DE3050267C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren, die aus ei­ nem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Stromzulei­ tungsringe ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeits­ oberfläche in Form von sich kreuzenden wendelförmigen Heizfäden mit Öffnungen zwischen diesen gebildet ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Gitterkathode.

Eine solche Gitterkathode ist aus dem SU-Erfinder­ schein 2 60 748 oder aus der DE-PS 8 82 736 bekannt.

Direkt geheizte zylindrische Gitterkathoden erlauben wegen ihrer verhältnismäßig großen Arbeitsoberfläche die Erzielung hoher Emissionsströme. Ein Problem ist jedoch die Verwirklichung einer gleichmäßigen Emission über die ganze Arbeitsoberfläche, d. h. einer hohen Wirksamkeit der Kathode, sowie auch die Gewährleistung einer großen Lebensdauer und Stabilität der Parameter der Kathode. Auch ist die Herstellung solcher Kathoden aufwendig.

Bei einer älteren, aus der DE-PS 8 51 832 bekannten direkt geheizten Gitterkathode ist die Zellenstruktur der zylindrischen Arbeitsoberfläche durch sich kreuzen­ de wendelförmige Heizfäden gebildet, wobei diese an den Kreuzungspunkten miteinander verschweißt und mit ihren Enden an Stromzuleitungsringen angeschweißt sind. Diese Kathode hat wegen der großen Anzahl der Schweißver­ bindungen eine geringe mechanische Festigkeit und eine recht ungleichmäßige Temperaturverteilung bei der Heizung.

Die an die Stromzuleitungsringe angeschweißten Enden der Heizfäden sind wegen der bedeutenden Wärmeableitung kälter als der Mittelteil der Fäden.

Weiterhin liegen in dieser Kathode die sich kreuzenden Drähte in verschiedenen Abständen von der Kathodenachse, nämlich in zwei Schichten. Deshalb sind die Möglichkeiten zur Verminderung des Gitter-Kathoden-Abstands und damit die Möglichkeit der Erhöhung der Kennliniensteilheit der Röhre begrenzt. Die Herstellung ist kompliziert und wenig produktiv. Infolge der ungleichmäßigen Temperaturver­ teilung, der niedrigen mechanischen Festigkeit und der strukturellen Inhomogenitäten, die die Schweißungen mit sich bringen, sind diese Kathoden wenig wirksam und von geringer Lebensdauer.

Die eingangs genannte direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren, von der die Erfindung ausgeht, ist von einigen dieser Nachteile frei. Sie ist im Vergleich mit der Drahtkathode von besserer mechanischer Festig­ keit und Fertigungsgeeignetheit und ihre Wirksamkeit ist desgleichen höher als bei der geschweißten Draht­ kathode. Die einstückige Ausführung aus einem zylindrischen Metallteil gestattet es, den Gitter-Kathoden-Abstand zu verringern und dessen Konstanz über die ganze Arbeits­ oberfläche der Kathode zu gewährleisten, wodurch die Kennliniensteilheit der Röhre erhöht und ihr Frequenz­ bereich erweitert wird.

Bei der aus dem genannten SU-Erfinderschein 2 60 748 bekannten Kathode nimmt die Fläche der zwischen den sich kreuzenden Heizfäden gebildeten Öffnungen von den Enden mit den Stromzuleitungsringen zur Mittenebene hin zu, so daß die summarische Fläche der Heizfädenober­ fläche in der Mitte der Kathode geringer ist als bei den Stromzuführungsringen, wodurch die Emissionsstrom­ dichte über die Oberfläche der Kathode in einem gewissen Maße ausgeglichen wird.

Trotz dieser positiven Eigenschaften der bekannten Gitterkathode haftet jedoch auch ihr der Hauptnachteil der bekannten geschweißten Drahtkathoden an, nämlich daß jeder wendelförmige Heisfaden im Mittelteil eine höhere Temperatur als an den Stromzuleitungsringen hat. Das Temperaturgefälle über die Länge des Heizfadens in der Richtung von der Kathodenmitte zu den Stromzuleitungs­ ringen beträgt bei der bekannten Kathode 400 bis 500° C, so daß jeder Heizfaden nur etwa auf der Hälfte seiner Gesamtlänge emissionswirksam ist. Demzufolge ist auch die emittierende Oberfläche der Kathode auf die Hälfte ihrer Arbeitsoberfläche reduziert, was die Möglichkeit einer Vergrößerung der Stromabnahme von der Kathode wesentlich begrenzt. Besonders ausgeprägt ist dies bei kurzen Kathoden, bei denen das Verhältnis der Länge der Arbeitsoberfläche zu deren Durchmesser nahe bei Eins liegt.

