DE1044965B - Elektrische Kleinspannungs-Entladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungslampen zum Betrieb an Gleichspannungen von 24 Volt und weniger, in welchen die elektrische Entladung in einer Niederdruckatmosphäre eines ionisierbaren Gases oder Dampfes aufrechterhalten wird und die, um für eine sehr kleine Betriebsspannung in der Größenordnung der Ionisierungsspannung des betreffenden Gases oder Dampfes geeignet zu sein, eine aktivierte fremdgeheizte Glühkathode und eine dieser stark genäherte Anode besitzen. Solche Entladungslampen werden z. B. als Lampen in Flugzeugen benutzt, um mit Hilfe der von ihnen ausgehenden Ultraviolettstrahlung mit Leuchtstoffen versehene Armaturen zum Leuchten anzuregen oder um mit Hilfe am Lampengefäß befindlicher Leuchtstoffe selbst Licht auszusenden. Bekanntlich beträgt die Spannung der Bordbatterie in diesen Fällen nur 12 bzw. 24 Volt.

Die äußerst niedrige Betriebsspannung solcher Lampen erfordert eine schwierige Herstellung. Die Konstruktionseinzelheiten sind sehr kritisch und liegen an der Grenze der Herstellbarkeit. Daher kommt es, daß bei der Fertigung solcher Lampen oft ein Ausschuß von mehr als 50% entsteht, weil die geforderten Bedingungen hinsichtlich Zünd- und Betriebsspannung nicht eingehalten sind. Aus diesem Grunde hat es sich bisher auch nicht als durchführbar erwiesen, solche Lampen, die mit 12 Volt oder weniger betrieben werden müssen, an automatischen Maschinen herzustellen. Sie mußten vielmehr in Sonderanfertigung an Einzelpumpständen hergestellt werden.

Während man bisher bei solchen Kleinspannungs-Entladungslampen als Werkstoff für die Anoden Nickel oder Molybdän vorsah, also solche Werkstoffe, die in Entladungsröhren allgemein verwendet werden, lassen sich auf Grund der Erfindung die geforderten Bedingungen hinsichtlich Betriebsspannung besser einhalten und sogar wesentlich niedrigere Zünd- und Betriebsspannungen erreichen durch Wahl eines anderen Werkstoffes für die Anode. Besonders die extrem schwierige Evakuierung sowie die Alterung solcher Lampen werden mit der Erfindung erleichtert. Diese Evakuierung ist besonders dann schwierig, wenn, wie bei diesen Lampen üblich, nur ein Pumprohr an einem Ende der Lampe vorhanden ist, so daß ein Durchspülen mit Gas während des Pump- und Ausheizprozesses nicht möglich ist. Gemäß der Erfindung besteht die Anode zumindest zum größeren Teil aus Titanmetall.

Es ist an sich bekannt, daß verschiedene Metalle, darunter auch Titan, eine besondere Getterwirkung in Entladungsröhren entfalten. In dem bekannten Stand der Technik werden allerdings Metalle wie Wolfram, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Vanadium, Niob, Tantal und Uran als etwa gleich wirksam bezeichnet.

Elektrische
Kleinspannungs-Entladungslampe

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. J. Dellian, Patentanwalt,
München 2, Windenmacherstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. März 1955

William Harold Lake, Chagrin Falls, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Demgegenüber wurde mit den Arbeiten, die zu vorliegender Erfindung führten, eine überraschende Wirkung des Titans als Anodenmaterial bei Kleinspannungs-Entladungslampen gefunden, die sich wesent-Hch von den sonst auch als Gettermaterial in Frage kommenden Stoffen unterscheidet. Dies mag nicht nur darauf beruhen, daß Titan die Fähigkeit hat, bei anderen Temperaturen, etwa bei Zimmertemperatur, Wasserstoff sehr wirksam zu adsorbieren, sondern auch darauf, daß andere Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd, bei höheren Temperaturen, etwa über 700⁰C, aufgenommen werden. Diese Wirkung des Titans ist gerade bei derartigen Kleinlampen deshalb vorteilhaft, weil in dem ge- ringen Kolbenvolumen leicht derartige Gasreste vom Pumpvorgang zurückbleiben können. Gibt man der Anode eine solche Gestalt, daß ein Teil von ihr immer vom Entladungsbogen weiter entfernt liegt, so ist dieser kühlere Teil geeignet, Wasserstoff zu adsorbieren, während der heißere Teil der Anode in der Nähe des Entladungsbogens die anderen genannten Gase und auch Kohlenwasserstoff adsorbiert.

