DE1271267B - Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsroehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-12/01

Nummer: Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1271267
P 12 71 267.3-33
14. April 1962
27.Juni 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsröhre.

Es sind derartige Niederdruckgasentladungsröhren, insbesondere für Forschungs- und Experimentierzwecke, bekannt, mit einem an eine Pumpe anschließenden Sockel und einem Kolben, beispielsweise in Form einer auf dem Sockel lösbar aufgesetzten Glocke, welche bei Evakuierung des durch den Sockel und den Kolben abgeschlossenen Raumes eine gasdichte Anlage bildet. In der Regel sollen Röhren der erwähnten Art so ausgelegt sein, daß an dem glockenartigen Kolben keinerlei Anschlüsse, z. B. Pumpstutzen, Stromdurchführungen, Werkstückhalterungen u. dgl., angebracht sind, um ein Aufsetzen und ein Abnehmen des Kolbens zu erleichtern und reproduzierbare Meßergebnisse zu erhalten.

Es ist auch ein medizinisches Behandlungsgerät bekannt, bei dem ein an seinem offenen Ende mit einem Flansch versehenes Entladungsgefäß, das eine Glühkathode, eine Anode, ein Bremsgitter und einen Pumpenstutzen enthält, auf die Haut eines Patienten gasdicht aufsetzbar ist. Als »Sockel« des Entladungsgefäßes dient die Haut des Patienten.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Niederdruck -Quecksilberdampf entladungsröhre zu schaffen, bei der die den Anodenteil umschließende Kammer oder der Kolben ohne Zerstörung der in dem Anodenteil angeordneten elektrischen Anschlüsse an die Elektroden entfernt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsröhre zu schaffen, bei der der Durchtritt zwischen dem Kathodenteil und einer Quecksilberdiffusionspumpe eine große Öffnung kurzer Länge hat, damit hohe Pumpengeschwindigkeiten und saubere Entladungsbedingungen innerhalb des Kathodenteiles verwirklicht werden.

Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Niederdruck - Quecksilberdampf entladungsröhre zur Aufnahme von anderen Plasmen als Quecksilberplasmen, z. B. Plasmen aus Edelgasen, zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei mittels einer Gitterelektrode voneinander getrennte Entladungsräume gelöst, von denen der eine den Kathodenraum darstellt und ein vollständiges Quecksilberdampfentladungssystem bildet, während der andere Raum die Hauptanode und eine Aufprallelektrode enthält. In vorteilhafter Weise werden alle Elektroden von dem Sockel getragen und durch den Sockel an entsprechende Spannungen angeschlossen, Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsröhre

Anmelder:

Litton Systems, Inc., Beverly Hills, Calif.
(V. St. A.)
Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
6000 Frankfurt, Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:
Gottfried Karl Wehner,
Minneapolis, Minn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 14, April 1961 (103 056)

so daß bei Abwesenheit eines Unterdruckes innerhalb des durch den Sockel und den Kolben gebildeten Raumes der Kolben von dem Sockel abnehmbar ist, ohne daß Halterungselemente oder elektrische Verbindungen zu den Elektroden beschädigt oder zerstört werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ein Sockel an eine Vakuumpumpe anschließbar, der als Gehäuse für den Kathodenraum dient, sämtliche Elektroden der Röhre trägt und mit den Stromdurchführungen für den elektrischen Anschluß dieser Elektroden versehen ist, und ein Kolben, der auf dem Sockel vakuumdicht aufsitzt und abnehmbar ist, umschließt die Hauptanode und die Aufprallelektrode. Die neue Vorrichtung eröffnet eine Reihe bedeutsamer Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere ermöglicht sie hohe Plasmadichten bei verhältnismäßig geringen Entladungsströmen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorteilhaft, wenn der Sockel einen Quecksilberspeicher enthält, der einen Punipenanschlußstutzen geringer Länge und großer Öffnungsbreite konzentrisch umgibt. Vorzugsweise ist das dem Sockel abgekehrte obere Ende des Kolbens mit einer nach innen gewölbten Mulde zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Niederdruck-Hg-Dampfentladungsröhre gemäß der neuen Erfindung und