Zwar wird bei der Ausführung der bekannten Kathode mit sich ändernder Fläche der Öffnungen das Integraltempera­ turfeld über die Oberfläche der Kathode in einem ge­ wissen Maße ausgeglichen, aber auch in diesem Falle verbleibt ein Temperaturgefälle über die Länge jedes Heizfadens, und es wird keine irgendwie bemerkbare Erhöhung der Wirksamkeit der Kathode erreicht, d. h. die Ungleichmäßigkeit der Emissionsverteilung über die Oberfläche der Kathode bleibt. Der Temperaturgradient über die Länge der Heizfäden hat auch eine kurze Lebensdauer der Kathode zur Folge.

Die bekannten Gitterkathoden können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Die aus der genannten DE-PS 8 82 736 bekannte Kathode wird aus einem Blech durch Aus­ stanzen von Aussparungen und anschließendes Rollen des­ selben zu einem Zylinder hergestellt.

Ein das Ausstanzen durch eine elektroerosive Bearbeitung ersetzendes Herstellungsverfahren ist bekannt aus dem Aufsatz von V. N. Alexandrov und V. F. Ioffe "Neue Kon­ struktion der Netzblöcke von Generator- und Modulator­ röhren, Ausrüstung für deren Herstellung", Zeitschrift "Obmen opytom v elektronnoi promyshlennosti" ("Erfahrungs­ austausch in der elektronischen Industrie"), Moskau, Institut der Elektronik, Lieferung 7 (17), 1968. Gemäß diesem Verfahren wird zuerst aus einer Platte, deren Kantenlänge der Länge der Arbeitsoberfläche der Kathode entspricht, eine Werkzeugelektrode hergestellt, und zwar indem man mittels einer Drahtelektrode elektroerosiv Nuten in der Stirnfläche der Platte so ausarbeitet, daß die Vorsprünge zwischen den Nuten der Form der Öffnungen zwischen den Heizfäden der Kathode entsprechen. Mit der so erhaltenen Werkzeugelektrode wird dann die Gitterkathode durch Elektroerosionslochung der Längs­ reihen der Öffnungen in einem hohlen zylindrischen Werkstück durchgeführt.

Die beim Ausschneiden der Nuten in der Platte gebildeten Vorsprünge haben im Schnitt die Form einer Raute und liegen in einer Reihe längs der Arbeitsoberfläche der Werkzeugelektrode, wobei die Breite der zu bearbeiten­ den Stirnseite der Platte, aus der man die Werkzeug­ elektrode anfertigt, gleich der senkrecht zur Kathoden­ achse gerichteten Diagonale der rautenförmigen Öffnung zwischen den Heizfäden der Kathode mit Abzug von zwei Elektroerosionsstrecken gewählt wird. Bei der Lochung des hohlen zylindrischen Werkstücks mit einer solchen Werkzeugelektrode bildet sich in ihm in einem Schnitt eine Längsreihe der rautenförmigen Öffnungen aus. Danach wird das Werkstück um seine Achse um einen Winkel ge­ dreht, der dem Winkelabstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Längsreihen der Öffnungen in der Kathode gleich ist, und längs der Achse um einen Abstand verschoben, der der Hälfte der anderen, längs der Mantel­ linie des Zylinders gerichteten Diagonale der rauten­ förmigen Öffnung der Kathode gleicht. Nach der Lochung der zweiten Längsreihe der Öffnungen wird das Werkstück um den gleichen Winkel weitergedreht und längs der Achse um den gleichen Abstand zurück verschoben. So werden nacheinander alle Längsreihen der Öffnungen gelocht, wobei das Werkstück jedesmal gedreht und jedesmal längs der Achse in bezug auf die Werkzeugelektrode verschoben wird. Dabei ergeben sich die Maße der Öffnungen in der Kathode unmittelbar aus den Maßen der Vorsprünge an der Arbeitsstirnseite der Werkzeugelektrode und die Maße der Heizfäden werden durch die Winkelverstellung des Werkstücks um die Achse und durch seine axiale Ver­ schiebung in bezug auf die Werkzeugelektrode bestimmt.

