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Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen und Aufrechterhalten eines
vorbestimmten Gasdruckes in abgeschlossenen Gefäßen, insbesondere Gasentladungsröhren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen und Aufrechterhalten
eines vorbestimmten Gasdruckes in abgeschlossenen Gefäßen, insbesondere Gasentladungsröhren,
durch Gasaustausch mit einem gasaufnehmenden sowie gasabgebenden Festkörper (Gasspeicher),
wobei die Gasabgabegeschwindigkeit des Gasspeichers durch dessen Temperatur eingestellt
wird.
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Zum Betrieb von Niederdruck-Gasentladungsröhren, insbesondere solchen,
die als abgeschlossene Systeme zur Auslösung von Kernreaktionen und zur Neutronenerzeugung
Verwendung finden, benötigt man eine Einrichtung, die es erlaubt, das beim Betrieb
der Röhre in den Metallteilen der Entladungsstrecke aufgezehrte Entladungsgas zu
ersetzen und den erforderlichen Gasdruck konstant zu halten.
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Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen das Gas, z. B. Wasserstoff,
temperaturabhängig bei niederen Temperaturen z. B. in Titan absorbiert und dadurch
gespeichert und durch elektrische Beheizung dieses Titan-Wasserstoff-Speichers bei
höheren Temperaturen freigesetzt wird. Der Gasdruck stellt sich bei geeigneter Anordnung
des Speichermetalls als von der Temperatur abhängiger Gleichgewichtsdruck (D.issoziationsdruck)
ein. Mißt man den Gasdruck mit Hilfe einer geeigneten Manometeranordnung, so kann
man in bekannter Weise die Heizung des Gasspeichers von der Anzeige des Manometers
abhängig machen und den Gasdruck automatisch regeln.
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Bei anderen bekannten Einrichtungen zum Ausgleichen von während des
Betriebes in Gasentladungsgefäßen auftretenden Änderungen des Gasdruckes sind die
Absorber in bezug auf die den Entladungsvorgang betriebsmäßig aufrechterhaltenden
Elektroden so angeordnet, daß sie von ionisierten Gasteilchen praktisch nicht erreicht
werden.
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Es ist ferner bekannt, das Gasdruckgefälle in einem Gasentladungsgefäß
durch zwei getrennte Gasaustauschsysteme aufrechtzuerhalten, wobei das eine der
Systeme durch elektrische Heizung aus einer Absorberschicht Wasserstoffgas austreibt,
während das andere ungeheizte, gleichartige System die auf ein Target beschleunigten,
aber von diesem nicht aufgenommenen Wasserstoffionen nach ihrer Rekombination absorbiert.
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Es ist auch eine Vorrichtung zum Regeln des Gasdruckes in abgeschlossenen
Gasentladungsgefäßen bekannt, welche mit einer Absorberschicht versehene Heizwicklungen
besitzt, die in einem vorbestimmten Temperaturbereich Wasserstoff aufnimmt und in
einem anderen Temperaturbereich wieder abgibt. Diese Gasspeicher besitzen jedoch
kein definiertes Potential in bezug auf die Elektroden des Entladungsgefäßes, so
daß eine Beschleunigung ionisierten Gases auf die Absorber zur Regelung des Gasdruckes
nicht möglich ist.
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Die Gasabgabe bei Temperaturerhöhung erfolgt in solchen Systemen ziemlich
rasch, es ist aber sehr nachteilig, daß im Gegensatz dazu die Wiederaufnahme des
Gases bei einer Abkühlung des Speichermetalls sehr langsam erfolgt. Ein Druckverlust
kann zwar in einem abgeschlossenen Gefäß durch Temperaturerhöhung des Gasspeichers
verhältnismäßig schnell ausgeglichen werden, es ist jedoch nicht möglich, einen
Druckanstieg in vergleichbarer Zeit aufzufangen. Dies hat ein sehr ungünstiges Verhalten
für die automatische Gasdruckregelung zur Folge.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Einstellen und Aufrechterhalten eines vorbestimmten Gasdruckes in abgeschlossenen
Gefäßen zu schaffen, wobei die vorgenannten Nachteile vermieden werden und insbesondere
Gasaufnahme bzw. -abgabe eines im abgeschlossenen Gefäß oder in unmittelbarer Verbindung
mit diesem befindlichen gasaufnehmenden bzw. gasabgebenden Festkörpers (Gasspeicher)
,gut regelbar sind.
