DE1080700B - Process for the production of an indirectly heated cathode, in particular for magnetrons with high oscillating power, and cathode produced according to this process - 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.The invention relates to a novel method for producing an indirectly heated cathode, in particular for magnetrons with high vibration power, with a tubular and thin-walled carrier Molybdenum, on the outer surface of which an emission layer containing thorium oxide is sintered and in the interior of which is a heater that does not touch the carrier. The subject of the invention is furthermore a cathode manufactured according to this process, which is intended in particular for magnetrons with high vibration power.

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.Magnetron cathodes are generally in the form of a metal cylinder made of nickel with flanges attached to the ends. The emission layer, which consists of carbonates of barium, strontium and sometimes small amounts of magnesium, is applied to the outer surface of the cylinder. In order to achieve better durability of the emission layer, the emission substance is mixed with nickel or cobalt powder in a certain ratio. A tungsten filament insulated from the metal cylinder _{with Al 2} O ₃ is used as a heater.

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.These known emission layers are converted, degassed and formed in a tube structure under vacuum. In the oscillating operation of the magnetron, they are quite useful in terms of service life and oscillating power. With an oscillating power of a magnetron equipped with such a cathode of 400 watts for each 1 cm ² cathode surface, such tubes have a service life of around 1000 hours.

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.However, this maximum load capacity is not sufficient for various areas of application. That's why you have already made various proposals to the robust thorium oxide as an emission substance for To make magnetron cathodes usable. For example, a cathode is already known whose Carrier consists of a tubular and thin-walled element made of molybdenum, on its outer surface the emission layer of thorium oxide is applied and the carrier is not in its interior contacting heater is located.

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.The use of thorium oxide for magnetron cathodes has so far failed because it was considerable Difficulties making the thorium oxide on when degassing in a high vacuum - and also for a sufficient emission to bring the required high temperature.

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 solchenThat is why it has already been suggested to embed a tungsten filament in thorium oxide and sinter it up or a mixture of tungsten powder and thorium oxide as the basis for the emission layer gain weight. The electrical resistance of such a

Verfahren zur HerstellungMethod of manufacture

einer indirekt geheizten Kathode,an indirectly heated cathode,

insbesondere für Magnetronsespecially for magnetrons

hoher Schwingleistung,high vibration power,

und nach diesem Verfahrenand following this procedure

hergestellte Kathodemanufactured cathode

Anmelder:Applicant:

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

Richard Magner, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt wordenRichard Magner, Darmstadt,
has been named as the inventor

Gemisches kann dabei so variiert werden, daß ohne Anwendung zu hoher Ströme solche Körper auf die Emissionstemperatur des Thoriumoxydes gebracht werden können.Mixture can be varied so that without applying excessively high currents such bodies on the Emission temperature of the thorium oxide can be brought.

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. However, these suggestions could not prevail. It is understandable that embedding a Tungsten filament in thorium oxide can only be carried out with difficulty. The application of a mixture of tungsten powder and thorium oxide have two shortcomings: The mechanical strength of such sintered bodies are not big enough, so they are very fragile, and besides, the Fastening of the power connections cannot be carried out safely.

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-The invention now shows a way in which a cathode can be produced which has the deficiency explained of the known cathodes does not have. It is based on the well-known cathode design with a tubular one and thin-walled support made of molybdenum with a thorium oxide on its outer surface Emission layer is sintered on and a heater which does not touch the carrier is located in its interior is located. According to the invention, the method for producing such a cathode consists in that a known mixture of thorium oxide and tungsten powder is also mixed with molybdenum powder. joined and this mixture applied to the tubular support made of molybdenum, z. B. is sprayed on, that this is then subjected to a known sintering in hydrogen at about 1600 ° C and that then in a hydrogen

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füllten Kohlezylinder ein - Glühvorgang bei etwa 1500° C durchgeführt wird.filled carbon cylinders - annealing process is carried out at about 1500 ° C.

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.The essential feature of the cathode produced according to the invention is that the on the emission layer on the outer surface of the Mölybden tube consists of a mixture, which, in addition to thorium oxide and tungsten powder, also contains molybdenum powder, i.e. two metal powders. Of the inside the Mölybdänröhrchens housed heater must through an annular gap, so through an annular free space, from the inner wall of the Mölybden tube must be separated and have sufficient thermal and mechanical strength, so that no short circuit occurs between it and the molybdenum tube during operation can. For this purpose, the heater can, for example, be a carbon rod or a thin-walled one Be carbon cylinders. A tungsten coil can also be used as a heater, which is expedient is recrystallized at about 2400 ° C.

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.The method is based on the knowledge that mixtures of tungsten and molybdenum powder with thorium oxide already at temperatures of around 1600 ° C much more firmly on a molybdenum cylinder leave to sinter as mixtures containing only tungsten powder with thorium oxide. The mixing ratio of the two metal powders can be varied within wide ranges and can, for example between 10 parts by weight of tungsten with 90 parts by weight of molybdenum and 90 parts by weight of tungsten 10 parts by weight of molybdenum lie. On the other hand, if possible, no more than 50 parts by weight of thorium oxide should be used can be used in the total substance of the mixture, otherwise the emission layer has the metallic Loses character and no longer adheres so well.

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.In general one does not like to use molybdenum as a component in a cathode, since it is already small Amounts of molybdenum can have a poisonous effect on the emission of a cathode.

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.If, however, one proceeds in the manufacture of the cathode in such a way that an annealing process in hydrogen can be switched on, then the disruptive influence of molybdenum oxide can be eliminated. For example, the welded connections on the cathode must be made using nickel as a welding aid, although the ^{amount of nickel to be used should be less than 1 mg / cm 2 of} welding area. Molybdenum bodies welded with nickel can be annealed brightly in hydrogen without having to worry about the strength of the connection. If, after sintering the emission layer in hydrogen, a short annealing treatment is carried out in hydrogen in a carbon cylinder, the metal component absorbs a certain amount of carbon, which poisons the emission substance during further treatment of the cathode during the construction and manufacture of the tube as well as prevented during the pumping process.

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.The tubular cathode carrier made of molybdenum should be as thin-walled as possible in order to be sufficiently thick To be able to bring emission layer to the required emission temperature without difficulty. If a recrystallized tungsten filament is used as a heater, then between the filament and the Inside diameter of the carrier a sufficiently large annular gap to remain free even with a slight bending of the coil to prevent the risk of short circuits. With a cathode diameter of about 5 mm and a length of the cathode of 20 mm, the annular gap should be about 0.5 to Be 0.6 mm wide. When using a coal heater, a gap about 0.2 mm wide is sufficient.

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 unterThe production of a cathode takes place according to the method according to the invention as follows: On a drawn or rolled and welded using nickel as a welding aid Molybdenum tubes with a wall thickness of 0.1 mm are also under the molybdenum end flanges

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-ίο With the help of nickel welded on. This body is expediently annealed briefly at about 1500 ° C. in the H ₂ furnace before the emission layer is applied. Then an emission paste, consisting of a mixture of, for example, 25 weight

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.x5 parts molybdenum, 25 parts by weight tungsten and 10 parts by weight thorium oxide, applied to the cathode body with a layer thickness of up to 300 μ, for example, in a spray process. This layer is then sintered in a stream of _{H 2 at around 1600 ° C.} The cathode body is then briefly annealed in a carbon cylinder. The Wolf ramwendel or the coal heater is installed, after which the finished cathode can be mounted in a magnetron system. The cathode is baked out and formed in the usual way. The cathode is degassed at around 1700 ° C. and operated at 1500 to 1600 ° C. Several cathodes produced in this way showed no emission problems in any case and gave an emission current of about the same magnitude compared to a lanthanum boride cathode with the same heating power.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der nach dem Verfahren hergestellten Kathode dargestellt. Es zeigtIn the drawing, two exemplary embodiments of the cathode produced by the method are shown. It shows

Fig. 1 eine Kathode mit Kohleheizer undFig. 1 shows a cathode with a coal heater and

Fig. 2 eine Kathode mit einer rekristallisierten Wolframwendel als Heizer.2 shows a cathode with a recrystallized tungsten coil as a heater.

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. 1, 1 is the heater in the form of a thin-walled carbon cylinder, 2 and 3 are the means Thread 9 on the heater 1 attached molybdenum flanges, while 4 made the tubular support Molybdenum, 5 the emission layer sintered on the molybdenum carrier 4 and 6 the annular gap between the heater 1 and the tubular support 4. At the upper end of the molybdenum tube 4 an insulating ring 10 is inserted about 1 mm deep into the annular gap 6. The isolation ring 10 can e.g. B. made of beryllium or aluminum oxide and for example by spreading a suspension these oxides are obtained in a collodion solution in acetate.

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.In Fig. 2, 7 is the recrystallized tungsten filament serving as a heater. 2, 3 and 4 designate the cathode carrier made of molybdenum with the welded flanges, 5 the emission layer, 6 the annular gap between helix 7 and carrier 4 and 8 finally an aluminum oxide body which serves as insulation between heater 7 and cathode carrier 2, 4. During the operation of the cathode, the aluminum oxide body 8 does not assume such high temperatures that the insulation is endangered.

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 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 berührender1. Process for the production of an indirectly heated cathode, in particular for magnetrons high vibration power, with a tubular and thin-walled support made of molybdenum the outer surface of which is sintered with an emission layer containing thorium oxide and in its Interior is not touching the wearer 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.Heater is located, characterized in that a known mixture of thorium oxide and Tungsten powder or molybdenum powder was added and this mixture was placed on the tubular carrier applied from molybdenum, z. B. is sprayed on that this is a known sintering is subjected in hydrogen at about 1600 ° C and that then in one with hydrogen filled carbon cylinder an annealing process at about 1500 ° C is carried out. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that a mixture of thorium oxide and a metal powder mixture is used, which consists of 10 to 90 parts by weight of tungsten powder and 90 to 10 parts by weight of molybdenum powder consists. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht mehr als 50 Gewichtsteile Thoriumoxyd in dem Gemisch verwendet werden.3. The method according to claim 2, characterized in that not more than 50 parts by weight of thorium oxide can be used in the mixture. 4. Kathode, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der4. Cathode, manufactured according to the method according to Claim 1 to 3, characterized in that the Heizer ein Kohlestab oder ein dünnwandiger Kohlezylinder ist,Heater is a carbon rod or a thin-walled carbon cylinder, 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.5. Cathode according to claim 4, characterized in that the power supply connections for the heater at the ends of the carbon rod or cylinder the shape of optionally means Have threads attached to molybdenum flanges on the carbon rod or cylinder. 6. Kathode, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer eine bei ungefähr 2400° C rekristallisierte Wolframwendel ist.6. cathode, produced by the method according to claim 1 to 3, characterized in that the The heater is a tungsten filament recrystallized at approximately 2400 ° C. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 813573, 889 811, 715,1009 727;Considered publications:
German Patent Nos. 813573, 889 811, 715, 1009 727; deutsche Auslegeschrift S 37661 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 23. 2. 1956) ;German exposition S 37661 VIIIc / 21g (published on February 23, 1956); »Fortschritte der Physik«, Bd. 3, 1955, S. 89."Advances in Physics", Vol. 3, 1955, p. 89. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © O09 507/343 *.© O09 507/343 *.