DE2325136C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Nichtthermische Elektronenröhren weisen im allgemeinen eine elektronenemittierende Oberfläche, also eine Kathode auf, die im Gegensatz zu thermischen Kathoden (wie sie z. B. aus der US-PS 33 07 974 bekannt sind) für den Betrieb der Röhre nicht geheizt werden muß. Die Kathode besteht im allgemeinen aus einer Schicht aus Halbleitermaterial, deren Oberfläche in der Weise cäsiumbehandelt worden ist, daß eine die Austrittsarbeit herabsetzende Schicht aus Cäsium, Cäsium und Sauerstoff oder Fluor darauf aufgebracht worden ist.

Bei solchen Kathoden, bei denen das Halbleitermaterial Silicium der eine Verbindung oder Legierung der Elemente der Gruppen HA und VA oder MB und VIA des periodischen Systems der Elemente ist, wird beim Aufbringen der die Austrittsarbeit herabsetzenden Schicht die Kathodenschicht einmalig auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt, nämlich in der Größenordnung zwischen 400° C und 600° C, nachdem die Kathodenschicht in der Röhre montiert worden ist. Solche Kathoden sowie die dabei vorgenommener. Aktivierungsverfahren werden beispielsweise in den US-PSen 35 75 628, 36 30 587, 36 32 442 und 36 44 770 und in der DE-PS 9 26 804 beschrieben.

Ein übliches Mittel zur Durchführung des Aufheizvorganges besteht aus einer geheizten Drahtwendel, die eng benachbart der Rückseite eines Metallsubstrats angeordnet ist, auf dem sich die Halbleiterschicht befindet Wenn die Drahtwendel geheizt wird, heizt die von ihr ausgehende Strahlungsenergie das Metallsubstrat und die Kathodenschicht auf. Weiterhin kann man für den Aufheizvorgang eine fokussierte externe intensive Lichtquelle, wie etwa eine Quarzlampe hoher Intensität in Verbindung mit einem Parabolspiegel benutzen. Das Licht wird durch das transparente Röhrengefäß direkt auf das Kathodenmaterial fokussiert. Bei diesen beiden Verfahren wird der Wärmeübergang durch Strahlungsenergie bewirkt, so daß erhebliche Wärmemengen an ander Komponenten der Röhre verlorengehen. Zum Beispiel kann bei Fotovervielfacherröhren ein Teil der von der Drahtwendel abgegebenen Strahlungsenergie als Strcustrahlung auftreten und die in der Nähe angeordneten Dynoden aufheizen, so daß diese beschädigt werden. Ferner kann auch eine gewisse Menge der Strahlungsenergie von dem Metallsubstrat der Kathode zu anderen Komponenten reflektiert werden. In ähnlicher Weise wird das fokussierte Licht von der externen Lichtquelle beim Durchgang durch das Röhrengefäß reflektiert und ferner auch von der Kathodenschicht selbst zu anderen internen Röhrenkomponenten reflektiert. Wenn eine daneben befindliche Dynode, die eine Antimonschicht aufweist, während der Aufheizung der Kathode ebenfalls aufgeheizt wird, verdampft das Antimon von der Dynodenoberfläche zu anderen Teilen des Röhrengefäßes, wodurch die Arbeitsweise der Röhre beeinträchtigt wird. Weiterhin ist bei den gegenwärtig benutzten Methoden die Aufheizung häufig ungleichmäßig. Das hat Ungleichmäßigkeiten der Betriebseigenschaften der aktivierten Kathode zur Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenröhre zu schaffen, bei der die Aktivierung des Kathodenmaterials mit einer relativ geringen Wärmeentwicklung auskommt, wobei insbesondere die übrigen Röhrenteile praktisch überhaupt nicht oder nur wenig aufgeheizt werden und das Kathodenmaterial selbst über die Kathodenfläche hinweg gleichmäßig erwärmt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung erfolgt die Aufheizung durch Wärmeleitung anstatt durch Wärmestrahlung. Der direkte Wärmeleitungskontakt hat eine Wärmeübertragung zwischen der Heizung und der Kathode mit wesentlich höherem Wirkungsgrad zur Folge. Daher muß die Heizung nicht auf derartig hohe Temperaturen aufgeheizt werden, die eine zerstörerische Streustrahlung zu anderen Röhrenkomponenten zur Folge haben wurden. Ferner wird die Kathodenschicht gleichmäßig aufgeheizt. Nach Aktivierung der Kathode wird der Heizer zu einer passiven Struktur, da die nichtthermische Kathode für ihren Betrieb nicht geheizt zu werden braucht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigt

Fi g. 1 eine teilweise im Schnitt gezeigte Fotovervielfacherröhre,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Querschnittansicht der Röhre von Fig. 1 entlang de·· Schnittlinie 2-2 von Fig. 1,

Fig.3 eine Draufsicht auf die eine Oberfläche der Kathodenelektrode der Röhre der F i g. 1 und 2, und

Fig.4 c:r.e Draufsicht auf die entgegengesetzte Oberfläche der Kathodenelektiode von F i g. 3.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Fotovervielfacherröhre 10 enthält eine Fotokathodenanordnung 12, die zusammen mit einer Anzahl von cäsium-antimonii-überzogenen Dynoden 16 zur Elektronenvervielfachung, einer Anzahl von Feldelektroden 18 und einer Anode 20 zum Einfangen der vervielfachten Elektronen, die von einer Dynode 16 zur anderen etwa entlang dem durch die gestrichelten Linien 22 angedeuteten Weg wandern, in einem Glasgefäß 14 eingeschlossen ist. (n dem Gefäß 14 sind ferner in den Zeichnungen nicht gezeigte Quellen von Cäsium und Sauerstoff zur Aktivierung der Fotokathode der Anordnung 12 eingeschlossen.

Die Fotokathodenanordnung 12 wird im Detail in den F i g. 3 und 4 gezeigt und enthält ein dünnes rechteckiges Plättchen 24 ai- Aluminiumoxid (AI2O3), das etwa lern breit, 3,5cm lang und 0,5mm dick i■;. Eine Oberfläche des Plättchens ist mit einer rechteckigen Metallschicht 26, bestehend aus einer etwa 25 μ dicken Molybdänschicht, versehen, die durch Aufbringen im Siebdruckverfahren und Aufbrennen einer Molybdän Steatit-Metallisierungsfarbe hergestellt worden ist, die üblicherweise zum Metallisieren von Keramikgegenständen benutzt wird. Ein vorderer Abschnitt 28 der Metallschicht 26 erstreckt sich bis zu einem Kontaktbefestigungsloch 30 am unteren Ende des Plättchens 24 Auf der Metallschicht 26 befindet sich eine dünne elektronenemissionsfähige, die Kathode 31 bildende Schicht von aus der Dampfphase aufgewachsenem polykristallinem Galliumarsenid-Phosphid mit einer Schichtdicke zwischen etwa 5 und 30 μπι, wobei der Gehalt an Galliumarsenid etwa 80% beträgt.

In Fig.4 ist die entgegengesetzte Oberfläche des Plättchens 24 mit einer Molybdänschicht versehen, die im Zickzackmuster aufgetragen ist. Diese streifenförmige Schicht hat eine in etwa gleichmäßige Breite und ist ungefähr 25 μπι dick, so daß ein in Kontakt mit dem Plättchen 24 stehender, als elektrische Widerstandsheizung wirkender Streifen 32 gebildet ist. Jedes Ende des als elektrische Widerstandsheizung wirkenden Streifens 32 erstreckt sich zu einem anderen Kontaktloch 30 bzw. 34 an der Basis des Plättchens 24. Der Heizstreifen 32 kann durch das Aufbringen von Molybdän-Sxeatit-Farbe im Siebdruckverfahren und durch darauffolgendes Aufbrennen gebildet werden. In der Nähe des oberen und des unteren Endes des Keramikplättchens 24 sind Langlöcher 36 bzw. 38 vorgesehen, die sich fast über die ganze Breite des Plättchens 24 erstrecken. Diese Langlöcher 36 und 38 stellen Wärmesperren dar, die dazu dienen, die Gleichmäßigkeit der Aufheizung durch Geringhaltung der Wärme"=r!uste an den Enden des Plättchens 24 zu verbessern. Zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung ist ferner der Heizstreifen 32 an den Abschnitten 40 und 42 in der Nähe der als Wärmesperren wirkenden Langlöcher 36 und 38 etwas verschmälert. Dies dient dem Zweck, die Wärmeabgabe der Widerstandsheizung in diesen Bereichen zu erhöhen, um die Wärmeverlustfi auszugleichen, die trotz der Wärmesperren an dem oberen und dem unteren Ende des Plättchens auftreten.

Aufgrund dieser Ausbildung der Kathodenanordnung 12 erfolgt die Aufheizung der Fotukathodenschicht 31 durch direkte Wärmeleitung. Da nur ein relativ geringer Wärmeverlust an andere Röhrenkomponenten wie etwa die Dynoden 16 stattfindet, wird ein unerwünschtes Verdampfen von Antimon von den Dynoden 16 vermieden.

Elektrische Zuleitungen 44 aus hochtemperaturbesiändigem Federmetall werden an dem Plättchen 24 mittels der Löcher 30, 34 in der Basis des Plättchens 24 befestigt, nachdem dieses in der Röhre 10 montiert worden ist, wie in Fi g. 1 gezeigt ist

Die Erfindung kann bei verschiedenen Arten von Elektronen emittierenden Röhren Anwendung finden, bei denen nichtthermische Kathoden verwendet werden und bei denen es erwünscht ist, eine unnötige Aufheizung anderer interner Komponenten der Röhre beim Aktivieren der Kathode zu vermeiden. Derartige nicht-thermische Kathoden werden im allgemeinen aktiviert durch Aufbringen einer Schicht aus Cäsium. Cäsium und Sauerstoff oder Cäsium und Fluor und darauffolgendes Aufheizen der Kathode auf eine erhöhte Temperatur. Bei der Kathode kann es sich dabei um eine Emitterkathode mit in Durchlaßrichtung vorgespannter Sperrschicht, um eine Fotokathode oder um einen Sekundäremitter handeln. Der Halbleiter kann irgendein für eine Kathodenschicht geeigneter Halbleiter sein. Zum Beispiel kann es sich um Silicium oder um eine Verbindung oder Legierung zwischen den Gruppen IHA und VA oder den Gruppen HB und VIA des periodischen Systems der Elemente handeln.

Die Dicke des keramischen Materials für das Plättchen ist vorzugsweise groß genug, um auf der Kathodenseite eine einigermaßen gleichmäßige Temperatur zu erhalten. Wenn das Substrat zu dick ist, besteht jedoch die Gefahr, daß aufgrund von thermischen Spannungen Keramikmaterial absplittert. Für das Muster des Heizelements kommen verschiedene Muster in Frage, die eine über die Oberfläche relativ gleichmäßige Wärmeentwicklung bewirken. Es ist jedoch, wenn es sich um ein längliches Substratplättchen handelt wie in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, wünschenswert, für eine zusätzliche Wärmezufuhr zu dem Substratplättchen in der Nähe der Enden desselben zu sorgen.

Es können verschiedene Metalle für den Heizstreifen und für die Metallisierung der emittierenden Kathodenfläche verwendet werden. Schwer schmelzbare Metalle wie etwa Molybdän und Wolfram werden vorzugsweise verwendet, wenn die Kathodenschicht auf dem Substratplättchen direkt aus der Dampfphase aufwachsen muß. Dies beruht auf den schwierigen Bedingungen, die beim Aufbringen von lll-V-Verbindungen aus der Dampfphase in dem betreffenden Ofen eingehalten werden müssen. Während des Aufwachsens der Kathodenschicht wird das Substratplättchen hochreaktionsfähigen Gasen bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 1000° C ausgesetzt. Molybdän und Wolfram sind die einzigen allgemein im Gebrauch befindlichen Metalle, die diese besonderen Bedingungen aushalten und mit den Ill-V-Verbindungen so weit verträglich sind, wie das zum Aufwachsen einer Schicht mit genügend regelmäßiger Kristallordnung im Interesse einer wirksamen Arbeitsweise der Kathodenschicht erforderlich ist. Wenn die Kathodenschicht selbst

