NL8101750A - Kathode voor elektronenbuizen. - Google Patents

Description

PHD 80-051 1 9 «.-·-· * 4

Kathode voor elektronenbuizen

De uitvinding heeft betrekking op een kathode voor een elektronenbuis met twee ten opzichte van elkaar concentrische aangebrachte holle lichamen, die aan hun ene (bovenste) einde met elkaar zijn verbonden, waarbij het buitenste holle lichaam als drager van 5 het emitterende materiaal dient.

Een dergelijke kathode is bekend uit het Amerikaanse octrooi-schrift 31 95 003. Bij deze bekende kathode, die in het Amerikaaans octrooischrift 31 95 003 als dubbelwandige kathode respectievelijk als coaxiale kathode wordt aangeduid, vertonen de beide holle lichamen de 10 vorm van holle cylinders en bestaan uit metaal. In de ruimte tussen de beide holle cylinders is een verhittingsinrichting aangebracht. Dit houdt in, dat deze kathode indirect wordt verhit, waarbij de binnenste cylinder weliswaar als reflector van de door de verhittingsinrichting opgewekte warmte fungeert, maar in eerste instantie tot doel heeft, de 15 zich cp een hoge temperatuur bevindende buitenste cylinder warmte-isolerend te dragen. Aanvullend kan worden opgemerkt, dat de in het Amerikaanse octrooischrift 31 95 003 weergegeven tuisconstructie principieel niet geschikt is voor het versterken van signalen met zeer hoge frequentie.

20 In het Franse octrooischrift 758 525 is bovendien een kathode voor een gasontladingsbuis met een verhittingsgeleider bestaande uit verscheidene concentrisch ten opzichte van elkaar aangebrachte holle cylinders beschreven, die galvanisch met elkaar zijn verbonden, welke zijn voorzien van contactaansluitingen voor een elektrische verhitting 25 en die als drager dienen van het emitterende materiaal. Bij deze bekende kathode bestaat de verhittingsgeleider uit metaal, grafiet of siliciumcarbide. Het emitterende materiaal is echter zodanig qp de drager aangebracht, dat de kathode als opslag inrichting voor ruimte-lading dient, waarin opnieuw versnelde ionen door reccmbinatie met 30 elektronen verregaand onwerkzaam worden gemaakt.

In het Duitse Offenlegungsschrift 27 32 960 is een kathode beschreven met een verhittingsgeleider van pyrolytisch grafiet, die van contactaansluitingen voor elektrische verhitting is voorzien en 8101750 PHD 80-051 2

é> V

als drager van het emitterende materiaal dient. Gebleken is echter, dat de daarin weergegeven "open" planaire kathodevormen van pyrolytisch grafiet ongeschikt zijn voor toepassingen in het zeer hoge frequentie-gebied.

5 De uitvinding heeft tot doel, een kathode aan te geven, waar door het toepassingsgebied van de daarmee uitgeruste elektronenbuizen wordt uitgebreid tot het gebied van zeer hoge frequenties.

Volgens de uitvinding wordt dit bereikt, doordat bij een kathode van de in de aanhef genoemde soort de beide holle lichamen 10 galvanisch met elkaar zijn verbonden, aan hun andere (onderste) einde zijn voorzien van contactaansluitingen voor elektrische verhitting en bestaan uit pyrolytisch grafiet.

In tegenstelling tot de hierboven vermelde open planaire kathode kan de uitvoering volgens de uitvinding het best worden aange-15 duid als gesloten planaire kathode.

