DE967715C

DE967715C - Mittelbar geheizte Thoriumkathode fuer elektrische Entladungsroehren

Info

Publication number: DE967715C
Application number: DEG11418A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Manfredi; Vincent John De Santis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1952-04-01
Filing date: 1953-04-02
Publication date: 1957-12-05
Also published as: FR1073802A; BE518861A; US2723363A; GB725719A

Description

AUSGEGEBEN AM 5. DEZEMBER 1957

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Die Erfindung betrifft eine mittelbar geheizte Thoriumkathode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Mit Thoroxyd bedeckte Kathoden sind in elekirischen Entladungsgefäßen, insbesondere in Hochleistungsröhren, wie sie in. Sendern Verwendung finden,, in großem Umfang benutzt worden. Diese Kathoden waren im allgemeinen drahtförmige, unmittelbar geheizte Kathoden. Nach, allgemein

ίο anerkannter Anschauung ist die thermische Elektronenemission solcher Kathoden auf eine einatomige Schicht aus freiem Thorium an der Kathodenoberfläche zurückzuführen, die durch Reduktion, von Thoroxyd zu Thorium entsteht.

Es sind ferner mittelbar und unmittelbar geheizte Thoriumkathoden bekannt, die aus einer hochschmelzenden Unterlage mit einem thoriumhaltigen Überzug bestehen, der wenigstens ein Karbid hochschmelzender Metalle enthält. Dem Karbid fällt unter anderem die Aufgabe zu, das Thoroxyd zu reduzieren. Durch den Karbidzusatz erhält aber die Emissionsschicht eine dunkle Färbung, welche die Wärmeabstrahlung erhöht und dadurch einen. Wärmeverlust verursacht, der durch eine größere Heizleistung gedeckt werden muß.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Wärmehaushalts einer mittelbar geheizten Thoriumkathode durch eine bessere Wärmeübertragung zwischen dem Brenner und dem Emissionsschichtträger, so daß der Temperaturunterschied zwischen der emittierenden Oberfläche der Kathode und dem Brenner geringer wird und bei gleicher Kathodentemperatur die Betriebstemperatur des Brenners niedriger gewählt werden kann. Gleichzeitig soll

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durch stetige und allmähliche Reduktion des auf dem Emissionsschichtträger vorhandenen Thoroxyds eine lange Lebensdauer der Kathode sichergestellt werden.

Eine mittelbar geheizte Thoriumkathode für elektrische Entladungsröhren ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Träger aus einem hochschmelzenden Metall der Gruppe Tantal, Wolfram und Molybdän, einen Überzug aus einem hochschmelzenden Metallkarbid auf der dem Brenner zugekehrten Seite des Trägers und eine im wesentlichen aus Thoroxyd bestehende Emissionsschicht auf der anderen Seite. Der Metallkarbidüberzug bildet eine rauhe dunkle Oberfläche, welche praktisch einem schwarzen Körper gleichkommt und die vom Brenner abgestrahlte Wärme aufnimmt und nur schwach reflektiert, so daß der Emissionsschichtträger nahezu die gleiche Temperatur erreicht wie der Brenner. Die Kathode kann bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1650⁰' C betrieben werden, ohne den Brenner so hoch erhitzen zu müssen, daß er rasch zerstört wird. Im Vergleich mit den bekannten Kathoden ergibt sich dabei eine höhere spezifische Emission, je Watt Heizleistung. Gleichzeitig dient der Metallkarbidüberzug zur Reduktion des auf der anderen Seite des. Trägers befindlichen Thoroxyds, das seine helle Färbung behält und daher weniger Wärmeverduste durch Abstrahlung verursacht als eine das Metallkarbid selbst enthaltende Emiseionsschicht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, die teilweise im Schnitt den Aufriß einer mittelbar geheizten Thoriumkathode zeigt. Diese Kathode besteht aus einer Kathodenhülse i, welche einen wendeiförmigen. Brenner 2 umgibt. Die Enden des Brenners werden von passenden Ausnehmungen aufgenommen, die der Länge nach an. gegenüberliegenden Seiten eines die Kathode tragenden ringförmigen Kragens 3 verlaufen, welch letzterer innerhalb des unteren Endes der Kathode angeordnet ist. Als Stütze für das obere Ende des Brenners ist ein Stab 4 vorgesehen. Dieser Stab und der Kragen bilden die Anschlüsse für die aus der Kathode und dem Brenner bestehende Einheit, sie können durch die Wand des Entladungsgefäßes hindurchgeführt sein, in welchem die Kathode benutzt wird.

Die Außenseite der Kathodenhülse 1 ist mit einer Emissionsschicht 6 und die Innenseite derselben mit einem Überzug 7 aus einem hochschmelzenden Metallkarbid versehen. Vorzugsweise besteht die Kathodenhülse 1 aus Tantal, die Karbidschicht aus Wolframkarbid und die Emissionsschicht 6 im wesentlichen aus Thoroxyd. Von diesen Stoffen wird zwar auch weiterhin die Rede sein, jedoch können für die Kathodenhülse auch andere hochschmelzende Metalle, wie Wolfram und Molybdän, verwendet werden und das Karbid kann statt Wolframkarbid auch Tantalkarbid oder Molybdänkarbid sein. Wolframkarbid wird aber bevorzugt, vor allem wegen der wärmeabsorbierenden Oberfläche an der Innenseite der Kathodenhülse.

Die Behandlung der Kathode wird an Hand des folgenden Ausführungsbeispiels erläutert. Eine Tantalhülse von ungefähr 0,125 mm Dicke wird zuerst an der Innenseite mit einer Wolframkarbidschicht überzogen. Diese kann in der Weise erfolgen, daß das Karbid in einem geeigneten Bindemittel, wie Methyl-Zellulose, suspendiert und eine gleichmäßige Schicht auf der Innenseite der Kathode aufgetragen wird. Die so überzogene Kathode wird im Vakuum 5 Minuten lang auf eine Temperatur von der Größenordnung 1750 bis 1800⁰ C erhitzt. Während der Erhitzung ist der Druck in der Anordnung zunächst hoch, in der Größenordnung von 5 · 10—⁷ Torr, soll jedoch dann schnell abnehmen und auf etwa 1 ■ io~⁹Toir gehalten, werden.

Nach Aufbringung des Karbidüberzuges wird die Thoroxydschicht auf der Außenseite der Kathodenhülse aufgetragen,. Dies kann zwar durch Besprühen oder Aufstreichen erfolgen, geschieht aber besser durch Elektrophorese bis zu einer Schichtdicke von der Größenordnung von. beispielsweise 0,04 bis 0,065 mm. Die elektrophoretische Beschichtung bringt einen sehr dichten, gut haftenden Überzug hervor, welcher der Kathode bessere Eigenschaften verleiht und dessen Dicke sich leicht beherrschen läßt.

Das Elektrophoresebad wird z. B. angesetzt, indem man 20 g Thoroxyd in 25 ecm einer 2°/oigen .Thornitratlösung verteilt. Diese Suspension wird in ungefähr 475 ecm Methylalkohol eingerührt. Das Bad wird bei Raumtemperatur mit einer Spannung von 120 Volt benutzt, wobei die Kathodenhülse als Kathode der Zelle und ein Aluminiumkörper als Anode dient. Nach der Beschichtung wird die Kathode etwa 30 Minuten lang im Vakuum unter den gleichen Bedingungen erhitzt, die beim Brennen des Karbidüberzuges auf der Innenseite der Kathode beschrieben worden sind, nämlich bei einer Temperatur von, 1750 bis i8oo° C.

Diese Erhitzung leitet eine Reaktion ein, welche Kohlenstoff an die Grenzschicht zwischen dem Tantal und dem Thoroxydüberzug gelangen läßt, so daß etwas Thoroxyd reduziert und. eine geringe Menge Thorium freigesetzt wird. Eine Aktivierung durch weitere Reduktion des Thoroxydüberzuges erfolgt in der Röhre während der Entlüftung bei einer die gewöhnliche Betriebstemperatur der Kathode von beispielsweise 1650⁰ C übersteigenden Temperatur. Die Aktivierungstemperatur liegt daher in dem Bereich von 1700 bis 2200⁰ C. Die Aktivierung kann z. B. so> durchgeführt werden, daß durch den Brenner ein hinreichend, starker Heizstrom geschickt wird, der die Kathodenhülse auf eine Temperatur von 2200⁰ C bringt, auf der sie etwa 10 Minuten lang gehalten wird.. Es. ist eine geraume Zeit von vielleicht 90 Minuten erforderlich, um die Kathode auf diese Temperatur zu bringen. Die Aktivierung kann auch bei einer niedrigeren, Temperatur vorgenommen werden, dauert aber dann länger.

Während der Aktivierung hält der Zerfall des Wolframkarbids an, das Karbid diffundiert in das Tantal und etwas Kohlenstoff verbindet sich mit

dem Tantal zu Tantalkarbid (Ta₂C). Da der Kohlenstoff und die Karbide zur Grenzschicht zwischen Tantal und Thoroxyd hin diffundieren, wird Kohlenstoff zur Reduktion des Thoroxyds verfügbar, um das freie Thorium der aktivierten Kathode zu erzeugen. Ein erheblicher Teil der Reduktion geht zwar bei der Aktivierung vor sich, jedoch findet eine allmähliche und stetige Nachlieferung von Kohlenstoff an die Grenzschicht statt, die eine stetige und allmähliche Reduktion des Thoroxyds während der Lebensdauer der Kathode zur Folge hat.

Claims

Patentansprüche:

i. Mittelbar geheizte Thoriumkathode für elektrische Entladungsröhren, gekennzeichnet durch einen Träger (i) aus einem hochschmelzenden Metall der Gruppe Tantal, Wolfram und Molybdän, einen Überzug (7) aus einem hochschmelzenden Metallkarbid auf der dem Brenner zugekehrten Seite des Trägers und eine im wesentlichen aus Thoroxyd bestehende Emi.--sionsschicht (6) auf der anderen Seite.
2. Glühkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Tantal und der Karbidüberzug aus Wolframkarbid besteht.
3. Verfahren zum Aktivieren einer Glühkathode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf eine Temperatur von über 1700⁰ C erhitzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 710283, 715 156; schweizerische Patentschrift Nr. 220852;
Journ. appl. phys., Vol.20, 1949, S. 886, 1130; VDE-Fichberichte, 1950, S. 127 bis 131;
Entwicklungsber. Siemens u. Halske, Bd. 14,
1951, S. 123 bis 126.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 527/410 5.56 (709 751/3+ 11.57)