DE1514340C - Indirekt geheizte Kathode - Google Patents
Indirekt geheizte KathodeInfo
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Description
1 2
Die Erfindung bezieht sich auf eine indirekt ge- gegebene Wärme- oder Infrarotstrahlung bei einer
heizte Kathode für elektrische Entladungsröhren, bei Temperatur von 11000C 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 1 bis 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 11000C 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 hober 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 spiralförmig angeordnete Heiz- beispielsweise ein Reserveelement oder ein zusätzdraht nur längs eines Durchmessers der Spirale ab- lieh einsetzbares Element 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- ao 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
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 hober 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 spiralförmig angeordnete Heiz- beispielsweise ein Reserveelement oder ein zusätzdraht nur längs eines Durchmessers der Spirale ab- lieh einsetzbares Element 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- ao 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
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe Lebensdauer der Kathode dadurch zu verlängern,
zugrunde, eine Kathode für elektrische Entladungs- 95 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 Lei-
in beweglichen 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 bevollständig
abdeckende 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 re- 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 Be-
die 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. F i g. 1 einen Ausschnitt aus einer nach der Erfin-
Trotzdem ist gewährleistet, daß im wesentlichen die dung ausgebildeten Kathode im Längsschnitt und in
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 F i g. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 durch
Infrarotstrahlung zu der Emissionsfläche durch die die Anordnung nach F i g. 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 F i g. 1 eine Planarkathode
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. anWirkungsgrad
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 Heizfaden, 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-
stoff, der die Fähigkeit hat, im erhitzten Zustand reichlich Elektronen abzugeben, beispielsweise aus
mit Bariumaluminat imprägniertem Wolfram. Die Kathode 13 ist innerhalb des Trägers 10 nahe der
Innenfläche der Fokussierelektrode 11 mit Hilfe von mehreren Stäbchen oder Zapfen 16 befestigt.
Innerhalb des von der ringförmigen Wandung 14 umschlossenen Raumes ist eine Heizanordnung 17
untergebracht, die von einer plattenförmigen Vorrichtung gebildet wird und längs ihres Umfanges mit
der Wandung 14 dicht verbunden ist. Die Heizanordnung 17, die an Hand der F i g. 2 bis 5 noch im
einzelnen beschrieben werden wird, enthält ein Heizelement oder Heizdraht 18, dessen beide Enden an
zwei Leitern 19 und 20 befestigt sind, die aus der Röhre herausführen und zum Anschluß einer geeigneten
Heizspannungsquelle dienen. Der Leiter 20 ist vorteilhaft rohrförmig ausgebildet und mit einem
Ende an dem Träger 10 befestigt, während sein anderes Ende zur Herstellung eines Masseanschlusses aus- ao
gebildet ist. Das geerdete Ende des Heizelementes 18 ist direkt mit diesem Leiter verbunden. Der zweite
Leiter 19 besteht aus einem Draht, der sich längs durch den rohrförmigen Leiter 20 erstreckt und innerhalb
des rohrförmigen Leiters von Isolierstützen 21 getragen wird. Der Leiter 19 ist unmittelbar mit
dem ungeerdeten Ende des Heizelementes verbunden.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, wird das Heizelement 18 von einer Spirale aus Wolfram, Platin, Molybdän
oder einem anderen Werkstoff gebildet, der durch Photoätzung aus einer Folie oder einem Streifen des
gewünschten Materials hergestellt ist. Die Größe dieses Elementes richtet sich nach der Röhre, in der es
Anwendung finden soll. Beispielsweise kann ein Heizelement von 25 mm Durchmesser etwa 0,12 mm dick
sein, ein Heizelement von 10 mm Durchmesser kann etwa 0,025 mm dick sein, und ein kleines Element
von 3 mm Durchmesser kann etwa 0,012 mm dick sein. Eine Herstellung des Elementes durch Photoätzung
wird deshalb bevorzugt, weil andere Herstellungsverfahren manchmal Knicke, Risse, Deformationen
oder andere Fehler des Heizelementes verursachen können.
Die Photoätzung kann nach jedem bekannten Verfahren erfolgen. Bei der Herstellung von Heizelementen
aus einer Wolframfolie mit einer Dicke von etwa 0,15 mm wurde das folgende Verfahren mit Erfolg
angewendet. Die Folie wird zunächst mit einem Photoätzgrund überzogen, beispielsweise dem von
der Firma Eastman Kodak Company gelieferten Kodak Metal Etch Resist (KMER), und sorgfältig getrocknet.
Die beiden gegenüberliegenden Flächen des mit dem Ätzgrund versehenen Teiles werden dann
während etwa 2 Minuten durch aufeinander ausgerichtete spiegelbildliche Negative einem Licht ausgesetzt,
dessen Intensitätsmaximum bei etwa 3660 Ä liegt. Das belichtete Bild wird dann durch Eintauchen
in ein kerosinartiges Erdöldestillat während 2 Minuten entwickelt, dann zunächst mit Xylol und dann
mit Wasser ausgewaschen und hierauf schnell getrocknet.
Nunmehr werden die Flächen außerhalb des von dem Heizelement gebildeten Musters abgedeckt. Das
Teil wird dann in einem Elektrolyt geätzt, der etwa 500 cm3 Wasser, 20 g Natriumhydroxyd und 400 cm3
eines 30%igen Wasserstoffsuperoxyd enthält und auf eine Temperatur von etwa 20° C gekühlt wird. Das
Ätzen wird während etwa 7 Minuten bei einem Strom durchgeführt, der von 2 A auf 8 bis 1OA verstärkt
wurde, wodurch das Heizelement von dem Hauptteil der Folie getrennt wurde, die zu seiner Herstellung
diente. Das erhaltene Heizelement wurde dann in Wasser gereinigt und getrocknet, wonach der Ätzgrund
durch Eintauchen in ein geeignetes Lösungsmittel während etwa 5 Minuten und vorsichtiges Reiben
entfernt wurde, wonach erneut ein Spülen in Wasser erfolgte. Das fertiggestellte Heizelement ist
dann bereit, in die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Heizanordnung eingebaut zu werden.
Wenn auch das Heizelement als einfache Spirale ausgebildet werden kann, nimmt es die Form einer
doppelten Spirale oder einer einfachen, in sich selbst doppelt zurückgeführten Spirale an, wie sie Fig. 2
zeigt, wenn ein induktionsfreies Heizelement geschaffen werden soll. Im letzten Fall sind die äußeren
Enden der beiden Spiralen miteinander verbunden und die inneren, benachbarten Enden nach unten abgebogen,
um zwei voneinander getrennte Enden 22 und 23 zu bilden. Das Heizelement 18 wird zwischen
zwei Saphirplatten 24 und 25 gelegt, wie es F i g. 4 zeigt. Die beiden Enden 22 und 23 durchdringen
Öffnungen, die zu diesem Zweck in einer der Platten vorgesehen sind, und sind mit den Leitern 19 und 20
der Kathodenanordnung verbunden, wie es F i g. 1 zeigt.
Wenn an das Heizelement 18 über die Leiter 19 und 20 und die Enden 22 und 23 eine Spannung angelegt
wird, wird das Heizelement eine Infrarotstrahlung in alle Richtungen abgeben. Etwa 90% der
Strahlungsenergie liegt im Bereich von etwa 1 bis 6 Mikron, wenn beispielsweise das Heizelement aus
Wolfram besteht und bei einer Temperatur von etwa 1100° C betrieben wird. Da Saphir einen außerordentlich
hohen Anteil von Infrarotstrahlung im Bereich von 1 bis 6 Mikron überträgt, wird die Elektronenquelle
15 in dem Maße erhitzt, daß eine Elektronenemission stattfindet. Die Heizanordnung 17 ist
infolgedessen relativ dicht zu der benachbarten Fläche der Elektronenquelle angeordnet und kann auch der
Form dieser Fläche angepaßt sein.
Da das Heizelement nur in einer Richtung wirken soll, ist die Außenfläche der von der Elektronenquelle
am weitesten entfernten Saphirplatte 24 mit einem Infrarotstrahlung in hohem Maße reflektierenden
Überzug 31 bedeckt, so daß darauf einfallende Infrarotstrahlung zurück durch die Anordnung auf die
Elektronenquelle 15 hin reflektiert wird. Der Überzug 31 kann aus Wolfram, Molybdän oder Zirkon
bestehen, das beispielsweise durch Verdampfen im Vakuum oder thermische Umsetzung aufgebracht
sein kann.
Es ist ersichtlich, daß eine derartige Anordnung eine wirksame mechanische Stütze für das empfindliche
Heizelement 18 bildet. Diese Anordnung widersteht relativ heftigen Vibrationen und mechanischen
Stoßen, die normale Heizelemente zerstören. Die Stützung mit Hilfe der Saphirplatten erfolgt weiterhin
ohne eine merkliche Beeinflussung der vom Heizelement infraroten Strahlungsenergie und ermöglicht
eine Reflexion der nach hinten gerichteten Energie in Richtung auf die Elektronenquelle, ohne daß zusätzliche
getrennte Reflektorelemente benötigt werden.
Es wurde auch festgestellt, daß diese Anordnung eine weit wirksamere Beheizung ermöglicht als bekannte
Anordnungen, die es gestattet, die Arbeitstemperatur 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 F i g. 5 zeigt. Bei der Heizanordnung nach
F i g. 5 ist ein erstes Heizelement 26, 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.
c 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.
c 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
Ausführungsbeispielen vom Fachmann vorgenommen werden können.
Claims (5)
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 und 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 Fokussierungsbecher
(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 Fokussierungsbecher
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.
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