DE1143931B - Vorratskathode fuer Entladungslampen mit poroesem Kathodenkoerper - Google Patents

Vorratskathode fuer Entladungslampen mit poroesem Kathodenkoerper

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DE1143931B
DE1143931B DET17338A DET0017338A DE1143931B DE 1143931 B DE1143931 B DE 1143931B DE T17338 A DET17338 A DE T17338A DE T0017338 A DET0017338 A DE T0017338A DE 1143931 B DE1143931 B DE 1143931B
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cathode
supply
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discharge
cathode body
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DET17338A
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Stanislav Miskarik
Emil Zelenay
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Tesla AS
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode

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  • Discharge Lamp (AREA)

Description

  • Vorratskathode für Entladungslampen mit porösem Kathodenkörper Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode für Entladungslampen, welche einen gewissen Emissionsstoffvorrat besitzt. Es sind verschiedene Arten der Unterbringung des Emissionsstoffvorrates bekannt. So wird im einen Fall der Emissionsstoffvorrat in einer an der Spitze der stabförmigen Kathode vorgesehenen Kammer untergebracht und diese durch einen porösen auf hoher Temperatur gesinterten Körper aus Wolfram, Molybdän od. dgl. abgedeckt. Im Betrieb gelangen aus dem Vorrat Emissionssubstanzen durch die feinen Öffnungen des porösen Deckels zur Kathodenoberfläche hin. Auf der Oberseite des Deckels wandern die Emissionssubstanzen. Zur Erhöhung der Emissionseigenschaften wird mitunter auf die Oberfläche des Deckels der Vorratskammer eine zusätzliche Emissionsunterlage der gleichen Art in dünner Schicht aufgebracht, wodurch die Ausbreitung der den porösen Deckel durchdringenden Emissionssubstanzen auf der Außenseite des Deckels begünstigt wird. Die zusätzliche Emissionsunterlage wird durch Verstäuben oder Aufdampfen in sehr dünner Schicht gebildet. Es wurde aber auch schon vorgeschlagen, die aktivierte Emissionsschicht auf dem die Vorratskammer abdeckenden Deckel erst nach endgültigem Einbau der Kathode in das Entladungsgefäß allein aus der vom Vorrat gelieferten aktiven Substanz herzustellen.
  • Es ist auch bekannt, den ganzen Kathodenkörper aus Molybdän, Wolfram, Tantal oder einer Kombination davon porös zu gestalten und mit dem Emissionsstoff zu durchtränken. Bei beiden Ausführungsformen muß die Kathode angeheizt werden, bevor die Emission beginnt.
  • Es sind auch Vorratskathoden bekannt, welche durch die Entladung selbst aufgeheizt werden und dadurch selbst zünden. Die Kathoden werden statt durch Heizstrom durch die kinetische Energie aufprallender Elektronen und Ionen der Gasfüllung oder der Quecksilberdämpfe auf Betriebstemperatur erwärmt. Die eigentliche Ionisation entsteht durch Zusammenstoßen von Elektronen mit neutralen Atomen und Molekülen der Gasfüllung. Das Austreten von Elektronen aus der Kathode wird durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden hervorgerufen. Solche Vorratskathoden bestehen aus zwei oder mehreren mit gewissem Zwischenraum ineinander geschachtelten Näpfen, in deren Zwischenraum das elektronenemittierende Material untergebracht ist. Eine andere Ausführung besteht aus einem mit aktivem Material überzogenen Draht- oder Bandgeflecht, das einzelne Vorsprünge und Zacken aufweist, an denen die Entladung ansetzen kann und in deren Hohlräumen das emittierende Material als Vorrat vorhanden ist.
  • Beim Betrieb der Lampe setzt die Entladung vorwiegend in einem eng begrenzten Bereich der Vorratselektrode an, nämlich in demjenigen, der die günstigsten Entladungsbedingungen aufweist. Das ist insbesondere bei scharfen Rändern oder den Vorsprüngen und Zacken der Fall. An der Stelle, an welcher die Glimmentladung beginnt, entsteht eine so starke Erhitzung, daß in kurzer Zeit ein Übergang in eine Bogenentladung stattfindet.
  • Bei den bekannten selbstzündenden Kathoden besteht aber der Nachteil, daß der mehr oder weniger offen liegende Vorrat an Emissionsstoff durch die Einwirkung aufprallender Elektronen oder Ionen verhältnismäßig rasch zerstäubt und deshalb die Kathode verhältnismäßig geringe Lebensdauer besitzt.
  • Die Erfindung bezweckt, eine selbstzündende Vorratskathode zu schaffen, bei welcher diese Nachteile nicht vorhanden sind. Sie geht aus von den bekannten, an sich nicht selbstzündenden Vorratskathoden mit porösem Kathodenkörper, welcher mit Emissionssubstanz durchtränkt ist, welche im Betrieb der Entladungslampe zur Oberfläche des porösen Kathodenkörpers diffundiert. Eine solche Vorratskathode mit porösem Kathodenkörper wird gemäß der Erfindung dadurch selbstzündend gemacht, daß außer einem ersten Vorrat an Emissionsstoff im Innern des Kathodenkörpers vor dem Einbau der Kathode in die Entladungslampe eine zweite Vorratsmenge von Emissionsmaterial geringerer Austrittsarbeit unabhängig von der ersten Vorratsmenge vorgesehen und auf der Oberfläche oder in Oberflächenvertiefungen des Kathodenkörpers gelagert ist, welche die Entladung einleitet und zunächst die Aufhetzung der Kathode übernimmt. Zweckmäßig ist der Oberteil des Kathodenkörpers als Hohlzylinder ausgebildet, in dessen Innerem die zweite Vorratsmenge geringerer Austrittsarbeit untergebracht ist und dessen Oberrand als Entladungsträger dient. Nach einer anderen Ausführungsform ist der Kathodenkörper im unteren Viertel mit einer Nut oder Vertiefung zur Aufnahme der zweiten Vorratsmenge versehen. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, den Oberteil des Kathodenkörpers als Konus auszubilden. Schließlich kann die zweite Vorratsmenge geringerer Austrittsarbeit auch auf der ganzen Oberfläche der Kathode aufgetragen sein, auf ihr also einen Mantel bilden. In diesem Fall ist die Konusform der Kathode besonders zweckmäßig: Die Selbstzündung der Kathode setzt am Hilfsvorrat der Emissionsmasse ein. Durch das Zünden der Vorratsmasse und die dabei auftretende Erwärmung wird der Emissionsstoffvorrat, mit welchem der poröse Körper der Kathode imprägniert ist, aktiviert. Er diffundiert dadurch nach der Außenseite des porösen Körpers und wird damit für die Emission wirksam. Auf der Außenseite des Kathodenkörpers ist ein Hilfsvorrat an Emissionsstoff geringerer Austrittsarbeit in solcher Menge anzubringen, daß er zur Deckung des Diffusionsbedarfes während. derjenigen Zeit ausreicht, in der der im Innern des porösen Kathodenkörpers enthaltene Hauptvorrat an Emissionsstoff noch nicht völlig aktiviert ist. Gegenüber der eingangs geschilderten bekannten Ausführung einer nicht selbstzündenden Vorratskathode, bei welcher auf einem eine Kammer mit dem Vorrat an Emissionsstoff abdeckenden porösen Deckel zur Erleichterung des Wanderns der durch den Deckel hin durchgedrungenen Emissionssubstanz eine Emissionsunterlage in ganz dünner Schicht aufgetragen ist, besteht der grundsätzliche Unterschied in, der Hauptsache darin, daß während bei der bekannten Einrichtung die auf dem Deckel in. dünner Schicht aufgetragene Emissionsunterlage von der gleichen Art ist wie der Vorrat in der Kammer, bei der erfindungsgemäßen Kathode außen eine Schicht Emissionssubstanz von geringerer Austrittsarbeit als derjenigen der im porösen Kathodenkörper imprägnierten Emissionssubstanz aufgetragen ist. Weiter besteht der Unterschied, daß bei der erfindungsgemäßen Kathode die außen aufgebrachte zusätzliche Emissionsschicht zur Aktivierung der Hauptemissionsmasse dient und in ziemlich kurzer Zeit aufgebraucht ist, während bei der bekannten Kathode die äußere Emissionsschicht von der in der Kammer eingeschlossenen den Deckel durchdringenden Emissionsmasse immer wieder neu gebildet wird.
  • In der Zeichnung ist die Vorratskathode gemäß der Erfindung in drei beispielhaften Ausführungsformen dargestellt. Diese sollen im nachstehenden näher beschrieben werden.
  • Fig.1 stellt im Schnitt eine Kathode dar, bei der auf einer Trägerzuführung 1 ein poröser Kathodenkörper 2 z. B. aus Wolfram aufgepreßt oder aufgeschraubt ist. Der Kathodenkörper ist auf an sich bekannte Art hergestellt und mit einer Emissionsmasse, z. B. mit Aluminum-Baryum-Oxyd mit Zusatz von Kalziumoxyd, durchtränkt. Auf der Stirnfläche des Kathodenkörpers ist eine Vertiefung 3 vorgesehen, in der ein Hilfsvorrat 5 einer Emissionspaste geringerer Austrittsarbeit aufgetragen ist.
  • Der Hilfsvorrat kann aus reinem Metall, aus Metalloxyd, aus einer Legierung, einer Mischung oder aus Mischkristallen solcher Stoffe bestehen, deren Austrittsarbeit kleiner ist als die Austrittsarbeit des Hauptvorrats und auch des Kathodenkörpers. Die Msvorratsschicht kann z. B. aus Mischkristallen von Baryum-Karbonat, Strontium und Kalzium bestehen. Je niedriger die Austrittsarbeit der Emissionspaste, desto besser sind die Voraussetzungen für eine einwandfreie Aktivierung.
  • Der Nebenvorrat des aktiven Materials wird je nach den Bedingungen der spezifischen Belastung der Kathode derart bemessen, daß er für die Zeitspanne der Aktivierung des Hauptvorrats des aktiven Materials gerade genügt oder diesen Bedarf noch ein wenig überschreitet, denn nach dieser Zeitspanne geht die Aufgabe der Deckung des Emissionsbedarfs schon auf den aktivierten Hauptvorrat über, der ununterbrochen zur Oberfläche diffundiert. Dadurch wird eine volle Ausnutzung der hervorragenden Eigenschaften von selbstgeheizten Kathoden gesichert.
  • Das aktive Material kann durch Aufspritzen, Anstrich, Kataphorese oder auf andere Weise aufgetragen werden. Eine mechanische Verfestigung kann durch Trocknen oder durch Sinterung in einer aus Wasserstoff, Stickstoff oder aus einem anderen inerten oder reduzierenden Gas bestehenden Schutzatmosphäre erzielt werden.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Kathode setzt die Zündung am Hilfsvorrat 5 ein, da dieser die kleinste Austrittsarbeit hat. Im Verlauf der Erwärmung der Kathode verschiebt sich jedoch der Entladungsbogen zum Ort der größten Feldstärken hin, der am oberen äußeren Rand der Kathode liegt. Die Entladung wird also, eine zylindrische Form der Kathode vorausgesetzt, eine von den äußeren Kanten ausgehende Rohrform annehmen., wodurch der Hilfsvorrat geschont wird, so daß ex für weitere Zündvorgänge zur Verfügung steht.
  • Die Ausführungsform nach Fig.1 eignet sich besonders für Entladungslampen mit niedriger Zündspannung und stabilisierter Entladung, was eben durch den Wert der Austrittsarbeit an dem Ort oder in der Nähe der größten Feldstärke beeinflußt wird, weil es die bekannte Wanderung des Brenneckes verhindert.
  • Bei dem in Fig. 2 teilweise im Schnitt gezeigten anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathode ist deren poröser Kathodenkörper am Umfang, möglichst an der oberen Stirnseite mit einer Ringnut 4 versehen, und in diese der Hilfsvorrat 5 der Emissionspaste von geringerer Austrittsarbeit eingefüllt.
  • Es ist vorteilhaft, bei dieser Ausführung nach Fig. 2 den Oberteil des Kathodenkörpers 1 als Konus auszubilden. Da an der Spitze bekanntlich eine hohe Feldstärke entsteht, verschiebt sich die Glimmentladung von der in der Nut eingelagerten Hilfsemissionsmasse ziemlich rasch zur Spitze des Konus hin, und bildet von der inzwischen aktivierten im porösen Kathodenkörper enthaltenen Hauptemissionsmasse ausgehend, einen Entladungsbogen. Die in der Ringnut am Umfang lagernde Hilfsemissionsmasse wird dabei kaum mehr in Anspruch genommen, so daß sie in größerem Umfange für spätere Zündungen zur Verfügung steht. Die Hilfsemissionsmasse 5 (vgl. Fig. 3) kann sogar fast über die gesamte Außenfläche des Kathodenkörpers 2 in gleichmäßiger Dicke wie eine Art Mantel ausgebreitet werden. Beim. ersten Zünden wird die Glimmentladung der Hilfsmasse von geringerer Austrittsarbeit an der Spitze der Kathode einsetzen, da hier bekanntlich höhere Feldstärken als an anderen Stellen des Umfanges auftreten. Dabei wird an der Spitze der Hilfsvorrat in einem gewissen Umfang verbraucht. Die Kathode wird so weit erwärmt, daß der Hauptvorrat in Aktion treten kann. Auch diese Hauptentladung findet immer an der Spitze statt. Es wird also im wesentlichen die Hauptemissionsmenge verbraucht, die während des Betriebes zur Kathodenspitze hin diffundiert. Bei späteren Zündungen wird der Zündvorgang an dem nach der Kathodenspitze hin gelegenen Rande des bei früheren Zündungen angegriffenen Mantels aus Hilfsemissionsmasse einsetzen. Entsprechend dem bereits früher erläuterten Vorgange verschiebt sich aber im Verlaufe der Erwärmung der Kathode der Entladungsbogen zum Orte der größeren Feldstärke hin, d. h. also zur Kathodenspitze. Der Hilfsvorrat wird also geschont und steht für die späteren Zündungen zur Verfügung. Nach den bei Versuchen im Betrieb gemachten Beobachtungen scheint sich nach dem Abschalten der Lampe ein Teil der Hilfsmasse durch Oberflächenwanderung wieder nach der Kathodenspitze hin zu bewegen. Eine theoretische Erklärung dafür kann noch nicht gegeben werden.
  • Die Ausbildung der Kathode kann im Rahmen der Erfindung mannigfaltig abgeändert werden. Es ist durchaus möglich, auf der Oberfläche des Kathodenkörpers 3 an der Stirnseite mehrere Vertiefungen oder mehrere Ringnuten vorzusehen, oder sogar beide Arten zu kombinieren.
  • Im Vergleich mit bekannten selbst geheizten Kathoden besitzt die Kathode gemäß der Erfindung ein höheres Emissionsvermögen. Dadurch wird die neue Kathode auch unempfindlicher gegen Temperaturschwankungen, welche bei den bekannten Kathoden die Regelbarkeit sehr erschwerten. Durch die niedrige Austrittsarbeit und auch geringere Höhe der Temperaturen wird die Neigung zur Kathodenzerstäubung und die sich daraus ergebende Schwärzung der Innenwand der Lampe wesentlich herabgesetzt. Durch diese Umstände wird die Zuverlässigkeit und Lebens-Bauer der Entladungslampe, in welcher eine Kathode gemäß der Erfindung verwendet wird, wesentlich erhöht.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorratskathode für Entladungslampen mit porösem Kathodenkörper, z. B. aus Wolfram, der mit einer Emissionssubstanz durchtränkt ist, die im Betrieb der Entladungslampe zur Oberfläche des porösen Kathodenkörpers diffundiert, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem ersten Vorrat an Emissionsstoff im Innern des Kathodenkörpers vor Einbau der Kathode in die Entladungslampe eine zweite Vorratsmenge (5) von Emissionsmaterial geringerer Austrittsarbeit unabhängig von der ersten Vorratsmenge vorgesehen und auf der Oberfläche oder in Oberflächenvertiefungen des Kathodenkörpers (2) gelagert ist, welche die Entladung einleitet und zunächst die Aufheizung der Kathode übernimmt.
  2. 2. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberteil des Kathodenkörpers (2) als Hohlzylinder ausgebildet ist, in dessen Innerem die zweite Vorratsmenge (5) untergebracht ist, und der Oberrand des Hohlzylinders als Entladungsträger dient.
  3. 3. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper am Zylindermantel mit einer Nut (4) oder Vertiefung zur Aufnahme der zweiten Vorratsmenge (5) versehen ist.
  4. 4. Vorratskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberteil des Kathodenkörpers als Konus ausgebildet ist.
  5. 5. Vorratskathode nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorratsmenge (5) an Emissionsstoff geringerer Austrittsarbeit in Form eines dünnen Mantels nahezu über die ganze Umfangsfläche der Kathode (2) verteilt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 971276; österreichische Patentschriften Nr. 139 624, 176 613, 183 479.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3505557A (en) * 1966-12-14 1970-04-07 Philips Corp Indirectly heated cathode having portions with different thermal relations with a heater
AP1284A (en) * 1999-02-26 2004-06-19 Mintek Treatment of metal sulphide concentrates by roasting and arc furnace smelt reduction.

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AT139624B (de) * 1933-02-17 1934-11-26 Quarzlampen Gmbh Gas- und/oder Dampfentladungsröhre mit einer oder mehreren Elektroden, die sich im Betriebe auf hoher Temperatur befinden.
AT176613B (de) * 1951-07-17 1953-11-10 Philips Nv Vorratskathode
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DE971276C (de) * 1952-02-12 1958-12-31 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung einer Kathode fuer elektrische Entladungsgefaesse

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