DE1589024A1

DE1589024A1 - Gluehkathode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1589024A1
Application number: DE19661589024
Authority: DE
Inventors: Morris Feinleib
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1965-08-23
Filing date: 1966-08-19
Publication date: 1970-03-19
Also published as: GB1142728A; US3401297A; DE1589024B2

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DlPL-ING, KUUS BERNHARDT 15890

D-8 MÜNCHEN 23 ' * MAINZERSTRASSE 5 V1 P93 B

TARIAIi ASSOCIATES Palo Alto / California v. St» v· Amerika

Glühkathode und Verfahren zu ihrer Herstellung

■-Prioritätj 23· August 1965 * V* St. ν« Amerika - Ser.No. 481,818

Die Erfindung betrifft allgemein Elektronenentladungseinrichtungen und insbesondere verbesserte Glühkathoden für diese, die Heizdrähte aus hochschmelzenden Metallen enthalten, auf denen eine Vielzahl Partikel aus hochschmelzendem Metall angeordnet ist·

Für die Konstruktion von Elektronenentladungseinrichtungen, insbe«« sondere Elektronenröhren wie Pentoden, Trioden, Klystrons, Wanderfeldröhren und dergl* ist der GlühemisBionsteil, vor allem die Kathode, von der es verschiedene übliche Typen gibt, wie die Vorratskathode , die Oxydkathode uswe, denen allen gemeinsam ist, daß ein Heizdraht aus hochschmelzendem Metall eingebaut ist, der dazu verwendet wird, die Glühemission von der elektronenemittxerenden Ober* fläche einzuleiten· -

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Durch die Erfindung sollen verbesserte Heisdrähte aus hochschmelzendem Metall und damit verbesserte Glühkathoden verfügbar gemacht werden, indem eine Vielzahl von kleinsten Partikeln aus hochschmelzendem Metall auf der Oberfläche des Heizdrahtes selbst verwendet wird_} und zwar entweder im nackten oder nicht isolierten Fall oder auch bei einem beschichteten oder feuerfest isolierten Heizdraht« Dadurch wird bei einem nackten oder nicht isolierten Heizdraht die Heizdrahtbetriebstemperatur für eine bestimmte Ausgangsleistung herabgesetzt und damit die Lebensdauer und Abstrahlung bei solchen nackten Heizdrähten vergrößert« Venn ein nackter oder roher Heizdraht aus hochschmelzendem Metall aufgerauht wird und anschließend die hitzefeste Isolierschicht entweder durch übliche kataphoretische Niederschlagstechniken oder durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf aufgebracht wird, ergibt sich in etwa eine ähnliche Herabsetzung der Heizdrahtbetriebstemperatur für eine bestimmte Eingangsleistung und eine merkliche Verbesserung in bezug auf die hitzebeständige Isolierschicht, sowohl bezüglich der Haftfähigkeit auf dem Heizdraht selbst als auch bezüglich ihres physikalischen Zus-tandes.

Durch die Erfindung wird das Aufbringen von kleinsten Partikeln aus hochschmelzendem Metall auf einen nackten oder Roh-Heizdraht als bevorzugtes Mittel zur Aufrauhung des Heizdrahtes gelehrt, um die erwähnten Vorteile zu erreichen·

Eine Glühkathode, bestehend aus einem Kathodenröhrchen, einer darauf montierten Glühkathode und einem Heizdraht aus einem hochschmelzen-

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den Metall mit Isolierschicht, der in dem Kathodenröhrch'en so untergebracht ist, daß ein guter *ärmeübergang vom Draht zur Glühkathode stattfinden kann, wird also erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß auf dem Heizdraht eine Vielzahl kleinster Partikel aus hochschmelzendem Metall niedergeschlagen ist, so daß die Heizdrahtbetriebstemperatur verringert und die Abstrahlung verbessert werden, und daß die Isolierschicht auf die mit Metallpartikeln bedeckte Heizdrahtoberfläche aufgebracht ist.

