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Unmittelbar geheizte Glühkathode, insbesondere für Magnetfeldröhren
Die Erfindung betrifft eine Glühkathode für Entladungsröhren, insbesondere für Magnetfeldröhren,
bei welcher um einen Träger ein emissionsfähiger Außenleiter gelegt ist, der den
Träger unvollständig bedeckt, so daß durch die Zwischenräume des Außenleiters der
Träger sichtbar ist.
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In Magnetfeldröhren ist man zumindest dann, wenn man mit höheren Spannungen
und Leistungen arbeiten muß, auf die Verwendung unmittelbar geheizter Massiv- oder
Drahtkathoden angewiesen. Es verursacht dabei Schwierigkeiten, mit einer Kathode
eine ausreichend große Emission zu erzeugen und zugleich auch noch eine brauchbare
Lebensdauer der Röhre zu erreichen. Ein mehrfaches Hinundherführen des Heizdrahtes-verbietet
sich bei solchen Röhren wegen der dabei auftretenden Unsymmetrie, so daß die Kathodenlänge
nicht größer als die Systemlänge sein kann. Es müssen außerdem auch noch bestimmte
Bauvorschriften erfüllt werden, und zwar muß die Kathode ihre Lage innerhalb des
Elektrodensystems sehr genau beibehalten, da es sonst möglich ist, einmal festgelegte
Betriebsdaten dauernd einzuhalten. Außerdem darf das Verhältnis des Kathodendurchmessers
zum Anodendurchmesser :ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, wenn sich der für
eine Magnetfeldröhre kennzeichnende Entladungsvorgang abspielen soll. Aus dieser
Bemessungsvorschrift ergibt sich, daß die Kathode von Magnetfeldröhren im allgemeinen
mit starken Heizströmen und kleinen Heizspannungen betrieben wird.
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Es sind bereits unmittelbar geheizte Kathoden bekannt, die aus einem
auf seiner ganzen Länge oder einem Teil seiner Länge mit einem emissionsfähigen
Leiter bewickelten Kerndraht bestehen. Beispielsweise hat man
auf
:einem stabförmigen Kern aus einem leicht zu entgasenden widerstandsfähigen Metall.,
etwa Wolfram, ein dünnes, weniger widerstandsfähiges Metallband, etwa aus Platiniridium,
aufgewickelt, «-elches die Unterlage für eine emissionsfähige Oxydschicht bildet.
Um eine Wärmeübertragung von der Bewicklung auf den Kern zu unterbinden, hat man
die Querschnitte dieser beiden Kathodenteile so bemessen, daß sie vermöge der in
ihnen erzeugten Stromwärmeverluste bereits einzeln dieselbe Temperatur annahmen.
Der Kern wirkte hierbei lediglich als Tragkörper und nahm an dem Emissionsvorgang
selbst nicht teil, da :er durch die Bewicklung völlig abgedeckt war. Es ist ferner
bekannt, den mittleren Teil eines Glühdrahtes mit einer Drahtumspinnung zu versehen,
um den Querschnitt der Kathode in der Mitte zu vergrößern und eine gleichmäßige
Temperatur über die ganze Kathodenlänge zu erzielen. Auch in diesem Fall wurde der
bewickelte Teil des Kerndrahtes von der Umspinnung völlig bedeckt, so daß er dort
an dem Emissionsvorgang nicht teilnehmen konnte. Es ist ferner vorgeschlagen worden,
in eine rohrförmige Kathode einen Versteifungsdraht aus Wolfram einzuziehen, der
jedoch ebenfalls vom Emissionsvorgang ausgeschaltet war. Mit rohrförmigen Kathoden
aus hochschmelzenden Metallen konnte man bisher keine befriedigenden Ergebnisse
erzielen. Aus Wolfram kann man solche Röhrchen wegen technologischer Schwierigkeiten
nicht herstellen; eine Anfertigung aus Tantal ist wohl möglich, wenn größere Durchmesser
zugelassen werden, jedoch muß dann die Wandstärke so groß gewählt werden, daß der
Längswiderstand der Kathode äußerst klein und die erforderliche Heizstromstärke
unerwünscht groß ausfällt.