Über diese Getterwirkung des Titans hinaus zeigt sich aber bei seiner Verwendung als Anodenwerkstoff in solchen Kleinspannungs-Entladungslampen noch ein besonderer Vorteil, der von der Getterfunktion unabhängig zu sein scheint. Ganz unerwarteterweise lassen sich nämlich nunmehr Betriebsspannungen erzielen, welche wesentlich geringer als die kleinsten bisher er-

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reichbaren Betriebsspannungen solcher Entladungs- oder hochschmelzendem Hartglas. Diese Temperatur lampen sind. Dies mag entweder an einer Elektronen- reicht aus, um den Wasserstoff auszutreiben, während Emissionsfähigkeit bzw. geringen Elektronen-Aus- andere etwa absorbierte Gase, wie Sauerstoff und trittsarbeit des Titans unmittelbar liegen oder auch Stickstoff, in das Innere des Metalls wandern. Bei kombiniert mit der Wirkung eines anderen Materials, 5 niedrigeren Temperaturen verläuft dieser Prozeß unbeispielsweise Barium, welches auf Titananoden als vollständig. Höhere Temperaturen empfehlen sich Überzug vorhanden ist. Solch ein Bariumüberzug kann nicht, weil eine merkliche Verdampfung des Titans im sich während der Herstellung und des Betriebes sol- Vakuum eintritt. Nach diesem Entgasungsprozeß köncher Entladungslampen von selbst bilden als Folge der nen die Anoden unbedenklich längere Zeit der Außenengen Nachbarschaft der Anode mit der Kathode, io luft ausgesetzt werden, ohne daß ein merkbares Nachweiche unter anderem mit Bariumoxyd aktiviert ist. lassen der Getterfähigkeit eintritt. Jedoch sollte man

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand eine solche Lagerzeit nicht über 1 Woche erstrecken, der Zeichnung erläutert werden. In dieser sind zwei Während die bisher bekannten Lampen dieser Art mit Ausführungsbeispiele in Fig. 1 und 2 schematisch Molybdänanoden, um bei einer vorgeschriebenen dargestellt, während Fig. 3 eine graphische Darstel- 15 Höchstspannung von 9 Volt betrieben werden zu könlung ist, welche den inneren Spannungsabfall in der nen, einen schwierigen Alterungsprozeß durchmachen Lampe nach der Erfindung erläutert. mußten, kann dieser bei den Lampen nach der Erfin-

Die in dem Beispiel nach Fig. 1 dargestellte Klein- dung fortfallen. Trotzdem ergibt sich bei Verwendung spannungs-Entladungslampe lehnt sich an die Form von Titananoden eine Betriebsspannung von weniger an, welche im USA.-Patent 2 403 184 dargestellt ist. 20 als durchschnittlich 8 Volt.

Die Lampe besteht aus einem Glasgefäß 1 mit einer Gegenüber der Achsenrichtung der Kathode 4 wird

Atmosphäre eines ionisierbaren Gases oder Dampfes. das Anodenblech 5 zweckmäßig derart angeordnet, Am Gefäß ist ein Leuchtstoff angebracht, entweder als daß sich auf einer Seite eine Lücke G ergibt zwischen Überzugsschicht 2 in seinem Innern oder als Bestand- dem einen Stromzuführungsdraht 6 der Kathode und teil des Glases, welcher durch die Ultraviolettstrahlen 25 der dieser zunächst liegenden Kante der Anode 5. der Gasentladung zum Leuchten angeregt wird. Soll ■ Diese Lücke wird zweckmäßig mit 3 mm bemessen, ein Leuchtstoff außerhalb des Gefäßes angeregt wer- Beim Betrieb der Lampe wird dann der Stromzufühden, so besteht das Lampengefäß 1 zweckmäßig aus rungsdraht 6 mit dem negativen Pol der Spannungseinem ultraviolettdurchlässigen Glase. Bei dem dar- quelle etwa einem 12-Volt-Sammler verbunden, wähgestellten Beispiel sind die konischen Seitenwände 30 rend der zur Anode 5 führende Stromzuführungsbei 2 mit einer verhältnismäßig dicken Leuchtstoff- draht 8 über einen strombegrenzenden Widerstand 14 schicht überzogen, während die Stirnwand bei 3 einen von etwa 10 Ohm mit dem positiven Pol 15 des Sammverhältnismäßig dünneren Leuchtstoffbelag trägt. Auf lers verbunden wird. Mit Hilfe des Schalters 16 kann diese Weise dient der Leuchtstoff an den Seitenwänden die Kathode 4 zum Zwecke der Vorheizung parallel zugleich als Reflexschicht für die in Richtung der 35 mit der Entladungsstrecke geschaltet werden. Der ge-Lampenachse ausgesandten Strahlen. Als ionisierbare ringe Abstand zwischen Anode und Kathode bewirkt Füllung kann ein Gas oder ein verdampfbares Metall beim öffnen des Schalters 16 ein Zünden der Entvon niedrigerem Druck verwendet werden, z. B. Argon ladung zwischen der Anode und demjenigen Punkt der von z. B. 3,5 bis 4,5 mm Druck, und eine kleine Menge Kathode, auf dem sich der Elektrodenfleck bildet. Quecksilber. 40 Dieser erscheint an der Stelle mit dem am stärksten

Die Kathode 4 der Lampe, welche an den Strom- negativen Potential, also nahe dem Stromzuführungszuführungsdrähten 6 und 7 befestigt ist, besteht im draht 6. Die Entladungsstrecke erstreckt sich also vorliegenden Beispiel aus einer D reif ach wendel aus längs der Lücke G.

Wolframdraht, welche mit einem elektronenemittieren- Ein Vergleich der bisher üblichen Kleinspannungs-

den Stoff überzogen ist. Als solcher dient zweckmäßig 45 lampen mit Molybdänanoden zeigt, daß diese üblicherem Erdalkalioxyd, z. B. eine Mischung aus Barium- weise eine Bogenspannung von 9,1 Volt aufweisen, und Strontiumoxyd. Die Stromzuführungsdrähte 6, 7 während die durchschnittliche Bogenspannung an den und 8 sind vakuumdicht in das Fußrohr 9 ein- Lampen nach der Erfindung nur 7,5 Volt unter sonst geschmolzen, an welchem auch das Pumprohr 12 sitzt. gleichbleibenden Verhältnissen beträgt. Während es

An der Stromzuführung 8 ist nun die Anode 5 in 50 mit den bekannten Lampen nicht möglich war, eine enger Nachbarschaft zur Kathode 4 befestigt. Sie be- Zündspannung von 12 Volt und eine Bogenspannung steht gemäß der Erfindung aus Titan, und zwar han- von 9VoIt zu unterschreiten, kann dies mit Lampen delsüblich reinem Titan, welches 99,5% Titanmetall nach der Erfindung ohne weiteres erreicht werden. So enthält. Für den gleichen Zweck könnten auch Titan- sind bei Ausführungsformen der Erfindung bei Latnlegierungen verwendet werden, die zu einem größeren 55 pen mit Anoden aus Titan Betriebsspannungen herab Teil aus Titan bestehen und zu einem kleineren Teil bis zu 6,5 Volt erreicht worden. Auch hinsichtlich des aus Eisen, Molybdän oder Chrom. Die Lampe nach Betriebsverhaltens, also Lebensdauer und Abnahme dem dargestellten Beispiel besitzt z. B. einen Kolben der Lichtausbeute, zeigen die Lampen mit den Titanvon 47 mm Länge und 38 mm Durchmesser. Die Anode anöden gemäß der Erfindung eine wesentliche Überbesteht aus einem Streifen handelsüblich reinen Titan- 60 legenheit. Eine weitere Herabdrückung der Betriebsbleches von 0,3 mm Stärke, 6 mm Breite und 11 mm spannung ist möglich durch Wahl eines anderen Füll-Länge. Wie in der Zeichnung veranschaulicht, ist die gases. Werden die Lampen beispielsweise mit Xenon Anode zweckmäßig U-förmig gebogen, wobei dieser von 3,5 mm Druck gefüllt, so läßt sich die Betriebs-Teil einen Durchmesser von etwa 3 mm hat, und sie ist spannung bis auf 5,0 Volt im Durchschnitt herabso angeordnet, daß sie die Kathodenwendel 4 umgibt 65 drücken. Eine weitere Senkung erscheint möglich, da und von dieser einen Abstand von ungefähr 1 mm hat. bei einem Versuch von zwölf Lampen Betriebsspan-

Damit die aus Titan bestehenden Anoden voll wirk- nungen zwischen 4,0 bis 5,8 Volt gemessen wurden, sam werden, werden sie vorher entgast, beispielsweise Auf jeden Fall ist die Herstellung von einwandfreien durch ein 30 Minuten währendes Glühen im Vakuum Lampen für den Betrieb an ß-VoIt-Sammlern, z. B. in bei etwa 1050° C, zweckmäßig in Röhren aus Quarz 70 Kraftfahrzeugen, möglich.

Da die unerwartet starke Herabsetzung der Betriebsspannung durch die Titananode wesentlich über die etwaige Wirksamkeit des Titans als Getter hinausgeht, soll im folgenden der Versuch einer theoretischen Erklärung gebracht werden, ohne daß jedoch die Erfindung von der Gültigkeit der Theorie abhängt. Hierzu sei auf die graphische Darstellung in Fig. 3 verwiesen, in welcher die Entfernung Kathode—Anode einer Lampe nach der Erfindung als Abszisse aufgetragen ist und der Spannungsabfall als Ordinate. Nimmt man die Kathode selbst als auf dem Bezugspotential null befindlich an, so erscheint zunächst in der Zone A ein negatives Potential Φ_€ von der Größe der Austrittsarbeit der Kathode. Die Entfernung A entspricht selbstverständlich atomaren Dimensionen entsprechend der Größenordnung der inneren Kräfte zwischen den Atomen des Metalls und den davon ausgehenden Elektronen.

Innerhalb der nächsten Zone B erscheint dann ein positives Potentialgefälle V_c, gewöhnlich als Kathodenfall bezeichnet. Dieses relativ hohe Potentialgefälle dient zur Beschleunigung der Elektronen innerhalb des die Kathode umgebenden Raumes. In diesem Raum werden die Elektronen so stark beschleunigt, daß ein wesentlicher Teil von ihnen eine Geschwindigkeit von mehr als 10,4 Elektronenvolt erreicht; das entspricht der Ionisierungsspannung des Ouecksilberdampfes. Es können also Ionisierungsstöße mit der daraus sich ergebenden Resonanzstrahlung erzeugt werden. In der nächsten Zone C erscheint wieder ein negatives Potentialgefälle Vp, welches dem Faradayschen Dunkelraum entspricht.

In der Zone D tritt der Anodenfall V^ ein, der entweder positiv oder negativ sein kann, je nachdem ob die Elektronen beschleunigt oder gebremst werden müssen, damit sie die Anode in einer zur Aufrechterhaltung der Entladung nötigen Zahl erreichen. In den meisten Entladungslampen, in welchen die Größe der Anode wesentlich geringer ist als der Querschnitt der Entladungssäule, müssen die Elektronen beschleunigt werden, um die Anode in genügender Menge zu erreichen, und so ergibt sich ein positiver Anodenfall. Demgegenüber ist der Anodenfall in der Lampe nach der Erfindung negativ, wie dies aus dem Abfallen der Kurve bei V^ in Fig. 3 ersichtlich ist.

Das Vorzeichen des Anodenfalls scheint außerdem irgendeine Abhängigkeit von der Elektronen-Emissionsfähigkeit oder der Austrittsarbeit des Anodenwerkstoffs zu haben.

In der letzten Zone B, die genau wie die Zone A nur von atomarer Dimension ist, entsteht wiederum ein positives Potentialgefälle, das der Austrittsarbeit der Anode entspricht. Es ist beachtlich, daß der Spannungsabfall Φ_ο entsprechend der Austrittsarbeit der Kathode und der Spannungsabfall Φ_Α entsprechend der Austrittsarbeit der Anode die Tendenz haben, sich gegenseitig aufzuheben und sich bei gleichem Zahlenwert tatsächlich vollständig aufheben können. Diese Seite des Entladungsphänomens kann auch auf Grund der Kontaktpotentialtheorie erklärt werden, wonach ein positiver äußerer Potentialabfall zwischen dem Metall mit niedrigerer Austrittsarbeit und demjenigen mit höherer Austrittsarbeit erscheint. Das infolge der Austrittsarbeit der Anode positive Gefälle addiert sich also zu den anderen Potentialgefällen innerhalb des Entladungsraumes und bestimmt dadurch das gesamte Potentialgefälle, das an den äußeren Stromkreis zur Aufrechterhaltung der Entladung angelegt werden muß. Die praktische Folgerung ist, daß die Erniedrigung der Austrittsarbeit der Anode die äußere Spannung Vs verringert, welche zum Betrieb der Entladungslampe angelegt werden muß.

Wendet man obige Betrachtungen auf die Lampe nach der Erfindung an, so ist festzustellen, daß die mit der Kontaktmethode bestimmte Austrittsarbeit des Titans 4,14 Volt beträgt, diejenige des Molybdäns dagegen 4,48 Volt, Auf der Basis der Austrittsarbeit des reinen Metalls kann also bereits eine Abnahme der Anodenaustrittsarbeit um 0,34VoIt erwartet werden. Wahrscheinlich ist jedoch die tatsächliche Austrittsarbeit an der Anode gemäß der Erfindung nicht durch die des reinen Metalls gegeben, sondern durch diejenige der aktivierenden Substanz auf Titan als Unterlage. Ein solcher Überzug kann aus einer atomaren Schicht von Barium bestehen, das von der Kathode abgedampft ist und sich auf der Anode niederschlägt. Offenbar ist die Differenz der Austrittsarbeit solch einer auf dem Titan niedergeschlagenen Schicht gegenüber der gleichen auf Molybdän niedergeschlagenen Schicht noch wesentlich größer als die Differenz der Austrittsarbeiten zwischen reinem Titan und reinem Molybdän.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Glühkathodenlampe nach der Erfindung gezeigt, welche ebenfalls einseitig gesockelt wird. Diese Lampe kann Anwendung finden zur Ultraviolettanregung von mit Leuchtstoff versehenen Armaturen und besitzt für diesen Zweck einen ultraviolettdurchlässigen Schwarzglaskolben. Zweckmäßig besitzt die Lampe im Innern des röhrenförmigen Gefäßes 21 einen Überzug aus einem Leuchtstoff 22, welcher die Quecksilberresonanzstrahlung von 2537 Ä in langwelliges Ultraviolett umwandelt. Der Lampenkolben ist wieder mit dem üblichen Fuß 23 versehen, der ein Pumprohr 25 und an Stromzuführungen 28, 29 die Dreifachwendel-Glühkathode 26 trägt. Diese besteht aus Wolframdraht und besitzt einen elektronenemittierenden Überzug aus einer Mischung von Barium- und Strontiumoxyd. Die Anode 31 besteht wiederum gemäß der Erfindung aus Titanmetall. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel besitzt sie die Form eines Ringes, der an der Stromzuführung 32 so befestigt ist, daß er sich symmetrisch in geringem Abstand von der Kathode 26 befindet. Die ionisierbare Gasfüllung der Lampe besteht aus einer kleinen Menge Quecksilber und einem inerten Gas von einigen, beispielsweise 4 mm Druck, etwa Argon. Hinsichtlich Zünd- und Betriebsspannung dieser Lampe gilt das gleiche wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kleinspannungs-Entladungslampe zum Betrieb an Gleichspannungen von 24 Volt und weniger, welche in einem Gefäß mit einer ionisierbaren Niederdruckatmosphäre eine fremdgeheizte aktivierte Glühkathode und eine dieser stark genäherte Anode mit Getterwirkung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodenmaterial zumindest zum größeren Teil aus Titanmetall besteht.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode gegenüber der Glühkathode so angeordnet ist, daß bei Betrieb der Lampe ein Teil des Anodenmaterials eine Temperatur von weniger als 700⁰C annimmt, während ein anderer Teil des Anodenmaterials eine Temperatur von 700 bis 1000° C annimmt.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einer überwie-

gend Titan enthaltenden Legierung besteht, die im übrigen noch Eisen, Molybdän oder Chrom enthält.

4. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Kathode und Anode etwa 1 mm beträgt.

5. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem U-förmig gebogenen Blech besteht, welches die Kathode weitgehend umschließt.

6. Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit ihrem negativen Ende etwas aus der Anode herausragt.

7. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Gasfüllung aus Xenon von etwa 3 bis 4 mm Druck enthält.

8. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen Überzug aus einer atomaren Schicht Barium trägt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 745 134; USA.-Patentschriften Nr. 2 403 184, 2 438 181, 049 238;

französische Patentschrift Nr. 619 303.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen