DE3014216A1 - Gluehkathode fuer eine elektronenroehre - Google Patents

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 80-051

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"Glühkathode für. eine EleKtronenröhre"

Die Erfindung betrifft eine Glühkathode für eine EleKtronenröhre mit zwei Konzentrisch zueinander angeordneten Hohlkörpern, die an einem (oberen) Ende miteinander verbunden sind, wobei der äußere Hohlkörper Träger der Emittersubstanz ist.

Eine derartige Glühkathode ist aus der US-PS 31 95 003 bekannt. Bei dieser bekannten Glühkathode, die in der US-PS 31 95 005 als Doppelwandkathode bzw. Koaxialkathode bezeichnet wird, weisen die beiden Hohlkörper die Form von Hohlzylindern auf und bestehen aus Metall. In dem Raum zwischen den beiden Hohlzylindern ist eine Heizvorrichtung angeordnet. Dies bedeutet, daß diese Glühkathode indirekt beheizt wird, wobei der innere Zylinder zwar als Reflektor der von der Heizvorrichtung erzeugten Wärme wirksam wird, aber primär die Aufgabe hat, den hochtemperierten äußeren Zylinder wärmeisolierend zu tragen. Ergänzend ist zu vermerken, daß die in der US-PS 31 95 dargestellte Röhrenkonstruktion zur Verstärkung höchstfrequenter Signale prinzipiell ungeeignet ist.

Aus der FR-PS 758 525 ist eine Glühkathode für eine Gasentladungsröhre mit einem Heizleiter aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Hohlzylindern bekannt, die galvanisch miteinander verbunden sind, mit Kontaktanschlüssen für eine elektrische Beheizung versehen sind und Träger der Emittersubstanz sind. Bei dieser bekannten Glühkathode besteht der Heizleiter aus Metall, Graphit oder Siliziumcarbid. Die Emittersubstanz ist jedoch derart auf dem Träger angebracht, daß die Kathode ein Raumladungsdepot

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darstellt, in dem rücKbeschleunigte Ionen durch Rekombination mit Elektronen weitgehend unwirksam gemacht werden.

Aus der DE-OS 27 32 960 ist eine Glühkathode mit einem Heizleiter aus pyrolytischem Graphit bekannt, der mit Kontaktanschlüssen für eine elektrische Beheizung versehen ist und Träger der Emittersubstanz ist. Es hat .sich Jedoch herausgestellt, daß die dort dargestellten "offenen" Flächenkathoden-Formen aus pyrolytischem Graphit für An-Wendungen im Höchstfrequenzbereich unzureichend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkathode zu schaffen, durch die der Anwendungsbereich der damit ausgestatteten Elektronenröhren in das Gebiet höchster Frequenzen erweitert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Glühkathode der eingangs genannten Art die beiden Hohlkörper galvanisch miteinander verbunden sind, am anderen (unteren) Ende mit Kontaktanschlüssen für -Bine elektrische Beheizung versehen sind und aus pyrolytischem Graphit bestehen.

Im Gegensatz zu der oben erwähnten offenflächigen Kathode läßt sich die erfindungsgemäße Gestaltung am treffendsten als "geschlossenflächige" Kathode bezeichnen.

Die beiden Hohlkörper sind in Form zweier konzentrischer Koaxialkörper, z.B. Kugeln, Halbkugeln, Kegel oder Kegeiso stumpfe, angeordnet. Die Zylinder-Form ist eine bevorzugte Ausführungsform, da diese Form in der Röhrenbautechnik weit verbreitet ist.

Die Verwendung von anisotropem pyrolytischem Graphit als Heizleiter- und Emitterträgerwerkstoff für Glühkathoden in Elektronenröhren ist im Vergleich zur Verwendung von

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Metallen wegen der folgenden Eigenschaften besonders vorteilhaft:

1) Hochtemperaturfestigkeit bis zu Temperaturen von .

2500 K (Dampfdruck bei dieser Temperatur: 10 bar).

2) Kein Schmelzen, sondern beginnende (im allgemeinen unschädliche) Sublimation von Kohlenstoff bei Temperaturen von = 2500 K.

J5) Zunehmende mechanische Festigkeit mit steigenden Temperaturen.

4) Geringes spezifisches Gewicht (2,0 bis 2,2 g ei"'), dadurch geringe Massenkräfte bei mechanischen Erschütterungen.

5) Relativ "hoher spezifischer Widerstand (strukturabhängig)

<j_v= 1,5 bis 4,8 .. 10~⁴ cm, d.h. etwa 10 bis 100 mal größer als bei Metallen. Daher besonders vorteilhaft auch für dünne, flächenhaft ausgebildete Leiter. ( £,| bedeutet, daß die Angabe sich auf den spezifischen Widerstand parallel zur Vorzugsorientierung der·Basis-, flächen im anisotropen pyrolytischen Graphit bezieht).

