DE1489963A1

DE1489963A1 - Elektronische Entladungseinrichtung

Info

Publication number: DE1489963A1
Application number: DE19651489963
Authority: DE
Inventors: Beggs James Emory
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-01-04
Filing date: 1965-12-30
Publication date: 1969-08-21
Also published as: FR1462668A; GB1080280A; US3348092A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH aos4 unterpfaffenhofen 27. Dezember I965 PATENTANWALT blumenstrasse β _Ε/Αχ

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PATENDLICH MÖNCHEN CABLE ADRESS: PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: 1533 Anmelder: General Electric Company, Schenectady, New York, N.Y.USA

Elektronische Entladungseinrichtung

Die Erfindung betrifft elektronische Entladungseinrichtungen, insbesondere derartige Einrichtungen, die während langer Zeit bei hohen Stromdichten arbeiten können.

Oxydkathoden werden häufig in elektronischen Entladungseinrichtungen verwendet, um eine ausreichende Elektronenemission zu erreichen. Insbesondere haben Kathoden, die mit einem Material überzogen sind, das Bariumoxyd und Oxyde von Strontium und Kalzium aufweist, eine Austrittsarbeit von ungefähr 1,6 eV, während die Kathodenbasis, die zum Beispiel aus Nickel mit bestimmten Verunreinigungen besteht, das Bariumoxyd reduziert, so daß Barium für die Erniedrigung der Austrittsarbeit frei wird.

Bei Entladungseinrichtungen mit hoher Temperatur und hoher Stromdichte ist es vorteilhaft, die Kathode aus hitzebeständigeren Metallen wie Wolfram oder Molybdän herzustellen. Diese Metalle reagieren mit einem Oxydüberzug unterhalb 800⁰C ziemlich langsam, so daß ein Oxydüberzug eine beträchtliche Lebensdauer haben kann. Für eine größere Lebensdauer oder einen Betrieb bei Temperaturen oberhalb 800°C ist ein stabilerer und ziemlich dünner Oxydüberzug wünschenswert. Bei einem derartigen dünnen und stabilen Oxydüberzug ist die Reduktion langsam und die Emission ungenügend.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Entladungseinrichtung anzugeben, die bei hohen Temperaturen und hohen Stromdichten mit einer ausreichenden Elektronenemission aus einer sehr hitzebeständigen Metallkathode arbeitet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine mit Bariumoxyd überzogene oder imprägnierte Anode, die auf etwa 500°C erhitzt wird, Barium in einer ausreichenden Menge abgeben kann, um eine benachbarte Kathode dünn mit Strontium-Kalzium-Oxyd oder einem ähnlichen Material zu überziehen, das ebenso stark Elektronen wie eine Barium-Strontium-Oxyd-Kathode emittiert. Da Strontium-Kalzium-Oxyd durch das Basismetall der Kathode langsam gegenüber den üblichen Barium-Strontium-Oxydüberzügen reduziert wird, ist der Kathodenüberzug stabil und kann eine lange Lebensdauer bei normalen Betriebstemperaturen haben, oder er kann bei einer höheren Temperatur mit entsprechend höherer Emission betrieben werden. Die Oberfläche der Anode kann mit einer porösen Schicht versehen werden. Durch Imprägnierung des porösen Materials mit einem Bariumoxydüberzug wird es vor einem direkten Elektronenaufprallen geschützt. Der Überzug kann wahlweise an der Anodenoberfläche hinter den Gitterleitern angebracht werden, wodurch er ebenfalls gegen das Aufprallen der Elektronen geschützt wird.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Sie zeigt einen teilweisen Querschnitt durch eine elektronische Entladungseinrichtung gemäß der Erfindung, die eine Kathode 1 mit einer ebenen Oberfläche 2 hat, die mit einem Oxydmaterial, das später beschrieben werden soll, überzogen ist, und wobei die Kathode von einer zylindrischen Anode h mit einer Endfläche 5, die aus porösem Material bestehen kann, räumlich getrennt ist. Zw'sj

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den benachbarten Oberflächen der Kathode und der Anode ist ein ebenes Gitter 6 angebracht, das sowohl von der Anode als auch von der Kathode mittels zylindrischer Abstandshalter 7 und 8 getrennt und isoliert ist, die aus einem keramischen Material bestehen, das einen Teil des äußeren Kolbens der Entladungseinrichtung bildet. Die Kathode wird von einem Metallzylinder 3 getragen und mittels eines Heizfadens, der zwischen der Heizfadenzuleitung 9 und dem Zylinder 3 angeschlossen ist, an ihrer Unterseite erhitzt.

