DE2321516C3 - Indirekt geheizte Kathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine indirekt geheizte Kathode, bei der ein Elektronen emittierendes Substrat an einem Ende eines Kathodengehäuses durch eine Heizspirale aus einer Metallfolie erhitzt wird, die in einen wärmebeständigen, elektrischen Isolator eingebettet und dicht an dieses Gehäuse eingesetzt ist. wobei die wirksame Oberfläche der Folienheizung diesem Substrat zugewandt und im Abstand davon angeordnet ist.

Bei einer indirekt geheizten Kathode, die bei Elektronenröhren. Klystrons. Wanderfeldröhren verwandt wird, wird eine Elektronen emittierende Substanz durch eine Zwischenlage aus einem elektrischen Isolator hindurch geheizt, so daß von ihr Elektronen in Form eines Elektronenstrahls ausgehen. Die elektrische Heizung weist im allgemeinen einen Widerstandsdraht auf. der in Form einer schraubenförmigen Spule gewickelt und in einen elektrischen Isolator eingebettet ist.

Ein Kennzeichen dieser Heizspule liegt darin, daß das von ihr ausgebildete magnetische Feld in keiner Weise den von dor Kathode ausgehenden Elektronenstrahl beeinflußt. Andererseits ist der thermische Wirkungsgrad der Heizung klein, da ein wesentlicher Teil der von der Heizung erzeugten Wärme vn einem Metallzylindcr. der die Hei/spule und de elektrischen Isolator enthält, nach außen abgeslrah wird. Darüber hinaus ist die Anheiz/eit. d. h. dt Zeitabschnitt zwischen der Energieversorgung de Hcizunn und einem Zeilpunkt, an dem ein Elek tron^nstrahl ausgesandt wird. lang. Die Anhebzei läßt sich durch eine Folienhei/un» verringern.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 15 64 84

ίο ist eine derartige indirekt geheizte Kathode mit eine sesenläufifien Heizspirale aus einer Metallfolie bc kannt, die nach dem Fotoätzverfahren hergestellt ist Die Folio dieser Heizspirale weist eine Dicke vot 60 bis 90 um auf und besieht aus einem Metall mi einem geringen elektrischen Leitwert, insbesondere aus einer Frsen-Nickel-Molybdän-Legicrung. Sie isi in eine Isolierschicht eingebettet, die vorzugsweise Berylliumoxid- oder .Muminiumoxidpulver enthält. Wird Aluminiumoxid allein als Isolator verwandt, so

zo kann der Vcrluststrom infolge der guten elektrischen JsoJalion sehr kiein gehalten werden. Dabei ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit sehr gering, und die von der Heizfolie erzeugte Wärme wird nur ungenügend an die Emissionsschicht übertragen. Dies verursacht eine Verlängerung der Anheizzeit. Eine große Bedeutung kommt der thermischen Ausdehnung von Heizfolie und Isolation zu. die infolge der relativ großen Heizfläche beachtlich ist. Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten von Heizfolie und Isolator führen schnei' zum Bruch der Heizfolie. Bei dieser bekannten Kathode ist das Emissionsmaterial auf einen aus Metall bestehenden Kathodenkörper aufgebracht, was sich nachteilig auf den thermischen Wirkungsgrad auswirkt.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine indirekt geheizte Kathode zu entwikkeln. die einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und eine kurze Anheizzeit aufweist. Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieber¹.

Die Wirkung der damit beanspruchten Maßnahme besteht darin, daß der auftretende Verluststrom gering ist und die thermische Nutzleistung und Lebensdauer der Kathodenanordnung verbessert sind. Die Verringerung der Anheizzeit beruht im wesentlichen auf den elektrischen und thermischen Eigenschaften des Nolationsmatcrials zwischen Heizfolie und Kathodensubstanz.

Da das für die Isolation verwendete Aluminiumoxid einen viel kleineren Ausdehnungskoeffizienten als Wolfram hat. das als Heizfolie verwendet wird, ist die Bruchgefahr für die Folie erhöht und damit die Lebensdauer der Kathode herabgesetzt. Zur Lösung dieses Problems wird dem Aluminiumoxid Molvbdänpiilver im Verhältnis 95:5 bis 70:30 zugesetzt. Enthält dieses Gemisch mehr als 95° η Aluminiumoxid, so treten die Schwierigkeiten mit den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auf, enthält es weniger als 7()°/:> Aluminiumoxid, so werden die elektrischen Verlustströmc zu hoch.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf clic deutsche OfTcnlcgungsschrift 20 52 172 verwiesen, gemäß der eine bifilarc Heizwicklung aus Wolfram mit einer dünnen Aluminiumschicht überzogen und in eine Piilvermisclniiig aus Molybdän und Nickel eingebettet ist. Dabei wird sicherlich ein geringer Wärmeübcrgangswidcrstand erreicht, wie er

für eine Schnellheizkathode wünschenswert ist, er dürfte aber mit relativ großen vagabundierenden Strömen verbunden sein. Eine Abstimmung der ihermischen Ausdehnungskoeffizienten von Heizung und Hinbettungsinaterial ist dabei nicht getroffen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand bevorzugter Ausfiihrungsformen beschrieben. Es zeiei

F i g. 1 eine Ausführungsform einer indirekt geheizten Kathode in einem Längsschnitt.

F i g. 2 eine spiralförmige Heizfolie, die bei der in F i g. 1 dargestellten Kathode verwandt wird.

F i i.. 3 eine geänderte Ausführungsform der Erfindung in einem Längsschnitt.

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine spiralförmige Heizfolie, die bei der in Fig. 3 dargestellten Kathode verwandt wird.

F i g. 5 eine perspektivische Teilansicht, die eine elektrische Verbindung zwischen der Heizfolie und einem Leitungsdraht zeigt, die bei der in F i g. 3 dargestellten Kathode verwandt wird.

Fig. 6 die Schnittansicht eines Preßstempels, der bei der Herstellung der in Fi g. 4 dargestellten spiralförmigen Heiziolien verwandt wird,

F i g. 7 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Zusammensetz' ng einer Vergußmischung. die zur Bildung eines elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Körpers verwandt wird, und dem Ableitungsstrom zwischen der Heizung und dem Zylinder.

Fig. 8 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Zusammensetzung det Vergußmischung und der Temperatur der Heizung.

F i g. 9 in einer graphischen Darstellung einen Vergleich der Anheizzeiten der in F i g. 3 dargestellten Kathode und einer bekannten Kathode.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte bevorzustc Ausführungsform der Erfindunt; weist em h>*isrv·^- weise aus Molybdän bestehendes zylindrisches Teil bzw. Gehäuse 1 mit einem Außenuurchmesser von etwa 20 mm und ein scheibenförmiges Substrat bzw. Kathodensubstrat 2 auf, das an ein offenes Ende des zylindrischen Teils 1 gelotet ist, und damit das eine Ende verschließt. Das Kathodensubstrat 2 hat die Aufgabe, einen Elektronenstrahl auszusenden, wenn es auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt ist, und besteht aus einer porösen, hitzebesländigen Metallscheibe, die mit einer Elektronen emittierenden Substanz in bekannter Weise imprägniert ist. Die frei liegende Oberfläche des Kathodensubstrats 2 ist mit einem bestimmten Krümmungsradius nach innen konkav ausgebildet, so daß sie die von der Oberfläche emittierten Elektronen zu einem Strahl bündelt. Ein Oxidfilm bzw. Isolator 4 aus einem elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Metalloxid ist auf der Untcrfläche des Kathodensubstrais 2 im zylindrischen Teil 1 befestigt. Eine spiralförmige Heizfolie 5 aus hitzebeständigem Wolfram, ist in Berührung mit der Untcrfläche des Oxidfilmes 4 angeordnet. Wie es in F i g. 2 dargestellt ist. besteht die spiralförmige Folienheizung 5 aus einer langgestreckten Folie mit einer Dicke von 25 um bis 0.1 mm, vorzugsweise von 30 iim. Die frei liegenden Flächen der spiralförmigen Heizfolie 5 und des Oxidlilms 4 sind von einer Vergußschicht bzw. einem isolator 3 aus einer elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Vergußmischung bedeckt, die dicht in das zylindrische Teil 1 eingefüllt ist. Auf diese Weise ist die spiralförmige Heizfolie 5 in die elektrisch isolierenden Körper bzw. Isolatoren 3, 4 eingebettet. Du elektrisch isolierende und wärmebeständige Verguß schicht 3 ist dadurch gebildet, daß ein Gemisch au: wärmebeständigem, elektrisch isolierendem AIu miniumoxidpulver (AI₁O,) und Molybdännulvcr ir einem Verhältnis von 75 : 25 (Masseverhältnis) zu sammengepreßt ist. Die inneren Enden von Leitungsdrähten 7 sind elektrisch mit den gegenüberliegender Enden der spiralförmigen Heizfolie S verbunden. Dit

ίο Vergiißschicht 3 ist dadurch gebildet, daß ein Gemisch aus Aluminiumoxidpulver und Molybdänpulver dicht in das zylindrische Teil 1 eingefüllt komprimiert und geformt und dann durch Erhitzer auf eine hohe Temperatur ge:intert ist. Ein bein Komprimieren des Gemisches verwandter metallische! PreBstempel 6 ist zur Durchführung von Leitungsdrähten 7 mit Bohrungen verschen. Die Vergußschicht 3 kann im zylindrischen Teil 1 nur mit Hilfe einer Sinterung ausgebildet werden, eine Komprimierung ist nicht immer erforderlich. Die spiralförmige Heizfolie 5 kann mit einem dünnen Film aus einem elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Oxid überzogen sein. In diesem Fall wird die Heizung 5 von einem flüssigen Oxidbrei überzogen und der Breiüberzug gesintert, um den dünnen Film zu bilden. BH der in den Fig. λ und 4 dargestellten geänderten indirekt geheizten Kathode weist das an einer EndölTnung eines metallischen zylindrischen Teils I befestigte Kathodensubstrat 2 eine kugclförmig nach innen gewölbte Oberfläche auf, um einen ccbiindeltcn Elektronenstrahl zu erzeugen, und eine kugelförmige Unterfläche. die nahezu parallel zur Oberfläche verläuft. Im zylindrischen Teil 1, dc'sen eines Ende durch das Kathodensubstrat 2 verschlossen ist, ist eine Vergußschicht 3 aus einer elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Vergußmischung ausgebildet. Die Vergußfchicht 3 ist dadurch ausgebildet, daß ein Gemisch aus einem wärmebeständigen Mctalloxidpulvcr und einem Mctallpulver im bestimmten Verhältnis, wie es im Zusammenhang mit der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurde, gesintert ist. In die Oberfläche dieser Vergußschicht 3 ist eine spiralförmige Heizfolie S eingebettet, die kugelförmig parallel zur Unterfläche des Kathodensubstrats 2 gewölbt ist und in einem bestimmten geringen Abstand von der Unterfläche des Kathodensubstrats 2 angeordnet ist. Die spiralförmige Heizfolie 5 ist durch Ätzen einer ebenen Wolframfolie gebildet und weist einen ringförmigen mittleren Abschnitt 5 a und zwei ineinander verlaufende Spiralen 5 b auf, deren radiale Breite vom mittleren Abschnitt 5a zum Randabschnitt ansteigt, wie es in F i g. 4 dargestellt ist. Die inneren Enden der Spiralen sind elektrisch miteinander verbunden, und d'e äußeren Enden sind mit Leitungsdrähten verbunden. Die radiale Breite des Randabschnittes 5/; ist etwa zweimal so groß wie die des mittleren Abschnittes 5«.

Diese Ausführungsform der Kathode weist eine Auflegung für 10 Ampere auf und hat die folgenden Abmessungen. Der Außendurchmesser des zylindrischen Teils beträgt etwa 20 mm und ist damit ebenso groß wie bei den bekannten Vorrichtungen, während die Länge des zylindrischen Teils 1 etwa 7 mm beträgt, und damit beträchtlich kleiner als die Länge von 15 mm eines zylindrischen Teils ist. cla^ _cj_ne schraubenförmige Heizspirale herkömmlichen Aufbnus enthalten kann. Das kann der Ver-

wendung einer ebenen Heizfolie zugeschrieben wer- äußerst dünnen Kandabschnitt der spiralförmigen den. Da die Länge des zylindrischen Teils auf diese Heizfolie nahe der Innenfläche des metallischen zy-Weise verringert ist, ist es möglich, den von der lindrischcn Teiles anzuordnen, so ist es notwendig. Wärmeabfuhr von der Außenflache des zylindri- die Menge des Metallpulver auf eine bestimmte sehen Teils hervorgerufenen Wärmeverlusi propor- 5 obere Grenze zu beschränken, um zu vermeiden, daß tional zu senken. Da die Verkürzung des zylindri- ein vagabundierender oder Ableitstrom quer über sehen Teils die Wärmcspeichcrkapazitäi der Kathode das metallische zylindrische Teil und die spiralförherabsetzt, kann ihre Anheizzeit ebenlalls verringert migc Heizfolie Hießt, und um die Anheizzeit der werden. Das wird ebenfalls dadurch hervorgerufen. Kathode zu verringern. Fig. 7 zeigt die Beziehung daß eine konkav geformte Heizfolie 5 in der Nähe m zw sehen dem Ablcitstrom und dem Verhältnis des Kathodensubstrats 2 angeordnet ist. Diese Aus- (fvlasseverhälinis) des Aluminiumoxids zum Molybführungsform einer Kathode mit den oben bc-ehrie dän. Die in Fig. 7 dargestellte Kurve zeigt einen benen Abmessungen wird innerhalb von 2 Minuten Ablcitstrom, der zwischen dem metallischen zylinnach der Energieversorgung betriebsbereit, wohin- drischen Teil und der spiralförmigen Heizfolie dei gegen eine bekannte Kathode eine Anheizzeit von 15 in Fig. 3 dargestellten Aiislührungsloim fließt, wenn mehr als 3 Minuten aufweist. eine bestimmte Spannung an diese Teile angelegt ist. Obwohl der Leitungsdraht 7 in einem Stück mit Das Masseverhältnis des Aluminiumoxidpulvers zum der spiralförmigen Heizfolie 5 ausgebildet sein kann. Molybdänpulver, aus denen die elektrisch isoliewobei beide getrennt hergestellt und später mitein- reride und wärmebeständige Vergußschicht 3 beander verbunden werden, ist es vorteilhaft, ein Ver- 20 steht, variiert zwischen 100:0, 85: 15, 80:20, bindungselied 9 zu verwenden, wie es in F i g. 5 dar- 75:25, 70:30 und 50:50. Der bei den jeweiligen gestellt ist. Das Verbindungsglied 9 besteht aus zwei Verhältnissen gemessene Ablcitstrom wurde aufgeleitenden Teilen, die nahezu im rechten Winkel ge- tragen, obwohl sich die Stärke des Ablcitslromes in bogen sind und mit den gegenüberliegenden Seiten Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spander Heizfolie 5 verbunden sind. Der Leitungsdraht 7 25 nung und dem Abstand zwischen der spiralförmigen ist mit einem der leitenden Teile verbunden. Dieser Heizfolie und dem zylindrischen Teil ändert. Die in Aufbau vermeidet eine thermische Deformation der l· i g. 7 dargestellte Kurve zeigt, daß das Verhältnis äußerst dünnen Heizfolie 5. in einem Bereich von 100:0 bis 75:25 einen Ab-Ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen der lekstrom ergibt, der für Kathoden für die obenerfindungsgemäßen indirekt geheizten Kathode wird 30 genannten Verwendungszwecke zulässig ist. Im Falle im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben. Ein eines Verhältnisses von 100:0 zeigt das Zusetzen Photolack wird einheitlich auf die gegenüberliegen- des Metallpulver keinen Vorteil. Es wurde gefunden Oberflächen einer flachen Wolframfolie mit den. daß ein Zusatz von 5 bis 30 Gewichtsprozent einer Dicke von 25 bis IUO um aufgebracht. Eine Metallpulver im Hinblick auf eine Verringerung des mit dem gewünschten Muster perforierte Maske 35 Ableitstromes und eine Optimierung des durch das wird auf dem Photolacküberzug angeordnet und Metallpulver erzielten Effektes angemessen ist. dieser durch die Perforation der Maske belichtet. Es ist vorteilhaft, metallische Schichten mit einem Schließlich wird der belichtete Photolacküberzug ge- hohen Schmelzpunkt, beispielsweise aus einer Ruätzt, so daß eine ebene spiralförmige Folie des ge- Mo-Legierung auf der Innenfläche des metallischen wünschten Musters, beispielsweise eines spiralförmi- 40 zylindrischen Teiles und der Unterfläche des Kathogen Musters wie es in F i g. 4 dargestellt ist, übrig- densubstrats von:usehen, bevor das Gemisch aus dem bleibt. Die resultierende spiralförmige Folie wird Metallpulver in das zylindrische Teil dicht eingefüllt dann in einer Fomieinrichtung geformt, die einen wi rd. Wenn das Molybdänpulver und die metallische oberen Preßstempe! 11, einen Führungszylinder 12 Schicht bei einer Temperatur von 1700⁰C etwa und einen unteren Preßstempel 13 aufweist, die alle 45 1 5itunde lang gesintert werden, schmelzen sie zuaus Molybdän hergestellt sind. Der untere Preß- sammen, wodurch der resultierende, elektrisch isostempel 13 weist eine konvexe Oberfläche 14 auf, lierende und wärmeleitende Körper fest an dem und der obere Preßstempel 11 ist mit einer komple- metallischen, zylindrischen Teil haftet, mentären konkaven Oberfläche 15 ausgebildet, so Bei der Kathode ist es möglich, die Arbeitstemdaß die ebene Folie, wenn sie zwischen den oberen 5° peratur der Heizung durch eine geeignete Wahl des und den unteren Preßstempel gepreßt wird, in eine Verhältnisses eines Pulvers aus einem Metalloxid zu teilkugelförmige Gestalt verformt wird, die den glei- einem Pulver aus Metall zu verringern, die den elekchen Krümmungsradius wie die konkaven und kon- irisch isolierenden und wärmeleitenden Körper bil- vexen Oberflächen aufweist. Es ist vorteilhaft, die den. F i g. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Tem-Heizfolie einer geeigneten Wärmebehandlung zu 55 peratur der Heizung und dem Verhältnis des Alu unterwerfen, während der Druck angelegt ist. Das miniumoxids zum Molybdän. Fig. 8 zeigt, daß die kann dadurch erfolgen, daß die Preßstempelanord- ATbeitstemperatur der Heizung auf 1570° C zu stei nung unJ die Heizfolie auf eine Temperatur von gern ist, wenn nur Pulver aus Aluminiumoxid ver-1700⁰C 2 Stunden lang in einem Wasserstoff ent- wandt wird. Mit zunehmendem Anteil an Metsillhaltenden Ofen erhitzt wird. 60 pulver sinkt die Arbeitstemperatur ab und beträgt Der elektrisch isolierende und wärmebeständige an der unteren Grenze des zugesetzten Metalls, d. h. Körper, in den die spiralförmige Heizfolie eingebet- bei einem Masseanteil von 30%, nur 1320° C. ' tet ist, besteht aus einem Gemisch aus Aluminium- Fig. 9 zeigt einen Vergleich der Anheizzeit der in oxid und einer geeigneten Menge Molybdänpulvers, F i g. 3 dargestellten Ausführungsform und einer beil, h. er wird nicht nur durch das Metalloxid gebil- 6₅ kannten Konstruktion, bei der eine schraubenfördet Die wirksame Oberfläche oder die Oberfläche der mige Spulenheizung verwandt wird, wobei auf der spiralförmigen Heizfolie befindet sich nahe dem Ordinate der Heizstrom und auf der Abszisse die Kathodensubstrat Wenn es erforderlich ist, den Zeit in Minuten aufgetragen ist. Die Kurve A stellt

die Anheizkennlinie der eriindungsgcmäßcn Kathode und die Kurve Ii die dor bekannten Konstruktion dar. In beiden Füllen wurde eine Heizspannung von 6.3 V verwandt. Wie es an Hand der Kurve A zu ersehen ist. erreicht bei der erfindungsgemaßen Kathode die Temperatur der Heizung innerhalb von etwa 2 Minuten einen Gleichgewichtszustand, wohingegen bei der Kurve B tür die bekannte Vorrichtung eine Anheizzeit von etwa 3 Minuten erforderlich ist.

Aus Gründen, die im folgenden dargelegt werden, liegt die Dicke der Metallfolie, die die Kathodenheizung bildet, vorzugsweise in einem Bereich von 25 um bis 0,1 mm. Die Folie besteht aus Wolfram, das einen hohen Schmelzpunkt aulweist und bei

hohen Temperaturen stabil ist. Dieses Metall ist jedoch schwer zu walzen, und die kleinste erhältliche Dicke liegt bei etwa 20 [im. Folien von etwa 20 μίτι variieren in ihrer Dicke in Walzrichtung, was zu lokalen Aufheizungen und Brüchen an diesen Stellen führt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Dicke der Folie auf einen Wert zu steigern, der eine solche Änderung der Dicke nicht verursacht. Eine solch minimale Dicke liegt bei etwa 25 um. Andererseits werden Folien gewünschten Musters gewöhnlich durch die Photoätztechnik hergestellt, wie es oben beschrieben wurde. Die maximale Dicke für diese Technik liegt bei 0,1 mm. Dicken, die diesen Weri überschreiten, vermindern den Vorteil der Verwendung dünner Folien.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. indirekt geheizte Kathode, bei der ein Elektronen emittierendes Substrat an einem Ende eines Kathodengehäuses durch eine Heizspirale aus einer Metallfolie erhitzt wird, die in einen wärmebeständigen, elektrischen Isolator eingebettet und dicht an dieses Gehäuse eingesetzt ist, wobei die wirksame Oberfläche der Heizfolie diesem Substrat zugewandt und im Abstand davon angeordnet ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfolie (5) aus Wolfram und der Isolator (3, 4) aus einem Gemisch aus wärmebeständigem, elektrisch isolierendem Aluminiumoxid und Molybdänpulver im Masseverhältnis von 95 : 5 bis 70: 30 besteht.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daS das Gehäuse (1) die Form eines Zylinders mit zwei offenen Enden aufweist und das Elektronen emittierende Substrat (2) an dem Zylinder so befestigt ist, daß es seine eine Endöffnung verschließt.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frei liegende Oberfläche des Elektronen emittierenden Substrats (2) konkav nach innen gewölbt und die andere Seite dieses Substrats eben ist.

4. Kathode nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronen emittierende Substrat (2) an seiner frei liegenden Oberfläche und an der anderen Seite parallel zur Folienheizung konkav nach innen gewölbt ist.

5. Kathode nach Anspruch !. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfolie (5) über ein Verbindungsglied (9) aus zwei flachen Winkelstücken mit einem Leitungsdraht (7) elektrisch verbunden ist.