DE2415153A1

DE2415153A1 - Gluehkathodenanordnung

Info

Publication number: DE2415153A1
Application number: DE2415153A
Authority: DE
Inventors: Algerd Basiulis
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1974-10-17
Also published as: US3813571A; GB1433454A; FR2224867B1; NL163056C; JPS503564A; DE2415153B2; NL7404192A; FR2224867A1

Description

Anmelder: Stuttgart, 25. März 1974

Hughes Aircraft Company P 2855 S/nu Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V. St. A.

Glühkathode nanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühkathodenanordnung, insbesondere für Wanderfeldröhren, mit einer Kathode, einem der Kathode benachbart angeordneten Heizelement und einer Anzahl in der Nähe der Kathode und des Heizelements angeordneter Wärmeschirme.

Ein Beispiel für eine solche bekannte Glühkathoden-

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anordnung ist in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt. Diese bekannte Glühkathodenanordnung umfaßt eine Kathode 10 mit einer emittierenden Stirnwand 11, die eine konkave, Elektronen emittierende Oberfläche und eine entgegengesetzte ebene Fläche 1$ aufweist, einen Kathodenträger 14, eine Kathodenhülse 16, ein Heizelement 20 mit einer Heizwendel 21 und Anschlüssen 22 und 23, einer wärmefesten, isolierenden Vergußmasse

24 für die Heizwendel 21, einen zylindrischen, Wärme reflektierenden Schirm 30, der die Kathode und das Heizelement umgibt, und eine zweite Wärme reflektierende Anordnung 40, die aus drei im Abstand voneinander angeordneten, Wärme reflektierenden Schirmen 41 besteht, die im Endbereich 17 der Kathodenanordnung angebracht sind. Die einzelnen Schirme 41 sind durch isolierende, rohrförmige Abstandshalter 42 getrennt, durch welche die Anschlüsse 22 und 23 hindurchlaufen. Der zylindrische Schirm 30 ist an Stellen 31 mit der Kathodenhülse 16 verbunden. Eine keramische Isolierscheibe

25 schließt den Endbereich 17 der Kathodenanordnung ab.

Die Stirnwand 11 der Kathode wird von dem Heizelement 20 auf etwa 1000°C erwärmt, um eine Glühemission von Elektronen aus der Kathode zu bewirken. Da außer der Kathode auch andere Bauteile auf etwa die gleiche Temperatur erwärmt werden, wird zum Betrieb einer solchen Kathodenanordnung eine relativ hohe Leistung benötigt. Der Zweck der Wärmeschirme besteht darin, den Leistungsbedarf zu reduzieren, indem von der Katho.de und anderen Komponenten abgestrahlte Wärme auf die Kathode

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reflektiert wird. Der Schirm 30 wird jedoch selbst Wärme an seine Umgebung ableiten und dadurch Wärmeverluste verursachen. Weiterhin haben bei der bekannten Kathodenanordnung die Schirme 30 und 41 die Tendenz zu schwingen, wodurch sie mechanische und elektrische Störungen verursachen können. Demgemäß ist diese bekannte Kathodenanordnung nicht ausreichend zuverlässig und kann dann nicht benutzt werden, wenn eine hohe Zuverlässigkeit verlangt wird, jedoch nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung steht, wie es bei der Anwendung von Wanderfeldröhren in Raumfahrzeugen der Fall ist.

Eine Glühkathodenanordnung der vorstehend beschriebenen Art ist im wesentlichen auch aus der US-PS 2 518 879 bekannt. Auch hier ist ein zylindrisch zur Kathodenanordnung angebrachtes Wärmeschild vorgesehen, das die gleichen Mängel aufweist wie das Wärmeschild bei der vorstehend behandelten Glühkathodenanordnung. Weiterhin ist aus der US-PS 2 888 592 eine Glühkathode bekannt, bei der die Elektronenemission von einer unmittelbar durch Stromdurchgang zum Glühen gebrachten Metallwolle stattfindet, die in einem wärmeisolierendeη Becher angeordnet ist. Hier bildet also die Wärmeabschirmung einen integrierenden Bestandteil der Kathodenanordnung, wie er bei Glühkathodenanordnungen der eingangs beschriebenen Art, die eine Kathode und ein besonderes Heizelement aufweisen, nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine,Glühkathodenanordnung der eingangs beschriebenen Art so zu

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verbessern, daß ihre Zuverlässigkeit und ihre Wirksamkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wärmeschirme wenigstens eine Schichtanordnung bilden, die aus einander abwechselnden, verschiedenartigen Schirmen besteht, die dicht beieinander angeordnet und aneinander befestigt sind, und daß von den Schirmen wenigstens einer eine Wärme reflektierende Oberfläche und ein geringes Strahlungsvermögen und ein anderer eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Glühkathodenanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Glühkathodenanordnung nach Fig. 2 und

Fig. 4- einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkatliodenanordnung nach der Erfindung.

