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Gas- oder dampfgefülltes elektrisches Entladungsgefäss.
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eine so starke Verdampfung hervorrufen kann, bis auch nur eine einatomige Schicht überbleibt.
Diese wird dann im allgemeinen aus den Metallvorräten der Naehbarsehiehten stets von neuem ersetzt.
Die Gasfüllung des Entladungsgefässes besteht zweckmässigerweise aus einem Gas oder einem Dampf, der sich auch in kaltem Zustand des Gefässes nicht niederschlägt, vorzugsweise aus Edelgas, z. B. aus Argon. Der Druck bei gewöhnlicher Temperatur kann etwa 0. 02 bis 30 mm Quecksilbersäule betragen ; z. B. ermöglichen Drücke zwischen 5 und 10mm Quecksilbersäule einen sicheren Betrieb. So lässt sieh in einem Entladungsgefäss, bei dem der Träger aus grobkörnigem Karborund, das Kathodenmaterial aus Kalium besteht, der Lichtbogen auch bei kalter Kathode bereits mit einer
Spannung von etwa 50 bis 70 Volt zünden. Um die Zündspannung noch weiter herabzusetzen, kann eine besondere Zündanode vorgesehen werden.
Der Spannungsabfall im brennenden Lichtbogen beträgt nur 5 bis 7 Volt selbst dann, wenn die Aussenwandung des Gefässes auf eine Temperatur von 00 C abgekühlt wird. Die Wärmeentwicklung und der Energieverlust sind entsprechend gering. Sobald dagegen ein geeigneter Ansatzpunkt für den Lichtbogen nicht mehr vorhanden ist, z. B. weil eine zu dicke Schicht des Kathodenmaterials den Trägerstoff völlig zudeckt, steigt der Spannungsabfall etwa auf das Dreifache.
Bei Verwendung von Natrium als emittierendem Material beträgt die Zündspannung infolge der höheren Austrittsarbeit unter sonst gleichen Bedingungen etwa 150-170 Volt und die Brennspannung etwa 10 Volt. Man wird daher das Kalium bevorzugen, es sei denn, dass man aus den im folgenden erörterten Gründen Natrium verwendet.
Entladungsgefässe gemäss der Erfindung dienen insbesondere als Gleichrichter. Damit auch bei höheren Stromstärken keine Rückzündung eintritt, empfiehlt es sich, die Anoden z. B. durch Drosselung der Wärmeabfuhr auf so hoher Temperatur zu halten, dass kein Metalldampf auf ihnen kondensiert. Allerdings würden sich bei hohem Partialdruck einatomige Schichten des Kathodenmaterials auch auf heissen Anoden niederschlagen und würden bei der hohen Temperatur dann ausgezeichnet emittieren. Aus diesem Grunde wird zweckmässig die Kathode so weit gekühlt, dass der Partialdruck des emittierenden Stoffes bestimmte, zulässige Grenzen nicht überschreitet ; denn ein Vorteil der Erfindung besteht gerade darin, dass infolge der geringen Wärmeentwicklung eine ausreichende Kühlung der Kathode leicht durchzuführen ist.
Wenn es notwendig ist, die Sperrspannung noch weiter zu erhöhen, so empfiehlt es sich, statt Kalium Natrium als emittierenden Stoff zu verwenden, das wegen seines geringeren Dampfdruckes auch eine höhere Sperrspannung verträgt. Cäsium und Rubidium weisen zwar eine noch geringere Austrittsarbeit als Natrium und Kalium auf, eignen sich aber für Gleichrichter weniger gut, weil ihr höherer Dampfdruck die Bildung einatomiger Schichten auf den Anodenflächen mehr begünstigt.
Das Entladungsgefäss kann so eingerichtet werden, dass alle seine Teile mit Ausnahme der Anoden und ihrer Isolation als Kondensalionsflächen wirken, und sobald sich Metallschichten auf ihnen niedergeschlagen haben, auch als Kathodenoberflächen dienen können. Um das zu erreichen, wird gemäss der Erfindung die gesamte Gefässwandung mit Ausnahme der Anoden und ihrer Isolation aus zusammenhängendem, leitendem Material, z. B. aus Eisen, hergestellt. Eine derartige Ausbildung der Entladungsgefässe kann auch bei andern Kathoden und Gasfüllungen von Wert sein.
