Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung negativer Ionen Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung nega tiver Ionen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung negativer Ionen ist durch folgende Stufen gekennzeich net: Erzeugung einer Photonenstrahlung von vorbe stimmter Wellenlänge, Auffangen der Photonenstrah- lung mit einer Metallschicht von einer Dicke, die aus reicht, um die Photonenstrahlung auf ihrer einen Seite zu absorbieren, und die so dünn ist, dass Photoelektro nen in einen an die andere Seite der Schicht angren zenden gasgefüllten Bereich, worin negative Ionen er zeugt werden, emittiert werden.
Die Vorrichtung zur Erzeugung negativer Ionen umfasst eine Photonenstrahlungsquelle, eine metalli sche Schicht, die so angeordnet ist, dass sie auf einer Seite Photonenstrahlung aus dieser Quelle empfangen kann, und eine solche Dicke aufweist, die gross genug ist, um den Austritt von Photoelektronen in einen an die gegenüberliegende Seite der Schicht angrenzenden Bereich zu ermöglichen.
Anhand der beigefügten-Zeichnung wird die Erfin dung beispielsweise näher erläutert. Diese Zeichnung gibt eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung schematisiert und im Schnitt wieder, wobei einige Teile im Bruch dargestellt sind.
Es hat sich gezeigt, dass negative Ionen für viele Zwecke, beispielsweise zur Luftreinigung und in der Therapie, verwendbar sind. Bisher traten Schwierigkei ten auf, wenn der Versuch gemacht wurde, wirklich befriedigende Erzeuger von negativen Ionen zu schaf fen, insbesondere wenn eine hohe Konzentration an negativen Ionen erwünscht war.
Bei der als Beispiel wiedergegebenen Ausführungs form der Vorrichtung gemäss der Erfindung ist die Hülle einer ultraviolette Photonen emittierenden Röhre mit einer dünnen metallischen Schicht aus Gold über zogen. Diese Schicht absorbiert von dem Emitter in der Röhre kommende Photonen auf einer ihrer Ober flächen und sendet Photoelektronen aus ihrer anderen oder äusseren Oberfläche aus, d. h. die Photoelektro nen werden von der Seite der Schicht ausgesandt, die der Seite, auf welcher die Photonen absorbiert werden, entgegengesetzt ist. Die Photoelektronen werden von den Atomen oder Molekülen eines die Hülle umgeben den Gases aufgefangen.
Bei der als Beispiel betrachte ten Ausführungsform ist dieses Gas ein Luftstrom, der die negativen Ionen zu dem Bereich führt, wo sie ange wandt werden.
In der Röhre 2 ist an ihrer Basis 4 eine Emissions einrichtung angeordnet, die ultraviolette Photonen er zeugt. Die Röhre 2 weist eine Hülle 6 aus Quarz oder Vicor (95 % Quarz und 5 % Glas) auf. Auf der äus- seren Oberfläche der Hülle 6 befindet sich ein dünner metallischer Überzug oder eine Schicht 8 aus Gold.
Die Schicht 8 ist durch einen Draht 10 geerdet, der durch eine Klemme 11 daran festgehalten wird, so dass sie auf Erdpotential gehalten wird. Die Röhre 2 befin det sich in einem Gehäuse 12, das eine jalousieartige Einlassöffnung 14 sowie eine Auslassöffnung 16 auf weist, aus welcher die Luft mit Hilfe eines Gebläses 20, das durch einen Elektromotor angetrieben wird, abgezogen wird. Die Photonen treten ohne Behinde rung durch die Hülle 6 hindurch und gelangen auf die innere Oberfläche der Schicht B. Dadurch wird die Schicht 8 zur Emission von Elektronen veranlasst, die in den Bereich 22 der die Hülle umgebenden Luft ein treten. In dieser Luft befindliche Staubteilchen können einige der Photoelektronen aufnehmen.
Die anderen Photoelektronen werden von den Atomen oder Mole külen der Luftbestandteile, z. B. dem Sauerstoff aufge nommen, wodurch die Luft zu einer konzentrierten negativen Ionenquelle wird. Das Gebläse fördert die Luft aus diesem Bereich 22 in den Bereich oder die Bereiche der Verwendung. Die Luft wirkt daher als Fördermittel für den Transport der negativen Ionen aus der Zone 22 bei der Röhre 2.
Die dünne Schicht 8 aus Metall wird auf die Röh renhülle 6 im Vakuum aufgedampft, wodurch eine ge naue Einstellung der Stärke der metallischen Schicht auf der gesamten Oberfläche der Hülle gewährleistet wird. Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform besteht die metallische Schicht aus Gold mit e-ner Stärke in der Grössenordnung von 75 bis 400 Ang- ström-Einheiten, wobei bestimmte Prüfungen erkennen lassen, dass die bevorzugte Stärke nahe bei der unteren Grenze dieses Bereichs liegt.
Die Schicht 8 ist dick genug, um eine Absorption der Photonen zu ermöglichen, und dünn genug, um den Austritt der Photoelektronen zuzulassen.
Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform ist die Röhre 2 eine Niederdruck-Quecksilber-Entladungs- röhre, die 90 0.%o ihrer Energie bei einer Wellenlänge von 2537 A emittiert. Die Röhre ist auf 3,5 Watt aus gelegt und hat eine Leistung an ultravioletten Photonen von 0,1 Watt. Wie bereits erwähnt, ist die Goldschicht 8 im Vakuum aufgedampft worden, und während des Aufbringens dieser Schicht wurde die Röhre mit kon stanter Geschwindigkeit zwischen zwei Golddampfquel- len gedreht. Der Erdungsdraht 10 ist mechanisch an die Schicht 8 angeklemmt.
Anstelle des in dem obigen Beispiel genannten können auch andere Metalle und andere Photonen- quellen verwendet werden. Bekanntlich werden Pho toelektronen aus der Schicht nur dann emittiert, wenn die Photonen eine hierfür ausreichend hohe Energie besitzen. Im allgemeinen erzeugen bei einem gegebenen Metallüberzug nur Photonen mit einer Wellenlänge unter einer bestimmten Grenze Photoelektronen. Die maximale Wellenlänge für den jeweiligen metallischen Überzug kann aus der photoelektrischen Funktion des Metalls nach der Gleichung
EMI0002.0021
berechnet werden.
In dieser Gleichung bedeutet W die Energie in Elektronenvolt, h die Planksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und A max die grösste Wel lenlänge des ein Photoelektron erzeugenden Photons. Im folgenden werden die Werte von W und A max für einige Metalle wiedergegeben.
EMI0002.0026
W <SEP> max
<tb> Gold <SEP> 4,82 <SEP> 2552 <SEP> A
<tb> Caesium <SEP> 2,84 <SEP> 4331 <SEP> A
<tb> Quecksilber <SEP> 4,53 <SEP> 2715 <SEP> A
<tb> Nickel <SEP> 5,01 <SEP> 2455 <SEP> A
<tb> Blei <SEP> 4,0 <SEP> 3075 <SEP> A
<tb> Silber <SEP> 4,73 <SEP> 2600 <SEP> A
<tb> Wolfram <SEP> 4,5 <SEP> 2733 <SEP> A Wird eine Lichtemissionsröhre mit einer dünnen Metallschicht bedeckt, dann werden bekanntlich Pho toelektronen abgegeben, wenn alle der folgenden Be dingungen herrschen: 1. Die Wellenlänge mindestens eines Teils des emittierten Lichts ist geringer als das für den metalli schen Überzug kritische Maximum.
2. Die Photoelektronen können aus dem metalli schen Überzug austreten und 3. Der Metallfilm lädt sich nicht positiv auf, wodurch das Austreten weiterer Photoelektronen ver hindert würde. Die Bedingung 1 kann erhalten werden, indem eine geeignete Quelle des Emissionsspektrums der Lamne und ein geeigneter metallischer Überzug gewählt werden. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass Legierungen häufig niedrigere Energiefunktion als das reine Metall aufweisen. Normale Wolfram-Lampen emittieren Licht bis herab zu 3000 Angström, Queck silberbogenlampen emittieren Licht bis herab zu 1849 Angström.
Die Bedingung 2 wird bei Vorliegen eines ausrei chend dünnen Metallfims erzielt. Hier müssen 2 Fakto ren aufeinander abgestimmt werden: die Wahrschein lichkeit, dass ein Photon absorbiert wird, steigt mit der Dicke des Films, wohingegen die Wahrscheinlichkeit, dass das Photoelektron austritt, mit der Dicke des Films abnimmt. Im allgemeinen kann die optimale Stärke nicht theoretisch vorausgesagt werden, sondern ist experimentell zu bestimmen. Dies beruht darauf, dass keine genauen Energiebereichskurven für Elektro nen sehr geringer Energie vorliegen.
Die Bedingung 3 wird z. B durch einen Erdungs- draht, der mit dem metallischen Film in Berührung steht, hergestellt.
Bei der als Beispiel gewählten Ausführungsform wird auf eine einzige Röhre bezogen, und der metalli sche Überzug hat im wesentlichen die Form einer Kugelhülle. Es können aber auch mehr als eine Röhre eingesezt und in Parallel- oder Reihenschaltung be trieben werden, wobei auch Röhren anderer Arten und Formen verwendbar sind. Die Röhre ist mit Hilfsteilen versehen, z. B. einem Schalter, einem Widerstand und Draht zum Anschluss an eine Stromquelle, die der Klarheit wegen in der Zeichnung weggelassen sind.
Method and device for producing negative ions The invention relates to an improved method and an improved device for producing negative ions.
The inventive method for generating negative ions is characterized by the following stages: generating photon radiation of predetermined wavelength, collecting the photon radiation with a metal layer of a thickness that is sufficient to absorb the photon radiation on one side, and the is so thin that photoelectrons are emitted into a gas-filled area adjoining the other side of the layer, in which negative ions are generated.
The device for generating negative ions comprises a photon radiation source, a metallic layer which is arranged in such a way that it can receive photon radiation from this source on one side, and has a thickness which is large enough for the exit of photoelectrons into a to allow area adjacent to the opposite side of the layer.
Based on the accompanying drawings, the inven tion is explained in more detail, for example. This drawing shows an embodiment of the device according to the invention schematically and in section, with some parts being shown broken.
It has been shown that negative ions can be used for many purposes, for example for air purification and in therapy. Heretofore, difficulties have arisen in attempting to create truly satisfactory negative ion producers, particularly when a high concentration of negative ions was desired.
In the exemplary embodiment of the device according to the invention, the shell of an ultraviolet photon-emitting tube is covered with a thin metallic layer of gold. This layer absorbs photons coming from the emitter in the tube on one of its surfaces and sends photoelectrons from its other or outer surface, i.e. H. the photoelectrons are emitted from the side of the layer which is opposite to the side on which the photons are absorbed. The photoelectrons are captured by the atoms or molecules of the gas surrounding the envelope.
In the exemplary embodiment considered, this gas is a stream of air which carries the negative ions to the area where they are applied.
In the tube 2 an emission device is arranged at its base 4, the ultraviolet photons it generates. The tube 2 has a shell 6 made of quartz or Vicor (95% quartz and 5% glass). A thin metallic coating or a layer 8 made of gold is located on the outer surface of the sheath 6.
The layer 8 is grounded by a wire 10 which is held thereon by a clamp 11 so that it is held at ground potential. The tube 2 is located in a housing 12 which has a louvre-like inlet opening 14 and an outlet opening 16 from which the air is drawn off with the aid of a fan 20 which is driven by an electric motor. The photons pass through the envelope 6 without hindrance and reach the inner surface of the layer B. This causes the layer 8 to emit electrons which enter the region 22 of the air surrounding the envelope. Dust particles in this air can pick up some of the photoelectrons.
The other photoelectrons are from the atoms or Mole kulen the air components, z. B. the oxygen taken up, whereby the air becomes a concentrated negative ion source. The fan conveys the air from this area 22 into the area or areas of use. The air therefore acts as a conveying means for the transport of the negative ions out of the zone 22 at the tube 2.
The thin layer 8 made of metal is evaporated onto the Röh renhülle 6 in a vacuum, whereby a ge exact setting of the thickness of the metallic layer is guaranteed on the entire surface of the shell. In the embodiment chosen as an example, the metallic layer consists of gold with a thickness in the order of magnitude of 75 to 400 Angstrom units, with certain tests showing that the preferred thickness is close to the lower limit of this range.
The layer 8 is thick enough to allow absorption of the photons and thin enough to allow the photoelectrons to exit.
In the embodiment chosen as an example, the tube 2 is a low-pressure mercury discharge tube which emits 90% of its energy at a wavelength of 2537 Å. The tube is designed for 3.5 watts and has an ultraviolet photon power of 0.1 watts. As already mentioned, the gold layer 8 was vapor-deposited in a vacuum, and while this layer was being applied, the tube was rotated between two gold vapor sources at a constant speed. The ground wire 10 is mechanically clamped to the layer 8.
Instead of the one mentioned in the example above, other metals and other photon sources can also be used. As is known, photoelectrons are only emitted from the layer if the photons have a sufficiently high energy for this purpose. In general, for a given metal coating, only photons with a wavelength below a certain limit generate photoelectrons. The maximum wavelength for the respective metallic coating can be derived from the photoelectric function of the metal according to the equation
EMI0002.0021
be calculated.
In this equation, W is the energy in electron volts, h is Plank's constant, c is the speed of light and A max is the largest wavelength of the photon that generates a photoelectron. The values of W and A max for some metals are given below.
EMI0002.0026
W <SEP> max
<tb> Gold <SEP> 4.82 <SEP> 2552 <SEP> A
<tb> Cesium <SEP> 2.84 <SEP> 4331 <SEP> A
<tb> Mercury <SEP> 4.53 <SEP> 2715 <SEP> A
<tb> Nickel <SEP> 5.01 <SEP> 2455 <SEP> A
<tb> lead <SEP> 4.0 <SEP> 3075 <SEP> A
<tb> Silver <SEP> 4.73 <SEP> 2600 <SEP> A
<tb> Tungsten <SEP> 4,5 <SEP> 2733 <SEP> A If a light-emitting tube is covered with a thin metal layer, it is known that photoelectrons are emitted if all of the following conditions exist: 1. The wavelength of at least part of the emitted light is less than the critical maximum for the metallic coating rule.
2. The photoelectrons can escape from the metallic coating and 3. The metal film does not charge positively, which would prevent further photoelectrons from escaping. Condition 1 can be obtained by choosing a suitable source of the emission spectrum of the lamps and a suitable metallic coating. In this context it should be noted that alloys often have a lower energy function than the pure metal. Ordinary tungsten lamps emit light down to 3000 angstroms, mercury arc lamps emit light down to 1849 angstroms.
Condition 2 is achieved when a sufficiently thin metal film is present. Two factors have to be coordinated here: the probability that a photon will be absorbed increases with the thickness of the film, whereas the probability that the photoelectron escapes decreases with the thickness of the film. In general, the optimum strength cannot be predicted theoretically but must be determined experimentally. This is based on the fact that there are no precise energy range curves for very low energy electrons.
Condition 3 is z. B by a ground wire in contact with the metallic film.
In the embodiment chosen as an example, reference is made to a single tube and the metallic coating is essentially in the form of a spherical shell. But it can also be used more than one tube and be operated in parallel or in series, tubes of other types and shapes can also be used. The tube is provided with auxiliary parts, e.g. B. a switch, a resistor and wire for connection to a power source, which are omitted from the drawing for clarity.