Die Glühkathodenanordnung nach den Fig. 2 und 3 umfaßt eine Kathode 10 und ein Heizelement 20, die beide ebenso ausgebildet sind wie bei der oben beschriebenen bekannten Glühkathodenanordnung nach Fig. 1, und als Wärmeschirm eine Schichtanordnung 50, welche die Außenfläche der Kathode 10 umgibt. Die Schichtanordnung 50 besteht aus einer Anzahl zylindrischer, wärmeisolierender und reflektierender Lagen, die einander abwechseln. Die erste Lage, die mit der Außenfläche der Kathode 10 in Berührung steht, ist ein wärmebeständiger Schirm mit gutem Wärmeisolationsvermogen. Der Schirm 51 kann aus Metallfasern, Sintermetall oder geschäumtem Metall bestehen, beispielsweise Nickel. Metallfasern widerstehen den hohen Temperaturen, die für eine Glühemission erforderlich sind, und haben eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit. Ein Metall in Form relativ langer Fasern, die einen relativ kleinen Querschnitt und eine relativ große Länge zwischen benachbarten Fasern haben, haben eine relativ schlechte Wärmeleitung. Mit "Länge zwischen benachbarten Fasern" ist der Abstand längs einer bestimmten Faser zwischen Kontaktstellen mit anderen Fasern gemeint. Bin gesintertes Fasermetall, das von der Firma Huyck Metals Company unter dem Warenzeichen "Feltmetal" verkauft wird, hat sich als befriedigend erwiesen.

Die zweite Lage, welche die erste Lage 51 umgibt, ist ein Wärme reflektierender Schirm 52, der eine polierte Innenfläche 52A aufweist, die jegliche auf sie ^infallende Wärme reflektiert. Der Wärme reflektierende

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Schirm 52 kann aus einer dünnen Metallfolie bestehen, die aus einem Metall mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringem Emissionsvermögen hergestellt ist, wie beispielsweise Molybdän. Eine Folie mit einer Dicke von etwa 12xum wird wegen ihrer relativ kleinen Masse und der resultierenden geringen Wärmekapazität bevorzugt. Ein Wärmeschirm mit einer polierten Innenfläche 52A wird einen erheblichen Anteil der auf diese Fläche einfallenden Wärmestrahlung reflektieren. Wenn dieser Schirm auch ein geringes Strahlungsvermögen aufweist, wird von seiner Außenfläche 52B auch nur eine geringe Wärmemenge emittiert. Wie oben angegeben, ist um den reflektierenden Schirm 52 eine dritte Lage gewickelt, um die Wärmeisolierung weiter zu verbessern. Diese dritte Lage ist wieder ein wärmeisolierender Schirm 51* der ebenso ausgebildet ist wie der oben beschriebene erste wärmeisolierende Schirm 51·

IJm die dritte Lage kann eine vierte Lage gewickelt sein, die ebenso wie die oben beschriebene zweite Lage ein reflektierender Schirm 52 ist, um die Isolierung weiter zu verbessern.

Es sei betont, daß die einen Wärmeschirm bildende Schichtanordnung 50 aus so viel einzelnen Schirmen 51 und 52 bestehen kann, wie es erforderlich ist, um die gewünschte-nffärmeisolierung zu erzielen, oder Raum in der Elektronenkanone vorhanden ist, in der die Glühkathodenanordnung benutzt werden soll. Die Schich,tanord- nung muß jedoch, wenigstens aus einem isolierenden

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Schirm 51 und einem reflektierenden Schirm 52 bestehen. Sie brauchen nicht in der beschriebenen Folge angeordnet zu sein, sondern können auch gegeneinander ausgetauscht werden.

Die Schichtanordnung 50 kann an der Kathode 10 auf jede geeignete Weise befestigt sein. Die einzelnen Schirme 51 und 52 können nacheinander durch Punktschweißen oder durch Anbringen einer rohrförmigen Hülse 53» die gestrichelt angedeutet ist, über dem äußeren Schirm befestigt sein. Eine andere geeignete Methode zum Anbringen der Schichtanordnung 50 besteht darin, die einzelnen Schirme 51 und 52 in ebenem, abgewickeltem Zustand aufeinander zu schichten und dann zusammen im Vakuum bei einer Temperatur zwischen 900⁰C und 1000⁰G durch Sintern zu verbinden. Der gesinterte Schichtstoff kann dann als Schichtanordnung 50 um die Kathode 10 gewickelt und durch Punktschweißen befestigt werden.

