DE603894C - Verfahren zur Aufrechterhaltung der guenstigsten Elektronenemission bei Elektroden aus Mischungen verschiedener Stoffe - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 11. OKTOBER 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 603894 KLASSE 21g GRUPPE 13 os

in Hagen i. W.*)

Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. Dezember 1927 ab

Die Erfindung betrifft Elektroden, die in Apparaten aller Art, in denen eine hohe Elektronenemission gewünscht wird, verwendet werden, und bei denen die Emission durch irgendeine Energie, im besonderen durch Wärme hervorgerufen oder vermehrt wird. In erster Linie handelt es sich also um die sogenannten Thermokathoden, die zur Erzeugung der Elektronen durch innere elektrische Ströme oder durch andere Mittel erhitzt werden. Diese Erhitzung, die unter den Voraussetzungen der nachfolgend beschriebenen Anordnung häufig sehr gering ist, versteht sich alsdann als Grunderhitzung, die von den beschriebenen regelnden Erhitzungen zu unterscheiden ist, obwohl sie je nach Umständen in den Heizkreisen damit verbunden werden kann. Sie braucht daher in den einzelnen Fällen nicht besonders dargestellt und beschrieben zu werden. Anwendung können solche Kathoden im besonderen mit Vorteil finden in Steuerelektrodenrelais aller Art, namentlich für Starkstromzwecke, sowie in Thermogleichrichtern für hohe Ströme, endlich auch in Apparaten, die dadurch für Kontrollzwecke allgemeiner Art arbeiten, daß die Entladung durch die Kathodentemperatur in entsprechenden Stromkreisen gesteuert wird. Dabei ergibt sich dann bei Benutzung der hier in Rede stehenden Regeleinrichtungen, etwa in genannter Verbindung der Heizkreise, auch für die allgemeinen Steuerzwecke passender Bereiche in jeder Beziehung ein starker Kontrolleffekt.

Um Elektroden mit besonders hoher Elektronenemission zu erhalten, hat man zur Herstellung solcher Elektroden Mischungen aus mehreren Materialien verwendet. Während manche dieser Mischungen diese hohe Emission lange beibehalten, verlieren andere diese Fähigkeit früher oder später. Dieser Verlust wird dadurch hervorgerufen, daß die Fähigkeit der Mischung, die gewünschte Emission lange beizubehalten, dadurch verlorengeht, daß die Mischung an einem Material verarmt, das im engen Zusammenhang mit den anderen Materialien, und zwar infolge der innigen gleichmäßigen Mischung, die außergewöhnliche Emission hervorruft oder daß sich dieses Material verlagert. Man hat nun bereits, um die schädlichen Wirkungen dieser Verarmung der Mischung zu verhüten, das verlorengegangene oder verlagerte Material durch frisches Material er-

*} Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Friedrich Wilhelm Meyer f in Braunschweig.

