DE2415384B2

DE2415384B2 - Direkt geheizte kathode fuer eine elektronenroehre mit koaxialem elektrodenaufbau

Info

Publication number: DE2415384B2
Application number: DE19742415384
Authority: DE
Inventors: Walter 8000 München Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1976-05-13
Also published as: DE2415384A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre mit koaxialem Elektrodenßufbau, bestehend aus einem Metallfolienzylinder mit tiner zentralen Stromzuführung und einem an dem ₆c einen Ende des Metallfolienzylinders angeordneten Metalldeckel, welcher an der Oberfläche eine Oxyd-Emissionsschicht und in Umfangsrichtung sich erstreckende rechteckförmige Aussparungen aufweist, die den Metallfolienzylinder in mindestens 9 höchstens 25 in Achsrichtung parallelgeschaketer Heizleiter unierteilen, welche aus zueinander spiegelsymmetrisch angeordneten, gegenläufigen Mäandern bestehen, wobei die Aussparungsbreiten und die Breiten der dazwischenliegenden Stege etwa gleich dem Abstand zwischen der Kathode und einem Gitter sind.

Sie hat besondere Bedeutung für Senderöhren, insbesondere für solche kleinerer und mittlerer Leistungen, um mit einer als Schnellheizkathode ausgebildeten Kathode hohe Verstärkungen, z.B. 20 dB im Tonsenderbetrieb zu erzielen, und zwar sowohl bei niedrigeren Frequenzen um 200 MHz im FS-Band Hi als auch bei hohen Frequenzen bis 860 MHz im FS-Band V.

Mehrodei weniger Schnellheizkathoden moderner Senderöhren werden heute meistens als Maschenkathoden aus thorierten Wolframdrähten gebildet. Diese direkt geheizten Kathoden bestehen in ihrem aktiven Teil aus zwei sich kreuzenden, meist kreiszylindrischen Drahtwendeln, die durch Verschweißen an den Kreuzungspunkten zu einem stabilen Maschengebilde verbunden werden. Derartige Maschenkathoden haben als Bestandteil einer Verstärkerröhre hinsichtlich der erreichbaren Verstärkung insofern einen Nachteil, als der Gitterkathodenabstand über der emittierenden Fläche für die gesamte Emissionsfläche nicht konstant ist, sondern z.B. an den Kreuzungspunkten um einen Heizdrahtdurchmesser und in Richtung senkrecht zu den kreisförmigen Drähten um einen halben Durchmesser schwankt. Bei Gitterkathodcnabständen in der Größe des Heizdraht-Durchmessers werden dadurch die relativen Abstandsschwankungen bereits so groß, daß sie sich nachteilig auf Steilheit und Verstärkung der Röhre auswirken.

Deshalb ist aus der DT-PS 882736 eine direkt geheizte zylindrische Käfig- bzw. Maschenkathode aus Wolframblech bekanntgeworden, bei der vor dem Formen des eigentlichen Kathodenzylinders die betreffenden Maschen, z. B. eingestanzt werden, und die außerdem an der Oberfläche mit einer Emissionsstoffschicht und darüber mit einer porösen Schicht bedeckt ist.

Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten Kathode bestehen darin, daß der Zylinder infolge einer unvermeidlichen Herstellungsnaht, z.B. einer Falznaht, ein ungleichmäßiges, Undefiniertes Ausdehnungsverhalten und infolge der ungünstigen Maschenform eine hohe Selbstinduktion hat sowie eine recht komplizierte Herstellungstechnik und eine hohe Betriebstemperatur erfordert.

Eine Elektronenröhre, deren Kathode am oberen Ende mit einem Deckel abgeschlossen und abgeschirmt ist, an dem zentral die Heizstromzuführung über einen stabilen niederohmigen Stab erfolgt, ist z.B. aus der DT-OS 1589608 bekannt.

Aus der US-Patentschrift 3299317 ist eine Sende-Tetrode mit einer halb indirekt geheizten zylindrischen Kathode bekanntgeworden, bei der der emittierende Folienzylinder aus einer Nickel-Legierung durch Ätzen eingebrachte Maschen aufweist. Im Innern des Folienzylinders ist ein zentraler Drahtgeflechtschlauch als Heizer vorgesehen und außerdem die Oberfläche des Folienzylinders emissionsfähig ausgebildet. Zum Heizen wird an die Kathode eine hohe Anheizspannung gelegt, die dann mit Schaltmitteln auf die Betriebsspannung verringert wird. Aus

dieser Patentschrift ist weiter bekannt, daß die Kathode aus einem Metallfolienzylinder besteht, der in parallelgeschaltete Heizleiter mittels Maschen in Form von in Umfangsrichtung längsersireckter Rechtecke aufgeteilt ist und bei dem jeder Leiter jeweils aus zwei gegenläufigen zueinander spiegelsymmetrisch angeordneten Mäandern mit Steg- und Spaltbreiten etwa gleich dem Gitterkathodenabstand besteht (man vergleiche hierzu auch die Druckschrift IEEE Trans. Electron Dev., November 196^, Seiten 506 bis 514).

Der wesentliche Nachteil dieser bekannten sogenannten Schnellheiz-Maschenkathode besteht darin, daß sie nur für einen indirekten oder halb indirekten, nicht aber für einen direkten Heizbetrieb geeignet ist_r da vor allem die Maschen zu klein sind, so daß ein zu hoher Heizstrom erforderlich wäre. Auf der anderen Seite würde aber bei genügend großen Maschen die Standfestigkeit des Nickel-Folien-Zylinders nicht mehr ausreichen. Hinzu kommen noch der Aufwand eines komplizierten Heizers sowie grundsätzlich die erforderlichen Schaltmittel für zwei zu schaltende unterschiedliche Heizspannungen.

Die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und eine direkt geheizte Schnellheizkathode zu schaffen, bei der die Maschenstruktur des Folienzylinders so ausgebildet ist, daß

a) die Abweichungen hinsichtlich der erzielbaren Verstärkung und des Frequenzganges der Verstärkungweniger als 10% gegenüber einer zylindrischen Kathode mit kompakter OberfUche betragen und daß

b) bei einer Anheizzeit der Kathode von etwa 5 see die Werte für Heizspannung und Heizstrom in tragbaren praktischen Grenzen liegen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Erreicht wird dies bei einer direkt geheizten Kathode der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch, daß der Metallfolienzylinder aus einem nahtlos gezogenen, auf der gesamten Oberfläche mit der Oxyd-Emissionsschicht versehenen Molybdänoder Tantalzylinder besteht, aus welchen die Aussparungen herausgestanzt sind, und die Länge der Aussparungen mindestens 4% aber höchstens 12% des Umfanges des Metallfolienzylinders beträgt.

Diese Kathode für Elektronenröhren hat gegenüber dem Bekannten den wesentlichen Vorteil, daß die Kathode direkt geheizt ist und deshalb kein aufwendiger zusätzlicher Heizer und auch keine zusätzlichen Schaltmittel für eine erhöhte Anheizspannung erforderlich sind, daß die Ausbildung des Metallfolienzylinders als Heizer durch Aufteilung in parallelgeschaltete sehr gleichwertige Heizleiter erfolgt, daß durch die Aufteilung der Metallfolien in eine geringe Anzahl parallelgeschalteter Heizleiter eine geringe Induktivität erreicht wird, daß durch exakt gestanzte in Umfangsrichtung sehr schmale, längserstreckte Rechtecke sehr gleichmäßig beschaffene Heizleiter geschaffen werden, daß der Folienzylinder aus einem hochschmelzenden Metall wie Tantal oder Molybdän besteht, daß der Folienzylinder eine Wandstärke von 100 bis 200 μπι und damit eine sehr hohe Warmstandsfestigkeit hat und daß die zusätzlich aufgebrachte Emissionsschicht sowohl innen als auch außen auf der Oberfläche des perforierten Zylinders angebracht ist.

Somit wird für die Schncllheizkathode von einem Metallzylinder ausgegangen, in dem die erforderliche Struktur nachträglich durch Stanzen, Funkenerosion. Beizen oder ähnliche Verfahren erzeugt wird. Bei einer solchen Schnellheizkathode bleibt der Giuer-Kathoden-Abstand sowohl längs wie auch quer zu den ^s Heizerstegen konstant, so daß eine Abstandsverminderung vollständig zur Verbesserung der Verstärkung genutzt werden kann.