Bekanntlich kann die Kathode einer elektronischen Entladungseinrichtung aktiviert werden, zum Beispiel durch einen Überzug aus einem emittierenden Oxyd. Ein derartiger Überzug kann durch Auftragen einer flüssigen Masse bestimmter Alkali-Erdmetall-Karbonate auf der Kathodenoberfläche erreicht werden, wobei eine gewöhnlich verwendete Mischung gleiche Prozentsätze von Strontium- und Barium-Karbonat mit einem kleinen Prozentsatz von Kalziumkarbonat enthält. Nachdem die Einrichtung evakuiert worden ist, wird die Kathode auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Karbonate in Oxyde umgewandelt werden, und bei welcher Temperatur ein Teil des Bariumoxyds zu freiem Barium reduziert wird. Das freie Barium aktiviert die Kathode, so daß diese bei Erhitzung Elektronen emittiert. Barium aktiviert die Kathode mehr als Strontium oder Kalzium, da es relativ am aktivsten ist und daher bei niedrigen Temperaturen reduziert wird, bei denen Strontium und Kalzium in Oxydform bleiben.

Bei Hochleistungsentladungseinrichtungen mit hoher Temperatur muß ein Oxydüberzug auf der Kathode für den Betrieb bei hoher Stromdichte (l Ampere pro qcm oder mehr) ziemlich dünn sein, um eine lokale Überhitzung des Oxyds und das daraus resultierende

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Kathoden-"Spratzen" zu verhindern. Solche dünnen Überzüge können auf einem hitzebeständigen Basismetall wie Molybdän und Wolfram für eine geraume Zeit bei Temperaturen unterhalb 800⁰C beständig sein. Um jedoch eine höhere Emission zu erreichen, ist es wünschenswert, die Kathode bei Temperaturen oberhalb 800°C zu betreiben. In diesen Fällen wird der Überzug, der Bariumoxyd aufweist, auf Wolfram oder Molybdän schnell reduziert. Um daher eine geeignet lange Kathodenlebensdauer speziell bei hohen Temperaturen zu erzielen, ist es wünschenswert, Oxydüberzüge zu finden, die stabiler und haltbarer sind.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kathode, die zweokmäßig aus Wolfram oder Molybdän besteht, mit Strontium- und Kalziumkarbonaten überzogen, die einen Strontium- und Kalzium-Oxydüberzug ergeben, wenn sie in der üblichen Weise, wie oben angeführt wurde, erhitzt wird. Auf der Anode jedoch werden Barium- und Strontiumkarbonate aufgetragen und die Anode in der evakuierten Einrichtung wird für die Erzeugung von Bariumoxyd erhitzt. Die Anode der Entladungseinrichtung ist gemäß der Erfindung ein hitzebeständiges Metall, wie es für die Kathode verwendet wird, und vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän. Untexjnormalen Bedingungen arbeitet jedoch die Anode bei einer niedrigeren Temperatur als die Kathode, so daß das Bariumoxyd sehr langsam reduziert wird. Die Reduktionsrate des Bariumoxyds ist auf eine Anodentemperatur von 600⁰C oder kleiner gegenüber einer Kathodentemperatur von 800⁰C oder höher bezogen. Ungefähr l/lOO der Bariummenge, die von einer Kathode mit einem gewöhnlichen Bariumoxydüberzug verdampfen würde, verdampft an der Anode. Die verringerte Erzeugung von Barium erhöht die Lebensdauer der Einrichtung beträchtlich und verringert ebenfalls die Entstehung von elektrischer Ableitung an den Isolatoren

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beträchtlich. Es wird auch erreicht, daß die Emission vom Gitter abnimmt. In der Einrichtung gemäß der Erfindung wird jedoch genügend Barium zur Kathode abgegeben, um die gleiche Elektronenemission zu erzielen, als wenn sich das Bariumoxyd auf einer idealen Kathode befinden würde.

Die für die Kathode verwendeten Oxyde, die zum Beispiel oben angegeben wurden, wurden wegen ihrer kleinen Reduktionsrate bei den Kathodenbetriebstemperaturen ausgewählt, so daß sie im wesentlichen zu keinen Schwierigkeiten infolge einer elektrischen Ableitung oder Gitteremission führen und daß eine dünne Überzugsschicht eine lange Lebensdauer hat. Grundsätzlich ist ein Kathodenoxydüberzug erwünscht, der eine stabile Grundlage für das von der Anode verteilte Barium bildet, das überall zu einer niedrigeren Austrittsarbeit führt. Die Austrittsarbeit der hier beschriebenen Kathode beträgt ungefähr 1,6 eV"; die Austrittsarbeit von Barium auf blankem Metall würde jedoch in jedem Fall höher sein, in der Größenordnung von 2,0 eV bei einer Temperatur von ungefähr 825°C, so daß die Herstellung des dünnen Oxydüberzugs auf der Basis der Kathode ziemlich wünschenswert ist.