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setzt; dabei hai man aber die Mischung erneuert. Zunächst hat man die Mischung in Form von Pulverkörnern, einem Stift oder einem sonst geeigneten Körper an die Kathode angelegt und so die Kathode mit der Mischung beschickt. Dabei lassen sich aber Schwankungen im Spannungsabfall der Röhre nicht vermeiden. Diese Schwankungen hat man durch eine dauernde gleichmäßige Sublimation der Ersatzmischung beseitigt, wobei eine dünne Schicht dieser Mischung auf die Kathode gelegt wurde. In allen Fällen wird also bei Verarmung der Mischung an dem einen Bestandteil die Mischung selbst ersetzt. Demgegenüber soll nach der Erfindung während des Betriebes der Elektroden das zur Erzielung der gewünschten hohen, Emis-. sion notwendige bestimmte Mischungsverhältnis der verschiedenen Stoffe nach Maßgabe der Entladungen eines besonderen Prüfentladungskreises konstant gehalten werden. Dabei soll zum Ersatz für die im Betriebe verbrauchten Mengen der flüchtigen Stoffbestandteile der Mischung die gleiche Menge dieser Stoffe durch Diffusion aus einem im Elektrodeninnern vor- «5 gesehenen oder dort durch das Verfahren in besonderer Weise erzeugten kleinen Überschusses dieser Stoffe zugeführt werden.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß eine Regelung zur Verbesserung der physikalischen Arbeitsbedingungen von Elektronenentladuiigs- und Emissionsapparaten bereits bekannt ist, bei der .es sich um die Aufrechterhaltung der Arbeitsbedingungen gegen die störenden Gaseinflüsse handelt. Dabei werden aber nicht Stoffe aus dem Innern der Elektrode heraus in wirksame Bereiche geführt. Auch muß bei dieser Regelung mit nennenswerten Veränderungen der Temperatur gerechnet werden, was bei dem vorliegenden neuen Verfahren ganz ausgeschlossen ist.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. So kann die Mischung der Materialien in den Elektroden z. B. durch geeignete Erwärmung der Kathode gleichmäßig gehalten werden. Hierbei wird ein Einzelmaterial an Stellen der Elektrode, an denen dieses Material nicht in größerer Menge vorhanden ist, an die an diesem Material verarmten Teile der Elektrode befördert. Für die Erwärmung kann z. B. ein Draht verwendet werden, der um die Kathode herum gewunden wird und dessen Temperatur geregelt wird, sei es durch Erhitzen von außen oder durch einen elektrischen Strom. Ein anderes Mittel besteht in der Ergänzung von Einzelmaterial, das im Emittierprozeß ausgeschieden ist. Dies kann ohne weiteres dadurch erreicht werden, daß das Ersatzmaterial in der Nähe der Kathode verdampft und dadurch gegen diese getrieben wird, in die es eintritt und durch die es hindurch diffundiert. Man kann aber auch durch irgendwelche Mittel in der Elektrode Kapillaren bilden, durch die das frische Material getrieben wird.

Auch die Elektrolyse kann für den beabsichtigten Zweck nutzbar gemacht werden. Man braucht nur einen elektrischen Strom durch die Elektrode in geeigneter Richtung zu leiten, der Einzelmaterial, an dem die Elektrode im Laufe des Gebrauches an einer Stelle verarmt, als Elektrolyt nach dieser Stelle bewegt, was insbesondere dann möglich ist, wenn das zu bewegende Material dem andern im Elektrodeninnern gegenüber schon elektronegativ ist. Sehr häufig findet im Innern der Elektroden neben der Elektrodenbewegung schon eine Ionenbewegung statt, namentlich bei Oxyden, die dann nur noch den Bedürfnissen entsprechend geregelt zu werden braucht. Im übrigen kann die Bewegung des Materials durch Diffusion und Kapillarität auch gegen eine umgekehrt elektrolytische Wandertendenz erzeugt werden. In allen Fällen soll die Regelung so bemessen werden, daß das verbrauchte Material voll ersetzt wird, aber Schichtenbildung durch das nachgeschobene Material streng vermieden wird, die daran zu erkennen ist, daß die Emission, nachdem sie ihren alten Wert erreicht hat, wieder absinkt.

Die Regelung wird in Abhängigkeit von der Änderung der Elektronenemission vorgenommen. Die Änderung der Emission macht sich im Betriebe bemerkbar, in dem die Röhren falsch oder gar nicht wirken. Die Mischung kann dann ohne weiteres durch Hand geregelt werden, indem die für die Erwärmung der Elektrode vorgesehene Wärmequelle eingeschaltet wird, die ihre Wärme an die Elektrode abgibt, oder indem eine Wärmequelle eingeschaltet wird, die Ersatzmaterial zum Verdampfen bringt, oder indem der elektrolytische Stromkreis, in dem die Elektrode liegt, geschlossen wird.

Vorteilhaft wird die Regelung aber selbsttätig gestaltet, wobei als Relais Elektronenrelais verwendet werden, wie sie für andere Regelzwecke schon vorgeschlagen sind. Zum Ansprechen können diese Relais leicht von den durch die Änderung des Mischungsverhältnisses hervorgerufenen Störungen gebracht werden. Man kann aber auch das Abweichen der Emission von einer Normalentladung an der Elektrode durch, einen Nebenkreis, in dem die Elektrode liegt, feststellen und diesen beim Abweichen der Entladung von der normalen auf die Relais wirken lassen.

Will man verhüten, daß man sich bei der Regelung auf diese normale Entladung der Gefahr einer unzulässigen Schichten- und Dampfbildung nähert, so kann man die normale Entladung außer auf die Regelvorrichtung zur Beförderung des wirksamen Materials auch auf einen thermischen Kreis wirken lassen, der hauptsächlich die Oberflächentemperatur der

Claims (6)

1. Kathode verändert und damit die Verdampfung des zu unerwünschter, weil nachteiliger Schichtenbildung ansetzenden Materials fördert, also den Dampfdruck dieses Materials regelt, während man andererseits die unzulässige Dampfbildung mit Hilfe eines Indikators verhütet, der in der Hauptenladungsstrecke liegt, durch den Ionisationsdampf beeinflußt wird und einen auf das ganze Materialsystem der Kathode wirkenden Heizkreis so anregt, daß die Temperatur der Kathode vermindert wird.

   Man kann selbstverständlich bei dieser Regelung oder auf irgendeinem anderen Wege viel Gas oder Dampf zulassen. Dann erhält man

   iS auch eine hohe Emission, die aber nicht mehr durch die Mischung der Materialien allein bestimmt ist, sondern im wesentlichen durch zusätzliche Stoßionisation. Die Ströme können dann sehr hoch werden und bei kleinen oder dünnen Elektroden sehr leicht viele Ampere betragen. In diesem Falle wird die Elektrode natürlich schnell aufgebraucht. Niedergeschlagene Dämpfe können u. U. in das Kapillarsystem der Elektrode zurückgeführt werden.

   Die beschriebene Regelung der Mischung sei an einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Fig. ι zeigt, wie die Mischung der Materialien für die Kathode durch Erwärmung gleichbleibend erhalten wird. Mit K ist die Kathode bezeichnet, mit A die Anode, die beide mit der Batterie B und dem Regelwiderstand R im Hauptstromkreis liegen. Zur Regelung ist ein Heizdraht D um die Kathode gelegt, der von einer Batterie H gespeist wird. Die Stärke des Heizstromes wird mit Hilfe einer Verstärkerröhre V mit der Anode A₁, der von der Batterie H₁ beheizten Kathode K₁ und dem Gitter G geregelt. Der auf die Röhre wirkende Regelkreis wird durch die Batterie E, die Kathode K, die Hilfsanode A₂ und den Widerstand W gebildet, der mit dem Gitter G und der Kathode K₁ verbunden ist. Beim Nachlassen des Normalstromes verringert sich der Spannungsabfall im Widerstand W und damit die Gittergegenspannung. Damit ändert sich auch der Heizstrom durch den Heizdraht D, was zur Folge hat, daß sich die wirksamen Teile in der Kathode K wieder gleichmäßig verteilen. Bei der Einstellung ist natürlich darauf zu achten, daß an der Oberfläche der Kathode K keine Anreicherung der wirksamen Teile gegenüber dem übrigen Teil stattfindet.

   In Fig. 2 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem aufgebrauchte Bestandteile der Kathode dauernd von außen ergänzt werden. Der Hauptkreis wird wieder durch die Anode A, die Kathode K, die Batterie B und den Regelwiderstand R gebildet. Die beiden Elektroden sind röhrenförmig gestaltet, und die Kathode ist innerhalb der Anode angeordnet. Außerdem ist noch ein Hilfskörper Q vorgesehen, dem Heizstrom von der Batterie H zugeführt wird. Der Körper Q enthält aktives Material, das das in der Kathode K verbrauchte Material ersetzen soll. Zu diesem Zweck wird der Körper Q so weit erhitzt, daß das aktive Material, z. B. ein Metall, verdampft und in die Kathode K hineindiffundiert, bis es zur Genüge an die der Anode gegenüberstehende Außenfläche gelangt. Der Hüfsheizkörper Q kann u. U. sogar eine Zerstäubungsmasse, z. B. Oxyd, besitzen, deren Staub auf die Innenfläche der Kathode K und durch diese hindurch befördert wird bis zu der der Anode A gegenüberliegenden Fläche. An die Stelle S des Heizstromkreises ist die Vorrichtung angeschlossen, die etwa ähnlich wie in Fig. 1 die Wärmezufuhr zu dem Hüfsheizkörper den Bedürfnissen entsprechend regelt.

   Eine elektrolytische Bewegungsförderung des wirksamen Materials zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Der Hauptkreis wird wieder durch die Kathode K, die Anode A, die Batterie B und den Regelwiderstand R gebüdet. Ferner ist ein Heizkreis mit der Heizspirale D, der Batterie H und dem Anschluß S₁ für den Regelapparat vorhanden. Außerdem ist aber noch ein elektrolytischer Regelkreis vorgesehen, der durch die Batterie G und die Kathode K sowie die Zuleitungen zwischen beiden gebüdet wird. Mit seiner Hufe wird Aktiviermaterial nach der unteren Fläche der Kathode K befördert. Bei S wird die Regeleinrichtung angeschlossen, die auch mit der Regelung bei S₁ im Heizstromkreis der Heizspirale D zusammenwirken kann, der thermisch sowohl auf die Diffusion wie auch auf die elektrolytische Bewegung einwirkt, wenngleich letzteres nur in beschränktem Maße. So ergibt sich leicht eine genügend schnelle Regelung selbst bei höher zugelassener Maximalverdampfung des abnehmenden Materials an der Arbeitsfläche der Kathode K unter Vermeidung von Schichtenbüdung oder Verarmung des Katalysators. Zur Zuführung von Aktiviersubstanz ähnlich Fig. 2 zur Kathode kann noch ein weiterer Kreis vorgesehen werden mit dem Anschluß S₂ für die Regelung.

   Faxen ta ν si'u ü cue :

   ι. Verfahren zur Aufrechterhaltung der günstigsten Elektronenemission bei Elektroden aus Mischungen verschiedener Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Elektroden das zur Erzielung der gewünschten hohen Emission notwendige bestimmte Mischungsverhältnis der verschiedenen Stoffe nach Maßgabe der Entladungen eines besonderen Prüfentladungskreises in der Weise konstant gehalten wird, .daß zum Ersatz für die im Betrieb verbrauchte Menge der flüchtigen Stoffbestandteile der Mischung die gleiche Menge dieser

   Stoffe durch Diffusion aus einem im Elektrodeninnern vorgesehenen oder dort durch das Verfahren in besonderer Weise erzeugten kleinen Überschusses dieser Stoffe zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion durch Temperaturerhöhung der Elektroden, gegebenenfalls örtlich verschieden, erzielt wird.

   ίο
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle bzw. neben die Zuführung der flüchtigen Stoffe durch Diffusion eine Zuführung mittels Elektrolyse tritt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzung oder der Ersatz des Vorrats der zu bewegenden Stoffbestandteile durch eine in der Elektrode innerhalb der Elektrodengesamtkonstruktion vorgesehene besondere Verdampfungselektrode in der Weise bewirkt wird, daß das verdampfte Material unmittelbar oder durch Sonderentladung in die Diffusions- oder besonders ausgebildeten Kapillarwege der Emissionselektrode gelangt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Ersatzes der flüchtigen Bestandteile zu der Emissionsfläche durch die Prüf entladung selbsttätig geregelt wird. ■
6. 6. Anordnung für das Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfentladungs- und Regelkreise durch Elektronenrelais verbunden sind, deren Steuerelektroden auch die Einstellung verschiedener Betriebstemperaturen der zu regelnden Elektrode erlauben, gegebenenfalls unter Vereinigung mit der zu regelnden Einrichtung im gleichen Gefäß.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen