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Kathode für Niederdruckgasentladungslampen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode für Niederdruckgasentladungslampen und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung bezweckt, insbesondere bei Dreifachwendeln, eine weitgehende Erhöhung der sekundären Wendellänge und damit der auf diese Wendel auftragbaren Kathodenmasse und auf diesem Umweg eine Steigerung der Lebensdauer der Lampe zu erzielen.
Unter den Niederdruckgasentladungslampenhaben die Leuchtröhren die grösste Bedeutung. Hinsichtlich der Wirkungsweise stimmen Leuchtröhrenkathoden mit denen anderer Niederdruckgasentladungslampen überein, so dass im folgenden der Einfachheit halber nur von Leuchtröhrenkathoden gesprochen wird, obwohl die Erfindung auch auf Kathoden anderer Niederdruckgasentladungslampen anwendbar ist.
In Leuchtröhren sind die Kathoden an den beiden Röhrenenden angebracht und mittels Stromzuleitungen, die über an den Röhrenenden angeordnete Glasscheiben geführt sind, an den Stromkreis ange-
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überzogen ist. Letztere besteht zumeist aus einem Gemisch von Erdalkalioxyden niedriger Austrittsarbeit..
Dreifachwendelnhabenzwar eine bedeutend grössere Lebensdauer als Doppelwendeln, haben jedoch den Nachteil, dass sie infolge des kleinen Durchmessers und der grossen Länge des gewendelten Wolframfadens einen sehr hohen Widerstand aufweisen. Zur Beseitigung dieses Nachteiles sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen als Kern der ersten Wendelung je ein Wolfram- und ein Molybdändraht verwendet werden. Nach der endgültigen Ausführung der Dreifachwendel wird der Molybdänkern ausgelöst, während der nunmehr doppelt gewendelte Wolframkern in der Wendel verbleibt. Dieser Wolframkern wirkt aber wesentlich auf den Widerstand und die Wendeltemperatur sowohl während des Formierungvorganges der Kathode als auch während des Betriebes der fertigen Röhre ein.
Daher ist die Dicke dieses Wolframkernes durch die erforderliche Betriebstemperatur der Wendel und die Länge des Wolframkernes durch den gewünschten Widerstand begrenzt, welch letzterer in vielen Fällen zwischen engen Grenzen liegen muss.
Ausserdem ist es aus Gründen einer hohen Lebensdauer der Leuchtröhre erwünscht, möglichst viel Kathodenmasse unterzubringen. Der Abstand benachbarter Windungsgänge voneinander kann aber im Falle von Dreifachwendeln bei der Sekundärwendel bzw. allgemein bei der vorletzten Wendelung nicht über eine bestimmte Grenze hinaus erhöht werden, da bei zu grossen Abständen die Kathodenmasse aus der Sekundärwendel herausfallen kann. Unter Berücksichtigung aller dieser Faktoren wird bei den bekannten Konstruktionen die Länge der für die Tertiärwendelung verwendbaren Sekundärwendel sehr gering, was ein geringes für die Unterbringung der Kathodenmasse ausnutzbares Volumen zur Folge hat.
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Somit ist auch die erzielbare Lebensdauer nicht befriedigend.
Auch die Wärmeübertragungsverhältnisse zwischen Wolframkern und Kathodenmasse sind bei den bekannten Konstruktionen relativ ungünstig. Ausser der Menge der aufgetragenen Kathoden masse ist hiebei auch die Art der Anordnung der Kathodenmasse auf der Wendel von Bedeutung. Im Laufe der Herstellung der Leuchtröhre muss nämlich dafür gesorgt werden, dass die Kathodenmasse in ein hinsichtlich der Elektronenemission aktives Material umgewandelt wird, d. h. dass die Erdalkalicarbonate zu Oxyden
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OS > meo + CO,wichtig, dass die Anordnung der Kathodenmasse eine möglichst gute Wärmeübertragung von der Wendel auf die Kathodenmasse sichert.
Wenn nämlich einzelne Anteile der Kathodenmasse von der Oberfläche der Wendel zu weit entfernt liegen, so muss die Wendeltemperatur übermässig hoch gesteigert werden, um die erwähnte Zersetzungsreaktion auch in diesen wendelfernen Anteilen zu gewährleisten. Dadurch werden aber jene Kathodenmassenteile, welche unmittelbar an der Wendeloberfläche anliegen, über- hitzt und somit inaktiv, so dass sie hinsichtlich der Lebensdauer der Röhre verlorengehen.
Wird, um dies zu vermeiden, die Kathodentemperatur während der Kathodenherstellung niedriger gehalten, so wird das
Kohlendioxyd aus den von der Wendel entfernt gelegenen Kathodenmasseanteilen nicht restlos entfernt und es wird daher auch noch nach Fertigstellung der Röhre während des Betriebes derselben Kohlendioxyd frei, welches den Gasraum verunreinigt und mit den Röhrenbestandteilen bzw. mit der Quecksilberfül- lung der Röhre dunkle Verbindungen bildet, welche sich auf der Röhrenwand absetzen und die Lichtausbeute der Röhre beeinträchtigen.
Die Artder Anordnung der Kathodenmasse ist auch auf die gemeinsame Wärmekapazität der Kathodenwendel und der Kathodenmasse von Einfluss, welche ihrerseits den Leuchtröhrenbetrieb beeinflusst.
Liegt nämlich diese Wärmekapazität unterhalb des optimalen Wertes, so wird die Kathode während des Betriebes, besonders in der anodischen Halbperiode und während der Vorwärmung, überhitzt, wodurch der aktive Stoff rasch verdampft, was einerseits die Lebensdauer der Röhre vermindert, anderseits zur frühen Verfleckung führt. Liegt dagegen die Wärmekapazität oberhalb des optimalen Wertes, so kann die Kathode sich während des Betriebes nicht ausreichend erwärmen, der Kathodenfall nimmt zu, wodurch die Kathodenbestandteile bzw. die Kathodenmasse zerstäubt werden, was gleichfalls eine Verringerung der Lebensdauer und eine früh eintretende Verfleckung verursacht.
Die erfindungsgemässe Kathodenkonstruktion bezweckt nun, die erwähnten Nachteile zu vermeiden und die einander oft widersprechenden Anforderungen an die Kathodenkonstruktion vor allem durch eine besondere Ausbildung der Wendelung zu erfüllen. Die erfindungsgemässe Konstruktion besteht hiebei im wesentlichen darin, dass der Kern der Primär- bzw. im Falle einer Vierfachwendel der Sekundärwendel aus mindestens zwei Wolframdrähten besteht, welche voneinander in vorbestimmten, den Durchmesser des Wolframdrahtes überschreitenden Abständen liegen, wobei die Achsen dieser Wolframdrähte entlang der Mantelfläche der Sekundärwendel bzw. im Falle einer Vierfachwendel der Tertiärwendel verlaufen und dass sich im Inneren der Sekundärwendel bzw.
im Falle einer Vierfachwendel der Tertiärwendel, entlang ihrer Achse ein von Aktivierungsstoff freier Kanal befindet. Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist hiebei die Anordnung zweckmässig so getroffen, dass der gegenseitige Abstand der Wolframkerndrähte entlang der Mantelfläche der Sekundärwendel (bzw. im Falle einer Vierfachwendel der Tertiärwendel) überall im Bereich von 70 bis 110 u, vorzugsweise 80 - 110 il, liegt.
Auf diese Weise lässt sich die Länge der Sekundärwendel bei identischer primärer Kernlänge steigern, so dass gegenüber den bekannten Konstruktionen mehr Kathodenmasse aufgetragen werden kann.
Da bekanntlich die Lebensdauer der Leuchtstoffröhre der Menge der aufgetragenen aktivierten Katho-
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Konstruktionen, so dass es nicht mehr so leicht zur Überhitzung bzw. unvollständigen Zersetzung einzelner Kathodenmasseteile kommt. Auch dadurch wird die Lebensdauer der Röhre und ihre Lichtausbeute gesteigert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathode für Niederdruckgasentladungslampen geht aus von einer Vorgangsweise, bei welcher für die Durchführung der zweiten und bzw. oder der dritten Wendelung bzw. im Falle einer Vierfachwendel für die Durchführung der ersten und der dritten und bzw. oder der vierten Wendelung je ein Kern aus Molybdändraht verwendet wird, und auf die Sekundärwendelung, Tertiärwendelung usw. je eine formierende Wärmebehandlung folgt, worauf nach der letzten Wärmebehandlung alle Molybdänkerne ausgelöst werden.
Das erfindungsgemässe Ver-
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fahren besteht hiebei darin, dass die primäre Wendelung bzw. im Falle einer Vierfachwendel die sekundäre Wendelung jeweils auf einen aus mindestens drei, jedoch immer aus einer ungeraden Anzahl von Drähten aus Wolfram bzw. aus Molybdän bestehenden Kern erfolgt, wobei die Wolframdrähte und die Molybdändrähte miteinander abwechselnd angeordnet sind und die Anzahl der Wolframdrähte diejenige der Molybdändrähte um eins übertrifft, und dass im Laufe der sekundären Wendelung bzw. im Falle einer Vierfachwendel der tertiären Wendelung diese Kerndrähte so geführt werden, dass die Achsen sämtlicher Kerndrähte in einer gemeinsamen Ebene liegen und die Primärwendel bzw. im Falle einer Vierfachwendel die Sekundärwendel flach auf dem sekundären bzw.
im Falle einer Vierfachwendel auf dem tertiären Kern aufliegt. Dadurch lassen sich die angegebenen Vorteile der Wendelkonstruktion leicht und in in der Massenfertigung wirtschaftlichen Weise erzielen. Die mit Ausnahme dem Primärwendelungsvorgang jeder Wendelung folgende Wärmebehandlung sichert in bekannter Weise die zur Durchführung der weiteren Wendelungsvorgänge nötige Formbeständigkeit des Wendelkörpers.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Kathodenkonstruktion, welches in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Dreifachwendel, während Fig. 2 eine Draufsicht auf diese Wendel, bei teilweise abgenommener Kathodenmasse zeigt. Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie HI-in der Fig. 1 in vergrössertem Massstab und zeigt einen Teil der Sekundärwendel im Längsschnitt nach Entfernung der Molybdänkerne und nach Auftragung der Kathodenmasse.
Bei der Herstellung der Primärwendel wird ein Wolframfaden --1-- auf einen Kern aufgewickelt, welcher aus einer ungeraden Anzahl von Kerndrähten, u. zw. zumindest drei Kerndrähten, gebildet ist.
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der Wolframkemdrähte ist jeweils um eins höher als die Anzahl der Molybdänkerndrähte. Bei der Her- stellung der Primärwendel sind die Wolfram-bzw. Molybdankerndrähte-2-immer abwechselnd nebeneinander angeordnet, u. zw. so, dass ihre Achsen in einer gemeinsamen Ebene liegen, so dass die vom Wolframfaden --1-- gebildete Primärwendel eine stark ovale Form aufweist (Fig. 3).
Die Sekun- därwendelung erfolgt nun derart, dass die so gewonnene Primärwendel auf einem Kern aufgewickelt wird, wobei die Wendelung derart auszuführen ist, dass die im Querschnitt ovale Primärwendel flach auf dem Sekundärkern aufliegt. Durch Erhöhung der Anzahl der Wolframdrähte -2-- bzw. ihres Ab- standes voneinander kann die Windungshöhe der zweiten Wendelung beträchtlich gesteigert werden, ohne dass hiebei der Abstand der Sekundärwindungen voneinander vergrössert werden muss. Demzufolge wird die Länge der Sekundärwendel bedeutend erhöht, wodurch eine grössere Menge an Kathodenmasse aufgetragen werden kann, was eine grössere Lebensdauer der Röhre zur Folge hat.
Die so hergestellte Doppelwendel kann gegebenenfalls noch einer Tertiärwendelung unterworfen werden, wobei dann die fertige Dreifachwendel die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Form aufweist.
Nach Fertigstellung der Wendel und der die Formbeständigkeit der Wendel sichernden, an sich bekannten Wärmebehandlung werden die Molybdänkerne in üblicher Weise mit Hilfe einer Mischung aus Schwefelsäure und Salpetersäure ausgelöst. Hiebei wird eine Wendel erhalten, bei welcher mindestens zwei, zweckmässig jedoch mehrere Wolframdrähte den Kern der Primärwendel bilden und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher durch den zweckmässig den Durchmesser der Wolframdrähte - -2-- übersteigenden Durchmesser der Molybdändrähte --2-- bestimmt ist. Die Achsen der Wolfram- kerndrähte --2-- verlaufen hiebei entlang der Mantelfläche der Sekundärwendel, weisen also von der Achse der Sekundärwendel stets im wesentlichen den gleichen Abstand auf (Fig. 3).
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Kathodenausführung besteht darin, dass infolge dieser gleichmässigen Anordnung der Wolframdrahte-2-die Wärmeübertiagungsverhältnisse zwischen der Wendel und der Kathodenmasse --3-- bedeutend besser als bei den bekannten Wendelkonstruktionen sind, was sowohl den Zersetzungsvorgang der Kathodenmasse bei der Formierung der Kathode als auch den Betrieb der fertigen Kathode vorteilhaft beeinflusst. Diese Vorteile kommen insbesondere dann zur Geltung, wenn die Dicke des Molybdändrahtes und die sekundäre Windungshöhe so gewählt werden, dass der Abstand der Wolframdrähte --2-- voneinander überall zwischen 70 und 110 , vorzugsweise zwischen 80 und 100 Jl liegt.
Eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragungsverhältnisse, der optimalen Einstellung der Wär- mekapazitätund damit der Lebensdauer wird dadurch erzielt, dass die Kathodenmasse --3-- die Sekundärgänge der Dreifachwendel nicht völlig ausfüllt, so dass im Inneren der Sekundärwendel ein kanalartiger Hohlraum --4-- verbleibt. (Bei einer Doppelwendel liegt dieser Hohlraum selbstverständlich in der Primärwendel, während er bei Mehrfachwendel stets sich in der durch den vorletzten Wendelvorgang erzeugten Wendelung befindet muss. ) Es wird angenommen, dass dieser kanalartige Hohlraum --4-- zur
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vollkommenen Zersetzung und Entgasung der Kathodenmasse ohne übermässige Erhitzung der Wendel wesentlich beiträgt.
Dadurch werden alle jene Nachteile und Fehlerquellen beseitigt, welche im Betrieb bereits in den ersten 100 h Schwärzungen (Anodenflecke, Kathodenzerstäubung, Quecksilberoxydringe usw.) herbeiführen und letzten Endes die Lichtausbeute der Röhre herabsetzen. Der kanalartige Hohlraum --4- gewährleistet auch im Betrieb eine geeignete Kühlung der Kathode, wodurch das Auftreten der sogenannten Endschwärzung um mehrere 1000 h verzögert wird.
Zur Bildung eines von Aktivierstoff freien Kanales wird zweckmässig eine Masse, bestehend aus Erdalkalicarbonaten, verwendet, welche folgende Eigenschaften besitzt : a) Korngrösseverteilung : Von den Massekörnchen fallen 32 - 420/0 in einen Korngrössebereich von 0 bis 2 jj,
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b) Viskosität zwischen 80 und 110 cp. c) Siedepunkt des zweckmässig von Amylacetat gebildeten Lösungsmittels für das Bindemittel der Masse mindestens 130 C.
Die Auftragung der Masse kann mittels der üblichen Tauchverfahren erfolgen.
Ausführungsbeispiel:
Die Primärwendel wird auf einem aus drei Wolframdrähten und zwei Molybdändrähten bestehenden Primärkern gewickelt, worauf die Sekundärwendelung derart ausgeführt wird, dass die Primärwendel, welche einen sehr flachen elliptischen Querschnitt aufweist, auf dem Sekundärkern flach aufliegt.
Hierauf wird die so erhaltene Doppelwendel noch einmal gewendelt (Tertiärwendelung). Nach Fertigstellung dieser Dreifachwendel und nach der formierenden Wärmebehandlung erfolgt eine Auslösung der Molybdänkerndrahte, worauf die Kathodenmasse, bestehend aus drei Erdalkalicarbonaten mit der oben angegebenen Korngrösseverteilung und Viskosität in einer ein Bindemittel und Amylacetat als Lösungsmittel enthaltenden Suspension mit Hilfe des üblichen Tauchverfahren aufgetragen wird.
Die Abmessungen der einzelnen Drähte bzw. der Wendeln sind wie folgt :
Durchmesser des primären Wendelfadens (Wolfram) : 15 j. i
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Tertiäre Windungshöhe : 1 Gang/mm
Der gegenseitige Abstand der Wolframkerndrähte im Primärkern beträgt 80 jj, wobei zwischen einander benachbarten Sekundärwendelgängen 97,2 p Abstand besteht, was aus der nachstehenden Berechnung hervorgeht :
1 : 2, 5 = 0, 4 mm
3 x 37,6 + 2 x 80 + 2 x 15 = 302, 8 = 0,3028 mm
0, 4-0, 3028 = 0, 0972 mm = 97, 2 li.
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