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Fig. 2 einen Querschnitt der in Fig. 1 veran- Stutzen 18 gebildeten Durchtritt 19 zu schaffen. Der

schaulichten Röhre, während Durchtritt 19 hat eine weite Öffnung kurzer Länge,

F i g. 3 ein Schaltbild darstellt, das für den Be- die den Speicherraum 24 mit einer (nicht veran-

trieb der Röhre nach der Fig. 1 benutzt werden schaulichten) Quecksilberdiffusionspumpe verbindet,

kann. 5 Der Durchtritt 19 ist konzentrisch von dem Queck-

Fig. 1 zeigt eine Niederdruck-Quecksilberentla- silberbadspeicherraum 24 umfangen,

dungsröhre 10 mit einer oberen Kammer oder KoI- Eine Vielzahl Elektroden ist unter Abstützung mit

ben 12 und einem unteren Teil oder Sockel 14. An dem Sockel 14 verbunden. Diese Elektrodenvielzahl

diesen Sockel 14 ist eine Leitung 15 angeschlossen. weist eine feinmaschige Gitterelektrode 50 in dem

F i g. 2 zeigt, daß die Leitung 15 das Innere des io oberen Plattenloch 42, einen Zündstift 52, der mit Sockels 14 mit einer (nicht veranschaulichten) dem Quecksilberspeicher 26 in Berührung gebracht Quecksilberdiffusionspumpe verbindet. Der Sockel werden kann, eine Hilfsanode 54 konzentrisch zum 14 weist eine erste zylindrische Wandung 16, einen Durchtritt 19 zwischen dem Quecksilberspeicher 26 Pumpenanschlußstutzen 18 sowie eine dritte zylin- und der Gitterelektrode 50, eine Hauptanode 56 in drische Wandung 20 auf, die zwischen der ersten 15 dem Kolben 12 sowie eine Aufprallelektrode 58 zum Wandung und dem Pumpenanschlußstutzen im Ab- Halten einer Gegenelektrode im Kolben 12 auf. Die stand zu diesen angeordnet ist, um Speicherräume 22 Gitterelektrode 50 trennt den Anodenraum der und 24 zwischen den Wandungen zu bilden. Der Röhre 10 von ihrem Kathodenraum. Die Gitter-Stutzen 18 bildet seinerseits einen kurzen weiten Ka- elektrode 50 kann etwa 0,4 mm dick sein und sechs nal 19, der mit einem Ende der Leitung 15 verbun- so Löcher pro Zentimeter Länge haben, die 1,3 mm den ist. Der zwischen den Wandungen 16 und 20 weit sein können, wie es auf den Seiten 609 bis 704 gebildete Speicherraum 22 ist zur Aufnahme von des Bandes 102, Nr. 3, der Zeitschrift »THE PHI-Wasser bestimmt, während der zwischen Wandung SICAL REVIEW« beschrieben wird. Die Gitter-20 und Stutzen 18 gebildete Speicherraum 24 zur elektrode 50 hilft die Hauptentladung in der Röhre Aufnahme eines Quecksilberspeichers 26 bestimmt 25 10 zu stabilisieren und gestattet eine beträchtliche ist. Ein Kathodenfleckanker 27 ist im Quecksilber- Steigerung der Plasmadichte innerhalb des Anodenspeicherraum angeordnet. Der Anker 27 ist ein Mo- raumes im oberen Kolben 12 ohne Ausnutzung unlybdänstreifen in Kreisform, der einen Durchmesser erwünscht hoher Entladeströme und gestattet außergleich dem Abstand von der äußeren Oberfläche der dem eine merkliche, dabei einfache Überwachung Wandung 16 zur inneren Oberfläche der Wandung 30 und Regelung der Geschwindigkeit der beschleunig-20 hat. Der Molybdänstreifen kann jede beliebige ten Bündelelektronen durch Änderungen des Gitter-Form aufweisen, solange er die Stelle umgibt, wo ein potentials.

