DE1589012A1 - Kaltkathoden-Entladevorrichtung - Google Patents

Kaltkathoden-Entladevorrichtung

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DE1589012A1 DE19661589012 DE1589012A DE1589012A1 DE 1589012 A1 DE1589012 A1 DE 1589012A1 DE 19661589012 DE19661589012 DE 19661589012 DE 1589012 A DE1589012 A DE 1589012A DE 1589012 A1 DE1589012 A1 DE 1589012A1
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Description

United ϊΐηήοη ^tomio Jner~y Authorit-«·, 11 ,: OhrrIes H jtreet, London, y.H , Bri-rrland
F-jr diese Annieiattnr -.vird die Prioritä" aus ien britischen Patentanmeldun-ien.Iir. 55 206/65 und 12 766/66 vom 30. Des. 1965 und 2?'. Wixz 1966 in Anspruch genommen<> ·
Kaltkathoüen-Bnt lc.de vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf Kaltkathodin-Entladevorrichtuniien, die Blektronenquellen bilden. Der Ausdruck "Kaltkathode", wie er in der nachfolcenden Beschreibung verwendet -/ird, bedeutet, daß dieKathode nicht-ther.r.ionischjd. h. keine Glühkathode ist.
Insbesondere betrifft die Erfindun^; solche Vorrichtuno-en, die beispielsweise "fur die V/ärmebehandlun/1; von feuerfesten Stoffen verwendet werden können.
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BAD
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Die Erfindung geht aus von einer Kaltkathoden-Bntladevorrichtung mit einem Gehäuse, einer Einrichtung,, weiche das Gehäuse unter eineu geringen Gasdruck hält, einer Anode, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist oder einen l'eil einer Innenwand desselben bildet, einer hohlen Kathode, die zumindest teilweise aus einem Drahtgewebe bestent, welches innerhalb des Geüäuses angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wand der Kathode einen runden Umriü und eine teilkugelförmige Gestalt, wobei die konkave Seite nach außen gerichtet ist, und eine zentrale runde Aussparung aufweist, daß eine weitere bzw. zusätzliche Elektrode von rundern umriß in dieser Aussparung angeordnet ist, um mit der Aussparung einen ringförmigen Spalt zu. bilden, und daß eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Anode, Kathode und zusätzlichen Elektrode mit entsprechenden Betriebspotentialen vorgesehen ist.
Das Betriebspotential, mit welchem die zusätzliche Elektrode beaufschlagt oder beliefert wird, kann das gleiche sein wie dasjenige, mit welchem die Kathode beaufscnlagt wird, oder es kann zu letzterem positiv oder negativ sein.
Zwei Kaltkathoden-Entladev'orrichtungen gemäß der Erfindung Werden nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung auiührlicher beschrieben, und zwar zeigt
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Fig. 1 einen teilweiseschematischen Schnitt durch die erste
Vorrichtung, während . . j?ig. 2 einen ähnlichen-'Schnitt durch einen Teil der zweiten Vorrichtung wiedergibt. . ■ '
6-emäß lnig. 1 weist die erste Vorrichtung ein Gehäuse auf, .welches durch ein annähernd zylindrisches Rohr 1 aus wärmebeständige?;! Glas gebildet wird, wobei das Rohr einen Durchmesser von etwa 22 cm und eine Lame von 30 cm aufweist, an den Enden durch■Aluminiumplatten 2 und 3 mit 0-Hing-Dichtungen (nicht dargestellt) verschlossen ist und mit seiner Achse in vertikaler Lage gehalten wird. Beide Platten 2 und 3 sind geerdet und bilden Anoden, wenn und solange die Vorrichtung in Betrieb ist.
