall in engem Abstand konzentrisch zu einer hohlzylinderförmigen Elektrode angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs element durch nach aus sen reichende Ansätze, die sich an seinen Enden befinden, konzentrisch in der Kathode gehaltert werden und dass diese Ansätze nach dem Erkalten der Anordnung entfernt werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärm eüber tr agungs element eine hohle Hülse verwendet wird, deren eines Ende durch eine Endkappe gebildet wird, und dass die Endkappe nach dem Abkühlen der Anordnung entfernt wird.

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