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Das wird in überraschend einfacher und wirkungsvoller Weise mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß mindestens ein Teil des während
des Gasaustausches zu absorbierenden Gases als ionisiertes Gas auf die Oberfläche
des Festkörperspeichers mit einer gesonderten Hochspannungsentladungsstrecke beschleunigt
wird, wobei die Elektroden dieser Entladungsstrecke mindestens teilweise aus dem
gasaustauschenden Festkörpermaterial bestehen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn
gleichzeitig
mindestens ein Teil des vom Gasspeicher während des
Gasaustausches abzugebenden Gases diesem durch thermische Gasfreisetzung entzogen
wird. Führt man das Verfahren insbesondere mit einem gasaufnehmenden Metall (Gettermetall)
durch, dann wird nach ,der Erfindung die Gasabgabegeschwindigkeit des Gettermetalls
durch dessen Temperatur und dessen Gasaufnahmegeschwindigkeit durch die Intensität
eines auf dieses gerichteten Gasionenbeschusses eingestellt. Auf diese Weise werden
mit einem gleichzeitig sowohl gasaufnehmenden als auch gasabgebenden Gasspeicher
zweckmäßig dessen Gasaufnahmegeschwindigkeit und Gasabgabegeschwindigkeit unabhängig
voneinander eingestellt, in dem Sinne, daß sich die zwischen Gasspeicher und abgeschlossenem
Gefäß ausgetauschte Gasmenge jeweils aus der Differenz der Gasaufnahme- und Gasabgabegeschwindigkeit
ergibt.
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In dem das Gas in einer geeigneten elektrischen Gasentladung ionisiert
und in den aus einem Gettermetall bestehenden Elektroden der Gasentladung gespeichert
wird, wobei die Elektroden der Entladung zur Freisetzung des Gases elektrisch beheizt
werden, kann man den Gasdruck sehr genau einstellen und auf einem vorbestimmten
Wert halten.
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Durch die Erfindung wird der Nachteil zu langsamer Gasaufnahme durch
die Pumpwirkung der als Ionengetterpumpe wirkenden Gasentladungsstrecke behoben.
Auch sonst ergeben sich überraschende Vorteile für das erfindungsgemäße Verfahren.
Der Entladungsstrom (Ionenstrom) der verwendeten Entladung kann direkt als Maß des
Gasdruckes dienen und durch äußere Schaltmittel mit einem vorgegebenen Sollwert
verglichen werden. Die Abweichung des Meßstromes von diesem Sollwert kann so über
einen Regelverstärker auf die elektrische Beheizung der Elektroden des Systems einwirken,
in dem Sinne, daß einer Steigerung des Druckes eine Verringerung der Heizleistung
entspricht, so daß die »Pumpwirkung« die Gasabgabe der Elektroden überwiegt und
die Elektroden Gas aufnehmen. Umgekehrt wird dann bei abnehmendem Gasdruck die Heizleistung
erhöht und so zusätzlich Entladungsgas aus den Elektroden freigesetzt, so daß dann
die Gasabgabe der Elektroden gegenüber der »Pumpwirkung« überwiegt.
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Eine spezielle Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht aus mindestens einer mit einer Heizeinrichtung versehenen Elektrode
(Getterelektrode) aus gasaufnehmendem Material (Getter), welche mit dem auszutauschenden
Gas angereichert ist und sich innerhalb des Gefäßes, in welchem der Gasdruck eingestellt
werden soll, befindet, sowie einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Gasentladung im
Bereich der Getterelektrode(n) und außerdem einer Vorrichtung zum Erzeugen eines
die Gasionen des auszutauschenden Gases aus der Gasentladung in Richtung auf die
Getterelektrode(n) beschleunigenden elektrischen Feldes. Insbesondere kommt eine
Vorrichtung in Frage, die aus einem Penninb Gasentladungssystem besteht, wobei die
Temperatur der Elektroden durch eine Heizeinrichtung einstellbar ist. Es können
jedoch außer dem Penning-System selbstverständilch auch andere Gasentladungssysteme
verwendet werden, insbesondere etwa ein Redhead-Gasentladungssystem mit getrennter
Heizeinrichtung für Anode und Kathode. Hierbei besteht mindestens ein Teil der der
Gasentladung zugewandten Elektrodenflächen wenigstens teilweise aus einem Getter.
Für die Isotope des Wasserstoffes kommen als Getter vorzugsweise die metallischen
Getter Titan und Zirkon sowie außerdem die seltenen Erden in Frage. Um den Gasdruck
automatisch zu regeln, wird die Einrichtung mit einer vom Entladungsstrom der Gasentladung
gesteuerten Regeleinrichtung für die Elektrodenheizung versehen.
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Als wichtiger Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, während des normalen
Regelbetriebes das Gas, dessen Druck eingestellt bzw. konstant gehalten werden soll
(Entladungsgas), von Verunreinigungen anderer Gase zu befreien, sofern nämlich das
Entladungsgas im Gasspeicher reversibel gebunden wird und die Verunreinigungen chemisch
aktive Gase sind. Das ist beispielsweise der Fall, wenn als Entladungsgas Wasserstoff,
Deuterium oder Tritium bzw. eine Mischung dieser Gase und als Getter z. B. Titan
benutzt wird. Dies ist besonders wichtig für die Einstellung des Gasdruckes in Neutronengeneratoren,
bei denen mit Hilfe einer Gasentladung und anschließender Beschleunigung der Ionen
auf ein Target Neutronen erzeugt werden. Die Wasserstoffisotope werden in Titanmetall
reversibel gebunden, während chemisch aktive Gase, wie z. B. Stickstoff oder Sauerstoff,
in thermisch sehr stabile chemische Verbindungen, z. B. Titanoxyd bzw. Titannitrit,
übergeführt und daher irreversibel gebunden werden. In gewissem Maße werden auch
Edelgase beim Betrieb gebunden. Die aus der Entladung in die Elektroden geschossenen
Edelgasionen verbleiben dort, da sie nicht im Metallgitter diffundieren. Zum Teil
werden sie auch durch zerstäubtes Metall bedeckt und auf diese Weise physikalisch
gebunden.
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Mit Hilfe zweier erfindungsgemäßer Einrichtungen ist es möglich, ein
vorbestimmtes Druckgefälle im abgeschlossenen Gefäß, z. B. in einer Gasentladungsröhre,
zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, indem je einer der erfindungsgemäßen Gasspeicher
an den Stellen, zwischen denen der Gasdruck erzeugt werden soll, vorgesehen und
während einer vorgegebenen Zeitspanne einer der beiden nur als gasabgebender und
der andere nur als gasaufnehmender Speicher betrieben wird und anschließend die
Funktionen umgekehrt werden. Dadurch ist es möglich, in der Ionenquelle des genannten
Neutronengenerators einen höheren Druck als im Beschleunigungsraum aufrechtzuerhalten
und in Betriebspausen den mit der Ionenquelle verbundenen Gasspeicher wieder mit
Gas zu beladen, welches aus dem vorher gasaufnehmenden Gasspeicher freigesetzt wird.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Elektrodenanordnung
zur Erzeugung einer Penning-Entladung im Magnetfeld, F i g. 2 einen Schnitt A-B
durch die Elektrodenanordnung der F i g. 1, F i g. 3 eine Elektrodenanordnung zur
Erzeugung einer Townsend-Entladung nach R e d h e a d in einem Magnetfeld, F i g.
4 einen Schnitt C-D durch die Elektrodenanordnung der F i g. 3, F i g. 5 eine schematische
Regelschaltung zum Betreiben einer Vorrichtung nach der Erfindung.
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F i g. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung zur Druckregelung
für Wasserstoff in einer Gasentladungsröhre, bei der als Gasentladung eine Panning-Entladung
im Magnetfeld verwendet wird.
In einem vakuumdichten Metallgefäß
11, das z. B. aus einem unmagnetischen Stahl besteht und mit Hilfe .eines Rohrstutzens
17 an das Volumen der Gasentladungsröhre angeschlossen wird, ist an zwei elektrisch
isolierten Durchführungen 12 im Innern eine Anode 13 befestigt. Diese Anode besteht
aus einem Wolframdraht, auf den ein dünnerer Draht des Gettermetalls, z. B. Ti oder
Zr od. dgl., aufgewickelt ist. Die Anode hat die Form eines Kreisringes mit einer
(oder mehreren) Windungen und kann durch direkten Stromdurchgang von den Durchführungen
her geheizt werden.
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Eine die Anode weitgehend umschließende Kathodenbüchse 14 ist mit
zwei Stützen 15 am Metallgefäß befestigt. Diese Kathodenbüchse besteht entweder
selbst aus dem Gettermetall (z. B. Ti, Zr oder dgl.), oder sie trägt im Innern in
der Nähe der Achse des Systems Metallelektrodenscheiben 141 aus diesem Metall.
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Die Heizung des Systems erfolgt durch elektrische Beheizung der Anode
13, die zugeführte Heizleistung wird durch Wärmestrahlung, bei einem Druck von über
10-3 Torr auch durch Wärmeleitung, an die Kathodenbüchse übertragen, die dadurch
ebenfalls heiß wird. Der Gasdruck wird dann durch die Temperatur der Kathodenbüchse,
insbesondere die Temperatur des an der inneren Oberfläche angebrachten Gettermetalls
bestimmt. Durch einen äußeren Magneten 16 wird im Innern ein zur Anodenebene senkrechtes
axiales Magnetfeld von 1000 bis 2000 Gauß erzeugt.
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Die Hilfsentladung wird mit einem maximalen Strom von wenigen Milliampere
aus einem Netzgerät hohen inneren Widerstandes betrieben, dessen Leerlaufspannung
einige Kilovolt beträgt. Durch den Innenwiderstand des Netzgerätes wird die maximale,
in der Entladung umgesetzte Leistung auf wenige Watt begrenzt. Der Entladungsstrom
ist ein Maß für den Gasdruck. Die Heizung der Anode erfolgt über einen Isoliertransformator,
der gleichzeitig die Anpassung des Regelverstärkers an den geringen Widerstand des
beheizten Anodendrahtes bewirkt. Die Heizleistung beträgt je nach Gasdruck mehrere
10 Watt.
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F i g. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung für
besonders geringe Gasdrücke, bei der als Entladung eine Townsend-Entladung nach
R e d h e a d in einem Magnetfeld verwendet wird.
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In ein vakuumdicht über ein Rohr angeschlossenes Metallgefäß 21 ist
an zwei isolierten Durchführungen 28 im Innern eine Anode 23 befestigt. Diese Anode
besteht aus einem dünnen W-Blechstreifen, der, zu einem Zylinder gebogen, durch
direkten Stromdurchgang geheizt werden kann. Beim Betrieb der Röhre entsteht durch
Kathodenzerstäubung auf der Innenfläche der Wolfram-Anode eine dünne Schicht des
Kathodenmetalls, die als Getterschicht dient.