Der Überzug auf der Kathode ist während des Betriebs der Einrichtung stabil, wie oben beschrieben wurde. Er soll sehr dünn sein (in der Größenordnung von 0,0006 cm (0,25 mil) ), damit sein Widerstand gering ist sowie die Widerstandsheizung und der Spannungsabfall bei hoher Emission (mehr als 1 Ampere pro qcm) von der Kathode sehr klein sind. Im Falle eines Überzugs aus Strontium-Kalzium-Oxyd haben die Oxyde beispielsweise jeweils einen Anteil von ca. 50 Molprozent. Andere dünne Oxydschichten, die eine größere Stabilität

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aufweisen, können auf der Kathode ebenso gut wie die Oxyde von Strontium und/oder Kalzium verwendet werden. Aluminium- und Thoriumoxyd sind beispielsweise auch geeignet.

Der stabile Kathodenüberzug erlaubt, daß die Kathode bei höheren Temperaturen stabil gefahren wird, was zu einer erhöhten Stromdichte führt. Die Kathode der Einrichtung gemäß der Erfindung kann bei Temperaturen von 950 - 1000°C mit einer annehmbaren Lebensdauer für die Einrichtung betrieben werden, wobei das elektronenemittierende Barium von der Anode mit der niedrigeren Temperatur abgegeben wird. Bei 825 C wird eine Sättigungsstromdichte von 5-10 Ampere pro qcm bei einer mit Strontium-Kalzium-Oxyd überzogenen Kathode erreicht, während bei 95O°C die Emissionsstromdichte mehr als doppelt so groß ist.

Der von der Anode verteilte emittierende Oxydüberzug kann auf dieser als ein dünner gleichmäßiger Überzug auf einer ebenen, glatten Anodenoberfläche gegenüber der Kathode aufgetragen werden. Zum Beispiel kann ein dünner Überzug (5 Mikron oder weniger) von Barium-Strontium-Oxyd aufgetragen werden. Wenn die Anode bei niedriger Spannung und bei einer Temperatur von weniger als 600°C betrieben wird, kann dieser Überzug eine Zeit lang darauf bleiben. Wenn jedoch die Anode bei einer höheren positiven Spannung betrieben wird, kann der überzug durch Elektronenaufprallen zerstört werden. Um einen schnellen Verlust des Überzugs auf diese Weise zu vermeiden, kann eine poröse, aus einem hitzebeständigen Metall bestehende Schicht 5 an der Stirnfläche der Anode angebracht werden, was aus der Zeichnung ersichtlich ist. Wahlweise kann ein Überzug aus emittierendem Material an der Anode unmittelbar hinter den Gitterleitern angebracht werden, um ihn vo* cam Elektronenaufprall zu schützen.

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Die poröse Schicht 5» die vorzugsweise nahe zur Kathode und ihr gegenüberliegt, kann auch an einer anderen Stelle der Anode oder des Anodenaufbaus angebracht werden, die ungefähr die gleiche Temperatur wie die Anode hat. Die poröse Schicht 5 hat eine solche Dicke, daß ihre Oberfläohentemperatur in der Größenordnung von 500⁰C ist, wenn die Anode bei maximaler Dissipation betrieben wird. Bei dieser Temperatur wird das Barium mit einer Rate verteilt, die mehr als ausreichend ist, um die Kathode mit einem Strontium-Kalziumoxyd-Überzug auf einem hohen Aktivitätsniveau in einer Entladungseinrichtung mit einem guten Vakuumkolben, zum Beispiel mit Titanteilen, zu halten. Beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel können Barium- und Strontiumoxyd jeweils einen Anteil von 50 Molprozent haben.

Bei dem abgebildeten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird die Anode der Entladungseinrichtung mit Bariumoxyd in Verbindung mit einem anderen Oxyd überzogen oder imprägniert, normalerweise in der Ausgangsform von Karbonaten. Es ist jedoch ersichtlich, daß ähnlich das Bariumoxyd allein oder in Verbindung mit anderen Substanzen verwendet werden kann.

