DE1514340B1 - Indirekt geheizte Kathode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine indirekt ge- ,gegebene Wärme- oder Infrarotstrahlung bei einer heizte Kathode für elektrische Entladungsröhren, bei '· Temperatur von 1100° C zu etwa 90% im Bereich der ein Heizdraht zwischen einer isolierenden Scheibe von 1 bis 6 Mikron liegt und daß die Durchlässigkeit und einem der Emissionsfläche zugewandten starren von Saphir für Infrarot im Bereich von Ibis 6 Mikron Träger angeordnet ist und die Scheibe sowie der 5 außerordentlich hoch ist. Infolgedessen besteht bei Träger aus einem für Infrarotstrahlen durchlässigen einer bevorzugten Ausführungsform der Heizdraht Material, insbesondere Aluminiumoxyd, bestehen. aus Wolfram, der auf eine Temperatur von· etwa

Bei einer derartigen bekannten Kathode ist der 1100° C geheizt wird, so daß er eine Infrarotstrahzwischen dem Heizdraht und der Emissionsfläche an- lung im Bereich von 1 bis 6 Mikron emittiert, wähgeordnete Träger als dünner Stab ausgebildet, so daß ίο rend die Scheiben aus Saphir bestehen, er sich nur im Weg eines geringen Teiles der von Die erfindungsgemäße Heizanordnung ist leicht

dem Heizdraht ausgehenden Infrarotstrahlung, befin- Änderungen zugänglich und kann beispielsweise mit det. Zwar wird auf diese Weise erreicht, daß ein sehr zwei vorzugsweise eine im wesentlichen flache Spirale hoher Anteil der von dem Heizdraht ausgehenden In- bildenden Heizdrähten versehen werden, von denen frarotstrahlung die Emissionsfläche erreicht, jedoch 15 der eine in den Zwischenräumen des anderen angeist die bekannte Kathode noch sehr erschütterungs- ordnet ist. Der eine der beiden Heizdrähte kann dann empfindlich, weil der ispkalförmig angeordnete Heiz- beispielsweise ein Reserveelement oder ein zusatz-draht nur längs eines Durchmessers der Spirale ab- lieh einsetzbaresElement bilden. Es ist auch möglich, gestützt wird und im übrigen frei liegt. Infolgedessen beide Heizdrähte abwechselnd zu verwenden. Weiterkann eine mit dieser bekannten Kathode ausgestat- 20 hin ist es möglich, die Vorrichtung mit zwei parallel tete Röhre praktisch nur in stationären Anlagen be- angeordneten Heizfäden zu versehen, die von einer trieben werden, in denen 'die Röhre keinen größeren zwischen ihnen angeordneten Scheibe getrennt sind. ^ Erschütterungen oder Stößen ausgesetzt ist. Bei einer Vielfach-Heizvorrichtung ist es möglich, die φ

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe Lebensdauer der Kathode dadurch zu verlängern, zugrunde, eine Kathode für elektrische Entladungs- 25 daß die Kathodentemperatur und der Betriebspegel röhren zu schaffen, die sich durch eine sehr hohe der Röhre einfach durch geeignetes Anschließen der mechanische Stabilität auszeichnet und daher auch verschiedenen zur Heizvorrichtung führenden Leiinbeweglichen Anlagen betrieben werden kann, die tungen verändert wird. ·

sehr starken Stößen oder Beschleunigungen ausgesetzt Es wurde festgestellt, daß eine Anordnung nach

sind. 30 der Erfindung, wie sie oben beispielsweise beschrie-

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch ben wurde, eine Beheizung der Kathode mit einem gelöst, daß der Träger ebenfalls eine den Heizdraht weit höheren Wirkungsgrad ermöglicht als bisher bevollständigabdeckende Scheibe ist und die der Emis- kannte Vorrichtungen, so daß die Arbeitstemperatusionsfläche abgewandte Scheibe auf der Außenfläche ren des Heizelementes für eine bestimmte Kathodenmit einer Schicht aus einem die Infrarotstrahlung te- 35 temperatur dieser Kathodentemperatur sehr nahe ist. flektierenden Material versehen ist. Dies hat einen besseren Gesamtwirkungsgrad zur

