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Verfahren zur Formierung der Kathoden von Hochemissionsvakuumröhren
(z. B. Sende-; Verstärker-, Gleichrichter- oder Röntgenröhren) Bei bestimmten Arten
von Hochvakuumröhren wird die hohe Emission dadurch erzielt, daß beispielsweise
eine gewöhnliche Glühkathodenröhre mit Wolframkathode nach möglichst vollkommener
vorhergehender Entlüftung einem Prozeß unterworfen wird, der in der Zerstäubung
eines Metalls, beispielsweise Magnesium, besteht. Gewöhnlich erhalten diese Röhren
nach einer gewissen Formierungszeit, d. h. Brenndauer der Kathode mit oder ohne
Anlegen einer Anodenspannung, eine sehr hohe Emissionsfähigkeit. Solche Röhren #
weisen äußerlich eine Verspiegelung der Glaswand auf, welche von dem zerstäubten
bzw. verdampften Metall herrührt. Dieser Metallspiegel auf der Innenseite der Glasglocke
hat eine Reihe schwerwiegender Nachteile.
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i. Kann man von außen nicht oder nur schwer erkennen, ob die Röhre
in Betrieb ist oder nicht, d. h. ob die Glühkathode glüht.
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2. Reflektiert der innere Metallspiegel die Wärme derart vorzüglich,
daß die gesamte Wärmeabstrahlung ausschließlich durch die von der Verspiegelung
nicht betroffenen Teile der Glaswandung erfolgt. Dies ist gewöhnlich nur die Stelle,
an welcher die Elektroden durchgeschmolzen sind, im allgemeinen also der Fuß. Diese
Stellen, welche der Wärme den Durchtritt nach außen gestatten, werden infolge der
Wärmeabsorption warm. Dies hat u. a. den Nachteil, daß eine Gasabgabe erfolgt, welche
erfahrungsgemäß die Formierung der Kathode zerstört, und zweitens, daß erst nach
sehr langer Zeit ein wirklich stationärer Betriebszustand erreicht wird, da nämlich,
solange der Wärmezustand noch nicht stationär geworden ist, eine fortdauernde langsame
Änderung der Betriebsbedingungen erfolgt.
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Die Erfindung besteht darin, zwar alle Vorteile, welche die Zerstäubung
oder Verdampfung des Metalls mit sich bringt, nutzbar machen zu können, ohne die
erwähnten Nachteile hinnehmen zu müssen.
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Versuche haben ergeben, daß bereits eine .außerordentlich schwache-
Verdampfung von Magnesium genügt, um in vollem Maße die Formierung der Kathode erhalten
zu können. Es scheint sogar, als wenn, im Gegenteil zu den bisherigen Annahmen,
besonders schwache Metallniederschläge das Eintreten der Formierung noch begünstigen.
Man hat also bei den bisherigen Verfahren unzweckmäßig viel Metall zerstäubt, welches
infolge seines nutzlosen Überschusses die obenerwähnten Nachteile mit sich brachte.
Dabei muß aber so vorgegangen werden, daß die Zerstäubung des Metalls, obgleich
sie nur spurenweise erfolgt, doch erst zu einem Zeitpunkt vor sich geht, wo durch
sorgfältigstes
Entgasen der Metallteile ein vollkommenes Vakuum
gewährleistet ist.
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Bei der Formierung der eingangs erwähnten Wolframkathoden scheint
der in der Regel vorhandene Thoriumgehalt eine wesentliche Rolle zu spielen.
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Die in Metallfadenlampen sowohl wie für Glühkathoden benutzten Wolframdrähte
enthalten einige Prozent Thoriumhydro@yd. So ist es möglich, aus dem anfangs pulverförmigen
kaum schmelzbaren Ausgangswolfram elastisch dünne Fäden herzustellen.
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Man hat früher bereits wohl zufällig beobachtet, daß sich durch Anwendung
von verdampfbarem Metall, wie Magnesium, eine außerordentlich erhöhte Emission solcher
Drähte erzielen läßt. Die Vorgänge hierbei sind bis heute noch nicht restlos geklärt,
so daß man nicht ohne weiteres den durch die Beobachtungen des Erfinders festgestellten
Effekt voraussagen konnte, daß bei Verwendung äußerst kleiner Mengen verdampfbaren
Metalls die Emission nicht nur nicht schlechter, sondern anscheinend verbessert
wird.
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Weil die Vorgänge bei der Formierung solcher Hochemissionsröhren noch
vielfach ungeklärt sind, verläuft die Formierung im Betriebe nicht immer ohne Fehler.
Es tritt in der normalen Fabrikation durchschnittlich ein prozentual nicht unerheblicher
Formierungsausschuß auf, der, besonders bei komplizierteren Röhren, merkliche Verluste
verursacht. Auch dies wird durch die Erfindung verbessert.
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Die Erfindung ist dabei nicht auf thorierte Wolframkathoden beschränkt.
Sie kann auch angewendet werden, wenn die Hochemission in anderer Weise durch Niederschlag
von Metalldämpfen auf der Kathode erzielt wird. Die Vorteile der Erfindung treten
allgemein ein, wenn zum Zweck der Herstellung-von Hochemissionskathoden in der Röhre
eine so geringe Menge eines verdampfbaren Metalls zerstäubt wird, daß die Durchsichtigkeit
der Röhrenglaswand gewahrt bleibt.
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Die Erfindung bezieht sich auf solche Verfahren, mit deren Hilfe man
zweckmäßig derart geringe Mengen eines zu zerstäubenden Metalls verdampfen kann
und auf Anordnung innerhalb der Röhre zur Durchführung solcher Verfahren.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Erfindungszweck zu
erreichen, innerhalb der Röhre Metallteile anzuordnen, z. B. solche. aus Nickel,
welche oberflächlich mit Magnesium oder einem anderen verdampfbaren Material legiert
sind. Diese Legierung erfolgt in der Weise, daß Nickel z. B. in Blechform in einem
Vakuumofen geglüht wird und über das glühende Nickelblech Magnesiumdämpfe geleitet
werden. Die so entstehende Legierung zwischen Nickel und Magnesium hat die Eigenschaft,
im Vakuum und im Glühzustande wieder in ihre Komponenten zu zerfallen. Hierbei besteht
aber die Besonderheit, daß dieser Zerfall bei um so höheren Temperaturen eintritt
und um so geringere Mengen von Magnesium nur wieder, rückwärts abgegeben werden,
je höher man bei dem Legierungsprozeß das Vakuum und die Legierungstemperatur treibt.
Man hat es also durch diese Faktoren in der Hand, Legierungen zu schaffen, welche
erst bei verhältnismäßig hoher Glut geringe Spuren von Magnesium im Vakuum wieder
abgeben. So hergestellte Nickel-Magnesium-Legierungen sind außerordentlich geeignet
zur Erreichung des Erfindungszweckes.
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Wird beispielsweise die Anode einer Gleichrichter-, Verstärker- oder
Schwingungserzeugerröhre aus derart schwer flüchtig mit Magnesium legiertem Nickelblech
hergestellt, so bedarf es einer kräftigen Glühtemperatur, uni Spuren des Magnesiummetalls
aus dem Anodenblech auszutreiben. Diese Spuren beeinträchtigen die Durchsichtigkeit
des Glases kaum, und es wird höchstens eine geringe schwärzliche Trübung des Glases
bemerkbar, keineswegs aber ein undurchsichtiger metallischer Spiegel. Die Glaswandung
einer so hergestellten Röhre ist fast noch ebenso wärmedurchlässig wie eine unverspiegelte
Röhre, während die Versuche ergeben haben, daß die Formierung eher noch besser gelingt
als bei den bekannten stark verspiegelten Röhren.
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Das bei den Versuchen verwendete Magnesium war gewöhnlich käufliches,
technisch reines Material, welches noch Beimengungen anderer Stoffe, z. B. Kalzium,
enthielt.
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Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß auf dem gleichen Wege sowohl
Wolframblech als auch Tantal und Molybdänblech mit Magnesium legierbar sind, so
daß man auch die sehr hoch schmelzenden Elektroden für Hochleistungssenderöhren
auf gleiche Art herstellen kann.
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Von besonderer Bedeutung ist es fernerhin, daß man auf die beschriebene
Weise auch Röntgenröhren mit hochemittierenden Kathoden herstellen kann, da der
kaum sichtbare Beschlag der Glaswand den Durchgang der Röntgenstrahlen in keiner
Weise behindert und auch die bei stark verspiegelten Röhren auftretenden Erwärmungen
beim Durchgang der Röntgenstrahlen völlig vermeidet.
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Die Aufnahme des verdampfbaren Metalls einerseits bei der oberflächlichen
Legierung eines schwerer verdampfbaren Metalls, die ; Abgabe des leichter verdampfbaren
Metalls aus der Legierung heraus anderseits erfolgt
nicht bei einer
ganz bestimmten Temperatur. Man muß sich den Vorgang bei einer beispielsweisen Durchführung
des Verfahrens etwa so vorstellen, daß ein erhitztes, schwer schmelzbares Blech
zunächst einen oberflächlichen, rein äußerlichen Niederschlag von verdampfbarem
Metall erhält. Die Dichte dieses Niederschlages wird abhängig von der freien Weglänge
der Metallmoleküle, also von der Höhe des Vakuums in dem Gefäß. Die zunächst oberflächlich
niedergeschlagenen Metallteilchen diffundieren alsdann in das Innere des schwer
schmelzbaren Trägermetalls hinein. Diese Diffusion erfolgt um so lebhafter, je höher
die Temperatur dieses Metallstückes ist und je größer die relative Oberfläche ist
(insbesondere also bei Verwendung von Blech), denn bei erhöhter Temperatur sind
die Zwischenräume im Metallgitter größer und die einzelnen Elemente des das Trägermetall
bildenden kristallinischen Gitters beweglicher, so daß ein leichteres und tieferes
Eindringen des verdampfbaren Metalls in die unterhalb der Oberfläche liegenden Schichten
des Trägerbleches möglich ist.
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ach Durchführung einer derartigen Legierung werden bei erneuter Erhitzung
des Bleches zum Zwecke der rückläufigen Wiederabgabe des Magnesiums zunächst die
alleräußersten Schichten des Bleches ihren Magnesiumbelag abgeben. Erst wenn man
das Blech auf höhere Temperatur gebracht hat, wird allmählich auch aus dem Innern
des Bleches das Magnesium wieder an die Oberfläche hinausdiffundieren und in den
Raum hinein verdampfen.