genügend leitfähig ist, um ohne eine darunter befindliche metallisierende Zwischenschicht zu arbeiten, kann die Kathodenschicht direkt auf das keramische Material aufgebracht werden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Substratplättchen zwar um ein verhältnismäßig lichtundurchlässiges Aluminiumoxid; es könnten jedoch auch andere keramische Oxidmaterialien verwendet werden, beispielsweise Saphir oder Spinell. Die Wahl des Keramikmaterials ist nicht kritisch. Es muß für |₀ die in der fertigen Röhre verlangten Vakuumbedingungen geeignet sein. Vorzugsweise ist das Keramikmaterial dafür geeignet, mit Molybdän oder Wolfram metallisiert zu werden, und ist fähig, die Temperaturen auszuhalten, die zur Bildung der Kathodenschicht und zum Aktivieren der Schicht nach Einfügung der Struktur in das Röhrengefäß erforderlich sind. Hochaluminium haltige Keramikstoffe sind besonders geeignet.

Das Heizmuster kann sich auf derselben Seite de: Keramiksubstrats befinden wie die Kathode und kanr von der Kathodenschicht durch eine dazwischet angeordnete elektrisch isolierende Schicht wie etw; Siliciumdioxid getrennt sein oder in direktem Beruh rungskontakt mit der Kathodenschicht stehen. Da: Heizmuster steht in direktem Wärmeleitungskontak mit der Kaihodenschicht, wobei unter direkten Wärmeleitungskontakt verstanden wird, daß die War meübertragung von dem Heizmuster zu der Kathoden schicht primär durch Wärmeleitung erfolgt, und zwa entweder durch direktem Berührungskontakt oder übe ein dazwischen befindliches thermisch leitendes Mate riai.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektronenröhre mit einem evakuierten, vakuumdicht verschlossenen Gefäß, in dem eine Anzahl von im Abstand voneinander befindlicher Elektroden montiert ist, von denen eine eine nichtthermische elektronenemissionsfähige Kathode ist, die auf der einen Oberfläche eines dünnen keramischen Plättchens gebildet ist und eine die Austrittsarbeit von Elektronen verringernde Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Plättchen (24) in direktem Wärmeleilungskontakt mit der Kathode (31) ein aus einem metallischen Widerstandsstreifen (32) bestehendes Heizelement angebracht ist.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Widerstandsstreifen (32) sich auf der einen OberP.äche des Plättchens (24) befindet.

3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenemissionsfähige Kathode (31) eine auf der einen Oberfläche des Plättchens angeordnete Metallschicht (26), eine auf dieser Metallschicht angeordnete Halbleiterschicht und eine auf der Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnete, die Austrittsarbeit herabsetzende Schicht aus Cäsium und Sauerstoff oder Cäsium und Fluor aufweist.

4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Widerstandsstreifen (32) im wesentlichen aus Molybdän oder Wolfram besteht.

5. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mindestens ein Element der Gruppen IHA, VA, MB und VIA des periodischen Systems der Elemente enthält.

6. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikplättchen (24) rechteckig und an jedem Ende mit je einem quer über das Plättchen verlaufenden Langloch (36,38) versehen ist und daß der metallische Widerstandsstreifen (32) sich zwischen den Langlöchern auf dem Plättchen erstreckt.

7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Widerstandsstreifen (32) im wesentlichen gleichmäßige Breite aufweist, sich im Zickzackmuster zwischen den Langlöchern (36, 38) erstreckt und neben jedem Langloch je einen Abschnitt (40,42) verringerter Breite enthält.