Durch die Erfindung wird demnach eine Kathode Folge und ermöglicht erhebliche Einsparungen, geschaffen, deren Heizdraht im wesentlichen voll- Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sowie

ständig zwischen zwei starren Trägern angeordnet ist, Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Bedie den Heizdraht sicher zwischen sich festhalten 40 Schreibung hervor, in der die Erfindung an Hand des und gewährleisten, daß dieser Heizdraht auch im in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles heißen und rekristallisierten Zustand nicht durch näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt Stöße oder Erschütterungen beschädigt werden kann. Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer nach der Erfin-

Trotzdem ist gewährleistet, daß im wesentlichen die dung 'ausgebildeten Kathode im Längsschnitt und in M gesamte Infrarotstrahlung des Heizdrahtes die Emis- 45 vergrößertem Maßstab, ^

sionsfläche trifft, weil die den Heizdraht haltenden F i g. 2 eine Draufsicht auf eine Form eines Heiz-

Scheiben für die Infrarotstrahlung durchlässig sind elementes,

und die der Emissionsfläche abgewandte Scheibe mit Fig. 3 eine Draufsicht auf eine vollständige Heizeiner Schicht aus einem die Infrarotstrahlung reflek- anordnung,

tierenden Material versehen ist, so daß einerseits die 50 Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 durch Infrarotstrahlung zu der Emissionsfläche durch die die Anordnung nach Fig. 3 und der Emissionsfläche zugewandte Scheibe im wesent- _ Fig. 5 einen Querschnitt ähnlich Fig. 4 durch liehen ungehindert hindurchtreten kann, andererseits eine weitere Heizanordnung.

aber Strahlungsverluste durch -die der Emissions- In der Zeichnung, in der gleiche Teile in allen

fläche abgewandte Scheibe hindurch von der Re- 55 Figuren.mit den gleichen Ziffern bezeichnet sind, flexionsschicht verhindert werden. Auf diese Weise weist die Vorrichtung nach Fig. 1 einePlanarkathode wird erreicht, daß die als Elektronenquelle dienende auf, die mit einem becherförmigen Träger 10 verEmissionsfläche praktisch die gleiche Temperatur an- sehen ist, an dessen offenem Ende eine Fokussiernimmt wie der Heizfaden und der Heizfaden mit elektrode 11 befestigt ist. Der Träger 10 ist auf geeigeiner sehr viel geringeren Temperatur betrieben wer- 60 nete Weise befestigt, beispielsweise am Ende eines den kann als bisher. Hierdurch wird nicht nur der Rohres 12 aus dielektrischem Werkstoff od. dgl. an- ■ Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kathode we- gebracht, das einen Teil des Röhrenkolbens bilden · sentlich erhöht, sondern es kann auch die Lebens- kann. · '

dauer des Heizdrahtes erheblich verlängert werden, Innerhalb des Trägers 10 ist die Kathode 13 anweil bei niedrigen Temperaturen eine wesentlich ge- 65 geordnet, die ebenfalls becherartig ausgebildet ist ringere Rekristallisation von Heizfäden, insbesondere und eine (ringförmige Wandung 14 und einen konwenn sie aus Wolfram bestehen, eintritt. kaven Boden 15 aufweist, der die Elektronenquelle

Es wurde festgestellt, daß die von Wolfram ab- bildet. Die Elektronenquelle besteht aus einem Werk- ;

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stoff, der die Fähigkeit hat, im erhitzten Zustand durchgeführt, der von 2 A auf 8 bis]10A verstärkt reichlich Elektronen abzugeben^ beispielsweise aus wurde, wodurch das Heizelement von dem Hauptteil mit Bariumaluminat imprägniertem Wolfram. Die der Folie .getrennt wurde, die zu seiner Herstellung Kathode 13 ist innerhalb des Trägers 10 nahe der diente. Das erhaltene Heizelement wurde dann in Innenfläche der Fokussierelektrode 11 mit Hilfe von 5 Wasser gereinigt und getrocknet, wonach der Ätzmehreren Stäbchen oder Zapf en 16 befestigt, grand durch Eintauchen in ein geeignetes Lösungs-

