DE3050267T1

DE3050267T1 - Direct heating grid cathode for electron beam tubes and method of making it

Info

Publication number: DE3050267T1
Application number: DE803050267T
Authority: DE
Inventors: V Aleksandrov; V Ioffe; O Filatov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-05
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-04-15
Also published as: WO1981002364A1; JPS57500804A; NL8020518A; US4443735A; SU1042105A1; GB2081504A; GB2081504B; DE3050267C2

Description

BESCHREIBUNG

Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektrovakuumgeräte, insbesondere auf direkt geheizte Gitterkatoden für Elektronenröhren und auf Verfahren zur Herstellung dieser Katoden.

Bisheriger Stand der Technik

Die direkt geheizten zylindrischen Gitterkatöden gewährleisten infolge einer entwickelten Arbeitsoberfläche die Möglichkeit der Abnahme von grösseren Strömen im Vergleich z.B. zu den direkt geheizten Bolzen- ■ ^: katoden. Die existierenden Konstruktionen der Gitterkatoden weisen jedoch eine Menge von Nachteilen auf, die ihre Verwendungsmöglichkeiten begrenzen. Die Hauptprobleme für diese Katoden bestehen in der Kompliziertheit des Erhaltens einer gleichmässigen Emission über die ganze Arbeitsoberfläche, d.h. einer hohen Wirksamkeit der Katode, in der Gewährleistung einer grossen Lebensdauer und Stabilität der Parameter der Katode sowie in der Entwicklung von technologiegerechten Konstruktionen,

Es ist eine direkt geheizte Gitterkatode mit einer eine Zellenstruktur aufweisenden zylindrischen Arbeitsoberfläche, die durch sich kreuzende spiralförmige Heiz- fäden gebildet wird, bekannt (s. DE-PS 851832, veröffentlicht 1950). In dieser Katode sind sämtliche Heizfäden in den Kreuzungspunkten miteinander, verschweisst und die Enden der Heizungsfäden sind an Stromzuleitungsringe angeschweisst.

Das Herstellungsverfahren einer solchen Katode besteht in der Aufwindung eines Drahts über eine zylindrische Oberfläche in zwei Richtungen, der Verschweissung des Drahts an den Kreuzungssteilen und der Anschweissung der Drahtenden an die Stromzuleitungsringe (s. SU-ES 24491, veröffentlicht 1929).

Die Drahtgitterkatoden haben wegen der grossen Anzahl der Schweissverbindungen eine geringe mechanische Festigkeit und es ist unmöglich, in ihnen eine gleichmassige Temperaturverteilung bei der Heizung zu erhalten.; Die an die Stromzuleitungsringe angeschweissten Enden ■ der Heizfäden sind kalter als der Mittelteil der Fäden wegen der bedeutenden Wärmeableitung. Ausserdem erzeugen :. die zahlreichen Schweissverbindungen Ungleichmässigkeiten über die Länge jedes Fadens, was desgleichen den Temperaturausgleich Über die Arbeitsoberfläche der Katode erschwert. Die Ungleichmässigkeit der Temperatur-, verteilung über die Arbeitsoberfläche der Katode bedingt" eine Ungleichmässigkeit des Emissionsstroms. Weiterhin liegen in einer solchen Katode lie sich kreuzenden Drähte in verschiedenen Abständen von der Katodenachse (in zwei Schichten). Deshalb sind in einer Elektronenröhre mit einer solchen Katode die Möglichkeiten zur Verminderung des Gitter-Katoden-Abstands begrenzt. Die Drahtkatoden begrenzen also die Möglichkeit zur Srhöhung der Kennliniensteilheit der Röhre. Die Technologie der Drahtaufwindung mit den zahlreichen Schweissungen ist kompliziert und wenig produktiv. Infolge der ungleichmässigen Temperaturverteilung, der niedrigen mechanischen Festigkeit und der strukturellen Inhomogenitäten, die die Schweissung mit sich bringt,

sind solche Katoden unausreichend wirksam und von geringer Lebensdauer.

Die Erfindung geht von einer direkt geheizten Gitterkatode für Elektronenröhren aus, die in der SU-ES 260748,. veröffentlicht 1968, beschrieben ist.

Diese Katode wird aus einem ganzen Stück Metall in Form eines Hohlzylinders mit an seinen Rändern ausgebilde- , ten Stromzuleitungsringen, zwischen denen die Arbeitsoberfläche in Form von sich kreuzenden spiralartigen Heizfäden mit Offnungen zwischen ihnen gebildet ist, hergestellt.

Eine solche Katode weist im Vergleich mit der

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Drahtkatode eine bessere mechanische Festigkeit und Fertigungsgeeignetheit auf. Die Wirksamkeit dieser Katode ist desgleichen höher als bei der geschweissten Drahtkatode. Die Ausführung der Katode aus einem ganzen _:" Stück Metall (einem Rohr) gestattet es^ in einer Röhre mit einer solchen Katode den Gitter-Katoden-Abstand zu verringern und eine Konstanz des Gitter-Katoden-Spalts über die ganze Arbeitsoberfläche der Katode zu gewähr- \- leisten, wodurch die Kennlinien steilheit der Röhre er- ■ höht und ihr Frequenzbereich erweitert wird. Die Katode ■ kann mit sich ändernden Maßen der Offnungen zwischen den Heizfäden so ausgeführt werden, dass die Fläche" der Offnungen jeder Ringreihe geringer ist als die Fläche der Offnungen der nachfolgenden Ringreihe in Richtung von den Rändern zur Mitte der Katode. Dabei ergibt sich die summarische Fläche der Heizfädenoberfläche in der Mitte der Katode geringer als neben den Stromzuführungsringen, wodurch die Emissionsstrpmdichte über die Oberfläche der Katode in einem gewissen Masse ausgeglichen wird.

Trotz der vermerkten positiven Eigenschaften der ganzteiligen Gitterkatode bleibt jedoch bei ihr der Hauptnachteil der bekannten geschweissten Drahtkatoden beibehalten, da in ihr jeder spiralartige Heizfaden im Mittelteil eine höhere Temperatur als an den Stromzuleitungsringen hat. Das Temperaturgefälle über die Länge des Heizfadens in der Richtung von der Katodenmitte zu den Stromzuleitungsringen beträgt bei der Katode, von der die Erfindung ausgeht, von 400 bis 500⁰C, und in diesem Zusammenhang beträgt der wirksame Teil der Arbeitsoberfläche jedes beliebigen Heizfadens nur die Hälfte seiner Gesamtlänge. Demzufolge ist die Fläche der v/irksamen emittierenden Oberfläche der Katode, von der die Erfindung ausgeht, annähernd nur der Hälfte der Fläche ihrer Arbeitsoberfläche gleich, wodurch die !.!öglichkeit einer Vergrösserung der Stromabnahme von der Katode wesentlich begrenzt wird. Besonders auffallend

ist dies bei kurzen Katoden, bei denen das Verhältnis der Länge der Arbeitsoberfläche zu deren Durchmesser der Eins nahe liegt.

Die Ausführung der bekannten Ganzmetallkatode mit sich ändernder Fläche der Offnungen gestattet es, das Integraltemperaturfeld über die Oberfläche der Katode in einem gewissen Masse auszugleichen. Aber auch in diesem Falle verbleibt ein Temperaturgefälle über die Länge jedes Heizfadens, und es wird keine irgendwie bemerkbare Erhöhung der Wirksamkeit der Katode erreicht, d.h. die Ungleichmässigkeit der Emissionsverteilung über die Oberfläche der Katode bleibt vorhanden. Der Temperaturgradient über die Länge der Heizfäden bedingt auch die kurze Lebensdauer der Katode.

Zur Herstellung der Katode, von der die Erfindung ausgeht, kann das bekannte Verfahren zur Fertigung von Gitterelektroden von Elektronenröhren verwendet werden, das im Aufsatz von V.N. Alexandrov und V.F. Ioffe "Neue Konstruktionen der Netzblöcke von Generator- und Modulatorröhren, Ausrüstung für deren Herstellung", Zeitschrift "Obmen opytom ν elektronnoi promyshlennosti" ("Erfahrungsaustausch in der elektronischen Industrie"), Moskau, Institut der Elektronik, Lieferung 7 (17), 1968, veröffentlicht ist. Gemäss diesem Verfahren wird aus einer Platte, deren Kantenlänge der Länge der Arbeitsoberfläche der Katods entspricht, eine Werkzeugselektrode mittels Elektroerosionsausschnitts mit einer Drahtelektrode von Nuten in der Stirnfläche der Platte mit der Ausbildung von Vorsprüngen zwischen den Nuten,.

deren Form der Form der Offnungen zwischen den Heizfäden der Katode entspricht, angefertigt, und dann wird mit Hilfe der erhaltenen Werkzeugselektrode eine Elektroerosionslochung der Längsreihen der Offnungen im hohlen zylindrischen Rohling durchgeführt.

Die beim Ausschneiden der Tiuten in der Platte gebildeten Vorsprünge haben im Schnitt die Form einer Raute und liegen in einer Reihe längs der Arbeitsober-

fläche der Werkzeugselektrode, wobei die Breite der zu bearbeitenden Stirnseite der Platte, aus der man die Werkzeugselektrode anfertigt, gleich der senkrecht zur Katodenachse gerichteten Diagonale der rautenförmigen Öffnung zwischen den Heizfäden der Katode mit Abzug von zwei Elektroerosionsstrecken gewählt wird. Bei der Lochung.des hohlen zylindrischen Rohlings mit einer solchen Werkzeugselektrode bildet sich in ihm in einem Schnitt mit der Werkzeugselekt.rode eine längsreihe der rautenförmigen Offnungen aus. Danach wird der Rohling um seine Achse um einen Winkel verdreht, der dem Winkelabstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Längsreihen der Offnungen in der Katode gleich ist, und längs der Achse um einen Abstand verschoben, der der

1.5 Hälfte der anderen, längs der Mantellinie des Zylinders gerichteten Diagonale der rautenförmigen Öffnung der Katode gleicht. Nach der Lochung der zweiten Längsreihe der Offnungen wird der Rohling um den gleichen Winkel verdreht und längs der Achse um den gleichen Abstand in umgekehrter Richtung verschoben. In der gleichen Weise werden alle Längsreihen der Offnungen gelocht, wobei der Rohling jedesmal gedreht und jedesmal längs der Achse in bezug auf die Werkzeugselektrode verschoben wird. Dabei werden die Maße der Offnungen in der Katode unmittelbar durch die Maße der Vorsprünge an der Arbeitsstirnseite der Werkzeugselektrode vorgegeben, und die Maße der Heizfäden werden durch die Winkelverstellung des Rohlings um die Achse und durch seine axiale Verschiebung in bezug auf die Werkzeugselektrode bestimmt.

Das beschriebene Herstellungsverfahren hat auch eine Reihe von Nachteilen, die die Nachteile der Konstruktion der Katode zusätzlich-vermehren. Vor allem muss der hohe Arbeitsaufwand zur Herstellung der Werkzeugselektrode mit dem erforderlichen Profil sowie die unvermeidlich komplizierte Kinematik der Ausrüstung, die 'zum Lochen der Offnungen im zylindrischen Rohling verwendet wird, im Zusammenhang mit der Notwendigkeit

einer Gewährleistung sowohl genauer.Winkelverstellungen als auch genauer axialer Verschiebungen des Rohlings hervorgehoben werden. Da bei dem bekannten Verfahren die Maße der Heizfäden durch die Genauigkeit der Winkel- und Axialverstellungen des Rohlings bestimmt werden, jede von denen ihren Fehler einbringt, so ist das Erhalten von Heizfäden mit einer hohen Genauigkeit und Re.produzierbarkeit nach dieser Technologie schwierig. Es entstehen Heizfaden mit einer grossen Streuung der Breite. Beim Betrieb einer nach diesem Verfahren hergestellten Katode treten infolge der ungenauen Fertigung der Heizfäden zusätzliche Temperaturgradient en auf , die desgleichen die Wirksamkeit der Katode herabsetzen und ihre Lebensdauer vermindern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung d.er Emissionskenndaten und der ■Fertigungsgeeignetheit der Konstruktion der direkt geheizten Gitterkatode für Elektronenröhren. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt geheizte Gitterkatode für Elektronenröhren zu schaffen, die bei gegebenen Außenabmessungen' eine grosse Fläche der wirksamen emittierenden Oberfläche infolge einer gleichmässigeren Temperaturverteilung über die Länge der Heizfäden hat, sowie ein Herstellungsverfahren einer solchen Katode entwickeln, das mit Hilfe einfachster technologischer Vorgänge gestattet, Heizfäden mit einer hohen Genauigkeit zu formieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei Konstruktionsvarianten der Gitterkatode vorgeschlagen werden, die durch eine und dieselbe Grundidee der Erfindung umfasst sind, die in der stufenweisen Vergrösserung der Oberfläche jedes Heizfadens in Richtung von den Rändern der Katode zu deren Mitte besteht.

Wach der ersten Konstruktionovarianto int in der direkt geheizten Gitterkatode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die

Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Stromzuleitungsringe ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeitsoberfläche in Form von sich kreuzenden spiralartigen Heizfäden mit Offnungen zwischen diesen formiert ist, erfindungsgemäss jeder Heizfaden mit einer stufenweisen Vergrösserung der Breite in Richtung von den Rändern zur Mitte der Katode ausgeführt.

Nach der zweiten Konstruktionsvariante sind in der direkt geheizten Gitterkatode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Stromzuleitungsringe ausgebildet sind, zwischen denen die Ar- ^: beitsoberfläche in Form von sich kreuzenden spiralartigen Heizfäden mit Offnungen zwischen diesen for- miert wird, erfindungsgemäss im Mittelteil der Arbeitsoberfläche der Katode zwischen den am nächsten ,liegenden Kreuzungen der Heizfäden Verbindungsstege ausgeführt, die mindestens einen, zu den Stromzuleitungsringen parallelen Aquipotentialring bilden.

Es ist zweckmässig,wenn die erwähnten Verbindungsstege mehrere parallele Aquipotentialringe bilden, deren jeder eine Breite hat, die grosser ist als die Breite des folgenden Rings in Richtung von der Kitte zu den Rändern der Katode.

Eine Vergrösserung der wirksamen emittierenden Oberfläche in der ersten Konstruktionsvariante der Katode geschieht infolge einer Vergrößerung der Strom-. dichte an 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 deren Breite in der Nähe der Stromzuleitungsringe herabgesetzt.

Eine Vergrösserung der wirksamen emittierenden Oberfläche in der zweiten KonstruktionsVariante der Katode geschieht durch den Zusatz von nichtstromleiten-

. den Verbindungsstegen, die Aquipotentialringe bilden, welche einen Teil der Wärme von diesen Strecken in sich "absaugen" zu den Strecken der Heizfäden, die eine erhöhte Temperatur haben. Das gestattet es,die Temperatur ■ über die Länge der Heizfäden auszugleichen. Der Ausgleich der Temperatur über die Länge der Heizfäden kann mit einer hohen Genauigkeit durch eine solche Änderung der Breite der Verbindungsstege ausgeführt werden, dass an die besonders erwärmten Strecken des Fadens Verbindungsstege mit der grössten Breite angeschlossen v/erden.

Beide Konstruktionsvarianten der Gitterkatode sind im Sinn der Lösung der Aufgabe gleichwertig. In Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen bei der Entwicklung der Katode für eine bestimmte Elektronenröhre . kann der Fachmann eine beliebige erfindungsgemässe Variante wählen bzw. deren Kombination verwenden, d.h. eine Katode mit einer stufenweisen Vergrösserung der Breite der Heizfäden sowie mit Aquipotentialringen entwickeln.

Es soll zusätzlich vermerkt werden, dass beide erfxndungsgemassen Varianten die Ausführung sämtlicher Heizfäden in der Katode mit gleicher Länge voraussetzen. Der Schnitt eines jeden Heizfadens hat bei der Herstellung der Katode aus einem Stück Metall eine Form, die der rechteckigen nahe liegt. Die Stärke eines jeden Heizfadens ist über die ganze Länge konstant, und die Arbeitfläche sämtlicher Heizfäden ist über die ganze Länge der Katode von deren Achse gleich entfernt.

Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass bei der Herstellung der direkt geheizten Gitterkatode für eine Elektronenröhre durch Fertigung der Werkzeugelektrode aus einer Platte mittels Elektroerosionsausschnitts von Nuten mit der Ausbildung von Vorsprüngen zwischen ihnen, deren Form der Form der Offnungen zwischen den Heizfäden der Katode entspricht mit einer Drahtelektrode in der Stirnseite der Platte, Wobei die Länge der zu bearbeitenden Stirnseite der erwähnten

Platte der Länge der Arbeitsoberfläche der Katode entspricht, sowie durch Elektroerosionslochung der Längsreihen von Offnungen im hohlen zylindrischen Rohling mit dieser Werkzeugselektrode mit Drehung des Roh- ;" lings um seine Achse nach jedem Schnitt mit der Werkzeugselektrode erfindungsgemäss die Breite der zu bearbeitenden Stirnseite der Platte dem doppelten Abstand ■__ zwischen den Mittellinien der benachbarten Längsreihen . --der Offnungen in der Katode gleich ist und die Nuten in — der Platte so ausgeschnitten werden, dass nach jedem .--. Schnitt mit der Werkzeugselektrode im hohlen zylindrisehen Rohling volle Offnungen einer Längsreihe, die Hälften von Offnungen zweier an sie von beiden Seiten anschliessenden Längsreihen und zwei Abschnitte jedes.

Heizfadens, deren jeder durch die Uberkreuzung dieses Fadens mit zwei anderen nebenliegenden Fäden gebildet ist, formiert werden, wobei der Rohling nach jedem Schnitt mit der Werkzeugselektrode um einen Winkel ver-• dreht v/ird, der dem doppelten Winkelabstand zwischen den Mittellinien der nebenliegenden Längsreihen der Offnungen in der Katode gleich ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung der Gitterkatode gestattet es,mit einfachen Mitteln die Herstellung von Heizfäden mit einer hohen Genauigkeit zu gewährleisten,denn die Formausbildung der Elemente der Arbeitsoberfläche der Katode wird bei der Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens durch die Werkzeugselektrode bestimmt, und zwar werden die . Maße der Heizfäden durch die Breite der Nuten in der Werkzeugselektrode vorgegeben und hängen praktisch von der Genauigkeit der Winke!verstellung des Rohlings nicht ab.

Ausserdem gewährleistet das erfindungsgemässe Verfahren eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität mindestens um das Doppelte im Vergleich zu der bekannten Technologie, da bei diesem Verfahren die Schnittzahl mit der Werkzeugselektrode bei der Formierung der Arbeitsoberfläche der Katode der Hälfte der Anzahl der Längsreihen

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der Offnungen in der Katode gleich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung durch eine ausführliche Beschreibung ihrer besten Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. _:

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Pig. 1 zeigt eine direkt geheizte G-itterkatode für Elek tronenröhren gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 a, b Diagramme der Temperaturverteilung über die Länge des Heizfadens entsprechend der in der ·. Fig. 1 dargestellten Katode und der bekannten Katode·

Fig. 3 eine direkt geheizte .Gitterkatode für Elektronenröhren gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindungj

Fig. 4 eine Werkzeugselektrode zur Herstellung der in der Fig. 1 dargestellten Katode;

Fig. 5 eine Ansicht nach Pfeil A in Fig. 4; Fig. 6 den zylindrischen Rohling der Katode nach dem ersten Schnitt mit der in den Fig. 4, 5 dargestellten Werkzeugselektrode;

Fig. 7 den gleichen zylindrischen Rohling nach dem zweiten Schnitt mit der in der Fig. 4, 5 dargestellten Werkzeugselektrode.

Beschreibung der besten Ausführungsbeispiele der

Erfindung

Die direkt geheizte Gitterkatode für Elektronenröhren gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Form eines Hohlzylinders aus einem ganzen Stück Metall, z.B. Wolfram, hergestellt. An beiden Rändern des Zylinders sind Stromzuleitungsringe 1 (Pig.l) und 2 ausgebildet, zwischen denen die Arbeitsoberfläche der Katode eingeschlossen ist, die eine Gitterstruktur mit der Länge L längs der Mantellinie des Zylinders darstellt.

Die Arbeitsoberfläche der Katode ist in Form von sich kreuzenden spiralartigen 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 Heizfäden 4, die nach einer linken Schraubenlinie gerichtet sind, bestehen. Sämtliche Heizfäden 3 und 4 sind in ihrer Länge und Form gleich und unterscheiden sich nur durch die Richtung der spiralartigen Linien.

Zwischen den Heizfäden 3 und 4 sind Offnungen 5 gebildet, die im zu beschreibenden Ausführungsbeispiel die Form von Rauten haben.

Die die Arbeitsoberfläche der Katode bildende Gitterstruktur in Form von Heizfäden 3 und 4 ist symmetrisch in bezug auf die Mitte der Katode, die in der Fig. 1- durch eine angenommene, zur Achse 0-0 der Katode senkrechte Ebene a-a gezeigt ist.

Erfindungsgemäss ist jeder Heizfaden 3 und 4 mit einer stufenweisen Vergrösserung der Breite in Richtung von den Rändern zur Mitte der Katode ausgeführt. Da sämtliche Heizfäden 3 und 4 in bezug auf die Mittelebene a-a der Katode gleich sind, so werden wir nachfolgend zur Vereinfachung die Hälfte eines Fadens 3 betrachten, die sich z.B. oberhalb der Mittelebene a-a befindet, unter der Berücksichtigung, dass alles weiter unten gesagte sämtliche Hälften aller Fäden 3 und 4, sowohl die oberen, die an den Stromzuleitungsring 1 anschliessen, als auch die unteren, an den Stromzuleitungsring 2 anschliessenj betrifft.

Die Breite des in Betracht gezogenen Heizfadens vergrössert sich in Richtung vom oberen Rand der Katode, d.h. vom Stromzuleitungsring 1, zur Mitte a-a.

Eine minimale Breite b-, hat die an den Stromzuleitungsring anschliessende Strecke des Fadens 3» die durch den Abschnitt 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 Breite b«, die grosser als b·,, jedoch kleiner als die Breite tu der folgenden in Richtung zur Kitte der Katode liegenden Strecke des Fadens 3, die aus den nacheinanderfolgenden Abschnitten 3-4 und 3-5 besteht, ist; die Breite b,. der Abschnitte 3-4 und 3-5 ist ihrerseits geringer als die Breite b. der Strecke des Fadens 3» die durch die Abschnitte 3-6 und 3-7 gebildet ist. Der Heizfaden 3 hat die grösste Breite b^ in der Strecke 3-8, die an die Mittelebene a-a der..Katode anschliesst, d.h. b,- ;> b, > b~ > b_g > b-^ = min.

Es ist auch ein anderer Charakter der Breitenvergrösserung der Heizfäden 3 und 4 in Richtung von den Rändern der Katode zu deren Mitte möglich, insbesondere ist es oft, wie die Erfahrungen zeigen, nicht erforderlieh, die Breite der Heizfäden über ihre ganze Länge zu ändern. Manchmal ist es ausreichend, nur die Strecken, die an die Stromzuleitungsringe anschliessen, mit einer geringeren Breite auszuführen als der übrige Teil des Heizfadens, der eine konstante Breite hat. Doch in einer . Reihe von Fällen kann das sich als nicht ausreichend erweisen, und dann wird der Heizfaden mit mehreren Strecken verschiedener Breite, beginnend von den Stromzuleitungsringen 1 und 2, ausgeführt. Dabei wird zur Gewährleistung der Fertigungsgeeignetheit der Konstruktion die Länge · .25 jeder Strecke des Heizfadens, die eine konstante Breite hat, gleich zwei nacheinanderfolgenden Abschnitten gewählt, die durch die anderen, diesen Faden überquerenden Heizfäden begrenzt sind, mit Ausnahme der direkt an die Stromzuleitungsringe anschliessenden Strecken, die es zweckmässig ist, mit nur einem solchen Abschnitt zu begrenzen. ■

Für konkrete Katoden wird in Abhängigkeit von den erforderlichen Parametern die Breite der Heizfäden 3 und 4 auf jeder Strecke nach bekannten methodischen An-Weisungen unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Werkstoffs, der Geometrie der Katode, der Länge und Anzahl der Heizfäden, der Betriebszustände der Katoden

usw. berechnet. Eine solche Berechnung wird üblicherweise mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage durchgeführt. Im Zusammenhang damit, dass es praktisch unmöglich ist, eindeutig die gegenseitige Ab- : hängigkeit einer grossen Anzahl von Einflussdaten zu be-stimmen, die die Verteilung der Temperatur und der Emission über die Oberfläche der Katode beeinflussen, er- : fordern die rechnerisch erhaltenen Daten eine Präzisierung«, Deswegen werden die optimalen Maße der Katodenelemente, insbesondere die Breite der Heizfäden- _: streckenj endgültig experimentell gewählt. Diese Ar- . beit bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten und ist vollständig gerechtfertigt, da im Ergebnis von einigen Experimenten eine Katode mit praktisch fast idealer Yerteilung der Temperatur über die ganze Länge jedes beliebigen Heizfadens erhalten wird.-

In der Fig. 2a ist das Diagramm der Temperaturverteilung über die Länge der Arbeitsoberfläche für eine' Katode dargestellt, die aus thoriertem Wolfram gernäss dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde. Zur Bestimmung der in der Fig. 2a angeführten Daten wurde die Katode bis auf die Temperatur von 2000^üK erwärmt, es wurde durch sie elektrischer Strom durchgeleitet und die Temperatur an verschiedenen Punkten der Heizfäden 3 (Fig.l) und 4 gemessen. Die

Kurve im Diagramm 2a gibt gemittelte Werte für einen ■ (beliebigen) Heizfaden an.

Zum Vergleich ist in der Fig. 2b ein Diagramm angeführt, das die gleiche Abhängigkeit für die bekannte Gitterkatode, die in der SU-ES 260748 beschrieben ist, charakterisiert. Aus den Fig. 2a und 2b ist ersichtlich, dass die Temperaturverteilung über die Länge des Heizfadens in der erfindungsgemässen Katode bedeutend gleich massiger ist als in der bekannten Katode. In der Katode mit der erfindungsgemässen Konstruktion beträgt die Fläche der wirksamen emittierenden Oberfläche über 80% der Arbeitsoberfläche der Katode, während in der ..bekann-

ten Katode diese Fläche weniger als 50% der Arbeitsoberfläche der Katode ausmacht.

In der Fig.. 3 ist eine andere Ausführungsvariante der erfindungsgemässen direkt geheizten Gitterkatode gezeigt« Diese Katode hat viel Geineinsames mit der in der Fig. 1 dargestellten Katode, und zwar ist sie desgleichen in Form eines Zylinders aus einem ganzen Stück TvTetall ausgeführt, die Arbeitsoberfläche ist durch die spiralartigen Heizfäden 6 die-längs einer rechtenSehraubenlinie gerichtet sind, und durch die sie kreuzenden spiralartigen, längs einer linken Schraubenlinie gerichteten Heizfäden 7 gebildet. Die Heizfäden 6 und 7 wer-' den durch die Stromzuleitungsringe 8 und 9 begrenzt, die an den Rändern des Zylinders formiert sind. Desgleichen wie in der Katode nach Fig. 1 ist die Arbeitsoberfläche der Katode bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung symmetrisch in bezug auf die Mitte der Katode, d.h. die Ebene a-a, die durch die Mitte der Mantellinie des Zylinders senkrecht zu dessen Achse 0-0 verläuft, und sämtliche Heizfäden 6 und 7 haben gleiche Maße. Der Unterschied der in der Fig. 3 dargestellten Katode gegenüber der oben betrachteten Katode nach Fig. 1 besteht darin, dass in ihr 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 in den Offnungen 10 Verbindungsstege zwischen ihnen ausgeführt sind, die Aquipotentiälringe bilden, von denen der eine Ring 11 in der Mitte der Katode liegt und die anderen paarweise 12 und 13, 14 und 15, 16 und 17 symmetrisch zur Mitte a-a .der Katode angeordnet sind. Sämtliche Aquipotentiälringe 11, 12, 13, 14, 15, 16 und 17 verlaufen parallel zu den Stromzuleitungsringen 8 und 9.

Die Breite der Aquipotentiälringe hängt von ihrem Abstand von der Mitte a-a der Katode ab. Die maximale Breite d-, hat der Ring 11, der in Mitte der Katode

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liegt. Die Breite d_g der nach, dem Ring 11 folgenden Ringe 12 und 13 ist geringer als die Breite d-^ des Rings 11; die Breite d^ der Ringe 14 und 15 ist geringer als die Breite d₂ der Ringe 12 und 13, und die am weitesten ,-von der Katodenmitte entfernten Ringe 16 und 17 haben die Breite d,, die geringer als die Breite d, der von ihnen nächstliegend en Ringe 14 und 15 ist d.h.. d. L· d-i L. d₂ C U₁ = max. ^:*

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

Die Anzahl und Breite der Aquipotentialringe wird desgleichen nach bekannten methodischen Anweisungen mit ^:' Verwendung von elektronischen Datenverarbeitungsanlagen berechnet, wonach die berechneten Werte experimentell optimiert werden. . .

Durch die Ausbildung von Aquipotentialringen wird ein Aquitemperaturzustand der Arbeitsoberfläche der Katode erreicht. Diese nichtstromleitenden Ringe "saugen" aus sämtlichen sie kreuzenden HeJrzfäden einen Teil der Wärme in sich ab, senken die Temperatur an den Kreuzungsstellen der Heizfäden mit den Ringen herab und. gleichen dadurch die Temperatur über die ganze Länge der Heizfäden aus. .

Das Diagramm der Temperaturverteilung über die Länge jedes Heizfadens der in der Fig. 3 dargestellten Katode ist dem Diagramm in der Fig. 2a ähnlich.

Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren der Gitterkatoüe in Anlehnung an das in der Fig. 1 gezeigte Konstruktionsbeispiel beschrieben.

Zur Herstellung der Katode wird zunächst die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Werkzeugselektrode angefertigt. Die Werkzeugselektrode wird aus einer Kupferplatte 18 ausgeführt. Die Länge L¹ der Stirnseite der Platte 18 wird entsprechend der Länge L der Arbeitsoberfläche der Katode gewählt: L^f = L - 2x, wo χ die Breite der Elektroerosionsstrecke ist. Die Breite H der Stirnseite der Platte 18 wird gleich dem doppelten Abstand 1 zwischen den Mittellinien der benachbarten

Längsreihen, der Offnungen 5 (Pig. 1) der Katode gewählt.

In der Stirnseite der Platte 18 (Fig. 4 und 5) werden nach dem Elektroerosionsverfahren mit Hilfe einer Drahtelektrode die sich kreuzenden Nuten 19 und 20 ausgeschnitten. Die Breite und die Lage jeder der Nuten 19 und 20 entspricht der Breite und der Lage einer Strecke des Heizfadens 3 (Fig. 1) oder 4 der Katode, die durch zwei nacheinanderfolgende Abschnitte zwischen den anderen, diesen Faden kreuzenden Fäden gebildet wird. Die Breite Y_n jeder Nut 19 (Fig. 4) und 20 wird aus der Bedingung gewählt: Y_n » b_Q + 2x, wobei b_R die Breite der entsprechenden Strecke des Fadens 3 (Fig. 1) oder 4 und χ die Breite der Elektroerosionsstrecke bedeuten. Das Ausschneiden der Nuten 19 (Fig. 4) und 20 mit unterschiedlicher Breite erfolgt entweder mittels eines Drahts mit verschiedenem Durchmesser oder mittels eines Drahts mit gleichem Durchmesser bei verschiedenen technologischen Betriebszuständen bzw. 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^ zN/2, wobei ζ die Stärke der Wandungen des Katodenrohlings und N die Zahl der Längsreihen der Offnungen 5 (Fig. 1) in der Gitterstruktur der Katode bedeuten. Bei der Bestimmung der Tiefe K der Nuten 19 (Fig. 4) und 20 wird auch der Grad des Verschleisses der Werkzeugselektrode berücksichtigt.

Nach dem Ausschneiden sämtlicher Nuten 19 und 20 in der Stirnseite der Platte 18 werden zwischen diesen Nuten drei Längsreihen von Vorspriingen 21, 22 und 23 ausgebildet. Dabei entsprechen die Vorsprünge 21 der Mittelreihe im Querschnitt den vollen Offnungen 5 (Fig. 1) einer Längsreihe der Öffnungen der Katode und die Vorsprünge 22 (Fig. 4) und 23 der Seitenreihen den Hälfjfcen der Öffnungen 5 (Fig. 1), die dieser Öffnungsreihe der Katode benachbart sind (unter Berücksichtigung der Elektroerosionsstrecken).

Wie aus der Fig. 4 gut ersichtlich ist, bilden sich beim Ausschneiden der Nuten 19 und 20 an den Kurzseiten der rechteckigen Stirnfläche der Platte 18 dreieckige Vorsprünge 24 und 25 aus, die mit punktierten Linien gezeigt sind. Es wird empfohlen diese Vorsprünge ^r_, zu entfernen, da sie sich wegen ihrer geringen Steifig- :., keit verschieben können, was die Ausführungsgenauigkeit der besonders wichtigen Strecken der Heizfäden, die an ;--den Stromzuleitungsringe anliegen, herabsetzt. ' :" Bei der Herstellung der·Werkzeugselektrode aus steiferen Metallen, z.B. aus Stahl oder Titan, können : die Vorsprünge 24 und 25 belassen werden. In diesem Falle wird das Aussehen der Gitterstruktur der Katode von dem in der ?ig. 1 gezeigten entsprechend abweichen.

Danach wird ein hohler zylindrischer Rohling 26 . (Fig. 6) genommen, dessen Länge und Durchmesser der erforderlichen Länge bzw. dem Durchmesser der Katode gleich sind, und die Stärke der Wandungen der vorgegebenen Stärke ζ der Heizfäden,der Katode gleich ist. In diesem Rohling 26 werden mit der im voraus angefertigten, in den Fig. 4 und 5 gezeigten Werkzeugselektrode nach, dem Elektroerosionsverfahren der Reihe nach die Längsreihen der Öffnungen gelocht. Dabei werden in einem Schnitt der Werkzeugselektrode im Rohling 26 (Fig. 6) mittels der Vorsprünge 21 (Fig. 4) die vollen Öffnungen 5' (Fig. 6) einer Längsreihe und mittels der Vorsprünge 22 (Fig. 4) und 23 die halben Öffnungen 5 (Fig. 6) zweier an diese Reihe von beiden Seiten angrenzenden Reihen ausgebildet.

Dann wird der Rohling 26 um die Achse um einen Winkel ß (Pig. 7) gedreht, der dem doppelten Winkelabstand oc (Fig. 1) zwischen den Mittellinien der Offnungen 5 der benachbarten Längsreihen gleich ist. Danach werden in einem Schnitt der Werkzeugselektrode 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 im zylind-

- Syrischen Rohling 26 die Hälften der Öffnungen der Reihe sich, ergänzen, die zwischen den Reihen der vollen Offnungen 5 liegt, welche beim ersten und beim zweiten. Schnitt der Werkzeugselektrode erhalten wurden, d.h. nach dem zweiten Schnitt der Werkzeugselektrode werden schon drei Reihen der vollen öffnungen 5 erhalten.

Der beschriebene Vorgang wird in der gleichen Reihenfolge bis zur vollen Ausbildung der Arbeitsoberflächenstruktur der in der Fig. 1 gezeigten Katode wiederholt.

Bei der Lochung der Längsreihen der Öffnungen 5 im Rohling 26 hängen die Maße der Strecken der Heizfäden 3 und 4, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, von der Verdrehungsgenauigkeit des Rohlings 26 praktisch nicht ab, sondern werden unmittelbar durch die

Maße der Nuten 19 und 20 (Fig. 4 und 5) der Werkzeugselektrode vorgegeben, die beim modernen Stand der Elektroerosionstechnologie mit Verwendung einer unprofilierten Drahtelektrode mit einer sehr hohen Genauig- keit eingehalten werden können.

Die in der Fig. 3 dargestellte Gitterkatode wird in ähnlicher Weise hergestellt, dabei werden nur bei der Anfertigung der Werkzeugselektrode sämtliche sich kreuzende Nuten mit gleicher Breite ausgeschnitten und zusätzlich werden Nuten unterschiedlicher Breite parallel zu den Kurzseiten der Stirnfläche der Platte 18 (Fig. 4) zur Formierung der Verbindurigsstege, die die Jtquipotentialringe 11 bis 17 (Fig. 3) ausbilden, ausgeschnitten.

Die Bearbeitungsbedingungen bei der Anfertigung der Werkzeugselektrode und der Formierung der Katodenstruktur werden nach bekannten methodischen Anweisungen unter Berücksichtigung der konkreten Anforderungen sowie der Möglichkeiten der verwendeten Ausrüstung ge- wählt.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Erfindung kann in der Elektrovakuumindustrie

zur Herstellung von Generatoren- und Modulatorenröhren breit verwendet werden. Die beschriebenen Konstruktionsvarianten der Gitterkatode gestatten es,die Wirksamkeit der direkt geheizten Gitterkatoden um das 1,3 bis l,5faehe zu erhöhen. Zum Erreichen der gleichen Werte des Emissionsstroms wie bei den früheren Konstruktionen der ':.. Katoden wird eine geringere spezifische Leistung der Heizung und als Folge davon eine niedrigere--Heizungstemperatur der Heizfäden erforderlich sein. Dem--" zufolge überschreitet die Lebensdauer der Katoden mit der erfindungsgemässen Konstruktion diejenige der be- : kannten Katoden um das 3 bis 5fache. Die Verwendung der Erfindung bietet breite Möglichkeiten zur Produktion von Elektronenröhren mit.hoher Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer.

Claims

² -2. SEP. 1S8J Dr.Fronk Arnold Nix

- DIREKT GEHEIZTE GITTERKATODE FUR ELEKTRONEN-ROHREN UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG

PATENTANSPRÜCHE:

(l/ Direkt geheizte Gitterkatode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ist und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Stromzuleitungsringe ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeitsoberfläche in Form von sich kreuzenden spiralartigen Heizfäden mit Offnungen zwischen diesen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Heizfaden (3 und 4) mit einer stufenweisen Vergrösserung der Breite in Richtung von den Rändern zur Mitte der Katode ausgeführt ist.
2. Direkt geheizte Gitterkatode für Elektronenröhren, die aus einem ganzen Stück Metall gefertigt ^is"t und die Form eines Hohlzylinders hat, an dessen Rändern Stromzuleitungsringe ausgebildet sind, zwischen denen die Arbeitsfläche in Form von sich kreuzenden spiralartigen Heizfäden mit Öffnungen- zwischen diesen ^ gebildet ist, dadurch ζ ⁽' ^ ■ '' anzeichnet, dass im Mittelteil der Arbeit oberfläche zwischen den-

— sz? —

am nächsten liegenden Kreuzungen der Heizfäden (3 und 4) Verbindungsstege ausgeführt werden, die mindestens einen zu den Stromzuleitungsringen (1 und 2) parallelen Aquipotentialring (11) bilden.
3· Gitterelektrode nach Anspruch 2, dadurch g ekennzeichnet, dass die erwähnten Verbindungsstege mehrere parallele Aquipotentialringe (11 bis 17) bilden, deren jeder eine Breite hat, die grosser ist als die Breite des in Richtung von

der Mitte zu den Rändern der Katode folgenden Rings.
4. Herstellungsverfahren einer direkt geheizten Gitterkatode für Elektronenröhren durch Fertigung der Werkzeugelektrode aus einer Platte mittels Elektroerosionsausschnitts von Nuten mit der Ausbildung von VorSprüngen zwischen ihnen, deren Form der Form der Offnungen zwischen den Heizfäden der Katode entspricht mit einer Drahtelektrode in der Stirnseite der Platte, wobei die Länge der zu bearbeitenden Stirnseite der . Länge der Arbeitsoberfläche der Katode entspricht, sowie durch Elektroerosionslochung der Längsreihen von Offnungen im hohlen zylindrischen Rohling mit dieser Werkzeugelektrode mit Verdrehung des Rohlings um seine Achse nach jedem Schnitt mit der Werkzeug elektrode dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der zu bearbeitenden Stirnseite der Platte (18) dem doppelten Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten Längsreihen der Offnungen (5) in der Katode 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 Rohling (26) volle Offnungen (5) einer Längsreihe, die Hälften der Offnungen (5') zweier an sie von beiden Seiten anschliessenden Längsreihen und zwei Abschnitte jedes. . Heizfadens (3 oder 4), deren jeder durch die Uberkreuzung dieses Fadens (3 oder 4) mit zwei anderen nebenliegenden Fäden (4 oder 3) gebildet ist, formiert werden, wobei der Rohling (26) nach jedem Schnitt mit der

-JT-

Yfei&zeugelektrode um einen Winkel verdreht wird, der dem doppelten Winkelabstand zwischen den Mittellinien der Längsreihen der Offnungen (5) in der Katode gleich ist.