Elektrisches Entladungsgefäss. Bei gebräuchlichen dampfgefüllten Ent ladungsgefässen, bei denen das Kathoden metall infolge der durch den Lichtbogen er zeugten hohen Temperaturen verdampft, be vorzugt man Quecksilber als Kathodenmate rial, weil es immer wieder zur Kathode zu rückfliesst, nachdem es verdampft und an den gekühlten Wandungen des Gefässes kon densiert ist.
Nachteilig dabei ist die Notwendigkeit grosser Abkühlungsflächen, vor allem aber der Energieverlust, der durch die Wärmeab fuhr nach aussen entsteht.
Bei einem Entladungsgefäss gemäss der Erfindung sind diese Nachteile wesentlich geringer. Gemäss der Erfindung ist ein elek trisches Entladungsgefäss mit lichtbogenarti- ger Entladung mit einer Kathode versehen, die einen Emissionsbelag aus einem Alkali metall oder Erdalkalimetall besitzt. Die Kathode bildet mindestens einen Teil der Begrenzung des Entladungsraumes. Das ganze Gefäss ist derart ausgebildet, dass die Kathode mit Ausnahme der durch den an setzenden Lichtbogen aufgeheizten Stelle kühl bleibt.
Für die emittierende Schicht eignen sich wegen ihrer geringen Austritts arbeit und sonstigen passenden Eigenschaf ten besonders Kalium und Natrium. Aber auch Lithium, Cäsium und Rubidium können verwendet werden, desgleichen auch die Erd- alkalimetalle Calcium, Strontium und Ba rium.
Als Trägerstoffe für die Aufnahme des Emissionsbelages kommen insbesondere Halb leiter in Betracht, vor allem solche, die bei der Stromführung entweder überhaupt nicht elektrolytisch zersetzt werden, oder bei denen wenigstens keine störende Zersetzung ein tritt, bei denen also insbesondere kein Sauer stoff oder keine Halogene frei werden.
Den Metallen sind die Halbleiter deshalb vorzuziehen, weil sie die Wärme weniger schnell ableiten, so dass sich ein Brennfleck mit hoher Temperatur auf kleinstem Raum ausbilden kann. Schlechte Wärmeleiter mit hoher Elektronenaustrittsarbeit haben über dies den Vorteil, dass die Austrittsarbeit der auf ihnen gebildeten einatomigen Schichten des Kathodenmaterials durch Polarisierung herabgesetzt. wird. Als Trägerstoffe eignen sich daher Karbide, Boride, Nitride. Silicide der verschiedensten Metalle, insbesondere der hochschmelzenden Metalle, z. B. von Wolf ram oder Titan.
Insbesondere kommt Sili- ciumborid oder Siliciumkarbid (Karborund) in Betracht. Das Karborund hat nicht allein den Vorteil, dass es auch bei normalen Tem peraturen die Eigenschaften eines Halbleiters hat, sondern auch weil es sehr billig und sehr fest ist. Auch seine natürliche raube Ober fläche scheint vorteilhaft zu sein. Wahr scheinlich ist auch seine elektronegative Ei genschaft von Bedeutung.
Lm eine Kathode mit Karborund als Trä gerstoff herzustellen, kann man Teilchen aus gestossenem oder gemahlenem Karborund in das Entladungsgefäss lose auf den Boden des Entladungsgefässes einlagern. Das Entla dungsgefäss selbst kann aus Eisen sein.
Ist das Karborund genügend grobkörnig, so kann man es durch ein darüber gespanntes Ge flecht aus leitendem oder isolierendem Mate rial auch an der Wandung des Gefässes zi.- sammenhalten. Eine weitere Befestigungs möglichkeit für das den Träger bildende Sili- zium-Karbid besteht darin, dass es fein zer kleinert ist und in eine Glasur als zusam menhängende Schicht eingeschmolzen wird.
Es kann auch hinter einer durchlochten Wand aus Glas, Quarz, Porzellan oder son stigem keramischem Material aufgeschüttet werden oder hinter Silitstäben, die genügend eng nebeneinander gesetzt sind. Das als emit tierendes Material dienende Metall wird am besten auf den Trägerstoff unter Luftab- schluss aufdestilliert. Ist die Oberfläche des Trägerstoffes so uneben, wie z.
B. die des aufgeschütteten Karborundums, so hat das Aufdampfen auch den Vorteil, dass zahl reiche Übergangsstellen mit einatomiger Schicht entstehen, an denen der Brennfleck besonders leicht ansetzt. Er greift aber auch auf stärkere Schichten über, an denen er, wie es scheint, eine so starke Verdampfung her vorrufen kann, bis auch nur eine einatomige Schicht überbleibt. Diese wird dann iin all gemeinen aus den 3l.etallvorrä.ten der Nach- barschi.clltcn stets von neuem ersetzt.
Die Gasfüllung des Entladungsgefässes besteht zweckmässigerweise aus einem Gas oder einem Dampf, der sich auch in kaltern Zustand des Gefässes nicht niederschlägt, Argon. vorzugsweise aus Edelgas, z. B. aus Der Druck bei gewöhnlicher Temperatur kann etwa 0,02 bis 30 rnm Quecksilbersäule betragen; zum Beispiel ermöglichen Drücke zwischen ;) und 10 mm Quecksilbersäule einen sicheren Betrieb.
So lässt sich in einem Entladungsgefäss, bei dem der Träger aus grobkörnigem Karborund, das Kathoden- ina,terial aus Kalium besteht, der Lichtbogen auch bei kalter :Kathode bereits mit einer Spannung voll etwa 50 bis 7 0 Volt zünden. Um die Ziindspannung noch weiter Herabzu- setzen, luinn eine besondere Zündanode vor gesehen werden.
Der Spannungsabfall im brennenden. Lichtbogen beträgt nur 5 bis 7 Volt selbst dann, wenn die Aussenwandung des Gefässes auf eine Temperatur von 0 C abgekühlt wird. Die Wärnicentwichlung und der Energieverlust sind entsprechend gering. Sobald dagegen ein geeigneter Ansatzpunkt für den Lichtbogen nicht mehr vorhanden ist, zum Beispiel weil eine zu. dicke Schicht des Kathodenmaterials den Trägerstoff völlig zudeckt, steigt der Spannungsabfall etwa auf das Dreifache.
Bei Verwendung von Natrium als emit tierendem Material beträgt die Zündspan- nung infolge der höheren Austrittsarbeit un ter sonst gleichen Bedingungen etwa 150 bis 170 Volt und die Brennspannung etwa 1f) Volt. Man wird daher das Kalium bev or- zugen, es sei denn, dass man aus den im fol genden erörterten Gründen Natrium verwen det.
Entladungsgefässe gemäss der Erfindung dienen insbesondere als Gleichrichter. Da mit auch bei höheren Stromstärken keine Rückzündung eintritt, empfiehlt es sich, die Anoden zum Beispiel durch Drosselung der Wärmeabfuhr auf so hoher Temperatur zu halten, dass kein Metalldampf auf ihnen kondensiert. Allerdings würden sich bei ho hem 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 Partial druck des emittierenden Stoffes bestimmte, zulässige Grenzen nicht überschreitet; denn ein Vorteil der Erfindung besteht gerade darin, dass infolge der geringen Wärmeent wicklung eine ausreichende Kühlung der Kathode leicht durchzuführen ist.
Wenn. es notwendig ist, die Sperrspannung noch wei ter zu erhöhen, so empfiehlt es sich, statt Kalium Natrium als emittierenden Stoff zu verwenden, das wegen seines geringeren Dampfdruckes auch eine höhere Sperrspan nung zu erzielen gestattet. Cäsium und Rubi- dium weisen zwar eine noch geringere Aus trittsarbeit als Natrium und Kalium auf, eignen sich aber für Gleichrichter weniger gut, weil ihr höherer Dampfdruck die Bil dung einatomiger Schichten auf den Anoden flächen mehr begünstigt.
Das Entladungsgefäss kann so eingerich tet werden, dass alle seine Teile mit Aus nahme der Anoden und ihrer Isolation als Kondensationsflächen wirken, und sobald sich Metallschichten auf ihnen niedergeschla gen haben, auch als Kathodenoberflächen dienen können. Um das zu erreichen, kann die gesamte Gefässwandung mit Ausnahme der Anoden und ihrer Isolation aus zusam menhängendem, leitendem Material, z. B. aus Eisen hergestellt werden. Eine derartige Ausbildung der Entladungsgefässe kann auch bei andern Kathoden und Gasfüllungen von Wert sein.
Ausführungsbeispiele für ein Entladungs gefäss gemäss der Erfindung sind in der bei liegenden Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 ein Entladungsgefäss mit einer Anode. In ein eisernes Rohr 1 ist ein. eiserner Deckel 2 luftdicht eingesetzt. Als Stromzu führung zur Anode 3 dient ein Stab 4 aus einem Material, dessen Wärmeausdebnungs- koeffizient sich zu Einschmelzungen mit Glas eignet, z. B. das unter dem Namen Ko- var bekannte Metall.
Eine Buchse 5 aus dem gleichen Material ist in den Deckel 2 luft dicht eingesetzt, und die eingeschmolzene Glaspackung 6 dichtet die Anodenzuführung ab. Die Anode 3 selbst kann aus gewöhn lichem Eisen hergestellt sein. Nachdem das Entladungsgefäss soweit fertiggestellt und auch mit dem Absauge stutzen 7 versehen worden ist, wird der Bo den 8 eingeschweisst. Er trägt die lose auf geschütteten Karborundkristalle 9.
Das nun mehr geschlossene Entladungsgefäss wird dann ausgepumpt, und durch die Pumpöff- nung 7 wird beispielsweise Kalium hinein destilliert, das sich zunächst auf der ganzen innern Oberfläche des Gefässes niederschlägt. Sobald dann Argongas eingefüllt ist, so dass der Druck 5 bis 10 mm Quecksilbersäule be trägt, kann der Pumpstutzen zugelötet wer den.
Mit Hilfe eines Gleichstromes wird nun mehr zwischen der Kathode 9 und der Anode 3 ein Lichtbogen erzeugt, der die Anode auf hohe Temperatur bringt, so dass der Nieder schlag des Kaliums wieder in Dampfform übergeht. Bei der darauffolgenden Abküh lung behält die Anode 3 infolge der schlech teren Wärmeableitung ihre Temperatur am längsten bei, so dass sich das Kalium an den Wandungen und insbesondere auf der Kar borundmasse 9 niederschlägt. Durch diesen Niederschlag werden auch die lose einge schütteten Kristalle leicht aneinander ge schweisst.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 unter scheidet sich im wesentlichen dadurch, dass nicht nur der Boden, sondern auch die zylin drische Wandung mit Karborundkristallen bedeckt ist, so dass jeder Teil der Wandung mit Ausnahme des Deckels als kathodischer Ansatzpunkt für den Lichtbogen dienen kann. Ein zylindrisches Drahtnetz 14 ist oben an einem Winkelring 12 befestigt:. Ein Zwischenboden 13, ebenfalls aus Draht gewebe, schliesst den Zylinder unten ab.
Der zwischen dem Eisenrohr 11 und dem Draht netz 14 bleibende Hohlraum ist mit Narbo- rundkristallen ausgefüllt, die auch den Bo den 13 des Drahtnetzes bedecken, wobei wäh rend des Einfüllens das ganze Gefäss auf den Kopf gestellt ist. Darauf wird der Zylinder boden 15 eingeschweisst, der das Gefäss luft dicht abschliesst, ebenso wie der Deckel 1.6.
Bei dem in Fig. ? gezeichneten Ausfüh rungsbeispiel ist der Boden und die Seiten wand mit dem Trägerstoff ausgekleidet. Man kann die Innenseite des Deckels eben falls in dieser Weise auskleiden, so dass die Entladung auch am Deckel ansetzen kann, falls sich hier emittierender Stoff nieder schlägt. 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 auf einem Kreis um die Gefässachse um 120 versetzt zu denken. Die luftdichte Befestigung der Anodeneinfiih- rungen 18 kann ebenso wie bei Fig. 1 herge stellt sein.
Die Anodenzuführung 19 ist mit Eindrehungen versehen, um die Wärmeab leitung von der Anode zur Einschmelzstelle herabzusetzen.
Es ist bereits bekannt, dass die Elektro- nenaustrittsarbeit von kompakten Schichten der Alkalimetalle kleiner ist als die der Erd- alkaJimetalle, und da.ss dieser Unterschied auch bei einatomigen Schichten der adsor- bierten 3letalle vorhanden ist.
Trotzdem haben Kathoden von Alkalimetallen sowohl in kompaktem wie auch in adsorbiertem Zu stande der letzteren bisher nur für lichtelek trische Zwecke in grösserem Umfange tech nische Verwendung gefunden-, denn Glüh kathoden, die durch adsorbierte Alkali- metalle aktiviert wurden, zeigten trotz ihrer geringen Elektronenaustrittsarbeit erst bei ziemlich hohen Temperaturen eine für die Anwendung beispielsweise in Gleichrichter röhren ausreichende Elektronenemissions- dichte,
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 Alkalimetalles so hoch wählte, dass die gleiche Anzahl von Ato men, die den Träger infolge der Verdamp fung verlassen, in der gleichen Zeit aus dem umgebenden Gase wieder ersetzt wird.
Wenn aber ein solcher hoher Dampfdruck im gan zen Gefäss herrschen würde, so würden auch die Anoden des Gleichrichtergefässes durch adsorbierte Alkalia.tome 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 ausrei chen, uni Riiclzziindungen einzuleiten.
Diese Schwierigkeit kann dadurch über wunden werden, dass die gesamte benötigte Elektronenemission von einem Lichtbogen- brennfleck getragen wird, der räumlich so eng begrenzt ist, class die Temperatur der Kathode als Ganzes leicht in niedrigen Gren zen gehalten werden kann. Das von dem Brennfleck verdampfende Alkalimetall kon densiert daher sofort wieder auf nahe be nachbarten kälteren Bezirken der Kathoden oberfläche, so dass der mittlere Alkalipartial- druck im Gefäss durch die Verdampfung nicht erhöht wird.
Eine solche räumliche Beschränkung der durch den Brennfleck erzeugten hohen Temperatur ist aber nur möglich, wenn ein Trägerstoff von ausreichend geringer Wärme leitfähigkeit verwendet wird. Die elektrische Leitfähigkeit muss trotzdem ausreichen, um den Entladungsstrom ohne schädlichen Span nungsverlust dein Brennfleck zuleiten zu können. In unmittelbarer Nähe des heissen Brennfleckes stellt sich ein ziemlich hoher Partialdruck des emittierenden Stoffes ein, so dass die etwa zerstörte einatomige Schicht sofort wieder an derselben Stelle oder in un mittelbarer Nachbarschaft ersetzt wird.
Diese Einengung des Gebietes gesteigerten Partial druckes auf kleinstem Raum wird wesentlich begünstigt, wenn man die Diffusionsge schwindigkeit durch Anwendung hoher Drücke des Füllgases in der Grössenordnung von mindestens 10-z mm Quecksilber herab setzt.
In vielen Fällen wird es sich als vorteil haft 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 In nern des elektrischen Entladungsgefässes vor gesehenen Kühler, dessen Oberfläche in der beschriebenen Weise mit einer Trägerschicht und einem auf diese aufgebrachten elektro nenemittierenden Stoff versehen ist.