Die Draufsicht nach Fig. 3 zeigt, wie die Kathode 10 von der Schichtanordnung 50 umgeben ist, die aus den einzelnen Schirmen 51 und 52 besteht. Die Schichtanordnung 50 ist mit der Kathode 10 durch Punktschweißen längs einer Linie verbunden, die sich in der Zeichnung von oben nach unten zwischen den Punkten 5^ und 55 erstreckt. Fig. 3 zeigt ebenfalls die Hülse 53, die anstatt einer Schweißung zum Befestigen der Schichtanordnung verwendet werden kann und die dann die Schichtanordnung, diese umgebend, durch Reibung am Platte hält.

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Die in Fig. 4 dargestellte weitere Ausführungsform der Erfindung umfaßt wiederum eine Kathode 10 mit einem Heizelement 20, das in eine isolierende Vergußmasse 24-eingeschlossen ist, und einen von einer Schichtanordnung 60 gebildeten Wärmeschirm. Die Kathode 10, das Heizelement 20 und die die Heizwendel.21 umgebende Vergußmasse 24 sind ebenso ausgebildet wie bei den Kathode nanordnunge η nach den Fig. 1 und 2 und sind daher mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anschlüsse 22 und 23 des Heizelements erstrecken sich von der Heizwendel 21 durch die keramische Isolierscheibe 25 über den Endbereich 17 der Kathode 10 hinaus, um das Herstellen elektrischer Verbindungen zu ermöglichen. Rohrförmige, elektrisch isolierende Abstandshalter 70 sind auf die Anschlüsse 22 und 23 aufgeschoben. Sie bestehen aus einem geeigneten feuerfesten Material, das Temperaturen über 1000⁰C widerstehen kann, wie beispielsweise Keramik. Die scheibenförmig ausgebildete Schichtanordnung 60 weist an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen Löcher. 67 auf, welche die Oberflächen der Scheibe verbinden und die die beiden Abstandshalter 70 aufnehmen. Die Abstandshalter 70 haben an ihrem der Heizwendel 21 zugewandten Ende eins Schulter 71, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Löcher 67? so daß die Abstandshalter mit den Schultern 71 &a der der Heizwendel 21 zugewandten Seite dar scheibenförmigen Schichtanordnung anliegen. Rohrförmigen elektrisch isolierende Abstandshalter 75? deren Durchmesser größer Ist als dar Bursiiiaesser der Löcher 67 is* der Schicktanordnung 6O₃ sind auf die Anschlüsse 22 und 23

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des Heizelementes aufgeschoben und liegen an der Rückseite der Schichtanordnung 60 an. Diese Abstandshalter 75 können aus dem gleichen Material bestehen wie die anderen Abstandshalter 70. Die Schichtanordnung 60 und die Abstandshalter 70 und 75 werden auf den Anschlüssen 22 und 23 des Heizelements durch Haltestege 66 gehalten, die an den mit Schultern versehenen Enden der einen Abstandshalter 70 und neben den anderen Abstandshaltern 75 angeschweißt sind.

Das von der Schichtanordnung 60 gebildete Wärmeschild besteht aus einer Anzahl wärmeisolierender und wärmereflektierender Schichten, die einander abwechseln, wie es bei der oben behandelten Schichtanordnung 50 der Fall war. Die erste Schicht, die der Heizwendel 21 benachbart ist, ist ein reflektierender Schirm 61, der aus dem gleichen Material besteht wie der an Hand Fig. beschriebene reflektierende Schirm 52. Die zweite Schicht ist ein isolierender Schirm 62, der aus dem gleichen Material besteht wie der oben an Hand Fig. beschriebene reflektierende Schirm 51· Die dritte Schicht ist erneut ein reflektierender Schirm 61, die vierte Schicht ein wärmeisolierender Schirm 62 und die fünfte Schicht erneut ein Wärme reflektierender Schirm 61. Bs sei betont, daß zusätzliche Schirme 61 und 62 benutzt werden können, um die wärmeisolierendeη Eigenschaften des von der Schichtanordnung 60 gebildeten Wärmeschirmes zu verbessern. Die Kombination aus wenigstens einem reflektierenden Schirm 61 und einem isolierenden Schirm 62 kann als elementare Ausführungsform