6) Sehr gute thermische Leitfähigkeit parallel zur

Schichtung:

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λ.,, = 2,1 bis 4,2 J K" cm~ s~ , also von der gleichen Größe wie XK_U-pf_er· Dadurch sehr homogene, sich schnell einstellende Temperaturverteilung bei Einschalten der Heizung. (Die Wärmeleitung ist ebenfalls strukturabhängig und steigt mit zunehmender kristalliner Perfektion des pyrolytischen Graphits bis zum 5- bis 10-fahen

1 —1 —1 des oben angegebenen Wertes von 2,1 J K cm s ).

In der erfindungsgemäßen Glühkathode ist die Konzeption der schnellgeheizten Kathode oder des "flinken" Heizleiters für indirekt geheizte Kathoden realisiert. Außerdem ist die erfindungsgemäße Glühkathode sowohl elektrisch als auch thermisch besonders vorteilhaft ausgelegt.

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

Fig. 1 einen Heizleiter, Fig. 2 eine Glühkathode mit einem gegenüber

Fig. 1 abgewandelten Heizleiterprofil, Fig. 3 ein Substrat zur Abscheidung von pyrolytischem Graphit, Fig. 4 eine Anordnung zur Zusammensetzung des

Heizleiters,
Fig. 5a bis 5d verschiedene Gestaltungen der

Verbindung zweier Hohlzylinder und Fig« 6 eine Glühkathode mit einem weiteren abgewandelten Heizleiterprofil.

Fig. 1 zeigt zwei konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder 1 aus (im allgemeinen) dünnwandigem pyrolytischem Graphit, die an einem (oberen) Ende 3 galvanisch miteinander verbunden sind und am anderen (unteren) Ende mit Kontaktanschlüssen 4 für eine elektrische Beheizung versehen sind.

so Eine derartige Anordnung hat folgende Vorzüge:

a) Bei vorgegebener Bauhöhe für die Kathode in einer Elektronenröhre erhält man durch die Doppelwandausführung praktisch mehr als den doppelten elektrischen Widerstand und dadurch ein günstigeres Strom-Spannungs-Verhältnis für die Heizleistung.

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b) Die eingespeiste Heizleistung wird besser genutzt, da die vom Innenteil 1 abgestrahlte Wärme zum großen Teil im Außenzylinder 2, der gleichzeitig Träger der Emittersubstanz 5 (Fig. 2) ist, absorbiert wird und so auch zur schnelleren Aufheizung der Kathode beiträgt.

c.) Die Anordnung der an einem Ende starr miteinander verbundenen Doppelzylinder bedingt eine relativ hohe mechanische Steifigkeit. Letztere Kann noch dadurchgesteigert werden, daß in den Zwischenräumen zwischen den beiden Zylindern ein oder mehrere Distanzstücke 6, beispielsweise aus einer thermisch und elektrisch isolierenden Keramik (z.B. nach Fig. 2),. passend eingesetzt werden. Durch diese Maßnahmen können bei sehr dünnen Wandstärken von beispielsweise 100 um und den damit verbundenen Vorteilen für eine schnelle Aufheizung bei relativ niedrigen Heizströmen die Kathoden ohne, zusätzliche konstruktive Maßnahmen in selbsttragender Bauweise ausgeführt werden.

Die Herstellung von Doppelwandzylindern aus pyrolytischem Graphit erfolgt nach an sich bekannten Verfahren der Abscheidung von gut orientiertem pyrolytisehem Graphit aus einer kohlenstoffhaltigen Gasphase. Vorzugsweise wird hierbei das Verfahren der sogenannten Heißwand- ("hot wall")-Pyrolyse angewandt, weil dabei die für eine gleichförmige •Abscheidung erforderliche Beheizung der mehr oder weniger komplizierten Substratformen am besten gewährleistet ist. Die Heißwandpyrolyse ist in Carbon 5 (1967) 205-217 beschrieben. Als Werkstoff für die benötigten Substrate wird vorteilhaft Elektrographit verwendet. Es hat sich nun gezeigt, daß die Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper, nämlich von dünnwandigen, an einem Ende starr miteinander verbundenen Hohlzylindern (s. Fig. 1) in einen einzigen Abscheidungs-

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gang, also sozusagen "in einem Stück", äußerst problematisch ist. Dies beruht auf der bekannten Tatsache, daß die in Frage kommenden Substratwerkstoffe, hier besonders der Elektrographit, einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, als die darauf abgeschiedenen Schichten aus pyrolytischem Graphit. Die Folge davon ist, daß bei Abkühlung von Abscheidungstemperatur (etwa 2000⁰C) auf Raumtemperatur nach der Beschichtung, sich das Substrat stärker zusammenzieht als die Schicht. (Im Fall der aus der DE-AS 24 50 261 bekannten Gitter elektrodenherstellung beruht hierauf die erwünschte, einfache Trennbarkeit von Umhüllung (Schicht aus pyrolytischem Graphit) und massivem Substrat). Hat dieses Substrat nun, wie in Fig. 3 dargestellt, die Form eines mehr oder weniger dickwandigen Hohlzylinders S aus Elektrographit, so schrumpft der Substratzylinder beim Abkühlen in der Weise, daß er sich zwar von der äußeren zylindrischen Schicht 2 ablöst, die im Inneren abgeschiedene Schicht 1 jedoch regelrecht festgeklemmt wird. Das Schrumpfen ist in Fig,. 3 durch Pfeile angedeutet. Eine einwandfreie Trennung von Substrat is und Beschichtung 1, 2 ist somit im allgemeinen nicht möglich. Im Prinzip kann natürlich das Substrat, beispielsweise auf mechanischem Wege durch Ausdrehen oder Ausschleifen;, aus der Umhüllung entfernt werden, jedoch ist diese Methode nur in bestimmten Ausnahmefällen praktikabel, z.B. bei großen Abständen zwischen Außen- und Innenzylinder und gleichzeitig relativ großen Wanddicken der Schichten.

