DE1080700B - Verfahren zur Herstellung einer indirekt geheizten Kathode, insbesondere fuer Magnetrons hoher Schwingleistung, und nach diesem Verfahren hergestellte Kathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer indirekt geheizten Kathode, insbesondere für Magnetrons hoher Schwingleistung, mit einem rohrförmigen und dünnwandigen Träger aus Molybdän, auf dessen Außenfläche eine Thoriumoxyd enthaltende Emissionsschicht aufgesintert ist und in dessen Innenraum sich ein den Träger nicht berührender Heizer befindet. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine nach diesem Verfahren hergestellte Kathode, die insbesondere für Magnetrons hoher Schwingleistung bestimmt ist.

Magnetronkathoden haben im allgemeinen die Form eines Metallzylinders aus Nickel, an dessen Enden Flansche angebracht sind. Auf der Außenfläche des Zylinders ist die Emissions schicht aufgebracht, die aus Karbonaten des Bariums, des Strontiums und zuweilen auch in geringen Mengen des Magnesiums besteht. Um eine bessere Haltbarkeit der Emissionsschicht zu erreichen, wird die Emissionssubstanz in einem bestimmten Verhältnis mit Nickel- oder Kobaltpulver gemischt. Als Heizer wird eine mit Al₂O₃ gegen den Metallzylinder isolierte Wolframwendel verwendet.

Diese bekannten Emissionsschichten werden in einem Röhrenaufbau unter Vakuum umgesetzt, entgast und formiert. Im Schwingbetrieb des Magnetrons sind sie in bezug auf Lebensdauer und Schwingleistung durchaus brauchbar. Bei einer Schwingleistung eines mit einer solchen Kathode ausgestatteten Magnetrons von 400 Watt für je 1 cm² Kathodenoberfläche erreichen solche Röhren Lebensdauern von rund 1000 Stunden.

Für verschiedene Anwendungsgebiete reicht diese maximale Belastbarkeit aber nicht aus. Man hat deshalb schon verschiedene Vorschläge gemacht, um das robuste Thoriumoxyd als Emissionssubstanz für Magnetronkathoden verwendbar zu machen. So ist beispielsweise bereits eine Kathode bekannt, deren Träger aus einem rohrförmigen und dünnwandigen Element aus Molybdän besteht, auf dessen Außenfläche die Emissionsschicht aus Thoriumoxyd aufgetragen ist und in dessen Innenraum sich ein den Träger nicht berührender Heizer befindet.

Die Anwendung von Thoriumoxyd für Magnetronkathoden scheiterte aber bisher daran,-weil es erhebliche Schwierigkeiten macht, das Thoriumoxyd auf die beim Entgasen im Hochvakuum -und auch für eine ausreichende Emission erforderliche hohe Temperatur zu bringen.

Deshalb hat man auch schon vorgeschlagen, eine Wolframwendel in Thoriumoxyd einzubetten und hochzusintern oder als Grundlage für die Emissionsschicht eine Mischung von Wolframpulver und Thoriumoxyd zu nehmen. Der elektrische Widerstand eines solchen

Verfahren zur Herstellung

einer indirekt geheizten Kathode,

insbesondere für Magnetrons

hoher Schwingleistung,

und nach diesem Verfahren

hergestellte Kathode

Anmelder:

Deutsche Elektronik G.m.b.H.,
Berlin-Wilmersdorf, Forckenbeckstr. 9-13

Richard Magner, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt worden

Gemisches kann dabei so variiert werden, daß ohne Anwendung zu hoher Ströme solche Körper auf die Emissionstemperatur des Thoriumoxydes gebracht werden können.

Diese Vorschläge konnten sich aber nicht durchsetzen. Es ist verständlich, daß das Einbetten einer Wolframwendel in Thoriumoxyd nur unter Schwierigkeiten durchführbar ist. Die Anwendung eines Gemisches von Wolframpulver und Thoriumoxyd weist zwei Mängel auf: Die mechanische Festigkeit derartiger gesinterter Körper ist nicht groß genug, so daß sie sehr zerbrechlich sind, und außerdem ist die Befestigung der Stromanschlüsse nicht sicher durchzuführen.

Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie man eine Kathode herstellen kann, die die erläuterten Mangel der bekannten Kathoden nicht aufweist. Sie geht aus von der bekannten Kathodenbauart mit einem rohrförmigen und dünnwandigen Träger aus Molybdän, auf dessen Außenfläche eine Thoriumoxyd enthaltende Emissionsschicht aufgesintert ist und in dessen Innenraum sich ein dem Träger nicht· berührender Heizer befindet. Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kathode besteht nach der Erfindung darin, daß einem an sich bekannten Gemisch aus Thoriumoxyd und Wolframpulver noch Molybdänpulver zu- gefügt und dieses Gemisch auf den rohrförmigen Träger aus Molybdän aufgebracht, z. B. aufgesprüht wird, daß dieser darauf einer an sich bekannten Sinterung in Wasserstoff bei etwa 1600° C unterworfen wird und daß anschließend in einem mit Wasserstoff ge-

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füllten Kohlezylinder ein - Glühvorgang bei etwa 1500° C durchgeführt wird.

Das wesentliche Merkmal der nach der Erfindung hergestellten Kathode besteht also darin, daß die auf der Außenfläche des Mölybdänröhrchens aufgesihterte Emissionsschicht aus einer Mischung besteht, die außer Thoriumoxyd und Wolframpulver noch Molybdänpulver, also zwei Metallpulver, enthält. Der im Inneren des Mölybdänröhrchens untergebrachte Heizer muß durch einen ringförmigen Spalt, also durch einen ringförmigen freien Raum, von der Innenwand des Mölybdänröhrchens getrennt sein und eine genügende thermische und mechanische Festigkeit besitzen, damit während des Betriebes kein Kurzschluß zwischen ihm und dem Molybdänrohr eintreten kann. Zu diesem Zweck kann der Heizer beispielsweise ein Kohlestab oder auch ein dünnwandiger Kohlezylinder sein. Auch kann man als Heizer eine Wolframwendel verwenden, die zweckmäßigerweise bei ungefähr 2400° C rekristallisiert ist.

Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß Gemische aus Wolfram- und Molybdänpulver mit Thoriumoxyd sich schon bei Temperaturen von ungefähr 1600° C wesentlich fester auf einen Molybdänzylinder ansintern lassen als Gemische, die nur Wolframpulver mit Thoriumoxyd enthalten. Das Mischungsverhältnis der beiden Metallpulver kann dabei innerhalb weiter Bereiche variiert werden und kann beispielsweise zwischen 10 Gewichtsteilen Wolfram mit 90 Gewichtsteilen Molybdän und 90 Gewichtsteilen Wolfram mit 10 Gewichtsteilen Molybdän liegen. Dagegen sollen möglichst nicht mehr als 50 Gewichtsteile Thoriumoxyd in der Gesamtsubstanz des Gemisches verwendet werden, da sonst die Emissionsschicht den metallischen Charakter verliert und nicht mehr so gut haftet.

Im allgemeinen wendet man Molybdän nicht gern als Komponente in einer Kathode an, da schon geringe Mengen Molybdän vergiftend auf die Emission einer Kathode wirken können.

Wenn man aber bei der Herstellung der Kathode so vorgeht, daß ein Glühprozeß in Wasserstoff eingeschaltet werden kann, dann läßt sich der störende Einfluß von Molybdänoxyd beseitigen. So müssen beispielsweise die Schweißverbindungen an der Kathode unter Verwendung von Nickel als Schweißhilfe ausgeführt werden, wobei allerdings die anzuwendende Nickelmenge weniger als 1 mg/cm² Schweißfläche betragen soll. Man kann mit Nickel geschweißte Molybdänkörper in Wasserstoff blank glühen, ohne eine Gefährdung der Festigkeit der Verbindung befürchten zu müssen. Wenn nach dem Ansintern der Emissionsschicht im Wasserstoff noch eine kurze Glühbehandlung in Wasserstoff in einem Kohlezylinder durchgeführt wird, dann wird von der Metallkomponente eine gewisse Menge Kohlenstoff aufgenommen, die eine Vergiftung der Emissionssubstanz bei der weiteren Behandlung der Kathode während des Aufbaues und der Herstellung der Röhre sowie beim Pumpprozeß verhindert.

Der rohrförmige Kathodenträger aus Molybdän soll möglichst dünnwandig sein, um eine genügend dicke Emissionsschicht ohne Schwierigkeiten auf die erforderliche Emissionstemperatur bringen zu können. Dient als Heizer eine rekristallisierte Wolframwendel, dann muß zwischen der Wendel und dem Innendurchmesser des Trägers ein genügend großer ringförmiger Spalt frei bleiben, um auch bei einem leichten Durchbiegen der Wendel eine Kurzschlußgefahr zu verhindern. Bei einem Kathodendurchmesser von etwa 5 mm und einer Länge der Kathode von 20 mm soll der ringförmige Spalt ungefähr 0,5 bis 0,6 mm breit sein. Bei der Verwendung eines Kohleheizers genügt ein etwa 0,2 mm breiter Spalt.