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einer Schichtanordnung 60 betrachtet werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Glühkathodenanordnung soll nun an Hand der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2, 3 und 4· beschrieben werden. Den Anschlüssen 22 und 23 des Heizelements wird Energie zugeführt, damit das Heizelement eine Glühtemperatur von etwa 1000°C annimmt. Das Heizelement erwärmt die gesamte Kathode 10 und deren Tragstruktur auf etwa die gleiche Temperatur. Die Außenflächen der Kathode 10 strahlen Wärme an ihre Umgebung ab. Der von der Schichtanordnung 50 gebildete Wärmeschirm reduziert bedeutend die Wärmemenge, die auf diese Weise abgestrahlt wird. Die erste Lage der Schichtanordnung 50 ist der wärmeisolierende Schirm 51» der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und infolgedessen nur eine geringe Menge der Wärme an die zweite Lage, also den Wärme reflektierenden Schirm 52, weiterleitet. Ein wesentlicher Teil der Strahlungswärme, der auf die Innenfläche des reflektierenden Schirmes 52 auftrifft, wird von dieser zurück zur Kathode 10 reflektiert. Der reflektierende Schirm 52 hat ebenfalls eine geringe Wärmeleitfähigkeit und wird daher nur eine geringe Wärmemenge von ihrer Innenfläche an ihre Außenfläche übertragen. Die dritte und die vierte Lage der Schichtanordnung 50 wirken im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es vorstehend für die von den Schirmen 51 und 52 gebildeten Lagen beschrieben worden ist.

Einer der Vorteile der vorstehend beschriebenen Schichtanordnung 50 besteht darin, daß der Wärmeschirm auch

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während Zeiten, während denen sie starken mechanischen Vibrationen ausgesetzt ist, selbst nicht Schwingungen ausführen kann. Da die Schichtanordnung die Kathode auf ihrer ganzen Länge unmittelbar umgibt, ist sie ausreichend getragen, um Vibrationen zu verhindern und Kurzschlüsse zu vermeiden. Trotzdem gewährleistet sie eine erhebliche Wärmeisolierung.

Das Heizelement 20 der Kathode strahlt Wärme axial zur Kathode 10 ab. Die Schichtanordnung 60 vermindert erheblich die Wärmemenge, die vom Endbereich 17 der Kathode 10 abgestrahlt wird. Die Wirkungsweise der Schichtanordnung 60 im Innern der Kathode 10 ist im wesentlichen die gleiche wie die oben beschriebene Wirkungsweise der die Kathode umgebenden Schichtanordnung 50. Da die Wärme reflektierenden Schirme 61 durch starre, wärmeisolierende Schirme 62 getrennt sind, sind auch sie nicht in der Lage zu vibrieren, so daß die Gefahr, daß die Anschlüsse 22 und 23 des Heizelements elektrisch miteinander kurzgeschlossen werden, im wesentlichen ausgeschlossen ist.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß durch die Erfindung eine einfache und zuverlässige, wärmeisolierte Glühkathodenanordnung geschaffen wird. Weiterhin wird bei Anwendung der erfindungsgemäßen Glühkathodenanordnung die Leistung um ein erhebliches Maß vermindert, die erforderlich ist, um die Kathode bei Glühtemperatur zu halten. Bei einer nach den Fig. 2 und 4· ausgebildeten Glühkathödsnanordnung wurde tatsächlich eine Erhöhung d®s Wirkungsgrades um 50 % festgestellt.

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Claims

Patentansprüche

( Λ, j Glühkathodenanordnung, insbesondere für Wanderfeldröhren, mit einer Kathode, einem der Kathode benachbart angeordneten Heizelement und einer Anzahl in der Nähe der Kathode und des Heizelements angeordneter Wärmeschirme, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeschirme wenigstens eine Schichtanordnung (50, 60) bilden, die aus einander abwechselnden, verschiedenartigen Schirmen besteht, die dicht beieinander angeordnet und aneinander befestigt sind, und daß von den Schirmen wenigstens einer (52, 61) eine Wärme reflektierende Oberfläche (52A) und ein geringes Strahlungsvermögen und ein anderer (511 62) eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
2. Glühkathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (51» 62) mit geringer Wärmeleitfähigkeit aus einem Metallfaser-Werkstoff besteht.
5. Glühkathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung (50) unmittelbar an der Kathode (10) befestigt ist (Fig. 2).
4. Glühkathodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung (50) aus zylindrischen, konzentrisch

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zueinander angeordneten, abwechselnd Wärme reflektierenden und schlecht Wärme leitenden Schirmen (52 und 51) besteht, welche die Kathode (10) und das Heizelement (20) umgeben.

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