DE1151325B

DE1151325B - Cold cathode for gas and metal vapor discharge tubes

Info

Publication number: DE1151325B
Application number: DEN20591A
Authority: DE
Inventors: Heinz Steinhardt
Original assignee: Neonanlagen Hugo Geissler & Co; NEONGEISSLER LICHTREKLAME
Current assignee: Neonanlagen Hugo Geissler & Co; NEONGEISSLER LICHTREKLAME
Priority date: 1960-10-28
Filing date: 1961-09-23
Publication date: 1963-07-11

Description

Kaltkathode für Gas- und Metalldampf-Entladungsröhren Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathode für Gas- und Metalldampf-Entladungsröhren, die aus einem mindestens in Richtung der Entladungsstrecken offenen Hohlzylinder aus Metall besteht, dessen Innenfläche mit einer elektronenemittierenden Schicht versehen ist. Kaltkathoden dieser Art sind bereits bekannt. Gewöhnlich werden Ausführungen verwendet, bei welchen die an der Innenfläche des Hohlzylinders aufgebrachte elektronenemittierende Schicht aus einer Erdalkalioxydmasse besteht. Diese Kathoden besitzen zwar eine hohe Lebensdauer, ihr Kathodenspannungsabfall liegt jedoch in der Größenordnung zwischen 90 und 110 Volt, wodurch sich insbesondere bei höheren Betriebsströmen ein relativ hoher Eigenverbrauch der Kathode ergibt. Außerdem ist bei derartigen Kathoden eine relativ große Oberfläche erforderlich, um die Eigenerwärmung in zulässigen Grenzen zu halten. Dies ist besonders dann kritisch, wenn diese Kathoden in Kaltkathodenthyratronen mit hohen Betriebsströmen verwendet werden sollen. Bei diesen Röhren werden im allgemeinen als Kaltkathoden mit Molybdän bedampfte oder ähnliche Kathoden mit hohem Kathodenspannungsabfall verwendet, wodurch sie nur bis zu Betriebsströmen von einigen Milliampere verwendet werden können, ohne daß die Kathode sich unzulässig hoch erwärmt und dadurch unstabil wird. Ein anderes Anwendungsgebiet von Kaltkathoden ist das der Kaltkathodenleuchtstofflampen, welche im allgemeinen mit Hohlkathoden und Erdalkalioxydaktivierung gebaut werden. Durch den relativ hohen Kathodenspannungsabfall dieser Kathoden ist die Wirtschaftlichkeit solcher Leuchtstofflampen gering, da die Kathodenverluste einen wesentlichen Teil des gesamten Stromverbrauches ausmachen.Cold cathode for gas and metal vapor discharge tubes The invention refers to a cold cathode for gas and metal vapor discharge tubes that from a hollow cylinder that is open at least in the direction of the discharge paths There is metal, the inner surface of which is provided with an electron-emitting layer is. Cold cathodes of this type are already known. Usually executions used, in which the applied to the inner surface of the hollow cylinder electron-emitting Layer consists of an alkaline earth oxide mass. These cathodes have a long service life, but their cathode voltage drop is of the order of magnitude between 90 and 110 volts, which is particularly useful at higher operating currents a relatively high internal consumption of the cathode results. In addition, with such Cathodes require a relatively large surface in order to allow self-heating To keep boundaries. This is especially critical when these cathodes are in cold cathode thyratrons are to be used with high operating currents. These tubes are generally as cold cathodes vaporized with molybdenum or similar cathodes with a high cathode voltage drop used, whereby it is only used up to operating currents of a few milliamperes can be without the cathode heating up to an unacceptably high level and thereby becoming unstable will. Another area of application for cold cathodes is that of cold cathode fluorescent lamps, which are generally built with hollow cathodes and alkaline earth oxide activation. The relatively high cathode voltage drop of these cathodes is economical such fluorescent lamps are low, since the cathode losses are a significant part of the total electricity consumption.

Es sind auch bereits Kaltkathoden mit einem wesentlich geringeren Kathodenspannungsabfall bekannt. Bei diesen sogenannten Erdalkalimetallfilmkathoden liegt der Kathodenspannungsabfall in der Größenordnung von etwa 20 Volt, wodurch sich bei gleichem Entladungsstrom ein wesentlich geringerer Leistungsverlust und dadurch auch eine kleinere Kathodenerwärmung ergibt, so daß auch deren Oberfläche kleiner gehalten werden kann. Diese Metallfilmkathoden haben jedoch den großen Nachteil, daß ihre Lebensdauer nur einen Bruchteil der Lebensdauer der mit einer Schicht aus Erdalkalioxyd versehenen Kathoden beträgt. Um die Lebensdauer zu erhöhen, hat man auch schon Kathoden verwendet, die aus einem porösen Sinterkörper aus Wolfram bestehen, der mit einer Kathodenmasse auf Erdalkalibasis getränkt ist. Beim Verbrauch des an der Ober- fläche befindlichen Kathodenmaterials liefern diese Kathoden durch Diffusion von innen heraus weiteres Material nach, so daß an der Oberfläche immer ein Metallfilm vorhanden ist. Es handelt sich hierbei um sogenannte Vorratskathoden. Diese Art der Kathoden hat sich jedoch nur bei Entladungsröhren mit hohem Betriebsdruck bewährt, z. B. bei Quecksilberhochdruckbrennern, da sie bei Verwendung in Niederdruckentladungsröhren, zu welchen auch die Kaltkathodenthyratrone und Kaltkathodenleuchtstofflampen gehören, eine sehr hohe Kathodenzerstäubung aufweisen.Cold cathodes with a significantly lower cathode voltage drop are also already known. In these so-called alkaline earth metal film cathodes, the cathode voltage drop is in the order of magnitude of about 20 volts, which results in a significantly lower power loss and thus also a smaller cathode heating with the same discharge current, so that their surface can also be kept smaller. However, these metal film cathodes have the major disadvantage that their service life is only a fraction of the service life of the cathodes provided with a layer of alkaline earth oxide. In order to increase the service life, cathodes have also been used which consist of a porous sintered body made of tungsten, which is impregnated with a cathode mass based on alkaline earth. Upon consumption of the cathode material disposed on the surface of this cathode supply by diffusion to from inside out further material, so that on the surface of a metal film is always present. These are so-called storage cathodes. However, this type of cathode has only proven itself in discharge tubes with high operating pressure, e.g. B. in high-pressure mercury burners, since they have a very high cathode atomization when used in low-pressure discharge tubes, which also include the cold cathode thyratrone and cold cathode fluorescent lamps.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine für Niederdruckentladungsröhren verwendbare Kaltkathode zu schaffen, die sowohl einen geringen Kathodenspannungsabfall als auch eine hohe Lebensdauer besitzt.The invention has now set itself the task of one for low-pressure discharge tubes Usable cold cathode to create both a low cathode voltage drop as well as has a long service life.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß im Inneren des Hohlzylinders ein= an die Kathodenzuleitung angeschlossener elektrischer Heizkörper mit einer von diesem beheizbaren, beim Erhitzen verdampfenden Aktivierungsmasse zur selbsttätigen Regenerierung und wiederholten Nachlieferung der elektronenemittierenden. Schicht am Hohlzylinder während des Betriebes angeordnet ist, an dem bei Verarmung der elektronenemittierenden Schicht die Entladung ansetzt und durch den den Heizkörper durchfließenden Entladungsstrom erneut eine elektropenemittierende Schicht an der Innenfläche des Hohlzylinders erzeugt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich automatisch, solange noch genügend Aktivierungsmasse im Inneren des Hohlzylinders vorrätig ist. Da die Regenerierung nur Bruchteile einer Sekunde dauert, wird dieser Vorgang beim Betrieb der Entladungsröhre überhaupt nicht bemerkt. Je nach der Menge der im Hohlzylinder angeordneten Kathodenmasse kann somit bei geringem Kathodenspannungsabfall eine Lebensdauer erzielt werden, die wesentlich größer ist als die Lebensdauer der bekannten Kaltkathoden mit -eurer aus Erdalkalioxydmasse bestehenden elektronenemittierenden Schicht. Zufolge des Metallfilms ergibt sich ein geringer Kathodenspannungsabfall, so daß die Verluste während des Betriebes der Kathode klein sind. Die erfindungsgemäße Kaltkathode kann daher auch erheblich geringere Abmessungen aufweisen als die bekannten Oxydkathoden.According to the invention this is achieved in that inside the hollow cylinder a = an electric heater connected to the cathode lead with a from this heatable activation mass, which evaporates when heated, to the automatic one Regeneration and repeated delivery of the electron-emitting. layer is arranged on the hollow cylinder during operation, on the depletion of the electron-emitting Layer the discharge starts and through the discharge current flowing through the radiator again an electro-emitting one Layer on the inner surface of the Hollow cylinder is generated. This process repeats itself automatically for as long there is still enough activation mass available inside the hollow cylinder. Since the If regeneration only takes a fraction of a second, this process becomes operational the discharge tube not noticed at all. Depending on the amount of in the hollow cylinder arranged cathode mass can thus with a low cathode voltage drop a Service life can be achieved, which is much greater than the life of the known Cold cathodes with electron-emitting ones consisting of alkaline earth oxide mass Layer. Due to the metal film there is a small cathode voltage drop, so that the losses during the operation of the cathode are small. The inventive The cold cathode can therefore also have considerably smaller dimensions than the known ones Oxide cathodes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mindestens ein Teil des Heizkörpers von der Aktivierungsmasse ummantelt sein. Dadurch ergibt sich ein guter Wärmeübergang vom Heizkörper zur Aktivierungsmasse, so daß in kürzester Zeit eine ausreichende Menge der Aktivierungsmasse verdampft, um den elektronenemittierenden Metallfiten an der Innenfläche des Hohlzylinders zu regenerieren.In a further embodiment of the invention, at least part of the The heating element must be encased by the activation compound. This results in a good one Heat transfer from the radiator to the activation mass, so that in a very short time sufficient amount of the activation mass evaporates to emit the electron To regenerate metal fittings on the inner surface of the hollow cylinder.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der vorzugsweise aus einer Wolframwendel bestehende Heizkörper an einem freien Ende eine blanke, in Richtung der Entladung weisende Elektrode, vorzugsweise in Form einer Spitze, aufweisen. Dadurch wird nach Verbrauch des Metallfilms an der Innenfläche des Hohlzylinders die Entladung auf die blanke Elektrode des Heizkörpers übergehen, so daß der gesamte Heizkörper vom Entladungsstrom durchflossen wird und die Aktivierungsmasse gleichmäßig beheizt und gleichmäßig abgedampft wird.According to a further embodiment of the invention, the can preferably radiator consisting of a tungsten coil at one free end a bare, electrode pointing in the direction of the discharge, preferably in the form of a tip, exhibit. As a result, after the metal film has been used up on the inner surface of the hollow cylinder the discharge pass to the bare electrode of the radiator, so that the entire The discharge current flows through the radiator and the activation mass is uniform is heated and evaporated evenly.