De beide holle lichamen zijn in de vorm van twee concentrische coaxiale lichamen, bijvoorbeeld bollen, halve bollen, kegels of afgeknotte kegels, aangebracht. De cylindervorm is een voorkeursuitvoeringsvorm, omdat deze vorm ruime toepassing vindt in de buisconstructie-20 techniek. De toepassing van anisotroop pyrolytisch grafiet als materiaal voor de verhittingsgeleider en de drager van de emitter voor gloeikathoden in elektronenbuizen is in vergelijking met de toepassing van metalen vanwege de onderstaande eigenschappen bijzonder voordelig: 1) - Bestendigheid tegen hoge temperaturen tot 2500°K (dampdruk bij deze -5 25 temperatuur: 10 bar); 2) geen smelten, maar een beginnende (in het algemeen onschadelijke) sublimatie van koolstof bij temperaturen van ^ 2500°K; 3) toenemende mechanische sterkte bij oplopende temperaturen; -3 4) gering soortelijk gewicht (2,0 tot 2,2 g cm ) en daardoor geringe 30 massakrachtèn i bij •-mechanische trillingen; 5) relatief hoge soortelijke weerstand (struktuurafhahkelijk) -4 ƒ,1 = 1,5 tot 4,8.10 .cm, dat wil zeggen ca. tien tot honderdmaal groter dan bij metalen; daarom bijzonder voordelig ook voor dunne, planair uitgevoerde geleiders (cj>() betekent, dat de opgegeven waarde 35 betrekking heeft op de soortelijke weerstand parallel aan de preferentiële oriëntatie van de basisvlakken in het anisotrope pyrolytische grafiet); 6) zeer goed warmtegeleidingsvermogen parallel aan de lagen: 8101750 * m PHD 80-051 3 XH= 2,1 tot 4,2 JK ^ on ^ s \ das van dezelfde grootte als X ; koper daardoor een zeer homogene, zich snel instellende tenperatunrverdeling bij het inschakelen van de verhitting. (De warmtegeleiding is eveneens 5 van de structuur afhankelijk en neemt bij toenemende kristallijne perfectie van het pyrolytische grafiet toe tot vijf- a tienmaal —1 —1 —1 de hierboven opgegeven waarde van 2,1 J K cm s ).

In de kathode volgens de uitvinding is het ontwerp van de snel verhitte kathode of van de'ènelle" verhittingsgeleider voor indirect 10 verhitte kathoden verkregen. Bovendien is de kathode volgens de uitvinding elektrisch zowel als thermisch bijzonder voordelig uitgevoerd.

De uitvinding wordt hierna bij wijze van voorbeeld aan de hand van de bijgaande tekening nader toegelicht, waarin:

Figuur 1 een verhittingsgeleider toont, 15 figuur 2 een kathode met een ten opzichte van figuur 1 ge wijzigd verhittingsgeleiderprofiel weergeeft, figuur 3 een substraat toont voor het afscheiden van pyrolytisch grafiet, figuur 4 een optelling weergeeft voor het samenstellen van de 20 verhittingsgeleiders, figuren 5a tot 5d verschillende uitvoeringen weergeven van de verbinding tussen twee holle cylinders, en figuur 6 een kathode toont met een ander gewijzigd verhittingsgeleiderprofiel.

Figuur 1 toont twee ten opzichte van elkaar concentrisch aan-25 gébrachte holle cylinders 1, 2, die (in het af gemeen) uit dunwandig pyrolytisch grafiet bestaan en aan hun ene (bovenste) einde 3 galvanisch met elkaar verbonden en aan hun andere (onderste) einde zijn voorzien van contactaansluitingen 4 voor het toevoeren van een elektrische stroom voor elektrische verhitting.

30 Een dergelijke inrichting heeft de volgende voordelen: a) Bij een bepaalde constructiéhoogte voor de kathode in een eléktronen-buis wordt door de dubbelwandige uitvoering praktisch neer dan tweemaal de elektrische weerstand en daarmee een gunstiger stroom/spanningsverhouding voor de verhitthgsenergie verkregen; 35 b) de toegevoerde verhittingsenergie wordt beter benut, omdat de door het binnenste deel afgestraalde warmte grotendeels in de buitenste cylinder 2, die tevens als drager van het emitteerde materiaal 5 (fig.2) dient, wordt geabsorbeerd en zo ook bijdraagt tot het sneller opwarmen 8101750 PHD 80-051 4 *

