DE3311259C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathode in Form eines Sinter­ körpers, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch dieser Metalle und eine Zäsium- oder Rubidiumver­ bindung als emissionsaktives Material enthält, sowie die Verwendung einer solchen Kathode zur Herstellung einer Gasentladungsröhre.

Bekannt ist eine Kathode aus Wolfram mit einem auf ihre Oberfläche aufgebrachten Zäsiumfilm (siehe bei­ spielsweise L. N. Dobretsov und M. V. Gomojunova "Emis­ sionselektronik", Verlag Nauka, Moskau 1966, Seite 195).

Die genannte Kathode besitzt eine verhältnismäßig hohe Austrittsarbeit, die etwa 1,36 eV bei einer Tempe­ ratur der Kathode von 600°C beträgt, und weist eine entspre­ chend niedrige Emissionsfähigkeit auf, die bei der genannten Tempe­ ratur 0,1 mA/cm² nicht übersteigt. Außerdem besitzt die genannte Kathode eine ungenügende Stabilität der Emis­ sionskennwerte bei der Arbeit, besonders unter den Be­ dingungen eines intensiven Ionenbeschusses, was zu einer Zerstörung des Zäsiumfilmes an seiner Oberfläche unter diesen Bedingungen führt. Deshalb weisen die Gasentla­ dungsröhren, insbesondere die Lichtblitzröhren, in de­ nen diese Kathode angewandt wird, eine hohe Zündspannung und eine geringe Lebensdauer auf.

Außerdem ist es bei der Herstellung der obenge­ nannten Kathode sehr schwierig, das Zäsium im Prozeß sei­ nes Aufbringens an die Oberfläche der Kathode zu dosie­ ren.

Eine genaue Dosierung des Zäsiums ist deshalb not­ wendig, weil von seiner Menge an der Oberfläche der Katho­ de die Emissionsfähigkeit der letzteren abhängt. Die mit der Dosierung des Zäsiums verbundenen technologischen Schwierigkeiten erschweren die Verwendung solcher Katho­ den in Gasentladungs- und Elektrovakuumgeräten.

Viel einfacher bei der Herstellung sind Kathoden in Form eines Sinterkörpers.

Unter solchen bekannten Kathoden besitzen eine be­ sonders hohe Emissionsfähigkeit Kathoden mit einer Zä­ siumverbindung als emissionsaktives Material. Entspre­ chend weisen Gasentladungsröhren mit solchen Kathoden niedrige Werte der Zündspannung auf.

Bekannt ist eine Kathode, ausgeführt in Form eines Sinterkörpers, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob oder ihre Gemische, ein das Gas absorbierendes Metall und einen den Sinter­ vorgang verbessernden Zusatzstoff enthält, wobei auf den Sinterkörper eine Schicht eines emissionsaktiven Mate­ rials von Zäsiumkarbonat oder Zäsiumchromat aufge­ bracht ist (DE-OS 30 02 033).

Als das Gas absorbierendes Metall verwendet man Ti­ tan, Zirkonium, Vanadin, Hafnium oder Gemisch derselben. Als den Sintervorgang verbessernden Zusatzstoff verwen­ det man Aluminiumoxid oder Siliziumoxid.

Die Gasentladungsröhre mit der obengenannten Katho­ de weist eine Anfangszündspannung von 150 bis 190 V (in Abhängigkeit von den den Sinterkörper zusammensetzenden Komponenten) und eine Zündspannung von 155 bis 200 V nach 10 000 Lichtblitzen auf, wobei eine Zerstäubung des Kathodenmaterials praktisch fehlt (siehe dieselbe Anmeldung).

Bekannt ist auch eine Kathode, ausgeführt in Form eines Sinterkörpers, der ein Metall von hohem Schmelz­ punkt oder ein Gemisch solcher Metalle und ein emissions­ aktives Material enthält (DE-PS 30 08 518).

