-
Emissionselektrode mit einer aktiven Schicht aus stark elektronenemittierenden
Stoffen mit einem Trägerdraht aus einer Nickellegierung Die Erfindung bezieht sich
auf Nickellegierungen für den Trägerdraht einer Oxydkathode, die als Elektrode in
Entladungsgefäßen dient.
-
In den letzten Jahren hat Nickel mehr und mehr die teueren Metalle
bei der Fabrikation von Kathoden in elektrischen Entladungsgefäßen, wie beispielsweise
Hochvakuumgefäßen, Gasentladungsröhren und Glühlampen, verdrängt. Im allgemeinen
ist Nickel als Trägermetall oder Kern von Emissionselektroden von elektronenaktivem
Material, -wie beispielsweise den Oxyden der Erdalkahmetalle, begleitet; entweder
sind diese mit dem Kern verbunden oder bedecken den Kern in einem unverbundenen
Zustand.
-
Wenn reines Nickel für diese Zwecke benutzt wird, weist es vom Standpunkt
der Verwendbarkeit aus Mängel auf, da seine Arbeitsbedingungen seinen Gebrauch begrenzen.
Z. B. ist bei den Glühfäden der Kathoden die Festigkeit des N:ck,ls nicht ausreichend,
um die Spannungskräfte auszuhalten, die notwendig sind, um den Draht in geeignetem
Abstand von den -übrigen Elektroden zu halten und insbesondere auftreten, wenn der
Glühfaden auf Emissionstemperatur erhitzt wird. Auch der spezifische Widerstand
des Nickels ist verhältnismäßig niedrig. Dieser Nachteil zeigt sich besonders bei
Drähten geringer Stärke, da er einen Draht von geringerem Querschnitt notwendig
macht, als man ihn brauchte, wenn der Widerstand hoch wäre. Infolgedessen schließt
der Nachteil der geringen Festigkeit und des niedrigen Widerstandes fast den Gebrauch
von Nickel für Drähte geringer Stärke aus.
-
Es sind Versuche gemacht worden, diese Nachteile durch Legieren anderer
Metalle mit Nickel, die die Festigkeit und den Widerstand steigern, zu beseitigen.
Nickel-Silicium-Legierungen und Nickel-Magnesium-Legierungen sind Beispiele von
Versuchen, die Charakteristiken des Nickels zu verbessern. Obgleich diese Legierungen
fester sind und einen höheren Widerstand haben als gewöhnliches Nickel, das für
kleine Drähte verwendet wird, zeigen sie einen erheblichen Nachteil, da die aktive
Schicht von dem Kern abblättert oder sich abschält. Diese besondere Wirkung ist
auf die Gegenwart
solcher schädlichen Metalle, wie Silicium, Magnesium,
Titan, Chrom, Zirkon, Molybdän und Vanadium, zurückzuführen, die gewöhnlich benutzt
werden, um die Festigkeit und den Widerstand von Nickellegierungen zu erhöhen.
-
Die erwähnten Nachteile sind auch bei einer bekannten Legierung vorhanden,
welche Nickel und Kobalt in einer Menge von 5 bis 95 0/0 enthält, während
der Rest aus einem Metall der Titangruppe besteht.
-
Es ist ferner ein Einschmelzmetall bekannt, welches aus 6o bis 7o0/0
Nickel, 25 bis 300(0 Kupfer, etwa 3 0/0 Mangan, etwas Eisen, Silicium und Kohlenstoff
besteht.