Die Aussparungen im Metallzylinder sind notwendig, um zu verhindern, daß der erforderliche Heizstrom extreme Werte annimmt. Andererseits geht dadurch Emissionsfläche verloren, so daß die Steilheil abfällt, und zwar bei kompakten Emissionsflächen proportional zu F Potenz ~/₃. Diese starke Abhängigkeit der Steilheit von der Emissionsfläche, die für jede kompakte Kathode besteht, kann mit Hilfe einer Stanzkathode gemäß der Erfindung wesentlich reduziert werden, und zwar dadurch, daß Stegbreite und Spaltbreite im Zylinder etwa ebenso groß wie der GH-ter-Kathoden-Abstand gewählt werden. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß selbst dann, wenn die Emissionsfläche der gestanzten Kathode nur die Hälfte der kompakten Zylinderfläche ausmacht, der Steilheitsverlust weniger als 10% beträgt

Die Struktur der Schnellheizkathode hat ferner zur Folge, daß die Induktivität der Kathode gegenüber dem kompakten Zylinder ansteigt. Dadurch erhöht sich der Eingangsleitwert derart, daß die Verstärkung abnimmt, und zwar um so stärker, je höher die Frequenz ist. Der Effekt kann sich in ungünstigen Fällen sehr stark auswirken und einen Verstärkungsverlust in der Größenordnung von 10 dB hervorrufen.

Um diesen Effekt klein zu halten, ist abweichend von der bisherigen Rauten- bzw. Rhomben-Form die Form der Aussparungen als in Umfangsrichtung längsgestrecktes Rechteck ausgebildet. Damit bei der oberen Betriebsfrequenz / der Verstärkungsverlusi weniger als 10% beträgt, ist mit einer Heizspannung der Kathode von etwa 2 V, bei Steg- und Spaltbreiten etwa gleich dem Gitter-Kathoden-Abstand, die Dimensionierung der Maschen, insbesondere der Maschenlänge der Kathode von mindestens 4 aber höchstens 12% des Kathodenumfanges derart gewählt, daß die Rcsonanzfrequenz f_m des aus Kathodeninduktivität, Gitter-Kathodenkapazität und Gitterinduktivität gebildeten Serienkreises größer als die zweifache maximale Betriebsfrequenz, d.h. /_m>2x/_m„ ist.

Weil auch der höhere Kathodenwiderstand R_k der Kathode gegenüber dem kompakten Zylinder zur Vergrößerung des Eingangs-Leitwertes und damit zur Verschlechterung der Verstärkung beiträgt, wird - um diesen Einfluß zu verringern - eine möglichst niedrige Heizspannung von etwa 2 V gewählt. Die Dicke des Metallfolienzylinders wird im Hinbliek auf möglichst niedrige Heizleistung, kurze Anheizzeit und hohe Warmfestigkeit der Kathode festgelegt. Sie wird vorzugsweise so dimensioniert, daß sie gleich der halben bis ganzen Stegbreite ist, womit gleichzeitig eine rationelle Herstellbarkeit gewährleistet ist.

Die Heizstromzuführung erfolgt zentral über einen stabilen niederohmigen Stift, der entweder massiv oder als dickwandiges Rohr ausgebildet, vorzugsweise in Anpassung an die thermische Ausdehnung der Kathode aus Molybdän, über einen abschließenden niederohmigen Deckel mit dem Folienzylinder verbunden ist. Sie dienen zugleich zur Abschirmung von Steucrclektronen, zur Halterung, zum Kompensieren der thermischen Ausdehnung sowie zum Vorspannen des Folienzylinders.

Von der Kathode ist die gesamte Oberfläche des Metallfolienzylinders innen und außen unter Zwischenfügen einer, insbesondere galvanisch abgeschiedenen Nickel-Auflage mit einer Nickel-Matrix-Schicht und darauf mit einer Erdalkalikarbonat-, insbesondere Tripel-Karbonatschicht, versehen.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispicls näher erläutert werden.

Die Figur zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Sendetetrode mit koaxial angeordneten zylindrischen Elektroden und Durchführungen. Dazu gehören im einzelnen die zentrale direkt geheizte Kathode 1, die vom Durchführungsteller bzw. Anschlußring 5 und dem Trägerrohr 6 getragen wird. Umschlossen wird die Kathode von zunächst zwei Gitterelektroden 2 und 3, nämlich Stcuergitter und Schirmgitter, die insbesondere als Reusen-Stanzgitter ausgebildet sind, sowie eine Anode 4 mit den zugehörigen Trägerrohren 6,7,8 und 9. Das eigentliche Entladungsgefäß wird außer von der als Außenanode ausgebildeten Anode im wesentlichen vom Durchführungsfuß gebildet, der sich in üblicher Metall-Keramik-Technik abwechselnd aus Metallträgerrohren bzw. -scheiben und Keramikringen zusammensetzt.

Im Rahmen dieses koaxialen Elektrodenaufbaus ist die zentrale Kathode als Schnellheizkathode ausgebildet, deshalb direkt heizbar und mit einer Erdalkalioxid-Emissionsschicht versehen. Sie besteht zunächst aus einem nahtlos gezogenen Folienzylinder 11 aus Molybdän, d.h. aus einem warmfesten Metall. Nickel, das für die Ausbildung als Oxidkathode geeigneter wäre, besitzt nicht die erforderliche Standfestigkeit. Die Aussparungen 12 im Metallzylinder 11, die notwendig sind, um einen extrem hohen Heizstrom zu vermeiden, sind nachträglich durch Stanzen eingebracht worden. Die eingebrachten Aussparungen 12 bestehen aus sehr schmalen, in Umfangsrichtung längserstreckten Rechtecken. Durch das Einstanzen der Rechtecke wird eine Anzahl von in Achsrichtung parallelgeschalteter Heizleiter 13 gebildet, die jeweils aus zwei gegenläufigen, zueinander spiegelsymmetrisch angeordneten Mäandern 14, 14' bestehen.

Im Hinblick auf eine geringe Induktivität der Kathode beträgt die Anzahl der Heizleiter mindestens 9 aber höchstens 25. Um eine nicht zu niedrige Heizspannung, nämlich etwa 2 Volt zu ermöglichen, beträgt im Rahmen der angegebenen Aufteilung in Heizleiiern die Länge der Aussparungen mindestens 4% aber höchstens 12% des Kathodenumfanges. Da außerdem die Steg- und Spaltbreite etwa gleich dem Gitterkathodenabstand gebildet sind, ist somit praktisch die Heizspannung festgelegt. Der Heizstrom kann noch durch die Dicke des Folienzylinders variiert werden, die in der Praxis zu etwa 100 bis 200 μπι gewählt wird. Der Heizstrom wird außerdem nach oben hin derart begrenzt, daß der zentrale Zuführungsstift 15 noch keine nennenswerte Heizleistung abgibt. Im Hinblick auf ein angepaßtes Ausdehnungsverhalten ist der Zuführungsstift 15 aus Molybdän. Er kann entweder massiv oder auch aus einem dickwandigen Rohr bestehen. Er ist an seinem einen Ende mit einem Metalldeckel 17 am oberen Ende des Metallfolienzylinders befestigt, während er am unteren Ende vom Anschlußring 5 getragen wird. Der Metallfolienzylinder dient als Träger einer zusätzlichen Emissionsschicht, die vorzugsweise aus Erdalkali-Oxiden besteht. Vor

ίο dem Aufbringen der Emissionsmasse wird der gestanzte Molybdän-Träger 11 vernickelt, insbesondere durch galvanische Abscheidung, und mit einer aktiven Nickel-Matrixschicht gleichmäßig innen und außen versehen. Durch eine sehr feinkörnige und gleichmä-

¹S ßig aufgebrachte, insbesondere durch elektrostatisches Sprühen aufgebrachte Erdalkalikarbonat-Schicht, vorzugsweise Tripel-Karbonatschicht, und zwar sowohl innen als auch außen im gleichen Maße, wird eine zwischenschichtfreie, spratzfeste und hochbelastbare Kathode gebildet. Im Bedarfsfalle kann für eine genügend aktive Nickelmatrixschicht vor deren Aufbringen auf den Molybdänfolienzylinder ein feiner Wolframschleier angebracht werden.

