DE1141388B

DE1141388B - Kathodenheizer fuer Elektronenroehren

Info

Publication number: DE1141388B
Application number: DER30772A
Authority: DE
Inventors: William Augustine Hassett
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1960-08-19
Filing date: 1961-07-18
Publication date: 1962-12-20
Also published as: NL268393A; ES269986A1; GB922440A; US3195004A

Description

Die Erfindung betrifft Kathodenheizer für Elektronenentladungseinrichtungen mit einem Überzug aus einer hochisolierenden Innenschicht und einer Außenschicht, die einen die Wärme gut abstrahlenden hitzebeständigen und dunkel aussehenden Stoff enthält.

Ein seit langem bekanntes Problem bei der Herstellung von Elektronenröhren mit indirekt geheizten Kathoden ist die Isolierung der Kathode vom Heizer. Eine häufig verwendete Konstruktion besteht darin, den Heizdraht mit einer dünnen Schicht eines isolierenden Werkstoffes zu überziehen und dann zuzulassen, daß der isolierte Heizdraht die Kathodenwand berührt. Diese Anordnung gewährleistet erne schnelle Aufheizung der Kathode, da die Berührung der dünnen Schicht mit der Kathode eine Wärmeübertragung durch Leitung auf die Kathode ermöglicht, bevor sich der Heizer so weit erwärmt hat, daß die Wärmeübertragung durch Strahlung wirksam wird.

Ein Nachteil der mit überzogenen Heizdrähten ao arbeitenden Konstruktionen besteht jedoch darin, daß es schwierig ist, einen Überzugwerkstoff zu finden, der sich zur Verwendung in Elektronenröhren eignet. In modernen Elektronenröhren arbeiten die Kathoden beispielsweise bei Temperaturen in der Nähe von 800° C, und die Heizertemperatur ist dementsprechend noch höher. Bei der Herstellung und Formierung der Röhren kann die Temperatur des Heizers außerdem auf Werte in der Größenordnung von 2000° C steigen.

Die Bedingungen bei diesen Temperaturen führen zu außergewöhnlich strengen Forderungen bezüglich der Eigenschaften der Werkstoffe, die als Isolierüberzüge für den Heizer verwendet werden sollen.

Man hat eine große Anzahl von Werkstoffen für isolierende Überzüge von Heizfäden entwickelt und versucht, die meisten haben sich jedoch als ungeeignet erwiesen. Der in der Praxis in fast allen Röhren verwendete Werkstoff für Heizfadenüberzüge ist Aluminiumoxyd. Dieser Werkstoff besitzt jedoch den Nachteil eines geringen thermischen Emissionsvermögens.

Das thermische Emmisionsvermögen eines leuchtenden Körpers hängt von der Farbe oder Schwärze des Körpers sowie der Rauheit der Oberfläche ab. Die Emissionsfähigkeit für Wärmestrahlung der in Elektronenröhren verwendeten Heizer wird daher durch den isolierenden Werkstoff bestimmt, mit dem der eigentliche Heizdraht überzogen ist. Um eine gewisse Wärmemenge abstrahlen zu können, die in der Lage ist, die Temperatur einer bestimmten Kathode auf die eine ausreichende Elektronenemission gewähr-

Anmelder:
Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld

und Dr. D. v. Bezold, Patentanwälte,

München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. August 1960 (Nr. 50 706)

William Augustine Hassett, Wyomissing, Pa.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

leistende Betriebstemperatur zu bringen, muß also ein Heizer mit einer geringen thermischen Emissionsfähigkeit bei höheren Temperaturen betrieben werden als ein Heizer mit einer hohen Emissionsfähigkeit.

Höhere Betriebstemperaturen beschleunigen die Versprödung des Heizdrahtes und führen häufig zu Brüchen bei mechanischen Beanspruchungen. Höhere Temperaturen können auch auf Grund von verschiedenen Expansionskoeffizienten zu übermäßigen Spannungen zwischen Heizfaden und dessen Überzug führen, die ebenfalls einen Bruch des Drahtes zur Folge haben können. Schließlich können auch Schlüsse zwischen unüberzogenen Teilen des Heizdrahtes und der Kathodenhülse infolge von Verbiegungen oder Verwerfungen des Heizdrahtes auftreten.

Es ist bekannt, daß man die Wärmeemissionsfähigkeit eines Heizdrahtüberzuges durch färbende Zusätze erhöhen kann. Man hat zu diesem Zweck einem Aluminiumoxydüberzug für den Heizdraht mittelbar geheizter Kathoden elektrischer Entladungsröhren bereits färbende Beimengungen der gleichen Art und Größenordnung, wie sie in den natürlichen oder synthetischen Edelsteinen der Korundgruppe vorkommen, zugesetzt. Man erhält auf diese Weise undurchsichtiges, farbiges, insbesondere rötliches oder grünliches Aluminiumoxyd mit einem erheblich größeren Wärmeabstrahlungsvermögen als weißes Aluminiumoxyd. Derartige mit Beimengungen ver-

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sehene Überzüge haben sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen können, da jeder Zusatz die Isolationseigenschaften des Aluminiumoxyds verschlechtert, das um so besser isoliert, je reiner und damit je weißer es ist.

Es ist schließlich noch vorgeschlagen worden, einen Kathodenheizer mit einem Überzug zu versehen, der aus einer hochisolierenden Innenschicht und einer einen die Wärme gut abstrahlenden, hitzebeständigen

drahtes an den Knickstellen ab, so daß die unisolierten Bereiche 18 entstehen.

Es ist üblich, die Länge der Leiterstücke verschieden zu bemessen, so daß die Knickpunkte gegen-5 einander versetzt sind, wie am oberen Ende von Fig. 1 ersichtlich ist, da sie sonst miteinander Schluß machen können. Es können mehr Leiterstücke oder -schleifen vorhanden sein als dargestellt. Eine Schwierigkeit, die bei dieser Versetzung der Leiterschleifen auftritt, be-

und dunkel aussehenden Stoff enthaltenden Außen- io steht darin, daß sich die Leiterstücke verschiedener schicht besteht. Die Außenschicht der vorgeschlage- Länge auch verschieden ausdehnen, wenn der Heizer nen Kathodenheizer soll insbesondere aus hoch- angeschlossen und auf seine Betriebstemperatur geschmelzenden, bei der Betriebstemperatur mit Alu- bracht wird, dabei kann sich die Heizdrahtanordnung miniumoxyd in bezug auf Leitfähigkeit und Schmelz- verbiegen und werfen und außer Form geraten. Wenn punkt nicht störend reagierenden Substanzen, wie i₅ die Unterschiede der Wärmeausdehnung zwischen den Boriden oder Karbiden insbesondere schwer schmel- einzelnen Leiterschleifen groß genug ist, besteht die zender Metalle, bestehen. Gefahr, daß sich der Heizdraht so verzieht, daß die Durch die Erfindung soll ein Kathodenheizer mit unüberzogenen Knickstellen umgebogen werden und einem Überzug angegeben werden, der die Nachteile die Kathodenhülse berühren. Bei manchen Elekder bekannten Überzüge vermeidet und außerdem ao tronenröhren tritt diese Erscheinung so ausgeprägt auch noch besser haftet als der vorgeschlagene auf, daß es notwendig wird, die Knickstellen nach Überzug. dem Einsetzen des Heizdrahtes in die Kathodenhülse Ein Kathodenheizer mit einem Überzug aus einer in einem getrennten Verfahrensschritt nochmals zu hochisolierenden Innenschicht und einer einen die überziehen. Die Verringerung der Betriebstemperatur Wärme gut abstrahlenden, hitzebeständigen und 25 des Heizers, die durch die vorliegende Erfindung mögdunkel aussehenden Stoff enthaltenden Außenschicht hch wird, behebt jedoch die genannten Schwierigist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß keiten zum größten Teil.

die Außenschicht aus einer Mischung von Alu- Bei anderen Heizertypen, wie gewendelten Heizern, miniumoxyd und dem die Wärme gut abstrahlenden die keine Knickstellen aufweisen, besteht dennoch die Stoff besteht. Die Außenschicht enthält vorzugsweise 30 Gefahr, daß der Heizdraht wegen einer Versprödung feinverteilte Wolframpartikeln in einer Grundmatrix des Werkstoffes und der zwischen dem isolierenden aus Aluminiumoxyd. Überzugswerkstoff und dem eigentlichen Draht entin den Zeichnungen zeigt stehenden Spannungen infolge der hohen Heizer-Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene, indirekt temperaturen bricht. Unabhängig von dem verwendegeheizte Kathode mit einem isolierten Heizer nach der 35 ten Heizertyp ist daher eine Verringerung der BeErfindung, triebstemperatur des Heizers immer wünschenswert, Fig. 2 ein Diagramm, das die Heizertemperatur in da sie zu einer Verbesserung der Lebensdauer des °C in Abhängigkeit von der Eingangsleistung in Watt Heizers führt.

zeigt, Bei der in Fig. 1 dargestellten Kathode liegt der Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 1 4° Heizer fast vollständig innerhalb der Kathodenhülse

dargestellten Heizers, 10. Die in den Heizdrähten entwickelte Wärme wird

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnliche Teilansicht einer ande- daher zum größten Teil auf die Kathode übertragen,

ren Ausführungsform und Die Abstrahlrate eines Körpers ist eine Funktion

Fig. 5 eine stark vergrößerte, idealisierte Schnittan- seiner Temperatur und seiner Größe. Die Wärmesicht eines Überzuges für Kathodenheizer nach der 45 menge, die eine Kathode bei der gewünschten Tempe-

Erfindung. ratur verbraucht, bestimmt daher die elektrische

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer der vielen Kathoden- Energiemenge, die dem Heizer zugeführt werden

konstruktionen für Elektronenröhren. Die dargestellte muß, und seine Betriebstemperatur. Da die elektrische

Kathode enthält eine röhrchenförmige Hülse 10, die Energie in den Heizdrähten in Wärmeenergie um-

mit einem emissionsfähigen Werkstoff 11 überzogen 50 gewandelt wird, steigt die Temperatur des Heizers so

ist, beispielsweise einer Mischung aus Strontium- und lange, bis er eine Temperatur erreicht hat, bei der die

Bariumkarbonat. Der Heizer 14 besteht aus einer An- pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie gleich der pro

zahl von gefalteten Stücken eines Drahtes aus einem Zeiteinheit zugeführten Energie ist. Der Wirkungs-

hitzebeständigen Werkstoff, normalerweise Wolfram, grad der Wärmestrahlung ist eine Funktion der Emis-

die mit einem isolierenden Werkstoff 12 überzogen 55 sionsf ähigkeit für Wärmestrahlung des Heizers, und

sind, um den Heizerdraht 13 gegen die Kathodenhülse je höher die Emissionsfähigkeit ist, um so niedriger

10 zu isolieren. Die aus der Kathode herausreichen- kann die Temperatur des Heizers sein, um eine ge-

den Heizdrähte 15 sind an ihren blanken Enden 16 gebene Wärmemenge abstrahlen zu können,

mit Zuführungsleitern 20 verschweißt. Der Heizdraht Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit

ist über seine ganze Länge mit Ausnahme der An- 60 der Temperatur eines schwarzen Heizers und der zu-

schlußenden 16 und der Knickpunkte 18 überzogen. gehörigen Kathode und eines weißen Heizers und der

Die Enden 16 bleiben ohne Überzug, um den Heiz- zugehörigen Kathode in Abhängigkeit von der elek-

draht mit den Anschlußleitern 20 verschweißen zu irischen Eingangsenergie in Watt. Die Kurve 21 gilt

können, und die unüberzogenen Biegestellen 18 ent- für einen weißen, die Kurve 22 für einen schwarzen

stehen bei der Herstellung des Heizdrahtes, da dieser 65 Heizer. Die Kathoden für den weißen und den

zuerst überzogen und dann über messerartige Kanten schwarzen Heizer sind gleich und arbeiten auf Tempe-

gebogen wird. Der den Überzug bildende Werkstoff raturen, die für den weißen Heizer durch die Kurve

ist etwas spröde und blättert beim Biegen des Heiz- 21a und für den schwarzen Heizer durch die Kurve

22 α wiedergegeben werden. Man sieht, daß die Kathoden ungefähr gleiche Temperaturen annehmen, während der schwarze Heizer auf einer beträchtlich niedrigeren Temperatur arbeitet als der weiße Heizer. Die geringe Differenz zwischen den Kathodentemperaturen rührt daher, daß von dem auf niederer Temperatur arbeitenden schwarzen Heizer weniger Wärme durch Leitung an die elektrischen Anschlüsse verlorengeht als von dem heißeren weißen Heizer.

Draht und ein gutes Haften zwischen dem zusätzlichen Werkstoff der zweiten Schicht und dem AIuniiniumoxyd der ersten Schicht ergeben.