.«· V

van de kathode? c) de opstelling van de aan het einde star met elkaar verbonden dubbele cylinders veroorzaakt een betrekkelijk grote mechanische sterkte; deze kan nog worden verhoogd, door. in de tussenruimtes tussen de beide 5 cylinders êên of meer afstandsstukken 6, passend aan te brengen, die bestaan uit bijvoorbeeld thermisch en elektrisch isolerend keramisch materiaal (bijvoorbeeld volgens fig. 2). Door deze maatregelen kunnen bij zeer geringe wanddiktes van bijvoorbeeld 10O^um en de daarmee gepaard gaande voordelen van een snelle opwarming bij relatief lage ig verhittingsstromen die kathoden zonder extra maatregelen met betrekking tot de constructie zelfdragend worden uitgevoerd.

De vervaardiging van dubbelwandige cylinders uit pyrolytiscb grafiet vindt volgens op zichzelf bekende werkwijzen voor het afscheiden van goed georiënteerd pyrolytisch grafiet vanuit een koolstof 15 bevattende gasfaze plaats. Bij voorkeur wordt hierbij de werkwijze van de zogenaamde hete-wand ("hot-wall")-pyrolyse toegepast, omdat daarbij de voor en gelijkmatige afscheiding vereiste verhitting van de min of meer gecompliceerde substraatvormen het best is gewaarborgd. De hete-wand-pyrolyse is in "Carbon" 5 (1967), pag. 205-217 beschreven. Als materiaal 2o voor de vereiste substraten wordt, met voordeel electrografiet toegepast.

Nu is gebleken, dat de vervaardiging van de vormstukken volgens de uitvinding van dunwandige aan het einde star met elkaar verbonden holle ..... .cylinders (zie fig. 1)-.in één.afscheidingsstap,. dus met andere woorden "uit êên stuk", zeer problematisch is. Dit berust op het bekende feit, 25 dat de in aanmerking komende, substraatmaterialen, hier vooral het electrografiet, een grotere warmteuitzettingscoëfficiënt hebben dan de daarop afgescheiden lagen van pyrolytisch grafiet. Dit heeft tot gevolg, dat bij afkoeling van de afscheidingstenperatuur (ca. 2000°C) tot de omgevingstemperatuur na de bekleding het substraat zich sterker 3Q samentrekt dan de laag. (In geval van de uit het Duitse Auslegeschrift 24 50 261 bekende vervaardiging van roosterelektroden berust daarop de gewenste eenvoudige scheidbaarheid van de omhulling (laag van pyrolytisch grafiet en het massieve substraat). Wanneer dit substraat nu, zoals· in figuur 3 is weergegeven, de vorm heeft van een min of meer 35 dikwandige holle cylinder S van electrografiet, krimpt de substraat-cylinder bij het afkoelen zodanig, dat deze los raakt van de. buitenste cylindervormige laag 2, die in de binnenste afgescheiden laag 1 echter zonder meer wordt vastgeklemd. Het krimpen is in figuur 3 met pijlen 81017 5 0 * PHD 80-051 5 aangeduid. Een perfecte scheiding van het substraat S en de lagen 1, 2 is dus in het algemeen niet mogelijk. In principe kan natuurlijk het substraat, bijvoorbeeld langs mechanische weg door uitdraaien of uitslijpen, uit de entailing worden verwijderd, maar deze werkwijze is 5 slechts in bepaalde uitzonderingsgevallen bruikbaar, bijvoorbeeld bij grote afstanden tussen de buitenste en de binnenste cylinder en bij gelijktijdig relatief grote wanddikten van de lagen.

Cm de aangegeven moeilijkheden te vermijden, wordt de vervaardiging van de dubbelwandige cylinders in het algemeen in meerdere 10 fabricagestappen uitgevoerd. Dit wordt aan de hand van voorbeelden nader toegelicht.