Eine erfindungsgemäße Glühkathode wird in der *eiee hergestellt-₉ daß kleinste Partikel aus einem hochsohmelzenden Metall auf der Oberfläche eines nackten metallenen Heizdrahtes niedsrgesshlagen werden und anschließend die Isolierschicht in üblicher Weis© niedergeschlagen wird«

Weitere Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen und ergeben sieh ebenso wie weitere Vorteile aus folgender_s ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen»

,Figur 1 eine teilweise geschnittene Teilansicht eines Klystrons mit einer erfindungsgemäßen Glühkathode;

Figur 2einen Schnitt durch die in Figur 1 mit der Linie 2-2 umschlossene Glühkathode;

Figur 3 einen Schnitt durch einen Heizdraht aus hochschmelzendem Metall mit einer Vielzahl kleinster Partikel aus hochschmelzendem Metall nach der Erfindung;

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Figur 4 einen Schnitt entsprechend der Linie 4— 4 in Figur 2} und

Figur 5 die Abhängigkeit der Eingängeleistung von der Temperatur für einen nackten rohen Heizdraht aus hochsphmelzendem Metall im Vergleich zu einem nackten Heizdraht aus hochschmelzendem Metall mit einer Vielzahl von Partikeln aus hochschmelzendem Metall auf der Oberfläche·

In Figur 1 ist eine Elektronenentladungseinrichtung 6, ein Klystron» mit einer Glühkathode nach der Erfindung dargestellte Bas Klystron ist ein übliches Reflexklystron« mit einem üblichen Reflektor 7 e^¹ stromabwärtigen Ende, der auf einen Hauptkörper 8 montiert ist_? der eine Glühkathode 9 am stromaufwärtigen Ende enthält» Ein üblicher Tuner-Mechanismus 10 wird dazu verwendet, die Resonanzfrequenz des einspringenden Hohlraums 11 in üblicher Weise zu verändern· Die elektromagnetische Schwingungsenergie wird über den Ausgangshdileiter 12 über ein vacuumdichtgeschlossenes Fenster 13 aus Tonerde oder einem derartigen Dielektrikum abgezogen» Für die speziellen Einzelheiten einer solchen Elektronenentladungseinrichtung vergleiche beispielsweise U. S.-Patentschrift 5,097,325.

In Figur 2 ist ein Schnitt durch die Glühkathode 9 des Klystrons gezeigt· Die Glühkathode 9 nach Figur 2 ist eine Oxydkathod· und soll· nur als representatives Beispiel von üblichen Glühkathoden dienen, die Heizdrähte aus hochschmelzendem Metall verwenden, wie beispielsweise die imprägnierte Vorratskathode· Glühkathoden wie die Oxydkathode 9 enthalten eine elektronenemittierende Fläche 16,

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die in gutem Wärmeübergang zu einem Heizdraht aus hochschmelzendem Metall angeordnet sind, beispielsweise den beschichteten Draht 17» der in einem beliebigen, geeigneten Montageelement 18, beispielsweise einem Eöhrchen aus hochschmelzendem Metall, untergebracht ist. Der isolierte oder beschichtete Heizdraht 17 aus hochschmelzendem Metall nach Figur 2 ist vorzugsweise ein Wolframdraht 19» kann aber auch aus Rhenium und einer Rhenium-Wolfram-Legierung bestehen. Der Wolfram-Heizdraht 19 ist mit einer Schicht aus einer Vielzahl klein« ster Partikel 20 aus hochschmelzendem Metall versehen, wie am besten in Figuren 3 und 4 erkennbar ist, und bei einem isolierten oder be« schichteten Heizdraht ist eine äußere hitzebeständige Isolierschicht aus Tonerde (.AIpO-") darauf aufgebrachte

Es können getrennte Montagehilfsmittel dazu verwendet werden, den Heizdraht innerhalb des Röhrohens 18 zu stützen^ vergleiche beispielsweise IT»S„-Patentschrift 2,990,495» gemäß der ein nackter Heizdraht im Abstand von den Röhrchen in -diesem gehaltert ist» Ein beschichteter Heizdraht 17» der mit einer Zwischenlage aus einer Vielzahl von Partikeln aus hochschmelzendem Metall,wie Wolfram, Molybdän oder Rhenium versehen ist,wie in Figuren 3 und 4 erkennbar ist, hat gegenüber bekannten Glühheizern mit einer Isolier« schicht aus Tonerde oder dergleichen auf einem nackten oder rohen Heizdraht beträchtliche Vorteile in mechanischer und in thermischer Beziehung« ' ■