Der Zusatz von Aluminiumoxyd zur Sprüh-S mischung für die Herstellung der Außenschicht ergibt eine besonders gute Haftung zwischen den beiden Überzugsschichten. Die Mengenverhältnisse sind nicht kritisch, sie hängen davon ab, welchen Kompromiß man zwischen einer Verringerung der Emissionsfähig-

Es wurde gefunden, daß ein Körper nicht notwen- io keit der zweiten Schicht und einer Erhöhung der digerweise optisch schwarz aussehen muß, er kann Haftfähigkeit zwischen den beiden Schichten infolge für die Wärmestrahlung auch als schwarzer Körper des Aluminiumoxydzusatzes zulassen will. Das Erwirken, wenn er eine helle Farbe hat. Die Gründe gebnis einer solchen Mischung ist in Fig. 4 dargestellt, hierfür sind nicht völlig klar. Ferner hat ein Körper der Heizerdraht 13 ist mit einer ersten Schicht 23 aus mit einer Oberfläche aus feinverteilten Partikeln eine 15 Aluminiumoxyd und einer zweiten Schicht 25 aus größere Abstrahlungsfläche und daher eine größere einer Mischung von Aluminiumoxyd und dem Zu-Emissionsfähigkeit als ein Körper mit einer glatten satzwerkstoff überzogen. Als Zusatzwerkstoff wird Oberfläche. vorzugsweise Wolfram verwendet, das Mengenverhält-

Von den zusätzlichen Werkstoffen muß daher ge- nis ist 50 Gewichtsprozent Wolfram zu 50 Gewichtsfordert werden, daß sie für Wärmestrahlung verhält- 20 prozent Aluminiumoxyd.

nismäßig schwarz sind und daß sie dem Aluminium- Eine andere Möglichkeit, die Schicht aus dem zu-

oxyd vorzugsweise in Form von feinverteilten Par- sätzlichen Werkstoff aufzubringen, besteht darin, den tikeln zugegeben werden können. zusätzlichen Werkstoff in Form einer gelösten Ver-

Die anderen Forderungen, die an die bevorzugten bindung aufzubringen und die Verbindung anschlie-Zusatzwerkstoffe gestellt werden müssen, sind fast so 25 ßend zu reduzieren und alles außer dem gewünschten streng wie für das Aluminiumoxyd. Die zu bevor- zusätzlichen Werkstoff vom Heizer zu entfernen, zugenden Zusatzwerkstoffe müssen also hitzebestän- Man kann hierfür beispielsweise J 00 g Aluminium-

dig und chemisch und physikalisch stabil sein, sie oxyd mit 50 cm³ Ammomumwolframatlösung müssen einen geringen Dampfdruck haben und mischen. Zur Herstellung der Ammoniumwolframatdürfen die Isolierfähigkeit der Aluminiumoxydschicht 30 lösung wurden 63 g Wolframtrioxyd zu 113 cm³ nicht beeinträchtigen. Ammoniumhydroxyd und 200 cm³ destilliertem

Beispiele für hitzebeständige Werkstoffe, die als Schwärzungsmittel zugesetzt werden können, sind Wolfram, Molybdän, Vanadiumsesquioxd, Niobdioxyd.

Diese Stoffe werden in Mischung mit Aluminiumoxyd als zweiter Überzug auf den ersten Überzug aus Aluminiumoxyd aufgebracht. So können beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt ist, mit AIu-

Wasser zugegeben. Nachdem die Mischung 16 Stunden gestanden hatte, wurde sie dekantiert. Die Reaktion verläuft nach folgender Formel:

4 WO₃ + 2 NH₄ OH^ (NH₄)₂ W₄O₁₃ + H₂O

Nach dem Trocknen der Mischung aus Aluminiumoxyd und Ammoniumwolframat wurde sie 20 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre auf 1000° C erhitzt,

miniumoxyd überzogene Heizdrähte in üblicher Weise 40 so daß das Ammoniumwolframat gemäß folgender hergestellt werden, mit der einzigen Ausnahme, daß Reaktionsgleichung reduziert wird: es nicht notwendig ist, die Heizdrähte in Wasserstoff _rNH ^_wo +iiH-^2NH +11HO+4W zu glühen, um die Alummiumoxydschicht 23 auf den ⁴ - ^{4 ld} - ^Λ Draht 13 aufzusintern. Die Heizdrähte können zwar Die Mischung aus Aluminiumoxyd und Wolfram geglüht werden, wenn dies wünschenswert erscheint, 45 wurde dann in Form der folgenden Suspension in es ist jedoch nicht notwendig, wie gezeigt werden einer Kugelmühle 30 Minuten gemahlen: 108 g Aluwird. Einer oder mehrere der oben angegebenen Zu- miniumoxyd und Wolfram; 200 cm³ Bindemittel; satzwerkstoffe, vorzugsweise Wolfram, werden als 100 cm³ Methanol. Das Bindemittel bestand aus Pulver aus feinverteilten Teilchen bereitgestellt, bei- 64,5g Nitrozellulose, 1455 cm³ Butylazetat und spielsweise durch Mahlen in einer Kugelmühle u. dgl., 50 1355 cm³ Diazetonalkohol.

und in einem geeigneten Dispersionsmittel, wie Die so hergestellte Mischung wurde dann in üb-

Methanol, zu einer Suspension verarbeitet. Diese Sus- licher Weise auf mit Aluminiumoxyd überzogene

pension wird mit etwas Aluminiumoxyd gemischt und Heizer aufgesprüht. Die Heizer wurden eine Stunde

auf die mit Aluminiumoxyd überzogenen Heizdrähte bei 1000° C in Wasserstoff geglüht, umdiezweiSchich-

durch eine übliche Sprühvorrichtung aufgesprüht; an- 55 ten zusammenzusintern und das Bindemittel aus der

schließend läßt man den Überzug trocknen, so daß Suspension auszubrennen.

sich praktisch eine zweite Schicht oder ein zweiter Es wird angenommen, daß die resultierende Schicht Überzug 24 bildet. Nach dem Trocknen werden die nach dem Aufsprühen und Glühen so aussieht, wie in doppelt überzogenen Heizdrähte in einer Wasserstoff- Fig. 5 dargestellt ist. Die mechanisch gebildeten Aluatmosphäre geglüht. Zeit und Temperatur des Glü- 60 miniumoxydteilchen 28 sind wesentlich größer als die hens hängen bis zu einem gewissen Grade von den Wolframpartikeln 29, die als feines Pulver aus der verwendeten Werkstoffen ab, sie sind jedoch nicht Lösung gefällt wurden. Es ist wahrscheinlich, daß das kritisch. Bei Verwendung von Wolframpulver kann Wolfram mit den Aluminiumoxydteilchen in der dar-5 Minuten bei 1700° C geglüht werden. gestellten Weise gemischt ist und daß die Grund-Beim Glühen in der Wasserstoffatmosphäre wird 65 matrix der zweiten Schicht aus Aluminiumoxyd mit das Dispersionsmittel Methanol ausgetrieben und die zwischengelagerten Wolframpartikeln besteht. Die zwei Überzüge gesintert, so daß sich eine gute Haf- zweite Schicht ähnelt daher körperlich der ersten tung des Aluminiumoxyds an dem darunterliegenden Schicht aus Aluminiumoxyd und es ergibt sich eine

ausgezeichnete Haftung zwischen beiden. Die Wolframpartikeln dienen zur Schwärzung und Aufrauhung der zweiten Schicht, und es ergibt sich eine hohe Strahlungsemissionsfähigkeit.

Die beschriebenen Zusatzschichten und Überzüge können natürlich auch nach anderen Verfahren aufgebracht werden, z. B. durch Tauohen, Durchziehen, Kataphorese u. dgl.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kathodenheizer für Elektronenröhren mit einem Überzug aus einer hochisolierenden Innenschicht und einer einen die Wärme gut abstrahlenden, hitzebeständigen und dunkel aussehenden Stoff enthaltenden Außenschicht, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Außenschicht (24, 25) aus einer

Mischung von Aluminiumoxyd (28) und dem die Wärme gut abstrahlenden Stoff (29) besteht.

2. Kathodenheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (24, 25) Wolfram enthält.

3. Kathodenheizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (24, 25) aus einer Grundmatrix aus'Aluminiumoxyd mit zwischengelagerten Wolframpartikeln besteht.

4. Kathodenheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (24, 25) Molybdän, Vanadiumsesquioxyd und/oder Niobdioxyd enthält.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1090 774.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen