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Mittelbar geheizte Vorratskathode, insbesondere Metall-Kapillar-Kathode
Die Erfindung betrifft eine mittelbar geheizte Vorratskathode, insbesondere MK-Kathode,
bei der der Vorratsbe hälter von einer porösen, insbesondere porös gesinterten,
Emissionsstoffträgerscheibe aus hochschmelzendem Metall, wie Wolfram oder dergleichen,
überdeckt ist und die im Vorratsbehälter freiwerdende Substanz, z.B. Barium7 durch
Wandern nur längs -der Porenwandungen an die Emissionsoberfläche gelangt, um sich
dort durch Wandern auszubreiten.
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Die bisher realisierten Vorratskathoden, wie Metall-Kapillar-Kathoden,
Imprägnierte Kathoden, Oxidkatnoden mit zusätzlichem gesondertem Vorrat, unterscheiden
sich u.a.
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in folgendem Punkt von den reinen Oxidkathoden: Bei ihnen erfolgt
die Lieferung bzw Nachlieferung des für die Aktivitt erforderlichen Bariums - sei
es in Form eines Bariumfilms aul der Kathodenoberfläche, sei es in Form von im Erdalkalioxid-Gitter
eingelagerten 3ariumatomen9 sei es zum Zwecke der Erzeugung daraus in sekundären
Prozessen entstehender Donatoren - nur durch eine chemische Reduktion der Vorrat
substanz7 wie Bariumoxid7 Bariumaluminat u.a. mit einem zugefilgten, oder in Form
der Behälterwand bzw Trägerband vorhand enen Re' duktionsmi t tel Der Umfang dieser
Barium spendenden Reaktion ist abhängig von: Ärt und Menge der Vorratssubstanz,
Art und Menge des Reduktionsmittels, Größe der sich berührenden Oberflächen voll
Vorratssubstanz und Reduktionsmittel (Phasengrenzen'j, von der Diffusionsgeschwindigkeit
der Reaktionspartner zu diesen Reaktionsflächen hin, sowie von der Temperatur im
Vorratsraum
bei Heizung der Kathode und von den durch- mehr oder
weniger große Porosität der Gefäßwand bestimmten Druckverhciltnissen im Vorratsraum;
Der Prozeß läuft unaufhaltsam auch bei nur geheizter Röhre ohne angelegte Anodenspannung.
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Eine direkte Abhängigkeit hierfür vom Emissionsstrom besteht nicht
Nur über die bei Strombetrieb evtl veränderte Temperatur der Kathode, solJie infolge
Ionisierung der Bare uns atone an der Kathodenoberfläche 3 veränderte Abdampfung
und dadurch geändertes Druckgefälle zwischen Oberfläche und Innenraum des Vorratsgefäßes
besteht ein schwer überschaubarer Einfluß des Emissionsstromes (Kathodenstromes)
auf den Reaktionsverlauf im Vorrat Durch geschickten, aber keineswegs einfachen
Abgleich der angeführten Faktoren kann für jeden Röhrentyp und für bestimmte Betriebsbedingungen
dieser Prozeß für mittlere Lebensdauern passend eingestcllt werden Wegen des Absinkens
der Konzentration des Reduktionsmittels muß aber auch die i3ariurnbildung mit der
Zeit absinken. Um nicht nach relativukunzer Zcit eine ungenügende Bariumnachlieferung
zu erhalten, muß man den Anfangswert höher legen, als an sich nötig Dies hat zur
Folge, daß das überschiissige Barium von der Kathode wegdampft, und Störungen wie
Gitteremission, Isolationsfehler, Veränderung der Elektroden'capazitäten verursacht,
welche die Lebensdauer der Röhre begrenzen Die Bereitstellung bzw Nachlieferung
des für die Emission erforderlichen Bariums bei allen Arten von Vorratskathoden
bereitet somit dadurch große Schwierigkeiten, daß die dazu bisher allein benutzten
chemischen Reduktionsprozesse überoptimal -eingestellt werden messen, um ausreichende
Röhrenlebensdauern zu erhalten. Dadurch werden Störungen wie Gitteremission, Isolationafehler
vsrr; provoziert, welche die Lebensdauer begrenzen Diese Prozesse laufen unaufhaltsam
und nicht in
direkter Abhängigkeit von den elektrischen Betriebsbedingungen
der Röhre ab.
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Bei den klassischen Oxidkathoden spielt die chemische Reduktion der
Erdalkalioxide zur Bildung freien Bariums nur eine wesentliche Rolle für die schnelle
Aktivierung der Kathode, und wirkt allenfalls noch in der ersten Xebensdatlerneriode
mit, denn die in relativ kleiner Menge vorhandenen Reduktionszusätze - insbesondere
bei den heute üblichen dünmandigen (50/Url) Kathodenröhrchen - werden rasch verbraucht
Ja selbst mit Kathodenträgermaterial, das praktisch keine Reduktionsmittel enthtält
(passives Nickel, Platin) können Kathoden mit großer Emissionsdauer hergestellt
werden Der Grund hierfür ist der Querstrom dadurch die Schicht, wahrend des Betriebes,
der zur elektrolytischen Zersetzung von Bariumoxid und damit zur Bariumbildung führt
Dieser Vorgang ist zunächst wegen des hohen anfänglichen Schichtlriderstandes schwach
ausgeprägt, deswegen sind Kathoden mit passivem Nickelträger relativ schwer in üblicher
Weise zu aktivieren Mit fortschreitender Dotierung de Schicht und damit abfallendem
Querwiderstand wird aber die Elektrolyse ergiebiger, und wirkt bei der Aktivierung
mit als sog Stromaktivierung Bei fortgeschrittener Lebensdauer der Röhre ist für
die Lufrechterhaltung der Nachlieferung von Barium das an der Kathodenoberfläche
durch Abdampfen und evtl. durch Vergiftung Einbußen erleidet, praktisch allein noch
verantwortlich. ta dieser Prozeß ven dem quer durch die Schicht verlaufenden Kathodenstrom
verursacht wird, ist er hinsichtlich Unfang eng mit dem von der Röhre geforderten
tmissionsstrom verknüpft. Er wird alsc von diesen gesteuert, wodurch autonatisch
eine Anpassung an die Betriebsbedingungen der Röhre bzw deren Belastung erfclzt.
Bei Betrieb ohne Anodenspannung ist der Vorgang völlig unterbrochen Es entsteht
also keine unerwünschte überproduktion von Barium, die zu lebensdauerverkürzenden
Störungen in der Röhre fünrt
Bei Oxidkathoden werden somit im Gegensatz
zu den Vorratskathoden cheischc Reduktionsprozesse im wesentlichen nur für die schnelle
Anfanfsaktivierung der Kathoden eingesetzt, rährend die Bariumnachlieferung - insbesondere
bei längerer Lebensdauer - durch elektrolytische Prozesse infolge des Cuerstromes
durch die Schicht aufrechterhalten wird, dQho durch sogenannte Stromaktivierung.
Dieser Vorgarg wird automatisch von dem der Röhre abgeforderten Emissionsstrom gesteuert,
und somit an die Betriebsbedingungen angepaßt. Eine Überproduktion von Barium und
damit zusammenhängende Störungen sind dadurch weitgehend ausgeschaltet.
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Diese Art von Bariumerzeugung kann bei Spenderkathoden mit in einem
Vorratstopf oder mit in den Poren von imprägnierten Kathoden cingeschlossenem Vorrat
nicht stattfinden, da die umschließenden metallischen Wände überall. das gleiche
elektrische Potential besitzen Aufgabe dieser Erfindung ist es nun, die durch den
Einissionsstrom gesteuerte Bariumlieferung bzr. -nachlieferung allein oder neben
einer anfänglichen, niedrig gehaltenen chemischen Rcauktion (zliecks schneller Aktivierung
der Kathode) für Vorratakathoden nutzbar zu machen Ereicht wird dics bei einer im
ersten Absatz beschriebenen lrorratskathode, insbesondere Metall-Kapillar-Kathode
nach der Erfindung dadurch, daß für das Freimachen zur Nachlieferung der emissionsfördernden
Substanz aus der im Vorratsbehälter im geschmolzenen Zustand eingebrachten Vorratssubstanz
durch elektrolytische Zersetzung außer der die Vorratssubstanz umschließenden teilweisen
metallischen Wandung als die eine Elektrode eine weitere zusätzliche in die Vorratssubstanz
hineinragende Elektrode vorgesehen ist und daß diese beiden Elektroden im Betrieb
über die Vorratssubstanz derart miteinander in Reihe geschaltet sind, daß die Vorratssubstanz
vom Emissionsstrom oder einem entsprechend gesteuerten Hilfsstrom durchirlD ssen
(durchsetzt) wird
Der zur Lösung des vorliegenden Problems erforderliche
elektrische Stromfluß durch die Vorratssubstanz wird dadurch errcicht, daß der Kathodenstrom
(Emissionsstrom) selbst oder ein Hilfsstrom dessen Stärke mit bekannten Schaltungsmittcln
vom Kathodenstrom gesteuert wird, einer Elektrode zugeführt wird, welche einen elektrisch
isolierten Teil der Vorratsgefäßwand bildet, oder isoliert durch die Wand in das
Vorratsgefäß eingeführt wird. Zur Sicherung guten elektrischen Kontaktes zwischen
Deckplatte und evtl. eingeschmolzener Vorratssubstanz können metallische Ansätze,
Nadeln oder dergleichen an der Deckplatte vorgesehen sein, die in die Vorratssubstanz
eintauchen.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Zeichnungen
rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Teile, die
nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin fortgelassen
oder unbezeichnet geblieben.
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Für die konstruktive und technologische Ausführung der Verbindung
von Metallen mit Isoliermaterialien, welche bei höheren Temperaturen beständig ist,
stehen heute mehrere an sich bekannte Verfahren zur Verfügung. Beispielsweise kann
in Fig. 1 das Vorratsgefäß aus einem zylindrischen Keramikkörper 1 mit einem Deckel
2 aus einer porösen und einem Boden 3 aus einer dichten Metall scheibe bestehen.
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Die poröse Deckscheibe stellt die bei Metall-Kapillar-Kathoden übliche
emittierende Kathodenoberfläche dar, d.h.
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die sogenannte Emissionsstoffträgerscheibe, während der Boden die
für den Reduktionsprozeß nötige elektrolytische Kathode darstellt. An der Unterseite
der porösen Emissionsstoffträgerscheibe 2 sind.}nindestens ein in die Vorratssubstanz
4 hineinragender Ansatz, Nadel oder dergleichen 5 angebracht, worüber der Stromkreisschluß
erfolgt.
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vs sind zwei Schaltungen möglich: Wird die Bodenfläche zur Einspeisung
des Kathodenstromes (Kathodenbasis) benutzt, so uurchfließt im Betrieb der Kathodenstrom
die Vorratssubstanz 4 und erzeugt elektrolytisch freies Barium. Da der Oucrstromwiderstand
des Vorrats relativ klein gegenüber dem Geäsmtwiderstand des Anodenstromkreises
ist, wird für viele Röhre schaltungen diese einfache Ausführung brauchbar sein;
In vielen Fällen, in denen im Vorrat der sich ausbildende Spannungsabfall und daraus
resultierende Folgen stören, kann in bisher üblicher Weise die poröse Emissionsstoffträgerscheibe
des Vorratstopfos als Kathodenbasis geschaltet erden. Die Bodenfläche erhält dann
als elektrolytische Kathode über eine gesonderte Zuführung ein um den für den elektrolytischen
Prozeß erforderlichen Betrag negativeres Potential gegenüber der Kathodenbasis.
Dabei ist es möglich, den Elektrolyse-Hilf,sstrom durch geeignete Schaltmaßnahmen
zwar vom Kathodenstrom zu steuern, aber ihn gleich, kleiner oder größer einzustellenv
d.h. unterschiedlichen Betriebsbedingungen anzupassen.
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Anstelle einer isolierten Bodenfläche ist aus konstruktiven Gründen
(z.B. Anordnung des Heizers 8,18) unter Umständen gemäß Fig 2 eine den bisherigen
Ausführungen analoge Ausbildung eines metallischen Vorratstopfes 11 er-sünschtO
In diesem Fall kann eine drahtförmige Zuführung der elektrolytischen Hilfselektrode
13 durch eine Keramikscheibe 15 isoliert durch den Boden oder durch die Seitenwand
des Vorrats topfes eingeführt werden. Die poröse Deckscheibe 12 des Vorratstopfes
kann auch im Fall einer Oxidkathode als Träger einer sehr dünnen Erdalkalioxidschicht
dienen, die ihre Bariumdotierung aus dem Vorrat heraus erhält.
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Bei der Elektrolyse von Bariumoxid entsteht, wie beschrieben und angestrebt,
an der elektrolytischen Kathode Barium, an der elektrolytischen Anode oder deren
Ansätze auf der Deckplatte unenninsohter Sauerstoff. Dieser Sauerstoff muß aber
aus dem Reaktionssystem entfernt oder gebunden werden, um eine Rekombination der
Reaktionsprodukte zu verhindern, Zwei Wee,
ein mechanischer und
ein chemischer sind - allein oder miteinander kombiniert - zur Lösung dieser Aufgabe
geeignet: nus Untersuchungen und Beobachtungen im praktischen Betrieb von MK-Kathoden
i.st bekannt, daß der Transport des Bariums durch die poröse Gefäßwand bis zu relativ
großer Porenweite durch lTigration, d. h. durch Oberflächendiffusion entlang der
Porernände, aber nicht durch Knudsen-Strömung erfolgt. Erst voii innen nach außen
durchgehende Kanäle über etwa 30-50/um Durchmesser lassen bei Überdruck im Reaktiensgefäß
einen gerichteten Bariumdampfstrahl durch, der zu unerwünschten Bariumverlusten
oder Isolationsstörungen führen kann. Bei den Vorratskathoden mit nur chemischer
Reduktionswirkung sind derartige Lecks in der Wand auch deswegen unenjü'nscht, weil
der durch definierte Porosität der Scheibe bestimmte Druck im Vorratsgefäß eines
der Regulative zum Festlegen der Barium lieferung ist, Der elektrolytische Prozeß
ist dagegen weitgehend druckunabhängig, Es ist deshalb möglich, ohne Überdruck im
Vorratsgefäß zu fahren, und in der Gefäßwand Löcher 7 von beispielsweise 50 - 100/
um Burchmesser anzubringen (Fig 1), durch die der gebildete Sauerstoff abströmen,
und durch ein außen angebrachtes Getter abgefangen werden kann, während wegen der
starken Benetzbarkeit von Metallen durch Barium letzteres fast ausschließlich durch
Migration an die Oberfläche der Beclcscheibe diffundiert.
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Aus der Technologie der galvanischen Zellen ist bekannt, daß bei elektrolytischen
Prozessen an den Elektroden entstehende gasförmige Produkte durch sogenannte Bepolarisatorstoffe
gebunden werden können, so z.B, an der Anode des Leclanche Elements durch Manganoxid.
In analoger Weise kann der in vorliegendem Falle an der elektrolytischen Anode entstenende
Sauerstoff gebunden werden, wenn diese aus einem geeigneten oxidierbaren Stoff besteht,
oder mit einem solchen überzogen
ist, beispielsweise Wolfram, Molybdän
u.a bei Vorratskathoden, die bei hohen Temperaturen ( > 100000), oder Mangan
uGac bei solchen, die bei niedrigen Temperaturen (zBG 700 - 800°C)betrieben werden
Diese oxidierbaren, d.hG selbst reduzierenden Stoffe können zugleich das für die
schnelle Anfangsaktivierung der Kathode unerwünschte zusätzliche chemisch reduzierende
Agens sein Diese chemische Reduktion hört sofort auf, wenn bei Finsatz des Elektrolysestromes
an diesen Anodenflächen Sauerstoffentwicklung einsetzt.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind die in Fig. 1 gezeichneten Ansätze
5 an der porösen Emissionsstoffträgerscheibe 2 und der in Fig 2 gezeichnete Vorratstopf
völlig oder teilweise mit einer Ummantelung 6 bzw Auskleidung 16 aus Stoffen 1,,
oben angegebener Art versehen Zweckmäßig werden diese Bepola, risatorstoffe mit
großer Oberflächenausbildung z.B. in poröser Form angewandt 8 Patentansprüche 2
Figuren