DE1514340C - Indirekt geheizte Kathode - Google Patents

Description

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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

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.

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)

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 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen