DE1147325B - Indirekt geheizte Kathode fuer elektrische Entladungsroehren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G34479Vmc/21g

ANMELDETAG: 14. MARZ 1962

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

18. A P RIL 1963

Die Erfindung betrifft eine indirekt geheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren mit einem an der Innenfläche des Kathodenröhrchens angeordneten, die Wärme gut absorbierenden Belag und einem mit einer Isolierschicht versehenen Heizer.

Es ist bereits eine mittelbar geheizte Thoriumkathode für elektrische Entladungsröhren bekannt, deren Kathodenhülse, die eine Emissionsschicht trägt, zur besseren Übertragung der von einem in der Hülse eingeschlossenen Brenner oder Heizdraht abgegebenen Wärme auf ihrer Innenseite einen Überzug aus einem hochschmelzenden Metallkarbid trägt. Vorzugsweise besteht die Kathodenhülse aus Tantal und die Karbidschicht aus Wolframkarbid, das eine rauhe, dunkle Oberfläche bildet, welche praktisch einem schwarzen Körper gleichkommt und die vom Brenner oder Heizer abgestrahlte Wärme gut aufnimmt. Daher erreicht die Kathodenhülse nahezu die gleiche Temperatur wie der wendeiförmige Brenner oder Heizer.

Bei einem weiteren bekannten Heizelement für mittelbar geheizte Kathoden wird der Heizdraht, der vorzugsweise bifilar gewickelt ist, von einer Isolierschicht aus reinstem, hochisolierendem Aluminiumoxyd bedeckt, die von einer dünnen, dunkel aussehenden Schicht aus einem Karbid, z. B. Tantalkarbid, mit gutem Wärmeabstrahlungsvermögen überzogen ist. Die Dicke der aufgebrachten, gut wärmeabstrahlenden Schicht, z.B. aus Tantalkarbid, beträgt je nach der Rauhigkeit der Unterschicht 2 bis 10 μ. Der auf diese Weise erreichbare Abstrahlungskoeffizient ist größer als 0,8.

Ein Ziel der Erfindung ist eine Kombination der die Wärme absorbierenden Schicht des Kathodenkörpers mit der die Wärme abstrahlenden Vorrichtung an der Außenseite des Heizers, um die Aufheizdauer möglichst klein zu halten.

Bei einer indirekt geheizten Kathode für elektrische Entladungsröhren mit einem an der Innenfläche des Kathodenröhrchens angeordneten, die Wärme gut absorbierenden Belag ist gemäß der Erfindung der Heizer mit einer Isolierschicht und mit einem die Wärme gut abstrahlenden Belag versehen.

Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes seien die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht im Aufriß einer elektronischen Entladungsröhre gemäß der Erfindung, wobei einige Teile weggelassen sind;

Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines Heizers, der für die Kathode des elektronischen Entladungsgerätes der Fig. 1 verwendbar ist; Indirekt geheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 15. März 1961 (Nr. 95 932)

Walter Townsend Millis, Owensboro, Ky. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene vergrößerte Ansicht der Kathode;

Fig. 4 ist ein -teilweiser Querschnitt durch die zusammengesetzte Anordnung von Heizer und Kathode gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine elektronische Entladungsröhre 11 zu sehen, die eine evakuierte Hülle 13 besitzt, in der eine käfigartige Anordnung mit koaxial verlaufenden Elektroden gehaltert ist; diese Anordnung kann eine Kathode 15, ein Gitter 17 und eine Anode 19 aufweisen. Die Kathode, das Gitter und die Anode werden zwischen einer oberen und unteren, isolierenden Glimmerscheibe 21 und 23 oder einem sonstigen Abstandselement gehaltert, wobei der Käfig von einem Ansatz 25 der Hülle mit Hilfe von Haltern 27 abgestützt ist. Die von den Elektroden zu den Haltern führenden Anschlüsse werden in üblicher Weise ausgeführt und stellen elektrische Verbindungen zu äußeren Stiften 29 dar.

Wenn auch eine Triode als elektronische Entladungsröhre erläutert ist, so sei diese doch nur als Beispiel gewählt, da die Erfindung auch auf andere elektronische Entladungsröhren, z. B. Dioden, Tetroden, Pentoden usw., anwendbar ist, bei denen Kathoden von angenäherter Zylinderform verwendet werden, auf deren äußerer Fläche ein elektronenemittierendes Material niedergeschlagen ist, das bei

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einer Erwärmung eine ergiebige Elektronenquelle ist daher der äußere Überzug elektrisch leitend; liefert. wenn der Heizer in der Bohrung einer Kathodenhülse Die Kathode 15 kann eine etwa zylindrische, bündig eingepaßt ist, wird eine elektrische Verbinröhrenförmige Hülse 31 sein oder enthalten, in der dung zwischen dem äußeren Überzug des Heizers ein Heizer 33 verläuft, der seinerseits von einer 5 und der Kathodenhülse hergestellt. Dementsprechend Quelle (nicht gezeigt) mit Heizstrom versorgt wird. befinden sich der äußere Überzug des Heizers und Der Heizer 33, der in Fig. 2 besser zu sehen ist, kann die Hülse auf demselben Potential, so daß die Kapaeinen Leiter 35 als Heiz- oder Glühfaden enthalten, zität zwischen der Kathodenhülse und dem Heizer der aus Wolfram oder einem anderen feuerfesten unabhängig von einer gegenseitigen Bewegung zwi-Metall hergestellt und mit einem isolierenden Über- io sehen diesen Teilen konstant gehalten wird. Somit zug 37 bedeckt ist; dieser Überzug kann aus einer werden unerwünschte Kapazitätsänderungen zwischen Mischung von Aluminiumoxyd und Aluminiumnitrat dem Heizer und der Kathode und die unerwünschten oder einer anderen isolierenden Mischung oder Ver- Änderungen der Eigenschaften bzw. Kennlinien des bindung bestehen, die auf dem Leiter 35 durch Über- abgestimmten Kreises beseitigt, ziehen mit Druck oder Schliff, durch Aufsprühen 15 Die Kathode 31 gemäß. Fig. 3 kann eine röhren- oder ein anderes kataphoretisches Verfahren aufge- förmige Hülse sein, die äußerst stark die Wärme abbracht wird. Zur Steigerung der Wärmeabstrahlungs- sorbiert, weil sie einen geschwärzten inneren Übereigenschaften des Heizers ist über dem isolierenden zug 41 trägt. Ein derartiger geschwärzter Überzug Überzug 37 ein elektrisch leitender, stark die Wärme kann dadurch hergestellt werden, daß eine ziemlich abstrahlender Überzug 39 vorgesehen, der feinver- 20 dünne Aluminiumschicht auf die Innenfläche der teilten Kohlenstoff in Form von Lampenruß oder Hülse aufgetragen wird. Dieser Überzug erfolgt vor mikroskopisch feinem Graphit enthält. Um den die der Ausbildung der Hülse durch einen Überziehvor-Wärme abstrahlenden Überzug 39 aufzubringen, kann gang unter Druck, bei dem ein ebener Bestandteil aus eine gewisse Menge feinverteilten Kohlenstoffs innig Kathodennickel und ein Aluminiumblatt oder -blech mit einer Mischung aus Aluminiumoxyd oder Alu- 25 fest zu einer dünnen Scheibe unter einem hohen miniumnitrat vermengt werden, die zur Bildung des mechanischen Druck zusammengepreßt werden. Das isolierenden Überzugs 37 verwendet wird; die An- zusammengesetzte Metall wird hiernach zu röhrenteile liegen dabei in einem Bereich von etwa 1 bis förmigen Hülsen umgestaltet, die innen mit AIu-20 Gewichtsprozent Kohlenstoff mit einem ent- minium ausgekleidet sind mit einem Einsatzband, sprechenden Bindemittel. Der die Wärme abstrah- 30 einer Sperre oder überlappten Säumen versehen und lende Überzug kann auch kataphoretisch oder durch auf die gewünschte Länge geschnitten sein können. Sprühen aufgebracht werden; in diesem Fall wird die Die Außenfläche der Hülse ist in üblicher Weise mit kohlenstoffhaltige Mischung in einem Bindemittel, einem elektronenemittierenden Material 43 überzogen. z. B. Nitrozellulose, fein verteilt. Bei den normalen Betriebstemperaturen der Kathode Der sich aus dem zuvor beschriebenen Verfahren 35 wird der verkleidete Aluminiumüberzug in ein Aluergebende Heizer ist schwarz und benötigt zur Über- minium-Nickel-Reaktionsprodukt umgewandelt, das tragung der Wärme vom Leiter 35 zur Kathodenhülse eine geschwärzte Innenfläche liefert und äußerst gut 31 eine kürzere Zeitspanne. die Wärme absorbiert.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung Bei einem anderen Verfahren, in dem ein ziemlich wird ein geschwärzter Außenüberzug 39 dadurch her- 40 geschwärzter, stark die Wärme absorbierender Ubergestellt, daß feinverteiltes oder pulverisiertes Wolfram zug 41 für die Kathodenhülse 31 hergestellt wird, an Stelle von Kohlenstoff entsprechend dem vorher- wird die Innenfläche der Hülse mit Kohlenstoff vergehenden Beispiel mit Aluminiumoxyd und Alu- sehen. Ein solcher kohlenstoffhaltiger Überzug kann miniumnitrat vermischt wird; die Anteile betragen ähnlich wie der feinverteilte Kohlenstoff auf den etwa 1 bis 40 Gewichtsprozent Wolfram, das auf den 45 äußeren isolierenden Überzug 37 des Heizdrahtes 35 isolierenden Überzug 37 durch Überziehen unter aufgebracht werden, wie zuvor beschrieben ist. Der Druck oder Schleifen, durch Aufsprühen oder kata- zu Kohlenstoff umgewandelte Überzug kann dadurch phoretisch aufgebracht wird, so daß ein Überzug mit angebracht werden, daß die eine Oberfläche der der gewünschten geschwärzten, die Wärme stark ab- Nickelhülse abgeschirmt und ein kohlenstoffhaltiger strahlenden Außenfläche entsteht. 50 Überzug auf die andere Oberfläche aufgebracht wird. Die zuvor beschriebene Heizerkonstruktion liefert Ein die Wärme stark absorbierender Überzug kann nicht nur die erwünschten Eigenschaften eines guten auf die Innenfläche der Kathodenhülse auch dadurch Wärmeüberganges, sondern schaltet auch einen ausgebildet werden, daß das blattförmige oder blech-Mangel aus, der bei den bisher verwendeten Anord- artige Kathodennickel vor der Formgebung zur Hülse nungen aus Kathode und Heizer auftritt. Die üb- 55 mit einer ziemlich dünnen Chromschicht plattiert liehen Anordnungen dieser Art, die in elektrischen wird. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird Entladungsröhren für abgestimmte Schaltkreise ver- eine geschwärzte Chromoxydoberfläche, die äußerst wendet werden, zeigen, daß eine Kapazität zwischen stark die Wärme absorbiert, dadurch hergestellt, daß dem Heizer und der Kathode vorhanden ist, die tat- eine Chromschicht in einer Dicke von etwa sächlich einen Teil des abgestimmten Schaltkreises 60 0,0025 mm in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre bilden kann. Unter diesen Umständen führt eine Be- bei einer Temperatur von annähernd 700° C oxydiert wegung zwischen dem Heizer und der Kathode wird. Durch Brennen der Chromplattierung bei Teminfolge eines mechanischen Stoßes oder anderer peraturen von mehr als 700 bis etwa 1100° C werden Schwingungen erzeugender Störungen zu uner- gleichwertige, wärmeabsorbierende Oberflächen in wünschten Änderungen der Kapazität zwischen Heizer 65 beträchtlich kürzeren Zeiten als beim Brennen bei und Kathode, wodurch wiederum unerwünschte 700° C erhalten.

Änderungen der Kennlinie des abgestimmten Kreises Die Chromoxydschicht hat sich bei den normalen Beverursacht werden. Bei den zuvor erwähnten Heizern triebstemperaturen der elektrischen Entladungsgeräte

als äußerst stabil und derart biegsam erwiesen, daß das blattförmige Material bzw. Blech zu Röhren von ziemlich kleinem Durchmesser ohne Bruch oder Ablösung des Oxyds umgestaltet werden kann. Während des zuvor genannten Brennens wird die Nickeloberfläche des Hülsenmaterials nicht nachteilig beeinflußt; diese Oberfläche behält ihr glänzendes Aussehen, da die Nickeloxyde wahrscheinlich bei diesen Brenntemperaturen äußerst instabil sind, so daß die Oxyde, die sich gebildet haben können, leicht reduziert werden, so daß eine glänzende, äußerst reflektierende Nickeloberfläche als Unterlage für das elektronenemittierende Material zurückbleibt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die die Wärme absorbierende Oberfläche 41 auf dem inneren Überzug der Hülse 31 dadurch hergestellt, daß eine Kathodennickellegierung in Blatt- oder Blechform mit einem Überzug aus »Inconel« bedeckt wird, das eine Chrom-Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 15 Gewichtsprozent Chrom ist und etwa die folgenden Bestandteile enthält:

Nickel 77,0%

Chrom 15,0%

Eisen 7,0% ^

Kupfer 0,2%

Mangan 0,25%

Silizium 0,25%

Kohlenstoff 0,06%

Schwefel 0,007%

Wie man herausgefunden hat, liefert ein Überzug oder eine Druckverbindung der Legierung mit dem großen Chromgehalt mit den genormten Kathodenlegierungen, z.B. der Kathodennickellegierung Nr. 225 oder 449 im Verhältnis von etwa 80% (Chromlegierung) zu 20% (Kathodenlegierung) eine gut geschwärzte, die Wärme stark absorbierende Chromoxydoberfläche, wenn das zusammengesetzte Metall in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000° C annähernd 10 Minuten lang gebrannt wird. Die Umwandlung der Chromlegierung zur Bildung des schwarzen Chromoxyds ist ein von der Zeit und Temperatur abhängiger Vorgang, so daß bei einer Brenntemperatur oberhalb 1000° C die Zeitspanne entsprechend geringer als 10 Minuten sein kann. Wiederum wird der Kathodennickellegierungsbestandteil des zusammengesetzten Materials offensichtlich nicht durch das Brennen beeinflußt, da irgendwelches Nickeloxyd, das sich gebildet haben kann, instabil ist und leicht bei der Brenntemperatur wegreduziert wird.

Die elektrischen Entladungsgeräte, die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt sind, haben eine beträchtlich geringere Aufheizzeit wegen des sehr guten Wärmübergangs. In einem Reihenversuch mit den handelsmäßig verfügbaren Arten unter Benutzung üblicher Heizer, die z. B. nicht mit einem äußerlieh geschwärzten, stark die Wärme emittierenden Material überzogen sind, die jedoch zur Erwärmung einer Kathodenhülse mit einer geschwärzten Innenfläche aus Chromoxyd benutzt werden, zeigt der neue Kathodenaufbau eine Verminderung der Aufheizzeit von annähernd 30 bis 38% im Vergleich zu Kathoden üblicher Konstruktion. Bei Kathodenhülsen, deren Wanddicke 0,09 mm beträgt, wird eine durchschnittliche Aufheizzeit von 31 Sekunden unter Benutzung einer üblichen Hülse aus einer Kathodenlegierung beobachtet. Diese Zeitspanne wird bis auf 19 Sekunden herabgesetzt, wenn die Kathodenhülse aus einer Legierung besteht, bei der das Verhältnis der Kathodennickellegierung zu »Inconel« 20:80 beträgt. Bei einer anderen Ausführungsform, bei der eine Kathodenhülse mit einer Wanddicke von 0,055 mm verwendet wird, wird die Aufheizzeit von annähernd 23 Sekunden für eine Hülse aus einer üblichen Kathodenlegierung auf annähernd 16 Sekunden reduziert, wenn eine Kathodenhülse aus der Kathodenlegierung, die mit einem Überzug aus der Legierung »Inconel« im Verhältnis von 20:80 ausgekleidet ist, verwendet wird. Bei beiden Ausführungsformen wird der Überzug aus der Chromlegierung vor der Bildung der Kathoden nach dem zuvor beschriebenen Verfahren oxydiert.

Eine weitere Herabsetzung der Aufheizzeit wird durch Verwendung eines Aufbaues aus Kathode und Heizer gemäß Fig. 4 erreicht, wenn ein die Wärme stark abstrahlender Heizer 33 der zuvor beschriebenen Art zur Aufheizung einer die Wärme stark absorbierenden Kathodenhülse 31 benutzt wird.

Zuvor sind Anordnungen erläutert worden, mit denen die Aufheizzeit elektrischer Entladungsgeräte dadurch herabgesetzt werden kann, daß die Wärmeübergangseigenschaften zwischen dem Heizer und der Kathode eines indirekt geheizten Kathodenaufbaus verbessert werden. Wenn auch die Erfindung in Verbindung mit Kathodenkonstruktionen aus etwa zylindrischen Hülsenkörpern beschrieben ist, so ist sie jedoch auch für Kathodenkonstruktionen anwendbar, die eine etwa ebene, becher- oder tellerförmige Kathode aufweisen, deren eine Seite geschwärzt und in unmittelbarer Nachbarschaft neben dem Heizer angeordnet ist, der einen isolierenden Überzug trägt, der mit einem schwarzen, die Wärme stark abstrahlenden Material versehen ist.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Indirekt geheizte Kathode für elektrische Entladungsröhren mit einem an der Innenfläche des Kathodenröhrchens angeordneten, die Wärme gut absorbierenden Belag, dadurch gekennzeich net, daß der Heizer (35) mit einer Isolierschicht (37) und mit einem die Wärme gut abstrahlenden Belag (39) versehen ist.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärme gut abstrahlende Belag (39) Kohlenstoff oder pulverisiertes Wolfram ist oder diese Stoffe enthält und sich über der Isolierschicht (37) befindet.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekemizeichnet, daß der die Wärme absorbierende Belag (41) Kohlenstoff, das Reaktionsprodukt aus Aluminium und Nickel und Oxyde des Chroms enthält.

4. Kathode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärme absorbierende Belag (41) ein schwarzes Oxyd des Chroms ist oder enthält.

5. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärme absorbierende Belag (41) Kohlenstoff und schwarze Oxyde des Chroms enthält.

6. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (39) elektrisch leitend ist und durch bündige Einpassung des Heizers (33) in das Kathodenröhrchen (31) an dem Belag (41) anliegt, so daß eine elektrische Verbindung

zwischen dem Belag (39)
röhrchen (31) besteht.

und dem Kathoden-

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 967 715, 1090 774.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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