Ein Ausführungsbeispiel für ein Entladungsgefäss gemäss der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 ein Entladungsgefäss mit einer Anode, Fig. 2 ein solches mit drei Anoden. In ein eisernes Rohr 1 (Fig. 1) ist ein eiserner Deckel 2 luftdicht eingesetzt. Als Stromzuführung zur Anode 3 dient ein Stab 4 aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich zu Einschmelzungen mit Glas eignet, z. B. das unter dem Namen Kovar bekannte Metall. Eine Buchse 5 aus dem gleichen Material ist in den Deckel 2 luftdicht eingesetzt, und die eingeschmolzen Glaspackung 6 dichtet die Anodenzuführung ab. Die Anode 3 selbst kann aus Eisen hergestellt sein.
Nachdem das Entladungsgefäss soweit fertiggestellt und auch mit dem Absaugstutzen 7 ver- sehenwordenist, wirdderBoden8eingesehweisst. ErträgtdieloseaufgesehüttetenKarborundkristalle9. Das nunmehr geschlossene Entladungsgefäss wird dann ausgepumpt, und durch die Pumpöffnung 7 wird beispielsweise Kalium hineindestilliert, das sich zunächst auf der ganzen inneren Oberfläche des Gefässes niederschlägt. Sobald dann Argongas eingefüllt ist, so dass der Druck 5 bis 10 mm Quecksilbersäule beträgt, kann der Pumpstutzen zugelötet werden.
Mit Hilfe eines Gleichstromes wird nunmehr zwischen der Kathode 9 und der Anode 3 ein Lichtbogen erzeugt, der die Anode auf hohe Temperatur bringt, so dass der Niederschlag des Kaliums wieder in Dampfform übergeht. Bei der darauffolgenden Abkühlung behält die Anode 3 infolge der schlechteren Wärmeableitung ihre Temperatur am längsten bei, so dass sich das Kalium an den Wandungen und insbesondere auf der Karborundmasse 9 niederschlägt. Durch diesen Niederschlag werden auch die lose eingeschütteten Kristalle leicht aneinander geschweisst.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 unterscheidet sich im wesentlichen dadurch, dass nicht nur der Boden, sondern auch die zylindrische Wandung mit Karborundkristallen bedeckt ist, so dass jeder Teil der Wandung mit Ausnahme des Deckels als kathodiseher Ansatzpunkt für den Lichtbogen dienen kann. Ein zylindrisches Drahtnetz 14 ist oben an einem Winkelring 12 befestigt. Ein Zwist henboden 13, ebenfalls aus Drahtgewebe, schliesst den Zylinder unten ab. Der zwischen dem Eisenrohr 11 und dem
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Drahtnetz 14 bleibende Hohlraum ist mit Karborundkristallen ausgefüllt, die auch den Boden 13 des
Drahtnetzes bedecken, wobei das ganze Gefäss auf den Kopf gestellt ist.
Darauf wird der Zylinderboden15 eingeschweisst, der das Gefäss luftdicht abschliesst, ebenso wie der Deckel 16.
Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist der Boden und die Seitenwand mit dem Träger- stoff ausgekleidet. Man kann die Innenseite des Deckels ebenfalls in dieser Weise auskleiden, so dass die Entladung auch am Deckel ansetzen kann, falls sich hier emittierender Stoff niederschlägt. Es bleibt dann nur die Anode und ihre Isolation vom Trägerstoff und vom emittierenden Stoff frei. In der Zeichnung ist nur eine Anode 17 dargestellt, die andern beiden Anoden sind um 1200 versetzt zu denken. Die luftdichte Befestigung der Anodeneinführungen 18 kann ebenso wie bei Fig. l hergestelltsein.
Die Anodenzuführung 19 ist mit Eindrehungen versehen, um die Wärmeableitung von der
Anode zur Einschmelzstelle herabzusetzen.