Eine Kathode 4 wird innerhalb des Gehäuses durch ein leitendes Rohr 5 abgestützt, welcnes sich von einem Katiiodeii-Ansclilußstück 6 mit einer Bohrung 7 für -Wasserkühlung nach unten erstreckt. Das Kathoden-Anschlußstück 6 ist an einem abnehmbaren l'eilstuck" 8 der Platte 2 mittels eines isolierenden 'Zylinders befestigt. Durch das Teilstück 8 und konzentrisch zum Rohr erstreckt eich ein leitendes Rohr 10, welches eine geerdete Ab-GcJiirmung bildet.
Die ,Kat-'Oäc- 4 weist ein rundes goradzylindriscke,.· Teilstück 11 mit ein ein flachen runden leilstück Vt. am oberen Ende und einem
teilkugelförmigen Teilstück 13 am unteren Ende auf. Der Mittelpunkt der Kugel, von deren Oberfläche das Teilstück 13 einen Teil bildet, liegt auf der Achse des Teilstücks 11. Das Teilstück 13 der Kathode 4 hat eine zentrale runde Aussparung.
Eine flache bzw. ebene (oder teilkugelförmige) Platte von rundem Umriß, welche eine weitere bzw. zusätzliche Elektrode 14 bildet, wird in der Aussparung des Teilstücks 13 der Kathode 4 mittels eines leitenden Stabes 15 gehalten, und zwar so, daß ein ringförmiger Spalt 16 von gleichmäßiger Breite zwischen der Elektrode 14 und dem Teilstück 13 verbleibt. Der Stab 15 verläuft durch eine Isolierbuchae 17 in dem Teilstück 12 der Kathode 4 hindurch.
Zum Zwecke der Aufrechterhaltung der einheitlichen Breite des Spaltes 16 können drei symmetrisch angeordnete Aluminiumdübel 18 in den Spalt 16 eingedrückt werden.
Das Teilstück 11 der.Kathode 4 besteht aus Edelstahl oder einem feuerfesten Drahtgewebe, und die Teilstück 12 und 13 sowie die Elektrode 14 bestehen jeweils aus einer feuerfesten Metallplatte, beispielsweise einer Tantalplatte. Alternativ können das Teilstück 13 und die Elektrode 14 auch aus Edelstahl oder einem feuerfesten Drahtgewebe gebildet werden. In diesem Fall· können die Kantendes Teilstücks 13 und der Elektrode Hi welche den ringförmigen Spalt 16 bilden, durch Anschweißen von runden Hingen glattgemacht werden.
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. Der Stab 15 besteht aus einem feuerfesten Metall, obwohl alternativ der Stab 15 auch durch eine Halterung ersetzt werden kann, die durch einen Zylinder aus einem Edelstahl-Drahtgewebe gebildet wird, wobei diese Alternative wegen der verminderten Wärmeeinwirkung auf ein Gewebe möglich ist.
Die Leistung bzw. Energie wird von einer Quelle 19 hergeleitet, die einen Spartransformator aufweist, welcher eine veränderliche Spannung an die Primärwicklung eines Hochspannungstransformatora liefertp dessen Ausgang durch einen Doppelweg-Gleichrichter gleichgerichtet wird. Die Verbindung an das Kathoden^-Änschlußstück 6 erfolgt über Widerstände 20 und 21, die in Reihe geschaltet sind und von denen der Widerstand 21 variabel bzw. regelbar iat. Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 20 und 21 ist mit dem Stab 15 verbunden. Der Stromkreis './eist außerdem ein Amperemeter sowie ein Voltmeter (nicht dargestellt) auf.
Die Evakuierung des Gehäuses erfolgt mittels einer Öl-Diffusionspumpe 22, die durch eine Kreiselpumpe (nicht dargestellt) unterstützt wird, wobei die Verbindung nach den Pumpen über ein Auslaßrohr 3 hergestellt ist, welches durch ein abnehmbares Teilstück 24 der Klappe 3 hindurchverläuft. Um den Druck zu messen, ist ein Pirani-Meßgerät (nicht dargestellt) mit dem Auslaßrohr 23 unmittelbar außerhalb des Gehäuses verbunden. Ein Gas wird von einem Gaazuführzylinder 25 über einen Zweistufen-Druckregler und ein Nadelventil 26 einem Einlaßrohr 27 zugeführt, wel- '
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ches ebenfalls durch das Teilstuck 24 der Platte 3 hindurchverläuft. Der DrucK imGeiiäuse wird durcii Einregeln der Gasströmung gesteuert, wobei die Pumpen kontinuierlicii arbeiten.
Es gibt verschiedene Arten, nach denen die Forx'iciitung betätigt baw. betrieben werden Kann, uno. einige von innen werden im Nachfolgenden beschrieben.
Im ersten Fall wird das Gehäuse auf einen Druck von etwa ' 5 x 10 Torr evakuiert und dann mit Helium Ms zu einem Druck von etwa 3 x 10 Torr gefüllt. Ein negatives Potential von annähernd 2,75 ;:V wird an die Kathode 4 angelegt, wobei der "widerstand 21 auf Null eingestellt ist, so üaß das gleiche Potential an der Anq_de 14 wie an der Kathode 4 anliest, -,fenn die Gasaustreibung der Kathode 4 stattgefunden hat, wird dem Heliumdruc.k die Möglichkeit gegeben", langsam anzusteigen. Dies erfolgt durch Einstellen des "Ventils 26.
Es entwickelt sich eine Entladung der noblen Katnoae, begleitet von einem ütrom von Elektronen, welcher durch den ringförmigen öpalt 16 hindurchgelangt. Infolge der Form des Teilstücks 13 der Kathode 4 hat der dtrom von JÜektronen das Be- ,: .. streben, einen konischen Strahl 28 zu bilden, der sich auf der Achse der Kathode 4 annähernd im Hittelpuzuct der Kugel-;fokussiert, von welcher das Teilstück 13 einen Teil bildet. Der Grad-bt.y, ■ das Ausmaß der Fokussierung ist vom Heliiajucirt'c. . 1^. Wenn
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die Kathode 4 eine Spannung von 2,75 kV führt, dann wird der .
—2
Strahl 28 bei etwa 15 x 1C Torr fokusiert, wenn jeaocn die Energie des Strahles 28 dadurch erhöht wird, daß das Potential der Kathode 4. mehr negativ gemacht wird, dann wird der Strahl bei einem geringeren Heliumdruek fokussiert. Wenn die Kathode 4 eine Spannung von 4fO kT führt, dann wird der Strahl 28 bei etwa 8 χ 10 Torr fokussiert.
Bei Gebrauch der Vorrichtung wird das Probestück, welches erhitzt werden soll, innerhalb des Gehäuses in einem Tiegel 29 angeordnet, der an einem axial beweglichen ritab 30 angebracht ist, welcher durch das Teilsttick 24 der Platte 3 hindurchverläuft. Das Irobenstück ist auf äiese Weise als Anode geschaltet und kann so angeordnet werden, daß es im Brennpunkt des Elektronenstrahls 28 liegt. Der Tiegel 29 kann wassergekühlt sein..
Im zweiten Fall läuft der Betrieb im allgemeinen ähnlich ab, nur mit der Ausnahme, daß-das verwendete Gas Argon ist, wobei der Brück, Ms zu welchem das Gehäuse anfänglich evakuiert wird, und die Betriebsdrücke äerin6er sind, Der Widerstand 21 wird auf einen niedrigen Wert eingestellt, so dato die Elektrode 14 ein negatives Potential gegenüber der Kathode 4 führt. Ein fokussierter Strahl 28 wird erzielt, wenn die Kathode 4 ein ne-gatives Potential von 6 kV führt und ein Argondruck von 10 Torr vorhanden ist. Der Brennpunkt des Strahls 28 kann durch Verändern des V/ertes des Widerstandes 21 variiert v/erden.
