DE1133572B - Entladungsroehre mit einer Hohlkathode und einer gekapselten Huelle - Google Patents

Description

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte gekapselte Entladungsröhre mit einer Hohlkathode zu schaffen, die als Lichtquelle für die Erzeugung atomarer Resonanzlinien, die bei spektrochemischen Analysen benötigt werden, dient und mit der es möglich ist, wahlweise Spektren von zwei oder mehreren Elementen zu erzeugen, und die ferner, falls es erforderlich ist, auch mit Wechselstrom betrieben werden kann.

Es ist zwar bereits bekannt, atomare Spektren mit Hilfe von Hohlkathodenröhren zu erzeugen. In solchen Röhren ist die Kathode gewöhnlich in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Bei der Gestaltung der Anode wurde jedoch angenommen, daß diese relativ unwesentlich ist, so daß sie gewöhnlich entweder als Metallring, Draht oder Platte ausgeführt wurde, die in der Gegend der Kathode angebracht wurde und so angeordnet wurde, daß die direkte axiale Blicklinie von der Außenseite der Röhre in das Innere der Hohlkathode nicht behindert wurde. Diese Anordnung gewährleistet, daß die Lichtentladung innerhalb der Hohlkathode ohne Behinderung beobachtet werden kann. Die Kathode ist allgemein aus dem Metall hergestellt, dessen Spektrum erzeugt werden soll. Es kann jedoch auch eine kleine Pille od. dgl. aus dem Material, dessen Spektrum erzeugt werden soll, innerhalb der Kathode angeordnet werden, oder das Material kann auch in einer anderen Weise in die Kathode eingeführt werden. Als weitere Alternative kann die Kathode aus einer Legierung hergestellt werden, die das Metall enthält, dessen Spektrum erforderlich ist. Die Anode dieser bekannten Röhren wird aus irgendeinem geeigneten Metall hergestellt, da deren Material das Spektrum der Entladung innerhalb der Kathode nicht beeinflußt.

Wenn ein Potential in der Größenordnung von einigen hundert Volt an die Elektroden angelegt wird, findet eine Lichtentladung zwischen ihnen statt. Durch Einstellung des Druckes des Edelgases in der Röhre wird der Bereich der Lichtentladung auf die Innenseite der Kathode beschränkt. Dieser Lichtbereich bildet die erforderliche Lichtquelle, die scharf definierte Spektrallinien-Charakteristiken der Metalle, aus denen die Kathode zusammengesetzt ist, besitzt.

Diese bekannten Entladungsröhren haben den Nachteil, daß, da die Glasumhüllung gekapselt ist, es unmöglich ist, die Elektroden zu ersetzen oder auszuwechseln, ohne die Umhüllung zu zerstören. Das bedeutet, daß das Spektrum nur von einem Element in irgendeiner Röhre erhalten werden kann. Ein weiterer Nachteil ist der, daß die Röhren im allgemeinen mit einer Gleichstromquelle versorgt werden müssen, Entladungsröhre mit einer Hohlkathode
und einer gekapselten Hülle

Anmelder:

Commonwealth Scientific and Industrial

Research Organization,
East Melbourne, Victoria (Australien)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Cohausz,

Dipl.-Ing. F. Florack und Dipl.-Ing. K. H. Eissel,

Patentanwälte, Düsseldorf, Schumannstr. 97

Beanspruchte Priorität:
Australien vom 19. Oktober 1959 (Nr. 53 783)

Alan Walsh, East Brighton, Victoria,
und William George Jones, Fairfield, Victoria

(Australien),
sind als Erfinder genannt worden

wodurch die Notwendigkeit entsteht, einen Gleichrichter für den meist zur Verfügung stehenden Wechselstrom zu benutzen, da bei den gewöhnlichen Typen der Bauart von Anoden, wenn sie durch Umkehrung der Potentiale gewechselt werden müßten, sie zu hoch erhitzt würden und das Spektrum dieser Kathode mit der anderen Elektrode interferieren würde.

Obwohl also Entladungsröhren mit einer Hohlkathode bzw. mit mehreren Hohlkathoden als solche bekanntgeworden sind, wurden diese hauptsächlich verwendet, um ein Spektrum des Gases, mit dem die betreffende Entladungsröhre gefüllt wurde, zu erzeugen. Es ist beispielsweise eine Entladungsröhre zur Erzeugung eines Gasspektrums bekanntgeworden, bei der sämtliche Kathoden miteinander elektrisch verbunden und aus einem nicht zerstäubenden Material hergestellt sind. Mit einer solchen Entladungsröhre ist es unmöglich, ein atomares Spektrum des Kathodenmaterials zu erhalten.

