DE2612285A1 - Elektronengeraet - Google Patents

Description

RGA 68046 22. März 1976

USSH 561,440 · 7921-76 Dr.v.B/S

Piled: March 24, 1975

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Elektronengerät

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronengerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektronenröhre mitteiner direkt geheizten Matrixkathode.

Ein Elektronengerät enthält gewöhnlich einen evakuierten Kolben und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Elektronenemission im Kolben. Eine solche Vorrichtung, die als Matrix-Vorrats- oder Dispenserkathode bezeichnet wird, enthält einen porösen Körper und eine Matrix aus einem hitzebeständigen Metall sowie ein elektronenemissionsfähiges Material in den Poren des Körpers. Bei bekannten Kathoden dieser Art ist der Körper auf oder in einem hitzebeständigen Bauteil gelagert, gewöhnlich einerHülse oder einem Behälter aus Metall. Dieses Trägerteil wird auf die Betriebstemperatur entweder indirekt mittels Stromdurchganges durch einen getrennten Heizer erhitzt, wie es beispielsweise in der US-PS 3 760 218 beschrieben ist, oder durch direkten Stromdurchgang durch das Trägerteil, wie es z.B. aus der US-PS 3 758 808 bekannt ist. Aus der US-PS 3 263 115 ist es bekannt, am Trägerteil Beine oder Streben anzubringen und der Heizstrom fließt durch die Streben, das

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Trägerteil und den Körper; die Streben, die das Trägerteil durch Wärmeleitung und Strahlung erhitzen, sind so geformt, daß die Hitze auf das Trägerteil begrenzt oder konzentriert wird.

Me bekannten Anordnungen dieser Art sind ungefüge und passen daher nicht gut z.B„ in kommerzielle Fernsehbildröhre!].. Wegen der Masse und der großen strahlenden Oberfläche lassen die bekannten Anordnungen außerdem hinsichtlich des Leistungs—Wirkungsgrades zu wünschen übrig. Auch wegen ihres hohen Leistungsbedarfes lassen sich die bekannten Kathoden der erwähnten Art in den derzeitigen i'ernsehbildrÖhren praktisch nicht verwenden. Sie sind ferner relativ massiv, so daß ihre Aufheizgeschwindigkeit für viele Röhren untragbar langsam ist.

Die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, diese lachteile weitestgehend zu vermeiden.

Bei einem Vakuumelektronengerät gemäß der Erfindung wird also eine Heizer-Kathoden-Anordnung verwendet, welche einen porösen, elektrisch leitfähigen Körper enthält, in dessen Poren ein emissionsfähiges Material gespeichert ist. Mindestens zwei mit einem erheblichen elektrischen Widerstand behaftete Streben sind mit beabstandeten Stellen auf dem Körper direkt verbunden; sie begrenzen dadurch die Enden eines elektrischen Stromweges durch den Körper und bewirken außerdem seine mechanische Halterung. An die Streben ist eine elektrische Spannung anlegbar. Wenn die Spannung angelegt ist, fließt ein elektrischer Strom durch die Streben und den Körper, wodurch die Streben durch die entstehende Joule"sehe Wärme erhitzt werden. Die in den Streben erzeugte Wärme geht dann durch Wärmeleitung auf den Körper über und erhitzt diesen auf seine Betriebstemperatur.

Damit die angelegte Spannung zum größten Teil an den Streben und nur zu einem unwesentlichen Teil am Körper abfällt, ist der im Stromkreis liegende elektrische Widerstand

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des Körpers vorzugsweise viel kleiner als dsr der Streben. Dies läßt sich beispie Isweise dadurch erreichen, daß man die stromführenden Querschnitte der Streben klein im Vergleich zu denen des Körpers macht und die Länge des Stromweges in den Streben groß im Vergleich zu der des Stromweges im Körper macht. Damit die Strahlungsverluste möglichst gering sind, gibt man den Streben vorzugsweise einen kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt und der Körper hat vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische oder sphärische !Form oder eine !Form, die zwischen diesen beiden Pormen liegt.

Dadurch, daß der Körper direkt an die stromführenden Streben angeschlossen wird, daß man passive Komponenten, wie Abschirmungen, Behälter, Hülsen und Trägerelemente vermeidet, und daß die Oberfläche des Körpers sowie der Streben bezüglich ihres Volumens verringert wird, ergibt sich eine erhebliche Reduzierung sowohl des Raumbedarfes als auch der Masse der Anordnung. Dies ermöglicht den Bau von Kathoden-Heizer-Anordnungen, die klein bauen und sich schnell erwärmen, so daß sie u.a. auch in kommerziellen Pernsehbildröhren verwendet werden können. Die Verringerung des Raumbedarfes und der Masse ist nicht mit einer Verringerung des im Körper gespeicherten elektronenemissionfähigen Materials verbunden. Das Elektronengerät gemäß der Erfindung zeichnet sich also durch hohen Leistungswirkungsgrad und durch kurze Aufheizzeiten aus, ohne daß dabei Abstriche an der Lebensdauer der Kathode gemacht werden müssen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Pig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Ausfuhrungsform der Erfindung in Form einer Kathodenstrahlröhre mit direkt beheizter Kathode;

Pig. 2 eine geschnittene Seitenansicht der Heizer-Kathoden-Anordnung der Röhre gemäß Pig. 1;

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Pig. 3 eine !Draufsicht in eine Ebene 3-3 der Pig. 2;

Pig. 4 eine zur Erläuterung dienende schematische Seitenansicht einer Heizer-Kathoden-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 5 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie wesentlich die Strebenlänge bei einer Heizer- Kathoden-Anordnung der in Pig. 2 dargestellten Art ist.

Die in Pig. 1 dargestellte Kathodenstrahlröhre 11 enthält einen Kolben 13 mit einem Hals 15, einer Bildfenster 17 und einem verbindenden trichterförmigen Teil 19. Im Hals 15 ist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 21 angeordnet, das einen auf die Prontplatte gerichteten Kathodenstrahl erzeugt. Der Hals 15 ist am einen Ende durch einen Röhrenfuß 23 abgeschlossen, in den eine Reihe von Durchführungen 25 eingeschmolzen sind, über die das Elektronenstrahlerzeugungssystem 21 mit Betriebsspannungen versorgt wird. Am trichterförmigen Teil 19 befindet sich ein Hochspannungsanschluß 27, der mit einer nicht dargestellten leitenden Beschichtung im Inneren des trichterförmigen Kolbenteils 19 in Verbindung steht. Auf der Innenseite der Prontplatte 17 befindet sich ein nicht dargestellter Lumineszenzschirm, der eine oder mehrere Schichten aus Teilchen enthält, die in einer oder mehr Parben lumineszieren, wenn sie durch den Elektronenstrahl oder die Elektronenstrahlen vom Strahlerzeugungssystem 21 angeregt werden. Bei der Verbindung zwischen dem Hals 15 und dem trichterförmigen Teil 19 ist ein magnetisches Ablenkjoch 29 angeordnet, mit dem der oder die Elektronenstrahlen rasterartig über den Lumineszenzschirm abgelenkt werden können. Bis auf die Heizer-Kathoden-Anordnung des Heitronenstrahlerzeugungssystems 21 kann die Kathodenstrahlröhre "11 in bekannter Weise aufgebaut sein und betrieben werden.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 21 enthält mehrere Elektroden oder Gitter, einschließlich eines dem Röhrenfuß 23

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am nächsten gelegenen ersten Gitters, die an Glasstützen gehaltert sind. Das in I"ig. 2 genauer dargestellte erste Gitter 33 ist im wesentlichen becherförmig und sein offenes Ende ist zum Röhrenfuß 23 hin gerichtet. Außen sind an entgegengesetzten Stellen am Gitter 33 zwei Halterungen 35 angeschweißtp die in die Glasstützen 31 eingeschmolzen sind. In der Mitte der sonst geschlossenen Stirnwand 39 befindet sich eine hinsichtlich ihrer Größe und Form sorgfältig bemessene Öffnung 37.

Im ersten Gitter 33 ist eine in den Pig. 2 und 3 genauer dargestellte Heizer-Kathoden-Anordnung untergebracht, die eine elektrisch isolierende Keramikgrundplatte 41 enthält, die durch drei streifenartige Halterungen 43 an der Innenwand des Gitters 33 gehaltert ist. Die Grundplatte 41 wird von zwei in sie eingeschmolzenen oder eingelöteten Stützen 45 und 46 durchsetzt, die einen Matrixkathoden-Körper 47 über Heizer-Beine, -Schenkel oder -Streben 49 und 51 gegenüber der Öffnung 37 im Gitter haltern.

Der Matrixkathoden-Körper 47 ist ein kommerziell übliches Element (z.B. eine Type M Kathode, wie sie von der North American Philips Co., New York, N.Y. erhältlich ist), der einen porösen Körper aus einem hitzebeständigen Metall (z.B. Wolfram) enthält, der zylinderförmig sein kann und beispielsweise einen Durchmesser von 1,12 mm und eine Höhe von 0,89 mm hat. Auch andere Matrixkathoden-Körper können verwendet werden. Der Matrixkathoden-Körper 47 enthält in seinen Poren ein elektronenemissionsfähiges Material, wie Bariumaluminat. Die Heizer-Streben 49 und 51 können z.B. aus rundem Tantaldraht mit einem Durchmesser von 0,18 mm bestehen und etwa 10,16 mm lang sein. Die Streben 49 und 51 sind jeweils im wesentlichen U-förmig, um Verschiebungen der Kathode infolge von Abmessungsänderungen der Streben bei deren Erwärmung und Abkühlung zu vermeiden. Auch andere Konfigurationen können verwendet werden. Die Streben 49 und 51 sind jeweils an ihrem

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einen Endbereich etwas abgeflacht oder breitgedrückt und in d.er Nähe des Endes mit entgegengesetzten Seitender Seitenwände des Körpers 47 verschweißt. Bei den anderen Enden sind die Streben 49 und 51 an den Stützen 45 bzw. 46 in der Ifähe deren oberer Enden verschweißt. Die Stützen 45 und 46 tragen jeweils einen Flansch oder Kragen 53 bzw. 55, die die keramische Grundplatte 41 gegen das Material abschirmen, das von Körper 47 und den Streben 49, 51 verdampft. Die Stützen 45 und 46 dienen auch als Anschlußvorrichtungen für eine Spannungsquelle und sind hierfür über ihre verlängerten Enden mit zwei Durchführungen 25 des Röhrenfußes verbunden.

Im Betrieb der Kathodenstrahlröhre 11 werden den Elektroden der Höhre die üblichen Spannungen zugeführt, mit der Ausnahme der Heizer-Kathoden-Anordnung. Letzterer wird eine solche Spannung zugeführt, daß ein Strom fließt, der in den Streben genügend Hitze erzeugt, um den Körper 47 auf die vorgesehene Betriebstemperatur zu bringen. Die Menge der in den Streben und im Körper verbrauchten elektrischen Leistung bestimmt die Temperatur, die erreicht und aufrechterhalten werden kann. Bei der Struktur gemäß dem oben beschriebenen Beispiel erreicht der Körper, wenn durch die Streben ein Strom von etwa 2,0 Ampere fließt, eine Temperatur von etwa 1450° K in etwa 6 Sekunden, und diese Temperatur wird mit einem Leistungsverbrauch von etwa 2,1 Watt aufrechterhalten. Die Streben 49 und 51 sind etwa 150 bis 200° K heißer als der Körper 47. Die Sättigungsstromdichte für die Elektronenemission von einer M-Kathode beträgt bei 145 G etwa 16 A/cm . Der elektrische Widerstand der Streben errechnet sich zu etwa 0,5 0hm und der des Körpers zu etwa 7 s 10""⁴" 0hm bei einer Betriebstemperatur des Körpers von 145O⁰C.

In einer Seihe von Experimenten, bei denen Strukturen mit Streben verschiedener Längen verwendet und Ströme unterschiedlicher Beträge durch diese Strukturen geleitet wurden,

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ist festgestellt worden, daß es für jede spezielle Temperatur des Körpers eine optimale Strebenlänge gibt. Untersuchungen haben gezeigt, daß im Körper 47 nur sehr wenig Joulesche Wärme erzeugt wird, obgleich der Körper ein Teil des Heizstromkreises ist. Es wird vielmehr praktisch die ganze Wärme in den Streben 49 und 51 erzeugt, da diese einen sehr viel größeren Widerstand haben als der Körper 47c Dies wird dadurch erreicht, daß der Stromweg in den Streben viel langer ist und einen viel kleineren Querschnitt hat als der Stromweg im Körper. Die in den Streben entstehende Wärme wird einerseits durch Wärmeleitung z.T. an den Körper und z.T. an die Stützen 45 und 46 weitergegeben und andererseits auch von den Streben abgestrahlt.

Wie in dem in E¹Ig. 4 dargestellten Modell, bei dem die gleichen Bezugszahlen wie in Pig. 3 verwendet sind, gezeigt ist, teilt sich die G-esamtleistung P, die die Struktur aufnimmt, in drei Teile auf: Ein Teil P₂ S^en"t auf den Körper 47' über, ein weiterer Teil P₁ geht auf die Stützen 45' und 46' über und ein dritter Teil P₁ wird von den Streben 49' und 51' abgestrahlt. Praktisch die ganze Leistung P_c2» äie auf d-en Körper 47' übergeht, wird von diesem als Strahlung P ₂ abgegeben. Es gilt also:

P = I²R = P₀₂ + P_rl +P₀₁,

wobei I der Strom und R der Gesamtwiderstand der Streben 49' und 51^! sowie des Körpers 47' ist. Da P „ im wesentlichen vollständig als Strahlung P_r2 abgegeben wird, verringert eine Herabsetzung der Strahlungsverluste des Körpers 47' offensichtlich die aufgenommene Leistung (Verlustleistung). Der Wert P_r1 ist der Strahlungsverlust von den Streben 49^! und 51'. Die Strahlungsverluste können durch eine Verkleinerung der strahlenden Oberfläche verringert werden. Beim Erfindungsgegenstand werden die Strahlungsverluste durch Verkleinerung der Oberflächen des Körpers 47 und der Streben 49 und 51

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herabgesetzt. Hierin unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand wesentlich von den bekannten Einrichtungen, bei denen Strukturen mit relativ großen strahlenden Oberflächen verwendet wurden,, Ferner sollte die Strebenlänge groß genug sein, um die Wärmeleitungsverluste P .. über die Stützen 45 und 46 klein zu halten, andererseits soll die Strebenlänge nicht so groß werden, daß sich eine übermäßige Strebenoberfläohe ergibt. Es läßt'sich zeigen, daß die insgesamt verbrauchte Leistung mit zunehmender Temperatur des Körpers und (bei vorgegebener Temperatur des Köpers) mit zunehmender Strebenlänge zunimmt. Der Strom und P₁ werden mit zunehmender Strebenlänge kleiner und nehmen für große Strebenlängen bei konstanten Körpertemperaturen einen konstanten ¥ert an. ¥ie 3?ig. 5 zeigt, gibt es also eine optimale Strebenlänge, deren ¥ert von der Temperatur des Körpers abhängt; die optimale länge ist um so kritischer, je höher die Betriebstemperaturen sind. In Pig.5 ist längs der Ordinate eine Gütezahl M aufgetragen, die wie folgt definiert ist:

M = I² χ P χ P_c1

und die Kathode ist um so brauchbarer, je niedriger der Wert von M ist.

Wählt man die Länge und den Durchmesser der Streben sowie die Höhe und den Durchmesser des Körpers in geeigneter Weise, so lassen sich Heizer— Kathoden-Anordnungen herstellen, die sich durch relativ kurze Aufheizzeiten (unter 10 Sekunden) und relativ niedrigen Leistungsbedarf auszeichnen. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden durch die Verringerung der Oberfläche und der Masse (thermischen Trägheit) der Anordnung erreicht. Die Vorteile lassen sich ohne Verringerung derMenge des emissionsfäMgen Materials im Körper erreichen.

Die Heizer-Kathoden-Anordnung gemäß der Erfindung hat ferner den Vorteil einer einfachen Konstruktion, da ein elektrisch leitfähiger Matrix-Kathoden-Körper, zwei mit

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nennenswertem elektrischen Widerstand behaftete und am Körper angebrachte Streben und Anschlüsse zum Hindurchleiten eines Stromes durch die Streben und den Körper alles ist, was benötigt wird. Hülsen, Ummantelungen, Abschirmungen, Überzüge und Behälter sind weder erforderlich noch erwünscht. Passive Strukturen dieser Art erhöhen nur den Raumbedarf, die Masse und die strahlende Oberfläche der Anordnung. Der Matrixkörper und die Streben sollen so geformt sein, daß sie eine möglichst kleine Oberfläche haben und sowohl hinsichtlich des Materials als auch hinsichtlich der Herstellung möglichst geringe Kosten erfordern. Hierfür eignen sich im wesentlichen zylindrische, kreisförmige oder sphärische Formen, die kommerziell erhältlich und leicht herstellbar sind.