Innerhalb des von der ringförmigen Wandung 14 mittel während etwa 5-Minuten und vorsichtiges Rei-

umschlossenen Raumes ist eine Heizanordnung 17 ben entfernt wurde, wonach erneut ein Spülen in

untergebracht, die von einer plattenförmigen Vor- Wasser erfolgte. Das fertiggestellte Heizelement ist

riehtung gebildet wird und längs ihres Umfanges mit io dann bereit, in die in den F i g. 3 und 4 dargestellte

der Wandung 14 dicht verbunden ist. Die Heiz- Heizanordnung eingebaut zu werden,

anordnung 17, die an Hand der Fig. 2 bis 5 noch im Wenn auch das Heizelement als einfache Spirale

einzelnen beschrieben werden wird, enthält ein Heiz- ausgebildet werden kann, nimmt es die Form einer

element oder Heizdraht 18, dessen beide Enden an doppelten Spirale oder einer einfachen, in sich selbst

zwei Leitern 19 und 20 befestigt sind, die aus der 15 doppelt zurückgeführten Spirale an, wie sie Fig. 2

Röhre herausführen und zum Anschluß einer geeig- zeigt, wenn ein induktionsfreies Heizelement geschaf-

neten Heizspannungsquelle dienen. Der Leiter 20 ist fen werden soll. Im letzten Fall sind die äußeren

vorteilhaft rohrförmig ausgebildet und mit einem Enden der beiden Spiralen miteinander verbunden

Ende an dem Träger 10 befestigt, während sein ande- und die inneren, benachbarten Enden nach unten ab-

res. Ende zur Herstellung eines Masseanschlusses aus- 30 gebogen, um zwei voneinander getrennte Enden 22

gebildet ist. Das geerdete Ende -des Heizelementes 18 und 23 zu bilden. Das Heizelement 18 wird zwischen

ist direkt mit diesem Leiter verbunden, Der zweite zwei Saphirplatten24 und 25 gelegt, wie es Fig.4

Leiter 19 besteht aus einem Draht, der sich längs zeigt. Die beiden Enden 22 und 23 durchdringen

durch den rohrförmigen Leiter 20 erstreckt und in- Öffnungen, die zu diesem Zweck in einer der Platten

nerhalb des rohrförmigen Leiters von Isolierstützen 25 vorgesehen sind, und sind mit den Leitern 19 und 20

21 getragen wird. Der Leiter 19 ist unmittelbar mit der Kathodenanordnung verbunden, wie es Fig. 1

dem ungeerdeten Ende des Heizelementes verbunden. zeigt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird das Heizelement Wenn an das Heizelement 18 über die Leiter 19 18 von einer Spirale aus Wolfram, Platin, Molybdän und 20 und die Enden 22 und 23 eine Spannung anoder einem anderen Werkstoff gebildet, der durch 30 gelegt wird, wird das Heizelement eine Infrarotstrah-Photoätzung aus einer Folie oder einem Streifen des lung in alle Richtungen abgeben. Etwa 90% der gewünschten Materials hergestellt ist. Die Größe die- Strahlungsenergie liegt im Bereich von etwa 1 bis ses Elementes richtet sich nach der Röhre, in der es 6 Mikron, wenn beispielsweise das Heizelement aus Anwendung finden soll. Beispielsweise kann ein Heiz- Wolfram besteht und bei einer Temperatur von etwa element von 25 mm Durchmesser etwa 0,12 mm dick 35 1100° C betrieben wird. Da Saphir einen außersein, ein Heizelement von 10 mm Durchmesser kann ordentlich hohen Anteil von Infrarotstrahlung im etwa 0,025 mm dick sein, und ein kleines Element Bereich von 1 bis 6 Mikron überträgt, wird die Elekvon 3 mm Durchmesser kann etwa 0,012mm dick tronenquelle 15 in dem Maße erhitzt, daß eine Eleksein. Eine Herstellung des Elementes durch Photo- tronenemission stattfindet. Die Heizanordnung 17 ist ätzung wird deshalb bevorzugt, weil andere Herstel- 40 infolgedessen relativ dicht zu der benachbarten Fläche lungsverfahren manchmal Knicke, Risse, Deforma- der Elektronenquelle angeordnet und kann auch der tionen oder andere Fehler des Heizelementes ver- Form dieser Fläche angepaßt sein.
Ursachen können. Da das Heizelement nur in einer Richtung wirken