Dieses Herstellungsverfahren hat eine Reihe von Nach­ teilen, die die Nachteile der Konstruktion der Kathode zusätzlich vermehren. Der Arbeitsaufwand zur Herstellung der Werkzeugelektrode ist hoch und die Kinematik der Vorrichtung zum Lochen der Öffnungen im zylindrischen Werkstück ist kompliziert, insbesondere wegen der Not­ wendigkeit sowohl genauer Winkelverstellungen als auch genauer axialer Verschiebungen des Werkstücks. Da bei dem bekannten Verfahren die Maße der Heizfäden durch die Genauigkeit der Winkel- und Axialverstellungen des Werk­ stücks bestimmt werden, deren jede ihren Fehler ein­ bringt, ist die Herstellung von Heizfäden mit hoher Genauigkeit schwierig. Es entstehen Heizfäden mit einer großen Streuung der Breite. Beim Betrieb einer ungenau hergestellten Kathode treten zusätzliche Temperatur­ gradienten auf, die zusätzlich die Wirksamkeit der Kathode herabsetzen und ihre Lebensdauer vermindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer direkt geheizten Gitterkathode mit besseren Emissionskenndaten und das Aufzeigen eines geeigneten Verfahrens zur Herstellung einer direkt geheizten Gitterkathode für Elektronenröhren. Insbesondere soll die direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren bei gegebenen Außenabmessungen eine große Fläche der wirksamen emittierenden Oberfläche bei gleichmäßiger Temperaturverteilung über die Länge der Heizfäden haben und das Herstellungsverfahren soll mit Hilfe einfachster technologischer Vorgänge Heizfäden mit hoher Genauigkeit ergeben.

Ausgehend von der eingangs genannten Ausbildung einer Gitterkathode wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man eine stufenweise Vergrößerung der Oberfläche jedes Heizfadens in Richtung von den Rändern der Kathode zu deren Mitte verwirklicht. In einer ersten Konstruktionsvariante der direkt geheizten Gitterkathode für Elektronenröhren nimmt die Breite der Heizfäden in Richtung von den Stromzuleitungsringen zur Mitte der Kathode hin an den Kreuzungspunkten der Heisfäden stufenweise zu. In einer zweiten Konstruktionsvariante sind im Mittelteil der Arbeitsoberfläche der Kathode zwischen den am nächsten liegenden Kreuzungspunkten der Heizfäden Verbindungs­ stege vorhanden, die mindestens einen zu den Stromzu­ leitungsringen parallelen Äquipotentialring bilden.

Es ist zweckmäßig, wenn die erwähnten Verbindungsstege mehrere parallele Äquipotentialringe bilden, wobei der in der Mitte der Kathode liegende Äquipotential­ ring die größte Breite besitzt und die Breite der übrigen Äquipotentialringe in Richtung zu den Stromzuleitungs­ ringen hin jeweils abnimmt.

Bei einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung gelingt eine Vergrößerung der wirksamen emittierenden Ober­ fläche in der ersten Konstruktionsvariante der Kathode infolge der Vergrößerung der Stromdichte auf den Strecken der Heizfäden, die näher zu den Stromzuleitungsringen liegen, wodurch eine gleichmäßigere Erwärmung eines jeden Heizfadens über die ganze Länge gewährleistet wird. Außerdem wird die Wärmeableitung an den Enden der Heizfäden infolge der Verminderung von deren Breite in der Nähe der Stromzuleitungsringe herabgesetzt. Die Vergrößerung der wirksamen emittierenden Oberfläche in der zweiten Konstruktionsvariante der Kathode ge­ lingt durch die Hinzufügung von nichtstromleitenden Verbindungsstegen, die Äquipotentialringe bilden, wobei diese auf den Abschnitten der Heizfäden, die sonst eine erhöhte Temperatur hätten, einen Teil der Wärme von diesen Abschnitten in sich aufnehmen und abstrahlen. So wird auch hier die Temperatur über die Länge der Heizfäden ausgeglichen. Der Ausgleich der Temperatur über die Länge der Heizfäden kann durch Änderung der Breite der Verbindungsstege mit hoher Genauigkeit aus­ geführt werden, wobei an die besonders erwärmten Strecken der Heizfäden die Verbindungsstege mit der größten Breite angeschlossen werden.

Beide Konstruktionsvarianten der Gitterkathode sind im Sinn der Lösung der Aufgabe gleichwertig. In Ab­ hängigkeit von den konkreten Einsatzbedingungen in einer bestimmten Elektronenröhre wird die eine oder die andere Variante oder auch eine Kombination der­ selben gewählt, d. h. eine Kathode mit einer stufen­ weisen Vergrößerung der Breite der Heizfäden sowie mit Äquipotentialringen.

Beide erfindungsgemäßen Varianten setzen die Ausführung sämtlicher Heizfäden der Kathode mit gleicher Länge voraus. Der Schnitt jedes Heizfadens hat bei der Her­ stellung der Kathode aus einem Stück Metall eine Form, die der rechteckigen nahe liegt. Die Stärke jedes Heizfadens ist über die ganze Länge konstant, und die Arbeitfläche sämtlicher Heizfäden ist über die ganze Länge der Kathode von deren Achse gleich entfernt.

Die erfindungsgemäßen Gitterkathoden eignen sich ins­ besondere zur Herstellung von Generatoren- und Modulatoren­ röhren. Ihre Wirksamkeit ist um das 1,3- bis 1,5fache erhöht. Zum Erreichen der gleichen Werte des Emissions­ stroms wie bei den bekannten Kathoden ist eine geringere spezifische Leistung der Heizung und als Folge davon eine niedrigere Heizungstemperatur der Heizfäden er­ forderlich. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer der Kathoden der erfindungsgemäßen Konstruktion um das 3- bis 5fache. Die mit der erfindungsgemäßen Gitterkathode hergestellten Elektronenröhren sind von hoher Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Lebens­ dauer.

Betreffend die Herstellung von solchen Gitterelektroden wird ausgegangen von einem Verfahren durch Fertigung zunächst einer Werkzeugelektrode aus einer Platte mittels Elektroerosionsausschnitts von Nuten mit der Ausbildung von Vorsprüngen zwischen ihnen, deren Form der Form der Öffnungen zwischen den Heizfäden der Kathode entspricht, mit einer Drahtelektrode in der Stirnseite der Platte, wobei die Länge der zu bearbeiten­ den Stirnseite der Länge der Arbeitsoberfläche der Kathode entspricht, sowie durch Elektroerosionslochung der Längs­ reihen von Öffnungen in einem hohlen zylindrischen Werk­ stück mit dieser Werkzeugelektrode mit Verdrehung des Rohlings um seine Achse nach jedem Schnitt mit der Werk­ zeugelektrode. Erfindungsgemäß ist dabei die Breite der zu bearbeitenden Stirnseite der Platte dem doppelten Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten Längsreihen der Öffnungen in der Kathode gleich und die Nuten in der Platte werden so ausgeschnitten, daß nach jedem Schnitt mit der Werkzeugelektrode im hohlen zylindrischen Werkstück volle Öffnungen einer Längs­ reihe, die Hälften der Öffnungen zweier an sie von bei­ den Seiten anschließenden Längsreihen und zwei Ab­ schnitte jedes Heizfadens, deren jeder durch die Überkreuzung dieses Fadens mit zwei anderen neben­ liegenden Fäden gebildet ist, erzeugt werden, wobei das Werkstück nach jedem Schnitt mit der Werkzeug­ elektrode um einen Winkel verdreht wird, der dem doppelten Winkelabstand zwischen den Mittellinien der Längsreihen der Öffnungen in der Kathode gleich ist.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Gitterkathode werden mit einfachen Mitteln Heiz­ fäden mit hoher Genauigkeit erhalten; denn die Form der Öffnungen in der Arbeitsoberfläche der Kathode hängt nur von der Werkzeugelektrode ab und nicht auch noch von der Genauigkeit der Winkelverstellungen des Werkstücks.

Außerdem gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität mindestens um das Doppelte im Vergleich zu dem bekannten Herstellungs­ verfahren, da im vorliegenden Fall die Schnittzahl mit der Werk­ zeugelektrode nur mit der Hälfte der Anzahl der Längsreihen der Öffnungen in der Kathode gleich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine direkt geheizte Gitterkathode für Elektronen­ röhren in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 2 a, b Diagramme der Temperaturverteilung über die Länge der Heizfäden der in Fig. 1 dargestellten Kathode und der bekannten Kathode;

Fig. 3 eine direkt geheizte Gitterkathode für Elektronen­ röhren in einer zweiten Ausführungsvariante;

Fig. 4 eine Werkzeugelektrode zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Kathode in der Ansicht auf die Ar­ beitsfläche;

Fig. 5 die Seitenansicht zu Fig. 4;

Fig. 6 das zylindrische Werkstück der Kathode nach dem ersten Schnitt mit der Werkzeugelektrode gemäß Fig. 4/5;

Fig. 7 das zylindrische Werkstück nach dem zweiten Schnitt.

Die direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren in der ersten Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 ist in Form eines Hohlzylinders aus einem ganzen Stück Metall, z. B. Wolfram, hergestellt. An beiden Rändern des Zy­ linders sind Stromzuleitungsringe 1 und 2 ausgebildet, zwischen denen die Arbeitsoberfläche der Kathode eingeschlossen ist, die eine Gitterstruktur mit der Länge L längs der Mantellinie des Zylinders darstellt.

Die Arbeitsoberfläche der Kathode ist in Form von sich kreuzenden wendelförmigen Heizfäden ausgebildet, die aus einer Gruppe von parallelen Heizfäden 3, die nach einer rechten Schraubenlinie gerichtet sind, und einer Gruppe von die letzteren kreuzenden parallelen Heiz­ fäden 4, die nach einer linken Schraubenlinie gerichtet sind, bestehen. Die Heizfäden 3 und 4 sind von gleicher Länge und Form und unterscheiden sich nur durch ihre Steigungsrichtung.

Zwischen den Heizfäden 3 und 4 sind rautenförmige Öffnungen 5 gebildet.

Die Arbeitsoberfläche der Kathode bildende Gitterstruk­ tur von Heizfäden 3 und 4 ist symmetrisch in bezug auf die Mittenebene a-a der Kathode zu der die Achse O-O der Kathode rechtwinklig verläuft.

Jeder Heizfaden 3 und 4 ist mit stufenweise zunehmender Breite in Richtung von den Rändern zur Mitte der Kathode ausgeführt. Da sämtliche Heizfäden 3 und 4 in bezug auf die Mittenebene a-a der Kathode symmetrisch gleich sind, genügt die Betrachtung einer Hälfte eines Fadens 3, da sämtliche Hälften aller Fäden 3 und 4 von gleicher Geometrie sind.

Die Breite des betrachteten Heizfadens 3 vergrößert sich in Richtung vom oberen Rand der Kathode, d. h. vom Stromzuleitungsring 1, zur Mittenebene a-a. Die minimale Breite b₁ hat die an den Stromzuleitungsring anschließende Strecke des Fadens 3, die durch den Ab­ schnitt 3-1 zwischen zwei benachbarten Heizfäden 4, die diesen Heizfaden 3 überqueren, gebildet ist. Die folgende Strecke dieses Fadens 3, die z. B. durch die Abschnitte 3-2 und 3-3 zwischen den ihn überquerenden anderen benachbarten Fäden 4 gebildet wird, hat die Brei­ te b₂, die größer als b₁, jedoch kleiner als die Breite b₃ der folgenden in Richtung zur Mitte der Kathode liegenden Strecke des Fadens 3, die aus den nachein­ anderfolgenden Abschnitten 3-4 und 3-5 besteht, ist; die Breite b₃ der Abschnitte 3-4 und 3-5 ist ihrerseits geringer als die Breite b₄ der Strecke des Fadens 3, die durch die Abschnitte 3-6 und 3-7 gebildet ist. Der Heiz­ faden 3 hat die größte Breite b₅ in der Strecke 3-8, die an die Mittelebene a-a der Kathode anschließt, d.h.

b₅ < b₄ < b₃ < b₂ < b₁ < = min.

Es ist auch ein anderer Charakter der Breitenvergrößerung der Heizfäden 3 und 4 in Richtung von den Rändern der Kathode zu deren Mitte möglich, insbesondere ist es oft, wie die Erfahrungen zeigen, nicht erforderlich, die Brei­ te der Heizfäden über ihre ganze Länge zu ändern. Manch­ mal ist es ausreichend, nur die Strecken, die an die Stromzuleitungsringe anschließen, mit einer geringeren Breite auszuführen als den übrigen Teil des Heiz­ fadens, der eine konstante Breite haben kann. In einer Reihe von Fällen reicht dies aber nicht aus und der Heizfaden muß mehrere Strecken verschiedener Breite, beginnend von den Stromzuleitungsringen 1 und 2, auf­ weisen. Zur Vereinfachung der Fertigung kann eine Strecke konstanter Breite sich über zwei nacheinander­ folgende Abschnitte erstrecken, die durch die anderen, diesen Faden überquerenden Heizfläche begrenzt sind, mit Ausnahme der direkt an die Stromzuleitungsringe anschließenden Strecken, die zweckmäßigerweise aus nur einem solchen Abschnitt bestehen.

Für konkrete Kathoden wird in Abhängigkeit von den er­ forderlichen Parametern die Breite der Heizfäden 3 und 4 auf jeder Strecke nach bekannten methodischen Anwei­ sungen unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Werk­ stoffs, der Geometrie der Kathode, der Länge und Anzahl der Heizfäden, der Betriebszustände der Kathoden usw. berechnet. Da es jedoch praktisch unmöglich ist, ein­ deutig die gegenseitige Abhängigkeit einer großen Anzahl von Einflußdaten zu bestimmen, die die Verteilung der Temperatur und der Emission über die Oberfläche der Kathode beeinflussen, erfordern die rechnerisch er­ haltenen Daten eine Präzisierung. Deswegen werden die optimalen Maße der Kathodenelemente, insbesondere die Breite der Heizfädenstrecken, endgültig experimentell gewählt. So kann im Ergebnis von einigen Experimenten eine Kathode mit praktisch fast idealer Verteilung der Temperatur über die ganze Länge jedes Heizfadens erhalten werden.

In der Fig. 2a ist die Temperaturverteilung über die Länge der Arbeitsoberfläche für eine Kathode dargestellt, die aus thoriertem Wolfram gemäß dem beschriebenen Aus­ führungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde. Zur Bestimmung der in der Fig. 2a angeführten Daten wurde die Kathode bis auf 2000 K erwärmt, es wurde durch sie elektrischer Strom durchgeleitet und die Temperatur an verschiedenen Punkten der Heizfäden 3 und 4 gemessen. Die Kurve im Diagramm 2 a zeigt gemittelte Werte.

Zum Vergleich ist in der Fig. 2b die gleiche Abhängig­ keit für die bekannte Gitterkathode gezeigt, von der vor­ liegend ausgegangen wurde. Aus den Fig. 2a und 2b ist ersichtlich, daß die Temperaturverteilung über die Länge des Heizfadens in der vorgeschlagenen Kathode be­ deutend gleichmäßiger ist als in der bekannten Kathode. In der erfindungsgemäßen Kathode beträgt die Fläche der wirksamen emittierenden Oberfläche über 80% der Arbeitsoberfläche der Kathode, während in der bekannten Kathode diese Fläche weniger als 50% der Arbeitsober­ fläche der Kathode ausmacht.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsvariante der direkt geheizten Gitterkathode. Auch diese ist in Form eines Zylinders aus einem ganzen Stück Metall ausgeführt und die Arbeitsoberfläche ist durch die wendelförmigen Heiz­ fäden 6 die längs einer rechten Schraubenlinie gerichtet sind, und durch die sie kreuzenden wendelförmigen, längs einer linken Schraubenlinie gerichteten Heizfäden 7 ge­ bildet. Die Heizfäden 6 und 7 werden durch die Strom­ zuleitungsringe 8 und 9 an den Rändern des Zylinders begrenzt. Auch hier ist die Arbeitsoberfläche der Kathode symmetrisch in bezug auf die Mittenebene a-a, die recht­ winklig zur Achse O-O verläuft, und sämtliche Heizfäden 6 und 7 haben gleiche Maße. Der Unterschied gegenüber der ersten Variante besteht darin, daß jeder Heizfaden 6 und 7 eine gleiche Breite über die ganze Länge hat und im Mittelteil der Arbeitsoberfläche zwischen den benachbarten Kreuzungen der Heizfäden 6 und 7 in den Öffnungen 10 Verbindungsstege zwischen ihnen ausgeführt sind, die Äquipotentialringe bilden, von denen der eine Ring 11 in der Mitte der Kathode liegt und die anderen paarweise 12 und 13, 14 und 15, 16 und 17 symmetrisch zur Mitte a-a der Kathode angeordnet sind.

Sämtliche Äquipotentialringe 11, 12, 13, 14, 15, 16 und 17 verlaufen parallel zu den Stromzuleitungsringen 8 und 9.

Die Breite der Äquipotentialringe hängt von ihrem Abstand von der Mitte a-a der Kathode ab. Die maximale Breite d₁ hat der Ring 11, der in Mitte der Kathode liegt. Die Breite d₂ der folgenden Ringe 12 und 13 ist geringer als die Breite d₁ des Rings 11; die Breite d₃ der Ringe 14 und 15 ist geringer als die Breite d₂ der Ringe 12 und 13, und die am weitesten von der Kat­ hodenmitte entfernten Ringe 16 und 17 haben die Breite d₄ die geringer als die Breite d₃ der von ihnen nächst­ liegenden Ringe 14 und 15 ist, d. h.
d₄ < d₃ < d₂ < d₁ < = max.

In einer Reihe von Fällen, z. B. für kurze Kathoden, kann nur ein Mittelring 11 ausreichend sein.

Die Anzahl und Breite der Äquipotentialringe wird des­ gleichen nach bekannten methodischen Anweisungen be­ rechnet, wonach die berechneten Werte experimentell optimiert werden.

Durch die Ausbildung von Äquipotentialringen wird eine gleichmäßige Temperatur der Arbeitsoberfläche der Kathode erreicht. Die nichtstromleitenden Ringe leiten aus den sie kreuzenden Heizfäden einen Teil der Wärme ab, so daß die Temperatur an den Kreuzungsstellen der Heizfäden mit den Ringen sinkt und die Temperatur über die ganze Länge der Heizfäden vergleichmäßigt wird.

Die Temperaturverteilung über die Länge jedes Heiz­ fadens der in der Fig. 3 dargestellten Kathode ist dem Verlauf gemäß Fig. 2a ähnlich.

Die Herstellung der Gitterkathode, z. B. der in der Fig. 1 gezeigten Kathode, verläuft wie folgt:

Zunächst wird die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Werkzeugelektrode angefertigt. Die Werkzeugelektrode wird aus einer Kupferplatte 18 ausgeführt. Die Länge L' der Stirnseite der Platte 18 wird entsprechend der Länge L der Arbeitsoberfläche der Kathode gewählt: L' = L - 2 x, wo x die Breite des Erosionsspaltes ist. Die Breite H der Stirnseite der Platte 18 wird gleich dem doppelten Abstand 1 zwischen den Mittellinien der benachbarten Längsreihen der Öffnungen 5 (Fig. 1) der Kathode ge­ wählt.

In der Stirnseite der Platte 18 werden mit Hilfe einer Drahtelektrode die sich kreuzenden Nuten 19 und 20 elektroerosiv ausgearbeitet. Die Breite und die Lage jeder der Nuten 19 und 20 entspricht der Breite und der Lage einer Strecke des Heizfadens 3 oder 4 der Kathode, die durch zwei nacheinanderfolgende Abschnitte zwischen den anderen, diesen Faden kreuzenden Fäden gebildet wird. Die Breite y _n jeder Nut 19 und 20 wird aus der Bedingung gewählt: y _n = b _n + 2 x, wobei b _n die Breite der jeweiligen Strecke des Fadens 3 oder 4 und x die Breite des Elektroerosionsspaltes bedeuten. Das Aus­ schneiden der Nuten 19 und 20 mit unterschiedlicher Breite erfolgt entweder mittels eines Drahtes mit ver­ schiedenem Durchmesser oder mittels eines Drahtes mit gleichem Durchmesser bei verschiedenen technologischen Betriebszuständen oder auch mit einer Verstellung des Drahts in der Nut nach einem vorgegebenen Programm.

Die Tiefe K der Nuten 19 und 20 wird aus der Bedingung bestimmt: K z N/2, wobei z die Stärke der Wandungen des Kathodenwerkstücks und N die Zahl der Längsreihen der Öffnungen 5 in der Gitterstruktur der Kathode bedeuten. Bei der Bestimmung der Tiefe K der Nuten 19 und 20 wird auch der Grad des Verschleißes der Werkzeugs­ elektrode berücksichtigt.

Nach dem Ausschneiden sämtlicher Nuten 19 und 20 in der Stirnseite der Platte 18 werden zwischen diesen Nuten drei Längsreihen von Vorsprüngen 21, 22 und 23 ausgebildet. Dabei entsprechen die Vorsprünge 21 der Mittelreihe im Querschnitt den vollen Öffnungen 5 einer Längsreihe der Öffnungen der Kathode und die Vorsprünge 22 und 23 der Seitenreihen den Hälften der Öffnungen 5, die dieser Öffnungsreihe der Kathode benachbart sind (unter Berücksichtigung der Elektro­ erosionsspalte).

Wie aus der Fig. 4 gut ersichtlich ist, bilden sich beim Ausschneiden der Nuten 19 und 20 an den kurzen Seiten der rechteckigen Stirnfläche der Platte 18 drei­ eckige Vorsprünge 24 und 25 aus, die mit punktierten Linien gezeigt sind. Es wird empfohlen diese Vorsprünge zu entfernen, da sie sich wegen ihrer geringen Steifig­ keit verbiegen können, was die Ausführungsgenauigkeit der besonders wichtigen Strecken der Heizfäden, die an die Stromzuleitungsringe anschließen, herabsetzt.

Bei der Herstellung der Werkzeugelektrode aus steiferen Metallen, z. B. aus Stahl oder Titan, können die Vor­ sprünge 24 und 25 belassen werden . In diesem Falle wird das Aussehen der Gitterstruktur der Kathode von dem in der Fig. 1 gezeigten entsprechend abweichen

Danach wird ein hohles zylindrisches Werkstück 26 (Fig. 6) genommen, dessen Länge und Durchmesser der erforderlichen Länge bzw. dem Durchmesser der Kathode gleich sind, und dessen Stärke der Wandung der ge­ wünschten Stärke z der Heizfäden der Kathode gleich ist. In diesem Werkstück 26 werden mit der in Fig. 4 und 5 gezeigten Werkzeugelektrode nach dem Elektroerosions­ verfahren der Reihe nach die Längsreihen der Öffnungen gelocht. Dabei werden in einem Schnitt der Werkzeug­ elektrode im Werkstück 26 mittels der Vorsprünge 21 die vollen Öffnungen 5 einer Längsreihe und mittels der Vorsprünge 22 und 23 die halbe Öffnung 5' zweier an diese Reihe von beiden Seiten angrenzenden Reihen ausgebildet.

Dann wird das Werkstück 26 um die Achse um einen Winkel β (Fig. 7) gedreht, der dem doppelten Winkelabstand α (Fig. 1) zwischen den Mittellinien der Öffnungen 5 der benachbarten Längsreihen gleich ist. Danach werden in einem weiteren Schnitt der Werkzeugelektrode wieder die vollen Öffnungen 5 einer Längsreihe und die Hälften der Öffnungen 5' zweier an diese von beiden Seiten anschließenden Reihen ausgeführt, wie das in der Fig. 7 gezeigt ist. Auf diese Weise werden sich im zylindrischen Werkstück 26 die Öffnungshälften nacheinander er­ gänzen, die beidseits der Reihe der vollen Öffnungen 5 liegen, welche bei jedem Schnitt der Werkzeugelektrode erhalten werden, d. h. nach dem zweiten Schnitt der Werk­ zeugelektrode werden schon drei Reihen voller Öffnungen 5 erhalten.

