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Glimmentladungsröhre und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Anmeldung bezieht sich auf eine Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung insbesondere für Mess-oder Stabilisierungszwecke und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Diese Glimmentladungsröhren sind von Glimmlampen zu Beleuchtungszwecken insoweit verschieden, als man bei ihrer Verwendung nicht von dem ausgestrahlten Licht, sondern von den Eigenschaften ihrer Kennlinie Gebrauch macht. Zweck der Erfindung ist, eine Röhre zu schaffen, deren Betriebsspannung während der Lebensdauer praktisch konstant bleibt und bis auf einige Volt reproduzierbar ist.
Röhren dieser Gattung hat man bisher mit einer Kathode aus Eisen oder Nickel, gegebenenfalls mit einem Überzug aus einem Erdalkalimetall versehen. Zur Reinigung der Gasfüllung enthalten sie häufig einen aus Barium oder Magnesium bestehenden Fangstoff.
Die Anmelderin hat nunmehr gefunden, dass die Eigenschaften dieser Röhren beträchtlich verbessert werden können und dass man auch das Herstellungsverfahren vereinfachen kann. Nach der Erfindung besteht die Kathode wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt höher als 14000 C und die Röhrenwand, oder wenigstens der die Entladungsstrecke umschliessende Teil der Wand, ist praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht eines solchen Metalles überzogen. Vorzugsweise bestehen erfindungsgemäss die Kathode und die Wandbekleidung aus dem gleichen Metall. Man kann die Kathode ganz aus einem der erwähnten Metalle herstellen ; es ist aber hinreichend, dass nur die Oberflächenschicht der Kathode aus diesem Metall besteht. Die Anmelderin hat vorzügliche Ergebnisse mit einer Molybdänkathode erhalten.
Ausser der Kathode muss die Innenwand der Röhre mit einer Schicht aus einem Metall überzogen sein, dessen Schmelzpunkt 1400 C übersteigt. Es ist nicht ausreichend, dass die Innenwand mit einer unsichtbaren Metallschicht in der Stärke von nur einigen Atomen bedeckt ist. Die Schicht muss klar sichtbar sein und wenigstens die die Entladungsstrecke umschliessende Wand praktisch ganz bedecken. Wenn innerhalb der Glashülle die Entladungsstrecke von einem Schirm um- geben wird, so dient dieser Schirm als Wand für die Entladungsstrecke und muss mit einem der vorerwähnten Metalle überzogen sein. Unter einer sichtbaren Metallschicht ist eine Schicht zu verstehen, die, auf eine Glaswand aufgetragen, vom durchfallenden Licht mindestens etwa 20% absorbiert.
Im allgemeinen erhält man bessere
Ergebnisse in dem Masse als ein grösserer Teil der
Wand überzogen ist und so wird man zweck- mässig die Hülle der Entladungsröhre derart wählen, dass keine toten Räume, z. B. Rohrarme, vorhandensind, unddieröhrenwandüberallnahezu gleich weit von der Kathodenoberfläche entfernt ist.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass eine
Glimmentladungsröhre, in der gemäss der Erfindung die Kathodenoberfläche und vorzugsweise auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen, besonders gute Eigenschaften in bezug auf gleichbleibende Brennspannung und Reproduzierbarkeit hat.
Die oben geschilderten Glimmentladungsröhren lassen sich erfindungsgemäss dadurch herstellen, dass die Kathode in der Röhre selbst durch Zerstäubung oder Verdampfung einem Reinigungsvorgang unterzogen wird und die Bedeckung der Wand ebenfalls durch Zerstäubung oder Verdampfung erfolgt. Es kann z. B. die Kathode dadurch gereinigt werden, dass man sie während längerer Zeit mittels Hochfrequenz auf eine hohe Temperatur erhitzt ; vorzugsweise aber zerstäubt man die Kathode mittels einer Glimmentladung mit einer Stromdichte, die die normale Stromdichte um ein Mehrfaches übersteigt.
Die Reinigung der Kathode ist, auch zur Verkürzung der Zeitdauer, vorteilhaft mit einer solchen Glimmstromdichte durchführbar, dass die Kathode glühend wird. Man soll den Reinigungsvorgang derart in den Herstellungsgang der Röhre einschalten, dass nach der Reinigung keine Verunreinigungen mehr in die Röhre eintreten können. Es wird z. B. erforderlich sein, die Kathode zu verdampfen oder zu zerstäuben, nachdem die Röhre von der Pumpe abgeschmolzen worden ist, da unter dem Einfluss der zum Abschmelzen erforderlichen hohen Temperatur, Verunreinigungen aus dem Glas auftreten können. Es hat sich erwiesen, dass nach einer derartigen Behandlung keine weiteren schädlichen Verunreinigungen
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während des Betriebes der Röhre abgegeben werden.
Die Wandbedeckung der Glimmentladungs- röhre kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eines der vorgenannten Metalle in Form eines
Drahtes oder einer Platte derart erhitzt, oder mittels einer Glimmentladung derart zerstäubt' wird, dass es die Wand, welche die Entladungs- strecke umschliesst, praktisch vollständig mit einer sichtbaren Metallschicht bedeckt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in hohem
Masse vereinfacht werden, wenn man für die
Wandbedeckung das gleiche Metall wie für die
Kathode wählt ; in diesem Fall können die Reini- gung der Kathode und die Bedeckung der Wand gleichzeitig durch Zerstäubung der Kathode be- wirkt werden. Man soll diese dann so lange fort- setzen bis ein hinreichender Wandüberzug nieder- geschlagen ist.
Messungen an erfindungsgemässen Glimm- entladungsröhren haben gezeigt, dass die Brenn- spannung innerhalb weiter Zeitgrenzen ausser- ordentlich konstant ist und sich z. B. innerhalb einer normalen Brenndauer von 1000 Stunden weniger als 0-5 Volt ändern kann.
Von Metallen mit einem Schmelzpunkt ober- halb 1400 C scheiden wegen des hohen Preises wohl in den meisten Fällen Ti und Hf aus, so dass man im allgemeinen die Wahl zwischen den
Metallen Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe und Ni treffen wird. Unter diesen letztgenannten Metallen nimmt das Molybdän durch seinen niedrigen
Kathodenfall (etwa 100 Volt in Argon oder Neon) einen besonderen Platz ein. Molybdän weist ausserdem den Vorteil auf, dass eine aus diesem
Metall hergestellte Kathode besonders leicht prä- pariert werden kann, dass das Glimmlicht sie homogen bedeckt und dass es leicht bearbeitbar und hoch belastbar ist. Infolge des niedrigen
Kathodenfalles gibt es keine Entladung an den
Stromzuführungsdrähten, die vielfach aus Nickel bestehen, weshalb diese auch nicht abgeschirmt zu werden brauchen.
Die Erfindung wird an Hand einiger in den
Fig. 1-5 abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Figuren zeigen Glimm- entladungsröhren, deren Hülle und Kathode ver- schieden ausgestaltet sind.
In Fig. 1 befindet sich eine Kathode 1 und eine stabförmige Anode 2 in einer kugelförmigen
Hülle 3 mit den Ausstülpungen 4 und 5. Die
Innenwand der Hülle ist mit einem dunklen
Metallniederschlag überzogen, der ebenso wie die
Kathode aus einem der vorgenannten Metalle besteht. Die Innenwand der Ausstülpungen 4, 5 bleibt praktisch frei vom Metallniederschlag, da das verdampfte oder zerstäubte Metall das Innere dieser Ausstülpung nicht erreichen kann.
Fig. 2 zeigt die Kathode 1 in Draufsicht in
Form einer runden Blechplatte mit zwei seitlich anschliessenden Zungen, die vor dem Einsetzen der Kathode umgebogen werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der durch die Ausstülpungen gegebene Nachteil ver- mieden, indem es in dieser Abbildung keine Aus- stülpungen gibt und hier alle Punkte der Hülle nahezu gleich weit von der Kathodenoberfäche entfernt sind. In dieser Röhre kann demnach die Innenwand sehr gleichmässig mit Metall- niederschlag bedeckt sein.
Fig. 4 zeigt eine Röhre mit einer zylindrischen
Kathode und einer Hülle, die analog der Röhre nach Fig. 3 überall gleich weit von der Kathoden- oberfläche entfernt ist.
In Fig. 5 ist eine Glimmentladungsröhre dargestellt, in der der Raum der Entladungsstrecke von einer zylindrischen Wand 6 aus Quarz umgeben ist. Diese Wand ist an der Innenseite mit einer sichtbaren Metallschicht überzogen, während die vom Zylinder abgeschirmte Röhrenwand nicht bedeckt ist.
Zur Herstellung einer Glimmentladungsröhre nach der Erfindung kann man von einer Röhre entsprechend einer der Figuren ausgehen. Das Verfahren sei für den Fall beschrieben, dass sowohl die Kathode als auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen und man die Reinigung der Kathode und das Überziehen der Innenwand beide durch Zerstäubung durchführt. Zunächst werden in bekannter Weise durch Erhitzung in einem Ofen auf etwa 400'sämtliche Glasteile der Röhre und sodann durch Hochfrequenzerhitzung die Metallteile entgast. Darauf wird die Röhre mit Gas gefüllt. Hierauf wird zwischen Kathode und Anode eine Glimmentladung mit kleinem Strom eingeleitet. Wenn man diesen Strom langsam steigert, so beobachtet man, dass sich das Glimmlicht auf der Kathode zu einem kleinen Fleck kontrahiert ; hiebei fällt die Brennspannung ab.
Darauf breitet sich das Glimmlicht wieder langsam über die Oberfläche der Kathode aus. Man steigert den Strom schliesslich, bis dieser etwa einige hundert mA je cm2 beträgt, wobei die Kathode zur Weissglut gelangen kann. Man kann nunmehr Gas abpumpen und die Röhre mit einer neuen Menge reinen Gases füllen.
Nachdem die Röhre abgeschmolzen worden ist, wird das Zerstäubungsverfahren nochmals wiederholt, so dass schliesslich sowohl die Kathode als auch die Gasfüllung derart gründlich gereinigt werden, dass praktisch die letzten Spuren von Verunreinigungen verschwunden sind. Zugleich wird durch Zerstäubung der Kathode die Innenwand des Kolbens mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt. Im allgemeinen wird die Reinigung der Kathode bewirkt worden sein, bevor der Metallniederschlag auf der Innenwand eine hinreichende Stärke bekommt. Deshalb wird es erforderlich sein, die Zerstäubung fortzusetzen bis die Innenwand der Röhre praktisch vollständig mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt ist.
Man kann das oben geschilderte Verfahren im Rahmen der Erfindungauf verschiedene Weisevari- ieren. Man kann z. B. statt Molybdän eines der anderen erwähnten Metalle sowohl für die Kathode als auch für die Wandbedeckung verwenden. Wenn man z. B. eine Kathode aus Zirkonium und eine
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Wandbedeckung aus Nickel wählt, so wird man in der Röhre in der Umgebung der Kathode einen Nickeldraht oder-platte anbringen können, der durch Zerstäubung Nickel auf die Innenwand niederschlägt. Die Bedeckung der Innenwand kann auch dadurch erfolgen, dass man den Nickeldraht mittels eines elektrischen Stromes auf eine derart hohe Temperatur erhitzt, dass durch Verdampfung des Drahtes Nickel auf die Innenwand niedergeschlagen wird.
Man kann auch die Kathode aus einem Draht bestehen lassen, den man dadurch reinigt, dass er mittels eines elektrischen Stromes auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Es ist nicht erforderlich, zur Reinigung der Kathode die Zerstäubung derart durchzuführen, dass die Kathode auf eine äusserst hohe Temperatur (für Molybdän z. B. 17000) erhitzt wird. Wenn man nur die Zerstäubung länger fortsetzt, kann sie auch bei geringerer Belastung und mithin bei niedrigerer Temperatur stattfinden.
Der Gasdruck der Glimmentladungsröhren nach der Erfindung hat den üblichen Wert von der Grössenordnung von 1 Torr. Man kann z. B. einen Gasdruck von 20-40 Torr Neon oder 5-20 Torr Argon wählen. Glimmentladungsröhren nach der Erfindung haben eine niedrige konstante Brennspannung. Wenn die Zerstäubung oder Verdampfung der Kathode hinreichend lange fortgesetzt wurde und eine sichtbare Metallschicht auf die Innenwand der Röhre niedergeschlagen worden ist, ändert sich die Brennspannung innerhalb einer normalen Brenndauer von etwa 1000 Stunden um weniger als 0-5 Volt und sogar nur 0-1 Volt. Unterbrechung der Verwendung der Röhre führt praktisch keine Änderung der Brennspannung herbei.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung, insbesondere für Mess-oder Stabilisierungs- zwecke mit einer aus Isoliermaterial, z. B. Glas, bestehenden Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem 1400 C übersteigenden Schmelzpunkt besteht und dass die
Röhrenwand, wenigstens aber die die Entladungsstrecke umschliessende Wand, praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht aus einem dieser Metalle bedeckt ist, welche Schicht aber nicht von einer Elektrode gebildet wird.
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Glow discharge tube and process for making the same
The application relates to a glow discharge tube for use as an effective part in an electrical circuit, in particular for measurement or stabilization purposes, and to a method for its production. These glow discharge tubes are different from glow lamps for lighting purposes in that when they are used, use is not made of the emitted light, but of the properties of their characteristic curve. The purpose of the invention is to create a tube whose operating voltage remains practically constant over its service life and is reproducible to within a few volts.
Tubes of this type have hitherto been provided with a cathode made of iron or nickel, optionally with a coating made of an alkaline earth metal. To clean the gas filling, they often contain a catch material made of barium or magnesium.
The applicant has now found that the properties of these tubes can be improved considerably and that the manufacturing process can also be simplified. According to the invention, the cathode consists at least on its surface of a metal with a melting point higher than 14000 C and the tube wall, or at least the part of the wall surrounding the discharge path, is practically completely covered with a visible layer of such a metal. According to the invention, the cathode and the wall covering are preferably made of the same metal. The cathode can be made entirely from one of the metals mentioned; but it is sufficient that only the surface layer of the cathode consists of this metal. The applicant has obtained excellent results with a molybdenum cathode.
In addition to the cathode, the inner wall of the tube must be coated with a layer of metal with a melting point of over 1400 ° C. It is not enough that the inner wall is covered with an invisible metal layer only a few atoms thick. The layer must be clearly visible and at least practically completely cover the wall surrounding the discharge path. If the discharge path is surrounded by a screen within the glass envelope, then this screen serves as a wall for the discharge path and must be covered with one of the metals mentioned above. A visible metal layer is understood to mean a layer which, applied to a glass wall, absorbs at least about 20% of the light passing through.
Generally you get better ones
Results to the extent that a greater part of the
Wall is covered and so you will expediently choose the shell of the discharge tube so that no dead spaces, e.g. Tube arms, are present and the tube wall is almost equidistant from the cathode surface everywhere.
The notifying party has established that a
Glow discharge tube, in which, according to the invention, the cathode surface and preferably also the wall covering are made of molybdenum, has particularly good properties in terms of constant operating voltage and reproducibility.
The glow discharge tubes described above can be produced according to the invention in that the cathode in the tube itself is subjected to a cleaning process by sputtering or evaporation and the wall is also covered by sputtering or evaporation. It can e.g. B. the cathode can be cleaned by heating it to a high temperature for a long time using high frequency; however, the cathode is preferably atomized by means of a glow discharge with a current density which exceeds the normal current density several times over.
The cleaning of the cathode, also to shorten the time, can advantageously be carried out with a glow current density such that the cathode becomes glowing. The cleaning process should be included in the production process of the tube in such a way that no more contaminants can enter the tube after cleaning. It is z. B. be necessary to evaporate or sputter the cathode after the tube has been melted by the pump, since under the influence of the high temperature required for melting, impurities can occur from the glass. It has been found that after such a treatment no further harmful impurities
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be released during the operation of the tube.
The wall covering of the glow discharge tube can be achieved, for example, by having one of the aforementioned metals in the form of a
Wire or a plate is heated in such a way or is atomized by means of a glow discharge in such a way that it practically completely covers the wall which surrounds the discharge path with a visible metal layer.
The inventive method can in high
Mass can be simplified when looking for that
Wall covering the same metal as for that
Cathode selects; In this case, the cleaning of the cathode and the covering of the wall can be effected simultaneously by sputtering the cathode. This should then be continued until a sufficient wall covering has been deposited.
Measurements on glow discharge tubes according to the invention have shown that the operating voltage is extremely constant within wide time limits and, for example, varies. B. can change less than 0-5 volts within a normal burning time of 1000 hours.
Of metals with a melting point above 1400 C, Ti and Hf are ruled out in most cases because of their high price, so that one can generally choose between the
Metals Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe and Ni will meet. Among these last-mentioned metals, molybdenum takes on its low level
Cathode fall (around 100 volts in argon or neon) has a special place. Molybdenum also has the advantage that one of this
Metal-made cathode can be prepared particularly easily so that the glow light covers it homogeneously and that it is easy to process and highly resilient. As a result of the low
There is no discharge to the cathode case
Power supply wires, which are often made of nickel, which is why they do not need to be shielded.
The invention is based on some in the
Fig. 1-5 illustrated embodiments explained in more detail. These figures show glow discharge tubes whose casing and cathode are designed differently.
In Fig. 1 there is a cathode 1 and a rod-shaped anode 2 in a spherical one
Shell 3 with protuberances 4 and 5. The
Inner wall of the shell is dark
Metal precipitate coated that as well as that
Cathode consists of one of the aforementioned metals. The inner wall of the protuberances 4, 5 remains practically free from the metal deposit, since the vaporized or atomized metal cannot reach the interior of this protuberance.
Fig. 2 shows the cathode 1 in plan view in
In the form of a round sheet metal plate with two laterally connecting tongues that are bent over before inserting the cathode.
In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the disadvantage given by the protuberances is avoided in that there are no protuberances in this figure and here all points of the envelope are almost the same distance from the cathode surface. In this tube, the inner wall can therefore be covered very evenly with metal precipitate.
Fig. 4 shows a tube with a cylindrical
Cathode and a casing which, analogously to the tube according to FIG. 3, is everywhere the same distance from the cathode surface.
In Fig. 5 a glow discharge tube is shown in which the space of the discharge path is surrounded by a cylindrical wall 6 made of quartz. This wall is covered on the inside with a visible metal layer, while the tube wall shielded by the cylinder is not covered.
To produce a glow discharge tube according to the invention, one can start from a tube according to one of the figures. The method is described for the case in which both the cathode and the wall covering consist of molybdenum and the cathode is cleaned and the inner wall is both coated by sputtering. First of all, all glass parts of the tube are degassed in a known manner by heating in an oven to about 400 'and then the metal parts are degassed by high-frequency heating. The tube is then filled with gas. A glow discharge with a small current is then initiated between the cathode and anode. If one increases this current slowly, one observes that the glow light on the cathode contracts to a small spot; the running voltage drops in the process.
The glow light then slowly spreads over the surface of the cathode. Finally, the current is increased until it is around a few hundred mA per cm2, whereby the cathode can reach white heat. You can now pump out gas and fill the tube with a new amount of pure gas.
After the tube has been melted off, the sputtering process is repeated again, so that finally both the cathode and the gas filling are cleaned so thoroughly that practically the last traces of impurities have disappeared. At the same time, the inner wall of the bulb is covered with a visible molybdenum layer by sputtering the cathode. In general, cleaning of the cathode will have been effected before the metal deposit on the inner wall becomes sufficiently strong. It will therefore be necessary to continue the atomization until the inner wall of the tube is practically completely covered with a visible molybdenum layer.
The method described above can be varied in various ways within the scope of the invention. You can z. B. instead of molybdenum, use one of the other metals mentioned for both the cathode and the wall covering. If you z. B. a cathode made of zirconium and a
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If you choose a wall covering made of nickel, you will be able to attach a nickel wire or plate in the tube in the vicinity of the cathode, which will deposit nickel on the inner wall by atomization. The inner wall can also be covered by heating the nickel wire to such a high temperature by means of an electric current that nickel is deposited on the inner wall through evaporation of the wire.
The cathode can also be made of a wire, which is cleaned by heating it to a high temperature using an electric current. To clean the cathode, it is not necessary to carry out the sputtering in such a way that the cathode is heated to an extremely high temperature (for molybdenum, for example, 17,000). If the atomization is only continued for a longer period of time, it can also take place with a lower load and therefore at a lower temperature.
The gas pressure of the glow discharge tubes according to the invention has the usual value of the order of magnitude of 1 Torr. You can z. B. choose a gas pressure of 20-40 torr neon or 5-20 torr argon. Glow discharge tubes according to the invention have a low constant operating voltage. If the sputtering or evaporation of the cathode has continued for a sufficiently long time and a visible metal layer has been deposited on the inner wall of the tube, the burning voltage changes within a normal burning time of about 1000 hours by less than 0-5 volts and even only 0-1 volts . Interrupting the use of the tube practically does not change the operating voltage.
PATENT CLAIMS:
1. Glow discharge tube for use as an effective part in an electrical circuit, in particular for measurement or stabilization purposes, with an insulating material, e.g. B. glass, existing wall, characterized in that the cathode consists at least on its surface of a metal with a melting point exceeding 1400 C and that the
Tube wall, but at least the wall surrounding the discharge path, is practically completely covered with a visible layer of one of these metals, which layer, however, is not formed by an electrode.