Die Ausbildung der Oberflächen mit elek tronenemittierenden Schichten wird zweck mässig auf gewisse Wandteile des Entla dungsgefässes ausgedehnt, so dass beispiels weise bei vorübergehenden Störungen der Kühlmittelzufuhr auch diese Wandungsteile die Funktion der Kathode wenigstens zeit weise übernehmen können, ohne dass ein Über greifen des Lichtbogenansatzpunktes auf die Gefässwand zu einer stärkeren Erhöhung des Alkalidampfdruckes führen muss.
Beim Ar beiten mit stärkeren Emissionsströmen wird es zweckmässig sein, für die betreffenden Wandteile ebenfalls eine besondere Kühlung vorzusehen.
Der Abstand zwischen Innenkühler und Anode muss so gross gewählt werden, dass die Diffusion des an der Ansatzstelle des Licht bogens verdampfenden Alkalis zur Anode hin bei dem herrschenden Druck des Füll gases genügend behindert ist.
Als Kühlmittel dienen zweckmässig strö mende Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, strö mende Luft oder dergl., wobei eine mittlere Kathodentemperatur von maximal 200 C nicht überschritten werden darf, damit der mittlere Partialdruck des Alkali nicht so hoch wird, dass auf den Anoden Alkali metalle angereichert werden. Die Verwen dung von Wasser als Kühlmittel ist besser zu vermeiden, mit Rücksicht auf die Explo- sionsgefahr, die infolge des Vorhandenseins von metallischem Kalium im Entladungs gefäss bei etwaigen Undichtigkeiten der Kühlvorrichtung auftreten kann.
Die Wan- dungsquerschnitte des Gefässes und des In nenkühlers sind so zu bemessen, dass sie gege benenfalls die vollständige Stromleitung der fliessenden Entladungsströme übernehmen können, ohne dass die Temperatur auf dem Leitungswege die Maximaltemperatur von 200 C überschreitet.
Der Innenkühler steht vorzugsweise mit besonderen, ausserhalb des Entladungsgefässes gelegenen Kühlvorrichtungen in Verbindung. Seine Ausbildung erfolgt beispielsweise der art, dass der Umlauf des Kühlmittels nir gends behindert ist, so dass gegebenenfalls ein selbsttätiger Wärmeaustausch des Kühl- mittels in freier Konvektion mit dem Flüs sigkeitsinhalt beispielsweise von Kühlflügeln erfolgen kann.
In Fig. 3 ist als Beispiel ein Entladungs gefäss mit einer gekühlten Kathode schema tisch wiedergegeben. Die Wandung 21 des Entladungsgefässes besitzt eine Einbuchtung 22, die durch ein in Richtung der Pfeile strö- mendes Kühlmittel gekühlt wird.
Die mit dem Gefässinnern in Berührung stehende Oberfläche der Einbuchtung 22 ist von der aktiven Schicht 23 aus Alkali oder Erd- alkalimetall auf einer Unterlage von Sili- ziumkarbid bedeckt. Um ein sicheres Haften dieser Stoffe an der Oberfläche der Einbuch- tung zu gewährleisten, ist diese mit einer netz- oder korbartigen metallischen Umhül lung 24 versehen.
Ebenso sind grosse Teile der übrigen Gefässwandung mit einer aktiven Schicht 25 versehen, damit sie mindestens vorübergehend, beispielsweise bei einer zeit weisen Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr, zum kathodischen Ansatzpunkt des Licht bogens geeignet sind. Die Durchführungen 27 der Anode 26 sind möglichst abgedeckt gegenüber dem übrigen Entladungsraum, nm sie gegen Ablagerung von Alkali zu schüt zen.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine zusätzliche Aussen- kühlung für die Wandteile der Röhre vor gesehen 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 Par tialdruck des Alkali auf alle Fälle in erträg lichen Grenzen gehalten wird.
Der die Kathode bildende Innenkühler 37 in Fig. 4 ist als ebener Ringkühler aus gebildet, 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 Gefäss wandung mit der aktiven Masse 35 über zogen.