-
Durch die Erfindung gelingt es, die Festigkeit, Lebensdauer und thermische
Emission von Oxydkathoden gegenüber den bekannten Kathoden, welche mit Kerndrähten
aus den erwähnten Legierungen versehen sind, noch beträchtlich zu erhöhen. Erfindungsgemäß
ist bei einer Emissionselektrode mit einer aktiven Schicht aus stark elektronenemittiePenden
Stoffen der Trägerdraht aus einer Nickellegierung hergestellt, welche aus 7o bis
go% Nickel, o,i bis i00/0 Eisen, o,1 bis 15% Kobalt und o,1 bis 1,50/0 Kohlenstoff
besteht, wobei eines der genannten Metalle Eisen oder Kobalt auch allein neben Nickel
und Kohle vorhanden sein kann. Durch eine derartige Zusammensetzung einer Legierung
ergibt sich eine beträchtliche Steigerung des Widerstandes und der Festigkeit sowie
eine sehr beachtliche Verlängerung der Lebensdauer. Außerdem ist eine erhöhte Sicherheit
vorhanden, da sich die Oxy dschicht nicht während des Betriebes vom Träger abschält
oder abblättert. Der Gehalt an Kohlenstoff in dem Träger erhöht, wie sich gezeigt
hat, die Elektronenemission der Kathode. Kathodenträger, die gemäß der Erfindung
hergestellt sind, zeigen die gewünschte Festigkeit und den spezifischen Widerstand
auch dann, wenn sie zu sehr geringen Querschnitten ausgezogen sind, die bei den
gewöhnlich benutzten Glühfäden üblich sind. Durch die Abwesenheit von Stoffen, welche
Oxy dzwischenschichten zwischen dem Träger und der aktiven Schicht erzeugen, erhält
man die Sicherheit, daß nicht der Zusammenhalt zwischen der aktiven Kathodenschicht
und dem Träger durch Bildung derartiger Oxydschichten gestört wird. Der Gehalt an
Kobalteisen der Legierung gestattet auch das Zurückhalten einer größeren Kohlemenge,
als es mit reinem Nickel möglich wäre, und diese Kohle ist die Ursache für einen
fortgesetzten Aktivierungsprozeß wäh end- des Betriebes einer Entladungsröhre mit
der erfindungsgemäßen Oxydkathode.
-
Gemäß einem Beispiel der Erfindung besteht die Legierung mit Nickel
als Trägermetall aus 850/, Nickel, etwa 7,250/, Kobalt, etwa 7,250/, Eisen
und im wesentlichen aus o,50/0 Kohle. Diese Zusammensetzung der Legierung ergibt
einen festen Draht, dessen spezifischer Widerstand auch dann genügt, wenn er zu
Durchmessern in der Größenordnung von o,oi mm ausgezogen wird. Wenn er mit Oxyden
der Erdalkalimetalle, wie beispielsweise Barium, Strontium, oder mit anderen aktiven
Materialien bedeckt wird, ist er frei von Erscheinungen des Abschälens und Abblätterns,
so daß sich praktisch keine Verluste an Emission während einer langen Betriebsdauer
zeigen. Außerdem ist die Aktivität eines solchen Fadens oder Kathode infolge des
hohen Kohlegebaltes beträchtlich erhöht, und eine Steigerung der Lebensdauer ergibt
sich offenbar wegen der chemischen Reaktion zwischen der Kohle in dem Kern und dem
Material der Schicht, die auf den Kern aufgebracht wird.
-
Gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung besteht die Legierung mit
Nickel als Trägermetall aus ungefähr 350/0 Nickel, 1q.,50/0 Kobalt und im wesentlichen
aus 0,50;'o Kohle. Eine solche Zusammensetzung ist erwünscht, wenn die Festigkeit
nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, wie beispielsweise bei Hohlkathoden,
die durch Leitung oder Strahlung geheizt werden, oder bei langen Fäden, deren Querschnitt
groß und den mechanischen Erfordernissen gewachsen ist. Bei diesem Beispiel ist
die Vermeidung des Abschälens von größter Wichtigkeit, während der spezifische Widerstand
und die Festigkeit von sekundärer Bedeutung sind. Bei dieser Art der Legierung wächst
die Aktivität mit der Betriebsdauer, und die Kathode zeigt eine längere Lebensdauer.
-
Gemäß der Erfindung können sowohl reine als auch handelsübliche Metalle
verwendet werden. Wenn indessen handelsübliche Metalle benutzt werden, werden sich
verschiedene Mengen anderer Metalle meist als Verunreinigungen in der Legierung
befinden. Diese Verunreinigungen sollen nicht mehr als o,2o% aller Bestandteile
der Legierung betragen. Unter den Verunreinigungen bei handelsüblichen Nickelsorten
befinden sich z. B. Magnesium, Silicium, Kupfer, Aluminium und Blei. Wenn diese
Verunreinigungen insgesamt nicht mehr als 0,2o 0/0 ausmachen, bilden sie eine geringe
Oxydschicht, die indessen nicht ausreicht, das Abschälen der Schicht vom Kern zu
verursachen. Die Haupterfordernisse von Legierungen gemäß der Erfindung sind mit
Rücksicht auf ihre Verwendung als Träger für eine Emissionsschicht Elektronenaktivität,
Hitzebestän- i digkeit, spezifischer Widerstand und das feste Haften. Um diese Eigenschaften
besonders gut zu erzielen und doch die ökonomischen Eigenschaften des Nickels zu
erhalten, wird vorgeschlagen, bei den erwähnten Legierungen chemisch reines Nickel
zwischen 70 und go% zu verwenden.
Diese Legierungen werden mit Barium-
und Strontiumoxyden bedeckt und im Vakuum aktiviert. Ihre Hitzebeständigkeit war
sehr zufriedenstellend und die Elektronenaktivität verhältnismäßig hoch. Die Versuchsdaten
eines Fadens aus 85% Nickel, 7,25% Eisen, 7,250/, Kobalt und 0,5% Kohle sind folgende:
Der Faden wurde bei einer Temperatur von 76o bis 80o ° C in Betrieb gehalten. Die
Strahlungsenergie pro Oberflächeneinheit des Fadens bei der Betriebstemperatur,
bezogen auf die Oberfläche des Kernes, war 3,65 Watt pro Quadratzentimeter; das
war ungefähr 2,77 Watt/cm2; bezogen auf die Oberfläche der Schicht. Der Widerstand
war nahezu 71 Mikroohmzentimeter bei der Betriebstemperatur. Die Elektronenaktivität
steigerte sich beständig während des Versuches. Nach ungefähr 7 000 Stunden
war die Elektronenaktivität bei der Betriebstemperatur nahezu 375 bis 400 Milliampere
pro Watt. Von diesem Faden schälte sich . die Schicht nicht ab.
-
' Eine andere Legierung, die bemerkenswerte Eigenschaften aufweist
und aus 850/, Nickel, I4,50/, Kobalt und 0,5% Kohle besteht, zeigte folgende
Eigenschaften: Der Faden war mit Barium- und Strontiumoxyden bedeckt bei einer sehr
niedrigen Temperatur etwa 700° C in Betrieb. Die Strahlungsenergie pro Oberflächeneinheit
bei Betriebstemperatur, bezogen auf die Oberfläche des Kernes, war 1,7 Watt/cm2
und nahezu 1,18 Watt/cm2, bezogen auf die Obdrfläche der Schicht. Der Widerstand
war bei der Betriebsenergie ungefähr 54,7 Mikroohmzentimeter, die thermische Emission
betrug ungefähr 625 mA/W bei der Betriebstemperatur nach einer Betriebsdauer von
ungefähr 6 ooo Stunden. Bei diesem Faden schälte sich ebenfalls die Schicht nicht
ab, aber er war bei Betriebstemperatur nicht so fest wie der vorerwähnte Faden;
indessen genügte diese Legierung vom Standpunkt ihrer thermischen Emission, ihres
Widerstandes und ihrer nicht abschälenden Eigenschaften. Sie stellt eine Legierung
dar, die für eine indirekt geheizte Kathode wünschenswert ist, wo die Festigkeit
nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, da dieser Kathodentyp eine beträchtliche
Masse besitzt.
-
In gleicher Weise würden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt mit
legierten Kernen, in denen handelsübliches Nickel benutzt wurde; indessen darf bei
diesem Beispiel die Sorte des benutzten Nickels keine große Menge an Verunreinigungen,
wie beispielsweise Magnesium, Silicium, Kupfer, oder andere schädliche Metalle aufweisen.
Eine geeignete Legierung dieser Art kann aus 85,43% Nickel, 7,47% Eisen,-6,7o0/0
Kobalt, o,2o% Kohle, 0,07% Silicium, 0,05% Magnesium und o,o8% Kupfer bestehen.
Diese Legierung weist, wenn sie mit Barium- und Strontiunaoxyden bedeckt und im
Vakuum aktiviert worden ist, gute Eigenschaften hinsichtlich der Hitzebeständigkeit
des Widerstandes, der thermischen Emission und des festen Haftens auf im Vergleich
mit den Nickel-Kobalt-Eisen- und Kohlelegierungen, die oben beschrieben sind.
-
Nach dem Vorstehenden ist es offensichtlich, daß große Veränderungen
in den Eigenschaften des Glühfadens durch eine systematische Änderung in den Fadenkernlegierungen
erzeugt werden kann. Es ist möglich, eine Reihe von Legierungen herzustellen, die
den Anforderungen der Vakuumgefäße in ausreichender Weise bei Betriebstemperatur
genügen und die die Eigenschaften des guten Haftens und einer guten Verbindung der
aktiven Schicht mit dem Kern aufweisen und dabei die Nachteile vermeiden, die bei
Nickel oder Nickellegierungen auftreten, die bisher bekannt waren.
-
Während es der Hauptzweck der Erfindung ist, die Eigenschaften der
Nickellegierungen in bezug auf ihr Arbeiten als Kern- oder Grundmetall für eine
aktive Schicht, die auf Weißglut gebracht wird, festzulegen, können natürlich die
Legierungen den Träger für andere Kathoden bilden, wie beispielsweise für ein_ e
kalte Kathode in einer Glühkathodenröhre.