DE2215784C3

DE2215784C3 - Direkt geheizte Kathode für Elektronenröhren

Info

Publication number: DE2215784C3
Application number: DE2215784A
Authority: DE
Inventors: Takushi Ushiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1971-04-02
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1982-03-04
Also published as: GB1343012A; US3783330A; DE2215784B2; CA946908A; DE2215784A1

Description

Die Erfindung betrifft eine direkt geheizte Kathode für Elektronenröhren mit einem aus einem flachen Band bestehenden Heizelement, d.js einen flachen Teil mit tinem damit verbundenen Kathodenbasisplättchen und •in Paar im wesentlichen senkrecht dazu abgebogener Seitenteile umfaßt, mit einer Lmissionsschieht auf dem Kathodenbasisplättchen und mit Halterungen für die Seitenteile des Heizelements.

Bei herkömmlichen direkt; geheizten Kathoden ist eine thermionische Emissioinsschicht fest mit einem Heizelement zur Aufheizung dieser Schicht Verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Anlaufzeit recht kurz ist. Eine derartige Kathode hat jfcdoch den Nachteil, daß die Charakteristika und insbesondere die Sperrspannung der Elektronenröhre sich auf Grund einer durch thermische Ausdehnung hervorgerufenen örtlichen Verlagerung def Emissionsschichf verändern.

Es ist bekannt, die Wärmeausdehnung des Heizelements durch Federn zu kompensieren. Bei der Aufheizung auf hohe Temperaturen geht jedoch die Federkraft verloren (DE-OS 15 62 027).
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine direkt geheizte Kathode der genannten Art zu schaffen, deren elektrische und mechanische Eigenschaften sich bei Gebrauch nicht ändern.
Diese Aufgaoe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement aus einem Metallband mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 110 μΩ · cm bei 800° C, mit einer Zugfestigkeit von mehr als 15 kg/mm², m.t einer Dicke von 20 bis 50 μΐη und mit einer Breite von 0,5 bis 1,5 mm besteht, daß die Länge des flachen Teils des Heizelements 0,5 bis 2,5 mm beträgt, daß der Abstand von dem flachen Teil zur Kontaktstelle zwischen dem Seitenteil des Heizelements und der Halterung 0,5 bis 3,0 mm beträgt daß die Dicke des Kathodenbasisplättchens 40 bis 120 μπι beträgt und daß das Verhältnis der Fläche des Kathodenbasisplättchens zur Kontaktfläche zwischen dem Heizelement und dem Kathodenbasisplättchen im Bereich von 1,0 bis 2,0 liegt

Eine derartige Kathode eignet sich insbesondere für

Kathodenstrahlröhren. Überraschenderweise wird durch die spezielle Auswahl der physikalischen Eigenschaften, der Abmessungen und der Gestalt des Heizelements und der Kathode der direkt geheizten Kathode eine Änderung der elektrischen und mechanisehen Eigenschaften verhindert, und die Zugfestigkeit und die Schlagfestigkeit werden stark erhöht Der Aufbau der Kathode ist sehr einfach. Die Sperrspannung ist nur geringen Veränderungen unterworfen, und die Emissionscharakteristik ist stabil. Der Koeffizient

j; der thermischen Leitfähigkeit ist günstig, und die Anlaufzeit ist gering. Ferner ist die Auflösung einer mit dieser Kathode ausgerüsteten Kathodenstranlröhre sehr groß.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen direkt geheizten Kathode,

F i g. 2 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur der Kathode, und der Spannung, mit welcher das Heizelement der direkt geheizten Kathode bzw. einer indirekt geheizten Kathode beaufschlagt wird,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen zweier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen direkt so geheizten Kathode.

Fig. 5 bis 11 grafische Darstellungen der Beziehung zwischen verschiedenen Parametern der direkt geheizten Kathode und der Temperatur bzw. der Anlaufzeit,

Fig. 12 eine grafische Darstellung der Temperatures Charakteristik der erfindungsgemäßen direkt geheizten Kathode und

Fig. 13 und 14 grafische Darstellungen der charakteristischen Kurven der Wärmeausdehnung der direkt geheizten Kathode.