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Es sind ferner Kathoden in Form einer steilgängigen Wendel bekannt;
diese sind aber nur in kaltem oder mäßig erwärmtem Zustand hinreichend steif und
lassen daher keine sehr hohe Betriebstemperatur zu.
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Schließlich ist noch auf eine bekannte, aus mehreren miteinander verseilten
Drähten bestehende Kathode hinzuweisen. Diese Kathode weist im Vergleich zu einem
einfachen Draht nur eine verhältnismäßig wenig größere Oberfläche, aber :einen erheblich
größeren Gesamtquerschnitt auf und läßt sich nicht mit unbedingter Sicherheit in
einer geraden Form halten.
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Die Erfindung besteht in einer unmittelbar geheizten Glühkathode,
bei: welcher um einen Träger ein -emissionsfähiger Außenleiter gelegt ist, der den
Träger unvollständig bedeckt, so daß durch die Zwischenräume des Außenleiters der
Träger sichtbar ist, mit dem besonderen Kennzeichen, daß die Werkstoffe und Abmessungen
des emissionsfähigen Außenleiters und seines aus einem hochschmelzenden Metall bestehenden
Trägers so gewählt sind, daß ihre elektrischen Widerstände je Längeneinheit der
ganzen Kathode gleich groß sind. Diese Bedingung muß bei der Betriebstemperatur,
bei welcher die Kathode die vorgeschriebene Emission erreicht, erfüllt sein.
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Dadurch wird erreicht, daß zwischen dem Träger und dem Außenleiter
keine Potentialunterschiede auftreten, selbst wenn diese beiden Teile nicht an allen
Stellen in inniger leitender Berührung stehen. Den Träger kann man dabei so bemessen,
daß er allein schon die Einhaltung der vorgeschriebenen räumlichen Lage der Kathode
während des Betriebes gewährleistet, so daß der Außenleiter mechanischen Beanspruchungen
nicht ausgesetzt ist.
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Gemäß einer weiteren Bedingung «-erden die Abmessungen der Kathode
so gewählt, daß nur geringe Temperaturunterschiede zwischen Träger und Außenleiter
auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß man den beiden Teilen eine solche Form
gibt, daß die je Längeneinheit der Kathode bei nahezu gleichen Temperaturen von
'jedem Teil abgestrahlten Wärmemengen gleich groß sind. Man erreicht dadurch eine
völlige Unabhängigkeit der Temperaturverteilung längs der Kathode von dem Zustand
des Wärmekontaktes nvischen Träger und Außenleiter.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. i in Ansicht dargestellt,
M=ährend die Abb.2 und 3 verschiedene weitere Ausführungsmöglichkeiten im Querschnitt
zeigen. In Abb. i ist der Träger mit i bezeichnet; er besteht aus seinem gerade
ausgespannten Draht und kann ohne weiteres so bemessen werden, daß er auch im heißen
Zustand seine gerade Form beibehält. Der als Drahtwendel ausgebildete Außenleiter
ist mit 2 bezeichnet und braucht keine mechanische Beanspruchung aufzunehmen. .
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Es soll nun auf rechnerischem Wege bestimmt werden, _wie die Abmessungen
der beiden Drähte gewählt werden müssen, um die einggngs @erwähnten Bedingungen
zu er- j füllen. Der Durchmesser des Trägerdrahtes sei mit 2 r1 und der Durchmesser
des Wendeldrahtes mit 2 r. bezeichnet. Die Ganghöhe der Wendel sei L1 genannt. Dann
beträgt die mittlere Länge L. eines Schraubenganges: i
Bezeichnet man ferner den spezifischen Widerstand des Trägerdrahtes mit s1 und den
des Wendeldrahtes mit s., so findet man für .die Bedingung, daß die Widerstände
des Trägerdraht-es und der Drahtwendel je Längeneinh
eit die Kathode
gleich groß sein sollen, die Beziehung:
Die Länge des Trägerdrahtes ist durch die Systemlänge gegeben. Den Trägerdraht verfertigt
man aus einem hochschmelzenden, widerstandsfähigen Metall., vorzugsweise aus Wolfram,
und zwar im allgemeinen aus einem Metall., dessen Schmelzpunkt höher liegt als der
des Wendeldrahtes. Man tut dies, weil der Trägerdraht für die Einhaltung der räumlichen
Lage der Kathode verantwortlich sein soll und deshalb auch bei der Betriebstemperatur
besonders widerstandsfähig sein muß, während dieser Gesichtspunkt beim Wendeldraht
in den Hintergrund tritt. Damit sind aber auch die Größen L1 und .schließlich auch
ri festgelegt, weil sich letztere nach der von der Kathode erwarteten Festigkeit
richtet, für die man sich leicht Erfahrungswerte verschaffen kann. Für den Wendeldraht
nimmt man vorzugsweise einen Draht von besserer Emissionsfähigkeit als der des Trägerdrahtes.
Es kommen in erster Linie thoriertes Wolfram und ferner Tantal in Betracht. Damit
ist auch die Größe s2 festgelegt, und nunmehr ist es leicht, Wertepaare von L2 und
r2 zu finden, welche der Gl.e1ichung (2) genügen.
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Will man auch die Temperaturverteilung längs der Kathode von der Berührung
zwischen Trägerdraht und Wendel unabhängig machen, so hat man es so einzurichten,
daß die für die Strahlung wirksame Oberfläche beider Drähte annähernd gleich groß
ist. Bezeichnet man mit T, und T2 die Temperatur des Trägers und des Außenleiters,
se gilt mit den in Abb. i eingetragenen Massen mit einigen Vernachlässigungen Li#Yi.T14=L2.Y2.T24
const.... (3) Man kann es aber auch so einrichten, daß ein gewisser Temperaturunterschied
zwischen Trägerdraht und Wendeldraht bestehen bleibt, und diesen entweder gleich
dem Unterschied der Erweichungs- oder der Emissionstemperaturen dieser beiden Teile
machen. Man wird auf die Erweichungstemperatur @ Rücksicht nehmen, wenn die Drähte
bis iii die Nähe ihrer Zerreißfestigk eitsgrenze beansprucht werden sollten. Wenn
man dabei in dem Trägerdraht, der etwa aus Wolfram bestehen möge, eine so hohe Temperatur
erzeugt, daß per bei dieser gerade noch den mechanischen Anforderungen genügt, so
muß man dem weniger widerstandsfähigen und durch die Wendelung bereits mechanisch
beanspruchten Außenleiter, der z. B. aus Tantal angefertigt ist, eine niedrigere
Temperatur erteilen, damit er nicht durchbrennt. Bei einem praktischen Beispiel
verhielten sich die Durchmesser des Wendeldrahtes aus Tantal und des Trägerdrahtes
aus Wolfram wie i, 5: 1, und dabei ergab sich ein Temperaturunterschied von
2oo° C, indem nämlich die Temperatur des Trägerdrahtes 2000° und die der Wendel
18oo° betrug. Es ist aber auch möglich, dem Trägerdraht eine niedrigere Temperatur
zu :erteilen, damit er die mechanische Beanspruchung um so besser aushält. So wird
man insbesondere dann verfahren, wenn der Träger und der um ihn herumgelegte Außenleiter
aus Werkstoffen mit gleichem oder annähernd gleichem Erweichungspunkt bestehen.
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Wie vorhin bemerkt; kann man den Temperaturunterschied auch so wählen,
daß nicht nur der Wendeldraht, sondern auch der Trägerdraht in merklichem Ausmaße
an der Emission beteiligt ist. Man wird den Temperaturunterschied in diesem Fall
so bemessen, daß die Lebensdauer des Trägers und des Außenleiters ungefähr die gleiche
ist. Verwendet man für den Außenleiter einen Werkstoff mit höherer spezifischer
Emission, so wird natürlich der Außenleiter einen erheblich größeren Beitrag zum
Gesamtstrom liefern als der Träger. Wählt man als Werkstoff für den Träger Wolfram
und fertigt man den Außenleiter aus Tantal bzw. thoriertem Wolfram an, so beträgt
die spezifische Emission des Außenleiters bei einer Temperatur des Außenleiters,
welche eine annähernd gleiche Lebensdauer wie die des Trägers verbürgt, etwa das
Vier- bzw. Zwanzigfache. Im Fall einer Tantalwendel auf einem Wolframträger genügt
hierzu der vorhin erwähnte Temperaturunterschied von 2oo° C. Besonders bewährt hat
sich die Zusammenstellung: Träger aus Wolfram und Außenleiter aus thoriertem Wolfram.
Der Temperaturunterschied soll in diesem Fall etwa 5oo° C betragen, d. h. der weniger
emmissionsfähige Trägerdraht soll um diesen Wert heißer -sein als die Wendel.
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Die in Abb. i dargestellte Ausführungsform kann in verschiedener Weise
abgewandelt werden, insbesondere hinsichtlich des Trägers. Wie Abb.2 zeigt, kann
man als Träger ein flaches Band verwenden. In Abb.3 besteht der Träger 1 aus zwei
zueinander parallelen Drähten, die in -einem Abstand voneinander ausgespannt sind.
Durch Wahl eines besonderen Querschnitts für den Träger läßt sich der eingangs auseinandergesetzte
gesetzmäßige Zusammenhang zwischen Träger und Wendeldraht stets einhalten.
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Aber auch hinsichtlich der Bewicklung des Trägers sind noch weitere
Ausführungsformen denkbar. Man kann z. B. statt eines einzigen
Wendeldrahtes
zwei Drähte in Form einer zweigängigen Schraube auf den Träger aufwickeln. Ferner
kann man von einer Bewicklung überhaupt absehen und ein Drahtgeflecht über den Träger
ziehen. In diesem Fall kann man für den Außenleiter dünnere Drähte verwenden, die
wegen der Verflechtung miteinander doch ihre Form wahren.
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Durch die angegebene Ausführungsform der Kathode wird erreicht, daß
der Widerstand der Kathode heraufgesetzt ist im Vergleich zu einer zylindrischen
Drahtkathode gleicher Emission, so daß man mit höherer Heizspannung und kleinerem
Heizstrom arbeiten kann. Bei einem praktischen Beispiel wurde :ein Vergleich durchgeführt
zwischen einer zylindrischen Wolframkathode und einer Kathode nach der Erfindung,
welche aus einem Träger aus Wolfram und einem wendelförmigen Außenleiter ebenfalls
aus Wolfram bestand. Beide Kathoden wurden so betrieben, daß sie dieselbe Heizleistung
aufnahmen und annähernd den gleichen Emissionsstrom lieferten. Dabei wies die erfindungsgemäße
Kathode einen um so viel höheren Widerstand auf, daß die Heizleistung mit der doppelten
Heizspannung und einem entsprechend kleineren Heizstrom hervorgebracht werden konnte.
Darüber hinaus wird aber auch noch eine Ersparnis an Heizleistung erzielt, wenn
man einen stärker emissionsfähigen Außenleiter verwendet.
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Als Anwendungsbeispiel. für die erfindungsgemäße Kathode wurde die
Magnetfeldröhre genannt. Selbstverständlich ist dies nicht das einzige Anwendungsgebiet,
sondern man wird diese Kathode überall dort mit Vorteil verwenden, wo man hochbelastete,
unmittelbar geheizte Massivkathoden benötigt und vor allem dann, wenn gleichzeitig
eine hohe Anodenspannung verwendet werden muß, welche starke mechanische Kräfte
auf die Kathode ausübt.