Zündstift 52 mit der Oberfläche des Quecksilber- Einzelne isolierte, beschichtete, elektrische Leiter

Speichers 26 in Verbindung kommt. 60, 62, 64, 66 und 68 laufen von der Gitterelektrode

Die Wandung 20 weist an ihrem oberen Ende eine 35 50, dem Zündstift 52, der Hilfsanode 54, der Haupt-Schulter auf, die einen Schulterteil 28, einen radial anode 56 bzw. der Aufprallelektrode 58 durch den sich erstreckenden Flansch 30, eine aufrechte Wan- Sockel 14 zur Außenseite der Röhre 10. Der elekdung 32 sowie einen aufrechten Kragen 34 aufweist. irische Leiter 69 ist an den Sockel 14 angeschlossen. Die Schulter 28 ist mit einer Durchtrittsöffnung 35 Wie veranschaulicht, sind die elektrischen Leiter 60, versehen. Diese Öffnung macht es möglich, daß Gas 40 62, 64, 66 und 68 durch passende Mittel, wie z. B. in das Innere des Kolbens 12 eintreten kann. Die Glasisolatoren 70, 72, 74, 76 und 78, gegen den aufrechte Wandung 32 hat innen eine ringförmige Sockel isoliert. Diese Isolatoren werden mit Hilfe Aussparung 36. Diese Aussparung enthält einen von in der Technik allgemein bekannten Mitteln, wie Dichtring 38 aus Gummi. Der Kolben 12 ist in der z. B. Schrauben und O-Ringen, derart an ihrem Aussparung 36 am Dichtring 38 lösbar fest angeord- 45 Platz gehalten, daß Gasdichtheit besteht,
net. Diese Verbindung zwischen dem Sockel 14 und Die elektrischen Leiter 60, 62, 64, 66, 68 und 69 dem Kolben 12 gewährleistet eine gassichereAbdich- liegen an Erde 80 (Fig. 3). Der elektrische Leiter 60 tung dazwischen. Der Kolben 12 kann eine aus söge- liegt über einer Gleichstromquelle 82 und einem nanntem Pyrexglas bestehende Glocke sein. Es ist dazu in Reihe geschalteten Widerstand 84 an Erde auch möglich, daß der Kolben 12 aus anderen Werk- 50 80. Der elektrische Leiter 69, der über den aus roststoffen, wie z. B. Metall, besteht. Der Kolben 12 hat sicherem Stahl bestehenden Sockel 14 mit dem Moeine nach innen gewölbte Mulde 39. Die Mulde 39 lybdänstreifen 27 elektrisch verbunden ist, liegt unist so ausgebildet, daß sie kühle Stoffe, wie z. B. mittelbar an Erde 80. Der elektrische Leiter 62 ist flüssigen Stickstoff, aufnehmen kann. Ist sie mit mit einer Klemme eines doppelpoligen Schalters 86 einem solchen Kühlmittel gefüllt, haften Quecksilber- 55 verbunden. Eine zweite Klemme dieses Schalters ionen im Kolben 12 an der Oberfläche der Mulde 39 liegt über einer Gleichstromquelle 88 an Erde, wähan, wenn sie die Mulde berühren. Diese Oberfläche rend eine dritte Klemme des Schalters über einen befindet sich im Inneren des Kolbens 12. Kondensator 90 ebenfalls an Erde liegt. Der Schalter

Das Innere des Kolbens 12 ist ferner gegen das 86 befindet sich für gewöhnlich in der mit ausgezo-Innere des Sockels 14 mittels einer kreisförmigen 60 genen Linien veranschaulichten Stellung. Wird geoberen Platte 40 abgetrennt, die ein Mittelloch 42 wünscht, den Zündstift 52 wirksam zu machen, wird aufweist. Die Platte 40 ist in einem Sitz. 44 in der der Schalter 86 kurzzeitig in seine gestrichelt gezeich-Schulter 28 angeordnet. Wie veranschaulicht, ist die nete Stellung bewegt. Der Leiter 64 liegt über einen Platte 40 gegen die Schulter 28 isoliert. Widerstand 92 an der Gleichstromquelle 88. Die ge-

Der Pumpenanschlußstutzen 18 erstreckt sich bis 65 meinsame Verbindungsstelle 94 zwischen demWider-

zu einem gewissen Abstand bis unter die Platte 40, stand 92 und der Gleichstromquelle 88 ist mit einem

um hierdurch einen Durchtritt 46 zwischen dem Ende eines Regelwiderstandes 96 verbunden. Das

Quecksilberbadspeicherraum 24 und dem durch den andere Ende des Regelwiderstandes 96 ist mit dem

Leiter 66 verbunden. Der Leiter 68 ist über eine Gleichstromquelle 98 und einen hierzu in Reihe geschalteten Widerstand 100 mit einer Verbindungsstelle 102 zwischen dem Widerstand 96 und dem Leiter 66 verbunden.

Bei einer typischen Arbeitsweise wirkt die hier geschilderte Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsröhre im wesentlichen, wie im folgenden aufgeführt, mit dem Quecksilberspeicher 26, dem Kathodenfleckanker 27, dem Zündstift 52 und der Hilfsanode 54 zusammen, die als Kathodenteil für die Entladung zur Hauptanode 56 im Kolben 12 liegt. Ein Auftreffziel, d. h. ein Material, das man einem Quecksilberionenbombardement zu unterwerfen wünscht, ist mit der Aufprallelektrode 58 verbunden. Der Kolben 12 wird dann gemäß der F i g. 2 in Stellung gebracht. Die Quecksilberdiffusionspumpe erniedrigt nunmehr den Druck innerhalb des Sockels 14 und des Kolbens 12 auf etwa 10~^eTorr. Durch die Ausbildung der Durchtrittsöffnung 19 zwischen dem Sockel 14 und der Pumpe, derart, daß eine kurze weite Öffnung dazwischen geschaffen wird, lassen sich höhere Pumpgeschwindigkeiten und sauberere Entladungsbedingungen innerhalb der Röhre erzielen. Hierauf wird eine Gleichstromentladung von etwa 3 Ampere bei 15 Volt Spannungsabfall zwischen dem Quecksilberspeicher 26 und der Hilfsanode 54 mit Hilfe eines Stromstoßes zum Zündstift 52 gezündet. Der Stromstoß wird erzielt, indem der Schalter 86 kurzzeitig aus seiner ausgezogen gezeichneten Stellung in seine gestrichelt gezeichnete Stellung gelegt wird. Da die Hauptanode 56 über den Widerstand 96 an der Gleichstromquelle 88 liegt, läßt sich die Hauptentladung von annähernd 5 Ampere bei 30 Volt Spannungsabfall zwischen dem Speicher 26 und der Hauptanode 56 verwirklichen. Dies bewirkt, daß der Anodenteil der Röhre, d. h. der Raum innerhalb des Kolbens 12, oberhalb der Gitterelektrode 50 mit einem Niederdruck-Quecksilberdampf bzw. -plasma einer Dichte der Größenordnung 10¹¹ bis 10¹² Ionen/ cm³ gefüllt wird. Das an der Aufprallelektrode 58 angebrachte Auftreffziel wird von diesem Plasma umfangen. Ist das Auftreffziel mit Bezug auf die Anode oder das Plasma negativ, wird es einem Ionenbombardement unterworfen.

Wünscht man das Auftreffziel zu ändern, werden Röhre und Pumpe abgeschaltet und der Kolben entfernt. Bemerkt sei, daß bei der Röhre der Kolben leicht und rasch entfernt werden kann, ohne daß hierbei irgendeiner der elektrischen Leiter 60, 62, 64, 66, 68 und/oder 69 in Mitleidenschaft gezogen wird. Sonach ist ein weiteres Ziel der Erfindung auch die Ausbildung einer Niederdruck-Quecksilberdampfentladungsröhre, die rasch und bequem zum Entfernen und Einsetzen von Auftreffzielen, z. B. einer Antikathode oder Gegenanode, geöffnet werden kann.

Wie im Stande der Technik allgemein bekannt ist, kann die Wassertemperatur zwischen den Wandungen 16 und 20 benutzt werden, um den Quecksilberdampfdruck im Rohr zu regeln (bei 15° C 10~e Torr).

Ist es erwünscht, mit einem Gasplasma zu arbeiten, das kein Quecksilberplasma ist, vielmehr z. B.

ein Edelgas, wie He, Ne, Ar, Kr und Xe, so lassen sich die Quecksilberionen aus dem Anodenteil der Röhre, d. h. dem von dem Kolben 12 oberhalb der Gitterelektrode 50 umschlossenen Teil der Röhre, ausfrieren, in der flüssiger Stickstoff in die kaltes Medium auffangende Mulde 39 des Kolbens 12 eingeführt wird, worauf Gas hinzugelassen wird, das man durch den Gaseinlaßkanal 35 einzulassen wünscht. Auf diese Weise kann im Anodenhauptteil der Röhre mit einer anderen Gasentladung als Quecksilberentladung gearbeitet werden, hierbei aber die sehr zweckentsprechende Quecksilberbadkathode beibehalten werden, die eine leistungsfähige und unerschöpfliche Quelle für Elektronen ist, die unmittelbar nach dem Herunterpumpen wirkungsbereit ist. Sowohl bei den Quecksilber- als auch bei den Edelgasentladungen wird der Basisdruck reaktionsfähiger Gase bis zum Bereich von 10~⁵ bis 10~^e Torr heruntergesetzt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Niederdruck - Quecksilberdampf entladungsröhre, gekennzeichnet durch zwei mittels einer Gitterelektrode (50) voneinander getrennte Entladungsräume, von denen der eine den Kathodenraum darstellt und ein vollständiges Quecksilberdampfentladungssystem bildet, während der andere Raum die Hauptanode (56) und eine Aufprallelektrode (58) enthält.

2. Röhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an eine Vakuumpumpe anschließbaren Sockel (14), der als Gehäuse für den Kathodenraum dient, sämtliche Elektroden der Röhre trägt und mit den Stromdurchführungen für den elektrischen Anschluß dieser Elektroden versehen ist, sowie durch einen die Hauptanode (56) und die Aufprallelektrode (58) umschließenden Kolben (12), der auf dem Sockel (14) vakuumdicht aufsitzt und abnehmbar ist.

3. Röhre nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (14) einen Quecksilberspeicher (26) enthält, der einen Pumpenanschlußstutzen (18) geringer Länge und großer Öffnungsbreite konzentrisch umgibt.

4. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Sockel (14) abgekehrte obere Ende des Kolbens (12) mit einer nach innen gewölbten Mulde (39) zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 363 105, 599 565,
407;

schweizerische Patentschriften Nr. 291 362,
340, 319 658;

französische Patentschriften Nr. 859 215, 884 300; britische Patentschrift Nr. 610 529;

USA.-Patentschriften Nr. 2 160 981, 2 427 592,
810 896;

British Journal of Appl. Phys., Vol. 9, 1958, Oktober, S. 410 bis 415;

Zeitschrift für Physik, Bd. 143, 1955, S. 141 bis 146.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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