DE1614938A1

DE1614938A1 - Elektronen emittierende Kathode,insbesondere fuer Elektronen-Bestrahlungsmaschinen

Info

Publication number: DE1614938A1
Application number: DE19671614938
Authority: DE
Inventors: Mccann John David; Fuller Robin Walter Ellecker; Brian Whittaker
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1966-09-26
Filing date: 1967-09-23
Publication date: 1970-12-23
Also published as: FR1550223A; SE335390B; NL6713103A; NO121224B

Description

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PATENTANWALT ^ΙΌ ' ^H ^ ° ^Q

DIPL.-ING. ERICH SCHUBERT Telefon: (0271)32409

Telegramm-Adr.: Pafsdiub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 20362 ' I ' Bankkonten:

' Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl,ln_e. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 _Fi|_ialen siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

67088 . Kü/Seh.

UMTED KINGDOM ATOMIC BlJERGrY AUTEORITX, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

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Für diese Anmeldung werden die Prioritäten der folgenden englischen Patentanmeldungen in Anspruch genommen:

Hr. 42956/66 vom 26.9,1966, ffr. 534-92/66 vom 29.1t. 1966 und Nr. 14684/67 vom 30.3.1967.

Elektronen emittierende Kathode, insbesondere für Elektr onen-Be strahlungamaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronen emittierende Kathoden für Elektronenspritzen und betrifft insbesondere langgestreckte emittierende Kathoden, die sioh für die Verwendung in Elektronen-BestrahlungsmaBohinen eignen.

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. Bei einer Elektronen-Bestrahlungsmaschine, die für industrielle Te rf ahrens zwecke "bestimmt ist, ist es in höchstem Maße erwünscht, eine Elektronenspritze mit einer langgestreckten emittierenden Kathode zu verwenden, da es dann möglich ist, eine magnetische Abtastung als ein MIttel zur Ausbreitung des Elektronenstrahls über das zu behandelnde Material einzusparen.

Langgestreckte emittierende Kathoden, allgemein "Emitter" genannt, wurden bisher aus schwerschmelzbaren Metallen, wie beispielsweise Wolfram oder Tantal, hergestellt. Diese Metalle können in reiner Form oder in einem behandelten Zustand, wie beispielsweise als thoriertes bzw. thoriumhaltiges Wolfram oder Tantal, verwendet werden, wobei sie mit Lanthanborid überzogen werden, um einen emittierenden PiIm mit geringer Arbeitsfunktion /low work function emitting film/ zu schaffen, doch sind viele praktische Schwierigkeiten bei dem Versuch aufgetreten, einen stabilen bzw, beständigen Lanthan!) or idüber zug auf solchen Materialien herzustellext.

Zudem sind solche Metalle sohwer und neigen dazu, nach der Erhitzung im Vakuum spröde zu sein» Wenn somit emittierende Glühfäden von mehr als ein paar Zoll Länge hergestellt werden sollen, werden alle paar Zoll Abstutz- und Spannvorrichtungen für den Glühfaden vorgesehen. Verschiedene Aufhängesysteme sind vorgeschlagen worden, um die Probleme zu lösen, jedoch bleibt die spröde Eigenart eines dünnen Glühfadens, besonders im kai-, ten Zustand, als ein Grenzfaktor in der Glühfaden-Lebensdauer.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Ausführungsform einer Elektronen emittierenden Kathode zu schaffen, die sich insbesondere für die Verwendung bei Elektrmnen-BeStrahlungsmaschinen eignet.

Erfindungsgemäß weist eine Elektronen emittierende Kathode einen flexiblen Graphit- oder Kohlenstoff-Glühfaden mit einem "Überzug aus einem Material auf, welches bei Erwärmung Elektronen emittiert.

Vorzugsweise besteht der Glühfaden bzw. Glühkörper aus einem Graphitgeflecht oder -gewebe von geringer Masse pro Längeneinheit.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das Geflecht oder Gewebe rohrförmig ausgebildet und auf einen Draht aufbringbar, derart, daß eine Elektronen emittierende Kathode einen zentralen Kern aus schwerschmelzbarem Metall und eine lose aufsitzende, diesen Kern umgebende Graphit- oder Kohlenstoffhülse aufweist*

Vorzugsweise wird der Kern aus Wolfram- oder Tantaldr&iit hergestellt, und die Hülse ist mit einem "Überzug aus einem Material versehen, welches bei Erwärmung Elektronen emittiert.