Die Photoätzung kann nach jedem bekannten Ver- soll, ist die Außenfläche der von der Elektronenquelle

fahren erfolgen. Bei der Herstellung von Heizelemen- 45 am weitesten entfernten Saphirplatte 24 mit einem

ten aus einer Wolframfolie mit einer Dicke von etwa Infrarotstrahlung in hohem Maße reflektierenden

0,15 mm wurde das folgende Verfahren mit Erfolg Überzug 31 bedeckt, so daß darauf einfallende Infra-

angewendet. Die Folie wird zunächst mit einem rotstrahlung zurück durch die Anordnung auf die

Photoätzgrand überzogen, beispielsweise dem von Elektronenquelle 15 hin reflektiert wird. Der Über-

der Firma Eastman Kodak Company gelieferten Ko- 50 zug 31 kann aus Wolfram, Molybdän oder Zirkon

dak Metal Etch Resist (KMER), und sorgfältig ge- bestehen, das beispielsweise durch Verdampfen im

trocknet. Die beiden gegenüberliegenden Flächen des Vakuum oder thermische Umsetzung aufgebracht

mit dem Ätzgrand versehenen Teiles werden dann sein kann.

während etwa 2 Minuten durch aufeinander aus- Es ist ersichtlich, daß eine derartige Anordnung gerichtete spiegelbildliche Negative einem Licht aus- 55 eine wirksame mechanische Stütze für das empfindgesetzt, dessen Intensitätsmaximum bei etwa 3660 A liehe Heizelement 18 «bildet. Diese Anordnung widerliegt. Das belichtete Bild wird dann durch Bintäuchen steht relativ heftigen Vibrationen und mechanischen in ein kerosinartiges Erdöldestillat während 2 Minu- Stoßen, die normale Heizelemente zerstören. Die ten entwickelt, dann zunächst mit Xylol und dann Stützung mit Hilfe der Saphirplatten erfolgt weiterhin mit Wasser ausgewaschen und hierauf schnell ge- 60 ohne eine merkliche Beeinflussung der vom Heiztrocknet, element infraroten Strahlungsenergie und ermöglicht

Nunmehr werden die Flächen außerhalb des von eine Reflexion der nach hinten gerichteten Energie dem Heizelement gebildeten Musters abgedeckt. Das in Richtung auf die Elektronenquelle, ohne daß zu-Teil wird dann in einem Elektrolyt geätzt, der etwa sätzliche getrennte Reflektorelemente benötigt werden. 500 cm³ Wasser, 20 g Natriumhydroxyd und 400 cm³ 65 Es wurde auch festgestellt, daß diese Anordnung eines 3O°/oigen Wasserstoffsuperoxyd enthält und auf eine weit wirksamere Beheizung ermöglicht als beeine Temperatur von etwa 20° C gekühlt wird. Das kannte Anordnungen, die es gestattet, die Arbeits-Ätzen wird während etwa 7 Minuten bei einem Strom temperatur des Heizelementes sehr nahe der Arbeits-

temperatur der Kathode zu halten, wodurch-eine Ersparnis an Heizleistung erzielt wird. Diese letzte Eigenschaft führt weiterhin zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer des Heizelementes, denn die Rekristallisation von Wolfram ist in hohem Maße von der Temperatur abhängig.

Die Erfindung bietet sich selbst für Vielfach-Heizvorrichtungen an, von denen eine mögliche Ausführungsform Fig. 5 zeigt. Bei der Heizanordnung nach Fig.5 ist ein erstes Heizelement26, wie oben beschrieben, zwischen zwei Saphirplatten 27 und 28 angeordnet und ein zweites Heizelement zwischen einer dieser Platten, in Fig.5 der Platte28, und einer dritten Saphirplatte 30, die vorzugsweise an ihrer Außenfläche mit einer Metallschicht 32 zur Reflexion der Wärmestrahlung versehen ist. Statt dessen könnte auch.ein zweites Heizelement zwischen den Windungen des ersten Heizelementes angeordnet sein. In solchen Fällen könnte das zweite Heizelement ein Reserveelement sein, für den Fall, daß das erste Heiz- ao element durchbrennt, oder es könnte zum abwechselnden Betrieb dienen, wenn es in geeigneter Weise in eine Heizungs-Steuerschaltung eingeschaltet ist, und. die beiden Heizelemente könnten auch parallel oder in Serie geschaltet sein,,wie. es gerade gewünscht wird. Während der Lebensdauer einer Röhre, die eine solche Vielfach-Heizanordnung enthält, ist es demnach möglich, die Lebensdauer des Heizelementes, die Kathodentemperatur und Arbeitsniveaus der Röhre nach Wunsch zu variieren und zu steuern, indem einfach mit Hilfe einer Steuerschaltung die geeigneten Verbindungen zu den Heizleitern hergestellt werden.

Wenn die Erfindung auch an Hand mit im wesentlichen ebenen Heiz- und Kathodenanordnungen beschrieben und dargestellt worden ist, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß: die Erfindung auch bei becher- oder wannenförmigen sowie zylindrischen Anordnungen in gleicher Weise Anwendung finden kann. Beispielsweise könnte die geschichtete Anordnung des Heizelementes aus bearbeiteten Saphirzylindern und photogeätzten Wolframrohren bestehen,
ι Obwohl Saphir als Werkstoff ■ genannt worden ist, ■aus dem die für Infrarotstrahlung durchlässigen Platten hergestellt sind, versteht es sich, daß andere im wesentlichen für die abgegebene Wärmestrahlung durchlässige Werkstoffe benutzt werden können, wie beispielsweise hochgebranntes Aluminiumoxyd oder sogar gewöhnliches Aluminiumoxyd bei hohen Temperaturen. Einkristallsaphire werden jedoch in hohem Maße bevorzugt, weil mit Aluminiumoxyd eine längere Aufheizzeit, benötigt wird. Manchmal können auch Kalziumfluorid oder Magnesiumoxyd benutzt werden, wenn die Röhre bei niederen Temperaturen betrieben wird.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine verbesserte Heizanordnung geschaffen worden ist. Es versteht sich jedoch, daß gewisse Abänderungen gegenüber den dargestellten Ausf ührungsbeispielen vom Fachmann vorgenommen werden können.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Indirekt geheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren, bei der ein Heizdraht zwischen einer isolierenden Scheibe und einem der Emissionsfläche zugewandten starren Träger angeordnet ist und die Scheibe sowie der Träger aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ebenfalls eine den Heizdraht (18) vollständig abdeckende Scheibe (25) ist raid die der Emissionsfläche abgewandte Scheibe (24) auf der Außenfläche mit einer Schicht (31) aus einem die Infrarotstrahlung reflektierenden Material versehen ist.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (18) in an sich bekannter Weise eine im wesentlichen flache Spirale bildet.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Heizdrähte (26 und 29) vorgesehen sind und zwischen jeweils zwei benachbarten Heizdrähten eine Scheibe (28) aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material angeordnet ist.

4. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emissionsfläche aufweisende Elektronenquelle (15) in einem metallischen Fokussierungsbeeher (10, 11) aufgehängt ist und längs des Umfanges eine sich axial nach hinten erstreckende, ringförmige Wandung (14) aufweist, daß die den Heizdraht enthaltende Anordnung (17) nahe der

. ■"- Rückseite der Elektronenquelle angeordnet und an ihrem Rand mit der ringförmigen Wandung der Elektronenquelle fest verbunden ist, daß die Enden (22 und 23) des Heizdrahtes (18) die der Elektronenquelle abgewandte Scheibe (24) der Heizanordnung durchdringen, von denen das eine Ende (23) mit dem Fokussierungsbecher leitend verbunden ist, und daß zwei Zuleitungen (19 und 20) vorgesehen sind, von denen die eine Zuleitung (20) ebenfalls mit dem Fokussierungsbeeher und die andere Zuleitung (19) unmittelbar .mit dem anderen Ende (22) des Heizdrahtes verbunden ist.

5. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (18) aus Wolfram besteht und auf eine Temperatur von etwa 1100° C erhitzt wird, so daß er eine Infrarotstrahlung im Bereich von 1 bis 6 Mikron emittiert, und daß die Scheiben (24 und 25) aus Saphir bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen