DE311102C

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Publication number: DE311102C
Application number: DE1915311102D
Authority: DE
Priority date: 1914-07-15
Filing date: 1915-07-01
Publication date: 1919-02-25
Also published as: FR507198A; US1244216A

Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungsgefäße mit reiner Elektronenentladung, und zwar im besonderen auf ein neues Material für die Kathode und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Ein solches Entladungsgefäß enthält mindestens eine Elektrode, welche Elektronen aussendet, und ist in so hohem Grade entlüftet, daß die positive Ionisierung vernachlässigt werden kann. Einzelne der charakteristischen Eigenschaften solcher reiner Elektronenentladungsgefäße sind Abwesenheit von Leitfähigkeit in dem Raum zwischen unabhängigen, nicht erhitzten Elektroden, die Änderung des Stromes mit der 1.The invention relates to electrical discharge vessels with pure electron discharge, in particular a new material for the cathode and a method for their production. Such a discharge vessel contains at least one electrode, which sends out electrons, and is so highly vented that the positive ionization can be neglected. Some of the characteristic properties of such pure electron discharge vessels are absence of conductivity in the space between independent, non-heated electrodes, the change in current with the 1.

bis 5. Potenz der Spannung innerhalb eines gewissen Bereiches, Abwesenheit des blauen Glimmlichtes im Raum, Abwesenheit von Glasfluoreszenz und Fehlen von Kathodenzerstäubung. Für, die Kathode solcher reiner Elektronenentladungsgefäße wurden verschiedene schwer schmelzbare Stoffe benutzt, wie Platin, Kohle, Wolfram und Molybdän, und es zeigte sich, daß die Fähigkeit dieser Stoffe, Elektronen auszusenden, etwas schwankt, aber doch für alle von der gleichen Größenordnung ist. * Es wurde nun aber gefunden, daß die Elektronenaussendefähigkeit reinen Thoriums von ganz anderer Größenordnung ist, als diejenige der bisher benutzten Stoffe. Dabei ist es nicht notwendig, daß die Kathode vollständig aus Thorium besteht. Wenn einem der sehr schwer schmelzbaren Metalle, wie Wolfram, während des Herstellungsverfahrens z. B. eine Thoriumverbindung, etwa das Oxyd, zugesetzt wurde und das Metall in hohem Vakuum einer vorangehenden Hitzebehandlung unterworfen wurde, dann ist die Elektronenaussendung in hohem Vakuum außerordentlich erhöht. Die erhöhte Aussendefähigkeit ist aus verschiedenen später zu erörternden Gründen nicht der Anwesenheit von Thoriumoxyd nach Art der Wehneltkathode zuzuschreiben, sondern ist allen Anzeichen nach eine Eigentümlichkeit des metallischen Thoriums auf der Kathodenoberfläche. to the 5th power of tension within a certain range, absence of the blue Glowing light in the room, absence of glass fluorescence and absence of cathode sputtering. For, the cathode of such pure electron discharge vessels were different used refractory materials like platinum, carbon, tungsten and molybdenum, and it showed that the ability of these substances to send out electrons fluctuates somewhat, but still is of the same order of magnitude for all. * It has now been found, however, that the electron emitting ability pure thorium is of a completely different order of magnitude than that of the substances previously used. It is there it is not necessary that the cathode consists entirely of thorium. If one of the very difficult-to-melt metals such as tungsten, during the manufacturing process e.g. Legs Thorium compound, such as the oxide, was added and the metal in a high vacuum one has previously been subjected to heat treatment, then the electron emission is in extremely high vacuum. The increased broadcast capability is made up of various Reasons to be discussed later not of the presence of thorium oxide according to the nature of the Wehnelt cathode, but is, according to all indications, a peculiarity of the metallic thorium on the cathode surface.

Zwecks Herstellung von Entladungsgefäßen mit einer den Gegenstand der Erfindung bildenden Kathode wird beispielsweise in der Weise verfahren, daß in ein Gefäß aus Glas, Quarz ο. dgl. zwei fadenförmige Leiter aus einem sehr schwer schmelzbaren Metall, z. B. Wolfram, eingeschmolzen werden, von denen wenigstens der eine thoriert ist, d. h. Thorium oder eine Verbindung desselben enthält. Ein solcher thorierter Faden wird durch Zusatz einer Thoriumverbindung, z. B. des Nitrates, zu dem Oxyd des sehr schwer schmelzbaren Metalles vor dessen Reduktion hergestellt, oder durch Zusatz des Thoriumnitrates zum Metallpulver nach seiner Reduktion, jedoch vor seinerFor the purpose of producing discharge vessels with a forming the subject matter of the invention Cathode is, for example, proceeded in such a way that in a vessel made of glass, quartz ο. Like. Two thread-like conductors a very difficult to melt metal, e.g. B. tungsten, are melted down, of which at least one is thoriated, d. H. Contains thorium or a compound thereof. A such thoriated thread is made by adding a thorium compound, e.g. B. of nitrate, made to the oxide of the very difficult to melt metal before its reduction, or by adding the thorium nitrate to the metal powder after its reduction, but before it

Verfestigung durch Sintern und mechanische Bearbeitung, wie sowohl für Wolfram als für andere Metalle bereits bekannt ist. Die Menge des Thoriumoxydes im ungesinterten Metall schwankt gewöhnlich zwischen ^χ/₂ und io Prozent, kann aber in manchen Fällen noch größer sein. Die verhältnismäßige Menge der Thoriumverbindung in der Kathode ruft innerhalb der oben angegebenen Grenzen" nur geringe Unterschiede in dem xinter den günstigsten Bedingungen erreichbaren Höchstwert der Elektronenaussendung hervor, doch kann mit einer größeren Menge der Thoriumverbindung der gewünschte aktive Zustand des Fadens leichter erreicht und erhalten werden als mit einer geringeren Menge.Solidification by sintering and machining, as is already known for both tungsten and other metals. The amount of Thoriumoxydes in the unsintered metal usually varies between ^χ / ₂ and io percent, but may be higher in some cases. The relative amount of the thorium compound in the cathode causes, within the limits given above, "only minor differences in the maximum value of electron emission that can be achieved under the most favorable conditions, but the desired active state of the thread can be achieved and maintained more easily than with a larger amount of the thorium compound with a smaller amount.

Beide Fäden sind in bekannter Weise mit Stromzuführungen versehen. Das Gefäß wird unter Erwärmung gut ausgepumpt, zuletzt durch eine Molekularpumpe nach Gaede bis zu dem höchsten erreichbaren Vakuum, d. i. ungefähr 0,001 μ Hg. Dabei kann der Quecksilberdampf von dem Gefäß durch ein in flüssige Luft oder ein Eissalzgemenge tauchendes Kühlrohr abgehalten werden. Während das Gefäß noch an der Pumpe sitzt, werden die beiden Fäden für kurze Zeit auf ungefähr 2900⁰T (absolut) erhitzt und das Gefäß selbst in einem Ofen auf ungefähr 360 bis 450° T gebracht. Das Gefäß kann dann von der Pumpe abgeschmolzen werden. Es wird sodann vorzugsweise in flüssige Luft eingetaucht und beide Fäden während ungefähr einer halben Stunde auf eine Temperatur von 2400 bis 2500⁰ T erhitzt. Einer der beiden Fäden, ζ. B. der nicht thorhaltige, wird dann durch einen hindurchgeleiteten Strom auf ungefähr 3000⁰T gebracht, bis eine rasche Verdampfung des Metalles bewirkt wird. Hierdurch entsteht an der Glaswand ein gasfreier leitender Niederschlag. Dieser kann als Anode des Entladungsgefäßes dienen, in welchem zu diesem Zwecke ein oder mehrere weitere Stromzuführungsdrähte vorzusehen sind, die mit dem Überzug Kontakt machen. Durch die Verdampfung des Metalles wird das Vakuum noch weiter verbessert, so daß ein Druck weit unterhalb 0,001 ju erzielt werden kann.Both threads are provided with power supplies in a known manner. The vessel is pumped out well while being heated, finally by a molecular pump according to Gaede up to the highest attainable vacuum, i.e. about 0.001 μHg . The mercury vapor can be kept from the vessel by a cooling tube immersed in liquid air or a mixture of ice salt. While the vessel is still sitting on the pump, the two threads for a short time to about 2900 ⁰ T are heated (absolute) and brought the vessel itself in a furnace to about 360 to 450 ° T. The vessel can then be melted off by the pump. It is then preferably immersed in liquid air and both threads heated for half an hour to a temperature from 2400 to 2500 ⁰ K for about. One of the two threads, ζ. B. the non-thoracic, is then ^{brought to about 3000 0} T by a current passed through, until a rapid evaporation of the metal is caused. This creates a gas-free conductive precipitate on the glass wall. This can serve as the anode of the discharge vessel, in which one or more further power supply wires are to be provided for this purpose, which make contact with the coating. The evaporation of the metal further improves the vacuum, so that a pressure well below 0.001 ju can be achieved.

Nun wird der thorierte Faden für ungefähr eine Minute auf ungefähr 2900 ° T erhitzt. Diese Erhitzung hat auf die spätere Aussendefähigkeit der Kathode bei tieferen Temperaturen keine merkliche Wirkung, scheint aber zur Reinigung der Kathodenoberfläche angezeigt zu sein. Sodann wird die Kathode innerhalb des Temperaturbereiches von ungefähr bis 2400⁰T geglüht und durch diese Erhitzung wird irgendeine Veränderung in der Kathode hervorgerufen, welche ihre Fähigkeit, Elektronen unter den im nachfolgenden angegebenen Bedingungen auszusenden, außerordentlich erhöht. Die größte Aktivität wird erzielt, wenn dieser Glühprozeß zwischen 2200 und 2300⁰ T stattfindet und während ungefähr einer Minute fortgesetzt wird; aber auch außerhalb dieses Bereiches wird eine merkliche Änderung hervorgerufen. Es findet hierbei in der Fadenoberfläche eine Anreicherung an metallischem Thorium oder einem anderen oxydierbaren, thorhaltigen Stoffe statt. Der Faden kann nun als Kathode bei einer unterhalb dieser Formiertemperatur liegenden Temperatur benutzt werden.The thoriated thread is now heated to about 2900 ° T for about one minute. This heating has no noticeable effect on the later ability of the cathode to emit radiation at lower temperatures, but appears to be indicated for cleaning the cathode surface. Then, the cathode annealed within the temperature range of about ⁰ to 2400 T, and by this heating any change is caused in the cathode, which emit their ability electrons carried out under the conditions below, greatly increased. The greatest activity is achieved when this annealing process ^{takes place between 2200 and 2300 0} T and is continued for about one minute; but also outside of this range a noticeable change is caused. There is an accumulation of metallic thorium or another oxidizable substance containing thorium in the surface of the thread. The thread can now be used as a cathode at a temperature below this forming temperature.

Mit einem in der beschriebenen Weise behandelten Faden wurde bei einer Temperatur von ungefähr 1300 bis 1380⁰ T im wesentlichen dieselbe Aussendung von Elektronen * für ι cm² erzielt,'wie mit einem reinen Wolframfaden bei ungefähr 2000⁰T, d. i. ungefähr 3 Milliampere für den Quadratzentimeter. Die thorierte Kathode wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1700 bis 1800⁰ T benutzt, bei welcher ihr Leben unbeschränkt lang ist. Eine nachfolgende stärkere Erhitzung des "Fadens auf beispielsweise 2800° T ruft eine Veränderung hervor, vermutlich eine Verdampfung des ober-* flächlichen Thoriumfilms, da hierdurch die ι Elektronenaussendefähigkeit auf die Größenordnung, derjenigen des reinen Metalles sinkt. Wenn die Kathode nach einer solchen Er^ hitzung wieder einer Temperatur von 2200 bis 2300 ° T ausgesetzt wird, wird ihr aktiver Zu- : stand wieder hergestellt.With a thread treated in the manner described, essentially the same emission of electrons * for ι cm ^{2 was} ^{achieved at a temperature of about 1300 to 1380 0} T, as with a pure tungsten thread at about 2000 ⁰ T, ie about 3 milliamperes for the Square centimeters. The thoriated cathode is preferably used at a temperature of 1700 to 1800 ⁰ T, at which its life is indefinitely long. A subsequent stronger heating of the "thread to, for example, 2800 ° T causes a change, presumably an evaporation of the superficial thorium film, since the electron emitting ability falls to the order of magnitude of that of the pure metal. If the cathode after such an er ^ If heating is again exposed to a temperature of 2200 to 2300 ° T, its active state is restored.

Eine ähnliche Hitzebehandlung reinen Wolframs hat auf seine Elektronenaussendefähigkeit bei Glühtemperatur keinen Einfluß. Der aktive Thoriumstoff kann durch Verdampfung auf eine benachbarte Oberfläche übertragen werden. Wenn beispielsweise der aus reinem Wolfram bestehende Faden des oben beschriebenen Entladungsgefäßes bei der Herstellung des Niederschlages an der Glaswand nicht ganz aufgezehrt bzw. zerstört worden ist, dann bewirkt die darauffolgende starke Erhitzung der Kathode auf mehr als 2300°, daß etwas Thoriumstoff von der Kathode nach dem Wolframfaden verdampft, so daß, wenn nun dieser als Kathode im Verein mit dem auf der Gefäßwand haftenden Niederschlag als Anode benutzt wird, gleichfalls eine bedeutende Erhöhung der Elektronenaussendefähigkeit festgestellt wird.A similar heat treatment of pure tungsten has on its electron emitting ability no influence at annealing temperature. The active thorium substance can be obtained by evaporation transferred to an adjacent surface. For example, if the pure Tungsten filament of the discharge vessel described above during manufacture of the precipitate on the glass wall has not been completely consumed or destroyed, then caused the subsequent strong heating of the cathode to more than 2300 °, that some thorium material evaporated from the cathode after the tungsten filament, so that if now this used as a cathode in association with the precipitate adhering to the vessel wall as an anode is also found a significant increase in electron emitting ability will.

Kathoden, welche nun eine geringe Menge einer Thoriumverbindung enthalten, werden durch Zerstäubung der Oberfläche, die durch das Bombardement positiver Ionen hervorgerufen wird, schädlich beeinflußt und sind in dieser Hinsicht außerordentlich empfindlich. In diesem Falle ist bei Benutzung von Spannungen, die hoch genug sind, um eine Ionisierung des Gasrestes hervorzurufen, erforderlich, das Vakuum weit über jenen Punkt zuCathodes, which now contain a small amount of a thorium compound, are by atomization of the surface caused by the bombardment of positive ions is adversely affected and are extremely sensitive in this regard. In this case, using voltages high enough to cause ionization of the gas residue, it is necessary to keep the vacuum well above that point

treiben, bei welchem disruptive Entladungen aufhören, was gewöhnlich bei ungefähr ο,ΐ μ Hg eintritt. Die Wehnelt- oder Oxydkathode hängt hinsichtlich ihrer Aktivität von einer positiven Ionisierung ab. Jedenfalls wird ihre Aussendefähigkeit durch Erhöhung der positiven Ionisierung erhöht. Wenn große Thoriummengen in der Kathode anwesend sind, dann ist sie gegen das Bombardement durch positive Ionen nicht so empfindlich und es ist möglich, die Vorteile einer thorierten Kathode selbst beim Vorhandensein von Gasdrücken bis zum atmosphärischen Druck in weitem Maße zu erhalten. Einen weiteren Beweis dafür, daß die hohe Elektronenaussendung einer Thoriumhaut zuzuschreiben ist, bildet die Tatsache, daß metallisches Thorium selbst bei Freiheit von oberflächlicher Oxydation eine sehr hohe Elektronenaussendung für eine gegebene Temperatur im Vergleich mit Wolfram aufweist. Die Anwendung metallischen Thoriums als Kathode bereitet jedoch Schwierigkeiten infolge seines niedrigen Schmelzpunktes und seiner leichten Oxydierbarkeit.drive in which disruptive discharges stop what usually ο is about, ΐ μ Hg occurs. The activity of the Wehnelt or oxide cathode depends on positive ionization. In any case, their emitting ability is increased by increasing the positive ionization. When large amounts of thorium are present in the cathode, it is not as sensitive to positive ion bombardment and it is possible to largely obtain the benefits of a thorium cathode even in the presence of gas pressures up to atmospheric pressure. A further proof that the high electron emission can be ascribed to a thorium skin is the fact that metallic thorium has a very high electron emission for a given temperature compared to tungsten, even if it is free from superficial oxidation. However, the use of metallic thorium as a cathode presents difficulties because of its low melting point and its easy oxidizability.

Bei 2000 bis 2300° T diffundiert das aktive /Thorium langsam aus dem Innern des Metalles nach der Oberfläche. Bei steigender Temperatur wird ein Punkt erreicht, in welchem die Verdampfung des Thoriums von der Oberfläche die Geschwindigkeit übertrifft, mit welcher clas Metall nach der Oberfläche diffundiert. Es ist jedoch möglich, eine sehr schwer schmelzende thorierte Kathode bei einer Temperatur zwischen 2000 und 2200 ° T lange Zeit zu betreiben, ohne ihre hohe Elektrdnenaussendung zu zerstören,'doch ist der Betrieb bei höherer Temperatur nicht empfehlenswert. Es kann bereits in dem oben angegebenen Temperaturbereich eine große Elektronenaussendung unter gleichzeitiger Ersparnis an Energie für die Erhitzung der Kathode erzielt werden.At 2000 to 2300 ° T the active / thorium slowly diffuses from inside the metal after the surface. As the temperature rises, a point is reached at which the Evaporation of the thorium from the surface exceeds the rate at which clas metal diffuses towards the surface. However, it is possible a very difficult one melting thoriated cathode at a temperature between 2000 and 2200 ° T for a long time Time to operate without destroying their high emission of electrons, 'but the operation is not recommended at higher temperatures. It may already be in the above Temperature range, a large emission of electrons while saving energy at the same time for heating the cathode.

Entladungsgefäße mit Kathoden der angegebenen Art können für die verschiedensten Zwecke benutzt werden, z. B. als Gleichrichter oder zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen usw. Das Thorium muß in der Kathode nicht von vornherein bei ihrer Herstellung enthalten sein, sondern es kann auch eine zunächst thoriumfreie Kathode dadurch aktiv gemacht werden, daß in ihrer Nähe ein thoriumhaltiger Faden durch Erhitzung auf ungefähr 2900° T zum Verdampfen gebracht wird und sich hierdurch aktiver Stoff auf derDischarge vessels with cathodes of the specified type can be used for the most diverse Purposes are used, e.g. B. as a rectifier or to amplify electrical vibrations etc. The thorium does not have to be present in the cathode from the outset during its manufacture be included, but it can also be made active by an initially thorium-free cathode that a Thorium-containing thread made to evaporate by heating to about 2900 ° T becomes active substance on the

"55 Kathode niederschlägt."55 cathode precipitates.

Da bei niedrigen Spannungen die positive Ionisierung sehr sinkt, ist im Entladungsgefäß die Anwesenheit eines trägen Gases bei ,einem Druck von z. B. 0,01 μ zulässig, wenn die zwischen Kathode und Anode aufgedrückte Spannung nicht über die Ionisierungsspannung des Gases hinausgeht. Diese Tatsache kann benutzt werden, um eine eine thorierte Kathode enthaltende Entladungsröhre als eine spannungsempfindliche Ausschaltvorrichtung zu verwenden. Unterhalb der Spannung, bei welcher die Oberfläche zu zerstäuben beginnt, läßt das Entladungsgefäß bei eine'r Kathodentemperatur von ungefähr 1700 bis 1800° T einen Strom von ungefähr 03 Ampere für den Quadrat-Zentimeter durch. Wenn die Spännung über den kritischen Punkt steigt, fällt der Strom sofort auf einen sehr kleinen Wert, wodurch der Stromkreis praktisch unterbrochen wird. Wenn die Spannung wieder gesunken ist, kann die Kathode durch Erhitzung auf ungefähr bis 2350° T wieder aktiv gemacht werden.Since the positive ionization drops very much at low voltages, the presence of an inert gas in the discharge vessel, a pressure of z. B. 0.01 μ permitted if the voltage imposed between the cathode and anode does not exceed the ionization voltage of the gas. This fact can be used to use a discharge tube containing a thoriated cathode as a voltage sensitive cutoff device. Below the voltage at which the surface begins to sputter, the discharge vessel lets through a current of about 03 amperes per square centimeter at a cathode temperature of about 1700 to 1800 ° T. When the voltage rises above the critical point, the current immediately drops to a very small value, which practically breaks the circuit. When the voltage has dropped again, the cathode can be made active again by heating it to around 2350 ° T.

Claims

Patent Claims:

1. A process for the manufacture of cathodes from a refractory metal, e.g. B. tungsten, for electrical Entladuhgsgefäß with pure electron discharge, characterized in that the metal body, in particular tungsten body, which thorium or a thorium compound, for. B. thoroxide contained, to a temperature of about 2000 to 2400 °, and best to 2200 to 2300 ° so (absolute), if necessary after a previous heating to an even higher temperature, about 2900 ⁰ (absolute), for Purposes to achieve an enrichment in metallic thorium or in another oxidizable substance containing thorium.

2. Electric discharge tube for pure Electron discharge, characterized in that one produced according to claim 1 Cathode is at a temperature of 1700 to 1800 ° (absolute).

3. A method for the production of cathodes according to claim i, characterized in that that a thorium body or a metal body containing thorium or a thorium compound evaporates and thereby a surface layer of thorium was deposited on another metal body will. Ho