DE2128921C3 - Elektrische Hochvakuum-Entladungsrohre mit mindestens zwei nichtemittierenden Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Hochvakuum-Entladungsröhre mit mindestens zwei nichtemittierenden Elektroden, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Feldstärke auftritt, und von denen wenigstens eine aus mit Titan oder Zirkon beschichtetem Kupfer besteht

Unter einer hohen elektrischen Feldstärke ist hier eine makroskopische Feldstärke von mehr als 10kV/cm infolge eines angelegten Gleichspannungs- oder Niederfrequenz-Wechselspannungs-Unterschiedes zu verstehen. Die makroskopische Feldstärke folgt aus dem angelegten Spannungsunterschied und der Geometrie der Elektroden- und Röhrenwandanordnung ohne Berücksichtigung der Oberflächenstruktur.

Die oben aufgeführten Merkmale einer elektrischen Hochvakuum-Entladungsröhre allein werden von dem Patentschutz nicht erfaßt.

Aus der GB-PS 4 00 678 ist eine Hochvakuum-Entladungsröhre mit einer Kupferanode bekannt, die unter anderem mit einer Zirkon- oder Titanschicht bedeckt ist. Diese Zirkon- oder Titanschicht soll Beschädigungen durch Überbelastung vorbeugen. Die durch Auftrag einer Faste hergestellten Schichten sind jedoch ziemlich dick, nämlich wenigstens einige μπι dick und nicht geeignet, Durchschläge zu verhindern, die von der Anode oder einem Gitter verursacht werden.

Bei Feldstärken, die den oben erwähnten Wert überschreiten, besteht in solchen Hochvakuum-Entladungsröhren die Gefahr von Durchschlag. Ein Durchschlag kann je nach der Höhe der angelegten Spannung und des Innenwiderstandes der Spannungsquelle eine Beschädigung der Elektroden ojwi sogar der ganzen Röhre herbeiführen.

Ein Durchschlag im Vakuum kann z. B. dadurch eingeleitet werden, daß sich Mikroteilchen von Elektroden oder der umhüllenden Röhrenwand unter der Einwirkung eines starken elektrischen Feldes lösen. Diese Ursache eines Kurzschlusses kann nahezu völlig beseitigt werden, wenn bei der Herstellung von Elektroden und der anderen Einzelteile sowie bei deren Montage in bezug auf Staubfreiheit und glatt bearbeitete Oberflächen mit größter Sorgfalt verfahren wird. Außerdem wild zu diesem Zweck beim Inbetriebsetzen die Spannung zwischen den Elektroden nur allmählich gesteigert, damit die Intensität gegebenenfalls dennoch auftretender Entladungen beschränkt wird (sogenanntes »Abfunken, Altern«).

Eine andere, nie völlig zi· vermeidende Ursache von Vakuumdurchschlag ist die Feldemission von punkt- oder drahtförmigen Ansätzen besonders geringer Abmessungen auf einer negativen Elektrode. Auch bei den sonst befriedigendsten Bearbeitungsververfahren sind solche Ansätze stets vorhanden.

Das Vorhandensein dieser Ansätze hat zur Folge, daß an deren freien Enden — auch im Zusammenhang mit den kleinen Krümmungsradien — die Feldstärke erheblich höher als die makroskopische Feldstärke ist Der Feldverstärkungsfaktor, d. h. das Verhältnis zwischen der Feldstärke an den Spitzen der Ansätze und der makroskopischen Feldstärke, beträgt z. B. für Kupfer in völlig reinem Zustand und unter optimalen

ίο Vakuumbedingungen etwa 100. Beim Vorhandensein von Verunreinigungen und unter schlechten Vakuumbedingungen kann der Feldverstärkungsfaktor auf einige Hundert oder sogar auf mehr als 1000 ansteigen. Unter dem Einfluß der hohen Feldstärken tritt von den Ansätzen her Feldemission auf. Je nach der Konfiguration, den Materialeigenschaften und der Form der zwischen den Elektroden angelegten Spannung (kontinuierlich oder impulsförmig) führt diese Feldemission zu einer örtlich derart hohen Temperatur einer der Elektroden (der negativen oder der positiven Elektrode), daß Dampf gebildet wird. Die in diesem Dampf auftretende Ionisation führt mindestens einen Durchschlag herbei.

