DE2446159A1 - Getraenkte kathode fuer thermionische wandler - Google Patents

Description

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Getränkte Kathode für thermionische Wandler.

Die Erfindung betrifft eine getränkte Kathode für thermionische Wandler, wie sie im Kapitel IV "Thermionic Converters" des Buches "Direct Generation of Elextricity", Autor Raymond Vivian Harrowell, herausgegeben von K.H.Spring und verlegt bei Academic Press 1965 in London und New York beschrieben sind.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine getränkte Kathode für thermionische Wandler, bei welcher der Tränkstoff aus einer Metallverbindung besteht.

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Andrefewsks, H©nk©, Gesfhyysen & Mosch, Patentanwälte in Essen

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Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Kathode der vorgenannten Art im wesentlichen dadurch, daß die Kathode eine Auflage aus einem Metall trägt, dessen Austrittsarbeit größer ist als die Ionisierungsspannung des Metalls des Tränkstoffes.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der thermionische Wandler mit Zäsium-Dampf gefüllt und besitzt eine Kathode aus einem porösen Formkörper aus gesintertem Wolfram, der mit Bariumkai ζiumaluminat getränkt ist und eine Platinauflage trägt. Durch diese Platinauflage wird die Austrittsarbeit der Kathodenoberfläche ausreichend erhöht, um Barium von der Kathode als positive Ionen verdampfen su lassen, sodaß außerhalb der Kathode eine positive Raumladung entsteht» Eine derartige Raumladungswolke befindet sich mit der Kathode im Gleichgewicht, da ebenso viele positiv® Ionen eintreffen wie sie sie verlassen. Tatsächlich erreichen keine Bariuraionen die Anode, da das Raumladungsfeld sieh verzögernd auf positive Ionen auswirkt. Infolgedessen wird die Ablagerung von Barium auf der Anode sehr stark herabgesetzt, was besonders vorteilhaft ist, da der Wandler für einen wirksamen Betrieb auf seiner Anode eine Zäsiumschicht mit geringer Äustrittssrbeit benötigt. Barium hat eine relativ hohe Austrittsarbeit und eine Ablagerung von Barium auf der Anode verursacht eine schwerwiegende Schädigung der Leistung eines thermionischen Wandlers.

Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung! es zeigen;

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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Figur 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen mit Zäsiumdampf gefüllten thermion!sehen Wandlers; und

Figur 2 einen Schnitt durch Fig.l längs der Linie H-II.

Bei dem in den Figuren dargestellten thermionischen Wandler handelt es sich im wesentlichen um eine mit Zäsiumdampf gefüllte thermionische Niederdruck-Diode mit einer beheizten Kathode.

Sie besitzt einen Hitzeschild 1 aus Asbest mit einem kreisrunden Loch 2 mit innenseitigem kreisringförmigem Absatz 3. Auf diesem Absatz 3 ruht ein keramischer Tragring 4, welcher an seiner einen Seite eine aus Kupfer bestehende Scheibenanode 5 und an seiner anderen Seite einen aus Molybdän bestehenden Träger für eine Scheibenkathode 7 trägt. Dabei liegt diese Scheibenkathode 7 innerhalb des vom Keramikring 4 der Soheibenanode und dem Kathodenträger 6 umschlossenen Raumes 8. Dieser Raum ist mit Zäsiumdampf gefüllt, der durch Erhitzung eines nicht dargestellten Zäsiumbehälters erzeugt wird. Der Kathodenträger 6 besitzt an seiner von der Kathode 7 abgewandten Seite einen Schutzüberzug 9 aus Aluminiumoxid.

Die Kathode 7 ist ein Formkörper aus porösem Wolfram und ist durch Pressen entsprechender Blöcke aus gewachstem Wolframpulver hergestellt. Die Preßlinge werden in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, um das Wachs zu entfernen und das Wolframpulver zu sintern. Die Sintertemperatur steuert das Ausmaß der Schrumpfung und damit die Porosität der Presslinge oder Formkörper. So ergibt eine Sintertemperatur von knapp über 2000⁰C eine Porosität von etwa 2556, was für eine Kathode sehr gut geeignet ist.

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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Der gewöhnliche Tränkstoff für die Kathode besteht aus Bariumkai ζ iumaluminat, wenn auch andere erdalkalische Verbindungen wie z.B. auch Bariumaluminat verwendet werden können. Das Bariumkai ζ iumaluminat wird dabei hergestellt aus Bariumkarbonat, Kalziumkarbonat und Aluminiumoxid, die zusammen in einer Kugelmühle mehrere Stunden lang gemahlen werden, dann zu Pellets gepreßt und erhitzt werden, um zunächst die Karbonate zu zersetzen und dann das Aluminat zu bilden. Die Reaktionen laufen dabei folgendermaßen ab:

1) 2Ba CO, 2Ba 0 + 2C0_o

2) Ca CO, Ca 0 + CO₀

J? d

3)· 2BaO + CaO + Al₀ 0, Ba₀ Ca

, Ba₂

Der aus Wolfram bestehende Formkörper wird in der Weise getränkt, daß seine Oberfläche mit dem Aluminatpulver bedeckt wird und er dann 5 min lang in Wasserstoff auf l800°C erhitzt wird. Überschüssiges Aluminat wird dann von der Kathodenoberfläche entfernt und die Platinauflage aufgebracht.

Dies kann durch Gleichstrom- oder Hochfrequenzzerstäubung oder auch durch Elektronenstrahlverdampfung des Platins geschehen. All diese Verfahren ergeben aus einer Scheibe aus reinem Platin eine gleichmäßig dünne Platinauflage auf der Kathode.

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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

Bei einer bevorzugten Ausführung eines mit Zäsiumdampf gefüllten thermionischen Niederdruck-Wandler beträgt der Druck des Zäsiumdampfes annähernd 0,3 mm Hg, der Elektrodenabstand (Kathode zu Anode) annähernd 1 mm und die Dicke der Platinauflage annähernd 500 8. Ein derartiger Wandler eignet sich für einen Betrieb bei relativ niedrigen Kathodentemperaturen von 1000 bis 2000⁰C.

Im Betrieb wird zwischen die Anode 5 und die Kathode 7 eine Belastung 10 geschaltet und mittels eines ζIB. mit Gasluftgemisch gespeisten Brenners 11 zur Beheizung der Kathode 7 die Aluminiumoxidschicht 9 direkt erhitzt. Die Außenseite der Anode. 5 kann geschwärzt werden öder mit Kühllamellen bestückt werden, um die Anode auf unter 300⁰C herabzukühlen.

Da die Austrittsarbeit von Platin (5*^ eV) größer ist als die Ionisierungsspannung von Barium (5*2 eV), werden an der Platinfläche infolge thermischer Kontaktionisierung positive Bariumionen erzeugt. Barium wandert aus den Poren in der Kathode und verdampft als positive Ionen, welche die Raumladungswolke über der Kathode bilden und eine Ablagerung von Barium an der Anode verhindern. Die Anode besitzt bereits eine Zäsiumschicht, die sich aus dem Zäsiumdampf im Zwischenraum 8 abgelagert hat, und, wie bereits erwähnt, verursacht eine Ablagerung von Barium auf dieser Zäsiumschicht eine schwerwiegende Leistungsminderung eines thermionischen Wandlers.

Im mit Zäsiumdampf gefüllten thermionischen Wandler neutralisieren Zäsiumionen die elektronische Raumladung und ermöglichen einen vollen Eraissionsstrom der Kathode.·

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Claims (3)

1. Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen

   Patentansprüche:

   (lj Getränkte Kathode für thermionische Wandler, bei welcher der Tränkstoff aus einer Metallverbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (7) eine Auflage aus einem Metall trägt, dessen Austrittsarbeit größer ist als die Ionisierungsspannung des Metalls des Tränkstoffes.
2. 2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (7) aus einem mit Bariumkaiziumaluminat getränkten und eine Platinauflage besitzenden porösen Formkörper aus gesintertem Wolfram besteht.
3. 3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallauflage aus einer 500 Ä dicken Schicht besteht.

   Patentanwalt.

   5098U/0907