DE2052172A1 - Rapid heating cathode - Google Patents
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Description
Patentanwalt 9 η c 71 7Patent attorney 9 η c 71 7
Dipl.-Phys. Leo Thul £U3 4 I / £Dipl.-Phys. Leo Thul £ U3 4 I / £
7 Stuttgart7 Stuttgart
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORKINTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
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SchnellheizkathodeRapid heating cathode
Die Erfindung betrifft eine indirekt geheizte Schnellheizkathode. The invention relates to an indirectly heated rapid heating cathode.
Kathoden für Klystron- und Wanderfeidröhren, die z.B. in Plugzeugraketen verwendet werden, müssen besonders strengen Anforderungen genügen. Mit der Entwicklung leichter Radarsysteme für Flugzeuge ist das Bedürfnis nach Kathoden entstanden, die hohe Stromdichten liefern und einen hohen Wirkungsgrad haben. Sie sollen außerdem eine extrem hohe mechanische Widerstandsfähigkeit gegen starke Erschütterungen und Vibrationen aufweisen und, wenn sie in Raketen eingebaut sind, während des Starts ein hohes Emissionsniveau ohne Abfall in der Stromstärke aufrechterhalten. Es ist unbedingt erforderlich, daß diese Kathoden sich sehr schnell aufheizen lassen.Cathodes for klystron and wanderfeid tubes, e.g. in Plug-in rockets are used, must meet particularly strict requirements. Easier with development Radar systems for aircraft, the need arose for cathodes that deliver high current densities and high Have efficiency. They should also have an extremely high mechanical resistance to strong vibrations and vibrations and, if incorporated into missiles, have a high level of emissions during launch sustained without a drop in amperage. It is imperative that these cathodes move very quickly let it heat up.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine indirekt geheizte Schnellheizkathode zu schaffen, die diesen Anforderungen genügt.The object of the invention is to provide an indirectly heated rapid heating cathode to create that meets these requirements.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch ein Kathodenelement aus widerstandsfähigem Material, dem eine Heizvorrichtung benachbart ist, und durch gesinterte, widerstandsfähige Metalle, die hO% - 60# Molybdän enthalten, und die das Kathodenelement mit der Heizvorrichtung verbinden.This object is achieved according to the invention by a cathode element made of resistant material, to which a heating device is adjacent, and by sintered, resistant metals which contain hO% -60 molybdenum and which connect the cathode element to the heating device.
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Weitere, die Erfindung fortbildende Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further features that develop the invention are evident from the Subclaims.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:The invention is described in more detail below using an exemplary embodiment and in conjunction with the drawing. Show in detail:
Pig.l eine ^nematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kathode,Pig.l a ^ nematic representation of an inventive Cathode,
Pig.2 eine Draufsicht, die die Streben zeigt, welche die Kathode halten undPig.2 is a plan view showing the struts which the Hold cathode and
"■ Pig.J> eine schematische Darstellung, die zur Erklärung eines Verfahrensschrittes verwendet wird."■ Pig. J> a schematic representation which is used to explain a process step.
Die Kathode 1 besteht aus einem Becher. 2 aus widerstandsfähigem Material, das die Kathode nicht verunreinigt und das bei einer Temperatur vonungefähr 800° C einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Stabilität aufweist. Weiterhin ist es erwünscht, daß der Kathodenbecher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit er einen Wärmeübergang von dem Heizer zu der emittierenden Oberfläche nicht behindert. Bei Schnellheizkathoden ist es weiterhin erwünscht, daß der Kathodenbecher eine möglichst geringe spezifische Wärme und eine geringe Dichte aufweist. Von ™ den zur Verfugung stehenden widerstandsfähigen Materialien entspricht Molybdän diesen Anforderungen am besten. Das zweitbeste Material ist Tungsten. Man ist aber nicht nQtT wendigerweise auf diese beiden Materialien angewiesen. ,The cathode 1 consists of a cup. 2 made of resistant material which does not contaminate the cathode and which has a low coefficient of expansion and high stability at a temperature of around 800 ° C. Furthermore, it is desirable that the cathode can have a high thermal conductivity so that it does not impede heat transfer from the heater to the emitting surface. In the case of rapid heating cathodes, it is furthermore desirable that the cathode can have as low a specific heat as possible and a low density. Of the tough materials available, molybdenum best meets these requirements. The second best material is tungsten. It is not NQT T sarily dependent on these two materials. ,
Die konkave Vorderseite des Kathodenbechers ist mit einer Schicht J5 bedeckt, die die Primäremission liefert. Es • gibt verschiedäne Möglichkeiten, diese emittierende Schicht aufzubringen. Diese Schicht kann z.B. hergestellt werden,indem eine Schicht aus sehr reinem metallischem Nickelkarbonyl, dessen Partikel einen Durch-The concave front of the cathode can is covered with a layer J5 which provides the primary emission. It • There are various ways of applying this emitting layer. This layer can be fabricated, for example by applying a layer of very pure metallic nickel carbonyl, the particles of which have a diameter
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messer von 9 - 15/i m haben, sorgfältig gewogen und auf den Kathodenbecher aufgesintert wird. Das Gewicht ist so berechnet und bemessen, daß man eine Matrixschicht von 0,007 - 0,013 cm Dicke erhält.have knives from 9 - 15 / i m, carefully weighed and adjusted the cathode can is sintered on. The weight is calculated and dimensioned in such a way that a matrix layer 0.007-0.013 cm thick is obtained.
Um eine gleichförmige Emission und eine gut arbeitende Röhre zu erhalten, ist es sehr wichtig, daß diese Schicht 3 überall gleich dick ist. Besonders bevorzugt werden Schichten , die glatt, kompakt und von gleichförmiger Erscheinung sind. Die Kathodenschicht 3 wird gebildet, indem das Nickelkarbonyl in die Form 4 eingebracht wird, die in Fig.3 dargestellt ist. Diese Form kann z.B. zu 99$ aus Aluminium bestehen. Dem Nickelkarbonyl kann ein Schmiermittel hinzugefügt werden, damit man leiclter eine gleichmäßige Oberfläche erhält; als solches Schmiermittel kann z.B. ein Bindemittel verwendet werden, das bei der Sinterung verdampft. Ein solches Bindemittel ist z.B. Butylcarbitol.In order to obtain uniform emission and a well-functioning tube, it is very important that this layer 3 is the same thickness everywhere. Particularly preferred are layers that are smooth, compact, and of uniformity Appearance are. The cathode layer 3 is formed by introducing the nickel carbonyl into the mold 4, which is shown in Fig.3. This form can e.g. $ 99 made of aluminum. The nickel carbonyl can be a Lubricants can be added to make one easier maintains a uniform surface; as such a lubricant, there can be used, for example, a binder which is used in the sintering evaporates. One such binder is e.g. butyl carbitol.
Der Kathodenbecher 2 wird dann auf das Nickelcarbonyl aufgebracht, und der mit einer Aluminiumschicht überzogene Heizer 5 wird dann in den Kathodenbecher 5 (auf die konvexe Oberfläche)eingebracht. Der Heizer besteht aus reinem Tungsten, und er ist bifilar in Pfannkuchenform gewickelt, um seine Empfindlichkeit gegenüber den elektronen Strahlen, die durch die magnetischen Feldwirkungen der Heizströme verursacht werden, weitestgehend zu beschränken. Der Heizer wird, wegen des hohen Verhältnises seines Widerstandes bei hohen Temperaturen gegenüber seinem Widerstand bei niedrigen Temperaturen, aus reinem Tungsten hergestellt. Es kann nachgewiesen werden, daß für Versorgungseinrichtungen für spannungsgesteuerte Heizer,die hohe Stromstöße lM*ern können, reines Tungsten schneller erwärmt werden kann, als andere Materialien. Das Tungsten ist von einer etwa ein millimeterdicken Aluminiumschicht bedeckt. Es kann hierzuThe cathode can 2 is then applied to the nickel carbonyl, and that coated with an aluminum layer Heater 5 is then placed in cathode can 5 (on the convex surface). The stoker insists made of pure tungsten, and he's wrapped in a bifilar pancake shape to show his sensitivity to the electron rays, which are caused by the magnetic field effects of the heating currents, as far as possible to restrict. The heater will, because of the high ratio of its resistance, at high temperatures against its resistance at low temperatures, made of pure tungsten. It can be demonstrated that for supply devices for voltage-controlled Heaters that can handle high current surges, pure Tungsten can be heated faster than other materials. The tungsten is about a millimeter thick Aluminum layer covered. It can do this
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auch Beryllium verwendet werden, dieses erfordert aber Vorsicht beim Gebrauch.Beryllium can also be used, but this requires caution when using it.
Die nächste Stufe bei der Herstellung der Schnellheizkathode besteht in der Zubereitung einer Mischung,die den Heizer 5 innig mit der Innenseite des Kathodenbechers 2 verbindet. Die für diesen Zweck geeigneten Pulver müssen den meisten Anforderungen genügen, die an den Kathodenbecher gestellt werden, da ihre wichtigste Punktion darin besteht, einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Heizer und dem Kathodenbecher herzustellen. Zu diesem Zweck sollten Pulver verwendet werden, derer|Partikel in der Größenordnung von 1 bis 5 M Meter liegen. Eine geeignete Mischung kann man herstellen, indem man Molybdän und Nickel im Gewichtsverhältnis von 90% Molybdän und 10$ Nickel mischt. Man hat andere Mischungen hergestellt, in denen der prozentuale Anteil des Molybdäns bis zu 4o Gewichtsprozenten verringert worden ist. Man hat jedoch herausgefunden, daß ein Gehalt von 90% Molybdän die schnellsten Schnellheizkathoden und die dichteste Verbindung ergab.The next step in the manufacture of the rapid heating cathode consists in the preparation of a mixture which intimately connects the heater 5 with the inside of the cathode can 2. The powders suitable for this purpose must meet most of the requirements placed on the cathode can, since their most important puncture is to produce the lowest possible heat transfer resistance between the heater and the cathode can. For this purpose, powders should be used whose particles are in the order of 1 to 5 M meters. A suitable mixture can be made by mixing molybdenum and nickel in a weight ratio of 90% molybdenum and 10% nickel. Other mixtures have been made in which the percentage of molybdenum has been reduced up to 40 percent by weight. However, it was found that a 90% molybdenum content gave the fastest rapid heating cathodes and the tightest bond.
Diese Mischung wurde hergestellt, indem man das Metallpulver im richtigen Gewichtsverhältnis in eine Kugelmühfe einbrachte, zusammen mit hinreichend viel Butylcarbitol, um die Parti-kel zu bedecken, und indem man dann diesen Inhalt 48 Stunden lang oder länger gemahler, hat,um sicher eine homogene Mischung zu erhalten.This mixture was made by placing the metal powder in the correct weight ratio in a ball mill brought in, together with a sufficient amount of butyl carbitol, to cover the particles, and by then grind this content for 48 hours or more, to ensure a homogeneous mixture.
Der Heizer 5 wird dann mit diesem Bindematerial 6 bedeckt und,die zusammengesetzte Kathode wird in einer trockenen Atmosphäre in Anwesenheit eines reduzierenden Gases, z.B. von Wasserstoff,gebrannt. Die BrenntemperaturThe heater 5 is then covered with this binding material 6 and, the composite cathode is in one dry atmosphere in the presence of a reducing Gas, e.g. from hydrogen. The firing temperature
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liegt zwischen 1 150° C und 1 350° C, wobei die untere Temperaturgrenze so gewählt wird:.»: daß man eine gute Verbidnung zwischen dem Kathodenbecher und der Vorderseite erhält.is between 1 150 ° C and 1 350 ° C, whereby the The lower temperature limit is chosen so:. »: that there is a good connection between the cathode cup and the front receives.
Eine Erhöhung der Temperatur kann die Dichte der emittierenden Oberfläche so erhöhen, daß es nicht möglich ist, hinreichend vfele alkalische Erdc.arbonate auf der Vorderseite aufzubringen, sodaß man eine Kathode mit verringerter Lebensdauer erhält. Eine poröse Matrix verstärkt, wegen des vergrößerten Oberflächenkontakts zwischen dem NickelQarbonylpulver und den alkalischen Erdmischung,An increase in temperature can increase the density of the emitting surface so that it is not possible Sufficiently alkaline earth carbonates on the front to apply, so that a cathode with reduced life is obtained. Reinforced a porous matrix, because of the increased surface contact between the nickel carbonyl powder and the alkaline soil mix,
die Emission. Die Erwärmung wird aufrechterhalten, bis das Bindemittel vollständig gesintert ist.the emission. The heating is maintained until the binder is completely sintered.
Die Vorderseite der Kathode wird dann mit einem emittierenden Material imprägniert, das sich zersetzt, (z.B. mit Bariumoxyd) damit man so ein gutarbeitendes Material erhält. Geeignete Materialien sind z.B. Barium-Strontium-Calcium Carbonat oder deren Mischungen.The front of the cathode is then impregnated with an emissive material that decomposes (e.g. with Barium oxide) so that you get such a good working material. Suitable materials are e.g. barium-strontium-calcium Carbonate or mixtures thereof.
Eine solche Imprägnierung erhält man, indem man das gewünschte .Carbonat mit Methylalkohol mischt und dann auf die Vorderseite der Kathode aufbringt. Eine gründliche Imprägnierung erhält man sehr leicht mit Hilfe von Wärme und Ultraschallschwingungen.Such an impregnation is obtained by mixing the desired carbonate with methyl alcohol and then on the front of the cathode. A thorough impregnation can be obtained very easily with help of heat and ultrasonic vibrations.
Um einen Heizer mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten, muß man sowohl die Leitfähigkeit als auch die Strahlungsverluste der Kathode auf ein Minimum beschränken. Eine Analyse der Stützstreben ist durchgeführt worden, und rpan hat festgestellt, daß eir Strebensystem aus Invar,In order to obtain a heater with high efficiency, one must have both conductivity and radiation losses the cathode to a minimum. An analysis of the support struts has been carried out, and rpan has established that a strut system made of Invar,
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wie es in den Pig.l und 2 dargestellt ist, auch bei ungünstigen Uragebungsbedlngungen allen Erfordernissen gerecht wird. Der niedrige Wärmeleitfähigkeitswert von Invar machte d^ieses zu einem idealen Material zur Wärmeisolierung der Kathodenanordnung von anderen Teilen der Röhre. Invar hat außerdem einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sojdaß die Gefährdung der Kathode durch Wärmebelastung erheblich reduziert wird. Es gibt zwar auch andere Materialien mit niedrigem Wärmeleitwert, z.B. Kovar, Stainless Steel oder Nlchrome, bei diesen Materialien muß jedoch sorgfältig darauf geachtet werden, daß sie nicht em.ittierende Schicht vergiften.as shown in the Pig. 1 and 2, even with unfavorable Uragebungsbedlngungen meets all requirements. The low thermal conductivity value of Invar made this an ideal material for thermally insulating the cathode assembly from other parts of the Tube. Invar also has a very low coefficient of thermal expansion, so that the risk to the cathode from thermal stress is considerably reduced. There is Other materials with a low thermal conductivity, e.g. Kovar, Stainless Steel or Nlchrome, are also used for these However, materials must be carefully ensured that they do not poison the emissive layer.
Die Streben 7 sind mit ihren Enden an einer geeigneten Stelle ,z.B. an den Molybd äazylinder 8 befestigt. Mit ihren Mittleren Abschnitten sind die Streuen am Umfang des Bechers 2 mit weitem Abstand voneinander befestigt. Sie können z.B. durch Punktschweißung dort befestigt sein. Die Konstruktion der Invar-Streben ist so ausgeführt, daß sie bei maximaler mechanischer Belastbarkeit nur ein Minimum an Verlusten durch Leitfähigkeit hervorrufen, und wegen der kleinen Oberflächen dieser Streben ist der Wärmeverlust durch Strahlung ebenfalls " auf ein Minimum beschränkt, sq(daß der Wirkungsgrad des Heizers höher ist als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei denen die Kathode durch einen dünnwandigen Zylinder getragen wird, Wenn die Kathode Teil einer Strahlkanone ist,kann auf der Vorderseite des tragenden Zylinders 8, koaxial mit diesem, eine fokusÄerende Elektrode befestigt sein.The struts 7 are at their ends at a suitable location, e.g. attached to the molybdenum cylinder 8. With its middle sections are the scattering on the circumference of the cup 2 attached at a large distance from each other. They can be attached there e.g. by spot welding be. The construction of the Invar struts is designed so that they can withstand maximum mechanical stress cause only a minimum of losses through conductivity, and because of the small surface areas of these Striving, the heat loss through radiation is also "kept to a minimum, sq (that the efficiency of the Heizers is higher than conventional designs, in which the cathode is through a thin-walled cylinder If the cathode is part of a jet gun, on the front of the supporting cylinder 8, attached coaxially with this, a focussing electrode be.
Die Kathodenanordnung, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde ., wurde in Dioden und in Wanderfeldröhren eingebaut. Die Röhren wurden dann inThe cathode assembly following that described above Process was established., Was built into diodes and traveling wave tubes. The tubes were then in
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eine Pumpstation eingebracht und 2k Stunden lang erwärmt. Nach etwa Ib Stunden wurde die Kathodentemperatur auf 1100° C erhöht, um die Kathode zu akfeivieren. Die Röhren wurden dann aus der Station herausgenommen und getestet. Sie waren wie normale Röhren gealtert und entwickelt. Im Betr i£> waren sie vergleichbar mit anderen Wanderfeldröhren und sie zeigten keine Verringerung im Verstärkungsfaktor oder in der Ausgangsleistung.introduced a pumping station and heated for 2k hours. After about 1 hour, the cathode temperature was increased to 1100 ° C. in order to acfeivieren the cathode. The tubes were then removed from the station and tested. They had aged and developed like normal tubes. In terms of operation, they were comparable to other traveling wave tubes and they showed no reduction in the gain factor or in the output power.
Die Heizzeit wurde gemessen und er gab mit normalen Betriebsspannungen einen Wert von 5 Sekunden, wobei als Heizzeit die Zeit def-.'iniert war, die erforderlich war, um 90$ des Endwertes des Strahlenstroms zu erreichen. In vielen Systemen ist es erlaubt, die Heizspannung so lange zu verdoppeln, bis der endgültige Strahlenstrom erreicht wird. Auf diese Art getestet, erhielt man den endgültigen Strahlenstrom bereits nach 2 Sekur.4en. Verschiedene Dioden und Röhren wurden mit einer Frequenz von 100 Hz betrieben und zeigten keinerlei Gasentwicklung oder Veränderung der Aufheizzeit.The heating time was measured and it gave a value of 5 seconds with normal operating voltages, whereby the time was defined as the heating time that was required was around $ 90 of the final value of the radiation current to reach. In many systems it is allowed to double the heating voltage until the final one Beam current is achieved. When tested in this way, the final radiation current was obtained afterwards 2 sec. 4s. Different diodes and tubes were using operated at a frequency of 100 Hz and showed no gas evolution or change in the heating time.
B PatentansprücheB claims
1 0 '.' 1 0 '.'
Claims (8)
Patentansprüche Waltermire - 1
Claims
um das Material zu sintern.8.Verfahren for producing an indirectly heated cathode arrangement according to one of claims 1 to J, characterized in that a homogeneous mixture of fine parts of molybdenum or another resistant material, which have the size of 1 M m to 4 / U m, is produced that at least part of the cathode element is covered with this mixture and in a dry atmosphere in the presence of a reducing gas at a temperature between II50 C un <
to sinter the material.
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