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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung ist die Vorratskathode gemäß der Erfindung in drei
beispielhaften Ausführungsformen dargestellt. Diese sollen im nachstehenden näher
beschrieben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.