Die Hülse kann mit einem Überzug aus lanthartborid versehen werden·

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Kathodenkonstruktion zeigt.

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Die Graphit- oder Kohlenstoffhülsen-Werkstoffe sind im Handel in Form von rohrförmigen Geflechten mit Außendurchmessern von 1 mm und 2 mm erhältlich. Der elektrische Widerstand des Kohlenstoffgewebes beträgt 1,5 bis 2,5 Ohm/cm und für Graphit 0,5 bis 2 Ohm/cm. Die Gewichte für Gewebe mit einem Durchmesser von 2 mm betragen annähernd 1,4 g/m·

Bei der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die rohrförmige Hülse 1 lose auf einen Kerndraht 2 aufgebracht, und die Enden 3 der Hülse sind kupferplattiert, um geeignete Endverbindungen mit den elektrischen Speiseadern 4 für den Glühkörper zu bilden. Die Enden des Kerndrahtes werden in herkömmlichen Klemmen 5 gehalten und sind über Adern 6 mit einer elektrischen Zuführleitung zur Lieferung eines Kern-Heizstromes verbunden. Der Kern kann in Zugspannung versetzt werden, indem eine einfache Federbefestigung 7 verwendet wird, oder der Kerndraht und die Hülse können magnetisch gehalten werden, und zwar in einer Weise, wie sie im wesentlichen in der zugehörigen britischen Patentanmeldung 35474/66 beschrieben ist, in welcher Mittel zum Vorsehen eines magnetischen Feldes quer zur Achse einer Emitterkathode beschrieben sind, so daß durch das Zusammenwirken zwischen dem Feld und der Emitterkathode, wenn diese Betriebsstrom führt, das Gewicht der Emitterkathode über ihre Länge hinweg getragen wird.

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Ein Verfahren zum Überziehen der Graphit- oder Kohlenstoffhülse "besteht darin, daß ein Schlamm aus Lanthanoxyd, Bor und Kohlenstoff in Wasser auf das Gewebe bzw. Geflecht aufgebracht wird, daß dieses Gewebe bzw. Geflecht in Luft getrocknet wird, daß es in einen Vakuumbehälter eingebracht und entgast wird, wobei äußere Heizvorrichtungen verwendet werden, und daß nachfolgend die Temperatur der Hülse wenige Sekunden lang auf 1 700° G erhöht wird, indem ein elektrischer Strom durch den Drahtkern geschickt wird.

Der Schlamm kann dadurch vorbereitet werden, daß Lanthanoxyd, Bor und Kohlenstoff in Gewichtsanteilen von 9:3:1 zusammen gemahlen werden und destilliertes Wasser zugegeben wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel werden der Kerndraht und die Hülse in einem Glühkörperhalter gehalten und mit einem vorbereiteten Schlamm bepinselt. Die Hülse läßt man in Luft trocknen, und das Ganze wird nachfolgend in eine Vakuumhülle eingebracht. Die Hülle wird auf ein starkes Vakuum, d»h. annähernd 10 Torr, ausgepumpt, und das Gewebe bzw. Geflecht wird einige Stunden lang unter Verwendung einer äußeren Wärmequelle entgast. Die Bildung eines Emitterüberzugs wird dadurch erzielt, daß ein elektrischer Strom durch den Kerndraht hindurchgeschickt wird, um die Temperatur für wenige Sekunden auf annähernd 1 700° C zu erhöhen, wodurch eine kleine Menge von Lanthanborid auf der

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Oberflächenschicht der Hülse gebildet wird. Die Hülse läßt man vor Anlegen einer Hochspannung an die Glühkörper-Bauteilgruppe abkühlen, mad der Glühkörper wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1 000 bis 1 100° G betrieben.

Andere tjberzugsverfahren bestehen darin, daß

(a) das Gewebe bzw* Geflecht mit einem Schlamm aus lanthanborid in Essigsäureamylester bestrichen wird, daß

(b) ein kataphoretischer Niederschlag von lanthanborid unter Verwendung eines Elektrolyts aus Methylalkohol mit einem geringeren Anteil von.Schwefelsäure gebildet wird, oder daß

(c) das Gewebe mit einem dünnflüssigen organischen Zement bestrichen wird, um eine klebrige Oberfläche zu erzeugen, und daß danach mi b einem trockenen Lanthanboridpulver bestäubt wird, daß man das Gewebe bzw. Geflecht troclcen läßt, und daß anschließend das überzogene Gewebe bzw. Geflecht bei etwa 1 500° C 20 Minuten lang in einem Vakuum von annähernd 10" Torr wärmebehandelt wird.

Es versteht sich, daß das Gewebe bzw. Geflecht auch ohne einen zentralen Kerndraht verwendet werden kann, z.B. kann das überzogene Gewebe bzw. Geflecht als eine langgestreckte Elektronen emittierende Kathode dadurch gebildet werden, daß man ein geeignetes längsstück des Gewebes bzw. Geflechtes nimmt und jedes Ende kupferplattiert, um elektrische Verbindungsstellen zu schaffen, oder da3 Gewebe kann alternativ unplattiert

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gelassen werden, und die Enden können zwischen entsprechenden Weiahmetallbauteilen festgeklemmt werden.

Die Kathode kann dadurch unter Zugspannung gesetzt werden, daß eine einzige Federbefestigung verwendet wird, da das Gewicht eines überzogenen Graphit-Gewebes bzw. -Geflechtes mit einem Durchmesser von 2 mm annähernd 1 /2 Unzen pro 100 Fuß Länge (etwa 1 ,5 g/m)- beträgt und die Kathoden sich von ein paar Zoll in der Länge bis etwa 10 Fuß (3 m) ändern. Bei einer " Kathodenlänge von 4 Fuß (1,2 m) überschreitet die Zugspannung, die erforderlich ist, um di.e Kathode innerhalb annehmbarer Grenzen der Gestrecktheit bzw. Geradlinigkeit zu halten, nicht

/10 der Bruchbeanspruchung des Gewebes bzw. Geflechtes, die bei Eaumtemperatur 10 Pfund (etwa 4,5 kg) beträgt, und erhöht sich auf das Doppelte des Betrages bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise 1.600° C. In vorteilhafter Weise ist der Koeffizient der linearen Ausdehnung des überzogenen Gewebes bzw. Geflechtes niedrig, wobei dieser annähernd 4 x 1O~ ° C"~ beträgt, und somit brauchen die Spannvorrichtungen Instabilitäten infolge übermäßiger Änderungen in der Länge nicht Rechnung zu tragen. Ein Gewebe bzw. Geflecht von 1mm Durchmesser und einem Gewicht von annähernd 1 Unze pro 100 Fuß (etwa 1 g/m) hat sich ebenfalls für einige Anwendungsgebiete als geeignet erwiesen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht , sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.
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Claims

PATENTANWALT 161 £938 DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telefon:<027"32409 © Telegramm-Adr.: Pafschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Postfach 325 67 088 Kü/Sch. " 22. Sept. 1967 Patentansprüche

1. Elektronen emittierende Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen flexiblen kohlenstoffhaltigen Glühkörper mit einem Überzug aus einem Material, welches bei Erwärmung Elektronen emittiert, aufweist.

2. Elektronen emittierende Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper aus einem Geflecht oder Gewebe von geringer Masse pro Längeneinheit besteht.

3ο Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe bzw. Geflecht rohrförmig ist.

4. Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe bzw. Geflecht mit Lanthanborid überzogen ist.

5. Elektronen emittierende Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zentralen Kern aus schwer schmelzbarem Metall sowie eine locker aufsitzende kohlenstoffhaltige Hülse aufweist, welche den Kern umgibt.

6. Kathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem Wolframdraht gebildet ist und die Hülse aus einem Geflecht oder Gewebe besteht. 0 0 9 8 6 2/0614 ^BA°^0RIGINAL

7» Kathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse mit JDanthanborid überzogen ist.

8. Kathode nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Hülse mit den elektrischen Glühkörper-Zuleitungen verbunden sind und daß die Enden des zentralen Kerns mit einer sekundären elektrischen Zuleitung verbunden sind, um einen Kern-Heizstrom zu liefern.

9* Kathode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in Form eines wässrigen Schlammes aus lanthanoxyd, Bor, Kohlenstoff und Wasser aufgebracht ist, wobei das Gewebe bzw. Geflecht nachfolgend luftgetrocknet, entgast und wenige Sekunden lang im Takuum auf 1 700° C erhitzt wird.

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nö .

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