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Indirekt geheizte, dunkelemittierende Kathode.
Gegenstand der Erfindung ist eine indirekt geheizte Kathode, die auf der geringen Austrittsarbeit von Elektronen an reinen Alkalimetallen, insbesondere Kalium, Rubidium, Cäsium, beruht
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reichende Elektronenstromdiehten liefern kann.
Es ist bekannt, Alkalimetallkathoden durch Einwirkung von Cäsiumdampf auf Oxydüberzüge direkt strombeheizter Metalldrähte herzustellen (Langmuir) ; ebenso ist bereits versucht worden, Cäsiumschichten durch Adsorption auf oxydierten Silberspiegeln zu erzeugen und derartige Flächen als fremdbeheizte Elektronenquellen in dem betreffenden Entladungsgefäss zu benutzen. Erfahrungsgemäss
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so dass die damit in der vorstehend beschriebenen Weise verfertigten Röhren vom Standpunkt der Lebensdauer aus nicht befriedigen können.
Man hat in Fällen, wo der emissionsfähige Stoff einem raschen Verbrauch unterliegt, bereits eine grössere Menge dieses Stoffes innerhalb der Kathode untergebracht und dafür gesorgt, dass von diesem Vorrat eine dauernde Nachlieferung der emissionsaktiven Substanz an die Emissionsfläehe erfolgte.
Ferner wurde zwecks Erhöhung von Lebensdauer, Emission und Wirkungsgrad einer Kathode eine Vergrösserung ihrer Oberfläche in der Weise vorgeschlagen, dass der Emissionsschichtträger aus einem Drahtbündel oder einer Rolle eines Drahtgewebes, dessen einzelne Drähte mit emissionsaktiven Stoffen überzogen waren, zusammengesetzt wurde.
Für das quantitative Verständnis des Erfindungsgedankens sei als Beispiel der Emissionsbedarf einer Rundfunkverstärkerröhre betrachtet. Eine indirekt geheizte Kathode darf hiefür 2-4 Watt Heizleistung verbrauchen. Bei dieser Grössenordnung des Wattbedarfs ist es nun im Sinne der Erfindung möglich, die emittierende Oberfläche und mit ihr den nutzbaren Rauminhalt der in der Gegend von 600 (absolute Temperatur) arbeitenden Kathode so gross zu machen, dass in ihr ein erheblicher Vorrat von Alkalimetall in freier oder chemisch gebundener Form Platz findet. Er dient in geeigneter Unterbringung dazu, das beim Betrieb der Röhre allmählich wegdampfende flüchtige Metall zu ersetzen.
Die für die Heizleistung praktisch allein massgebende Wärmeabstrahlung von der Oberflächeneinheit der Kathode ist nach dem Stefanschen T4- Gesetz bei der durch das Alkalimetall erniedrigten Arbeitstemperatur recht gering. Z. B. nimmt sie unter gleichen Bedingungen beim Rückgang von 900 auf 600 (absolute Temperatur) im Verhältnis 5 : l ab. Dieses Verhältnis wird aber noch erheblich vergrössert, wenn die Kathodenoberfläche metallisch blank oder auf andere Weise, z. B. durch Bedeckung mit äusserst kleinkörnigem Erdalkalioxyd, Aluminiumoxyd, Zinkoxyd, Thoriumoxyd usw. zu einem besonders wenig emittierenden Selektivstrahler geworden ist.
Es zeigt sieh dann nämlich, dass die Strahlungskonstante des Stefanschen Gesetzes, die mit steigender Temperatur dem Wert des schwarzen Körpers entgegenwächst, in dem um etwa 300 heruntergesetzten Arbeitsgebiet bei vielen weissen Oxyden nur noch kleine, zum Teil anomal kleine Werte besitzt. Durch die Abnahme und die erhöhte Selektivität der Wärmeabstrahlung ist die Möglichkeit gegeben, die Oberfläche der Kathode und damit deren Vorratsraum ohne tberschreitung des normalen Heizaufwandes so gross zu machen, dass einerseits befriedigende Stromstärken, anderseits hinreichende Lebensdauer erzielt wird.
Der Vorrat an Cäsium, Rubidium, Kalium usw., welcher die von der Kathode wegdampfenden Metallmengen ergänzt, u. zw. am besten durch Diffusion von innen her in eine adsorbierende Ober-
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flächensehicht hinein, lässt sich auf verschiedene Weise einbringen. Geht man von metallischem Cäsium aus, so wird man dieses nach bekannten Verfahren luftbeständig in ein Metallröhrchen, vorzugsweise aus Nickel, einschliessen und sodann durch Auswalzen desselben zu einem flachen Bande dafür sorgen, dass der Schutzmantel an den Breitseiten des Bandes sehr dünn wird. Durch wiederholte Oxydation und Reduktion der verbliebenen Nickelhülle von aussen her kann diese vollends porös und für das
Alkalimetall bei der Arbeitstemperatur hinreichend durchlässig gemacht werden.
Hienach baut man die Kathode beispielsweise wie folgt auf : Das Nickelband mit der Alkalimetallseele wird platt und fest anliegend auf ein Isolierröhrchen aus keramisehem Stoff gewickelt, in dessen Hohlraum sich der Heizkörper der Kathode befindet. Das Ganze wird zweckmässig noch durch Herumlegen eines feinmaschigen Metalldrahtgewebes zusammengehalten, wobei letzteres gleichzeitig die Stromzuführung der Elektronenquelle bildet.
Vorteilhafter ist es jedoch, das Alkalimetall in chemisch gebundener Form, z. B. als Oxyd oder Salz, in inniger Berührung oder Vermischung mit einem reduzierenden Metall im Vorratsraum der Kathode unterzubringen und es erst durch einen bei der Arbeitstemperatur mit ausreichender und geregelter Geschwindigkeit vor sich gehenden chemischen Prozess in Freiheit zu setzen, ohne dass nebenher gasförmige Stoffe entstehen, die das Hochvakuum oder die Gasfüllung des Entladungsraumes verderben könnten. Hiefür geeignete Gemische sind z. B. Cäsiumoxyd bzw. Cäsiumchlorid und Magnesium bzw. Aluminium, ferner Cäsiumchromat und Zirkonium. Die bei 600 absoluter Temperatur zum Teil noch zu geringe Reaktionsgeschwindigkeit kann durch Kontaktstoffe, wie etwa fein verteiltes Platin, katalytiseh vergrössert werden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in starker Vergrösserung.
Der Aufbau der Kathode ist teils in Draufsicht, teils im Längsschnitt dargestellt. Es bedeuten übereinstimmend 1 ein keramisches Isolierröhrehen von der bei indirekten Kathoden bekannten Art, 2 den als Schraubenwendel, Bifilarwendel, Schleife od. dgl. gestalteten Heizdraht. In der Fig. 1 ist nun das Röhrchen 1 von einem äusserst feinmaschigen Drahtgewebe 3 umgeben, während zwischen 3 und 1 eine durch Herumpressen oder Besprühen aufgebrachte Schicht 4 des Reduktionsgemisches eingeschlossen ist, aus welcher bei der Arbeitstemperatur der Kathode metallisches Cäsium, Rubidium, Kalium usw. gemäss den vorstehenden Bedingungen entwickelt wird.
In Fig. 2 ist die Reaktionsmasse 4 der Fig. 1 ersetzt durch eine Säule aufeinandergesehiehteter und gepresster Metallringe 3, zwischen denen sich
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überzieht man z. B. dünne Folien aus Magnesium. Aluminium, Elektronlegierung od. dgl. mit dem Reaktionsgemisch, welches ausser der betreffenden Verbindung noch fein verteiltes Reduktionsmetall enthalten kann. Aus der so vorbereiteten Folie stanzt man die in Fig. 2 angedeuteten Ringe aus und presst sie mit einem anorganischen Bindemittel in Säulenform aufeinander. Das beim Betriebe in Freiheit gesetzte Alkalimetall diffundiert zwischen den Metallsehiehten langsam zur Kathodenoberfläehe. Die Geschwindigkeit dieser Wanderung kann geregelt werden durch den Druck, unter welchem die Folien zusammengepresst worden sind, ferner durch die Beschaffenheit der Zwischenschichten.
Sämtliche Einzelelemente des Kathodenkörpers können durch ein untergeschobenes metallröhrchen leitend miteinander verbunden werden, um den Widerstand der Stromzuführung zu allen emittierenden Stellen praktisch verschwindend klein zu machen.
Zur Formierung einer nach der Erfindung hergestellten Kathode empfiehlt es sieh, dieselbe nach dem Auspumpen der Entladungsröhre zeitweilig bei Übertemperatur, d. h. unter Stromüberlastung des Heizkörpers, zu betreiben. Dadurch wird die Entwicklung der notwendigen Anfangsmenge von freiem Alkalimetall beschleunigt. Man kann auch noch ein Alkalimetall abgebendes Getter in der Entladungsröhre vorsehen.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf sogenannte Hochvoltkathoden, d. h. auf Kathoden vom indirekten Typus, deren Heizkörper mit der vollen Spannung gebräuchlicher Netze (110-220 Volt) betrieben wird. Bei derartigen Hoehvoltkathoden liegt unter gleichen Verhältnissen die Heizleistung höher als bei solchen, die mit heruntertransformierter oder durch Serienschaltung von Röhren aufgeteilter Gebrauchsspannung beheizt werden. Dies rührt davon her, dass man für den Heizkörper nicht beliebig dünne und entsprechend hochohmige Drähte verwenden kann. Berücksichtigt man anderseits die Verluste bei der Transformation oder bei der Aufteilung der Netzspannung, so fällt der Mehrwattverbrauch für die Heizung einer Hochvoltkathode kostenmässig nicht wesentlich ins Gewicht.
In bezug auf die Gesamtemission und die Steilheit der Röhre ist er grundsätzlich förderlich, weil die ausstrahlende und damit auch die emittierende Oberfläche der Kathode proportional der Heizwattzunahme vergrössert werden kann. Dieser letztere Umstand wirkt sich nun bei einer Alkalimetallkathode nach der Erfindung, deren Grundlage ja die durch die verminderte Ausstrahlungsfähigkeit ermöglichte Oberflächenzunahme bildet, naturgemäss besonders günstig aus.
Ein Nachteil der beschriebenen Alkalimetallkathoden besteht in der Neigung zur Aktivierung dicht gegenüberstehender Gegenelektroden, z. B. des Steuergitter in einer Verstärkerröhre. Dadurch entsteht die Gefahr, dass die betreffende Elektrode ihrerseits zu unerwünschter Emission veranlasst wird. Dem genannten Übel lässt sich jedoch abhelfen. Die gefährdete Gegenelektrode (Steuergitter
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oder andere Elektroden) wird mit einem haltbaren Stoff überzogen, der das Alkalimetall chemisch bindet oder in einer es physikalisch unwirksam machenden Form adsorbiert. Hiezu geeignet sind z. B. gewisse Oxyde von Sehwermetallen, wie Chrom, Molybdän, Zirkonium, im allgemeinen solche Materialien, die schon in dünner Schicht eine zur Oxydierung und amphoteren Bindung des Alkalimetalles hinreichende Sauerstoffmenge herzugeben vermögen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Indirekt geheizte Kathode für Verstärkerröhren, deren Austrittsarbeit durch freies Alkalimetall (Cäsium, Rubidium, Kalium usw.) herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber gebräuchlichen aktivierten Kathoden gleicher Gesamtemission und grössenordnungsmässig gleichen Heizwattverbrauches die Arbeitstemperatur derart, d. h. auf etwa 6000 K, erniedrigt ist, dass dadurch
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fläche entsprechend vergrösserte Kathode einen Vorratsraum für Aktivierungsmaterial enthält.