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Im dritten Fall wird wie im ersten Pail das Gehäuse evakuiert uiia wit ireliuin gefüllt. Wenn ein HelJmdruak von 1ö χ ^O~^ Torr vorhanden ist, der widerstand 21 auf WuIl steht und ein negatives Potential von etwa 2,75 kV an die Kahtode 4 angeluvt wird, dann erfolgt eine Glimmentladung. Diese wird nicht von einem Elektronenstrahl begleitet, und die Folge der Entladung ist, daß die Potentialdifferenz zwischen der. Anode (i'iegel 29) und der Kathode 4 auf etwa 3GO Y abfällt.
Bei Erhöhung des Wertes des "Widerstandes 21 auf etwa 1800 Ohm wird die Glimmentladung eingeschränkt. Diese Betriebsart zeigt somit, daß die Veränderung des Potentials der Elektrode % gegenüber der Kathode 4 nicht nur dazu verwendet werden kann, den Brennpunkt eines Elektronenstrahls zu verändern, sondern auch dazu, eine Glimmentladung einzuschränken und daher unter Kontrolle zu halten, die r;.,nst unter gewissen Be'uriebsbedingungen stattfinden würde. Dies Kann die Lebensdauer der Kathode 4 durch Vermindern der Erwärmung verlängern und macht es außerdem möglich, den Elektronenstrahl in pulsierender Weise ein- und abzuschalten.
Die Vorrichtung kann auch mit anderen Gasen, z.B. Sauerstoff, betrieben werden. In diesem Falle ist es jedoch erwünscht, wenn auch nicht wesentlich, die Kathode 4 aus einem oxydationsbeständigen Material herzustellen.
Die Vorrichtung Kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Wärmebehandlung, zum Schweißen,
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zum Schmelzen oder zur ^onenverfeinerun^, wobei das Erhitzen, insbesondere das Erhitzen eines feuerfesten Materials, eingeschlossen ist.
Abhängig von der Verwendung, welcher die Vorrichtung zugeführt werden soll, können gewisse Abänderungen oder zusätzliche Merkmale möglich oder wünschenswert sein.
Beispielsweise kann der Stab 15 so angeordnet werden, daß die Elektrode 14 axial über einen begrenzten Bereich bewegbar ist. Dies wirkt sich in einer Änderun» der Lage des Brennpunkts oder des Ausmaßes der Fokussierung des Elektronenstrahls 28 aus.
Es ist außerdem möglich — und wird unter gewissen Umständen auch vorgezogen —, eine separate Energieversorgung für die Elektrode 14 vorzusehen, so daß die Elektrode 14 auf einem positiven oder einem negativen Potential gegenüber der Kathode 4 gehalten werden kann. In jedem !Fall kann die Glimmentladung eingeschränkt werden, wenn das Potential gegenüber der Katnode 4 groß genug gemacht ist, jedoch hat die Beaufschlagung der Elektrode 14 mit einem positiven Potential das Bestreben, den Brennpunkt des Elektronenstrahls 28 in Richtung auf die Kahtode 4 zu bewegen, während ein negatives Potential das Bestreben hat, den Brennpunkt von der Kathode 4 wegzubewegen.
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iiine geerdete Abschirmeiektrode kann angeordnet werden, welche die Kathode 4 umgibt, um den Verlust von Elektronen in Richtung auf die Wände des Gehäuses zu vermindern.
Die zweite zu beschreibende Vorrichtung ist in Form und Betriebeweise der ersten im allgemeinen ähnlich, mit Ausnahme der Ausbildungsform der Kathode und der zusätzlichen Elektrode. Diese Teile der zweiten Vorrichtung sind daher schematiach in ■
Pig. 2 dargestellt, auf welche nunmehr Bezu^ genommen wird.
Wie zuvor weist die Kathode 4 ein rundes geradzylindriaches Teilstiick 11 mit einem fischen runden Teilstück 12 am oberen Ende und einem teilkugelförmigen Teilstiick 1 5 am unteren Ende auf, Der Mittelpunkt der Kugel, von deren "berflache das Teilstück 13 einen Teil bildet, liegt auf der Achse des Teilstücks 11. Das Teilstück 13 der Kathode 4 weist eine zentrale runde Aussparung auf.
