DE1069777B - - Google Patents
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Landscapes
- Discharge Lamp (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf kalte Kathoden für elektrische Gasentladungslampen mit einem leitenden
Kern und einem Elektronen emittierenden Überzug, der Bariumaluminat und Barium enthält, und
auf Verfahren, solche Kathoden bzw. Kathodenüberzüge herzustellen. Die Kathoden gemäß der Erfindung
eignen sich besonders für Elektronenblitzröhren für photographische Zwecke mit kalter Kathode.
Elektronenblitzröhren liefern hochintensive Lichtblitze sehr kurzer Dauer; sie können mittels tragbarer
Stromquellen gezündet werden, wenn Aufnahmen gemacht werden sollen. Sie bestehen im allgemeinen
aus einer engen Glasröhre, die mit einem Edelgas, beispielsweise Xenon, gefüllt ist. In die
Enden der Entladungsröhre ist eine Kathode und eine Anode eingeschmolzen, und zwischen diesen
Elektroden findet die elektrische Gasentladung statt. Bei Verwendung in tragbaren Blitzgeräten ist es
— wünschenswert, Blitzröhren zu verwenden, die mit niedrigen Betriebsspannungen arbeiten. Dadurch wird
die Verläßlichkeit des Gerätes erhöht, insbesondere wenn die Batterien der Stromversorgung schwächer
werden. Es ist weiterhin der Einfachheit halber zweckmäßig, die Blitzröhre mit kalter Kathode zu
betreiben. Ferner soll die die Kathode und die Elektronen emittierende Schicht so beschaffen sein, daß
kein Absprühen und keine Vergiftung des den Lichtbogen unterhaltenden, Elektronen emittierenden Materials
stattfindet; dadurch wird die Lebensdauer der Blitzröhre erhöht und die Schwärzung des Glaskolbens
in der Nähe der Kathode verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Elektronen emittierendes Material
für die Kathoden von elektrischen Entladungslampen, wie z. B. Elektronenblitzröhren, anzugeben, das
einen Betrieb der Röhre bei niedrigen Spannungen ermöglicht und eine hohe Elektronenemission unter
den bei kalten Kathoden vorliegenden Bedingungen gewährleistet.
Weiterhin soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Überziehen und Aktivieren von
Entladungskathoden mit einem solchen Elektronen emittierenden Material angegeben werden, das auf
der Grundlage von Bariumaluminat aufgebaut ist und wobei die emittierende Schicht durch Wärmeeinwirkung
aktiviert wird, wenn sie sich an Ort und Stelle auf der Kathode befindet.
Bariumoxyd (BoO) ist bekanntlich ein ergiebiges Elektronen emittierendes Material für Kathoden von
elektrischen Entladungseinrichtungen. Es hat jedoch den Nachteil, daß es von der Kathode auf die Wände
der Entladungsröhre wegspritzt. Bei Blitzröhren für photographische Zwecke schlägt sich das Material
dabei auf den Wänden der Röhre in der Nähe der Kalte Kathode für Gasentladungslampen
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectadyr N. Y. (V. St. A.)
Schenectadyr N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. April 1957
V. St. v. Amerika vom 29. April 1957
Dimitrios Mandamadiotis Sperosr
Willoughby, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Kathode nieder, mit dem Ergebnis, daß die Röhre geschwärzt und der abgegebene Lichtstrom und damit
der Nutzeffekt der Röhre verringert wird. Bariumoxyd hat andererseits den Vorzug eines verhältnismäßig
hohen Schmelzpunktes, der in der Gegend von 1900° C liegt, so daß das emissionsfähige Material
den hohen Temperaturen widerstehen kann, die an den Brennflecken auf der Kathode auftreten, wo die
Elektronenemission einsetzt und zwischen denen sich die elektrische Gasentladung bzw. der Lichtbogen
ausbildet.
Um das unerwünschte Verspritzen des Bariumoxyds zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen
Aluminiumoxyd (Al2O3) dem Bariumoxyd zuzusetzen, so daß sich ein Bariumaluminat bildet. Bei
steigendem Aluminiumoxydgehalt der Verbindung sinkt jedoch der Schmelzpunkt schnell ab, ferner verringert
sich auch die Elektronenemission des Bariumaluminatsystems schnell. Wenn z. B. 1 Mol Aluminiumoxyd
3 Mol Bariumoxyd zugesetzt wird, so daß sich die Verbindung 3 Ba O· Al2O3 bildet, sinkt
der Schmelzpunkt der Verbindung auf ungefähr 1750° C. Bei gleichen Teilen Bariumoxyd und Aluminiumoxyd
und Bildung der Verbindung BaO· Al2O3 ergibt sich jedoch, daß der Schmelzpunkt vergleichbar
mit dem Schmelzpunkt des ursprünglichen Ausgangsmaterials Bariumoxyd ist. Die Verbindung
BaO-AI2O3 hat zwar den erwünschten hohen Schmelzpunkt, die Emissionsfähigkeit ist jedoch sehr
gering, so daß das Material ungeeignet ist als Aktivator für Kathoden von elektrischen Entladungs-
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röhren oder -lampen, wie z. B. Blitzröhren, da sich zu hohe Zündspannungen für den Betrieb der Lampe
ergeben. Wenn zur Erhöhung der Emissionsfähigkeit mehr Bariumoxyd zugefügt wird, ergibt sich, wie
bereits erwähnt wurde, ein rasches Absinken des Schmelzpunktes der Verbindung. Wenn der Bariumoxydanteil
im Bariumaluminat auf weniger als 1 Mol verringert wird, ergibt sich eine weitere Verringerung
der Emissionsfähigkeit, der Schmelzpunkt bleibt jedoch in der wünschenswerten Höhe von
1800° C. Kalte Kathoden für Gasentladungslampen nach der Erfindung sind gekennzeichnet durch ein
emissionsfähiges Überzugsmaterial, bestehend aus Bariumaluminat mit relativ hohem Aluminiumoxydgehalt,
welches etwas elementares Barium enthält und der Formel (x Ba O * Al2 O3) · y Ba entspricht,
wobei χ einen Wert zwischen 0,1 und 1 und y zwischen 0,5 χ und 2,6 χ besitzt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß die Emissionsfähigkeit des Bariumaluminats erheblich gesteigert werden kann,
ohne daß der Schmelzpunkt wesentlich absinkt, indem man einen Teil des Bariumoxyds im Bariumaluminat
in elementares Barium umwandelt. Vermutlich ist das Barium gleichmäßig in dem BariumaluminatkristaIl
dispergiert, das Ergebnis ist ein Kristall, der ein hochemissionsfähiges Material darstellt. Die Emissionsfähigkeit des Aluminatsystems unter Einschluß von elementarem
Barium ist größer als die Emissionsfähigkeit des reinen Bariumoxyds. Obwohl die theoretische
Begründung für diesen Effekt nicht mit Sicherheit bekannt ist, kann angenommen werden, daß die
erhöhte Emissionsfähigkeit die Folge des erhöhten Gehaltes an elementarem Barium ist, das im Kristallgitter
des BaO-Al2O3 gebunden ist, im Gegensatz zu demjenigen Betrag an Barium, der von Bariumoxydkristallen
aufgenommen werden kann. Das beschriebene emissionsfähige Material zur Aktivierung von
kalten Kathoden nach der Erfindung kann durch Mischung von handelsüblichen Verbindungen von
Bariumoxyd—Aluminiumoxyd (Ba O—Al2O3) mit
pulverisiertem Aluminium und anschließendem Aktivieren des Materials durch Erhitzen hergestellt werden,
wobei ein Teil des Bariumoxyds in elementares Barium reduziert wird. Bei der Herstellung von
Kathoden für elektrische Gasentladungslampen kann die Mischung auf die Metallkathode aufgebracht und
durch Erhitzen auf der Kathode aktiviert werden.
Bei dem aktivierenden emissionsfähigen Material der kalten Kathode gemäß der Erfindung, welches
unter Einhaltung der obengenannten Grenzen für die Werte von χ und y der Formel (x BaO-Al2O3) - vBa
entspricht, ist in dem Bariumoxyd-Aluminium-Kristall ein relativ hoher Gehalt von Aluminiumoxyd
enthalten, so daß eine Verbindung mit einem hohen Schmelzpunkt entsteht, χ muß deshalb gleich oder
kleiner als 1 sein. Die untere Grenze von χ ist durch die Mindestmenge vom Bariumoxyd in dem emissionsfähigen
Material bestimmt, die noch zufriedenstellende Emissionseigenschaften ergibt, χ soll daher
beim erfindungsgemäßen Überzugsmaterial im Bereich von 1 Mol bis herunter zu 0.1 Mol liegen, die
besten Ergebnisse erhält man jedoch, wenn χ im Bereich von 1 bis 0,34 Mol liegt. Die Grenzen für den
Gehalt an elementarem Barium, also für y, werden anscheinend durch die benötigte Anzahl von Emissionszentren
bestimmt, die im Bariumaluminatkristall gebunden sind, um eine gute Emissionsfähigkeit zu
ergeben.
Die obere Grenze des Gehalts an elementarem Barium scheint nicht kritisch zu sein, da ein Über-
schuß an elementarem Barium nur als Getter wirkt. Aus diesen Gründen kann ein Überschuß an elementarem
Barium gegenüber dem Bariumaluminat wünschenswert sein. Ein allzu großer Überschuß an
Barium dampft jedoch unvermeidlich aus der Kathode ab und bewirkt eine Schwärzung der Röhrenwand.
Dies tritt ein, wenn der Überschuß die Mol von .rBaO um mehr als das 2,6fache übersteigt. Der
Überschuß an elementarem Barium ist unnötig, wenn man andere Getter verwendet, so kann z. B. eine
Titananode als Getter wirken. Die untere Grenze an elementarem Barium hängt exakt von dem stöchiometrischen
Wert ab, bei welchem 1 Mol elementares Barium an je 1 Mol Bariumoxyd gebunden ist. Im
Idealfall nähert sich also y dem Wert von χ als untere Grenze für optimale Ergebnisse; zufriedenstellende
Ergebnisse ergeben sich jedoch auch dann noch, wenn y so niedrige Werte annimmt, wie 0,5 x.
Aus den angegebenen Gründen ist ersichtlich, daß beim erfindungsgemäßen Material y zwischen 0,5 χ
und 2,6 χ liegen soll.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen emissionsfähigen Materials kann eine verfügbare Bariumaluminatverbindung
als Ausgangsmaterial verwendet werden, die einen Überschuß an Bariumoxyd enthält und
annähernd der Formel 1,76 BaO · Al2O3 entspricht. Da dieses Material an Luft instabil ist, muß es in
evakuierten Behältern gelagert und verschickt werden, so daß es gegen die Einwirkung von Wasserdampf
geschützt ist. Diese Bariumaluminatverbindung wird zuerst zu einem Pulver zermahlen und dann in einem
noch zu beschreibenden Mischungsverhältnis mit Aluminiumpulver gemischt, dessen Teilchengröße vorzugsweise
in der Größenordnung von 3 μ liegt.
Der Prozentsatz des zu der Bariumaluminatverbindung zugesetzten Aluminiumpulvers kann zwischen
2,3 und maximal 7,3 Gewichtsprozent der Mischung liegen, und zwar zwischen 2,7 und 7,3 im Falle der
obenerwähnten Verbindung 1,76 BaO · Al2O3. Ein Zusatz von Aluminiumpulver in einer Menge zwischen
2,7 und 5,8 Gewichtsprozent der Mischung gibt jedoch optimale Ergebnisse. Die obenerwähnten Grenzen
von 2,7 bis 5,8% an Aluminiumpulver entsprechen 0,38 bzw. 0,85 Mol Aluminium je Mol der Verbindung
1,76 BaO · Al2O3. Die chemische Reaktion, die bei der Erhitzung auf zwischen 600 und 660° C eintritt,
aktiviert die Verbindung und verläuft bei den zwei angeführten Beispielen folgendermaßen:
1,76 Ba O · Al2 O3 + 0,38 Al
1,19 BaO · Al2O3) ■ 0,57 Ba
1,76 BaO · Al2 O3 + 0,85 Al ->
1,76 BaO · Al2 O3 + 0,85 Al ->
-►1,43 (0,34BaO · Al2O3) · 1,27 Ba
Die Reaktionsprodukte entsprechen der Formel
BaO · Al2O3 ■ 0,48 Ba
bzw. 0,34 Ba O · Al2 O3 · 0,89 Ba.
bzw. 0,34 Ba O · Al2 O3 · 0,89 Ba.
Wenn der Prozentsatz an Aluminiumpulver wesentlich unterhalb der oben angegebenen Grenzen verringert
wird, ergibt sich ein emissionsfähiges Material, das reicher an Bariumoxyd ist als an Aluminiumoxyd,
was, wie bereits erwähnt wurde, mit einer Verringerung des Schmelzpunktes verbunden
ist. Andererseits sollten die angeführten oberen Gewichtsgrenzen für den Aluminiumzusatz nicht überschritten
werden, da dadurch der Bariumoxydgehalt der Kathodenschicht so weit verringert wird, daß
die Emissionsfähigkeit und die Stabilität leiden.
Die elektrische Gasentladungslampe oder Blitzröhre wird mit den üblichen Kaltkathodenanord-
nungen, wie ζ. Β. Nickelgittern, tassenförmigen Eisenelektroden oder Wolframwendeln, versehen.
Das emissionsfähige Material wird vor der Aktivierung auf die Kathoden aufgetragen. Dies kann durch
Eintauchen der Kathoden in eine trockene Pulvermischung geschehen, ferner durch Eintauchen in eine
Paste, die aus dem emissionsfähigen Material und Butylazetat besteht, durch Einsetzen von Stücken
oder Pillen des gepreßten Materials in oder auf die Kathode oder durch irgendeine andere geeignete,
übliche Weise. Wegen der guten Haftfähigkeit des trockenen Pulvers an Wolframwendeln stellt das
Trockentauchverfahren vermutlich die einfachste Möglichkeit dar und eignet sich besonders für Blitzröhren
für tragbare Blitzgeräte, die Kathoden in Form von Wolframwendeln besitzen. Für Gasentladungslampen,
bei denen große Mengen von emissionsfähigem Material erforderlich sind, ist das Naßverfahren
vorzuziehen. Dabei müssen die Kathoden jedoch vor dem Erhitzen, das noch näher beschrieben
werden wird, sorgfältig getrocknet werden, da sich das emissionsfähige Material sonst verfärben kann
oder abblättert. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen emissionsfähigen Materials besteht darin,
daß bereits ein dem unbewaffneten Auge kaum siehtbarer Überzug dünner Schichtdicke ausreicht.
Nach dem Überziehen wird die Kathode zur Aktivierung des emissionsfähigen Materials erhitzt. Die
Kathode muß auf eine Temperatur zwischen 600 und 1200° C erhitzt werden; eine Erhitzung auf
660° C erscheint jedoch ausreichend. Dadurch, daß die Kathoden bei so niedrigen Temperaturen aktiviert
werden können, ist es möglich, die Kathoden aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B.
Eisen oder Nickel, herzustellen. Ein wichtiger Vorteil dieser Kathode besteht darin, daß während der
Aktivierung keine Gase frei werden. Die Erhitzung kann durch irgendeine übliche Weise erfolgen, z. B.
durch Strahlung, durch Stromdurchgang durch eine Kathodenwendel, durch Leitung von einer heißen
Fläche oder durch einen Niederdruckbogen oder eine Glimmentladung von der Spule in Argon. Die Aktivierung
kann in einer Wasserstoff-, Argon- oder einer anderen nicht reaktionsfähigen Atmosphäre
oder auch im Vakuum erfolgen. Ein weiterer Vorteil der niedrigen Aktivierungstemperatur besteht darin,
daß die überzogene Kathode durch die Wärme aktiviert werden kann, die der Kathode von der Abschmelzflamme
zugeführt wird, wenn die Kathode in die Entladungsröhre eingeschmolzen wird.
Kathoden mit einem Elektronen emittierenden Überzug nach der Erfindung wurden auf folgende
Weise hergestellt:
55
Eine Wendelkathode aus Wolframdraht mit emissionsfähigem Material der ungefähren Zusammensetzung
1,43 (0,34 Ba O · Al2O3) · 1,27 Ba, 6q
d. h. 0,34 Ba O · Al2O3 · 0,89 Ba, wurde dadurch hergestellt,
daß zuerst 94,2 g von handelsüblichem Bariumaluminat der Formel 1,76 BaO · Al2O3 zu
Pulver gemahlen und dann mit 5,8 g Aluminiumpulver (mittlere Teilchengröße 3 μ) gemischt wurden.
Die Mischung wurde dann mit einem Preßdruck von ungefähr 700 kg pro qcm zu Pillen gepreßt und die
Pillen in einem Mörser wieder zerkleinert. Das Mahlen, Abwiegen und Pressen erfolgte in einem
klimatisierten Raum mit niedriger Feuchtigkeit, das
Material wurde in einem Exsikkator gelagert. Die Barium-Aluminat-Aluminium-Mischung wurde dann
auf die Wolfram-Wendelkathoden durch Eintauchen der Wendeln in das trockene Pulver aufgebracht.
Das emissionsfähige Material wurde dann durch Erhitzen der überzogenen Kathoden auf etwa 660° C
aktiviert, die Erhitzung erfolgte durch die Flamme, mit der die Kathode in die Entladungsröhre eingeschmolzen
wurde.
Während ein emissionsfähiges Material, das aus den obenerwähnten Ausgangsstoffen hergestellt wird,
zufriedenstellend ist, ist Bariumaluminat, das einen Überschuß an Bariumoxyd enthält, in Luft unbeständig
und kann, wie bereits erwähnt wurde, in der Produktion zu gewissen Schwierigkeiten Anlaß geben.
Bariumaluminat, das ungefähr der FormelBa O > Al2O3 entspricht, ist erhältlich und hat sich als gutes Ausgangsmaterial
erwiesen.
Eine Kathode mit einem emissionsfähigen Material der ungefähren Zusammensetzung
1,2 (0,33 BaO •Al2O3) -0,6 Ba
(oder 0,33 BaO · Al2O3 · 0,5 Ba) wurde in derselben Weise, wie in Verbindung mit Beispiel 1 beschrieben
wurde, hergestellt. Dabei wird Bariumaluminat der Formel BaO-Al2O3 mit pulverisiertem Aluminium
gemischt, der Aluminiumgehalt der Gesamtmischung beträgt dabei zwischen 2,30 und 4,85 Gewichtsprozent,
mit 4,06'% als Optimalwert. Bei den optimalen Verhältnissen kommt 0,4 Mol Aluminiumpulver
auf jedes Mol Bariumaluminat. Bei den erwähnten optimalen Bedingungen läuft bei Erhitzung
folgende Reaktion ab:
BaO ■ Al2O3 + 0,4Al
1,2 (0,33 Ba O •Al2O3) -0,6 Ba
Das entspricht 0,33 BaO · Al2O3 · 0,5 Ba. Diese Mischung wurde, wie oben beschrieben, zubereitet,
und die trockene Mischung wurde auf die Kathode aufgetragen. Anschließend wurde sie durch Erhitzen
auf etwa 660° C aktiviert.
Es wurden Blitzlichtentladungslampen für photographische Zwecke mit Kathoden, die mit einem
solchen emissionsfähigen Überzug versehen waren, gebaut, geprüft und mit handelsüblichen, bekannten
Blitzlampen verglichen, die Kathoden aus einem Nickelnetz enthielten, auf das eine Barium-Aluminium-Legierung
aufgedampft war. Ein gebräuchlicher Typ solcher Elektronenblitzröhren, der im Handel erhältlich ist, hat eine Nennzündspannung
von 305 Volt mit einer serienmäßigen Abweichung in der Zündspannung von 20,3 Volt. Eine Gruppe von
100 Elektronenblitzröhren, bei denen die Kathoden mit dem emissionsfähigen Material mit der erfindungsgemäßen
Bariumaluminat-Barium-Verbindung versehen waren, zeigte eine mittlere Zündspannung
von 286 Volt mit einer Abweichung von 18,2 Volt. Die Ergebnisse zeigen, daß die mit den erfindungsgemäßen
Kathoden ausgerüsteten Elektronenblitzröhren eine niedrigere Zündspannung besitzen als die
bekannten Röhren, was bedeutet, daß die erfindungsgemäßen Röhren ein verläßlicheres Arbeiten bei Geräten
mit tragbaren Stromquellen gewährleisten. Eine Gruppe von zwölf Blitzröhren wurde mit 5000 Blitzen
geprüft. Die Röhren mit der erfindungsgemäßen Bariumaluminatkathode zeigten an den Enden der
Entladungsröhre nur eine geringe Schwärzung, während die handelsüblichen Röhren mit den oben be-
Claims (5)
1. Kalte Kathode für Gasentladungslampen, insbesondere für Elektronenblitzröhren für photographische
Zwecke, mit einem leitenden Kern und einem emissionsfähigen Überzug, der Bariumaluminat
und Barium enthält, gekennzeichnet durch ein emissionsfähiges Überzugsmaterial, bestehend
aus Bariumaluminat mit relativ hohem Aluminiumoxydgehalt, welches etwas elementares
Barium enthält und der Formel
OBaO · Al2O3) · yBa.
entspricht, wobei χ einen Wert zwischen 0,1 und 1 und _v zwischen 0,5 χ und 2,6 χ besitzt.
2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des emissionsfähigen
Überzugmaterials der Formel
0,33 BaO ■ Al2O3 · ^Ba
entspricht, wobei y zwischen 0,5 und 0,89 liegt.
3. Verfahren zur Herstellung von Kathoden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine gepulverte Bariumaluminatverbindung mit Aluminiumpulver einer mittleren Teilchengröße
von ungefähr 3 μ in einer Menge zwischen 2,3 und 7,3 Gewichtsprozent der Gesamtmischung
gemischt wird, daß diese Mischung dann auf den Metallkern der Kathode aufgebracht wird und
daß schließlich die Mischung auf eine Temperatur zwischen 600 und 1200° C, vorzugsweise auf
660° C, erhitzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung der Formel
1,76BaO · Al2O3 mit 2,7 bis 7,3 Gewichtsprozent der Gesamtmischung Aluminiumpulver gemischt
wird, vorzugsweise mit 2,7 bis 5,8%.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung der Formel
BaO-Al2O3 mit 2,3 bis 4,85 Gewichtsprozent der Gesamtmischung Aluminiumpulver gemischt
wird, vorzugsweise mit 4,06%.
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1069777B true DE1069777B (de) | 1959-11-26 |
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ID=594822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DENDAT1069777D Pending DE1069777B (de) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1069777B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1262458B (de) * | 1963-09-20 | 1968-03-07 | Egyesuelt Izzolampa | Verfahren zum Herstellen einer Bariumoxyd und metallisches Barium enthaltenden Oxydkathode fuer eine mit vorgeheizten Elektroden zu zuendende elektrische Entladungsroehre |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1262458B (de) * | 1963-09-20 | 1968-03-07 | Egyesuelt Izzolampa | Verfahren zum Herstellen einer Bariumoxyd und metallisches Barium enthaltenden Oxydkathode fuer eine mit vorgeheizten Elektroden zu zuendende elektrische Entladungsroehre |
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