In einer solchen Kathode besteht das in dem Sinter­ körper enthaltende emissionsaktive Material aus einem Stoff, der Bariumionen enthält, während in den Poren des Sinterkörpers ein anderes emissionsaktives Material der folgenden Zusammensetzung Cs₂MO₄, worin M ein Metall von hohem Schmelzpunkt bedeutet, dispergiert ist. Unter dem Metall von hohem Schmelzpunkt versteht man in diesem Fall ein Übergangsmetall der IV., V. oder VI. Gruppe des Periodensystems der Elemente, wie beispielsweise Zirkonium, Wolfram, Tantal und Molybdän.

Bekannt ist auch eine Gasentladungsröhre, welche einen mit einem ionisierbaren Gas gefüllten Kolben und zwei in dem Kolben in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete Elektroden enthält, wobei eine als Kathode dienende Elektrode auf der Basis der oben beschriebenen Kathode ausgeführt ist (DE-PS 30 08 518).

Eine solche Röhre von 5 mm Innendurchmesser mit einer Kathode, die in einem Abstand von 37 mm von der anderen Elektrode angeordnet ist, weist bei ei­ ner Füllung mit Xenon auf einen Druck von 1,66 · 10⁴ Pa eine Zündspannung von 190 V bei einer Anlaßimpulsspannung von 4,5 kV und eine Zündspannung von 132 V bei einer Anlaßimpulsspannung von 9,0 kV auf.

Eine Röhre mit einer analogen von der anderen Elek­ trode in einem Abstand von 20 mm angeordnete Kathode, die einen Innendurchmesser von 2,5 mm aufweist, die mit Xenon auf einen Druck von 6,93 · 10⁴ Pa gefüllt ist und eine Lichtblitzenergie von 11,5 J besitzt, weist eine Zündspannung von 176 V bei einer Anlaßimpulsspan­ nung von 3,3 kV auf. Dabei bleibt die Zündspannung nach 1500 Lichtblitzen auf dem ursprünglichen Niveau.

Die obengenannte Kathode enthält eine Zäsiumverbin­ dung, die im Prozeß des Betriebs der Röhre mit dem in dem Sinterkörper enthaltenen Metall reagiert. Dabei bil­ det sich Zäsium in freiem Zustand, das die Austrittsar­ beit der Kathode senkt und entsprechend ihre Emissions­ fähigkeit erhöht. Beim Betrieb der Röhre kommt es zu einer ununterbrochenen Verdampfung des Zäsiums von der Oberfläche der Kathode, die besonders intensiv unter den Bedingungen des Ionenbeschusses ist. Das verdampfen­ de Zäsium wird durch die aus dem Volumen der Kathode ge­ langenden Zäsiumatome kompensiert, die sich durch die genannte Reaktion bilden. Dadurch kommt es zu einer all­ mählichen Verringerung des Zäsiums in dem Volumen der Kathode, die zu einer Abnahme der Emissionsfähigkeit der letzteren führt, was seinerseits eine Zunahme der Zünd­ spannung der Gasentladungsröhre mit einer solchen Kathode im Verlauf deren Betriebs und eine Verringerung ihrer Le­ bensdauer zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ka­ thode zu entwickeln, deren Sinterkörper eine solche Zu­ sammensetzung aufweist, daß eine hohe Emissionsfähigkeit der Kathode, die während längeren Betriebs, darunter un­ ter den Bedingungen des Ionenbeschusses aufrechterhalten bleibt, gewährleistet wird, sowie eine Gasentladungsröhre zu entwickeln, deren eine Elektrode, die als Kathode dient, auf der Basis der obengenannten Kathode ausgeführt ist, wodurch eine niedrige Zündspannung gewährleistet wird, die während einer längeren Lebensdauer stabil bleibt.

Diese Aufgabe wird durch eine Kathode gemäß dem Patentanspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Kathode zur Herstellung einer Gasentladungsröhre gelöst.

Der Sinterkörper kann 0,5 bis 25 Gewichtsprozent Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat und als Rest ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch dieser Metalle enthalten, was eine hinreichend hohe Emis­ sionsfähigkeit der Kathode gewährleistet, die während längeren Betriebs derselben, darunter auch unter den Be­ dingungen eines intensiven Ionenbeschusses stabil bleibt.

Zur Erzielung einer hohen Emission ist es zweckmä­ ßig, daß das Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird:

x M₂O · y Al₂O₃ · z SiO₂,

worin M Cs oder Rb bedeutet, x = 1 bis 3, y = 1 bis 2, z = 1 bis 6 ist.

Zur Erzielung einer besonders hohen Emissionsfähig­ keit der Kathode ist es zweckmäßig, daß der Sinterkörper 85 Gewichtsprozent Nickel und 15 Gewichtsprozent Zäsium­ alumosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der folgen­ den Formel entspricht:

Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂.

Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka­ thode, die ein billigeres emissionsaktives Material ent­ hält, ist es durchaus zweckmäßig, daß der Sinterkörper 85 Gewichtsprozent Nickel und 15 Gewichtsprozent Rubi­ diumalumosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der folgenden Formel Rb₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht.

Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka­ thode bei deren Verwendung in Hochleistungs-Gasentla­ dungsröhren ist es zweckmäßig, daß der Sinterkörper 90 Gewichtsprozent Tantal und 10 Gewichtsprozent Zäsiumalu­ mosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der folgenden Formel Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht.

Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka­ thode bei einer hohen Beständigkeit gegen die Wirkung des Ionenbeschusses ist es zweckmäßig, daß der Sinterkör­ per 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zirkonium und Niob in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Ge­ wichtsprozent Zäsiumalumosilikat enthält, deren Zusam­ mensetzung der folgenden Formel Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ ent­ spricht.

Das wird dadurch erreicht, daß in der Gasentladungs­ röhre, die einen mit dem zu ionisierenden Gas gefüllten Kolben und zwei in dem Kolben in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete Elektroden enthält, erfindungs­ gemäß eine der als Kathode dienenden Elektroden auf der Basis der obengenannten Kathode ausgebildet ist.

Eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen Katho­ de gestattet es, eine hohe Emissionsfähigkeit, die wäh­ rend einer längeren Zeit stabil bleibt, darunter unter den Bedingungen eines intensiven Ionenbeschusses zu er­ reichen. Die Gasentladungsröhre mit der erfindungsgemäßen Kathode weist eine niedrige Zündspannung, die während ei­ ner großen Lebensdauer stabil ist, und geringe Abmessun­ gen auf.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kathode (Längsschnitt), und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gasentladungsröhre, hergestellt auf der Basis der Kathode nach Fig. 1 (Längs­ schnitt).

Eine erfindungsgemäße Kathode 1 (Abb. 1) ist in Form eines Sinterkörpers ausgeführt, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch solcher Metalle und ein emissionsaktives Material enthält. Unter den Metallen von hohem Schmelzpunkt werden folgende Metalle verstan­ den: Nickel (der Schmelzpunkt T beträgt 1728 K), Zirko­ nium (T = 2128 K), Hafnium (T = 2250 K), Tantal (T = 3270 K), Niob (T = 2770 K), Rhenium (T = 3308 K), Mo­ lybdän (T = 2890 K), Wolfram (T = 3650 K) oder deren Ge­ mische.

Das emissionsaktive Material enthält Zäsiumalumo­ silikat oder Rubidiumalumosilikat.

Bei einem Gehalt an Zäsiumalumosilikat oder Rubi­ diumalumosilikat von weniger als 0,5 Gewichtsprozent übersteigt der abzunehmende Emissionsstrom Tausendstel µA/cm² nicht, weshalb Verbindungen der genannten Zu­ sammensetzung anscheinend von keinem praktischen Inter­ esse sind. Bei einem Gehalt an Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat von mehr als 25 Gewichtsprozent beträgt der abzunehmende Emissionsstrom zwar einige zehn µA/cm², die Komponenten des Sinterkörpers bilden jedoch keine Legierung, wodurch die Kathode für praktische Zwecke un­ brauchbar wird.

Die Größe des von der Kathode 1 abzunehmenden Emis­ sionsstromes hängt von den konkreten Werten von x, y und z ab. Zur Illustration werden in der nachstehenden Tabel­ le die Emissionskennwerte des Zäsiumalumosilikats ange­ führt.

Tabelle

Zusammensetzung desEmissionsstromdichte Zäsiumalumosilikatsbei T = 60°C und
E = 5 · 10³ V/cm,
µA/cm³

Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂100 Cs₂O · Al₂O₃ · 4 SiO₂ 60 Cs₂O · Al₂O₃ · SiO₂ 50 2 Cs₂O · Al₂O₃ · 5 SiO₂ 30 3 Cs₂O · Al₂O₃ · 3 SiO₂ 10 Cs₂O · 2 Al₂O₃ · 3 SiO₂ 10 3 Cs₂O · 2 Al₂O₃ · 6 SiO₂ 10 2 Cs₂O · 2 Al₂O₃ · 5 SiO₂  5

Die Gesetzmäßigkeit der Elektronenemission des Ru­ bidiumalumosilikats weisen in Abhängigkeit von der Zu­ sammensetzung eine analoge Gestalt auf, nur daß die Grö­ ße des abzunehmenden Emissionsstroms etwas geringer ist.

Somit können als emissionsaktives Material Alumosili­ kate verwendet werden, deren Werte x, y und z in den oben­ genannten Grenzen liegen. Alumosilikate anderer Zusammen­ setzungen weisen eine verhältnismäßig unbedeutende Emis­ sionsaktivität auf, weshalb es unzweckmäßig ist, diese als emissionsaktives Material zu verwenden.

Die Wirksamkeit der Kathode hängt nicht nur von der Zusammensetzung des emissionsaktiven Materials, sondern auch von der chemischen Natur des in dem Sinterkörper ent­ haltenen Metalls von hohem Schmelzpunkt ab.

Nach der Aktivität der Reihe der Metalle Ni, Zr, Hf, Ta, Nb, Re, Mo, W können sie in drei Gruppen unter­ teilt werden. Besonders aktiv sind Ni, Zr, Hf, dann fol­ gen Ta, Nb, Re und schließlich Mo und W.

In Übereinstimmung damit ist eine erfindungsgemäße Kathode 1, deren Sinterkörper ein Metall aus der Nickel­ gruppe, wirksamer gegenüber einer erfindungsgemäßen Ka­ thode 1, deren Sinterkörper ein Metall aus der Tantalgrup­ pe enthält. Ihrerseits ist die letztere wirksamer ge­ genüber einer Kathode 1, deren Sinterkörper ein Metall der Molybdängruppe enthält.

Die Kathode 1, deren Sinterkörper Nickel enthält, kann in Gasentladungsröhren mit Erfolg eingesetzt wer­ den, wo der Entladungsstrom 800 A nicht übersteigt. Bei höheren Werten des Entladungsstromes zerstäubt das Nic­ kel. Deshalb verwendet man in Hochleistungs-Gasentladungs­ röhren zweckmäßigerweise Kathoden, deren Sinterkörper Me­ talle aus der Tantalgruppe oder Molybdängruppe mit einem Schmelzpunkt, der den Schmelzpunkt des Nickels bedeutend übersteigt, enthalten.

Der Sinterkörper der Kathode 1 kann auch ein Gemisch von Metallen von hohem Schmelzpunkt enthalten, die in einem Gewichtsverhältnis genommen werden, das ihrer äqui­ atomaren Menge in der durch diese Metalle gebildeten Legierung proportional ist. Die Effektivität der Kathode wird in diesem Falle durch das Metall bestimmt, dessen Aktivität am höchsten liegt. Deshalb gestatten es solche Kathoden, die höchste Emission zu erzielen, die in ihrer Größe mit der Emission besonders effektiver Kathoden mit dem in dem Sinterkörper enthaltenen Nickel vergleichbar ist, unter gleichzeitiger Erhöhung der Beständigkeit ge­ gen einen intensiven Ionenbeschuß. Dazu ist es zweck­ mäßig, daß der Sinterkörper ein Gemisch aus einem Me­ tall aus der Nickelgruppe, das aber einen höheren Schmelz­ punkt als Nickel aufweist, das heißt Zirkonium oder Haf­ nium, und einem Metall aus der Tantalgruppe oder Molyb­ dängruppe enthält.

In Fig. 2 bedeutet 1 eine erfindungsgemäße Kathode, 2 einen mit einem ionisierenden Gas, wie beispielsweise Xenon, gefüllten Kolben und 3 eine Anode. Die Kathode 1 ist an einem Halter 4 angeordnet. Die Außenfläche des Kolbens 2 ist mit einem durchsichtigen leitenden Überzug (in der Zeichnung nicht angedeutet) versehen.

Eine konkrete Variante dieser Röhre ist am Beispiel einer Lichtblitzröhre beschrieben. Daneben kann die er­ findungsgemäße Kathode in Entladungsgefäßen sowie in Elektrovakuumgeräten verschiedenen Typs verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Kathode 1 kann beliebige Ab­ messungen und Konfigurationen aufweisen, als Zylinder, wie dies in den Abb. 1 und 2 dargestellt ist, so­ wie als Scheibe, Stab und Sphäre ausgebildet sein und nach bekannten Methoden zum Pressen des Einsatzgutes, welches aus Metallpulvern von hohem Schmelzpunkt oder einem Gemisch dieser Metalle und einem emissionsaktiven Material besteht, hergestellt werden, unter anschlie­ ßender Sinterung in Vakuum oder einer Schutzatmosphä­ re.

Der Preßdruck hängt von der konkreten Zusammenset­ zung des Einsatzgutes und übersteigt im allgemeinen 100 MPa nicht. Die Sintertemperatur hängt ebenfalls von der Zusammensetzung des Einsatzgutes ab und kann in einem Bereich von 1000 bis 2000 K variiert werden.

Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend folgende Beispiele angeführt.

Beispiel 1

Eine Kathode 1 (Abb. 1), ausgeführt in Form eines Sinterkörpers, welcher 99,5 Gewichtsprozent Nickel und 0,5 Gewichtsprozent Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird wie folgt hergestellt.

Pulverförmiges Nickel und pulverförmiges Zäsium­ alumosilikat der genannten Zusammensetzung vermischt man in dem genannten Gewichtsverhältnis. Das erhaltene Ein­ satzgut vermischt man innig und mahlt dann bis zur Er­ zielung einer mittleren Teilchengröße von höchstens 10 µm. Dann preßt man das Einsatzgut in einer der Form der herzustellenden Kathode entsprechenden Preßform bei einem Druck von 20 MPa. Der Preßling wird in Vakuum bei einem Druck von etwa 1,33 · 10^-6 Pa und einer Temperatur von 1000 K innerhalb von 10 Minuten gesintert.

Der Emissionsstrom der dabei erhaltenen erfindungs­ gemäßen Kathode beträgt 0,6 mA/cm², die effektive Aus­ trittsarbeit ϕ = 0,89 eV. Die Messungen werden in Va­ kuum bei einem Druck von etwa 1,33 · 10^-2 Pa bei Zimmer­ temperatur (300 K) an der Kathode und einer elektrischen Feldstärke E = 2 · 10⁴ V/cm durchgeführt. Diese Emissionsparameter bleiben bei einer Steigerung der Temperatur der Kathode auf 700 K praktisch unverändert.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Kathode 1 mit den Komponenten anderer Zusammensetzungen des Sinter­ körpers unterscheidet sich von dem oben beschriebenen durch die Werte des Preßdruckes, der Temperatur und der Sinterzeit.

Beispiel 2

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 85 Gewichtsprozent Ni und 15 Gewichtspro­ zent Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck betrug in diesem Falle 50 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 30 Minuten.

Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1 weist einen Emissionsstrom von 101,6 mA/cm² und eine effek­ tive Austrittsarbeit von ϕ = 0,76 eV auf. Die Meßbedin­ gungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 3

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 85 Gewichtsprozent Ni und 15 Gewichtspro­ zent Rb₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck betrug in diesem Falle 50 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 25 Minuten.

Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1 weist einen Emissionsstrom von 76,5 mA/cm² und eine ef­ fektive Austrittsarbeit von ϕ = 0,72 eV auf. Die Meßbe­ dingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 4

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 75 Gewichtsprozent Zr und 25 Gewichtspro­ zent Rb₂O · Al₂O₃ · SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 70 MPa, die Sinter­ temperatur 1500 K innerhalb von 50 Minuten.

Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1 weist einen Emissionsstrom von 4,5 mA/cm² auf. Die Meß­ bedingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen ana­ log.

Beispiel 5

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 90 Gewichtsprozent Hf und 10 Gewichtspro­ zent 3 Rb₂O₃ · 2 Al₂O₃ · 6 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sin­ tertemperatur 1200 K innerhalb von 20 Minuten.

Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode weist einen Emissionsstrom von 6,9 mA/cm² bei Zimmertempera­ tur an der Kathode und eine elektrische Feldstärke von E = 1,5 · 10⁴ V/cm auf.

Beispiel 6

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, der 99,5 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zr und Hf bei einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 0,5 Ge­ wichtsprozent Rb₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 30 MPa, die Sintertemperatur 1000 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche erfindungsgemäße Kathode weist einen Emis­ sionsstrom von 0,2 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 7

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, der 99,5 Gewichtsprozent Nb und 0,5 Gewichtspro­ zent Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 40 MPa, die Sinter­ temperatur 1100 K innerhalb von 8 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 0,2 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 8

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, der 90 Gewichtsprozent Ta und 10 Gewichtsprozent Cs₂O · Al₂O · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 herge­ stellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertempe­ ratur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 30,5 mA/cm² auf und eine effektive Austrittsarbeit von ϕ = 0,75 eV auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 9

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, der 90 Gewichtsprozent Re und 10 Gewichtsprozent 2 Rb₂O · Al₂O₃ · 5 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 her­ gestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertem­ peratur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 7,2 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 10

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, der 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Ta und Re mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Gewichts­ prozent 2 Cs₂O · Al₂O₃ · 5 SiO₂ enthält, wird analog zu Bei­ spiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 9,3 mA/cm² bei Zimmertemperatur an der Kathode und einer elektrischen Feldstärke von E = 1,5 · 10⁴ V/cm auf.

Beispiel 11

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zr und Nb mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Ge­ wichtsprozent Cr₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 50 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 80 mA/cm² und eine effektive Austrittsarbeit von ϕ = 0,71 eV auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1 beschrie­ benen analog.

Beispiel 12

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 90 Gewichtsprozent Mo und 10 Gewichtspro­ zent 3 Cs₂O · Al₂O₃ · 6 SiO₂ enthält, wird wie folgt herge­ stellt.

Man vermischt pulverförmiges Molybdän, pulverförmi­ ges Zäsiumalumosilikat der genannten Zusammensetzung und Polyvinylalkohol in folgendem Gewichtsverhältnis: 85,5 Gewichtsprozent Molybdän, 9,5 Gewichtsprozent Zäsium­ alumosilikat und 5 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol. Der letztere erfüllt die Funktion eines Weichmachungsmittels, das den Preßvorgang und die Sinterung des Einsatzgutes verbessert. Nach dem Mahlen wird das Einsatzgut unter einem Druck von 80 MPa gepreßt. Der erhaltene Preßling wird in einem Hochvakuum bei einer Temperatur von 1400 K innerhalb von 15 Minuten gesintert.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 0,31 mA/cm² bei Zimmertemperatur an der Kathode und bei der elektrischen Stromstärke von E = 1,5 · 10⁴ V/cm auf.

Beispiel 13

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 75 Gewichtsprozent W und 25 Gewichtspro­ zent 2 Cs₂O · 2 Al₂O₃ · 5 SiO₂ enthält, wird wie folgt herge­ stellt.

Man bereitet ein Einsatzgut, welches 71,25 Gewichts­ prozent Wolfram, 23,75 Gewichtsprozent Zäsiumalumosili­ kat und 5 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol enthält. Das Einsatzgut wird bei einem Preßdruck von 100 MPa ge­ preßt und der erhaltene Preßling im Hochvakuum bei einer Temperatur von 1800 K innerhalb von 20 Minuten gesintert.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 0,11 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 12 beschriebenen analog.

Beispiel 14

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinter­ körpers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Mo und Ta mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 10 Gewichtsprozent Cs₂O · Al₂O₃ · SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 17,7 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1 beschriebenen analog.

Beispiel 15

Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör­ pers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Hf und Mo mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 10 Ge­ wichtsprozent 2 Rb₂O · 2 Al₂O₃ · 5 SiO₂ enthält, wird analog zu Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 50 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 20 Minuten.

Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von 4,5 mA/cm² auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 12 beschriebenen analog.

In der in Fig. 2 dargestell­ ten Gasentladungsröhre, die insbesondere als Lichtblitz­ röhre verwendet wird, verwendet man zweckmäßig eine nach Beispiel 2 hergestellte erfindungsgemäße Kathode 1.

Das Prinzip des Betriebs der genannten, auf der Ba­ sis der erfindungsgemäßen Kathode 1 ausgeführten Gasent­ ladungsröhre besteht in folgendem.

Man ionisiert vorher das in dem Kolben 2 der Röhre enthaltene Gas nach einem beliebigen bekannten Verfahren.

Man legt beispielsweise an den durchsichtigen leitenden Überzug in dem Kolben 2 einen Anlaßimpuls mit einer Span­ nung an, deren Größe für die Ionisation des Gases aus­ reichend ist. Dann legt man an die Kathode 1 und die Ano­ de 3 der Röhre eine elektrische Spannung in Form von Im­ pulsen mit einer Amplitude an, die der Zündspannung gleich ist oder diese übersteigt. Unter der Wirkung der Spannung werden von der Kathode Elektronen emittiert, wel­ che in dem Zwischenelektrodenraum eine von einer inten­ siven Lichtemission begleitete elektrische Entladung, das heißt einen Lichtblitz erzeugen.

Die Entladungszündspannung in der erfindungsgemä­ ßen Röhre und die Betriebsspannung dieser Röhre ist der Austrittsarbeit der in dieser verwendeten Kathode erfin­ dungsgemäß direkt proportional, weshalb die genannten elektrischen Parameter in der Röhre um so geringer sind, je kleiner die Austrittsarbeit der Kathode ist. Ihrer­ seits verringern die Senkung der Zündspannung und der Betriebsspannung der Gasentladungsröhre die Wärmebela­ stung der Kathode während ihres Betriebs.

Somit werden die elektrischen Parameter der Gasent­ ladungsröhre durch die Größe der Austrittsarbeit der in dieser verwendeten Kathode bestimmt.

Es ist in den oben angeführten Beispielen gezeigt, daß die erfindungsgemäße Kathode eine Austrittsarbeit bei Zimmertemperatur an der Kathode von weniger als 1 eV aufweist, wodurch ihre hohe Emissionsfähigkeit bedingt ist. Das ist darauf zurückzuführen, daß das aus dem Zä­ siumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat bestehende emissionsaktive Material eine niedrige Austrittsarbeit (etwa 1 eV) aufweist, bedingt durch das Vorliegen von Io­ nen der Alkalimetalle Zäsium bzw. Rubidium. Diese Ionen sind in den Zwischengitterstellen der Alumosilikate gleichmäßig verteilt und durch ihre elektrostatischen Kräfte fest zusammengehalten. Deshalb ist die Verdampfung des Alkalimetalls, des Zäsiums und Rubidiums, von der Kathode unbedeutend, wodurch die hohe Stabilität ihrer Emissionskennwerte während längeren Betriebs sowie eine große Lebensdauer der Gasentla­ dungsröhren, in denen sie verwendet werden, bedingt ist.

Eines der konkreten Beispiele für die Ausführung der Röhre stellt eine Lichtblitzröhre, ausgelegt für eine Lichtblitzenergie von 15 J, dar. Der Kolben 2 dieser Röhre weist einen Innendurchmesser von 2 mm und einen Abstand zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 von 16 mm auf und ist mit dem ionisierbaren Gas Xenon bis zu einem Druck von 7,98 · 10^-4 Pa gefüllt. Die er­ findungsgemäße Kathode 1 ist in Übereinstimmung mit dem Beispiel 2 hergestellt und weist einen Außendurchmes­ ser von 1,5 mm auf.

Eine solche Röhre weist eine Zündspannung von 180 V (bei einer Anlaßimpulsspannung von 4,5 kV) und eine Be­ triebsspannung von 200 V bei einem Entladungsstrom von 500 A auf. Nach 40 000 Lichtblitzen bleiben diese Para­ meter unverändert.

Eine andere Variante der erfindungsgemäßen Röhre ist eine Lichtblitzröhre, ausgelegt für eine Lichtblitz­ energie von 40 J. Der Kolben 2 dieser Röhre weist einen Innendurchmesser von 3,2 mm, einen Abstand zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 von 30 mm auf und ist mit dem ionisierbaren Gas Xenon bei einem Druck von 3,06 · 10^-4 bis 3,1 · 10^-4 Pa gefüllt. Die nach dem Beispiel 2 hergestellte erfindungsgemäße Kathode 1 weist einen Außendurchmesser von 2,4 mm auf.

Eine solche Röhre weist eine Zündspannung von 80 V (bei einer Anlaßimpulsspannung von 4,5 kV) und eine Be­ triebsspannung von 110 V bei einem Entladungsstrom von 500 A auf. Nach 40 000 Lichtblitzen bleiben diese Para­ meter unverändert.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kathode ist der einmalig niedrige Wert der Austrittsarbeit: ϕ = 0,6 bis 0,9 eV bei Zimmertemperatur. Dadurch wird es möglich, von der Kathode hohe Emissionsströme bis zu 100 mA/cm² bei einer elektrischen Feldstärke von 2 · 10⁴ V/cm abzu­ nehmen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kathode ist ihre außerordentlich hohe Beständigkeit gegen die Wirkung des Ionenbeschusses. So bleibt beispielsweise beim Betrieb der Kathode in Lichtblitzröhren mit recht hohem Druck des ionisierbaren Gases (7,98 · 10^-4 Pa) ihre Emissionsfähigkeit auf dem ursprünglichen Niveau nach 40 000 Lichtblitzen, während eine merkliche Degrada­ tion der Kathode erst nach 65 000 Lichtblitzen einsetzt. Es soll bemerkt werden, daß der Sinterkörper einer sol­ chen Kathode 85 bis 90% Nickel enthält, das sich unter allen in den gewöhnlich verwendeten Sinterkathoden ver­ wendeten Metallen besonders leicht zerstäuben läßt. Bei der Verwendung von Metallen mit höherem Schmelzpunkt wie Tantal, Wolfram und dergleichen ist die Beständigkeit der Kathode ge­ gen die Wirkung des Ionenbeschusses wesentlich höher.

Die obengenannten Vorteile der Kathode gestatten es, auf ihrer Grundlage Gasentladungsröhren mit hohen Betriebsparametern wie hohe Lichtausbeute, niedrige Zündspannung, geringe Abmessungen bei einer hohen Le­ bensdauer zu erhalten. So weist beispielsweise eine er­ findungsgemäße Lichtblitzröhre mit einer Lichtblitz­ energie von 15 J eine Zündspannung von 180 V, eine Größe des leuchtenden Teiles von 2 × 16 mm und eine Lebensdauer von mehr als 40 00 Lichtblitzen auf.

Claims (8)

1. Kathode in Form eines Sinterkörpers, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch dieser Metalle und eine Zäsium- oder Rubidiumverbindung als emissionsaktives Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das emissions­ aktive Material Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosili­ kat enthält.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sinterkörper 0,5 bis 25 Gew.-% Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat enthält.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat eine Zusammensetzung gemäß der Formel x M₂O · y Al₂O₃ · z SiO₂hat, worin M Cs oder Rb bedeuten, x = 1 bis 3, y = 1 bis 2 und z = 1 bis 6 ist.

4. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sinterkörper 85 Gew.-% Nickel und 15 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung der Formel Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht, enthält.

5. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sinterkörper 85 Gew.-% Nickel und 15 Gew.-% Rubidiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung der Formel Rb₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht, enthält.

6. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sinterkörper 90 Gew.-% Tantal und 10 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung der Formel Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht, enthält.

7. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sinterkörper 90 Gew.-% eines Gemisches von Zirkonium und Niob bei einem Gewichtsver­ hältnis 1 : 1 und 10 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung der Formel Cs₂O · Al₂O₃ · 2 SiO₂ entspricht, enthält.

8. Verwendung einer Kathode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Herstellung einer Gasentladungsröhre.