Um die angedeuteten Schwierigkeiten zu vermeiden, wird man so die Herstellung der Doppelwandzylinder im allgemeinen in mehreren Fertigungsschritten vornehmen. Dies soll in Form von Beispielen erläutert werden.

Es werden für den Innen- wie für den Außenzylinder jeweils massive Substrate der gewünschten Form und Abmessungen

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angefertigt. Diese werden nach bekannter Verfahrensweise (z.B. bei 2000⁰C unter einem Pyrolysegasdruck von 2 bis 3 mbar Propan oder ähnlichen Kohlenwasserstoffen über eine Zeit von 3 bis 5 Stunden) beschichtet. Man erhält unter diesen Bedingungen eine umhüllende Beschichtung von 200 bis 300 Wn Schichtdicke, die nach Entfernen des Bodenteils, etwa durch Abschleifen, vom Substrat leicht abgezogen werden kann. (Die gleiche Technik wird bei der aus der DE-AS 24 50 261 bekannten Herstellung von Rohlingen für Gitterelektroden praktiziert).

Die beiden so erhaltenen Teilzylinder 1 und 2 werden nun - nch eventueller Bearbeitung zur Herstellung einer bestimmten Anpassung der für die Verbindung vorgesehenen Stellen 3 - paarweise zusammengesetzt. Um eine exakte und konzentrische Fixierung zu gewährleisten, wird man sich dabei im allgemeinen einer sogenannten "Lehre" bedienen müssen. Eine Anordnung der beschriebenen Art ist in Fig_u 4 schematisch verdeutlicht, wobei die Lehre mit L bezeichnet ist. Für die Verbindung der- Stellen bei 3 können unterschiedliche Techniken.wie Löten, Klemmen, Schrauben usw.., besonders aber auch die Verbindung mittels CVD-Methoden angewendet werden. In Testversuchen wurde hier vorzugsweise die Verbindung mitttels pyrolytischer Kohlenstoffabscheidung und Löten (z.B. mit Zr/Ni) angewendet.

Die zu verbindenden Teilkörper können sehr variabel gestaltet werden. Die Fig. 5a bis 5d geben davon eine Vorstellung (es wird hier jeweils nur ein Ausschnitt der Verbindungsstelle dargestellt; die Verbindungsstelle selbst ist eingekreist). Fig. 5d symbolisiert eine Verbindungsstelle unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Zentrierstücks (schraffiert) aus Metall oder Kohlenstoff.

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Es Kann nicht nur die Form der Verbindungsstelle sowie die VerbindungstechniK vielfältig variiert werden, sondern auch die Form der beiden KathodenteilKörper selbst. So Kann man anstelle der bevorzugten Zylinder auch Hohl-Körper mit nichtKreisförmigem Querschnitt oder solche Profile wählen, bei denen der besseren Befestigung der Emittersubstanz, etwa in Form der Fig. 6, Rechnung getragen wird.

Eine allgemein verbindliche Angabe über die zum Erreichen bestimmter Oberflächentemperaturen notwendigen Heizleistungen Kann nicht gemacht werden, da sie jeweils von der Art und Größe der gewählten KoaxialKathode sowie von den Abstrahlungsverhältnissen und vor allem auch von der Wärmeableitung der KontaKte sahr starK beeinträchtigt wird. Die Messung ergibt jedoch, daß Systeme der beschriebenen Art nach Einschalten der Heizleistung spontan, d.h. im allgemeinen innerhalb 1 s, ihre Endtemperatur erreichen und sich die Temperaturgleichgewichte schnell einstellen.

Claims (2)

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   PATENTANSPRÜCHE:

   (y. Glühkathode für eine Elektronenröhre

   mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Hohlkörpern, die an einem (oberen) Ende miteinander verbunden sind, wobei der äußere Hohlkörper Träger der Emitter subs tar. ζ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlkörper (1, 2) galvanisch miteinander verbunden sind, am anderen (unteren) Ende mit Kontaktanschlüssen (4) für eine elektrische Beheizung versehen sind und aus pyrolytischem Graphit bestehen.
2. 2. Glühkathode nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlkörper (1_? 2) die Form koaxialer Hohlzylinder aufweisen.

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   ORIGJNAL INSPECTED