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Gasgefüllte Glimmentladungsröhre Die Erfindung bezieht sich auf eine
Glimmentladungsröhre mit einer Gasfüllung und zwei mit einem aktiven Überzug versehenen.
kalten Elektroden, an denen eine Feldemission stattfindet, und bezieht sich insbesondere
auf sogenannte Miniaturglimmlampen oder Miniaturglimmröhren. Ein ha.adel-sübliche
Miniaturglimmlampe dieser Art besitzt eine Leistung von 1/25 Watt. Neomglimrnl,ampen
haben # je nach dem Druck des Füllgases Zündspannungen zwischen 45 und 65 Veff,
während Argonglimmlampen etwas höhere Z.ündspannu.ngen haben:. Bei Gleichspannung
sind die Zündspannungen naturgemäß höher und liegen, zwischen 60 und 90 V. Es ist
nun beobachtet worden, da,ß die Zündspannungen zwischen Lampen derselben Type bis
zu 201/o um den; Mittelwert herum schwanken können. Ferner ist die sogenannte Dunkelziindspann.ung,
d. h. die Zündspannung der Lampe im Dunkeln, gewöhnlich erheblich höher als die
Zündspannung bei Tageslicht oder bei Bestrahlung durch andere Lampen. Min:iaturglimmlampen
werden. bis jetzt meistens als Anzeigelampen, beispielsweise in Alarmanlagen, in
automatischen Steuereinrichtungen, in Haushaltgeräten u. dgl. verwendet. Dabei sind
die Eigenschaften der Glimmlampen im allgemeinen nicht kritisch, und Schwankungen,
der Zündspannung können innerhalb gewisser Grenzen zugelassen werden.
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Neuerdings pflegt man Glimmlampen. auch in größerem Maße auch als
Schaltelemente in elektronischen Anlagen zu verwenden" beispielsweise in, elektronischen
Rechenmaschinen und in anderen elektronischen Sieuerscha,ltungen. In einem derartigen
Falle wurde eine Neonglimmlampe als Widerstand in Reihe mit einem aufzuladenden
Kondensator an eine Ouelle von Impulsen von 500 sec Dauer gelegt. Immer wenn ein
Impuls bis zu einer bestimmten Höhe angewachsen ist, welche der Zünd'span,nung der
Röhre entspricht, fließt Strom, und der Kondensator wird aufgeladen. Aus Zuverlässigkeitsgründen
muß man dabei darauf Wert legen, daß die Zündspannung der Glimmröhre konstant ist
und daß die Zunahme der Zündspan ung im Dunkeln so, gering als möglich ist. Außerdem
muß man wegen der kurzen Dauer der Spannungsimpulse darauf Wert legen, daß die Röhre
sehr schnell ihren vollen Strom annimmt. Diese Eigenschaft, die von der Ionisierun:gsgeschwindigkeit
abhängt, soll als die dynamische Leitfähigkeit bezeichnet werden. Bei allen elektronischen
Schaltungen soll die dynamische Leitfähigkeit im allgemeinen Qn hoch wie möglich
sein.
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Glimmlampen oder Glimmröhren der bisher handelsüblichen Typen besitzen.
durchweg zwei Elektroden. in einem Glaskolben mit einer Füllung aus einem inerten
Gas unter vermindertem Druck, beispielsweise einer Neonfüllung von 30 mm Hg. Die
Elektroden, welche meistens aus kurzen. Drähten bestehen und welche bei größeren
Lampen, aus Blechstücken bestehen können, sind mit einem emittierenden Stoff überzogen.
Dieser Stoff bestand bisher aus. Erdalkalioxyden, und zwar meistens aus einer Mischung
von Bariumoxyd und Strontiumoxyd. Bei solchen. Glimmröhren war die Zündspannung
im Dunkeln: unter Umständen bis zu 201/o höher als die Zündspannung bei Belichtung.
Außerdem wurde die volle Ionisierung oder volle Leitfähigkeit nur relativ langsam
selbst bei Belichtung erreicht, d. h., die dynamische Leitfähigkeit war verhältnismäßig
niedrig, so daß die Röhre nur unzuverlässig auf Impulse anspricht.
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Es ist ferner bekannt, dem aktiven E.lektrodenüberzug radioaktive
Stoffe zur Verminderung des Zündverzuges, zuzusetzen:.
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Schießlaich ist auch bekannt, dem Überzugsmaterial für Glühkathoden
Thoriumoxyd zuzusetzen, um das Abdampfen des emitti:erernden Erdalkalis und damit
das Taubwerden der aktiven Kathodenschicht und die Sch-wärzung des Röhrenkolbens
einerseits und die Abgabe von CO2 andererseits zu verringern. Beide Probleme
treten bei kalten Elektroden, gar nicht auf. Glühkathoden und kalte Glimmelektroden
sind aber in bezug auf die sich an ihnen abspielenden physikalischen Vorgänge grundverschieden.
Die Glühemission ist beispielsweise stark von der Austrittsarbeit des Elektrodenma.terials
abhängig, während die Daten einer Glimmentladung, nämlich Kathodenfall und da,-mit
Brennspannung, nur wenig von der Austrittsarbeit des Elektrodenma.terials beeinlußt
wird. Die Glimmentladung ist weiterhin. selbständig, während
die
Glühentladung Sättigung zeigt. Die bekannten Stoffgemische für Überzüge von Glühkathoden
können deshalb auch keine Anregung für kalte Glimmelektroden geben.
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Durch die Erfindung soll eine Glimmentla,dun<gsröhre angegeben,
werden, die einen sehr geringen Unterschied zwischen der Dunkel- und der HeIlzündspannung
besitzt. Ferner soll bei .gleichbleibender Elektrodenform und -größe eine erheblich
größere dynamische Leitfähigkeit erreicht werden, als bisher möglich war.
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Bei einer Glimmen.tladungsröhre mit einer Gasfüllung und zwei mit
einem aktiven Überzug versehenen kalten Elektroden besteht erfindungsgemäß der Elektrodenüberzug
aus einer Mischung von Thoriumoxyd, Bariumoxyd und Strontiunioxyd, bei der der Thoriumoxydanteil
15 bis 40 @Iolprozent und der Bariurnoxydan.teil 10 bis 55 Molprozent beträgt und
der Rest der Mischung aus Strontiunioxyd besteht.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Änderungen des Mischungsverhältnisses
der im Überzug elithaltenen Oxyde sowohl die dynamische Leitfähigkeit als auch die
Zündspannung Extremalwerte durchlaufen, so daß bei geeigneten Mischungsverhältnissen
Glimmentladungsröhren mit besonders vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden
können. Insbesondere ergaben die Versuche, daß eine Mischung von etwa. 15 bis 40
Molprozent Thoriumoxyd (Th0,), von 10 1>is 35 Molprozent Bariumoxyd (Ba0) mit einem
Rest von Strontiumoxyd (Sr0) den gewünschten, Zweck zu erreichen gestattet. Eine
Gliminentla.dungs,rölire mit kalten Elektroden, die mit einer solchen Mischung überzogen
sind, zeigt sowohl eine Verminderung des Unterschiedes zwischen der Dunkelzündspannung
und der Hellzündspannung als auch eine Zunahme der dynamischen Leitfähigkeit. Insbesondere
soll der Anteil an Thoriumoxyd zwischen. 15 und 30%, derjenige von Bariumoxyd zwischen
20 und 40% liegen, während der Rest aus Strontiumoxyd besteht. Mine Mischung, die
sich insbesondere für die Serienliers.tellung von Glimmlampen bewährt hat, enthält
etwa 239/o Thoriumoxyd, 33% Bariumoxyd und -1-1% Strantiumoxyd. Diese Zahlen beziehen
sich auf Molprozente, d. h. auf die Molekulargewichtsaniteile.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht einer Glimmröhre
zusammen mit einer geeigneten Schaltung; Fig.2 zeigt die Röhreneigenschaften in
Al>hängigkeit von dem Anteil an Thoriumoxyd; Fig. 3 zeigt die Röhreneigenschafteli
in Abhängigkeit von dem Anteil a.11, Bariumoxyd.
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In Fig. 1 ist eine Glimmröhre mit \Teoiifü?llung ini ganzen mit 1
bezeichnet. Die Röhre besteht aus einem Glaskolben 2 und aus zwei Drahtelektroden
3 und 4. die an den Zuleitungen 5 und 6 angeschweißt sind. welche durch einen Preßfuß
7 Hindurchführen:. Die Elektroden, 3 und 4 können aus Nickel bestehen, das mit einer
emissionsfähigen Mischung überzogen. ist. Die Leitungen 5 und 6 bestehen vorzugsweice
aus verkupfertem Nickeleisendraht, der sich leicht in Glas einschmelzen, läßt. Die
Röhre enthält eine Gasfüllung unter vermindertem Druck, beispielsweise eine Fül-1u11g
aus Neon oder Argon von 20 bis 200 111m 1d-. und ist am oberen. Ende 8 al>geschlnodzen.Die
IZölir° ist in, der Zeichnung vergrößert dargestellt. Der Durchmesser der Röhre
beträgt etwa 6,3 min und ihre Gesamtlänge etwa 22,2 mni.
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Gemäß der Erfindung werden die Elektroden 3 und 4 mit einem aktiven
Ll>erzu# aus Bariunioxvd und Strontiurnoxyd versehen, der einen Zusatz voli Thoriumoxvd
in den oben angegeltenen Grenzen erhalten hat. Der aktive Überzug wird vorzugsweise
so hergestellt, daß man auf die Elektroden eine Mischullvon Bariumkarbona.t und
Strontiunikarbonat zusammen finit dein Thoriunioxyd in cin:qtn geeigneten Bind@-mittel
aufträgt. Als Bindemittel kann beispielsweise Nitrozellulose dienen, die in einem
geeigneten Triigerstoff, wie z. B. Amyla.zetat und Butylazetat. gelöst ist. Wenn
diese Mischung aufgesprüht wird (im Gegensatz zu einer Aufbringung durch Eintaucheti).
so kann der Trägerstoff einen größeren Anteil an Butvlazetat enthalten, uni die
#'erdainpfungsgeschwindiglceit zu erhöhen. Die Elektroden werden, dann durch Einschinelzeti
im Glas in der Röhre Befestigt, und dir Röhre wird sodann durch den Saugstutzen
8 gründlich evakuiert. Während des Evakuierens werden die Elektroden ,3 und 4, beispielsweise
in einem Induktionsofen, so- stark erhitzt, daß die Karbonate sich zu den Oxyden
zersetzen. Dabei werden das Kohlendioxyd und die anderen sich entwickelnden Gase
sofort abgesaugt. Während dieser Elektrodenerhitzun g reduziert sich die Nitrozellulose
zu Kohlenstoff. Sodann wird das Füllgas eingeleitet und die Röhre- ain oberen Ende
finit einer Stichflainine allgeschmolzen.
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Die Gasfüllung kann aus einem iaerten Gas niedrigen Drucks oder aus
einer Mischung von inerten Gasen bei niedrigem Druck bestehen. Eine geeignete Gasfüllung
ist z. B. Neon bei 30 min Hg. Wenn die Röhr eine niedrigere Zündspannung haben soll,
so- kamt man dem Neon einen kleinen Bruchteil von Argon zusetzen, beispielsweise
0,8"/o Argon. Wenn höhere Zündspannungen gewünscht werden, so werden der Argonan.teil
und der Druck wesentlich höher gewählt.
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Nach dein A.bschlnelzen der Röhre kann die Lampe in bekannter Weise
einer Behandlung unterzogen werden, um die Austrittsarbeiten der Elektroden noch
weiter zu erniedrigen und uni eine längere Lebensdauer der lZöhre sicherzustellen.
Zu diesem Zweck werden die Leitungen 5 und 6 mit Hochfrequenz gespeist, wie sie
bei der Entladung eines Kondensators über eine Induktivität entsteht. Diese Hochfrequenz
erzeugt Entladungen in der Röhre von ausreichender Energie, um das Bariumoxyd, das
St.rontiunioxvd und das Tho-riunioxyd zu reduzieren, so daß die @'letalle auf der
Elektrodenoberfläche durch Sauerstoff 1-ebun.den zurückbleiben und eine zusaniniengesetztu
Metalloxy doberfläche entsteht. Das Bonibardenient der Elektroden 3 und 4 wird so
lange fortgesetzt, his sich auf ihnen eine gleichmäßige Koronarentladung zeigt.
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Die Abhängigkeit der Eigenschaften der Glimmröhre von dein Mischungsverhältnis
des Bariunioxvds. des Strontimnoxvds und des Thoriuinoxvds in dein aktiven. Überzug
ist in Fig. 2 und 3 dargestellt.
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Die Kurven 16 und 18, die die Differenz zwischen Dunkel- und Hellziindspann.tuig
in Volt angeben, gehören dabei jeweils zu der linken Ordinate (0 bis 20 -),während
die Kurven 17 und 19, die der während eines 500-usec-Inipttlses durch di: Gliniinlanipe
übertragenen Energie entsprechen (0 his 40. willkiirliche Einheiten). der rechten
Ordinate zugeordnet sind. Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Eigenschaften wurden
beim Anschluß der l:etreftenden Röhre a11 die Schaltung nach Fig. 1 beobachtet.
Dabei liegt div-Röhre 1 in Reihe mit einem Kondensator 11 an einer Ouelle von rechteckigen.
Impulsen von 500 usec Dauer, die in Fig. 1 finit 12 bezeichnet ist. Mittels eines
Voltnieters 13 wird die Zündspannung zwischen geil Leitungen 5 und 6 gemessen. Ein
zum Kondensator 11 parallel liegendes Voltmeter 14 lnißt ilie @l>annuug.
auf
welche der Kondensator über die Röhre seitens der Impulsspannungsquelle aufgeladen
wird. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie proportional dem Quadrat
der Spannung ist, auf die der Kondensator geladen wird, läßt sich die von der Röhre
übertragene Energie durch Quadrierung der Spa.nnung'sanzeige des Voltmeters 14 messen.
Man erkennt jedoch, daß die von der Röhre übertragen Energie auch mittels anderer
Schaltungen gemessen, werden kann, beispielsweise mittels eines Widerstandes und
eines Thermowlementes. Die Eigenschaften der in der Anordnung nach Fig. 1 untersuchten
Röhre sind die Dunkeleigenschaften. Sie werden dadurch gewonnen., daß die Röhre
1 in einen praktisch lichtdichten Kastei eingeschlossen wird, der in Fig. 1 durch
die punktierte Linie 15 angedeutet ist.
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Fig. 2 zeigt die Zunahme der Dunkelziindspannun.g gegenüber der H.llzündspannuirg
in. Abhängigkeit von dem --\lolprozentgehalt an Thoriumoxyd in dem aktiven Überzug
für einen Molp,rozent:geha,lt zwischen 0 und 80%. Das \lolverhältnis des Bariumoxyds
zum Strontiurnoxyd ist dabei konstant und beträgt 1 :1,33. Die- Kurve 16 zeigt den
Anstieg der Dunkellzündspaar,nung, d. h. die Differenz der Zündspann ung bei Unterbringung
der Röhre im Dunkeln gegenüber der Zündspannung bei Raumbeleuchtung. Die Kurve 17
zeigt die relative Energie eines 500-pec-Impulses, der die Röhre durchsetzt und
die ein Maß für die dynamische Leitfähigkeit darstellt. 1Ian erkennt, daL; zwischen
15 und 40 Molprozent an. T horiumoxyd die Zunahme der Dunkelziindspannung gering
ist und dal,) die dynamische Leitfähigkeit der Röhre gleichzeitig hoch ist. Die
Kornbination dieser Eigenschaften. stellt eine wesentliche Verbesserung dar.
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In Fig. 3 ist der Einfluh des Molprozentgeha.ltes an Bariumoxyd zwischen
0 und 75% dargestellt, wobei der Molprozentgehalt d°s Tlroriurrroxyds durchweg 25%
betrug und der Rest der Mischung aus Strorrtiunioxyd bestand. Auch hier ist das
Minimum der Dunkelzündspannung gemäß der Kurve 18 und das Maximum der dynamischen
Leitfähigkeit gern<i:,l der Kurve 19 etwa in demselben Bereich zwischen 10 und
55 Malprozent Bariumoxyd vorhanden. Die Kurven nach Fig. 2 und 3 zeigen, also, daß
ein Optimum an Th.o,riumoxyd zwischen. 15 und 30% und an Ba,riumoxyd zwischen. 20
und 40% liegt. Eine Mischung aus 22,5 Molprozent Tho,riurno,xyd. aus 33,2 Molprozent
Bariumoxy d und aus -14,3 Molprozent Stron:tiumoxyd ergab den niedrigsten Röhrenausschnß.
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Der beschriebene Überzug für die Elektroden läßt sich für Glimmen.tla,dungsröhren
und Glimmlampen von sehr verschiedener Größe und sehr verschiedener Elektrodenform
benutzen.