Die Herstellung einer Kathode geht nach dem Verfahren nach der Erfindung folgendermaßen vor sich: Auf ein gezogenes oder gerolltes und unter Verwendung von Nickel als Schweißhilfe geschweißtes Molybdänröhrchen mit einer Wandstärke von 0,1 mm werden die Endflansche aus Molybdän ebenfalls unter

ίο Zuhilfenahme von Nickel angeschweißt. Dieser Körper wird zweckmäßig vor Aufbringen der Emissionsschicht kurzseitig bei etwa 1500° C im H₂-Ofen geglüht. Danach wird eine Emissionspaste, bestehend aus einer Mischung von beispielsweise 25 Gewichts-

x5 teilen Molybdän, 25 Gewichtsteilen Wolfram und 10 Gewichtsteilen Thoriumoxyd, auf den Kathodenkörper mit einer Schichtdicke bis beispielsweise 300 μ im Sprühverfahren aufgetragen. Diese Schicht wird danach im H₂-Strom bei ungefähr 1600° C angesintert. Danach wird der Kathodenkörper in einem Kohlezylinder kurzzeitig geglüht. Die Wolf ramwendel oder der Kohleheizer wird eingebaut, worauf die fertige Kathode in einem Magnetronsystem montiert werden kann. Der Ausheiz- und Formiervorgang der Kathode wird in der üblichen Weise durchgeführt. Man entgast die Kathode bei etwa 1700° C und betreibt sie bei 1500 bis 1600° C. Mehrere auf diese Art hergestellte Kathoden zeigten in keinem Fall Emissionsschwierigkeiten und gaben bei gleicher Heizleistung, verglichen mit einer Lanthanboridkathode, einen etwa gleich großen Emissionsstrom.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der nach dem Verfahren hergestellten Kathode dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Kathode mit Kohleheizer und

Fig. 2 eine Kathode mit einer rekristallisierten Wolframwendel als Heizer.

In Fig. 1 ist 1 der Heizer in Gestalt eines dünnwandigen Kohlezylinders, 2 und 3 sind die mittels Gewinde 9 auf dem Heizer 1 befestigten Molybdänflansche, während 4 der rohrförmige Träger aus Molybdän, 5 die auf dem Molybdänträger 4 aufgesinterte Emissionsschicht und 6 der ringförmige Spalt zwischen dem Heizer 1 und dem rohrförmigen Träger 4 ist. An dem oberen Ende des Molybdänrohres 4 ist in den ringförmigen Spalt 6 ein Isolierring 10 etwa 1 mm tief eingeschoben. Der Isolationsring 10 kann z. B. aus Beryllium- oder Aluminiumoxyd bestehen und etwa durch Aufstreichen einer Suspension dieser Oxyde in einer Kollodiumlösung in Azetat gewonnen werden.

In Fig. 2 ist 7 die als Heizer dienende rekristallisierte Wolframwendel. 2, 3 und 4 bezeichnen den Kathodenträger aus Molybdän mit den angeschweißten Flanschen, 5 die Emissionsschicht, 6 den ringförmigen Spalt zwischen Wendel 7 und Träger 4 und 8 schließlich einen Aluminiumoxydkörper, der als Isolation zwischen Heizer 7 und Kathodenträger 2, 4 dient. Der Aluminiumoxydkörper 8 nimmt während des Betriebes der Kathode keine so hohen Temperaturen an, daß die Isolation gefährdet wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer indirekt geheizten Kathode, insbesondere für Magnetrons hoher Schwingleistung, mit einem rohrförmigen und dünnwandigen Träger aus Molybdän, auf dessen Außenfläche eine Thoriumoxyd enthaltende Emissionsschicht aufgesintert ist und in dessen Innenraum sich ein den Träger nicht berührender

Heizer befindet, dadurch gekennzeichnet, daß einem an sich bekannten Gemisch aus Thoriumoxyd und Wolframpulver noch Molybdänpulver zugefügt und dieses Gemisch auf den rohrförmigen Träger aus Molybdän aufgebracht, z. B. aufgesprüht wird, daß dieser darauf einer an sich bekannten Sinterung in Wasserstoff bei etwa 1600° C unterworfen wird und daß anschließend in einem mit Wasserstoff gefüllten Kohlezylinder ein Glühvorgang bei etwa 1500° C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Thoriumoxyd und einer Metallpulvermischung verwendet wird, die aus 10 bis 90 Gewichtsteilen Wolframpulver und 90 bis 10 Gewichtsteilen Molybdänpulver besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht mehr als 50 Gewichtsteile Thoriumoxyd in dem Gemisch verwendet werden.

4. Kathode, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der

Heizer ein Kohlestab oder ein dünnwandiger Kohlezylinder ist,

5. Kathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungsanschlüsse für den Heizer an den Enden des Kohlestabes oder -zylinders die Form von gegebenenfalls mittels Gewinde auf dem Kohlestab oder -zylinder befestigten Molybdänflanschen haben.

6. Kathode, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer eine bei ungefähr 2400° C rekristallisierte Wolframwendel ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 813573, 889 811, 715,1009 727;

deutsche Auslegeschrift S 37661 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 23. 2. 1956) ;

»Fortschritte der Physik«, Bd. 3, 1955, S. 89.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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