DE856666C - Thermionischer Elektronenspender - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Elektronen aussendenden Elektroden und insbesondere auf Elektroden aus Metallboriden.

Es ist allgemein bekannt, daß die gebräuchlichen Elektronen emittierenden Materialien, beispielsweise diejenigen, die normalerweise in elektrischen Entladungsröhren verwendet werden, mit verschiedenen Nachteilen behaftet sind, welche ihre Verwendbarkeit als Elektronen aussendende Elektroden begrenzen ίο oder es erforderlich machen, bei der Verarbeitung oder Lagerung besondere Sorgfalt aufzuwenden oder schließlich besondere Herstellungsverfahren erfordern, um eine gute Elektronenabgabe sicherzustellen.

Als Ergebnis einer eingehenden Untersuchung zur Erreichung bzw. Gewinnung eines Stoffes von guter Elektronenabgabe wurde gefunden, daß Boride bestimmter Metalle eine Elektrode lieferten, die sehr hochwertige Eigenschaften besaß, welche im allgemeinen denen der bekannten Elektronen abgebenden Stoffen überlegen war.

Es wurde gefunden, daß die seltenen Erden Borverbindungen nach Art der Formel MeB₆ bilden können, in welcher Me ein beliebiges Metall aus der Gruppe der seltenen Erden darstellt, und daß diese Boride den Hauptbestandteil von Elektronenspendern mit den erwähnten hochwertigen Eigenschaften darstellen. Bestimmte Erdalkalimetalle, z. B. Barium, Calcium und Strontium, bilden ebenfalls Boride nach der genannten Formel und zeigen ebenfalls die hochwertigen Eigenschaften der Boride der seltenen

Erden, wenn auch in geringerem Grade. Thoriumboride nach der Formel ThB₄ und ThB₆ und Uranboride UB₄ -j- UB₂ (Mischung zweier Boride) weisen ebenfalls die erwünschten Eigenschaften als Elektronenspender auf.

Die Boride von Lanthan, Cer und Neodym sind ebenfalls einzeln verwendet worden und arbeiten sehr zufriedenstellend. Da viele der seltenen Erden jedoch nicht rein zur Verfügung stehen, ist es wirtschaftlich ίο von erheblicher Bedeutung, daß Mischmetall, d. h. eine natürliche Mischung der seltenen Erden, einen sehr guten Boridelektronenspender ergibt. Es wurde auch gefunden, daß eine Mischung von Boriden, bestehend aus einem bestimmten seltenen Erdenborid und aus einem der Barium-, Strontium- oder Calciumboride, und zwar insbesondere aus Bariumborid, besonders vorteilhaft ist.

Die erwähnten Boride sind chemisch und elektrisch stabil, besitzen hohe Schmelzpunkte und weisen einen metallischen Charakter auf, d. h. zeigen relativ gute elektrische Leitfähigkeit. Infolge dieser Eigenschaften können Elektronenspender, die im wesentlichen aus diesen Boriden bestehen, in demontierbaren Einrichtungen verwendet werden, in die häufig Luft eingelassen wird, ohne daß sich dabei das Kathodenmaterial zersetzen darf und ohne daß ferner besondere Vorsicht bei der Lagerung aufgewendet werden muß. Diese Elektronenspender sind im allgemeinen chemisch stabil, so daß sie also durch Feuchtigkeit, durch Sauerstoff und selbst durch Salzsäure nicht beeinflußt werden. Sie besitzen ferner die sehr erwünschte Eigenschaft, daß sie zur Erhaltung ihrer Emissionsfähigkeit nicht aktiviert zu werden brauchen und daß ferner die Emission über die ganze Oberfläche gleichmäßig ist und zeitlich so'gut wie konstant bleibt. Da die Boride und ihre Verdampfungsprodukte verhältnismäßig gute Leiter sind, findet keine Verunreinigung anderer Elektroden durch Ablagerung von Verdampfungsprodukten statt, und infolgedessen entsteht auch nicht die Gefahr der Lichtbogenbildung oder des Funkenüberschlags zwischen einzelnen Teilen der betreffenden Röhre; somit sind die aus den genannten Stoffen hergestellten Kathoden für Hochspannungszwecke geeignet. Die genannten Stoffe sind auch hitzebeständig und haben ferner bei verhältnismäßig hochliegenden, betriebsmäßig auftretenden Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck. Diese Eigenschaft führt zusammen mit der verhältnismäßig guten elektrischen Leitfähigkeit, welche die Anwendung dicker Schichten erlaubt, zu einem Elektronenspender von sehr langer Lebensdauer. Wie weiter unten noch im einzelnen dargestellt, emittieren diese Stoffe in verhältnismäßig hoher Stromdichte und können bei hohen Temperaturen betrieben werden. Kathoden aus diesen Stoffen können entweder direkt oder indirekt geheizt werden und lassen sich leicht fabrizieren, da sie sowohl durch Aufsprühen als auch durch Tauchen als auch durch Aufstreichen hergestellt werden können. Sie können auch aufgepreßt werden und nachträglich gesintert werden und bilden dann einen zusammenhängenden, einheitlichen Elektronenspender des betreffenden Borids.

Fig. ι zeigt die Eigenschaften einer Anzahl von Elektronenspendern gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine Kathode gemäß der Erfindung;

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine vergrößerte Seitenansicht der Kathode nach Fig. 2, und

Fig. 4 bis 6 zeigen andere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kathodenaufbaues.

In Fig. i, in welcher eine Anzahl von Boriden gemäß der Erfindung mit den bekannten Elektronenspendern zum Vergleich dargestellt ist, bedeutet die Ordinate den dekadischen Logarithmus des Quotienten des Stromes und des Quadrates der absoluten Temperatur und die Abszisse den Quotienten der Zahl 1000 und der absoluten Temperatur. Die dort angegebenen Werte wurden aus Meßergebnissen berechnet, welche den Emissionsstrom als Funktion der Temperatur darstellten, und wurden deshalb für die graphische Darstellung in Fig. 1 verwendet, weil die gewonnenen Kurven für die Dushmansche Emissionsformel von Bedeutung sind. Die Dushmansche Emissionsformel lautet:

= AT-E

kT

in welcher die einzelnen Größen folgende Bedeutung haben:

J die Emissionsstromdichte in Ampere je Quadratzentimeter,

A eine halbempirische Konstante; ihre Dimension ist Ampere/cm² Grad Kelvin,

T die Temperatur der Kathode in Grad Kelvin,

k die Boltzmannsche universelle Gaskonstante, nämlich 1,37 χ ΐο~^1β Erg je Grad Kelvin, e die Elektronenladung in Coulomb,

Ew eine empirische Konstante der emittierenden Oberfläche, genannt Austrittsarbeit, gemessen in Elektronenvolt.

In Fig. ι entspricht die Neigung der verschiedenen Geraden der Austrittsarbeit des Materials, und ihr Schnittpunkt mit der Ordinatenachse entspricht dem Logarithmus der Konstanten A in der Dushmanschen Formel. Man sieht, daß der Emissionsstrom mit zunehmender Temperatur zunimmt und daß die betreffenden Stoffe für verhältnismäßig hohe Temperaturen verwendet werden können. Die Größe 0,7 auf der Abszissenachse entspricht einer absoluten Temperatur von 1428,5⁰K.

Die Boride sind verhältnismäßig leicht herzustellen und können vorteilhafterweise durch eine Reaktion des Metalls mit amorphem Borpulver unter Erhitzung im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einem inerten Gas, beispielsweise in Helium oder Argon, bei einer Temperatur zwischen 1375 und 1850⁰C gewonnen werden, je nach dem betreffenden verwendeten Metall. Das amorphe Borpulver und das Metallpulver oder die Metallspäne werden zusammengemischt und vor der Erhitzung gepreßt. Das Ergebnis dieses Arbeitsganges ist eine gesinterte Masse, die in einer Kugelmühle pulverisiert und dann durch Beimischung eines geeigneten Bindemittels oder Trägermaterials, beispielsweise von Amylacetat oder eines Cellulosebindemittels, in einen

zum Aufsprühen geeigneten Stoff oder zu einer Paste verarbeitet werden kann. Wahlweise kann das Pulver auch in die gewünschte Form gepreßt werden und dann bei einer Temperatur von annähernd 1375⁰C 5 oder bei einer höheren Temperatur, die jedoch noch unter dem Schmelzpunkt des betreffenden Borids liegt, gesintert werden, um zu einem festen Boridkörper von geeigneter Form für die Benutzung als Elektronenspender zu gelangen.

ίο In Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist eine Kathodenkonstruktion mit einem Boridübcrzug dargestellt. Eine Wolframwendel 1 wird über einem inneren Draht 2 angebracht und die äußere Oberfläche dieser Anordnung dann mit dem Borid 3 überzogen, welches als Paste aus dem pulverisierten Borid und einem geeigneten flüchtigen Träger, z. B. Wasser oder Amylacetat, aufgelegt werden kann. Nach der Aufbringung dieser Paste wird die Anordnung im Vakuum auf eine Temperatur von etwa 1600⁰C erhitzt, um die Sinterung und die Entgasung zu bewerkstelligen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Kathode auf zwei

Einführungsdrähten 4 und 5 gehaltert werden, von denen der Draht 4 unmittelbar mit der Kathode und der andere Draht 5 mit ihr über ein Stromzuführungsband 6 verbunden ist. Die Kathode wird durch Hindurchleitung eines Heizstroms durch den Draht 1 geheizt.

In Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele einer Kathode dargestellt mit einem Körper 7 aus Borid als Kathodenmaterial. In Fig. 4 ist der zylindrische Boridstab 7, der in der oben beschriebenen Weise hergestellt wird, mit Endklemmen 8 und 9 versehen, die auf den Boridstab aufgepreßt werden. Diese Klemmen sind mit geeigneten Halte- und Stromzuführungsdrähten 10 und 11 verbunden, welche in den Röhrenkolben in bekannter Weise eingeschmolzen werden können. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der Stab 7 durch die Heizwendel 12, welche den Stab umgibt und durch die Einführungsdrähte 12 getragen wird, indirekt geheizt. In Fig. 5 fließt der Heizstrom unmittelbar durch den Boridstab 7 hindurch. In dieser letzteren Figur wird der Boridstab von den Einführungsdrähten 13 und 14 gehaltert, welche um die beiden Enden des Stabes 7 herum verlaufen und über welche noch ein geeigneter leitfähiger Überzug 15 angebracht ist, um den Kontakt zwischen den Einführungsdrähten und dem Boridstab zu verbessern.

j In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, und zwar für eine Röhre mit ebenen Elektroden, in welcher die Anode mit 16, ein Schirmgitter mit 17, ein Steuergitter mit 18, die Kathode mit 19 und eine Heizwicklung mit 20 bezeichnet ist. Die Kathode ist scheibenförmig ausgebildet und besitzt einen Rand 21, der eine Vertiefung auf der anodenscitigen Kathodenfläche umschließt. Diese Vertiefung wird mit Boridmaterial 22 gefüllt, welches dadurch gewonnen werden kann, daß man ein Ausgangsmaterial aus Boridpulver und einem geeigneten Träger, wie oben beschrieben, preßt und sintert. Beim Betrieb einer Einrichtung nach Fig. 6 wird die Kathode durch Strahlung seitens der Heizwicklung 20 und außerdem noch durch Elektronenbombardement geheizt, indem nämlich die Heizwicklung auf negativem Potential gegenüber der Kathode gehalten wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Boridelektronenspender gemäß der Erfindung auf verschiedene Weise als kommerzielle Kathoden verwendet werden können. Diese Kathoden besitzen die zahlreichen erwünschten Eigenschaften, die sich aus der Verwendung von Boriden in der erwähnten Weise ergeben.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Thermionischer Elektronenspender, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Borid oder aus einer Mischung von Boriden von Calcium, Barium, Strontium, Thorium, Uran oder einer seltenen Erde besteht.

2. Thermionischer Elektronenspender nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Borid ein Hexaborid ist.

3. Thermionischer Elektronenspender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seltene Erde aus Lanthan, Cer oder aus Mischmetall besteht.

4. Thermionischer Elektronenspender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Borid eine Mischung von Barium-Hexaborid und wenigstens einem Hexaborid einer seltenen Erde ist.

5. Kathode mit einem Elektronen emittierenden Bestandteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen emittierende Bestandteil aus einem Stoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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