DE818536C - Kathode, insbesondere fuer Elektronen-Entladungsgeraete - Google Patents

Description

Die bekannten Wolframkathoden von Entladungsgeräten unterliegen im Mrttelbereich infolge der dort auftretenden höheren Erhitzung einer stärkeren Korrosion und Abnutzung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Enden der aus einem Draht bestehenden Kathoden durch die Kathodenträger oder Zuleitungen gekühlt werden, während die Mittelbereiche der Kathode einer solchen Kühlung nicht mehr unterliegen. Die erhöhte Temperatur,

ίο die im Mittelbereich eines üblichen Fadens, d. h. einer Kathode, vorliegt, ist höher als die gewünschte Durchschnittstemperatur der Kathode, so daß das Maß an Verdampfung des Materials im Mittell>ereich größer ist als in den Endbereichen und somit der Mittelbereich dünner wird. Damit steigt der Widerstand. Die Folge des Steigens des Widerstandes ist eine zunehmende Erhitzung und eine zunehmende raschere Korrosion. Schließlich und endlich korrodiert die Kathode im Mittelbereich so vollkommen, daß sie unbrauchbar wird und bricht.

Bei Elektronen-Entladungsgeräten oder -röhren ist die Vereinigung der Eigenschaften der hohen Leistung und langen Lebensdauer eiin Problem. Die höchste praktisch erzielte Emissionsleistung bekannter, als Kathode verwendeter Wolframfäden beträgt 6 bis 7 Milliampere pro Watt des ■Leistungsverbrauches des Fadens. Die anzuwendendien Höchsttemperaturen und damit die zu erreichende höchste Emissionsfähigkeit bei den Kathoden bekannter Art ist aus den obengenannten Gründen beschränkt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für Elektronen-Emissionsgeräte, bei der die erwähnten Schwierigkeiten im wesentlichen als überwunden zu gelten haben. Die Erfindung besteht darin, daß die zum Zwecke der Erwärmung stromdurchflossene Kathode (Kern) eine Umwicklung trägt, deren Windungen in Kontakt mit dem Kern stehen und mit diesem legiert oder verschmolzen sind.

ίο Die Zeichnung zeigt eine Reihe von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kathoden, und zwar

Fig. ι und 2 zwei verschiedene Kathoden im Aufriß,

Fig. 3 eine Kathode zum Teil im Aufriß, zum Teil geschnittein,

Fig. 4 die Wicklung und den Kern einer Kathode, geschnitten in gegenüber der Fig. 3 vergrößertem • Maßstab,

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung nach erfolgter Legierung der Windungen der Wicklung mit dem Kern,

Fig. 6 eine andere Aueführungsform einer Kathode im Aufriß,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Kathode der Fig. 6 in vergrößertem Maßstab nach erfolgter Legierung.

Gemäß den Fig. 1, 3, 4 und 5 besteht der metallische Kern aus einem Draht 10, welcher die Aufgabe hat, unter dem Einfluß des ihn durchfließenden Stromes weißglühend zu werden. Als geeigneter Draht ist ein Wolframdraht von 0,28 mm Durchmesiser zu nennen, bestimmt für eine Stromstärke von· 4 bis 6 Ampere. Dieser Kern 10 besitzt eine schraubenlinienförmige Wicklung 11, deren einzelne Windungen in gegenseitigem Kontakt miteinander stehen, so daß sozusagen ein geschlossenes Rohr gebildet ist, das sich mindestens über diejenige Länge des Drahtes 10 erstreckt, welche durch Erhitzung zur Emission von Elektronen bestimmt ist. Es ist zweckmäßig, für den Kern 10 und die Wicklung 11 verschiedenes Material zu verwenden, und zwar wird vornehmlich die Wicklung 11 aus einem Material bestehen, welches gegenüber der Verwendiungstemperatur widerstand'S-fähiger ist als das Metall des Kernes oder Drahtes 10. Geeignetes Material für die Wicklung 11 ist Tantal oder eine Legierung von Wolfram und Tantal, während als Material für den Kern 10 Wolfram in Betracht kommt.

Der Durchmesser des Windungsdrahtes 11 kann kleiner sein als der Durchmesser des Kerndrahtes 10, z. B. kann bei Verwendung eines Wolframkernes mit 0,28 mm Durchmesser ein Tantalwindungsdraht von 0,05 mm Durchmesser verwendet werden. Bei der Herstellung wird man zweckmäßig große Längen eines Wolframkerndrahtes mit einer Wicklung aus Tantaldraht versehen und die geeigneten Längen von dieser großen Länge abschneiden. Die abgetrennten Längen des mit Tantaldraht umwickelten Kernes 10 werden auf den Elektrodenträgern oder Zuführungen der Elektronenröhre oder des Elektronen-Emissionsgerätes befestigt. Ist dies geschehen, so wird die Kathode an Strom gelegt, um den Kerndraht 10 weißglühend zu machen, und zwar bis zu einer Temperatur von ungefähr 2400 bis 3000⁰ K. Bei dieser Temperatur tritt eine Verschmelzung und Legierung an den sich berührenden Stellen des Kernes 10 und des Windungsdrahtes 11 ein, wie in Fig. 5 und 7 dargelegt und mit 15 bezeichnet ist. Während eine Legierung zwischen den Windungsdrähten 11 und dem Kern 10 an den gegenseitigen Berührungsstellen eintritt, tritt eine solche Legierung an den gegenseitigen Berührungsistellen der Windungen nicht ein. Dies deshalb, weil der Strom nur durch den Kern 10 geschickt wird, nur dieser die hohen Temperaturen erreicht und die Berührungsstellen der einzelnen Windungen der Wicklung 11 in gewissem Abstand vom Kern 10 liegen.

Die gegenseitige Legierung des Kernes 10 und der Wicklung 11 ist feststellbar im Hinblick auf die fortschreitende Änderung der Eigenschaften des Kernes 10 während einer bestimmten Zeit von etwa 48 Stunden unter Berücksichtigung der Stärke dies Stromes. Wenn z. B. mit einer Anfangsstromstärke von 4,8 Ampere gearbeitet wird, um den Kern 10 auf Weißglut zu bringen, wird die Stromstärke, da die Legierung fortschreitet, steigen und in der erwähnten Zeitperiode den Wert von etwa 5,1 Ampere erreichen. Der Eintritt dieses Wertes zeigt an, daß die Legierung den gewünschten Grad erreicht hat. Die Legierung zwischen dem Kern 10 und der Wicklung 11 hat zur Folge, daß man nunmehr den Kern 10 nur mehr auf eine niedrigere Temperatur zu bringen braucht. Bei einer gewünschten Arbeitstemperatur von 2400⁰ K der Tantalwicklung ist deren spezifischer Widerstand 92,85 X 10—^β Ohm/cm. Bei einem Temperaturbereich von 2400 bis 2600⁰ K und höher ist der spezifische Widerstand des Wolframs kleiner als der des Tantals, und da der Widerstand der Formel

entspricht r = p — (A bedeutet den Querschnitt

und Z die Länge), so ist der Widerstand r der Wicklung größer, da die Länge der Wicklung größer ist und der Querschnitt des Kernes ebenfalls größer ist. Daraus ergibt sich, daß der Wolframkern den größten Anteil des die Erhitzung bedingenden Stromes führt, insbesondere mit Rücksicht auch auf den Widerstand, bedingt durch die einfache seitliehe Oberflächenberührung der einzelnen Windungen der Wicklung. Es wurde festgestellt, daß mit dien genannten Materialien, Stromstärke und Temperaturen, die Temperaturdifferenz im Tantal und im Wolfram weniger als 5⁰ C beträgt. Dies zeigt, daß ein gewisser Grad von Legierung oder Verschmelzung des Kernes 10 und der Wicklung 11 erwünscht ist.

Die bisher höchste praktische Emissionsleistung eines Wolframdrahtes beträgt ungefähr 6bis 7MiIIiampere pro Watt des Leistungsverbrauches des Drahtes. Die Verwendung höherer Temperaturen und damit der Eintritt stärkerer Emission ist begrenzt durch den verhältnismäßig hohen Verdampfungsgrad und die Korrosion des Wolframs bei Temperaturen von 2500⁰ K und darüber. Die

Verdampfung vermindert den Drahtquerschnitt, wodurch sich besonders heiße Stellen und damit Ausbrennungen in den betreffenden Bereichen bei den bekannten einfachen Kathodendrähten ergeben. Bei einer Kathode gemäß der Erfindung hingegen werden Wolframdämpfe in den Zwischenräumen i6 (Fig. 4 und 5) aufgefangen, welche zwischen den einzelnen Windungen der Wicklung 11 liegen. Der durch die Verdampfung hervorgerufene Dampfdruck ist beschränkt auf diese Zwischenräume und wirkt in Richtung der Verhinderung weiterer Verdampfung. Da die Wicklung 11 wenig des die Erhitzung bedingenden Stromes führt, so wird eine Verdampfung des Materials dies Windungsdrahtes oder eine Korrosion dieses Drahtes an den Außenseiten den Heizstrom nicht beeinflussen. Mit einer Wicklung 11 aus Tantal beträgt die Elektronen-Emission bei ungefähr 2400⁰ K etwa 20 Milliampere pro Watt oder ungefähr dreimal soviel wie bei einem reinen Wolframdraht.

Um die Arbeitstemperatur über die ganze Länge des Drahtes gleich zu erhalten und dien Kühleffekt im Bereiche der Elektrodenhalter 14 bzw. die durch die Elektronenbombardierung bedingte Erhitzung im Mittelbereich der Kathode zu kompensieren, kann man gemäß der Erfindung einen Kern io° (Fig. 2) verwenden, dessen Durchmesser in Richtung· nach der Mitte allmählich zunimmt. Ein solcher Kern io" kann aus Wolfram bestehen und im übrigen in derselben Weise ausgebildet sein, wie der Kern der Fig. i. Zum Beispiel wird der an Stärke zunehmende Draht io° eine Umwicklung aus Tantaldraht oder eines Drahtes aus der Legierung von Wolfram und Tantal besitzen. Die Wicklung könnte aber auch aus einem anderen bekannten emissionsfähigen Material bestehen. Die Wicklungen Hegen eng auf dem Kern, und die einzelnen Windungen stehen im gegenseitigen seitlichen Kontakt. Zur Kompensation der Kühlung an den Enden bzw. der Überhitzung im Mittelbereich kann man auch andere Wege beschreiten. Man kann sich eines Wicklungsdrahtes bedienen, der verschiedene Durchmesser besitzt, der also im Mittelbereich einen größeren Durchmesser besitzt als in den Endbereichen. Gemaß Fig. 6 und 7 ist der Kern 10 eng umwunden durch einen Draht n*, an den such eine Wicklung n^c aus Draht größeren Durchmessers anschließt. Der Durchmesserunterschied ist in Fig. 7 mit d bezeichnet, während der Außendurchmesser der Wicklung 11* mit e und der der Wicklung n^c mit f bezeichnet sind. Die Wicklung n^c befindet sich im Mittelbereich der Kathode, während die Wicklung 11⁶ kleineren Durchmessers die Endbereiche erfaßt. Selbstverständlich stehen auch hier die einzelnen Windungen der Wicklungen in gegenseitigem seitlichem Kontakt, es ist auch eine legierung 15 vorgenommen, wie oben beschrieben. Es wurde oben dargelegt, daß beim Wolframdraht, gemäß der Erfindung, einer Verdampfung im wesentlichen vorgebeugt ist und eine mehr als doppelte Emissionsleistung vorliegt gegenüber den Wolframdrähten einfacher, bekannter Art. Die erfindüngsgemäße Kathode ist in gleicher Weise brauchbar für Starkstrom, für Hochspannungeelektronen-Entladungsgeräte und -röhren. Die Lebensdauer und die Emissionsleistung ist größer als bei Drähten bekannter Art. Der Heizstrom erleidet bei der erfindungsgemäßen Kathode keine Veränderung durch Verdampfung der Wicklung, und es findet auch keine Verminderung der Lebensdauer der Röhre durch Verdampfung der Wicklung statt. Andererseits wird von den Vorteilen der Widerstandsfähigkeit des Wolframdrahtes voll und ganz Gebrauch gemacht. Ein rascher Wärmeaustausch vom Wolframkern zur Emissionswicklung liegt vor und damit logisch eine Erniedrigung der notwendigen Arbeitstemperatur.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Kathode, insbesondere für Elektronen-Entladungsgeräte, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf einem durch den Stromfluß zu erwärmenden metallischen Kern eine Drahtwicklung trägt und der Kern und die Wicklung an den Stellen, an denen sie in gegenseitigem Kontakt sind, miteinander legiert sind.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Windungen der Gesamtwicklung in gegenseitiger Berührung stehen.

3. Kathode nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem zur Emission von Elektronen geeigneten Material besteht.

4. Kathode nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wickeldrahtes kleiner ist als der des Kernes.

5. Kathode nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Draht bestehende Kern auf seiner gesamten- Länge annähernd den gleichen Querschnitt besitzt.

6. Kathode nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickeldraht der Umwicklung auf geiner gesamten Länge annähernd den gleichen Querschnitt besitzt.

7. Kathode nach Ansprüchen- 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser im Mittelbereich der Länge größer ist als im Bereich der Kathodenenden.

8. Kathode nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im Mittelbereich der Länge einen größeren Querschnitt besitzt, als in den Endbereichen der Länge.

9. Kathode nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung im Mittelbereich der Länge aus Draht größeren Querschnitts besteht als in den Endbereichen der Länge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 1975 10.