Eine thermionische Emissionsschicht 1 (gemäß Fig. 1) besteht aus komplexen Carbonaten des Bariums, des Strontiums und des Kalziums, [(Ba, Sr, Ca)_n CO3], welche durch Erhitzen und Reduktion über die Oxyde in die Metalle umgewandelt werden. Diese Schicht 1 ist mit der Oberfläche eines Kathodenbasisplättchen 2 verbun* den, Die der thermionischen Emissionsschicht 1 abgewandte Seite des Kathodenbasisplättchens 2 ist mit einem Heizelement 3 Verbunden, Das eine Ende des

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Heizelements 3 ist mit einer Halterung 4 und das andere Ende mit einer Halterung 5 verbunden. Die Halterungen 4 und 5 sind an einem isolierenden Träger 6 befestigt und dienen als Anschlüsse für das Heizelement 3.

Obwohl das Kathodenbasisplättchen bei einer direkt geheizten Kathode das Heizelement direkt berührt, muß man doch mit einem durch Wärmeleitung verursachten Wärmeverlust während des Wärmeübergangs vom Heizelement zum Kathodenbasisplättchen rechnen. Da nun die thermionische Emissionsschicht 1 während der Evakuierstufe und der Reduzierstufe auf 1000 bis 1200° C erhitzt werden muß, ist es somit erforderlich, das Heizelement auf etwa 1200 bis 1400⁰C zu erhitzen.

Bei dieser herkömmlichen Kathode ist die Differenz zwischen der Temperatur beim Evakuieren und Reduzieren und der Temperatur für die thermionische Emission zu groß, und die Differenz der angelegten Heizspannungen ist ebenfalls zu groß. Ferner sollte das Verhältnis der Temperaturänderung zur Änderung der angelegten Spannung gering sein.

Die F i g. 2 zeigt die Beziehung zwischen der an die Kathode angelegten Spannung und der Kathodentemperatur. Wenn das Heizelement mit der Spannung A beaufschlagt wird, so stellt sich die Kathodentemperatur A'ein, bei der Emission stattfindet. Bei der Spannung B ergibt sich die Kathodentemperatur B, und die Umwandlung in Oxyde oder die Reduktion der Erdalkalioxyde zu den Metallen findet statt. Bei dieser direkt geheizten Kathode berührt das Heizelement 3 das Kathodenbasisplättchen 2, und der Querschnitt de„ Heizelements wird relativ klein, so daß der Strahlungswärmeverlust geringer als der Leitungswärmeverlust ist Der Strahlungsverlust ist gemäß dem Gesetz von Stefan und Boltzmann der vierten Potenz der absoluten Temperatur (T*) proportional. Demgemäß ist der Strahlungsverlust im Bereich hoher Kathodentempera türen erheblich, während der Leitungswärmeverlust im Bereich niedriger Kathodentemperaturen erheblich ist. Diesen Sachverhalt spiegelt die Kennlinie 7 gemäß Fig. 2 für die direkt geheizte Glühkathode wider. Für die indirekt geheizte Kathode gilt die Kennlinie 8.

Aus theoretischer Sicht ist angenommen worden, daß es schwierig ist, die Kennlinie 8 bei direkt geheizten Kathode; zu verwirklichen. Bt: der Kennlinie 7 bewirken Fluktuationen der Heizspannung stärkere Fluktuationen der Kathodentemperatur als bei der Kennlinie 8. Aus diesem Grund beträgt die Heizspannung A zur Erzeugui.j der Temperatur A' (Fig. 2) vorzugsweise 70 bis 90% der Heizspannung B.

Die dir skt geheizte Kathode nach der Erfindung hat auf Grund der speziell gewählten Parameter der Kathode eine günstige Kennlinie. Das Material des Heizelements soli einen hohen elektrischen Widerstand haben, da die Temperaturerhöhung der durch den im Heizelement fließenden Strom erzeugten Joulschen Wärme proportional ist. Das Materia! soll eine hohe Zugfestigkeit haben, um zu verhindern, daß sich das Heizelement bei hohen Tempeiaiuren deformiert. Vorzugsweise sind die spezifische Wärme, die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit niedrig, damit die Anlaufzeit gering ist. Die Güteziffer des Materials des Heizeie^ mems einer direkt geheizten Kathode ergibt sich aus folgender Formel:

Hi I R¹F

wobei die Abkürzungen die folgende Bedeutung haben:

FM = Güteziffer,

R = spezifischer elektrischer Widerstand (ß · cm),
F = Festigkeit (kg/mm²),

C = spezifische Wärme (cal/g° C),
ρ = Dichte (g/cm³).

Untersuchungen von direkt geheizten Kathoden mit verschiedenen FM-Werten haben gezeigt, daß eine Güteziffer von mehr als 50 ausreicht, wenn R und Fbei 800⁰C gemessen werden. Metallische Materialien mit einer Güteziffer FM von mehr als 50 bei 800° C sind z. B. Rhenium, Titan, Fe-Ni-Mo-Legierung od. dgl.

Es ist erforderlich, daß das metallische Material eine Zugfestigkeit von mehr als 15 kg/mm² bei 800⁰C hat. Gemäß F i g. 3 umfaßt das Heizelement ein flaches Teil 9, welches das Kathodenbasisplättchen trägt, sowie ein Paar Seitenteile 10 und 11, weiche im wesentlichen rechtwinklig zum flachen Teil 9 siehen. Am anderen Ende sind die Seitenteile 10 und rl sowie flache Bereiche 12 und 13 im wesentlichen rechtwinklig abgebogen. Die flachen Bereiche 12 und 13 -ind auf Halterungen 4 und 5 befestigt

Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die Enden der Seitenteile 10 und 11 mit vertikalen Bereichen 4a und 5a der Halterungen 4 und "5 verbunden, welche ihrerseits an einem isolierenden Träger 6 befestigt sind.

Wenn die Dicke des Heizelements 9 erhöht wird, so erhöht sich die Festigkeit gegen eine Deformation des Heizelements, aber der elektrische Widerstand nimmt ab, und der Kontaktwiderstand an den Sockelanschlüssen tritt stärker hervo,·, während die Stromstärke erhöht wird. Bei einer direkt geheizten Kathode muß der Wärmeleitungsverlust im Heizelement herabgesetzt werden. Dies erfordert jedoch eine Verringerung der Dicke des Heizelements. Andererseits muß jedoch das Heizelement eine Schlagfestigkeit von maximal etwa d°m 15fachen Wert des Gewichts haben, um der Beanspruchung bei der Handhabung und dem Transport der Elektronenröhren standzuhalten. Dies erfordert eine gewisse Dicke. Aus diesen Gründen sull die Dicke des Heizelements im Bereich von 20 bi: 50 μηι liegen.

Das Verhältnis der Heizelementspannung bei einer Kathodentemperatur von 1000⁰C zur Heizelementspannung bei einer Kathodentemperatur von 800° C soll mit TkR bezeichnet werden. Dieses VerhältnisTkR gemäß F i g. 2 sollte möglichst hoch sein. Es kann bei der

so indirekt geheizten Kathode einen Wert von 140 bis 150% haben. Es wurde gefunden, daß das Verhältnis TkR sich mit der Zunahme der Breite des Heizelements erhöht (Fig. 5). Andererseits nimmt der elektrische Widerstand mit abnehmender Breite ab. Demgemäß beträgt die Breite des Heizelements 0,5 bis 1,5 mm

Die Länge des flachen Teils 9 steht in Beziehung zur Wärmeleitfähigkeit für den Wärmeübergang zum Kathodenbasispi'.ttchen 2 und zu dem TkR. Die Wärmelei'fähigkeit soll mit Tk max bezeichnet werden.

Wenn man die Temperatur des Kathodenbasisplättchens 2 bei einer Temperatur des Heizelements 3 von 1300⁰C als Maß für die Wärmeleitfähigkeit nimmt, so gelten die in F i g. 6 !gezeigten Beziehungen zwischen TkR, Tk max und der Länge des flachen Teils 9. Aus diesen Beziehungen geht hervor, daß die Differenz zwischen der Temperatur des Heizelements 3 und der Temperatur des Kathodenbasisplättchens 2 rtiit zunehmender Länee des flachen Teils 9 zunimmt fund die

Wärmeleitfähigkeit abnimmt), während TkR zunimmt. Wenn die Länge des flachen Teils 9 sehr gering ist, so bereitet der Zusammenbau der Kathode Schwierigkeiten. Demgemäß beträgt die Länge des flachen Teils 0,5 bis 2,5 mm.

Die Dicke des Kathodenbasisplättchens 2 steht in Beziehung zur Anlaufzeit der Kathode (Fig.7). Es wurde gefunden, daß die Anlaufzeit sich bei einer Dicke von mehr als etwa 70 μιτι im wesentlichen nicht mehr ändert, während unterhalb einer Dicke von etwa 70 μιτι ίο die Anlaufzeit stark von der Dicke abhängt. Demgemäß ist es vorteilhaft, die Dicke des Kathodenbasisplättchens 2 zu verringern, um die Anlaufzeit herabzusetzen. Andererseits ist die Funktion des Reduktionsmittels im Kathodenbasisplättchen gestört und die Lebensdauer der Kathode herabgesetzt, wenn die Dicke zu gering ist. Demgemäß beträgt die Dicke des Kathodenbasisplätt' chens40bis 120 um

Es wurde gefunden, daß der Sp/SH [das Verhältnis der Fläche des Kathodenbasisplättchens 2 (Sp) zu der Berührungsfläche zwischen dem Heizelement und dem Kathodenbasisplättchen 2 (SHJ] zu den Werten TkR und Tk max sowie zu der Anlaufzeit in Beziehung steht (F i g. 8, 9 und 10). Zur Erhöhung von TkR sollte Sp/SH erhöht werden, d. h, die Fläche des Kathodenbasisplättchens sollte vergrößert werden. Um den Wert Tk max zu erhöhen, sollte der Wert Sp/SH herabgesetzt Werden. Um die Ansprechzeit zu verringern, sollte 5p/5//herabgesetzt werden. Demgemäß hat Sp/SHden Wert 1,0 bis 2,0.

Der Abstand zwischen dem flachen Teil 9 und der Berührungsstelle des Seitenteils 10 bzw. 11 und der Halterung 4 bzw. 5 wird mit HK bezeichnet. Die Beziehung zwischen HK und TkR bzw. Tk max sind in F i g. 11 dargestellt Wenn HK zunimmt, so nimmt auch TkR zu: Tk max nimmt jedoch ab. Demgemäß liegt HK im Bereich von 0.5 bis 3,0 und vorzugsweise im Bereich von 1.0 bis 3,0 mm.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Kathode hat die Heizelementplatte eine Dicke von 25 μιτι und eine Breite von 1 oder 0.6 mm. Das flache Teil hat eine Länge von 2 mm. und jedes Seitenteil hat eine Länge von 3 mm. Das Kathodenbasisplättchen hat eine Dicke von ΠΟμπι und eine Fläche von 2,25 mm². Das Heizelement besteht aus einer Legierung vom Typ Fe-Ni-Mo mit einem FM-Wert gemäß Formel (3) von 65.8. Dabei wird die Kennlinie gemäß F i g. 12 erhalten. Die Anlaufzeit der Kathode beträgt 1 see, und die Temperatur des Kathodenbasisplättchens beträgt 1100° C. wenn die Temperatur des Heizelements 1150° C beträgt.

Wenn die direkt geheizte Kathode in einer Elektronenröhre mit hoher Auflösung, z. B. in einer Kathodenstrahlröhre, verwendet wird, so hängt die Auflösung stark vom Abstand zwischen der Kathode und der Steuerelektrode ab. Demgemäß muß die durch Wärmeausdehnung hervorgerufene Dehnung der Kathode in Richtung zur Steuerelektrode hin berücksichtigt werden. Bei einem anderen AüsführUngsbeispiei wird eine Legierung vom Typ Fe-Ni-Mo mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 135 μΩ · cm und mit einer Zugfestigkeit von 800°C von 40 kg/mm² und mit einer spezifischen Wärme von 0,092 cal/g° C als Heizelement verwendet. Das Heizelement hat dabei eine Dicke von 25 μηι. Das flache Teil hat eine Länge von 1,5 mm, und der Abstand von dem flachen Teil zur Kontaktstelle zwischen dem Seitenteil und der Halterung beträgt 2 mm. Mit einem derartigen Heizelement wurde die Dehnung des Heizelements untersucht (Fig. 13 und 14). Gemäß Fig. 13 sinkt die Dehnung mit der Abnahme der Breite des Heizelements. Gemäß Fig. 14 nimmt die Dehnung mit dem abnehmenden Verhältnis Sp/SH ab.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Kathode besteht das Kathodenbasisplättchen aus Nickel und hat eine Dicke von ΙΙΟμπι und eine Fläche von 1,0 mm². Das Heizelement besteht aus einer Legierung vom Typ Fe-Ni-Mo mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 135μΩ·αη bei 800° C und mit einer Zugfestigkeit von 40 kg/mm² bei einer spezifischen Wärme von 0,092 cal/g°C. Das Heizelement hat eine Dicke von 25 μπι, eine Breite von 0.6 mm. und das flache Teil hat eine Länge von 1,5 mm. Der Abstand des flachen Teils zur Kontaktstelle zwischen dem Seitenteil und der Halterung beträgt 2 mm. Dabei beträgt die Dehnung des Heizelements bei 800°C 0,024 mm und bei 1200° C 0.056 mm, und die elektrische Leistung beträgt bei einer Kathndentemperatur von 800°C etwa 0,7 Watt. Die Dehnung des Heizelements hat etwa den halben Wert der Dehnung der Kathode bei herkömmlichen indirekt geheizten Glühkathoden.

Demgemäß ist es möglich, den Abstand zwischen der Kathode und der Steuerelektrode Ui dieser Ausführungsform (bei 800° C) auf 0,03 mm zu verringern. Bei herkömmlichen Kathoden beträgt der minimale Abstand zwischen der Kathode und der Steuerelektrode (bei 800° C) 0,06 mm. Demgemäß ist es möglich, bei Elektronenröhren mit der Kathode nach der Erfindung die Sperrspannung gegenüber herkömmlichen Röhren zu erhöhea die Strahlüberkreuzung zu vermindern und die Auflösung zu verbessern. Da die erforderliche elektrische Leistung gering ist, beobachtet man im wesentlichen keine Deformation der Steuerelektrode, so daß die Auflösung erheblich verbessert wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Direkt geheizte Kathode für Elektronenröhren mit einem aus einem flachen Band bestehenden Heizelement, das einen flachen Teil mit einem damit verbundenen Kathodenbasisplättchen und ein Paar im wesentlichen senkrecht dazu abgebogener Seitenteile umfaßt, mit einer Emissionsschicht auf dem Kathodenbasisplättchen und mit Halterungen für die Seitenteile des Heizelements, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) aus einem Metallband mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 110 μΩ · cm bei 800⁰C, mit einer Zugfestigkeit von mehr als 15 kg/mm², mit einer Dicke von 20 bis 50 μπι und mit einer Breite von 0,5 bis 1,5 mm besteht, daß die Länge des flachen Teils (9) des Heizelements (3) 0,5 bis 2,5 mm beträgt, daß der Abstand von dem flachen Teil (9) zur Kontaktstelle zwischen dem Seitenteil (10,11) des Heizelements (3) und der Halterune (4.5) 0,5 bis 3,0 mm beträgt, daß die Dicke des Kathodenbasisplättchens (2) 40 bis 120 μπι beträgt und daß das Verhältnis der Fläche des Kathodenbasisplättchens (2) zur Kontaktfläche zwischen dem Heizelement (3) und dem Kathodenbasisplättchen im Bereich von 1,0 bis 2,0 liegt.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) aus einer Legierung vom Typ Eisen-Nickel-Molybdän besteht.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende der Seitenteile (10, ll)des Heizelements^i) im wesentlichen rechtwinklig abgebogen ist und einen flachen Bereich (12, 13) bildet, welcher mit der Halten .ig (4, 5) verbunden ist

4. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement einen spezifischen elektrischen Widerstand von 135μΩ·αη bei 800°C. eine Zugfestigkeit von 40 kg/mm² bei 800° C, eine spezifische Wärme von 0,092 cal/g°C, eine Dicke von 25 μπι und eine Breite von 0,6 mm aufweist, daß der flache Teil (9) eine Länge von 1,5 mm aufweist, daß der Abitand von dem flachen Teil (9) zur Kontaktstelle zwischen dem Seitenteil (10, 11) des Heizelements (3) und der Halterung (4, 5) 2 mm beträgt und daß das Kathodenbasisplättchen aus Nickel mit einer Dicke von 110 μίτι und einer Fläcie von 1.0 mm² besteht.