Der beschriebene Vorgang wird in der gleichen Weise bis zur fertigen Ausbildung der Arbeitsoberflächen­ struktur der in der Fig. 1 gezeigten Kathode wiederholt.

Bei der Lochung der Längsreihen der Öffnungen 5 im Werk­ stück 26 hängen die Maße der Strecken der Heizfäden 3 und 4, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, von der Ver­ drehungsgenauigkeit des Werkstücks 26 praktisch nicht ab, sondern werden unmittelbar durch die Maße der Nuten 19 und 20 der Werkzeugelektrode vorgegeben, die beim modernen Stand der Elektroerosionstechnologie bei Ver­ wendung einer unprofilierten Drahtelektrode mit sehr hoher Genauigkeit eingehalten werden können.

Die in Fig. 3 dargestellte Gitterkathode wird in ähn­ licher Weise hergestellt, dabei werden nur bei der Anfertigung der Werkzeugelektrode sämtliche sich kreuzen­ de Nuten mit gleicher Breite ausgeschnitten und zusätzlich werden Nuten unterschiedlicher Breite parallel zu den Kurz­ seiten der Stirnfläche der Platte 18 zur Formierung der Verbindungsstege, die die Äquipotentialringe 11 bis 17 ausbilden, ausgeschnitten.

Claims (4)

1. Direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Strom­ zuleitungsringe (1, 2) ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeitsoberfläche in Form von sich kreuzenden wendel­ förmigen Heizfäden (3, 4) mit Öffnungen (5) zwischen diesen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Heizfäden (3, 4) in Richtung von den Stromzuleitungsringen (1, 2) zur Mitte der Kathode hin an den Kreuzungspunkten der Heizfäden (3, 4) stufenweise zunimmt.

2. Direkt geheizte Gitterkathode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Strom­ zuleitungsringe (1, 2) ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeitsoberfläche in Form von sich kreuzenden wendel­ förmigen Heizfäden (3, 4) mit Öffnungen (5) zwischen diesen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelteil der Arbeits­ oberfläche zwischen den am nächsten liegenden Kreuzungs­ punkten der Heizfäden (3, 4) Verbindungsstege vorhanden sind, die mindestens einen zu den Stromzuleitungsringen (1, 2) parallelen Äquipotentialring (11) bilden.

3. Direkt geheizte Gitterkathode nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstege mehrere parallele Äquipotentialringe (11 bis 17) bilden, wo­ bei der in der Mitte der Kathode liegende Äquipotential­ ring (11) die größte Breite (d₁) besitzt und die Breite (d₂, d₃, d₄) der übrigen Äquipotentialringe (12 bis 17) in Richtung auf die Stromzuleitungsringe (1, 2) hin jeweils abnimmt.

4. Verfahren zur Herstellung der direkt geheizten Gitter­ kathode nach Anspruch 1 durch Fertigung einer Werkzeug­ elektrode aus einer Platte mittels Elektroerosionsaus­ schnitts von Nuten (19, 20) mit der Ausbildung von Vor­ sprüngen (21, 22, 23) zwischen ihnen, deren Form der Form der Öffnungen (5) zwischen den Heizfäden (3, 4) der Katho­ de entspricht, mit einer Drahtelektrode in der Stirn­ seite der Platte, wobei die Länge der zu bearbeitenden Stirnseite der Länge der Arbeitsoberfläche der Kathode entspricht, sowie durch Elektroerosionslochung der Längs­ reihen von Öffnungen in einem hohlen zylindrischen Werk­ stück (26) mit dieser Werkzeugelektrode mit Verdrehung des Werkstücks (26) um seine Achse nach jedem Schnitt mit der Werkzeugelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zu bearbeiten­ den Stirnseite der Platte (18) dem doppelten Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten Längsreihen der Öffnungen (5) in der Kathode gleich ist und die Nuten (19 und 20) in der Platte (18) so ausgeschnitten werden, daß nach jedem Schnitt mit der Werkzeugelektrode im hohlen zylindrischen Werkstück (26) volle Öffnungen (5) einer Längsreihe, die Hälften der Öffnungen (5') zweier an sie von beiden Seiten anschließenden Längs­ reihen und zwei Abschnitte jedes Heizfadens (3 oder 4), deren jeder durch die Überkreuzung dieses Fadens (3 oder 4) mit zwei anderen nebenliegenden Fäden (4 oder 3) gebil­ det ist, erzeugt werden, wobei das Werkstück (26) nach jedem Schnitt mit der Werkzeugelektrode um einen Winkel verdreht wird, der dem doppelten Winkelabstand zwischen den Mittellinien der Längsreihen der Öffnungen (5) in der Kathode gleich ist.