Cu-Kathoden gescheitert - warum?

Gründe für das Scheitern der Kupfer-Kathode „Cupra von Philips bzw. Cu-Bi von Telefunken“.

Die Verwendung von Kupfer in Hochvakuumröhren ist von Anfang an umstritten.

In der Telefunken-Zeitung [1], Seite 17 schreibt Herr Rukop über die Verwendung von Kupfer: „Wir waren daher etwa die letzten zwei Jahre zu Kupferelektroden übergegangen. Aber Kupfer ist ein hinterlistiges Material; es ist oft sehr schön; gibt ohne große Anstrengung bestes Vakuum, oft ist es dagegen gar nicht gasfrei zu kriegen, es verdirbt noch obendrein die Fäden beim Evakuieren und die Vakuumverschlechterung tritt allmählich ein“.

Kupferblech wurde ersatzweise in den Kriegs- und Nachkriegsjahren (1917, 1918 …) statt Nickelblech für Anoden verwendet. Einige Röhren des Typs EVE173 sind mit Kupferanode ausgeführt.
Kupfer macht hier Probleme durch Fremdmetalle, die als Verunreinigungen im Kupfer enthalten sind und nachträglich nach der Evakuierung langsam ausgasen. Da in dieser Zeit noch keine Getterstoffe verwendet wurden, hat sich dies besonders negativ ausgewirkt. Auch die Vergiftung der Wolframfäden mit Kupfer ist bereits angesprochen. Bei den später verwendeten Thorium- und Oxid-Kathoden hätte sich eine derartige Kupfervergiftung noch fataler ausgewirkt. Erst als es gelang, Kupfermaterialien mit hoher Reinheit herzustellen und dies auch noch im Hochvakuum beherrschte, haben einige Hersteller für die Wärmeableitung beim kathodennahen Gitter 1 die Haltestäbe in Kupfer ausgeführt.

Die positive Wärmebilanz des Kupfers hat dann auch Philips dazu verführt, Kathoden in Kupfer auszuführen. Von der Wärmebilanz her ist dies ein durchaus nachvollziehbarer Schritt gewesen. Die gesehenen Vorteile sind auch vorhanden und lassen sich sowohl physikalisch als auch technisch nachvollziehen.

Ein Nachteil wurde dabei allerdings unterschätzt nämlich den der Temperatur auf Kupfer.
Die Kathode ist das heißeste Bauteil in einer Röhre. Die Oxidschicht muss eine Temperatur um die 800 Grad Celsius haben, damit die Emission funktioniert, siehe dazu Bild 1, aus [2], Seite 54.
Dagegen wird die Temperatur des Heizers höher sein wegen der Wärmebilanz der Kathode. Hier liegt das eigentliche Problem der Kupferkathode. Auf der einen Seite kann man wegen der geringeren Abstrahlung der Kupferkathode die Heizleistung des Heizers verringern, aber die Temperatur der Oxidschicht muss erhalten bleiben.

Zur Verwendung des Werkstoffs Kupfer in Vakuumröhren hat Dr. W. Espe folgende Bemerkung:

„Die Verdampfungsgeschwindigkeit ist relativ groß, etwa eine Zehnerpotenz größer als die von Ni. Die Betriebstemperatur von Cu-Teilen in Vakuumröhren darf deshalb im allgemeinen 400-500 Grad Celsius nicht überschreiten“, Siehe dazu auch [3], Seite 71.

Weiter dazu aus Grundlagen und Kennlinien der Elektronenröhren [4], Seite 349:

„Es ist versucht worden, an Stelle von Nickel Kupfer zu verwenden. Anlass dazu war die geringere Wärmestrahlung von Kupfer gegenüber Nickel und die Tatsache, dass bei sehr dünnen Emissionsschichten das Trägermaterial noch merklich an der Wärmeabstrahlung beteiligt ist. Die durch die Verwendung von Kupfer vorhandene Ersparnis an Heizleistung wiegt jedoch den Nachteil der großen Empfindlichkeit sehr dünner Schichten gegen äußere Einflüsse nicht auf. Kupfer besitzt außerdem einen sehr niederen Schmelzpunkt (1080 Grad Celsius) gegenüber Nickel (1450 Grad Celsius), dass es bereits bei normaler Betriebstemperatur stark verdampft und sich Kupfer auf Isolatoren und Innenwand des Kolbens niederschlägt.“

Wenn man sich dann noch als letzten Beweis das Diagramm der Sättigungsdampfdrücke von Metalldämpfen von Dr. W. Espe ansieht (Bild 2) ist der technische Grund für das Versagen von Kathoden aus Kupfer durchaus verständlich [3].

In einem vom Verfasser erstellten Diagramm sind die Verhältnisse um die Kupferkathode aufgezeigt, Bild 3.

Der Temperaturbezug ist die Oberflächentemperatur der Kathode von 800 Grad Celsius.  Im Innenbereich der Kathode ist die Temperatur noch höher, ca. 1200 Grad Celsius. Dort verdampft dadurch noch mehr Material.
Durch den geringen Verdampfungsgrad ist eine gewisse Zeit notwendig, in der sich das Material an Stellen innerhalb der Röhre niederschlägt, an denen dann tatsächlich auch Funktionsbeeinträchtigungen der Röhre erfolgen.
Dies ist sowohl von Philips als auch von Telefunken unterschätzt worden. Das nachträgliche Verschweigen der Gründe dieser Fehlentwicklung ist auf  Angst vor Imageverlust zurückzuführen. Selbst heute ist kaum jemandem bekannt, dass es mal Röhren mit Kupferkathode gegeben hat. Die Telefunken-Typen EB2, EL1, EF3, EF7, EZ1 sind aus den Datenbüchern ab ca. 1938 verschwunden.
Ob Philips – als Verursacher der Kupferkathode – mit Kupferkathoden-Typen auf dem Markt kam, konnte ich bisher nicht herausfinden.
Wir werden vermutlich keine offizielle Stellungnahme von Philips oder Telefunken finden über die Gründe, warum diese Röhrenserie nicht auf dem Markt kam oder vom Markt genommen wurde.

Eine Philips-Cupra-Röhre konnte ich bis heute nicht auftreiben. Von den Telefunken Typen habe ich eine EF7 als Cu-Bi-Type und zwei EL1-Typen. Eine EL1 ist eine Cu-Bi-Type und die Andere eine Normaltype.
Die Vorteile hinsichtlich der verringerten Heizleistung bei gleicher Emission, kann ich bei den Röhren mit Kupferkathode nachvollziehen. Da beide Röhren nicht lange im Einsatz waren, besteht noch keine messbare Beeinträchtigung durch verdampftes Kupfer.
Bei meiner EF7 kann ich deutlich einen Kupfer-Niederschlag auf der obere Glimmerbrücke im Bereich der Kathode erkennen.

Literaturverzeichnis

[1]  Telefunkenzeitung Nr. 19, Die Fabrikation von Hochvakuumröhren, Dr. Hans Rukop
[2]  Radio-Röhren, RPB Band 18/19, 2. Auflage, Herbert G. Mende
[3]  Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, Verlag Julius Springer 1936, Dr. W. Espe
[4]  Grundlagen und Kennlinien der Elektronenröhren, 2. Auflage 1943, Rothe/Kleen

Pièces jointes:

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Cet article a été édité 10.Jan.07 12:31 par Jacob Roschy .

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Cet article a été édité 12.Jan.07 12:52 par Gerhard Eisenbarth .

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