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Kaltkathode für elektrische Gas- und Metalldampfentladungsröhren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathode für elektrische Gas- und Metalldampfentladungsröh- ren, die aus einem mindestens in Richtung der Entladung offenen Hohlzylinder aus Metall besteht, des- sen Innenfläche mit einer elektronenemittierenden Schicht versehen ist.
Kaltkathoden dieser Art sind bereits bekannt. Gewöhnlich werden Ausführungen verwendet, bei wel- i chen die an der Innenfläche des Hohlzylinders aufgebrachte elektronenemittierende Schicht aus einer
Erdalkalioxydmasse besteht. Diese Kathoden besitzen zwar eine hohe Lebensdauer, ihr Kathodenspan- nungsabfall liegt jedoch in der Grössenordnung zwischen 90-110 Volt, wodurch sich insbesondere bei hö- heren Betriebsströmen ein relativ hoher Eigenverbrauch der Kathode ergibt. Dies ist z. B. bei Kaltkatho- denleuchtstofflampen der Fall, wo es sich um Entladungsströme in der Grössenordnung von 150 mA han- delt.
Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Leuchtstofflampenanlage ist daher verhältnismässig schlecht, da die sich aus dem Eigenverbrauch des Vorschaltgerätes und dem der Kathode zusammensetzenden Ver- luste gegenüber dem Verbrauch der allein zur Lichterzeugung dienenden Gasentladung relativ hoch sind.
Der Eigenverbrauch des Vorschaltgerätes ist im allgemeinen unwesentlich gegenüber dem der üblichen
Kaltkathode. Ausserdem ist bei derartigen Ausführungen eine relativ grosse Oberfläche der Kathode erfor- derlich, um die Erwärmung in zulässigen Grenzen zu halten.
Es sind auch bereits Kaltkathoden mit einem wesentlich geringeren Kathodenspannungsabfall be- kannt. Bei diesen sogenannten Erdalkalimetallfilmkathoden liegt der Kathodenspannungsabfall in der
Grössenordnung von etwa 20 Volt, wodurch sich bei gleichem Entladungsstrom ein wesentlich geringerer
Leistungsverlust und dadurch auch eine kleinere Kathodenerwärmung ergibt, so dass auch deren Oberfläche kleiner gehalten werden kann. Diese Metallfilmkathoden haben jedoch den grossen Nachteil, dass ihre
Lebensdauer nur einen Bruchteil der Lebensdauer der mit einer Schicht aus Erdalkalioxyd versehenen
Kathoden beträgt. Um die Lebensdauer zu erhöhen, hat man auch schon Kathoden verwendet, die aus einem porösen Sinterkörper aus Wolfram bestehen, der mit einer Kathodenmasse auf Erdalkalibasis ge- tränkt ist.
Beim Verbrauch des an der Oberfläche befindlichen Kathodenmaterials liefern diese Kathoden durch Diffusion von innen heraus weiteres Material nach, so dass an der Oberfläche immer ein Metallfilm vorhanden ist. Es handelt sich hiebei um sogenannte Vorratskathoden. Diese Art der Kathoden hat sich jedoch nur bei Entladungsröhren mit hohem Betriebsdruck bewährt, z. B. bei Quecksilberhochdruckbren- ner, da sie bei Verwendung in Niederdruckentladungsröhren, zu welchen auch die Kaltkathodenleucht- stofflampen gehören, eine sehr hohe Kathodenzerstäubung aufweisen.
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine für Niederdruckentladungsröhren verwendbare
Kaltkathode zu schaffen, die sowohl einen geringen Kathodenspannungsabfall als auch eine hohe Lebens- dauer besitzt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im Innern des Hohlzylinders ein elektrischer Heizkörper und eine von diesem beheizbare, beim Erhitzen verdampfende Kathodenmasse angeordnet ist, wobei sich bei Stromdurchgang durch den Heizkörper an der Innenfläche des Hohlzylinders ein elektronen- emittierender Metallfilm niederschlägt. Um die Kathode nach der Erfindung erstmals in Betrieb zu neh- men, wird zunächst der Heizkörper kurzzeitig eingeschaltet, wodurch ein Teil der Kathodenmasse verdampft und innerhalb kürzester Zeit an der Innenfläche des Hohlzylinders einen Metallfilm bildet. Zufolge dieses Metallfilmes ergibt sich ein geringer Kathodenspannungsabfall, so dass auch die Verluste wäh-
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rend des Betriebes der Kathode klein sind.
Sobald der Metallfilm verbraucht ist, kann durch kurzzeitige
Einschaltung des Heizkörpers an der Innenfläche des Hohlzylinders immer wieder ein neuer Metallfilm gebildet werden. Die zur Regenerierung des Metallfilmes erforderliche Einschaltzeit des Heizkörpers be- trägt nur Bruchteile einer Sekunde. Je nach der Menge der im Hohlzylinder angeordneten Kathodenmasse ) kann somit bei geringem Kathodenspannungsabfall eine Lebensdauer erzielt werden, die wesentlich grö- sser ist, als die Lebensdauer der bekannten Kaltkathoden mit einer aus Erdalkalioxydmasse bestehenden elektronenemittierenden Schicht. Zufolge des geringen Kathodenspannungsabfalles kann die erfindungs- gemässe Kaltkathode auch erheblich geringere Abmessungen aufweisen als die bekannten Oxydkathoden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mindestens ein Teil des Heizkörpers von der Kathoden- ) masse ummantelt sein. Dadurch ergibt sich ein guter Wärmeübergang vom Heizkörper zur Kathodenmas- se, so dass in kürzester Zeit eine ausreichende Menge der Kathodenmasse verdampft, um den elektronen- emittierenden Metallfilm an der Innenfläche des Hohlzylinders zu regenerieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der vorzugsweise aus einer Wolfram- wendel bestehende Heizkörper an seinem einen Ende mit der Stromzuführung zur Kathode leitend veri bunden sein und am andern, freien Ende in Richtung der Entladung blank, vorzugsweise in einer Spitze, enden. Durch diese Massnahme wird eine selbsttätige Regenerierung des Metallfilmes erzielt. Bei erst- maliger Einschaltung der Betriebsspannung geht die Entladung vorerst von dem blanken Ende des Heiz- körpers aus, worauf der Heizkörper vom Entladungsstrom durchflossen wird und die Kathodenmasse be- heizt. Dadurch verdampft Kathodenmaterial und schlägt sich an der Innenfläche des Hohlzylinders als dünner Metallfilm nieder.
Dieser Metallfilm besitzt einen niedrigeren Spannungsabfall als die Katho- denmasse bzw. der Heizkörper, so dass die Entladung auf die Innenfläche des Hohlzylinders übergeht und der Heizkörper stromlos wird. Nach Verbrauch des Metallfilmes steigt der Kathodenspannungsabfall an der Innenfläche des Hohlzylinders wieder an, so dass die Entladung selbsttätig wieder auf das blanke Ende des Heizkörpers überwechselt, wodurch der Metallfilm von neuem regeneriert wird. Dieser Vorgang wie- derholt sich automatisch, solange noch genügend Kathodenmasse im Innern des Hohlzylinders vorrätig ist. Da die Regenerierung nur Bruchteile einer Sekunde dauert, wird dieser Vorgang'beim Betrieb der Ent- ladungsröhre überhaupt nicht bemerkt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Kathodenmasse aus einem Oxyd eines oder mehrerer Erdalkalimetalle, wie z. B. Strontium, Barium oder Kalzium. bestehen. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien für die erfindungsgemässen Zwecke besonders geeignet sind und bei sparsamem
Materialverbrauch einen geringen Kathodenspannungsabfall und eine hohe Lebensdauer ergeben.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kaltkathode teilweise im Schnitt dargestellt. Der aus Metall, vorzugsweise aus Eisen, Nickel, Molybdän, Tantal, Wolfram oder deren Le- gierungen, bestehende Hohlzylinder 1 ist einseitig offen ausgebildet und steht an seinem geschlossenen
Ende mit der Stromzuführung 2 in leitender Verbindung. Im Innern des Hohlzylinders 1 ist ein aus einer
Wolframwendel 3 bestehender Heizkörper angeordnet, der von einer Kathodenmasse 4, z. B. von einem
Erdalkalimetalloxyd, ummantelt ist. Die Wolframwendel 3 ist an einem Ende mit der Stromzuführung 2 leitend verbunden und besitzt in Richtung der Entladung eine blanke Spitze 5.
Sobald die Betriebsspannung nach Einbau der neuen Kathode in eine Entladungsröhre erstmals an die Stromzuführung 2 angelegt wird, beginnt die Entladung zunächst an der Spitze 5 der Wolframwendel 3.
Der Entladungsstrom fliesst dabei durch die Wolframwendel 3 und bringt diese zum Glühen. Dadurch wird die Kathodenmasse 4 beheizt, so dass ein Teil derselben verdampft und sich an der Innenfläche 6 als dün- ner elektronenemittierender Metallfilm niederschlägt. Da der Metallfilm einen geringeren Spannungs- abfall aufweist als die Spitze 5 der Wolfràmwende13. wechselt die Entladung von der Spitze 5 auf die
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des darauf befindlichen Metallfilmes wieder grösser wird als der Spannungsabfall der Spitze 5, springt die Entladung wieder auf die Spitze 5 über, wodurch die Wolframwendel 3 wieder beheizt wird, ein Teil der Kathodenmasse 4 verdampft und sich auf der Innenfläche 6 ein neuer Metallfilm ausbildet. Die Entladung geht sodann wieder von der Spitze 5 auf die Innenfläche 6 zurück.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange der im Innern des Hohlzylinders 1 angeordnete Vorrat an Kathodenmasse 4 zur Regenerierung des Metallfilmes auf der Innenfläche 6 ausreicht.
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