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Verfahren zur Herstellung von Hochemissionskathoden Der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung _ befaßt sich mit einem neuartigen Verfahren zur Herstellung
von Hochemissionskathoden. Es bezieht sich grundsätzlich auf die Herstellung solcher
Hochemissionskathoden, bei denen der hochemittierende Stoff dem Trägerkörper einverleibt
ist, und besteht darin, daß die Kathode an der Luft kurzzeitig derartig erhitzt
wird, daß an ihrer Oberfläche eine aus einer chemischen Verbindung des Kathodenmaterials
bestehende verdampfbare Schutzschicht entsteht, und daß diese Schutzschicht beim
Beginn des Formierungsprozesses durch Erhitzen zum Abdampfen gebracht wird.
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Die Erfindung sei an dem Problem der Thoriumkathode erläutert, obgleich
sie sich keineswegs auf diese Kathode beschränkt. Ähnlich verhalten sich vielmehr
alle Kathoden, bei denen eine hochemittierende Substanz einem Trägermaterial in
ähnlicher Weise zugesetzt ist wie das Thoriumoxyd im Wolfram.
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Wenn man beispielsweise als Kathode einen thorium- bzw. thoroxydhaltigen
Wolframeinkristalldraht nimmt, so beobachtet man häufig die Erscheinung, daß zwar
die Emission bei derjenigen Temperatur einsetzt, welche der Thoriumemission entspricht,
daß aber die erreichten Sättigungswerte wesentlich hinter denen zurückbleiben, welche
voller Bedeckung der Kathodenoberfläche mit Thorium entsprechen würden. Uni ein
Beispiel zu nennen: Ein thoriumhaltiger Wolframfaden von 3o ,u Durchmesser und 3o
mm Länge sollte bei einer Temperatur von etwa rgoo° theoretisch etwa 6o Milliampere
Sättigungsemissionsstrom abgeben können. Stellt man fabrikationsmäßig Röhren mit
solchen Fäden her, so liegen die Durchschnitte der Emissionen wesentlich tiefer.
Nicht selten erreichen sie nur zo bis 2o Milliampere. Es wird sogar beobachtet,
daß die Emission sich überhaupt nicht bildet. Diese Erscheinung wird erklärt durch
eine Schädigung der Fadenoberfläche, insbesondere durch eine oberflächlich absorbierte
einatomige Sauerstoffschicht, zu deren Entfernung eine außerordentlich starke Überheizung
des Fadens notwendig ist. Die Überheizung führt nahe an die Schmelztemperatur des
Wolframs und verursacht erheblichen Fabrikationsausschuß infolge des häufigen Durchbrennens
und Zerreißens der Kathode.
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Während man bisher mit Rücksicht auf die erhebliche Schädigung, welche
die Anwesenheit von Sauerstoff für die Emission bewirkt, es nach Möglichkeit vermieden
hat, die Fadenoberfläche der Einwirkung von Sauerstoff auszusetzen, hat sich bei
Versuchen ergeben, daß überraschenderweise bei zweckmäßiger Anwendung einer Sauerstoffeinwirkung
ein außerordentlicher Fortschritt in bezug auf die oben geschilderte Emissionsschwierigkeit
erzielt ist. Wenn man nämlich die in die Röhren einzubauenden
thoriumhaltigen
Wolframfäden an Luft einige Zeit erhitzt, so weisen mit solchen Glühkathoden hergestellte
Röhren Sättigungsemissionen auf, die an die theoretischen Emissionsgrenzen sehr
nahe heranreichen.
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Die Erklärung der Erscheinung mag folgende sein: Bei Erhitzen der
Wolframfäden an Luft bildet sich oberflächlich eine Schicht von Wolframoxyd. E&
scheint nun, als wenn diese Oxydschicht während des gesamten Pumpprozesses eine
sehr wirksame Schutzschicht für die Glühkathodenoberfläche bildet. Wolframoxyd verdampft
nun bereits bei der für die Bildung der Thoriumemission erforderlichen Temperatur.
Offenbar entsteht nach der Verdampfung der oberflächlichen Oxydschicht während des
Formierungsprozesses der Röhre eine sehr reine metallische Wolframoberfläche, an
welcher sich die den Emissionsvorgang bewirkende Thoriumschicht sehr gut ausbilden
kann. - Es mag aber auch sein, daß durch die Oxydation eine Erhöhung der Porosität
herbeigeführt wird, so daß entweder das Thoriummetall besser aus dem Inneren des
Kathodenmaterials an die Oberfläche diffundieren kann oder die Oberfläche selber
infolge einer mikroskopischen Aufrauhung vergrößert erscheint. Es mögen aber noch
andere Ursachen bei dem Zustandekommen des beobachteten Effektes mitsprechen.
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Das Verfahren ist außerordentlich einfach und kann sowohl an den Kathodenfäden
selber vorgenommen werden, bevor dieselben in die Röhren eingebaut werden, als auch
nachträglich in den fertigen Röhren, im letzten Falle zweckmäßig mit Hilfe eines
durch die Kathode geschickten elektrischen Stromes. Die Erhitzung braucht nur -
am besten in einem geschlossenen elektrischen Ofen - auf wenig über 400" getrieben
zu werden und nur kurzzeitig anzudauern, so daß sich eine kaum sichtbare Oxydschicht
auf der Oberfläche bildet.
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Eine andere Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens nach der Erfindung
ist beispielsweise die Formierung von bariumhaltigen Legierungskathoden (Nickelbarium,
Platinbarium bzw. Bariumoxyd), selbstverständlich auch Legierungen oder Einmengungen
hochemittierender Metalle in andere Trägermetalle. Sinngemäß brauchen die Verbindungen
natürlich auch nicht immer Oxyde zu sein. Man wird vielmehr stets Verbindungen anwenden,
die im Vakuum abgedampft werden können, so daß das darunterliegende metallische
Kathodenmaterial mit der hochemittierenden Beimengung in möglichst reiner Form zurückbleibt.