Patentansprüche

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Claims

- 8 - 27. Dezember 1965 EH/AX Meine Akte: 1533

Patentansprüche Ι*»Οϊί;ίΦ*

1. Elektronische Entladungseinrichtung, deren Anode aus einem hitzebeständigem Metall besteht, das auf einer etwas niedrigeren Temperatur als die mit einer Heizeinrichtung versehene Kathode während des Betriebs der Einrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (l) einen dünnen stabilen Qxydüberzug hat, der normalerweise bei der Betriebstemperatur der Kathode nicht emittiert, daß die Anode (A) mit Bariumoxyd versehen ist, das bei der Betriebstemperatur der Anode langsam zu Barium reduziert wird, um das Barium auf dem OxydUberzug der Kathode für die Erhöhung deren Elektronenemission zu verteilen.

2. Einrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine von der Kathode räumlich getrennte Anode, die aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram oder Molybdän besteht, das auf einer etwas niedrigeren Temperatur als die Kathode während des Betriebs der Einrichtung ist, wobei die Anode mit einem Bariumoxydmaterial versehen ist, das bei der Betriebstemperatur der Anode sehr langsam zu Barium reduziert wird, damit das Barium auf dem OxydUberzug der Kathode verteilt wird, um deren Elektronenemission zu vergrößern.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kathode aus Wolfram oder Molybdän und mit einem dünnen Überzug, der normalerweise bei der Betriebstemperatur der Kathode nicht emittiert, durch eine Einrichtung für die Erhitzung der *" Kathode auf eine Betriebstemperatur oberhalb 800⁰C, und durch eine zur Kathode benachbarte Anode, wobei die Anode aus einem hitze beständigen Metall wie Wolfram oder Molybdän besteht, das eine

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Temperatur unterhalb von ungefähr 60O⁰C während des Betriebs der Einrichtung aufweist, wobei die Anode mit einem Bariumoxydmaterial versehen ist, das bei der Betriebstemperatur der Anode sehr langsam zu Barium reduziert wird, um Barium auf dem Überzug der Kathode zur Erhöhung deren Elektronenemission zu verteilen.

k. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ebene Kathode aus einem hitzebeständigen Metall und mit einem dünnen, stabilen Oxydüberzug, durch eine Einrichtung für die Erhitzung der Kathode auf eine Betriebstemperatur oberhalb 800 C und durch eine zur Kathode benachbarte Anode, wobei die Anode eine poröse Schicht aus einem hitzebeständigem Metall aufweist, deren Temperatur etwas niedriger als die der Kathode während des Betriebs der Einrichtung ist, wobei die Schicht mit Bariumoxyd-Material imprägniert ist, das bei.der Betriebstemperatur der Anode sehr langsam zu Barium .für die Verteilung des Bariums auf dem Oxydüberzug der Kathode zur Erhöhung deren Elektronenemission reduziert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kathode aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram oder Molybdän und mit einem dünnen, stabilen Oxydüberzug, der normalerweise bei der Betriebstemperatur der Kathode nicht emittiert, wobei der Überzug Oxyde von Strontium und Kalzium aufweist, durch eine Einrichtung für die Erhitzung der Kathode auf ihre Betriebstemperatur von mehr als ungefähr 800⁰C, und durch eine zum Kathodenüberzug benaohbarte Anode, wobei die Anode ein hitzebeständiges Metall wie Wolfram oder Molybdän aufweist, das auf einer etwas niedrigeren ^ Temperatur als die Kathode während des Betriebs der Einrichtung ist, wobei das hitzebeständige Metall der Anode mit Bariumoxyd-Material

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versehen ist, das bei der Betriebstemperatur der Anode sehr langsam zu Barium für die Verteilung des Bariums auf dem Oxyd-Uberzug der Kathode zur Erhöhung deren Elektronenemission reduziert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kathode aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram oder Molybdän und mit einem dünnen stabilen Oxydüberzug, der Oxyd von Strontium und Kalzium aufweist, durch eine Einrichtung für die

ο Erhitzung der Kathode auf ihre Betriebstemperatur oberhalb 800 C

. und durch eine zum Kathodenüberzug benachbarte Anode,wobei die Anode eine dem Überzug gegenüberliegende Schicht aus einem porösen Metall wie Wolfram oder Molybdän aufweist, das auf einer etwas niedrigeren Temperatur als die Kathode beim Betrieb der Einrichtung ist, wobei die Schicht mit Material imprägniert ist, das Oxyde von Barium und Strontium aufweist, und wobei das Bariumoxyd an der Anode langsam zu Barium für die Verteilung des Bariums auf dem Oxydüberzug der Kathode zur Erhöhung deren Elektronenemission reduziert wird.

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