DE2732960C2

DE2732960C2 - Glühkathode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2732960C2
Application number: DE2732960A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus Antonius Valkenswaard Krol; Bernhard Dipl.-Phys.Dr.-Ing 5100 Aachen Lersmacher; Hans Dipl.-Ing. Dr. 5190 Stolberg Lydtin; Horst Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Seifert
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1982-04-01
Also published as: BE869130A; IT1097892B; NL7807754A; JPS6151374B2; GB2001470B; CA1110689A; GB2001470A; JPS5422755A; ES471851A1; FR2398381B1; FR2398381A1; IT7825849A0; US4178530A; DE2732960A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Glühkathode mit einem flächenhaft ausgebildeten Emitterkörper und einem Heizelement aus pyrolytischem Graphit, das an der von der emittierenden Oberfläche des Emitterkörpers abgewandten Seite des Emitterkörpers angeordnet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Zu den Glühkathoden gehören u. a. die Vorratskathoden, bei denen eine dauernde Nachlieferung von Emissionssubstanz aus einer Vorratskammer oder einem porösen Metallkörper erfolgt, und die Schichtkathoden, bei denen eine Emissionssubstanz in einer auf einem Grundmetall aufgetragenen Bedeckungsschicht enthalten ist. Die wichtigsten Vertreter der Schichtkathoden sind die Oxidkathode und die Thoriumoxidkathode (Lueger, Lexikon der Technik, Band 13 [Stuttgart, 1968], Seite 493).

Bei der Oxidkathode ist ein Grundmetall mit einer Erdalkalioxidschicht oder einer Thoriumoxidschicht bedeckt. Für die verschiedenen Röhrentypen wird eine Vielfalt von Formen mit unterschiedlichen Abmessun- eo gen verwendet, z. B. Rundkathoden, Rechteckkathoden, Ovalkathoden, Fadenkathoden und Kappenkathoden. Die Heizung der Kathode erfolgt entweder durch direkten Stromdurchgang (direkt geheizte Kathode) oder durch ein in die Hülsen oder Kappen eingeschobe- b5 nes, getrenntes Heizelement (indirekt geheizte Kathode), welches die Kathode durch Strahlung erhitzt. Mitunter wird auch eine Heizung durch Elektronenbeschuß benutzt (Lueger a. a. O„ Band 14 [Stuttgart, 1969], Seiten 189 und 506).

Bei direkt geheizten Kathoden dient also das mit einer emissionsfördernden Substanz präparierte Grundiiietall als Heizleiter. Nun sind aber die spezifischen Leitfähigkeiten praktisch aller dafür in Frage kommenden Metalle so groß, daß relativ lange Leiter nötig sind, um zu akzeptablen Widerständen und damit zu vertretbaren Strom- und Spannungswerten zu kommen. Dies bedeutet, daß der Heizleiter vorwiegend in Form von Drahtwendeln ausgelegt werden muß. Es gibt also einerseits hinsichtlich der räumlichen Ausdehnung solcher Drahtheizleiter Probleme, zum anderen sind mit einer Heizwendel physikalisch unerwünschte Nebenwirkungen verknüpft So bringt beispielsweise eine Heizwendel eine — manchmal unerwünscht hohe — Induktivität mit sich.

Aus der DEPS 20 11615 ist bekannt, daß für bestimmte Kathodensysteme pyrolytisches Graphitmateriai einzigartig für den Gebrauch von Trägerieüen für glühelektrische Emitter geeignet ist. Pyrolytischer Graphit ist eine synthetische Kohlenstofform, die man durch Abscheiden von elementarem Kohlenstoff aus einer kohlenstoffhaltigen Gasphase auf ein geeignetes Substrat erhält Durch Vorgabe definierter Abscheidungsparameter gelingt es, Schichten aus pyrolytischem Graph>t herzustellen, die sich durch eine ausgeprägte Anisotropie einer Reihe von physikalischen Eigenschaften auszeichnen. Eine detaillierte Beschreibung des Abscheidungsprozesses findet sich z. B. in Carbon Bd. 5 (1967), Nr. 3, S. 205-217, und in Philips Technische Rundschau, Bd. 28 (1967), Nr. 5/6, S. 143 -155.

Gemäß der DE-PS 20 11 615 wird eine glühelektrische Emissionsspitze von einem pyrolytischen Graphitteil gehalten, das als mechanischer Träger für die Emissionsspitze dient und in der genannten Patentschrift als »Wärmequelle« bezeichnet wird. Die in der genannten Patentschrift beschriebene Glühkathode entspricht in ihrem Aufbau in etwa dem Aufbau von Vorratskathoden (Lueger, a.a.O., Band 14, Seite 581) mit dem Unterschied, daß die Halterungen aus Nickel oder Molybdän durch eine Halterung aus pyrolytischem Graphit ersetzt sind. Bei einer bevorzugten Glühkathodenanordnung nach der genannten Patentschrift weist der pyrolytische Graphit eine Schichtstruktur auf, bei der die Schichten sich senkrecht zur Stromflußrichtung erstrecken.

Nach der DE-AS 16 14 680 bestehen thermisch hochbelastete Elektroden oder Teile von Elektroden in elektrischen Entladungsgefäßen aus pyrolytischer Kohle. Diese Kohlekörper sind aus mehreren dünnen Scheiben und/oder Ringscheiben zusammengesetzt, wodurch eine gute Wärmeleitung senkrecht zur Röhrenachse erreicht werden soll.

Aus der DE-AS 16 14 686 ist eine mittelbar geheizte Vorratskathode bekannt, bei der ein poröser Kohlekörper, der mit Thoriumoxid imprägniert ist, als Emissionsstoffträger dient. Der Emissionsstoffträger ist ein einseitig geschlossener Kohlehohlzylinder, in dem ein Formkörper aus pyrolytischer Kohle für den direkten Elektronenaufprall vorgesehen ist. Bei der pyrolytischen Kohle muß die Schichtebene so liegen, daß ein extrem guter Wärmeausgleich, insbesondere radial zum zylindrischen Mantel hin, stattfindet.

Zusammengefaßt ist den zuvorgenannten Druckschriften die Lehre zu entnehmen, daß die in der Röhrentechnologie verwendeten Körper aus pyrolytischem Graphit stets derart eingebaut werden, daß die

Schichten dieses Materials entweder senkrecht zur Stromflußrichtung oder senkrecht zur Oberfläche des zu beheizenden oder zu kühlenden Röhrenbauteils stehen.

In den zuvorerwähnten Anwenoungsfällen wird pyrolytischer Graphit unter Ausnutzung seiner Anisotropie als passives Wärmeleitungseiement benutzt. Eine Art von aktiver Funktion ist in der DE-OS 16 15 272 beschrieben, wo bei einem Widerstandsheizelement die Richtung des hohen elektrischen Widerstands parallel zur kristallographischen c-Achse sowie gleichzeitig die bevorzugte Wärmeleitung senkrecht hierzu genutzt wird.

Bei der aus der DE-PS 2011615 bekannten Glühkathode Hegen zwar zwei Flächen des Emitterkörpers parallel zu den Schichten des pyrolytischen Graphits, aber bei diesen Flächen handelt es sich nicht um die emittierenden Flächen, also nicht um die eigentlich zu beheizenden Flächen, sondern um reine Klemm- und Kontaktflächen.

Bei den aus der DE-PS 20 11 615 und der DE-AS 16 14 686 bekannten Glühkathoden wird pyrolytischer Graphit in Blockform verwendet. Diese Form und die dabei bevorzugte Schichtung des pyrolytischen Graphits hat unter allen Umständen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung mit abfallendem Gradienten vom Emittermaterial zur Zuleitung zur Folge.

Die Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, eine Glühkathode zu schaffen, bei der sich im Betrieb eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Emitteroberfläche einstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Glühkathode der eingangs genannten Art das Heizelement flächenhaft ausgebildet ist und die kristallographische c-Achse des pyrolytischen Graphits überall senkrecht zu der dem Emitterkörper zugewandten Oberfläche des Heizelements steht.

Wenn die erfindungsgemäße Glühkathode direkt beheizt werden soll, ist es zweckmäßig das Heizelement derart mit Anschlüssen für den Stromdurchgang zu versehen, daß der Strom vorzugsweise, d. h. mit Hauptkomponente, parallel zur Schichtung des pyrolytischen Graphits fließt. Dabei ist der Emitterkörper vorzugsweise als Schicht auf dem Heizelement angeordnet. Das Heizelement kann auch partiell durch reaktive Umwandlung oder durch Ionenimplantation mit Bereichen höherer Elektronenemission versehen sein (Verbundkathode).

Bei einer indirekt beheizten Glühkathode nach der Erfindung ist der Emitterkörper durch einen Zwischenraum vom Heizelement getrennt.

Im Rahmen der Erfindung kommt der bereits zuvor erwähnte pyrolytische Graphit mit ausgeprägter Anisotropie zur Anwendung. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anwendung dieser Art von pyrolytischem Graphit als Komponente einer Glühkathode sind besonders dessen thermische und elektrische Leitfähigkeit und deren Richtungsabhängigkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Der Wert der thermischen Leitfähigkeit von etwa 2,1 bis 4,2 J/cmsec°C in Richtung parallel zur Schichtung der Pyrographitabscheidung entspricht derjenigen von gut wärmeleitenden Metallen wie Aluminium und Kupfer. Die elektrische Leitfähigkeit in gleicher Richtung beträgt

dagegen nur etwa 0,2 bis 0,5 · 10⁴ und ist damit um

12 cm

etwa einen Faktor 100 kleiner als diejenige von Kupfer. Schichten von pyrolytischem Graphit haben eine

praktisch porenfreie Struktur und sind mechanisch relativ stabil. Sie lassen sich in dünnen Schichten und auch als dünnwandige Formkörper durch Abscheiden auf vorgeformte Substrate leicht herstellen. Als Substratmateriaiien sind prinzipiell alle Substanzen geeignet, deren Schmelz- oder Sublimationstemperatur höher liegt als die für die Abscheidung von gut orientiertem Pyrographit notwendige Temperatur an der Substratoberfläche. Solche Substanzen sind beispielsweise hochschmelzende Metalle wie Tantal, Wolfram, Molybdän oder vorzugsweise auch polykristalliner Elektrographit oder glasartiger Kohlenstoff. Die Verwendung von Elektrographit bietet insofern besondere Vorteile, als er sehr gut bearbeitbar ist und sich im Anschluß an die Beschichtung sehr leicht von der Pyrographitabscheidung trennen läßt (leichte Entformbarkeit). Es bereitet keine besonderen Schwierigkeiten, Körper aus pyrolytischem Graphit mit äußerst dünnen Wänden in »selbsttragender« Form durch Abscheiden auf Graphitsubstrate herzustellen. So gelingt es beispielsweise Hohizylinder mit Durchmessern in der Größenordnung lern und Längen von 10cm in Wandstärken von !00 μπι (und weniger) anzufertigen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Heizströme wegen der relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit selch dünnwandiger Formkörper aus pyrolytischem Graphi» relativ klein gehalten werden können. Durch die extrem gute thermische Leitfähigkeit parallel zu den Schichten und die geringe Wärmekapazität solch dünnwandiger Formkörper ergibt sich eine hervorragend gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Oberfläche. Dieses Temperaturgleichgewicht stellt sich überdies spontan ein. Eine solche spontane Aufheizung erfolgt z. B. innerhalb von etwa 1 Sekunde auf 1000 bis 1200⁰C. Die gleichförmige Temperaturverteilung läßt sich auch bei großflächiger Auslegimg realisieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Körper praktisch induktionsfrei geformt werden können. Unmittelbar nach dem Einschalten liegen im Falle der indirekt geheizten Kathode alle Stellen auf dem gleichen Potential.

Die erfindungsgemäße Verwendung von pyrolytischem Graphit ergibt demnach die Möglichkeit, eine flächenhdfte, »flinke«, induktionsfreie Unipotentialkathode mit nahezu idealer homogener Temperaturverteilung zu realisieren. Hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Stabilität und deren Temperaturabhängigkeit ist sie allen anderen Materialien überlegen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1, 2 und 3 die Schichtung des pyrolytischen Graphits in verschieden geformten Heizleitern und

F i g. 4 bis 8 einige Ausführungsformen von indirekt (F i g. 5 und 6) und direkt geheizten Kathoden (F i g. 7 und 8).

In den Fig. 1, 2 und 3 ist der Verlauf der kristallographischen Achsen mit Pfeilen und den Bezugszeichen a und c angedeutet.

In den F i g. 4 bis 8 sind die Heizleiter aus pyrolytischem Graphit mit 1 bezeichnet. Die dunkel angelegten Teile 2 in den F i g. 4, 7 und 8 stellen einen Belag aus emissionsfördernder Substanz dar. Die Kappen 3 in den Fig.5 und 6 sind Elektronenemitter, die beispielsweise aus thoriertem Wolframblech bestehen.

Der Belag 2 wird z. B. durch Sputtern, durch

Aufdampfen oder durch reaktives Abscheiden aus der Gasphase (CVD-Verfahren) auf den Heizleiter 1 aufgebracht.

Die Stromzuführungen sind in den F i g. 4 bis 8 mit den Symbolen( + ),(-)und - angedeutet.

Hierzu 2 Blatt /cMniun-jcn

Claims

Patentansprüche:

1. Glühkathode mit einem flächenhaft ausgebildeten Emitterkörper und einem Heizelement aus ^r> pyrolytischem Graphit, das an der von der emittierenden Oberfläche des Emitterkörpers abgewandten Seite des Emitterkörpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement flächenhaft ausgebildet ist und die kristallogra- ι" phische c-Achse des pyrolitischen Graphits überall senkrecht zu der dem Emitterkörper zugewandten Oberfläche des Heizelements steht

2. Glühkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement derart mit Anschlüs- ι ί sen für den Stromdurchgang versehen ist, daß der Strom vorzugsweise, d. h. mit Hauptkomponente, parallel zur Schichtung des pyrolytischen Graphits fließt.

3. Glühkathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkörper als Schicht auf dem Heizelement angeordnet ist.

4. Glühkathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement partiell durch reaktive Umwandlung oder durch Ionenimplantation mit Bereichen höherer Elektronenemission versehen ist.

5. Glühkathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkörper durch einen Zwischenraum vom Heizelement getrennt ist. jo

6. Verfahren zur Herstellung der Glühkathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkörper durch reaktives Abscheiden aus der Gasphase (CVD-Verfahren) auf das Heizelement aufgebracht wird. i >