Mittig durch die Kathode 4 hindurch erstreckt sich ein doppelwandiges Rohr 31 mit einem ringförmigen Teilstück am unteren Ende, wobei dieses Teilstück eine zusätzliche Elektrode 32 bildet und in der Aussparung sitzt, so daß ein ringförmiger Spalt 16 von einheitlicher Breite zwischen der zusätzlichen Elektrode 32 und dem Teilstück 13 entsteht.
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BAD ORIGINAL
Die Form und Werkstoffe eier Teilstücke 11, 1k .-.no 13 der Kethode sind υ ie gleichen wie bei der ersten Vorrichtung, obwohl uie Teilstücke 12 und 13 in diesem PaIIc uua Jileoh- bzw. PIr-tonmaterial bestehen. Die Kr-:.tnode 4 der zweiten Vorrichtung ist größer al;- die der o.'uten Vorrichtung und wird mit höheren üneT.\r.;ien betrieben. vVährend dea i'C: triebs wird htBser durch das Rohr 31 und außeraem durch ei.α do; elwandiges xiohr hindurchgepumpt, welches die Kathode 4 trägt.
* !Der Betrieb ist ähnlich dem der erüten Vorrichtung, und insbesondere kann die zusätzlicne lülektroae 32 mit dem gleichen Potential wie die Kathode 4 oder gegebenem /is mit eiiiem anderen Potential betrieben werden.
Die sich durch d<r-s Auhr 31 erstrecitende öffnung erii'öglicht es, einen Stab ο«dgl. in Län&richtung durch den rftrahl von Elektronen Hindurch zuzuführen, beispielsweise zum bonenverfeinem oder Schmelzen. Auch kann man Material durch die Öffnung in einen unten angeordneten Tiegel für Kristallwachstumszwecke fallen lasaen. Die Vorrichtung kann auch dazu verwendet \-;erden, Material bei derErzeugung dünner Pilme zu verdampfen. Das zxi verdampfende haterial wird in einen Tiegel gegeben, und bei;·! Verdampfen wird es durch das Rohr 31 die Öffnung hinaufgezogen und kondensiert, um den PiIm auf einer entsprechenden Unterlage zu bilden.
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Es können Vorkehrungen getroffen werden, um eine runde Scheibe an der zusätzlichen Elektrode 32 der zweiten Vorrichtung zu befestigen, um diese in eine Einrichtung ähnlich der ersten Vorrichtung umzuwandeln.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsforin und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Er find ung sine rkmale, die im einzelnen — oder in Kombination in der gesamten Beschreibung und Zeicnnuno offenbart sind.
Patentansprüche
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BAD

Claims (1)

  1. ^legexempiari
    Darf nicht geändert werden j PATENTANWALT
    ■ING. ERICH SCHUBERT '* JT"ΤΪ1 h r ';
    Telegramm-Adr.: Patschvb, Siegen
    i p 8 P O 1 2 Postscheckkonten:
    Köln 10*?31, Essen 203i2
    Bankkonten: Deutsche Bank AG.,
    Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner StraBe 227 · Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)
    Postfach 325
    126 Kü/da
    27. Dezember 1966
    Patentansprüche
    1 * Kaltkathoden-Entladevorrichtung mit einem Gehäuse (1), einer Einrichtung (22), welche das Gehäuse (1) auf einem niedrigen Gasdruck hält, einer Anode (2, 3, 29) > welche innerhalb des Gehäuses (1). angeordnet ist oder einen Teil einer Innenwand desselben bildet, sowie mit einer hohlen Kathode (4·)» die zuminü at teilweise aus einem innerhalb des Gehäuses (1) angeordneten Drahtgewebe gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wand der Kathode (4) einen runden Umriß und eine Teilkugelform hat, wobei die konkave Seite nach außen gerichtet ist, und ferner eine zentrale runde Aussparung aufweist, daß eine zusätzliche Elektrode (H) von rundem Umriß in der genannten Aussparung angeordnet ist, um mit dieser Aussparung einen ringförmigen Spalt (16) zu bilden, und daß eine Einrichtung (19) zur Beaufsohlagung der Anode (2, 3» 29), der Kathode 4· und der zusätzlichen Elektrode (H) mit entsprechenden Betriebepotentialen vorgesehen ist·
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    2·. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (H) die Form einer runden Platte hat und elektrisch mit der Kathode (4) verbunden ist, derart, daß sie das gleiche Potential wie die Kathode (4) während des Betriebs führt, wobei die Anordnung eo getroffen ist, daß während des Betriebs .eine elektrische Entladung stattfindet und ein Strom von Elektronen durch den ringförmigen Spalt (16) hindurchgeht, um einen konischen» Strahl (28) von Elektronen zu bilden, der auf einen Brennpunkt einer Stelle außerhalb der Kathode (4) zusammenläuft.
    3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dr" \rch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (14) die Form einer runden Platte hat und gegenüber der Kathode (4) elektrisch isoliert ist, und daß die Einrichtung (19) zur Lieferung entsprechender Betriebspoteniale Mittel(21) enthält, welche das Potential der zusätzlichen Elektrode (14) gegenüber der Kathode (4) verändern, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während des Betriebs eine elektrische-Entladung stattfindet und ein Strom von Elektronen durch den ringförmigen Spalt (16) hindurohverläuft, um einen konischen Strahl (28) von Elektronen zu bilden, der naoh einem Brennpunkt an einer Stelle außerhalb der Kathode zusammenläuft, wobei der Brennpunkt duroh Verändern dee Potentials der zusätzlichen Elektrode (14) ^egenüber dsi.* Kathode (4) zu variieren ist·
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    Α»- Vorriohtung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode @2) eine Eingform aufweist und elektrisch mit der Kathode (4) so verbunden ist, daß sie das gleiche Potential wie die Kathode während des Betriebs führt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während des Betriebs eine elektrische Entladung stattfindet und ein Strom von Elektronen duroh den ringförmigen Spalt (16) hindurchverläuft, um einen konischen Strahl (28) von Elektronen zu bilden, der nach einem Brennpunkt an einer Stelle außerhalb der Kathode (4) zusammenläuft·
    5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (32) eine Ringform aufweist und elektrisch gegenüber der Kathode (4) isoliert ist, und daß die Einrichtung (19) zur Lieferung entsprechender BetriebsPotentiale Mittel (21) enthält, welche das Potential der zusätzlichen Elektrode (32) relativ zur Kathode (4) verändern, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während des Betriebs eine elektrische Entladung stattfindet und ein Strom von Elektronen duroh den ringförmigen Spalt (16) hindurchverläuft, um einen konischen Strahl (28) von Elektronen zu bilden, der naoh einem Brennpunkt an einer Stelle außerhalb der Kathode (4) zusammenläuft, wobei der Brennpunkt duroh Verändern des Potentials der zusätzlichen Elektrode (32) relativ zur Kathode (4) zu variieren ist*
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    IV
    6» Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (32) von einem Rohr (31) gehalten ist, welches sich zentral durch die Kathode (4) hindurcherstreckt, wobei die zusätzliche Elektrode (32) das eine Ende dieses Rohres (31) bildet·
    7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (31) doppelwandig ist und daß Vorkehrungen getroffen sind, um das Rohr (31) während des Betriebs mit V/asser zu kühlen·
    8» Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (4) eine runde geradzylindrisGhe Form aufweist*
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (4) und die zusätzliche Elektrode (14 oder 32) aus Edelstahl bestehen·
    10· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9» daduroh gekennzeichnet, daß die Kathode (4) und die zusätzliche Elektrode (14 oder 32) aus Tantal bestehen·
    11· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8t daduroh gekennzeichnet, daß die Kathode (4) und die zusätzliche Elektrode (14 oder 32) teilweise aus Edelstahl und teilweise Tantal bestehen. 0098 10/1034
    -if-
    Leerseite
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