Vorzugsweise soll die Aktivierungsmasse aus Oxyden eines oder mehrerer Erdalkalimetalle, wie z. B. Strontium, Barium oder Kalzium, bestehen. Es hat sich gezeigt, daß diese Materialien für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeignet sind und bei sparsamem Materialverbrauch einen geringen Kathodenspannungsabfall und eine hohe Lebensdauer ergeben.The activation mass of oxides should preferably be one or more Alkaline earth metals, such as. B. strontium, barium or calcium exist. It has shown that these materials are particularly suitable for the purposes of the invention and a low cathode voltage drop with economical material consumption and result in a long service life.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltkathode teilweise im Schnitt dargestellt. Der aus Metall, vorzugsweise aus Eisen, Nickel; Molybdän, Tontal, Wolfram oder deren Legierungen bestehende Hohlzylinder 1 ist einseitig offen ausgebildet und steht an seinem geschlossenen Ende mit der Stromzuführung 2 in leitender Verbindung. Im Inneren des Hohlzylinders 1 ist ein aus einer Wolframwendel3 bestehender Heizkörper angeordnet, der von einer Aktivierungsmasse 4, z. B. von einem Erdalkalimetalloxyd, ummantelt ist. Die Wolframwendel3 ist an einem Ende mit der Stromzuführung 2 leitend verbunden und besitzt in Richtung der Entladung eine blanke Spitze 5.In the drawing, an exemplary embodiment of the cold cathode according to the invention is shown partially in section. The metal, preferably iron, nickel; Hollow cylinder 1 consisting of molybdenum, tonal, tungsten or their alloys is designed to be open on one side and is in conductive connection with the power supply 2 at its closed end. In the interior of the hollow cylinder 1 , a heating element consisting of a tungsten filament 3 is arranged, which is activated by an activation compound 4, e.g. B. is coated by an alkaline earth metal oxide. The tungsten filament 3 is conductively connected at one end to the power supply 2 and has a bare tip 5 in the direction of the discharge.

Sobald die Betriebsspannung nach Einbau der neuen Kathode in eine Entladungsröhre erstmals an die Stromzuführung 2 angelegt wird, beginnt die Entladung zunächst an der Spitze 5 der Wolframwendel 3. Der Entladungsstrom fließt dabei durch die Wolframwedel3 und bringt diese zum Glühen. Dadurch wird die Kathodenmasse 4 beheizt, so daß ein Teil derselben verdampft und sich an der Innenfläche 6 des Hohlzylinders 1 als dünner elektronenemittierender Metallfilm niederschlägt. Da der Metallfilm einen geringeren Spannungsabfall aufweist als die Spitze 5 der Wolframwendel 3, wechselt die Entladung von der Spitze 5 auf die Innenfläche 6 des Hohlzylinders 1 über. Sobald der Spannungsabfall der Innenfläche 6 nach Verbrauch des darauf befindlichen Metallfilms wieder größer wird als der Spannungsabfall der Spitze 5, springt die Entladung wieder auf die Spitze 5 über, wodurch die Wolframwendel 3 wieder beheizt wird, ein Teil der Aktivierungsmasse 4 verdampft und sich auf der Innenfläche 6 ein neuer Metallfilm ausbildet. Die Entladung geht sodann wieder von der Spitze 5 auf die Innenfläche 6 zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange der im Inneren des Hohlzylinders 1 angeordnete Vorrat an Aktivierungsmasse 4 zur Regenerierung des Metallfilms auf der Innenfläche 6 ausreicht. As soon as the operating voltage is applied to the power supply 2 for the first time after the new cathode has been installed in a discharge tube, the discharge begins at the tip 5 of the tungsten filament 3. The discharge current flows through the tungsten filament 3 and makes it glow. As a result, the cathode mass 4 is heated, so that part of it evaporates and is deposited on the inner surface 6 of the hollow cylinder 1 as a thin electron-emitting metal film. Since the metal film has a lower voltage drop than the tip 5 of the tungsten filament 3, the discharge changes from the tip 5 to the inner surface 6 of the hollow cylinder 1. As soon as the voltage drop of the inner surface 6 becomes greater than the voltage drop of the tip 5 again after the metal film on it has been used up, the discharge jumps back to the tip 5, whereby the tungsten filament 3 is heated again, part of the activation mass 4 evaporates and settles on the Inner surface 6 forms a new metal film. The discharge then goes back from the tip 5 to the inner surface 6. This process is repeated as long as the supply of activating compound 4 arranged in the interior of the hollow cylinder 1 is sufficient to regenerate the metal film on the inner surface 6.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Cold cathode for gas and metal vapor discharge tubes, consisting of a hollow cylinder made of metal, which is open at least in the direction of the discharge paths, the inner surface of which is provided with an electron-emitting layer, characterized in that inside. of the hollow cylinder (1) an electrical heating element (3) connected to the cathode supply line with an activation mass (4) which can be heated by this and which evaporates when heated for automatic regeneration and repeated replenishment of the electron-emitting layer is arranged on the hollow cylinder during operation, on which the electron-emitting layer, the discharge begins and the discharge current flowing through the heating element creates an electron-emitting layer on the inner surface of the hollow cylinder again.

2. Cold cathode according to claim 1, characterized in that the heating element (3) is at least partially coated with activating compound (4).

3. Cold cathode according to claim 1 or 2; characterized in that the preferably consists of a tungsten filament (3) existing radiator at one free end a bare, in the direction of the discharge pointing electrode, preferably in the form of a tip (5).

4. Cold cathode according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the activating mass (4) made of oxides of one or more alkaline earth metals, such as, for. B. strontium, barium or calcium. Considered publications: German Patent Specifications No. 966 001, 845 677; Austrian Patent No. 139 320; French patent specification No. 1152 572.