Weiterhin sind vielfältige Entladungsröhren bekanntgeworden, die jedoch alle auf Leuchtwirkung abgestellt und daher für diesen Zweck besonders ausgebildet wurden. Auch diese bekannten Entladungs-

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röhren können die erfindungsgemäße Aufgabenstellung verschiedenen Material hergestellt. Beispielsweise kann

weder erfüllen noch nahelegen. Die erfindungsgemäße die Elektrode 5 aus Eisen und die Elektrode 6 aus

Entladungsröhre liefert ein atomares Spektrum des Kupfer hergestellt sein. Als bestes Füllgas wurde Neon

Kathodenmaterials und schafft die Möglichkeit, mit gefunden, und es kann daher im allgemeinen für diese

einer Röhre wahlweise Spektren von verschiedenen 5 Röhren benutzt werden.

Elementen zu erzeugen. Es wurde festgestellt, daß die Lebensdauer der

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Ent- Röhren sich stark mit dem Volumen der Röhren

Iadungsröhre mit einer Hohlkathode und einer ge- erhöht, z. B. bei Vergrößerung des Volumens von

kapselten Hülle vorgeschlagen, die dadurch gekenn- 75 ecm auf 250 ecm wird eine effektive Lebensdauer

zeichnet ist, daß mindestens zwei zylindrische, an sich io von 3 Α-Stunden auf mehr als 50 Α-Stunden erhöht,

bekannte Hohlelektroden Seite an Seite an einem Es wurde experimentell festgestellt, daß das geringste

Ende der Hülle derart angeordnet sind, daß die eingeschlossene Volumen für die Entladungsröhren,

Achsen der Elektroden parallel verlaufen, daß andern das eine genügend lange Lebensdauer ergibt, in der

anderen Ende der Hülle ein transparentes Fenster mit Größenordnung von 150 ecm sein muß.

Durchblick in einer im wesentlichen axialen Ausrich- 15 Bei der Benutzung der Entladungsröhre wird eine

tung zu den Achsen der Elektroden vorgesehen ist, Spannungsquelle von einigen hundert Volt, die ent-

daß jede der Elektroden ein verschiedenes Element, weder eine Wechselstrom- oder eine Gleichstromspan-

wie an sich bekannt, beinhaltet und zur Erzeugung nungsquelle sein kann, an die äußeren Klemmen der

einer atomaren spektralen Lichtquelle, die für dieses Elektroden angelegt. Es setzt eine Lichtentladung

Element charakteristisch ist und vollständig auf den 20 innerhalb der Röhre ein, und wenn der Druck des

Hohlraum der betreffenden Elektrode beschränkt ist, Edelgases innerhalb der Röhre korrekt eingestellt ist,

dient und daß das Licht von irgendeiner der Elektro- ist der Lichtbereich dieser Entladung auf die Innen-

den durch das Fenster ohne Störung durch eine andere seite der Hohlkathode beschränkt. Da beide Elek-

Elektrode beobachtet werden kann. troden die gleichen Abmessungen besitzen und sich in

Um die vorliegende Erfindung besser zu erläutern, 25 gleicher Umgebung befinden, kann jede Elektrode als

sind zwei Arten von gekapselten Hohlkathodenent- Kathode bei der korrekten Wahl der Polarität dienen,

ladungsröhren entsprechend der vorliegenden Erfin- Mit Wechselstrom dienen beide Elektroden abwech-

dung nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung be- selnd als Kathode. Dementsprechend entstehen die

schrieben, in der Lichtentladungen abwechselnd in der einen Elektrode

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ent- 30 und dann in der anderen, die in dem speziellen

Iadungsröhre zeigt, die zwei Hohlelektroden besitzt, Augenblick als Kathode wirkt. Jede Lichtentladung

Fig. 2 einen Querschnitt im vergrößerten Maßstab erzeugt eine scharfe Spektrallinien-Charakteristik des

durch die Entladungsröhre zeigt, die in Fig. 1 gezeigt Materials, aus dem die Elektrode besteht, innerhalb

ist, und der die Entladung stattfindet. Auf diese Weise kann

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Mehr- 35 die Entladungsröhre zwei intensive Lichtquellen er-

elektrodenentladungsröhre zeigt, die sieben Hohlelek- zeugen, die scharfe Spektrallinien der Metalle besitzen,

troden besitzt. beispielsweise Eisen und Kupfer, aus denen die zwei

Die Hohlkathodenentladungsröhre, die in Fig. 1 Elektroden hergestellt sind.

