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Elektronenröhre, insbesondere Senderöhre, mit koaxialem Aufbau Die
Erfindung betrifft eine Elektronenröhre, insbesondere Senderöhre, in koaxialem Aufbau
der Elektroden und deren Durchführungen, wie Anode, mindestens eine Gitterelektrode
und eine direkt geheizte rohrförmige Maschenkathode, aus einem mit regelmäßig eingebrachten
Maschen versehenen Blechzylinder, der mindestens an einem Ende mit einem Metalldeckel
und einer zentralen Stromzuführung und an dessen Oberfläche mit einer Emissionsschicht
versehen ist.
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Sie hat besondere Bedeutung für Senderöhren, insbesondere für solche
kleinerer und mittlerer Leistungen, um mit einer als Schnellheizkathode ausgebildeten
Kathode hohe Verstärkungen, z.B. 20 dB im Tonsenderbetrieb zu erzielen und zwar
sowohl bei niedrigeren Frequenzen um 200 MHz im FS-Band III als auch bei hohen Frequenzen
bis 860 MHz im FS-Band V.
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Mehr oder weniger Schnellheizkathoden moderner Senderöhren werden
heute meistens als Maschenkathoden aus thorierten Wolframdrähten gebildet. Diese
direkt geheizten Kathoden bestehen in ihrem aktiven Teil aus zwei sich kreuzenden,
meist kreiszylindrischen Drahtwendeln, die durch Verschweißen an den Kreuzungspunkten
zu einem stabilen Maschengebilde verbunden werden. Derartige Maschenkathoden haben
als
Bestandteil einer Verstärkerröhre hinsichtlich der erreichbaren Verstärkung insofern
einen Nachteil, als der Gitterkathodenabstand über der emittiere.lden Fläche für
die gesamte Emissionsfläche nicht konstant ist, sondern z.B. an den Kreuzungspunkten
um einen Heizdrahtdurchmesser und in Richtung senkrecht zu den kreisförmigen Drähten
um einen halben Durchmesser schwankt. Bei Gitterkathodenabständen in der Größe des
H=draht-Durchmessers werden dadurch die relativen Abstandschwankungen bereits so
groß, daß sie sich nachteilig auf Steilheit und Verstärkung der Röhre auswirken.
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Deshalb ist aus dem DBP 882 736 eine direkt geheizte zylindrische
Käfig- bzw. Maschenkathode aus Wolframblech bekanntgeworden, bei der vor dem Formen
des eigentlichen Kathodenzylinders die betreffenden Maschen, z.B. eingestanzt werden,
und die außerdem an der Oberfläche mit einer Emissionsstoffschicht und darüber mit
einer porösen Schicht bedeckt ist.
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Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten Kathode bestehen darin,
daß der Zylinder infolge einer unvermeidlichen Herstellungsnaht, z.B. einer Falznaht,
ein ungleichmäßiges, undefiniertes Ausdehnungsverhalten und infolge der ungünstigen
Maschenform eine hohe Selbstinduktion hat sowie eine recht komplizierte Herstellungstechnik
und eine hohe Betriebstemperatur erfordert.
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Weiter ist aus der US-Patentschrift 3 299 317 eine Sende-Tetrode mit
einer halb indirekt geheizten zylindrischen Kathode bekanntgeworden, bei der der
emittierende Folienzylinder aus einer Nickel-Legierung durch Ätzen eingebrachte
Maschen aufweist. Im Innern des Folienzylinders
ist ein zentraler
Drahtgeflechtchlauch als Heizer vorgesehen und außerdem die Oberfläche des Folienzylinders
emissionsfähig ausgebildet. Zum Heizen wird an die Kathode eine hohe Anheizspannung
gelegt, die dann mit Schaltmitteln auf die Betriebsspannung verringert wird.
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Der wesentliche Nachteil dieser bekannten sogenannten Schnellheiz-Maschenkathode
besteht darin, daß sie nur für einen indirekten oder halb indirekten, nicht aber
für einen direkten Heizbetrieb geeignet ist, da vor allem die Maschen zu klein sind,
so daß ein zu hoher Heizstrom erforderlich wäre. Auf der anderen Seite würde aber
bei genügend großen Maschen die Standfestigkeit des Nickel-Folien-Zylinders nicht
mehr ausreichen. Hinzu kommen noch der Aufwand eines komplizierten Heizers sowie
zusätzlich die erforderlichen Schaltmittel für zwei zu schaltende unterschiedliche
Heizspannungen.
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Die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und eine direkt geheizte Schnellheizkathode
zu schaffen, bei der die Maschenstruktur.des Folienzylinders so ausgebildet ist,
daß a) die Abweichungen hinsichtlich der erzielbaren Verstärkung und des Frequenzganges
der Verstärkung weniger als 10% gegenüber einer zylindrischen Kathode mit kompakter
Oberfläche betragen und daß b) bei einer Anheizzeit der Kathode von etwa 5 sec.
die Werte für Heizspannung und Heizstrom in tragbaren praktischen Grenzen liegen,
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Erreicht wird dies bei einer Elektronenröhre, insbesondere Senderöhre,
in koaxialem Aufbau der Elektroden und deren
Durchführungen nach
der Erfindung dadurch, daß die Kathode als Schnellheizkathode aus einem nahtlos
gezogenen Metallfolienzylinder hoher Warmfestigkeit, wie Molybdän, Tantal oder dergleichen,
besteht, der im Hinblick auf eine geringe Induktivität in mindestens 9 aber höchstens
25 parallel geschaltete Heizleiter mittels durch Stanzen, Funkenerosio + der Ätzen
eingebrachter Maschen, wie in Umfangsrchtuilg längserstreckter Rechtecke, derart
aufgeteilt ist, daß jeder Leiter jeweils aus zwei gegenläufigen, zueinander spiegelsymmetrisch
angeordneten Mäandern mit Steg- und Spaltbreiten etwa gleich dem Gitterkathodenabstand
besteht und daß die gesamte Oberfläche des Maschenzylinders mit einer zusätzlichen
Emissions-Auflageschicht versehen ist.
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Somit wird für die Schnellheizkathode von einem Metallzylinder ausgegangen,
in dem die erforderliche Maschenstruktur nachträglich durch Stanzen, Funkenerosion,
Beizen oder ähnliche Verfahren erzeugt wird. Bei. einer solchen Schnellheizkathode
bleibt der Gitter-Kathoden-Abstand sowohl längs wie auch quer zu den Heizerstegen
konstant, so daß eine Abstandsverminderung vollständig zur Verbesserung der Verstärkung
genutzt werden kann.
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Die Aussparungen im Metallzylinder sind notwendig, um zu verhindern,
daß der erforderliche Heizstrom extreme Werte annimmt. Andererseits geht dadurch
Emissionsfläche verloren, so daß die Steilheit abfällt, und zwar bei kompakten Emissionsflächen
proportional zu F Potenz 2/3. Diese starke Abhängigkeit der Steilheit von der Emissionsfläche,
die für jede kompakte Kathode besteht, kann mit Hilfe einer Stanzkathode gemäß der
Erfindung wesentlich reduziert werden, und zwar dadurch, daß Stegbreite und Spaltbreite
im
Maschenzylinder etwa ebenso groß wie der Gitterkathoden-Abstand
gewählt werden. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß selbst dann, wenn die Emissionsfläche
der gestanzten Kathode nur die Hälfte der kompakten Zylinderfläche ausmacht, der
Steilheitsverlust weniger als 10% beträgt.
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Die MaschenstrSktur der Schnellheizkathode hat ferner zur Folge, daß
aie Induktivität der Kathode gegenüber dem kompakten Zylinder ansteigt. Dadurch
erhöht sich der Eingangsleitwert derart, daß die Verstärkung abnimmt, und zwar umso
stärker, je höher die Frequenz ist. Der Effekt kann sich in ungünstigen Fällen sehr
stark auswirken und einen Verstärkungsverlust in der Größenordnung von 10 dB hervorrufen.
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Um diesen Effekt klein zu halten, ist abweichend von der bisherigen
Rauten- bzw. Rhomben-Form die Maschenform als in Umfangsrichtung längserstrecktes
Rechteck ausgebildet. Damit bei der oberen Betriebsfrequenz fmax der Verstärkungsverlust
weniger als 10% beträgt, ist mit einer Heizspannung der Kathode von etwa 2 V, bei
Steg- und Spaltbreiten etwa gleich dem Gitterkathoden-Abstand, die Dimensionierung
der Maschen, insbesondere der Maschenlänge der Kathode von mindestens 4 aber höchstens
12% de Kathodenumfanges derart gewählt, da6 die Resonanzfrequenz {es des aus Kathodeninduktivität,
Gitter-Kathodenkapaztät und Gitterinduktivität gebildeten Serienkreises größer als
die zweifache maximale Betriebsfrequenz, d.h. fres 2 x fmax ist.
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Weil auch der höhere Kathodenwiderstand Rk der Maschenkathode gegenüber
dem kompakten Zylinder zur Vergrößerung des Eingangs-Leitwertes und damit zur Verschlechterung
der Verstärkung beiträgt, wird - um diesen Einfluß zu verringern -eine möglichst
niedrige Heizspannung von etwa 2 V gewählt.
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Die Dicke des Folienzylinders wird im Hinblick auf möglichst niedrige
Heizleistung, kurze Anheizzeit und hohe Warmfestigkeit der Kathode festgelegt. Sie
wird vorzugsweise so dimensioniert, daß sie gleich der halben bis ganzen Stegbreite
ist, womit gleichzeitig eine rationelle Herstellbarkeit gewährleistet ist.
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Die Heizstromzuführung erfolgt zentral über einen stabilen niederohmigen
Stift, der entweder massiv oder als dickwandiges Rohr ausgebildet, vorzugsweise
in Anpassung an die thermische Ausdehnung der Kathode aus Molybdän, über einen abschließenden
niederohmigen Deckel mit dem Folienzylinder verbunden ist. Sie dienen zugleich zur
Abschirmung von Streuelektronen, zur Halterung, zum Kompensieren der thermischen
Ausdehnung sowie zum Vorsnannen des Folienzylinders.
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Von der Maschen- bzw. Stanz-Kathode ist die gesamte Oberpeche des
Maschenfolienzylinders innen und außen unter Zwischenfügen einer, insbesondere ga
L vanisch abgeschiedenen Nickel-Auflage mit einer Nickel-Eatrix-Schicht und darauf
mit einer Erdalkalikronat-, insöesondere Trip el-Karbonatschicht versehen.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Zeichnung
rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werten Teine, die
nicht unbadingt zum Verständnis der Erfindung be trage sind darin unbezeichnet oder
fortgelassen.
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Die Figur zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsexspiel einer Sendetetrode
mit koaxial angeordneten zylindrischen Elektroden und Durchführungen, Dazu gehören
im einzelner die zentrale
direkt geheizte Maschenkathode 1, die
vom Durchführungsteller bzw. Anschlußring 5 und dem Trägerrohr 6 getragen wird.
Umschlossen wird die Kathode von zunächst zwei Gitterelektroden 2 und 3, nämlich
Steuergitter und Schirmgitter, die insbesondere als Reusen-Stanzgitter ausgebildet
sind, sowie eine Anode 4 mit den zugehörigen Trägerrohren 6,7,8 und 9. Das eigentliche
Entladungsgefäß wird außer von der als Außenanode ausgebildeten Anode im wesentlichen
vom Durchführungsfuß gebildet, der sich in üblicher Metall-Keramik-Technik abwechselnd
aus Metallträgerrohren bzw.
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-scheiben und Keramikringen zusammensetzt.
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Im Rahmen-dieses koaxialen Elektrodenaufbaus ist die zentrale Kathode
als Schnellheizkathodeausgebildet; deshalb direkt heizbar und mit einer Erdalkalioxid-Emissionsschicht
versehen. Sie besteht zunächst aus einem nahtlos gezogenen Folienzylinder 11 aus
Molybdän, d.h. aus einem warmfesten Metall. Nickel, das für die Ausbildung als Oxidkathode
geeigneter wäre, besitzt nicht die erforderliche Standfestigkeit. Die Aussparungen
12 im Metallzylinder 11, die notwendig sind, um einen extrem hohen Heizstrom zu
vermeiden, sind nachträglich durch Stanzen, Funkenerosion, Beizen oder ähnliche
Verfahren eingebracht worden. Die eingebrachten Maschen 12 bestehen im Gegensatz
zu der bisher üblichen Rauten- bzw. Rhombenform aus sehr schmalen, in Umfangsrichtung
längserstreckten Rechtecken. Durch das Einstanzen der Rechteckmaschen wird eine
Anzahl von in Achsrichtung parallelgeschalteter-Heizleiter 13 3 gebildet, die jeweils
aus zwei gegenläufigen, zueinander spiegelsymmetrisch angeordneten Mäandern 14,
14' bestehen.
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Im Hinblick auf eine geringe Induktivität der Kathode beträgt die
Anzahl der Heizleiter mindestens 9 aber höchstens 25. Um eine nicht zu niedrige
Heizspannung, nämlich etwa 2 Volt zu ermöglichen, beträgt im Rahmen der angegebenen
Aufteilung
in Heizleitern die Maschenlänge mindestens 4% aber höchstens 12% des Kathodenumfanges.
Da außerdem von den Maschen Steg- 14 und Spaltbreite 12 etwa gleich dem Gitterkathodenabstand
gebildet sind, ist somit praktisch die Heizspannung festgelegt. Der Heizstrom kann
noch durch die Dicke des Folienzylinders variiert werden, die in der Praxis zu etwa
100 - 200/um gewählt wird. Der Heizstrom wird außerdem nach oben hin derart begrenzt,
daß der zentrale Zufuhrungsstift 15 noch keine nennenswerte Heizleistung abgibt.
Im Hinblick auf ein angepaßtes Ausdehnungsverhalten ist der Zuführungsstift 15 aus
Molybdän.
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Er kann entweder massiv oder auch aus einem dickwandigen Rohr bestehen.
Er ist an seinem einen Ende mit einem Metalldeckel 17 am oberen Ende des Folienzylinders
befestigt, während er am unteren Ende vom Anschlußring 5 getragen wird. Der z.B.
gestanzte Folienzylinder dient als Träger einer zusätzlichen Emissionsschicht, die
vorzugsweise aus Erdalkali-Oxiden besteht. Vor dem Aufbringen der Emissionsmasse
wird der gestanzte Molybdän-Träger 11 vernickelt, insbesondere durch galvanische
Abscheidung, und mit einer aktiven Nickel-Matrixschicht gleichmäßig innen und außen
versehen. Durch eine sehr feinkörnige und gleichmäßig aufgebrachte, insbesondere
durch elektrostatisches Sprühen aufgebrachte Erdalkalikarbonat-Schicht, vorzugsweise
Tripel-Karbonatschicht, und zwar sowohl innen auch außen im gleichen Maße, wird
eine zwischenschichtfreie spratzfeste und hochbelastbare Kathode gebildet. Im Bedarfsfalle
kann für eine genügend aktive Nickelmatrixschicht vor deren Aufbringen auf den Molybdänfolienzylinder
ein feiner Wolframschleier angebracht werden.
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Der stirnseitige Deckel 17, an dem der zentrale massive Zuleitungsstift
befestigt ist, dient sowohl zur Abschirmung von -Streuelektroden wie auch zum Ausgleich
der Wärmeausdehnung
der Kathode derart, daß mit Hilfe dieses Deckels
die Kathode mit einer entsprechenden mechanischen Vorspannung montiert wird.
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Der zentrale Heizerstift 15 wird außerdem mit einer aufnahmefähigen
Getterschicht, vorzugsweise aus einem Gemisch von Zirkonkohle versehen, die sich
von den nichtaufgeheizten Teilen am Fuß (5) bis in die Höhe des abschirmenden Verbindungsdeckels
17 erstreckt. Damit werden zusätzlich nachfolgende Verbesserungen erzielt: 1. Optimale
Getterung durch Absorption infolge unterschiedlicher Temperatur längs des Getters:
Das ZrC-Getter nimmt im heißen Teil bevorzugt Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff
und im kälteren Teil unterhalb der heißen Kathode Wasserstoff auf.
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2. Durch die Maschen der Schnellheizkathode hindurch gelangen Restgasionen
zum Getter, welches somit zugleich als Kathode einer Ionengetterpumpe wirkt. Das
Besondere dieser Anordnung gegenüber anderen bekannten entsprechenden Anordnungen
besteht vor allem darin, daß über das Getter als Kathode kein HF-Strom fließt und
somit HF-Verluste durch das Ionengetter ausgeschlossen werden.
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Die Erfindung ist keinesfalls auf die beschriebene, als sogenannte
Oxidkathode ausgebildete Schnellheiz-Maschenkathode beschränkt, sondern hat vielmehr
allgemeinere Bedeutung. Es ist ohne weiteres im Bedarfsfalle möglich, anstelle eines
Molybdän-Folienzylinders z.B. auch einen Tantalzylinder zu verwenden bzw. anstelle
einer Nickel-Erdalkalioxidschicht als Emissionsschicht auch fein verteiltes thoriertes
Wolframpulver als zusätzliche Schicht vorzusehen.
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7 Patentansprüche 1 Figur