Es ist bereits bekannt, dass die Elektronenaustrittsarbeit der kompakten Alkalimetalle kleiner ist als die der Erdalkalimetalle und dass dieser Unterschied auch bei einatomigen Schichten der ad- sorbierten Metalle vorhanden ist. Trotzdem haben Kathoden von Alkalimetallen sowohl in kompaktem wie auch in adsorbiertem Zustande bisher nur für lichtelektrische Zwecke in grösserem Umfange tech- nische Verwendung gefunden ; denn Glühkathoden, die durch adsorbierte Alkalimetalle aktiviert wurden, zeigten trotz ihrer geringen Elektronenaustrittsarbeit erst bei ziemlich hohen Temperaturen eine für die Anwendung beispielsweise in Gleichriehterröhren ausreichende Elektronenemissionsdiehte, und bei diesen hohen Temperaturen erwies sich die Lebensdauer der adsorbierten Schichten für eine technische Verwendung als zu gering.
Eine höhere Lebensdauer würde man erst erreichen, wenn man den Dampfdruck des Alkalimetalls so hoch wählte, dass die gleiche Anzahl von At omen, die den Träger infolge der Verdampfung verlassen, in der gleichen Zeit aus dem umgebenden Gase wieder ersetzt wird.
Wenn aber ein solcher hoher Dampfdruck im ganzen Gefäss herrschen würde, so würden auch die Anoden des Gleichrichtergefässes durch adsorbierte Alkaliatome aktiviert werden, und da die Anoden, um eine Kondensation des verdampften Kathodenmaterials auf ihnen zu vermeiden, im Betriebe auf höheren Temperaturen gehalten werden müssen, so würde ihre glühelektrische Emission ausreichen, um Rückzündungen einzuleiten.
Diese Schwierigkeit ist nun bei den beschriebenen Gleiehriehtergefässen dadurch überwunden, dass die gesamte benötigte Elektronenemission von einem Liehtbogenbrennfleek getragen wird, der räumlich so eng begrenzt ist, dass die Temperatur der Kathode als Ganzes leicht in niedrigen Grenzen gehalten werden kann. Das von dem Brennfleck verdampfende Alkalimetall kondensiert daher sofort wieder auf nahe benachbarten kälteren Bezirken der Kathodenoberfläche, so dass der mittlere Alkalipartialdruck im Gefäss durch die Verdampfung nicht erhöht wird.
Eine solche räumliche Beschränkung der durch den Brennfleck erzeugten hohen Temperatur ist aber nur möglich, wenn gemäss der Erfindung ein Trägerstoff von ausreichend geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Die elektrische Leitfähigkeit muss trotzdem ausreichen, um den Entladungsstrom ohne schädlichen Spannungsverlust dem Brennfleck zuleiten zu können. In unmittelbarer Nähe des heissen Brennfleekes stellt sich ein ziemlich hoher Partialdruck des emittierenden
Stoffes ein, so dass die etwa zerstörte einatomige Schicht sofort wieder an derselben Stelle oder in unmittelbarer Nachbarschaft ersetzt wird.
Diese Einengung des Gebietes gesteigerten Partialdruckes auf kleinsten Raum wird wesentlich begünstigt durch die herabgesetzte Diffusionsgeschwindigkeit, die eine Folge der angewandten hohen Drücke des Füllgases in der Grössenordnung von mindestens 10-2 mm Quecksilber ist.
In vielen Fällen wird es sich als vorteilhaft erweisen, die Kathode durch besondere Einrichtungen kühl zu halten und so die Wirkung der erfindungsgemässen Anordnung noch zu verbessern. Man verwendet in diesem Falle als Kathode vorzugsweise einen im Inneren des elektrischen Entladungsgefässes vorgesehenen Kühler, dessen Oberfläche in der beschriebenen Weise mit einer Trägerschicht und einem auf diese aufgebrachten elektronenemittierenden Stoff versehen ist.
Die Ausbildung der Oberflächen mit elektronenemittierenden Schichten wird zweckmässig auf gewisse Wandteile des Entladungsgefässes ausgedehnt, so dass beispielsweise bei vorübergehenden Störungen der Kühlmittelzufuhr auch diese Wandungsteile die Funktion der Kathode wenigstens zeitweise übernehmen können, ohne dass ein übergreifen des Lichtbogenansatzpunktes auf die Gefässwand zu einer stärkeren Erhöhung des Alkalidampfdruckes führen muss. Beim Arbeiten mit stärkeren Emissionsströmen wird es zweckmässig sein, für die betreffenden Wandteile ebenfalls eine besondere Kühlung vorzusehen.
Der Abstand zwischen Innenkühler und Anode ist so gross gewählt, dass die Diffusion des an der Ansatzstelle des Lichtbogens verdampfenden Alkalis zur Anode hin bei dem herrschenden Druck des Füllgases genügend behindert ist.
Als Kühlmittel dienen zweckmässig strömende Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, strömende Luft od. dgl., wobei eine mittlere Kathodentemperatur von maximal 2000 C nicht überschritten werden darf, damit der mittlere Partialdruck des Alkalis nicht so hoch wird, dass auf den Anoden Alkalimetalle angereichert werden. Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel ist besser zu vermeiden, mit Rück- sieht auf die Explosionsgefahr, die infolge des Vorhandenseins von metallischem Kalium im Entladungs-
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gefäss bei etwaigen Undichtigkeiten der KÜhlvorrichtung auftreten kann.
Die Wandungsquerschnitte des Gefässes und des Innenkühlers sind so zu bemessen, dass sie gegebenenfalls die vollständige Strom- leitung der fliessenden Entladungsströme übernehmen können, ohne dass die Temperatur auf dem
Leitungswege die Maximaltemperatur von 2000 C Überschreitet.
Der Innenkühler steht vorzugsweise mit besonderen, ausserhalb des Entladungsgefässes gelegenen Kühlvorrichtungen in Verbindung. Seine Ausbildung erfolgt derart, dass der Umlauf des Kühlmittels nirgends behindert ist, so dass gegebenenfalls ein selbsttätiger Wärmeaustausch des Kühlmittels in freier Konvektion mit dem Flüssigkeitsinhalt beispielsweise von Kühlflügeln erfolgen kann.
In Fig. 3 ist als Beispiel eine gekühlte Kathode nach der Erfindung scrematisch wiedergegeben.
Die Wandung 21 des Entladungsgefässes besitzt eine Einbuchtung 22, die durch ein in Richtung der Pfeile strömendes KÜhlmittel gekühlt wird. Die mit dem Gefässinnern in Berührung stehende Ober- fläche der Einbuchtung 22 ist von der aktiven Schicht 23 aus Alkali oder Erdalkalimetall auf einer Unterlage von Siliziumkarbid bedeckt. Um ein sicheres Haften dieser Stoffe an der Oberfläche der Einbuchtung zu gewährleisten, ist diese mit einer netz- oder korbartigen metallischen Umhüllung 24 versehen. Ebenso sind grosse Teile der übrigen Gefässwandung mit einer aktiven Schicht 25 versehen, damit sie mindestens vorübergehend, beispielsweise bei einer zeitweisen Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr zum kathodischen Ansatzpunkt des Lichtbogens geeignet sind.
Die Durchführungen 27 der Anode 26 sind möglichst abgedeckt gegenüber dem übrigen Entladungsraum, um sie gegen Ablagerung von Alkali zu schützen.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine zusätzliche Aussenkühlung für die Wandteile der Röhre vorgesehen ist. Wenn auch die Kondensation des aktivierbaren Alkali beim Vorhandensein eines Innenkühlers naturgemäss grösstenteils an den stark gekühlten Oberflächenteilen dieses Innenkühlers stattfindet, so wird man zweckmässig doch bei stärkeren Belastungen eine zusätzliche Kühlung auch der übrigen Wandteile vorsehen, damit der mittlere Partialdruek des Alkalis auf alle Fälle in erträglichen Grenzen gehalten wird.
Der Innenkühler 31 in Fig. 4 ist als ebener Ringkühler ausgebildet, dem zum Zwecke gleichmässiger Kühlung das Kühlmittel an der Innenseite zugeleitet wird, was durch die Pfeilrichtung angedeutet ist. Der zusätzliche Aussenkühler ist mit 38 bezeichnet. Im übrigen sind auch hier grosse Teile der Oberfläche der Gefässwandung mit der aktiven Masse 35 überzogen.
Der Gleichrichter nach der Erfindung kann trotz verhältnismässig kleiner Gef ssabmessungen mit grossen Strömen arbeiten. Er kann daher überall dort verwendet werden, wo man bisher Queek- silberdampfgleichrichter oder Glühkathodengleichrichter mit beschränkten Gefässabmessungen verwendet hat. Er kommt also beispielsweise zur Speisung von Bogenlampen für Projektionszwerke (Kino-Gleichrichter) oder zum Laden von Batterien in Betracht und ermöglicht, bei gleichem Raum-
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