DE7332370U - Thermische Kathode für Elektronenröhren - Google Patents
Thermische Kathode für ElektronenröhrenInfo
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Landscapes
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
Description
77/73 Fd/dh
ssssssssxsssssrssssssssssssxsssssssssssssss&icmsssssss^rs
/Thermische Kathode für Elektronenröhren/und Verfahren
zu deren Herstellung
Die Neuerung betrifft eine thermische Kathode insbesondere für Elektronenröhren, die als Bestandteile einen Träger
mit mindestens einem hochschmelzenden Metall sowie einen AKtivteil jrlt einem Oxid eines seltenen Erdmetalle ·
und ein Reduktionsmittel aufweist, welches unter thermischen Betriebsbedingungen mit dem Oxid des seltenen Erdmetalls
reagiert. Zum Gegenstand der Neuerung gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathode.
Es sind bereits Oxidkathoden vorgeschlagen worden (Metals and Materials» Vol. 1, 19G7, No. 2, S. H4),\die einen Träger
aus Wolfram, Tantal oder Molybdän und eine Aktivsubstanz mit einem Oxid eine seltenen Erdmetalls sowie ein
Reduktionsmittel aufweisen. Der Aktivteil ist dabei als Oxidschicht auf dem Kathodenkörper oder als Imprägnierung
i". Volumen des Kathodenkörpers untergebracht,
während als Reduktionsmittel Titan- oder Zirkoniumhydrid verwendet werden sollen. Die Wirkungsweise solcher Kathoden
beruht auf der Freisetzung des seltenen Erduetalls durch Reduktion und Bildung einer emittierenden Monoschicht
auf der Kathodenoberfläche. Die Kathoden haben sich indessen als praktisch unbrauchbar erwiesen, weil
einerseits nur vergleichsweise geringe Emissionsstrom-
dichten von etwa 1,5 A/cm bei optimalen Temperaturbedingungen
und andererseits eine rasche Erschöpfung zu verzeichnen waren.
Im übrigen sind zum Stand der Technik die üblichen thorierten Wolframkathoden zu erwähnen, die sich durch hohe Lebensdauer
bei mittelmässigen Emissionsstromdichten auszeichnen, jedoch eine hohe Betriebstemperatur von ca. 2000 C
2 und ebensolche spezifische Heizleistungen von z.B. 35 W/cm
Kathodenoberfläche bei entsprechend geringer auf die Heizleistung bezogener Elektronenausbeute von z.B. 90 mA/W aufweisen
und daher- in dieser Hinsicht noch verbesserungsbedürf-=
tig sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer thermischen Kathode, die sich bei ausreichender Lebandausr
durch niedrigere Betriebstemperatur und spezifische Heizleistung bzw. höhere Elektronenausbeute bezogen auf die
Heizleistung auszeichnet. Die erfindungsgemässe Lösung
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dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Kathode der eingangs genannten Art dadurch, dass der Aktivteil
Lanthanoxid enthält und dass ein wenigstens teilweise aus Kohlenstoff bestehendes Reduktionsmittel vorgesehen
ist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein Reduktionsmittel zu verwenden, das wenigstens
teilweise aus einem Karbid eines hochschmelzenden Metalls, vorzugsweise eines im Träger enthaltenen Metalls.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mit solchen Kathoden wesentlich erhöhte Emissionsstromdichten und spezifische
Elektronenausbeuten bei niedrigerer Betriebstemperatur und gleichwertiger - jedenfalls aber ausreicher
der - Lebensdauer erzielen lassen, wenn man die Werte der hochentwickelten thorierten Wolframkathoden als Verglaichsmassstab
heranzieht. Die arzielbare Verbesserung beträgt bei der Emissionsstromdichte typisch ca. 30% und
bei der spezifischen Elektronenausbeute sogar ca. 100|,
wenn in beiden'Fällen ein Wolframträger verwendet wird.
Obwohl die Verwendung eines Wolframträgers bei der neuerungsgemässen
Kathode also bereits einen wesent3.ichen Fortschritt ergibt, sieht eine bevorzugte Ausführung
der Erfindung Molybdäa als Trägers übstanζ vor, womit pich
noch bessere Ergebnisse erzielen lassen. Es srgaben s+ch
rl f\ r\ η. e\ rs r\
/ "ι "i r "W11 ι τ nc 7i'
_■ η - '' '" 77/73
Emissionsstromdichten von bis zu 8 A/cm für stationären Betriebszustand, für Kurzzeitbelastungen noch wesentlich
höhere Werte bis zu ca. 15 mA/cm , und spezifische Elektronenausbeuten von bis zu 24o mA/W. Bezogen auf die
Optimalwerte von thorierten Wolframkathoden kann also typisch mit folgenden Verbesserungen gerechnet werden:
etwa auf ein Drittel verminderte Heizleistung bei gleicher Emission, etwa um den Faktor 2,7 erhöhte Maximalemission
und um den Faktor H bis 5 erhöhte Emission bei gleicher Betriebstemperatur, die allerdings auf ca. 1800 K wegen
der niedrigeren Schmelztemperatur von Molybdän begrenzt ist, aber im Hinblick auf die genannten Werte bei immer
noch drastischem Fortschritt auch ohne weiteresniedriger
gehalten werden kann.
Die im Vergleich zur thorierten Kathode niedrigere Betriebstemperatur
und auch Aktivierungstemperatur der erfindungsgemässen Lanthankathode mit kohlenstoffhaltigem
Reduktionsmittel ist im übrigen der Grund für die nun mögliche Verwendung von Molybdän als Trägersubstanz und
gegebenenfalls als Kar^bidbildner im Reduktionsmittel, was
nicht nur zu dem erwähnten besseren Emissionsverhalten
führt, sondern auch hinsichtlich der mechanischen Tech-r
nologie der Kathodenherstellung wegen der im Vergleich zu Wolfram höheren Duktilität grosse Vorteile hat.
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Besonders vorteilhaft ist die Herstellung des Kathodenkörpers durch Hochtemperatur-Drucksintern, wobei eine Verdichtung
bis auf Über 90$ der theoretischen Dichte mit entsprechend
günstigen mechanischen Eigenschaften ohne Beeinträchtigung des Emissionsmechanismus angewendet werden kann. E'.
lassen sich Kathodenkörper in Drahtform und Blechform mit den üblichen Methoden des Strangpressens, Walzens und dergl.
herstellen.
Der Emissionsmechanismus der angegebenen Kathode beruht darauf, dass Lanthanoxid im oberflächennahen Bereich der
Kathode durch das Reduktionsmittel reduziert wird und an der Kathodenpberfläche eine hochemissionsfähige monoatomare
Schicht bildet. Die Nachlieferung zum Ausgleich durch Verdampfung verursachter Lanthanverluste erfolgt auf dem
Wege der Diffusion von Lanthanoxid aus den inneren Kathodenbereichen in den Oberflächenbereich, wo die Reduktion
erfolgt. Insbesondere hat sich dabei die Proaesskinetik bei der bevorzugten Reduktion durch ein Karbid als vorteilhaft
hinsichtlich einer langen Lebensdauer der Kathode bei nur schwach und gleichmässig abfallender Emission herausgestellt.
Auch der Diffusionsmechanismus nimmt hierbei an der Steuerung des Lanthannachschubes wesentlich teil. Ein feinkörniges
Gefüge mit einem entsprechend hohen Volumenanteil der Korngrenzenzonen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
woratus auf eine günstige Wirkung der Korngrenzendiffusion im Gegensatz zu der langsameren Volumendiffusion geschlossen
werden kann. Die Herstellung erfolgt daher z.B. vorteilhaft
durch Reduktion der Komponenten der Träger- und Aktivsubstanz in Pulverform.
Eine bevorzugte Ausführung der Kathode trägt den vorgenannten Gegebenheiten Rechnung, indem in einer äusseren Zone der Kathode
eine im Vergleich zum Kathodeninneren höhere Konzentration des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels eingestellt
wird. Obwohl grundsätzlich auch elementarer Kohlenstoff als wirksame Komponente des Reduktionsmittels in Betracht kommt,
so hat sich doch die Karbidreaktion als besonders vorteilhaft erwiesen. Demgemäss kann die Kathode insbesondere so
aufgebaut werden, dass die Konzentration an hochschmelzendem Metall über den Kathodenquerschnitt im wesentlichen gleichförmig
verteilt ist, während in einer Randzone der Kathode wenigstens ein hochschmelzendes Metall als Karbid vorliegt.
Als Herstellungsverfahren kommt daher vorteilhaft eine Oberflächenkarburierung
eines im wesentlichen homogenen Kathodenkörpers in Betracht, der aus einem oder mehreren hochschmelzenden
Metallen mit ebenfalls vorzugsweise homogener Dotierung durch die lanthanhaltige Aktivsubstanz besteht.
Zweckmässig wird durch besondere Massnahmen dafür gesorgt,
dass besonders während der bei erhöhter Temperatur ablaufenden Phasen des Herstellungsvorganges, vor allem bei einer etwaigen
Karburierung und später Aktivierung, kein wesentliches Kornwachstum eintritt. Jafür hat sich die Zugabe von Kornwachs■*
tumsinhibltoren wie Kalium-, Aluminium- und/oder Siliciumverbindungen
als vorteilhaft erwiesen.
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Im Hinblick auf die erstrebte Pe in körnigkeit des Gefüges hat
es sich ferner als zweckmässig erwiesen, bei pulvermetallurgischer
Herstellung von Granulaten mit einer Korngrb'sse von
höchstens 5 M auszugehen. Besonders vorteilhaft ist die Einhaltung
einer mittleren Korngrösse im Bereich zwischen 0,5 und 1 /ι.
Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahem auf die Zeichnungen erläutert, die verschiedene
Diagramme der Emissionsstromdichte über der Betriebstemperatur wiedergeben.
Fig.l zeigt als Vergleiehsgrundlage die Emissionskurve einer
üblichen thorierten Wolframkathode. Die stationär maximal erreichbare
Emissionsstromdichte beträgt ca. 3 mA/cm und wird
bei einer Temperatur von ca. 2100°κ erreicht, bei höheren Temperaturen tritt ein Emissionsabfall auf die für reines
Wolfram geltende Kurve ein.
Es folgai nun spezielle Ausf Uhrungsbe ispiele erflndungsgemässer
Kathoden:
Beispiel 1
Die Einwaage zur Herstellung von Kathoden setzte sie!" aus
98 % W-Pulver (Körnung 0,5/u) und 2 % La3O -Pulver (99,99 %),
welches 30 Min. bei 800°C an Luft trockengeglüht wurde, zu-
sammen. Durch Heisspressen dieses Pulvergemisches in einer Graphitform im Vakuum bei 16OO C, bei einem Druck von 250
atü während 35 Min. wurde eine 93 % dichte Probe hergestellt.
Aus diesem Körper wurden einzelne Kathoden in Form von Plättchen geschnitten, welche poliert und anschliessend in Benzol H9
- Gemisch karburiert wurden.
Die so vorbereiteten Kathodenplättchen wurden in einer Hoch-'
vakuum-Planardiode auf ihre Emissionsfährigkeit untersucht. Fig. 2 zeigt die gemessene Emissionsstromdichte als Funktion
der Temperatur. Ein Vergleich mit der entsprechenden Kurve von thoriertem Wolfram gemäss Fig. 1 zeigt, dass je nach dem
gewünschten Emissionswert die Kathodentemperatur des lanthanierten
Wolframs um 120 - 250 tiefer liegt, bzw, dass die Emissionsstromdichte von lanthaniertem Wolfram bei 175O°K
viermal grosser ist als diejenige von thoriertem Wolfram. Die maximale, stabil erreichbare Emission beträgt 2J A/cm2 bei
einer Temperatur von I9OO K„ Die zugehörige Elektronenausbeute,
bezogen auf die Heizleistung, beträgt I70 mA/W, ist
also rund doppelt so hoch wie diejenige von thoriertem Wolfram. Ausgehend von einem stabilen Betrieb bei I8OO K gibt die
La-W- Kathode bei weiterer Aufheizung kurzzeitig wesentlich höhere Emission ab, beispielsweise bei 1950 K während
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ca. 10 Min. 9-10 A/cm2,
Beispiel 2
Die Einwaage setzte sich aus 98 % Mo-Pulver (Körnung 0,5 μ)
und 2 % La_0 -Pulver (99,99 %) zusammen, welches 30 Min.
bei 800 C an Luft trockengeglüht wurde. Durch Heirspressen
dieses Pulvergemisches in einer Graphitform im Vakuum bei · 1600 C, bei einem Druck von 250 atü während 35 Min. wurde
ein 93 % dichter Körper hergestellt. Hieraus wurden Plättchen geschnitten, welche poliert und anschliessend in Benzol-Hp
- Gemisch karburiert wurden.
Die so vorbereiteten Kathodenplättchen wurden in einer Planardiode
auf ihre Emissionsfähigkeit untersucht. Fig. 3 zeigt die gemessene Emissionsstromdichte als Funktion der Temperatur
für diese La 0 -Mo-Kathode. Ein Vergleich mit Fig. 1 zeigt, dass je nach dem gewünschten Emissionswert die Kathodentempe-
ratur des lanthanierten Moljfoäns um 250 tiefer liegt, bzw.
dass die Emissionsstromdichte von lanthaniertem Molybdän bei 1700°K ca. das Vierfache derjenige von thoriertem Wolfram.
Die maximale, stabil erreichbare Emission beträgt 8 A/cm2 bei einer Temperatur von 2O5O°K. Die zugehörige Emissionsstrom-
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. ίο -
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dichte , bezogen auf die Heizleistung, beträgt 2'IO mA/W, ist also 2j7 mal höher als diejenige von thoriertem Wolfram,
Ausgehend von einem stabilen Betrieb bei l800 K gibt die La-R5-Kathode
bei weiterer Aufheizung kurzzeitig wesentlich höhere Emission ab, beispielsweise bei 1950 K während ca. 10
Min. 15 A/cm2.
Abschliessend ist zu erwähnen, dass die erfindungsgemässe Kathode nicht nur im Gebiet der Hochvakuumröhren, hier insbesondere
für Hochleistungssenderöhren, sondern darüber hinaus für Gasentladungsröhren wie Metalldampflampen und dergleichen
mit erheblichem technischem Portschritt eingesetzt werden kann.
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Claims (10)
1. Thermische Kathode, insbesondere für Elektronenröhren, uie
als Bestandteile einen Träger mit mindestens einem hochschmelzenden Metall sowie einen Aktivteil mit einem
Oxid eines seltenen Erdmetalls und ein Reduktionsmittel aufweist, welches unter thermischen Betriebsbedingungen mit dem
Oxid des seltenen Erdmetalls reagiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivteil ..._ Lanthanoxid inthäVt und dass ein wenigstens teilweise aus Kohlenstoff bestehendes Reduktionsmittel
vorgesehen ist.
2. Thermische Kathode nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Reduktionsmittel wenigstens teilweise aus einem Karbid eines hochschmelzenden Metalls besteht.
3. Thermische Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel wenigstens teilweise durch ein
Karbid eines in der Trägersubstanz enthaltenen hochschmelzenden Metalls gebildet ist. t
4. Thermische Kathode nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittex elementaren
Kohlenstoff enthält.
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- j.2 - 77/73
5. Thermische Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis H, dadurch
gekennzeichnet, dass in einer äusseren Zone der Kathode täine im Vergleich zum Kathodeninneren höhere Konzentration des
kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels vorhanden ist.
6. Thermische Kathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an hochschmelzendem Metall Über den
Kathodenquerschnitt im wesentlichen gleichförmig verteilt ist und dass in einer Randzone der Kathode wenigstens ein hochschmelzendes Metall als Karbid vorliegt.
Kathodenquerschnitt im wesentlichen gleichförmig verteilt ist und dass in einer Randzone der Kathode wenigstens ein hochschmelzendes Metall als Karbid vorliegt.
7. Thermische Kathode nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger wenigstens teilweise
aus Molybdän besteht.
8. Thermische Kathode nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger wenigstens teilweise
aus Wolfram besteht.
9. Thermische Kathode nach einem der Ansprache 1-8, dadurch
gekennzeichnet, dass als Kornwachstumsinhibitor wenigstens
eine Verbindung mindestens eines Elementes der Gruppe Kalium, Natrium, Aluminium und Silizium in der Kathode enthalten ist.
eine Verbindung mindestens eines Elementes der Gruppe Kalium, Natrium, Aluminium und Silizium in der Kathode enthalten ist.
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- 13 -<'- · 77/73
10. Thermische Kathode nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet« dass der Kathodenkörper ein wenigstens
annähernd porenfreies Sintergefüge aufweist.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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