und 2 gezeigt ist, enthält eine allgemein birnenförmige Es ist selbstverständlich möglich, mehr als zwei geschlossene Glasumhüllung 4, innerhalb derer zwei 4° Elektroden aus verschiedenen Materialien innerhalb gleiche Elektroden 5 und 6 eingebaut sind, die mit der Glasumhüllung anzuordnen. Eine solche Mehr-Hilfe von Wolfram oder anderem geeigneten Material, elektrodenentladungsröhre ist in Fig. 3 gezeigt. In wie beispielsweise Chrom-Eisen-Leitungsdrähte 7, ge- diesem Falle sind hier sieben Hohlelektroden 13 vorhalten sind, die in die Glaswand der Umhüllung 4 an gesehen, die Seite an Seite mit den Achsen parallel ihrem schmaleren Ende 8 eingeschmolzen sind. Die 45 zur Innenseite der Glasumhüllung 14 eingebaut sind. Elektroden 5 und 6 sind identisch in Gestalt und Die Elektroden 13 werden durch Wolframleitungs-Größe und sind zylindrisch ausgeführt mit einem offe- drähte 15 gehalten, die durch die Glasumhüllung einnen Ende 9 und einem geschlossenen Ende 10, das gebracht sind und zum Anschluß der Elektroden an durch Einklemmen der betreffenden Elektrode in ihren eine Spannungsquelle dienen. Das breitere Ende 16 Leitungsdraht 7 gebildet wird. Auf diese Weise sind 50 der Umhüllung bildet ein Blickfenster, durch das die mechanische und elektrische Verbindungen zwischen Entladungen innerhalb von Hohlelektroden beobden Elektroden und deren entsprechenden Leitungs- achtet werden können. Es können Paare von Elekdrähten hergestellt. Die Leitungsdrähte 7 erstrecken troden durch selektive Verbindungen der elektrischen sich nach außen aus der Glasumhüllung 4 und ge- Zufuhrdrähte mit einer Spannungsquelle erregt werstatten, elektrische Potentiale an die Elektroden anzu- 55 den, und die Spektren von jedem oder mehreren legen. Die offenen Enden 9 der Elektroden 5 und 6 Elementen, aus denen die verschiedenen Elektroden sind in Richtung auf das weitere Ende 11 der Um- hergestellt sind, können dann wahlweise in der einen hüllung 4 angeordnet. Dieses Ende 11 bildet ein Fen- Röhre erhalten werden.

ster, durch das die Entladung innerhalb einer der Es ist zwar möglich, Spektren verschiedener EIe-

Elektroden beobachtet werden kann. Die Umhüllung 4 60 mente gleichzeitig zu erhalten, indem eine Elektrode

ist evakuiert und mit einem Edelgas bei einem Druck aus einer Legierung dieser Elemente hergestellt wird

von 2 mm Hg. gefüllt, worauf die Evakuierungsöffnung bzw. eine Kathode aus Abschnitten verschiedener

12 zugeschmolzen wird. Die Umhüllung 4 der Röhre Metalle angefertigt wird. Hierbei muß allerdings

ist aus einem Glas C 9 hergestellt. Das Ende 11, das vorausgesetzt werden, daß die Metalle in etwa dem das Sichtfenster enthält, ist aus Corning 9741-Glas 65 gleichen Ausmaß zerstäubt werden müssen, so daß

hergestellt, das für ultraviolette Strahlen durchlässig eine vorzugsweise Zerstäubung eines Metalls beim

ist und direkt in den Körper der Umhüllung einge- Betrieb der Kathode nicht stattfindet. Ein Vorteil

schmolzen ist. Die Elektroden sind jede aus einem dieser Anordnung besteht darin, daß eine einzige

Röhre für die Erzeugung von Spektren mehrerer Elemente verwendet werden kann. Indessen kann auch ein Nachteil auftreten, daß in der Praxis häufig eine vorzugsweise Zerstäubung eines Elementes auftritt. Daher wird beispielsweise eine Messinghohlkathode mit der Zeit während des Betriebes vollständig mit einem zerstäubten Zinküberzug bedeckt. Dementsprechend kann festgestellt werden, daß bei einer Forderung nach einer schnellen Erreichbarkeit verwendet werden, während das Fenster an dem weiteren Ende der Röhre vorteilhaft aus geschmolzener Kieselerde bzw. Quarz bestehen kann.

Die Entladungsröhre der oben beschriebenen Art hat sich sehr gut für die Verwendung bei atomaren absorptionsspektrochemikalischen Analysen bewährt. Die allgemeine Erfordernis für eine solche Untersuchung ist die, daß die Linienweiten der Resonanzlinien, die durch die Hohlkathode ausgesandt werden,

der Gleichgewichtsbedingungen die Elektroden keines- io enger sein müssen als die Weite der Absorptionslinie falls aus einer Legierung bestehen dürfen, sondern der Rammen. Da die Linienweite in den Flammen, aus reinen Metallen hergestellt werden müssen. deren Absorption gemessen wurde, in der Größen-

Gekapselte Hohlkathodenröhren entsprechend der Ordnung von 0,03 Ä liegt, ist die allgemeine Erfordervorliegenden Erfindung wurden mit Elektroden aus nis für die von Hohlkathoden ausgesandten Linien, einer großen Anzahl von Materialien hergestellt, bei- i₅ daß sie geringer als 0,01 A halbe Breite sein müssen, spielsweise Ag, Al, Au, Bi, C, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Diese Forderung kann leicht mit den Entladungs-Hf, Ir, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Pt, Sb, Ti, V, Zn röhren nach der vorlegenden Erfindung erfüllt werden, und Zr.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß befriedigende gekapselte Hohlkathodenröhren aus jedem Metall her- ao gestellt werden können. Einige Elemente erfordern indessen ein spezielles Verfahren der Herstellung.

Eines dieser Verfahren muß beispielsweise angewandt werden, wenn Metalle von geringer mechanischer Festigkeit benutzt werden. Beispiele solcher Metalle sind Pb, Cd, Sb, Bi. Kathoden aus diesen Metallen deformieren sich und brechen ab, wenn die Kathode erwärmt wird. Die Schwierigkeit wurde inzwischen durch Einschmelzen der Metalle in den Boden einer Hohlkathode aus einem anderen Material oder durch Benutzung eines entsprechenden Futters überwunden. Bei Metallen mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist Aluminium ein geeigneter Behälter bzw. Träger, da es ein einfaches Spektrum besitzt. Die Herstellung einer Hohlkathode aus einem leicht oxydierenden Metall, wie beispielsweise Kalzium, wird durchgeführt, indem die Kathode während des Bearbeitungsprozesses unter Öl gehalten wird. Die abgewaschene Elektrode wird dann in die Röhre eingesetzt, die ohne Verzögerung evakuiert wird. Eine kleine Oxydhaut bildet sich dennoch, und die Röhre braucht etwas mehr Zeit für die Erreichung des Gleichgewichts, als es bei Elektroden von anderen Metallen der Fall ist. Gekapselte Kalziumröhren arbeiten indessen befriedigend, und es wurden keine Schwierigkeiten bei der Herstellung solcher Röhren mit einer Lebensdauer von 50 Α-Stunden festgestellt.

In Fällen von hochreaktiven Metallen, wie z. B. Natrium, können die Hohlkathoden einfach hergestellt werden, indem ein Natriumsalz auf eine Kathode von irgendeinem Material, wie beispielsweise Aluminium oder Graphit, die ein einfaches Spektrum besitzen, aufgetragen wird.

Selbstverständlich kann die Umhüllung einer Röhre aus anderen Materialien, wie vorstehend erwähnt, hergestellt werden. Beispielsweise kann Pyrex- oder ein anderes Borsilikatglas zur Herstellung der Umhüllung

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Entladungsröhre mit einer Hohlkathode und einer gekapselten Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei zylindrische, an sich bekannte Hohlelektroden Seite an Seite an einem Ende der Hülle derart angeordnet sind, daß die Achsen der Elektroden parallel verlaufen, daß an dem anderen Ende der Hülle ein transparentes Fenster mit Durchblick in einer im wesentlichen axialen Ausrichtung zu den Achsen der Elektroden vorgesehen ist, daß jede der Elektroden ein verschiedenes Element, wie an sich bekannt, beinhaltet und zur Erzeugung einer atomaren spektralen Lichtquelle, die für dieses Element charakteristisch ist und vollständig auf den Hohlraum der betreffenden Elektrode beschränkt ist, dient und daß das Licht von irgendeiner der Elektroden durch das Fenster ohne Störung durch eine andere Elektrode beobachtet werden kann.

2. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf Leitungsdrähten abgestützt sind, die an den Elektroden befestigt sind, in der Umhüllung eingebettet sind und sich durch die Umhüllung nach außen erstrecken. -

3. Entladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung ein Edelgas mit einem Druck von der Größenordnung von 2 mm Hg enthält.

4. Entladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Neon ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 1 846 249, 2 056 953,

1971916;

französische Patentschrift Nr. 678 287; französische Zusatzpatentschrift Nr. 41503 zur

französischen Patentschrift 678 287.

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