DE1166385B - Incandescent cathode for electron tubes and process for their manufacture - Google Patents
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Description
Glühkathode für Elektronenröhren und Verfahren zu ihrer Herstellung Als Material für Glühkathoden zur Verwendung in hochbelasteten Elektronenröhren, wie Senderöhren, hat thoriertes Wolfram in der Form von Drähten aus Wolfram, welchem Thoriumoxyd in geringen Mengen zugesetzt ist, allgemeine Anwendung gefunden. Bei solchen Kathoden wird die Kathodenoberfläche mindestens teilweise in Karbid umgesetzt. Dies hat vor allem die, Aufgabe, das im Wolfram eingebettete Thoriumoxyd teilweise zu Therium zu reduzieren, welches an die Kathodenoberfläche diffundiert und als monoatomare Schicht die Austrittsarbeit wesentlich erniedrigt. Die im Verlaufe der Lebensdauer durch Abdampfen von der Kathodenoberfläche eintretenden Thoriumverluste werden durch Nachlieferung von Thorium aus dem Innern ersetzt.Hot cathode for electron tubes and process for their manufacture As a material for hot cathodes for use in highly stressed electron tubes, like transmitter tubes, thoriated tungsten in the form of wires made of tungsten, which Thorium oxide is added in small quantities, found general use. at of such cathodes, the cathode surface is at least partially converted into carbide. Above all, this has the task of partially embedding the thorium oxide in the tungsten to reduce therium, which diffuses to the cathode surface and as monoatomic layer significantly reduces the work function. The in the course of the Lifetime due to evaporation of thorium losses from the cathode surface are replaced by subsequent delivery of thorium from within.
Die Verwendung von thoriertem Wolfram als Kathoden,material hat jedoch den Nachteil, daß sich Wolfram mit einem Thoriumoxydzusatz nur schwer verarbeiten läßt und daher nicht in jeder beliebigen Form herstellbar ist. Es sind zwar Stäbe und Drähte erhältlich, dagegen aber nicht großflächige Körper wie Bleche oder Rohre.The use of thoriated tungsten as a cathode material has, however the disadvantage that tungsten with an addition of thorium oxide is difficult to process and can therefore not be produced in any form. It is true that they are bars and wires are available, but not large-area bodies such as sheet metal or pipes.
Es ist ferner eine Thoriumkathode bekannt, die aus einer hochschmelzenden Unterlage mit einem thoriumoxydhaltigen Überzug besteht, wobei der Überzug 5 bis 5004, vorzugsweise 10% mindestens eines Karbides hochschmelzender Metalle wie Wolfram, Tantal usw. enthält und im übrigen, also zu mindestens 501/o, Thoriumoxyd enthält.A thorium cathode is also known, which consists of a high-melting base with a thorium oxide-containing coating, the coating containing 5 to 5004, preferably 10% of at least one carbide of high-melting metals such as tungsten, tantalum, etc. and otherwise, i.e. at least 501 / o , Contains thorium oxide.
Die Erfindung betrifft eine Glühkathode für Elektronenröhren, insbesondere Senderöhren, mit einem hochschmelzenden Metallträger, der einen Überzug aus Wolframkarbid und Thoriumoxyd aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug dicht und glatt ist und höchstens 211/o Thoriumoxyd enthält.The invention relates to a hot cathode for electron tubes, in particular Transmitter tubes, with a refractory metal carrier covered by a coating of tungsten carbide and thorium oxide. It is characterized in that the coating is tight and is smooth and contains at most 211% thorium oxide.
Gegenüber dem bekannten, ganz aus thoriertem Wolfram bestehenden Kahtodenmaterial, weist die Kathode nach der Erfindung den Vorteil auf, daß sie auf Grund des gut verformbaren Metallträgers beliebig geformt sein kann, beispielsweise als großflächiges Rohr. Gleichzeitig bleiben ihr die Vorteile einer thorierten Wolframkathode gegenüber der bekannten Thoriumkathode erhalten. Für Glühkathoden großer Leistung, wie Senderöhren, ist die Verwendung von Kathoden mit hohem Tho#riumgehalt von großen Nachteilen begleitet, da sich das in beträchtlicher Menge verdampfende Thorium auf nicht emittierenden Elektroden wie Steuergittern niederschlägt und dadurch eine unerwünschte und schädliche Emission der betreffenden Elektroden hervorruft. überraschenderweise hat es sich nun gezeigt, daß ein aus Wolframkarbid und höchstens 2% Thoriumoxyd bestehender Überzug bezüglich seiner Ernissionseigenschaften und insbesondere auch bezüglich seiner Lebensdauer einer vollständig aus thoriertem Wolfram bestehenden Kathode keineswegs nachsteht und daß ein derartiger Überzug auf dem Metallträger gut und dauernd haftet.Compared to the known cathode material consisting entirely of thoriated tungsten, the cathode according to the invention has the advantage that it can be shaped as desired due to the easily deformable metal support, for example as a large-area tube. At the same time, it retains the advantages of a thoriated tungsten cathode compared to the known thorium cathode. For hot cathodes of high power, such as transmitter tubes, the use of cathodes with a high thorium content is accompanied by great disadvantages, since the thorium, which evaporates in considerable quantities, is deposited on non-emitting electrodes such as control grids and thereby causes undesirable and harmful emissions from the electrodes concerned. Surprisingly, it has now been shown that a coating consisting of tungsten carbide and a maximum of 2% thorium oxide is in no way inferior to a cathode consisting entirely of thoriated tungsten in terms of its emission properties and in particular also with regard to its service life, and that such a coating adheres well and permanently to the metal support.
Als Material für den gut verformbaren und hochschmelzenden Träger sind beispielsweise die Metalle Tantal und Molybdän odereine Legierung aus Wolfram und Rhenium geeignet. Diese Metalle können ohne Schwierigkeit in eine geeignete Form, z. B. diejenige eines zylindlischen Rohres, gebracht werden.As a material for the easily deformable and high-melting point carrier are for example the metals tantalum and molybdenum or an alloy of tungsten and rhenium suitable. These metals can be converted into a suitable one without difficulty Shape, e.g. B. that of a cylindrical tube can be brought.
Als emittierender, auf den Metallträger aufgebrachter Überzug dient beispielsweise eine Schicht aus thoriumoxydhaltigem Wolframkarbid (W2C) oder aus einer Mischung von thoriertern Wolfram und Wolframkarbid. Der Überzug kann statt aus einer Mischung von Wolfram, Thoriumoxyd und Karbid auch aus mehreren, übereinanderliegenden Schi-chten bestehen, beispielsweise aus einer ersten, inneren Schicht aus thoriertem Wolfram und aus einer zweiten Schicht aus thoriumoxydhaltigem Wolframkarbid. Eine weitere Ausführungsart des emittierenden Überzuges ist durch eine erste, innere Schicht aus thoriertem Wolfram oder einer Mischung von thoriertem Wolfram und Wolframkarbid, und einer zweiten Schicht aus karburiertem thoriertem Wolfram gekennzeichnet.Serves as an emitting coating applied to the metal carrier for example a layer of thorium oxide-containing tungsten carbide (W2C) or of a mixture of thoriated tungsten and tungsten carbide. The coating can take place from a mixture of tungsten, thorium oxide and carbide also from several superimposed Layers consist, for example, of a first, inner layer of thoriated Tungsten and a second layer of thorium oxide-containing tungsten carbide. One Another embodiment of the emitting coating is through a first, inner one Layer of thoriated tungsten or a mixture of thoriated tungsten and tungsten carbide, and a second layer of carburized thoriated tungsten.
Um unerwünschte Reaktionen des Kohlenstoffes aus dem emittierenden Überzug mit dem Trägermetall zu vermeiden, ist es vorteilhaft, zwischen den Metaffträger und den emittiernden überzug eine diffusionshemmende Zwischenschicht aus Rhenium anzuordnen, die galvanisch auf den Metallträger aufgebracht wird.To avoid unwanted reactions of the carbon emitting from the Coating with the carrier metal to avoid, it is beneficial to a diffusion-inhibiting intermediate layer between the meta carrier and the emitting coating to be arranged from rhenium, which is galvanically applied to the metal carrier.
Kathoden gemäß der Erfindung werden nach ihrem Einbau in die vorgesehenen Elektronenröhren in bekannter Weise aktiviert. Die Aktivierung, die aus mehreren kontrollierten Wärmebehandlungen besteht, bewirkt einerseits zusammen mit dem vorliegenden Karbid eine Reduktion des Thoriumoxyds .zu metallischem Thorium und andererseits eine Diffusion des metallischen Thoriums an die Kathodenoberfläche, wo sich eine monoatornare Thoriumschicht bildet.Cathodes according to the invention are after their installation in the intended Electron tubes activated in a known manner. Activation made up of several controlled heat treatments consists, on the one hand, together with the present Carbide a reduction of thorium oxide. To metallic thorium and on the other hand a diffusion of the metallic thorium to the cathode surface, where a monoatornar thorium layer forms.
Im Gegensatz zu bekannten Kathoden mit Heizfäden, bei denen ein heizbarer Träger, z. B. Wolfram# mit einer Emissionsschicht wie einem Erdalkalioxyd und einer diese umgebenden porösen Deckschicht bedeckt ist, muß die Oberfläche der Kathode gemäß der Erfindung möglichst dicht und glatt sein. Dies läßt sich durch Venwendung genügend feinkörniger Ausgangsmaterialien für den überzug (thoriertes Wolfram, Wolfram, Thoriumexyd, Wolframkarbid) erreichen. Bei einer derartigen Oberflächenbeschaffenheit haben die Kathoden bezüglich Wärmeabstrahlung und Heizleistung mindestens gleich günstige Emissionseigenschaften wie die bekannten Kathoden aus thorierten Wolfrarndrähten. Sie weisen aber den beträchtlichen Vorteil auf, daß sie in beliebiger Form, insbesondere als Bleche oder Rohre, mit und ohne Löcher und Schlitze, ferner als Streckmetall herstellbar sind.In contrast to known cathodes with filaments, which have a heatable Carrier, e.g. B. Tungsten # with an emission layer such as an alkaline earth oxide and one this surrounding porous cover layer is covered, the surface of the cathode must be as dense and smooth as possible according to the invention. This can be done by using Sufficient fine-grained raw materials for the coating (thoriated tungsten, tungsten, Thorium oxide, tungsten carbide). With such a surface quality the cathodes have at least the same amount of heat radiation and heating power favorable emission properties such as the well-known cathodes made of thoriated tungsten wires. But they have the considerable advantage that they can be in any form, in particular as sheets or tubes, with and without holes and slots, and also as expanded metal can be produced.
Zur Herstellung der Elektroden eignen sich Verfahren, nach welchen ein feinkörniges, Wolfram, Thoriumoxyd und Kohlenstoff enthaltendes Pulver auf einen beliebig geformten, hochschmelzenden Metallträger aufgebracht und im Vakuum aufgesintert oder aufgeschmolzen wird. Hierzu werden beispielsweise thoriertes Wolfram wie Drahtabfälle und karburiertes, thoriertes Wolfram oder auch karburiertes, thoriertes Wolfram allein zu einem sehr feinkörnigen Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa 1 u zermahlen. Hierauf wird das Pulver durch Aufsprühen, Aufpinseln, Tauchen oder vorzugsweise elektrophoretisch auf den Metallträger aufgebracht. Im Hochvakuum wird schließlich der überzug aufgesintert. Pulverförrnig auf den Träger aufgebrachte Karbide können auch aufgeschrnolzen werden, was eine besonders dichte und glatte Kathodenoberfläche ergibt. Besonders geeignet hierzu ist das Eutektikuni W,C/W, das einen Schmelzpunkt von 24751 C hat.Processes are suitable for producing the electrodes, according to which a fine-grained powder containing tungsten, thorium oxide and carbon is applied to a high-melting metal carrier of any shape and sintered or melted on in a vacuum. For this purpose, for example, thoriated tungsten such as wire scraps and carburized, thoriated tungsten or also carburized, thoriated tungsten alone are ground to a very fine-grained powder with an average grain diameter of about 1 μm. The powder is then applied to the metal support by spraying, brushing, dipping or, preferably, electrophoretically. Finally, the coating is sintered on in a high vacuum. Carbides applied in powder form to the carrier can also be melted, which results in a particularly dense and smooth cathode surface. The eutectic unit W, C / W, which has a melting point of 24751 C , is particularly suitable for this purpose.
Während überzüge aus thoriertem Wolfram noch karburiert werden müssen, beispielsweise durch Erhitzen auf tewa 1300' C in einer Acetylen- oder Benzol/Wasser.stoff-Atmosphäre, können Kathoden mit überzügen aus Karbid enthaltendem Pulver direkt verwendet werden.While coatings made of thoriated tungsten still have to be carburized, for example by heating to Tewa 1300 ° C in an acetylene or benzene / hydrogen atmosphere, cathodes with coatings made of carbide-containing powder can be used directly.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des emittierenden überzuges besteht darin, auf den Metallträger ein feinkörniges Pulvergemisch aus Wolfram und thoriurnoxydhaltigem Wolframkarbid oder auch thoriumoxydhaltiges Wolframkarbid elektrophoretisch aufzubringen und imVakuum aufzusintern oder aufzuschmelzen. Statt dem Wolframkarbid Thoriumoxyd zuzusetzen, kann ihm auch eine Thoriumverbindung, wie Thoriumnitrat, zugesetzt werden, die beim Erhitzen Thoriumoxyd abspaltet. Schließlich kann ein feinkörniges Pulver aus reinem Wolfram, Thoriumoxyd und Kohlenstoff hergestellt, auf den Metallträger aufgebracht und im Vakuum aufgesintert werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, das Pulvergemisch aus Wolfram, aus einer beim Erhitzen Thorium abspaltenden Thoriumverbindung, wie Thoriumnitrat, und aus einer beim Erhitzen Kohlenstoff abspaltenden Verbindung, wie Zucker, zusammenzusetzen, auf den Metallträger aufzubringen, durch Glühen in die gewünschte Emmissionsmasse umzusetzen und schließlich im Hochvakuum zu sintern.Another method of making the emissive coating consists in placing a fine-grained powder mixture of tungsten and on the metal carrier thorium oxide-containing tungsten carbide or thorium oxide-containing tungsten carbide electrophoretically to be applied and to be sintered or melted in a vacuum. Instead of the tungsten carbide Adding thorium oxide can also add a thorium compound, such as thorium nitrate, be added, which splits off thorium oxide when heated. Finally one can fine-grained powder made from pure tungsten, thorium oxide and carbon, applied to the metal support and sintered in vacuo. Here is It is particularly advantageous to use the powder mixture of tungsten, from one when heated Thorium-splitting thorium compound, such as thorium nitrate, and from one when heated Carbon-releasing compound, such as sugar, compose on the metal support to apply, to convert into the desired emission mass by annealing and finally to sinter in a high vacuum.
An Hand von zwei Beispielen seien Verfahren zur Herstellung der Kathoden nach der Erfindung im folgenden näher beschrieben.Two examples are processes for the manufacture of the cathodes according to the invention described in more detail below.
In einem ersten Beispiel wird der aus Tantal bestehende Kathodenträger nach Entfettung mittels eines Gemisches von Alkohol und Äther in einem galvanischen Bad mit einer etwa 1 bis 2 g dicken Rheniumschicht bedeckt. Nicht völlig durchkarburierter, thorierter Wolframdraht mit einem Gehalt an Thoriumoxyd (ThO.,) von etwa 1,5 bis 2% wird sehr fein pulverisiert (mittlerer Korndurchrnesser etwa 1 #t) und in Isobutylalkohol suspendiert, dem eine Spur Nickelnitrat zugesetzt wird. Aus der Suspension wird hierauf die Emmissionsmasse kataphoretisch auf den Tantalkörper aufgetragen, bis die Schichtdicke 5 bis 15 #t beträgt. Die bedeckte Kathode wird im Hochvakuum bei mindestens 1800c C während 30 Minuten gesintert. Nach dem Einbau der Kathode in die Elektronenröhre wird die Emissionsschicht in bekannter Weise aktiviert. In a first example, the cathode carrier made of tantalum is covered with a 1 to 2 g thick layer of rhenium after degreasing by means of a mixture of alcohol and ether in a galvanic bath. Not completely durchkarburierter, thoriated tungsten wire having a content of thorium oxide (ThO.,) Of about 1.5 to 2% will be very finely pulverized (average grain diameter about 1 #t) and suspended in isobutyl alcohol, which is a trace of nickel nitrate was added. The emission mass is then applied cataphoretically from the suspension onto the tantalum body until the layer thickness is 5 to 15 t. The covered cathode is sintered in a high vacuum at at least 1800c C for 30 minutes. After the cathode has been installed in the electron tube, the emission layer is activated in a known manner.
In einem zweiten Beispiel wird auf den sauber entfetteten Kathodenträger aus Tantal au-, einer Suspension von sehr fein pulverisiertem Wolfram mit etwa 1,5 bis 2% Thoriumoxydgehalt in Isobutylalkohol eine 2 bis 5 ' tt dicke Schicht kataphoretisch aufgetragen. Hierauf wird aus einer Suspension in Isobutylalkohol eine 5 bis 15 (1 dicke Schicht sehr feinkörnigen thoriumoxydhaltigen Wolframkarbids (W#,C) kataphoretisch abgeschieden und durch Erhitzen auf mindestens 1800' C im Hochvakuum während 30 Minuten durchgesintert. Da die Schicht aus Wolframkarbid nicht in direktem Kontakt mit dem Tantalträger steht, erübrigt sich das Aufbringen einer diffusionshemmenden Zwischenschicht aus Rhenium. In a second example, a 2 to 5 % thick layer is cataphoretically applied to the cleanly degreased cathode support made of tantalum au-, a suspension of very finely powdered tungsten with about 1.5 to 2% thorium oxide content in isobutyl alcohol. A 5 to 15 (1 thick layer of very fine-grained thorium oxide-containing tungsten carbide (W #, C) is then cataphoretically deposited from a suspension in isobutyl alcohol and sintered through for 30 minutes by heating to at least 1800 ° C. in a high vacuum If there is contact with the tantalum carrier, there is no need to apply a diffusion-inhibiting intermediate layer of rhenium.
Claims (2)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE4114487A1 (en) * | 1991-05-03 | 1992-11-05 | Wilhelm Dr Ing Ziegenbein | High-output hot cathode for electronic appts. - has tantalum@ support to which tungsten-thorium pieces are applied |
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| DE1080700B (en) | 1958-05-17 | 1960-04-28 | Deutsche Elektronik Gmbh | Process for the production of an indirectly heated cathode, in particular for magnetrons with high oscillating power, and cathode produced according to this process |
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