Der stirnseitige Deckel 17, an dem der zentrale massive Zuleitungsstift befestigt ist, dient sowohl zur Abschirmung von Streuelektroden wie auch zum Ausgleich der Wärmeausdehnung der Kathode derart, daß mit Hilfe dieses Deckels die Kathode mit einer entsprechenden mechanischen Vorspannung montiert wird.

Der zentrale Heizerstift 15 wird außerdem mit einer aufnahmefähigen Getterschicht, vorzugsweise aus einem Gemisch von Zirkonkohle versehen, die sich von den nicht aufgeheizten Teilen am Fuß (5) bis in die Höhe des; abschirmenden Verbindungsdeckels 17 erstreckt. Damit werden zusätzlich nachfolgende Verbesserungen erzielt:

1. Optimale Getterung durch Absorption infolge unterschiedlicher Temperatur längs des Getters:

Das ZrC-Getter nimmt im heißen Teil bevorzugt

Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff und im kälteren Teil unte-halb der heißen Kathode Wasserstoff auf.

2. Durch die Aussparungen der Schnellheizkathode hindurch gelangen Restgasionen zum Getter,

welches somit zugleich als Kathode einer Ionengetterpumpe wirkt. Das Besondere dieser Anordnunggegenüber anderen bekannten entsprechenden Anordnungen besteht vor allem darin. daß über das Getter als Kathode kein HF-Strom fließt und somit HF-Verluste durch das Ionengetter ausgeschlossen werden.
Es ist ohne weiteres im Bedarfsfalle möglich, ar Stelle eines Molybdän-Folienzylinders z.B. auch ei nen Tantalzylinder zu verwenden bzw. an Stelle eine! Nickel-Erdalkalioxidschicht als Emissionsschich auch fein verteiltes thoriertes Wolframpulver als zu sätzliche Schicht vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre mit koaxialem Elektrodenaufbau, bestehend aus einem Metallfolienzylinder mit einer zentralen Stromzuführung und einem an dem einen Ende des Metallfolienzylinders angeordneten Metalldeckel, welcher an der Oberfläche eine Oxyd-Emissionsschicht und in Umfangsrichtung >° sich erstreckende rechteckförmige Aussparungen aufweist, die den Metallfolienzylinder in mindestens 9 höchstens 25 in Achsrichtung parallelgeschalteter Heizleiter unterteilen, welche aus zueinander spiegelsymmetrisch angeordneten, gegenläufigen Mäandern bestehen, wobei die Aussparungsbreiten und die Breiten der dazwischenliegenden Stege etwa gleich dem Abstand zwischen der Kathode und einem Gitter sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfolienzylinder (11) aus einem nahtlos gezogenen, auf der gesamten Oberfläche mit der Oxyd-Emissionsschicht versehenen Molybdän- oder Tantalzylinder besteht, aus welchen die Aussparungen (12) herausgestanzt sind, und die Länge der Aussparungen mindestens 4% aber höchstens 12% des Umfanges des Metallfolienzylinders beträgt.

2. Direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Aussparungen des Metallfolienzylinders etwa 50% beträgt.

3. Direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromzuführung über den Metalldeckel (17) mittels eines stabilen niederohmigen Stiftes (15) oder eines dickwandigen Rohres erfolgt.

4. Direkt: geheizte Kathode für eine Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Metallfolienzylinders (11) gleich der halben bis ganzen Stegbreite gewählt ist.

5. Direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterkathodenabstand sowie die Dicke des Folienzylinders (11) 100 bis 200 μηι betragen.

6. Direkt geheizte Kathode für eine Elektronenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtoberfläche des Maschenzylinders (11) innen und außen unter Zwischenfügen einer, bevorzugt galvanisch abgeschiedenen, Nikkei-Auflage mit einer Nickel-Matrixschicht, d.h. einer darauf aufgebrachten porösen Nickelschicht, und darauf mit einer Erdalkalikarbonat-, bevorzugt Tripel-Karbonatschicht, versehen ist.