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In der Achse des Anodenzylinders 23 befindet sich ein Kathodenröhrchen
241, das durch zwei. angesetzte Endscheiben 242 den Entladungsraum abschließt. Sowohl
das Kathodenröhrchen als auch die Endscheiben bestehen aus dem Gettermetall oder
tragen das Gettermetall auf ihrer Oberfläche. Im Innern des Kathodenröhrchens ist
ein z. B. durch A1203 isolierter Heizdraht 27 angeordnet, der es gestattet, das
Kathodensystem 241/242 elektrisch zu beheizen. Die Stromzufuhr erfolgt über die
Stütze 25 zum Metallgefäß, der andere Pol des Heizdrahtes ist mit der isolierten
Durchführung 22 verbunden. Die Heizung des Systems erfolgt an der Anode und Kathode
getrennt, z. B. durch einen Isoliertransformator mit getrennten Wicklungen. Bei
diesem System wird ein zum Kathodenröhrchen paralleles Magnetfeld von
1000 bis 2000 Gauß durch einen äußeren Magneten 26 erzeugt.
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Die Stromversorgung dieser Röhre erfolgt ebenfalls aus einem Hochspannungsnetzgerät
mit hohem Innenwiderstand. Auch hier ist der Entladungsstrom in bekannter Weise
ein Maß für den Gasdruck.
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F i g. 5 zeigt ein Schaltbeispiel für den Betrieb der Meßregelsysteme
nach F i g. 1 bis 4 zur Regelung des Gasdruckes in der Entladungsröhre 37.
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Das Meßregelsystem 31 ist mit der Entladungsröhre 37 über die
Rohrleitung 40 verbunden. Nach dem Auspumpen des Systems mit einer äußeren
Vakuumanlage bei gleichzeitigem Ausheizen, wobei die Vakuumanlage über die Pumpleitung
41 und das Ventil 38 angeschlossen ist, und nach der Entgasung der Elektroden des
Meßsystems durch elektrische Beheizung wird das Ventil 38 geschlossen und das Entladungsgas
(bei Wasserstoff z. B. mit Hilfe eines Pd-Ventils 39) in das Vakuumsystem eingelassen
und bei niederem Druck im Meßregelsystem absorbiert. Dabei wird das Regelsystem
mit kalten Elektroden als Ionenpumpe betrieben, bis genügend Gas als Vorrat im Titan
absorbiert ist. Dann kann das System von der äußeren Gaseinfüllvorrichtung und der
Pumpe getrennt werden und ist betriebsfertig.
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Die Entladung des Meßregelsystems 31 wird vom Gerät 32 gespeist, das
eine positive Gleichspannung im Bereich von 500 bis 5000 V erzeugt und mit der Anode
13 bzw. 14 des Meßregelsystems verbunden ist. Das geerdete Vakuumgefäß dient
als Rückleitung des Stromes. Das Gerät 32 ist als Gleichspannungsquelle so zu bemessen,
daß der maximal abgegebene Strom durch seinen inneren Widerstand so begrenzt ist,
daß die höchste an die Hilfsentladung abgegebene Leistung einen vorbestimmten Maximalwert
nicht überschreiten kann. Bei geeigneter Wahl der Dimensionen des Systems und der
Stärke des angelegten Magnetfeldes (500 bis 2000 Gauß) ergeben sich Entladungsströme
von der Größenordnung Milliampere bei einem Druck von 10-3 Torr.
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Der Entladungsstrom wird mit dem Instrument 42 zur Druckanzeige gemessen
und am Widerstand 34 mit einem vorgegebenen Vergleichsstrom aus einer Gleichstromquelle
33 durch Differenzbildung verglichen. Die Stromdifferenz erzeugt am Widerstand 34
eine Spannung, die mit Hilfe des Regelverstärkers 35 verstärkt und in eine Wechselspannung
umgeformt wird. Diese wird über den Transformator 36 den Heizelementen des Systems
zugeführt und damit der Regelkreis geschlossen. Es ist zweckmäßig, den Ausgangsstrom
des Regelverstärkers 35 als Maß für den Regelzustand ebenfalls mit einem Instrument
43 zu überwachen.