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Oxydkathode für Entladungsgefäße, insbesondere für hohe Leistungen
Der Heizstrom für die Glühkathode von Entladungsröhren erreicht bei ständiger Steigerung
der Röhrenleistung beträchtliche Werte. Dabei nimmt aber auch der Einfluß des vom
Heizstrom erzeugten Magnetfeldes immer mehr zu. So ist z. B. bei einem 5 mm starken
Wolfram-Blühdraht, der auf :2500' erhitzt ist, eine kritische Anodenspannung von
ioooo Volt nötig, um die Elektronen trotz der Ablenkung durch das Magnetfeld noch
nach einer Anode zu führen, die einen Durchmesser von io cm hat. Bei einem io mm
starken Anodenstab ist sogar bereits eine kritische Spannung von ioooooVolt erforderlich.
Hieraus geht hervor, daß der magnetische Einfluß auf die Bahnen der emittierten
Glühelektronen sehr bedeutend werden kann.
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Dieser Effekt kann entweder direkt zu Steuerzwecken ausgenutzt werden,
wie dies bei dem Hullschen Magnetstrom geschehen ist. Er kann aber auch sehr störend
sein, wenn man etwa eine präzise, elektrostatische Steuerung anstreben will.
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Gemäß der Erfindung ist eine Oxydkathode derart aus einzelnen Teilen
zusammengesetzt, daß ein zylindrischer Leiter einen inneren Leiter in an sich bekannter
Weise umgibt und der Hohlraum zwischen dem inneren und dem ihn umgebenden äußeren
zylindrischen Leiter mit Metallverbindungen in Pulver-, Körner-oder brikettierter
oder gebundener Form ausgefüllt ist, die in heißem Zustand an der Leitung. des Heizstromes
teilnehmen. Innerer und äußerer Leiter dienen dabei zur Zu- und Rückleitung des
Heizstromes in der bekannten Weise, daß sich die Magnetfelder der beiden Leiter
kompensieren.
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Dadurch, daß gemäß der Erfindung devHohlraum mit den Metallverbindungen
angefüllt ist, ist erreicht, daß die Kathode über einen großen Vorrat von hochemittierendem
Material verfügt und dabei die vom Heizstrom herrührenden Magnetfelder kompensiert
sind. Die durch die Metallverbindungen fließenden Teile des Heizstromes fließen
vom inneren Leiter der Kathode aus radial nach allen Seiten zu dem äußeren Leiter.
Dem Strom in jeder radialen Richtung entspricht ein gleich großer Strom in entgegengesetzter
radialer Richtung, daher kompensieren sich die Magnetfelder dieser beiden Ströme
und damit die Magnetfelder aller Ströme, die von einem Punkt bzw. dem ganzen inneren
Leiter zum äußeren Leiter fließen. Es kompensieren sich die Magnetfelder beider
Komponenten des Heizstromes, nämlich sowohl die Magnetfelder der im inneren und
äußeren Leiter fließenden Ströme als auch der durch die Metallverbindungen fließenden
Ströme.
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Durch die Erfindung ist eine Kathode geschaffen, die einen großen
Vorrat von emittierendem bzw. die Emission erhöhendem Material
besitzt
und bei der trotzdem die vom Heizstrom herrührenden Magnetfelder kompensiert sind.
Dadurch, daß die Metallverbindungen zwischen dem inneren und äußeren Leiter untergebracht
sind, ist des weiteren erreicht, daß die Herstellung der Kathode sehr einfach ist
und der Oxydvörrat einen außerordentlich festen Halt besitzt und daher nicht die
Gefahr des Abblätterns des Oxydes besteht. Das Oxyd ist ständig in überflüssiger
Menge vorhanden. Wird an einer Stelle der Oberfläche der Kathode etwa infolge Aufpralles
schneller positiver Ionen die emittierende Schicht beschädigt, so findet eine Efgänzung
aus dem Vorrat heraus statt. Besonders vorteilhaft ist in dieser Hinsicht die Ausführungsform
der Erfindung, bei der der äußere Zylinder etwa durch ein Sieb gebildet wird. Blättert
infolge Ionenaufpralles ein Teilchen der obersten emittierenden Schicht ab, so bleibt
infolge der Schichtdicke des Vorrats die ganze emittierende Fläche unmittelbar erhalten.
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Bei der Ausbildung der Kathode gemäß der Erfindung kann die emittierende
Fläche sehr groß sein, ohne daß dadurch der Halt des Oxydvorrates beeinträchtigt
wird, insbesondere wenn das Oxyd in brikettierter Form den Hohlraum zwischen dem
inneren und äußeren Leiter ausfüllt.
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Es ist durch die Erfindung also eine Kathode geschaffen, die infolge
ihrer Bauart große Emissionsströme bei besonders langer Lebensdauer ermöglicht und
wegen der erreichten Kompensation des Magnetfeldes des Heizstromes gerade bei Entladungsgefäßen
für hohe Leistungen vorteilhaft zu verwenden ist.
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Wesentlich ist dabei der weitere Vorteil der neuen Kathode, der darin
besteht, daß der elektrische Spannungsabfall längs der Achse der Kathode seht gering
ist, da ein wesentlicher Teil des gesamten Spannungsabfalls von der Oxydschicht
(senkrecht zur Achse der Kathode) aufgenommen wird. Infolge des geringen Spannungsabfalls
an der Oberfläche der Kathode in Richtung ihrer Achse sind Abflachungen der Charakteristik
der Röhre und ungleichmäßiges Ansetzen der Entladung an der Kathode (längs der Achse)
vermieden.
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Der in a (Abb. i) eintretende Heizstrom durchfließt in bekannter Weise
zunächst einen hohlen oder massiven Metallstab i und alsdann in entgegengesetzter
Richtung einen Zylinder 2 aus Platin, Wolfram oder ähnlichem in Frage kommendem
Metall. Dies muß mit einem hohen Schmelzpunkt die Eigenschaft hoher Emissionsfähigkeit
und leichter Entgasbarkeit verknüpfen. Es ist dabei nicht erforderlich, da.ß der
äußere Zylinder 2 aus einem nahtlosen Rohr besteht; er kann vielmehr auch aus einem
Blech gewalzt sein und einen Schlitz aufweisen. Eine andere Ausführung wäre etwa
auch eine Kathode, bei welcher der äußere Zylinder etwa durch ein siebförmiges Gebilde
ersetzt ist. Wesentlich ist jedoch hierbei, daß die eine Stromzuführung ebenso wie
beim Zylinder axial im Innern des siebförmigen Gebildes verläuft.
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Eine weitere Verbesserung an der beschriebenen Kathodenanordnung besteht
gemäß der Erfindung nun darin, daß man den Zwischenraum zwischen den beiden stromführenden
Teilen etwa mit einem Vorrat von Metallverbindungen 3, z. B. Oxyden, in pulveriger,
körniger, brikettierter oder gebundener Form ausfüllt. Es ist zwar bekannt, beliebig
gestaltete Hohlräume in Nachbarschaft der Kathode mit derartigen Vorräten auszufüllen
und sie durch Wärmeleitung oder -strahlung eines benachbarten Teiles des Glühdrahtes
oder auch durch den Entladungsstrom zum Glühen zu bringen. Beim Erfindungsgegenstand
ist die Anordnung jedoch eine andere. Hier wird die Metallverbindung nicht in die
Nähe der Hin- oder Rückleitung gelegt, um von ihr erhitzt zu werden, sondern sie
wird zwischen Hin- und Rückleitung gebracht. Sie ist also imstande, mit steigender
Temperatur immer mehr an der Stromleitung teilzunehmen. Nachdem sie zunächst von
der umgebenden Kathode angewärmt ist, wird sie hernach durch eigenen Verbrauch an
Heizstrom auf der nötigen Temperatur gehalten.
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Wie aus Abb. i hervorgeht, verzweigt sich der in ca eintretende Heizstrom
z. B. an der Stelle c und fließt einerseits im Leiter L weiter, andererseits aber
auch direkt durch das Oxyd nach dem Leiter 2. Auch hier ist die zur Kompensation
der Magnetfelder notwendige Bedingung erfüllt, daß die Summe aller die Kathode durchfließenden
Ströme gleich Null ist, wenn man die zurückfließenden Ströme mit dem entgegengesetzten
Vorzeichen versieht.
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Durch diese Stromverzweigung tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß
das den Stromzuführungen abgekehrte Ende kälter bleibt. Es wird deshalb die in Abb.
2 dargestellte Anordnung benutzt, die ebenfalls eine völlige Kompensation der entstehenden
Magnetfelder ermöglicht. Hier wird ein Schalter, der zunächst den inneren und den
äußeren Teil der Kathode miteinander verbinden soll, von Hand oder selbsttätig geöffnet,
sobald die Metallverbindung genügend leitend geworden ist. Gleichzeitig wird die
Schaltung so abgeändert, daß der Strom etwa bei a1 und a2 eintritt und bei bi und
b2 austritt, so daß der Heizstrom seinen Weg lediglich durch die Metallverbindung
nehmen muß und dieselbe auf der gewünschten Temperatur hält.
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Eine weitere Anordnung, bei der die einseitige Temperaturerhöhung
vermieden ist, wäre beispielsweise die in Abb. 3 dargestellte.
Die
Kathode besteht wiederum aus zwei nicht metallisch miteinander verbundenen Leitern,
die mit den Enden von zwei getrennten, entgegengesetzt geschalteten Sekundärwicklungen
zweier oder eines und desselben Transformators verbunden sind. Bei angelegter Primärspannung
werden alsdann in den Sekundärwicklungen bei passender Wahl der Elektrodenwiderstände
Ströme von gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung fließen, welche die metallische
'Kathode zum Glühen bringen. Sobald das Oxyd bei genügender Erhitzung leitend geworden
ist, tritt selbsttätig die Umschaltung des Stromverlaufes ein. Der Strom fließt
nun nicht mehr in der aus Abb.3 ersichtlichen Weise, sondern nimmt seinen Weg durch
das Oxyd, wie aus Abb. 4 hervorgeht. Wiederum ist eine vollkommene Kompensation
der Magnetfelder gewährleistet.
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Um eine einseitige Temperaturerhöhung und Spannungsverlagerung durch
den Hauptstrom (Entladungsstrom) zu vermeiden, der sich dem Heizstrom überlagert,
ist es zweckmäßig, den Hauptstromkreis an der Mitte einer der Sekundärwicklungen
abzuzweigen. Diese kann mit der Mitte der anderen Sekundärwicklung verbunden sein.
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Die derart erhitzten Metalloxyde werden bei einer siebförmigen Anordnung
bekanntlich nach der Oberfläche des Metalleiters 2 sublimieren und dessen Emission
in bestimmtem Maße erhöhen. Will man diese noch weiter steigern, so steht nur noch
der Weg offen, die emittierende Oberfläche möglichst weitgehend zu vergrößern. In
dieser Hinsicht wird aber die siebförmige Anordnung von dem massiven Metallzylinder
wesentlich übertroffen. Das in dem Innern dieses Zylinders befindliche Oxyd gelangt
alsdann nun' noch durch die bekannte Diffusion nach der äußeren Wand des Leiters
2.
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Zu der gewünschten Steigerung der Elektronenemission reiner Metallkathoden
reicht bereits - wie die neuesten Untersuchungen ergeben haben - ein ganz dünner
Belag des Metalloxydes aus, der in genügendem Maße durch die beschriebene Sublimation
oder Diffusion erzeugt und ausreichend ergänzt wird. Die berüchtigte Gefahr des
Abblätterns des Oxydes ist bei den beschriebenen Anordnungen vollkommen ausgeschaltet
und eine lokale Überbeanspruchung einzelner Teile der Kathode vermieden, so daß
dem Glühdraht eine wesentlich größere Lebensdauer verliehen wird. Bei Verwendung
des massiven Zylinders als Rückleiter a ist vor allem ein unnötiger Verlust an Oxydvorrat
durch Abbröckeln und Herausfallen vermieden und weiterhin auch ein vollkommen gleichmäßiger
Überzug der gesamten Kathode mit dem Oxyd gewährleistet.