In Figur 5 ist die Verbesserung der thermischen Abstrahlung und die Verringerung der Betriebstemperatur durch Niederschlag einer"Viel·*

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zahl von Partikeln aus hochschmelzendem Metall auf einen Heizdraht aus hochschmelzendem Metall dargestellt. Kurve A zeigt einen einfachen gewendelten Wolfram-Heizdraht ohne Partikel aus hochschmelzendem Metall auf der Oberfläche mit einem Drahtdurchmesser von etwa 0,15 mm (0,006") und Kurve B einen ähnlichen Wolfram-Draht mit einer Vielzahl von Wolfram-Partikeln von etwa 1 Mikron Durchmesser und einer Gesamtdicke von etwa 0,01 mm bis 0,03 mm (0,0005" bis 0,001"). Annehmbare Ergebnisse können auch mit Dicken kleiner als 0,01 mm (0,0005") beispielsweise 0,008 mm (0,0003") erreicht werden, wenn auch der zuerst erwähnte Bereich erfahrungsgemäß gute Ergebnisse liefert. TJm einen brauchbaren Tergleich zwischen den beiden Heizdrähten zu erhalten, wurden beide Heizdrähte in einer Vacuumglocke angeordnet und bei verschiedenen Eingangsleistungen wurden optische Pyrometermessungen vorgenommen» Die merkliche Herabsetzung der optisch mit dem Pyrometer gemessenen oder Leuchttemperatur für den aufgerauhten Heizdraht nach Kurve B in Vergleich zum nicht aufgerauhten oder nackten Heizdraht nach Kurve A spricht für sich selbst» Es wird also für jede Eingangsleistung eine erhebliche Herabsetzung der Heiζdrahttemperatur erreicht, und dementsprechend wird die Lebensdauer des Heizdrahtes vergrößert und die thermischen Abstrahleigenschaften werden verbesserte

Es wurde festgestellt, daß auch erhebliche mechanische Verbesserungen sich durch die Vielzahl von Partikeln aus hochschmelzendem Metall auf dem nackten Heizdraht ergeben, wenn ein beschichteter Heizdraht wie 17 in Figur 4 verwendet wirdo Bei beschichteten Heizdrähten mit hitzebeständigen Isolierschichten .21 aus Tonerde oder dergleichen

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traten immer Probleme auf, weil die Isolierschicht zu Sprüngen neigt und manchmal schlecht am nackten Heizdraht haftet. Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung von Partikeln 20 aus hochschmelzen« dem Metall die beobachteten Sprünge erheblich zurückgingen, und zwar sowohl bei kataphoretisch als auch bei chemisch aus dem -Dampf niedergeschlagenen Tonerdeschichten· Weiter ergab sich eine wesentlich bessere Haftung von solchen Isolierschichten aus hitzebeständigem Material wie Tonerde, wenn eine Vielzahl Partikel aus hochsehmelzen·. des Metall auf dem nackten Draht niedergeschlagen wurde, so daß •ine Zwischenschicht gebildet wurde· Experimentell wurde das bestätigt, indem versucht wurde, die Tonerde-Isolierschicht mit Federzangen oder dergleichen abzustreifen«. Weiterhin, sind auch die thermißchen^Emissionseigenschaften des aufgerauhten Heizdrahtes mit der hitzebeständigen Isolierschicht verbessert, wie sich aus beobachteten Leuchtteraperaturen im Vergleich su beschichteten glat-

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ten Drähten ergab· Wenn auch die beobachtete Verringerung der Leuchttemperatur bei gegebener Eingangsleistung nicht so groß war wie bei einem einfachen aufgerauhten nackten Heizdraht, wo Verringerungen der Leuchttemperatur um 200 C oder mehr beobachtet 'werden konnten, so haben doch Untersuchungen gezeigt, daß Verringerungen der Leuchttemperatur bei gegebener Eingangsleistung von etwa 120° C bei kataphoretisch niedergeschlagener Tonerde und Verringerungen von etwa 100 C bei chemisch aus dem Dampf niedergeschlagener Tonerde zu erreichen sind·

Die Vielzahl kleinster Partikel aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Rhenium, Molybdän oder deren Legierungen kann wie folgt

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auf einem Heizdraht aus hoch schmelz endein Metall wie Wolfram, Rhenium oder deren Legierungen niedergeschlagen werden»

Der nackte Heizdraht aus hochschmelzendem Metall kann einfach in eine Lösung von Wolframpulver in Xylol und Methakrylat eingetaucht werden· Der nackte Draht wird oft genug eingetaucht₍ so daß die Oberfläche vollständig bedeckt wird, wie in der älteren Anmeldung 7 27 592 VIII c/2ig, 13/04«der Anmelderin beschrieben. Die Anteile von Wolframpulver und Xylol in der Lösung sind nicht kritisch. Der Gewichtsanteil der Methakrylatlösung soll vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 f°s vorzugsweise bei e'twa 0,3 $ liegen. Der Anteil an Wolframpulver kann zwischen 35 und 75 Gewichtsprozent liegen, der Rest der Lösung besteht aus Xylol. Vorzugsweise werden größenord« nungemäßig 60 Gewichtsprozent Wolframpulver verwendet. Die Wolfram-Partikel haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 1 Mikron und haben vorzugsweise eine Korngröße kleiner als 74 Mikron (200 mesh-Sieb) um optimale Ergebnisse zu erhalten. Der beschichtete Heizdraht wird in einer kontrollierten inerten oder reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einem Wasseretoffofen bei etwa I5OO⁰ C etwa 1 Minute lang gebrannt, und danach ist der Heizdraht gebrauchsfertig.

Erfindungsgemäß können die Metallpartikel auch nach der folgenden kataphoretischen Niederschlagstechnik auf einem Heizdraht aus hochschmelzendem Metall niedergeschlagen werden. Die Suspension zum kataphoretischen Niederschlag enthält etwa 12 g Wolframpulver der Firma Wah-Chang Company (bezeichnet als Wah-Chang grade C-3)| etwa 0,4 g Yttriumnitrat Y(NO,)' .6H₂O; etwa 0,6 g H-Oj etwa 65 ecm Me-

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.thanol und zusätzlich 0,1 g "Aluminiumnitrat Al(N0-.),,9H_?0 mit einer angelegten Gleichspannung von etwa 50 Volt in einer Niederschlagkämmer ο Diese Parameter haben sich als sehr zufriedenstellend herausgestellt, wenn gute Partikelschichten in etwa 4 bis 5 see. erzielt werden sollen. Der Wolfram-Heizer ist die Kathode; die Anode besteht aus Aluminium. Es wird gerührt, um die Partikel in Suspension zu halten· Eine Schichtdicke von 0,01 mm bis 0,03 mm (0_t0005^H bis 0,001") wird erreicht. Nachdem die Partikel auf dem nackten Heizdraht aufgebrach-t sind, wird die Beschichtung gesintert, beispielsweise durch Brennen bei etwa I65O C etwa 30 Minuten lang in einer feuchten Atmosphäre aus dissoziiertest Ammoniak« Gute Ergebnisse sind auch erreicht worden, indem die gesinterten aufgerauhten Heizdrähte aus hochschmelzendem Metall in eine Lösung aus etwa 4 g H WO in 25*ecm konzentrierter NH.OH nochmals eingetaucht, getrocknet und nochmals bei etwa I65O G gebrannt werden, wodurch die Schicht weiter verfestigt wird, so daß der Widerstand gegen Flockenbildung und die Haftung der Partikel aneinander und am nackten Heizdraht aus hochschmelzendem Metall verbessert werden·

Nachdem der Heizdraht vorzugsweise nach dem zuletzt beschriebenen Verfahren aufgerauht worden ist, wird die hitzebeständige Isolierschicht zur Bildung eines beschichteten Heizdrahtes aufgebracht. Diese hitzebeständige Isolierschicht hat bei kataphoret|soh niedergeschlagener Tonerde eine Dicke von vorzugsweise zwischen 0*05 und 0,08 mm (0,002" und 0,003·*) und bei chemisch aus dem Dampf niedergeschlagener Tonerde von vorzugsweise zwischen 0,025 und O_t05 (0,00t und 0,002"). Ein geeignetes Verfahren zum kataphoretischen

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Niederschlag von Tonerde ist beschrieben in The Oxide Coated Cathode τοη G. Hermann und S. Wagener, YoI· 1, Chapman and Hall, Ltd· 1951, insbesondere Seiten 45'Ms 55. Ein. geeignetes Verfahren zu« chemiechen Niederschlag aus des Dampf τοη Tonerde auf den auf·· gerauhten Wolfram-Heizdraht ist beispielsweise beschrieben in "The Deposition of Oxide on Silicon by the Reaction of a Metal Halide with a Hydrogen-Carbon Dioxide Mixture" von S, K. Tung und H. S. Caffrey, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Seiten 572-577» Vol. 253, Mär« 1965*

Im Falle τοη beschichteten Heizdrähten, bei denen, allgemein gesprochen, der beschichtete Heizdraht seibat mit enger Passung in einer Tragröhre aus hoohschmelzendem Metall, wie beispielsweise einer Nickelröhre 1Θ gemäß Figur 2 liegt, werden sowohl Wärmeleitung als auch Wärmestrahlung dazu verwendet, die Wärme vom Heizdraht zum Kathodenknepf I5 aus Nickel zu übertragen* Der Obergang der Strahlung»» energie vom beschichteten Heizdraht zur Rückseite oder Absorption··· seite des Knopfes ist außerordentlich bedeutsam, weil die Strahlungs-Smissionseigenschaften des nackten Heizdrahtes auSerordentiich wichtig sind, und es ist auch sehr wichtig, daß der Heisdraht nicht kurzgeschlossen wird, was eintreten kann, wenn die Tonerdebeschichtung während des Betriebes abblättert oder springt« Sowohl bei kataphoretisch als auch aus dem Dampf niedergeschlagener Schicht ergibt sich ein· Verbesserung der Haftung der Tonerdeschicht am Draht als auch •int Verringerung der Anzahl der Sprünge der Isolierschicht im Gebrauch, wenn eine rauhe Zwischenschicht verwendet wurde, die in Figur 4 zwischen der hitzebeständigen Isolierung und dem nackten

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Heizdraht aus hochschmelzendem Metall verwendet wurde. Die verbesserte thermische Abstrahlung, wie sie durch die verringerten Betriebstemperaturen bei. verschiedenen Eingangeleistungen erhalten wird, wie beispielsweise in Figur 5 dargestellt, spricht bezüglich der erhöhten Lebensdauer und der verbesserten Wärmestrahlung von erfindungsgemäßen beschichteten Heizdrähten für sich selbst.

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Claims

P A T B H T A N S P 1 US C E E

Μ» !Glühkathode, bestehend aus einem Kathodenröhrchen, einer darauf montierten Glühkathode und einem Heizdraht aus einem hochschmelzenden Metall mit Isolierschicht, der in dem Kathodenröhrchen so untergebracht ist, daß ein guter Wärmeübergang rom Draht zur Glühkathode stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet; daß auf dem Heizdraht eine Vielzahl kleinster Partikel aus hochschmelzendem Metall niedergeschlagen ist, so daß die Heizdrahtbetriebstemperatur verringert und die Abstrahlung verbes«· sert werden, und daß die Isolierschicht auf die mit Metallpar» tikeln teedeckte Heizdrahtöberflach® aufgebracht ist.
2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Metallpartikel auf dem Heizdraht eine Korngröße kleiiier ale

74 Mikron (SOO-mesh-Sieb) haben und eine Schient von wenigstens" 0,008 mm (0,0003-"} bilden.
3. Glühkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel auf dem Heizdraht eine Schicht von 0,01 mm bis 0,025 mm (0,0005" bis 0,001") Dicke bilden und die Isolierschicht eine Dicke von 0,025 mm bis 0,08 mm (0,001^M biß 0,003") hat.

4· Glühkathode nach Anspruch 1., 2.oder 3? dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht aus Wolfram* Ehenium oder deren Legierungen

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besteht und die Partikel aus Wolfram, Rhenium, Molybdän oder deren Legierungen-*"

5ο Glühkaihode nach Anspruch 4t dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht und die Partikel aus Wolfram bestehen» ■-.,"■

6· Glühkathode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Tonerde besteht·

7ο ^erfahren zur Herstellung einer Glühkathode nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß kleinste Partikel aus einem hochschmelzen den Metall auf der Oberfläche eines nackten metallenen Heizdrahtes niedergeschlagen werden und anschließend die Isolierschicht in üblicher Weise niedergeschlagen wird»

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