Aus den US-PS 29 55 229 und 32 52 034 ist bekannt, die Elektroden, die die Wechselwirkungsspalte in Klystron-Hohlraumresonatoren begrenzen, mit einer Titanschicht zu überziehen. Das Bestreben geht dahin, die Sekundäremission dieser Elektroden herabzusetzen. Die auftretende Sekundäremission kann entweder die Elektrode selbst oder die keramischen Fenster in den Hohlraumresonatoren beschädigen. Beim Überziehen der Elektroden mit einer Titanschicht, deren Dicke nach der letzteren der zwei US-PS etwa 1000 ÄE beträgt, werden auch etwa vorhandene keramische Fenster mit einer nicht zusammenhängenden Schicht mit einer Dicke von 100 ÄE überzogen. Die hier beschriebene Anwendung eines Titanüberzuges geht von dem Auftreten einer Sekundäremission in hochfrequenten elektrischen Feldern aus. Eine derartige Sekundäremission kann aber in Gleichspannungs- oder Niederfrequenz-Wechselspannungsfeldern nicht auftrete".

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene elektrische Hochvakuum-Entladungsröhre derart auszubilden, daß die durch Feldemission von punkt- oder drahtförmigen Ansätzen her eingeleiteten Durchschläge weniger leicht auftreten, so daß höhere makroskopische Feldstärken zugelassen werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektroden, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Feldstärke auftritt, aus Kupfer bestehen, das mit einer ununterbrochenen Titan- oder Zirkonschicht mit einer Dicke von 10 bis 50 ÄE überzogen ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die zulässige Feldstärke bis zu 20 kV/mm und höher betragen kann. Dadurch sind u. a. gedrängtere Bauarten erzielbar. Dies ist auch bei Vakuumschaltern von Vorteil, bei denen außer den Kontakten noch Schirmelektroden vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß in den aus Kupfer bestehenden Ansätzen die Temperaturerhöhung infolge der Joule-Wärme des Feldemissionsstromes gering ist, weil sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit von Kupfer hoch sind.

Besteht jedoch die Elektrodenoberfläche aus Titan oder Zirkon, so ist deren Dampfspannung niedriger als die von Kupferoberflächen, während die dünne Titan- oder Zirkonschicht keinen Einfluß auf die elektrische und

thermische Leitfähigkeit von Kupferoberflächen ausübt. Auch werden etwa durch die Erhitzung frei werdende Gase, wenigstens in nicht zu großen Mengen, gut gebunden. Ähnliche Erwägungen gelten für die positive Elektrode von Hochvakuum-Entladungsrohren, die als Vakuumschalter verwendbar sind.

Um eine ununterbrochene Titan- ccier Ziirkonschicht zu erhalten, wird diese Schicht vorzugsweise durch Aufdampfen angebracht

Ausführungsbeispiele einer Hochvakuum-Emladungsröhre nach der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. t eine Hochvakuum-Entladungsröhre für Meßzwecke,

F i g. 2 schematisch einen Teil eines Elektronenmikroskops,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Röntgenröhre,

F i g. 4 einen Schnitt durch das Elektronenstrahlerzeugungssystem einer Bildröhre, und

F i g. 5 einen Schnitt durch einen Vakuumschalter.

In F i g. 1 liegen in einer Glasrohre 1 zwei Kupferelektroden 2 und 3, die mit einer Titanschicht 4 und 5 überzogen sind. Die Kupferelektroden 2 und 3 weisen einen Durchmesser von 18 mm auf, während der gegenseitige Abstand der Elektroden 0,25 mm beträgt. Die Dicke der Titanschichten 4 und 5 ist 40 ÄE. Bei einem Vakuum vuü 10~⁹ Torr betrug bei einem Spannungsunterschied von 5kV zwischen den illektroden 2 und 3 der Strom weniger als 10-¹²A. Dieser hohe Isolierungswert wurde mehrere Wochen beibehalten.

In F i g. 2 bezeichnet 20 die V-förmige Glühkathode eines Elektronenmikroskops; 21 bezeichnet das Gitter und 22 die Beschleunigungsanode. Das Objekt ist mit 23 und der Fluoreszenzschirm ist mit 24 bezeichnet.

Eine Anzahl elektromagnetischer Linsen ist mit 25 bis 28 bezeichnet. Das Gitter 21 und die Anode 22 bestehen aus Kupfer und sind auf den einander zugekehrten Seiten mit einer Zirkonschicht 29 mit einer Dicke von 30 ÄE überzogen, die gestrichelt angedeutet ist. Bei einem Abstand von 5 mm zwischen dem Gitter 21 und der Anode 22 kann der Spannungsunterschied mehr als 125 kV betragen.

Die Röntgenröhre nach Fig.3 besteht aus einer Glasumhüllung 30, in der eine von einem Kathodenschirm 32 umgebene Kathode 31 angeordnet ist. Ein Anodenzylinder 33 mit Hilfe einem Stück Rohr größerer Weite 34 aus einer Anschmelzlegierung an dem Glas festgeschmolzen. Dieser Anodenzylinder 33 mit exzentrischer Dickenverteilung dient dazu, mit Hilfe eines nicht dargestellten Magnetsystems das Elektronenbundel auf die Mitte 36 einer Wolfranianode 35 zu konzentrieren. Die Strahlung kann durch ein dünnes Berylliumfenster 37 austreten. Der Abschirrnbecher 32 und der Anodenzylinder 33 aus einer dickeren Kupferschicht sind an den einander nahe liegenden Teiten mit einer gestrichelt angedeuteten Titanschicht 38 mit einer Dicke von 50 ÄE überzogen. Die Spannung der Röntgenröhre beträgt 150 kV bei einem Abstand zwischen dem Kathodenschirm 32 und dem Anodenzylinder 33 von 7 mm.

In Fig.4 wird das Elektronenstrahlerzeugungssystem einer Bildröhre durch eine Kathode mit einer Oberfläche 40, ein erstes Gitter 41, ein zweites Gitter 42, eine mit einem rohrförmigen Ansatz 43 versehene Anode 44 und Linsenelektroden 45 und 46 gebildet. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter beträgt 0,25 mm. Das erste Gitter weist in bezug auf die Kathode eine Spannung von —175V und das zweite Gitter eine Spannung von +3000 V auf. Die Anode 44 weist in bezug auf die Kathode eine Spannung von + 25 kV auf, während die Elektrode 45 eine Spannung von + 7200 V und die Elektrode 46 wieder eine Spannung von +25 kV aufweist. Der Abstand zwischen dem rohrförmigen Ansatz 43 und dem Gitter 42 ist kleiner als 1 mm; die gegenseitigen Abstände der Elektroden 44, 45 und 46 betragen 1 mm. An allen Stellen diener aus Kupfer bestehenden Elektroden, an denen hohe Feldstärken auftreten, ist die gestrichelt dargestellte Titanschicht 47 mit einer Dicke von 20 A E angebracht. Durch diese Maßnahme kann nicht nur die Feldstärke zwischen den Elektroden 41 und 42 und dem rohrförmigen Ansatz 43 gesteigert werden, sondern die Verengung der Spalte zwischen den Elektroden 44 und 46 ergibt auch den Vorteil, daß isolierende Teile, wie Stützstäbe und die Röhrenwand in der Nähe dieser Spalte, die sich auf unkontrollierbare Weise aufladen, einen geringeren Einfluß auf das Elektronenstrahlbündel ausüben.

In Fig.5 besteht der Vakuumschalter aus einem zweiteiligen keramischen Gehäuse 50 mit Endplatten 51 und 52 aus Kupfer. Elektroden 53 und 54 sind mit je einem Balgen 55 und einem Stab an den Endplatten 51 und 52 befestigt. Drei Schirmelektroden 56, 57 und 58 schützen die Keramikwand 50 vor zerstäubendem Material. Die einander nahe liegenden Ränder der aus Kupfer bestehenden Schirmelektroden 56, 57 und 58 sind mit einer gestrichelt dargestellten Titanschicht 59 mit einer Dicke von 50 ÄE überzogen. Die Abstände betragen 5 mm und die Spannung am geöffneten Schalter ist 125 kV eff, 50 Hz.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrische Hochvakuum-Entladungsröhre mit mindestens zwei nichtemittierenden Elektroden, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Feldstärke auftritt, und von denen wenigstens eine aus mit Titan oder Zirkon beschichtetem Kupfer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Feldstärke auftritt, aus Kupfer bestehen, das mit einer ununterbrochenen Titan- oder Zirkonschicht mit einer Dicke von 10 bis 50 A E überzogen isL