Die Streben sollen den Stromfluß einen Widerstand entgegensetzen, der mindestens hundertmal, vorzugsweise fünfhundert- bis eintausendmal größer ist als der Widerstand des Körpers. Da die Streben und die Matrix des Körpers aus dem gleichen hitzebeständigen Metall oder ähnlichen hitzebeständigen Metallen bestehen können, beruhen die unterschiedlichen Widerstandswerte gewöhnlich, nicht auf den Urterschieden der spezifischen Widerstände der betreffenden Teile. Die erforderlichen Widerstandsunterschiede werden vielmehr in der Hauptsache durch die unterschiedlichen Länger und Querschnitte der stromführenden Teile der Streben und des Körpers erzielt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3?ig. 2 sind die Streben etwa achtzehnmal langer als der Körper und ihr Querschnitt beträgt nur etwa ein Vierzigstel des größten Querschnittes des Körpers längs des Stromweges. Der Widerstand der Streben ist daher mehr als siebenhundertmal größer als der des Körpers. Über 98 $ der vom Körper verbrauchten bzw. abgegebenen Leistung wird in den Streben erzeugt und dem Körper durch Wärmeleitung zugeführt.

Da der Körper nicht abgedeckt ist, könnteman annehmen, daß Elektronen in allen Richtungen zum Gitter hin emittiert werden. Im Betrieb ist die Gitterelektrode jedoch gewöhnlich

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negativ bezüglich des Körpers vorgespannt und verhindert dadurch eine Elektronenemission von der Oberfläche des Körpers mit der Ausnahme eines sehr kleinen Bereiches an der Stirnwand des Körpers 47 gegenüber der Öffnung 37, wo ein positives PeId von der benachbarten Elektrode oder Anode durch die Öffnung 37 bis zur Oberfläche des Körpers 4-7 durchgreift.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich der oben beschriebenen aufgebaut ist, werden die Elektronen von der als Hilfskathode arbeitenden direkt geheizten Kathode dazu verwendet, eine weitere Hauptkathode zu erhitzen. Die Elektronen von der direkt geheizten Hilfskathode (entsprechend der Kathode 47 in Pig. 2) bombardieren die Hauptkathode, die dadurch auf Emissionstemperatur gebracht wird. Eine solche Anordnung hat zwar einen größeren Raumbedarf und eine größere Masse als die beschriebene direkt geheizte Struktur, es lassen sich jedoch immer noch ein guter LeJsbungswirkungsgrad und eine kurze Aufheizdauer erreichen, außerdem läßt sich eine der Kathode zugeführte Signalspannung von der der Hilfskathode zugeführten Heizspannung elektrisch trennen.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Π.j Elektronengerät mit einem evakuierten Kolben und einer in diesem angeordneten elektronenemittierenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenemittierende Vorrichtung

   a) einen porösen, elektrisch leitfähigen Körper (47), in dessen Poren sich ein elektronenemissionsfähiges Material befindet;

   b) mindestens zwei mit einem elektrischen Widerstand behaftete Streben (49» 51)? die an beabstandeten Stellen am Körper direkt angebracht sind, und

   c) eine Anschlußvorrichtung (45, 46) zum Erzeugen eines Stromflusses durch den Körper und die Streben aufweist.
2. 2. Elektronengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Widerstände der Streben (49, 51) mindestens hundertmal größer als der Widerstand des Körpers (47) ist.
3. 3. Elektronengerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeic hn e t , daß die Summe der Widerstände der Streben (49, 51) zwischen 500-und 1000-mal größer ist als der Widerstand des Körpers (47).
4. 4. Elektronengerät nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwege in den Streben (49, 51) einen wesentlich kleineren Querschnitt als der Stromweg im Körper (47) haben, so daß der Körper nur einen kleinen Teil des gesamten Widerstandes bildet, der dem Stromfluß dargeboten wird.

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5. 5. Elektronengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (49, 51) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben; daß der Körper (47) eine im wesentlichen zylindrische Form hat; und daß die Streben mit voneinander beabstandeten Teilen der Seitenwand des Körpers verbunden sind.
6. 6. Elektronengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (49, 51) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben und daß der Körper im wesentlichen kugelförmig ist.

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