Er warden voor de binnenste alsmede voor de buitenste cylinder massieve substraten van de gewenste vorm en afmetingen vervaardigd. Deze worden qp bekende wijze (bijvoorbeeld 2000°C onder een pyrolysegasdruk van 15 2 tot 3 mbar propaan of soortgelijke koolwaterstoffen gedurende een tijd van 3 tot 5 uur) bekleed. Men verkrijgt onder deze omstandigheden een omhullende bekleding van 200 tot 300yUm laagdikte, die na het verwijderen van het bodemgedeelte, bijvoorbeeld door af slijpen, gemakkelijk van het substraat kan worden afgetrokken. (Dezelfde techniek wordt bij 20 de uit het Duitse Auslegescbfift 24 50 261 bekende vervaardiging van halffabrikaten voor rcosterelektroden toegepast).

De beide zo verkregen deeleylinders 1 en 2 worden nu - na eventuele bewerking voor het verkrijgen van een bepaalde aanpassing van de voor de verbinding aangebrachte plaatsen 3 - paarsgewijs samengesteld.

25 Cm een nauwkeurige en concentrische bevestiging te waarborgen, moet men daarbij in het algemeen gebruik maken van een zogenaamde "mal". Een inrichting van de beschreven soort is schematisch in figuur 4 verduidelijkt, waarbij de mal is aangegeven met L. Voor de verbinding van de punten bij 3 kunnen diverse technieken, zoals solderen, klertmen, schroe-30 ven enz., vooral echter ook de verbinding met behulp van CVD-methoden, warden toegepast. Bij proeven werd hier bij voorkeur de verbinding met behulp van afscheiding van pyrolytische koolstof en solderen (bijvoorbeeld met Zr/Ni) toegepast.

De met elkaar te verbinden deellichamen kunnen zeer uiteen-35 lopende vormen bezitten. Figuren 5a tot 5d illusteren dit (hier wordt telkens slechts een doorsnede van de verbindingsplaats getoond; de ver-bindingsplaats zelf is door een cirkel cmgeven). Figuur 5d symboliseert 8101750 « PHD 80-051 6 een verbindingsplaats onder toepassing van een extra concentreerorgaan (gearceerd) van metaal of koolstof.

Niet alleen de vorm van de verbindingsplaats alsmede de verbindingstechniek, maar ook de vorm van de beide deellichamen van de ' 5 kathode zelf kunnen op ruime schaal worden gevarieerd. Zo kan men in plaats van de bij voorkeur gebruikte cylinders ook holle lichamen met een niet-cirkelvormige dwarsdoorsnede of profielen kiezen, waarbij rekening wordt gehouden net een betere bevestiging van het emitterende materiaal, bijvoorbeeld in dein figuur 6 getoonde vorm.

10 Het is niet mogelijk, algemeen bindend de voor het bereiken van bepaalde oppervlaktetemperaturen vereiste verhittingsenergieën voor het schrijven, omdat een grote invloed wordt uitgeoefend door de soort en grootte van elke gekozen coaxiale kathode alsmede door de afstralingsverhoudingen en vooral ook door de warmteafvoer van de 15 contacten. Uit de meting blijkt echter, dat systemen van de beschreven soort na het inschakelen van de verhittingsenergie spontaan, dat wil zeggen in het algemeen binnen 1 sec, hun eindtemperatuur berèiken en de temperatuurevenwichtstoestanden zich snel instellen.

20 25 30 35 8101750

Claims (3)

1. Kathode voor een elektronenbuis net twee concentrisch ten opzichte van elkaar aangebrachte holle lichamen, die aan hun ene (bovenste) einde met elkaar zijn verbonden, waarbij het buitenste holle lichaam als drager van het emitterende materiaal dient, met het kenmerk, 5 dat de beide holle lichamen (1, 2) galvanisch met elkaar zijn verbonden, aan hun andere (onderste) einde zijn voorzien van contactaansluLtingen (4) voor een elektrische verhitting en bestaan uit pyrolytisch grafiet.

1* PHD 80-051 7

2. Kathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide holle lichamen (1, 2) de vorm bezitten van coaxiale holle cylinders.

3. Elektronenbuis bij voorkeur voor zeer hoge frequenties met een kathode volgens een der voorgaande conclusies. 15 20 25 30 35 810-1750