DE1764919C3 - Hohlkathode für Spektrallampen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlkathode für Spektrallampen mit einem metallischen Hohlkathodenhalter, der eine rohrförmige Seitenwandung und einen Bodenteil besitzt, dessen Innenfläche zu dem Hohlraummittel· punkt der Kathode hin im wesentlichen konkav ist, und mit einem tlberzug aus einwn metallischen Werkstoff, dessen Spektralstrahlung gewünscht wird, auf der Innenfläche wenigstens des Bodens und der unmittelbar angrenzenden Seitenwandungsteile.

Solche Spektrallampen haben den Zweck, Licht mit einem definierten Linienspektrum zu erzeugen, das den charakteristischen Spektrallinien entspricht welche von einem gesuchten Element einer Probe emittiert und absorbiert werden. Die Spektrallampe dient als Lichtquelle in einem Atomabsorptions-Spektrometer. Ein von der Spektrallampe ausgehendes Lichtbündel

ίο wird z. B. durch eine Flamme geleitet in welcher die Bestandteile der zu untersuchenden Probe in atomarer Form vorliegen. Das Lichtbündel mit dem Linienspektrum erfährt dann eine Absorption, die durch den Anteil des gesuchten Elements in der Probe bestimmt wird, wodurch die Konzentration dieses Elements in der Probe spektrometrisch gemessen werden kann.

Eine Hohlkathode für Spektrallampen ist beispielsweise durch die US-PS 32 64 511 bekannt Dort ist in einem edelgasgefüllten Entladungsgefäß eine Kathode in Form eines zylindrischen Metallkörpers gehaltert der an seiner der Anode zugewandten Stirnseite einen zentralen zylindrischen Innenraum aufweist.

Durch isolierende Abschirmmittel ist dafür gesorgt, daß die Gasentladung in dem Entladungsgefäß zwischen der Anode und der Innenfläche des Innenraums der Kathode stattfindet. Dabei erfolgt eine Zerstäubung von Kathodenmaterial, wobei Strahlung mit den charakteristischen Spektrallinien des Kathodenmaterials emittiert wird. Stau die gesamte Kathode massiv aus dem Material herzustellen, dessen charakteristische Spektrallinien erzeugt werden sollen, kann auch nur die Innenfläche des Innenraumes mit diesem Material überzogen sein, während der übrige Teil der Kathode (Kathodenhalter) aus einem anderen Material besteht.

Die Lebensdauer solcher Hohlkathoden mit einem zur Anode hin offenen zylindrischen Innenraum ist dadurch begrenzt daß durch die Zerstäubung des Kathodenmaterials an der Innenfläche des zylindrischen Innenraumes beim Betrieb der Spektrallampe ein ziemlich starker Materialverlust eintritt.

Aus der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, 1959, Band 30, Nr. 5 Seiten 711-719 ist bekannt daß sich die Form des ursprünglich zylindrischen Innenraumes einer massiven Hohlkathode im Laufe des Betriebs der Spektrallampe durch Zerstäuben und Wiederniederschlagen von Material von selbst verändert und zwar derart, daß sich im Bereich der Öffnung des Innenraumes eine Einschnürung bildet. Der Innenraum nimmt dann ungefähr kugelförmige Gestalt mit einer

verengten Öffnung zur Kathode hin an. In diesem Gleichgewichtszustand wird der Materialverlust durch Zerstäuben vermindert. Es handelt sich dort jedoch um eine Kathode, die massiv aus dem gesuchten Element hergestellt ist. Die verengte Öffnung bildet sich dabei erst, wenn schon ein wesentlicher Teil des Kathodenmaterials zerstäubt ist.

Das Problem einer Zerstäubung von Kathodenmaterial tritt auch bei anderen Gasentladungslampen auf, die zu Beleuchtungszwecken dienen. Es ist bei solchen Gasentladungslampen schon versucht worden, die Zerstäubung des Kathodenmaterials dadurch zu verringern, daß die Kathode als im wesentlichen kugelförmiger Hohlkörper mit einer relativ engen, den Entladungskanal bildenden Einschnürung ausgebildet wird (GB-PS 9 46 948). Auch dort handelt es sich um massive Kathoden. Es geht dort auch nicht um das Problem, ein l.inienspektrum eines bestimmten, möglicherweise nur in geringen Mengen verfügbaren Elements zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Hohlkathode der eingangs definierten Art einer Zerstäubung des Oberzugs entgegenzuwirken und den Oberzug zu einem im wesentlichen kugelförmigen Hohlraum mit einer verengten Austrittsöffnung zu formen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verschlußstück am offenen Ende des Kathodenhalters zur Einschnürung des Innenraums dieses Kathodenhalters, das einen Längskanal von vermindertem Durchmesser aufweist

Auf diese Weise ist von vornherein eine Einschnürung vorgesehen, die einem Verlust an Oberzugmaterial entgegenwirkt. In dem vom Innenraum des Kathodenhalters und dem Verschlußstück gebildeten Raum bildet das zerstäubte und wieder niedergeschlagene Oberzugmaterial beim Betrieb der Spektrallampe einen im wesentlichen kugelförmigen Hohlraum.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie Verfahren zur Herstellung einer Hohlkathode sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I ist ein Mittelschnitt durch eine Form einer Hohlkathode vor dem Einlauf,

Fig.2 ist ein ähnlicher Mittelschnitt der gleichen Hohlkathode wie in Fig. 1, so wie sich diese nach dem Einlaufen und einigem Gebrauch in einer im übrigen gebräuchlichen Spektrallampe darbietet,

F i g. 3 ist eine etwas verschiedene Form einer Hohlkathode, die besonders geeignet für Metalle vnit niedrigem Schmelzpunkt ist.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Hohlkathode, welche zwar alle mechanischen Teile enthält, aber noch nicht eingelaufen ist, so daß sie den Überzug des gewünschten Metalls an den Innenflächen des Kathodenhalters im wesentlichen in der Nachbarschaft des geschlossenen Endes derselben aufweist. F i g. 2 zeigt die gleiche Hohlkathode nach dem Einlaufen und einem gewissen Gebrauch, bei welchem das gewünschte Material einen solchen Überzug gebildet hat, der generell mit 40 bezeichnet ist. In F i g. 1 ist ein ansonsten üblicher Hohlkathodenhalter 10 entweder anfänglich so geformt oder nachträglich so bearbeitet, z. B. gebohrt, daß er eine relativ dünne Seitenwandung 12 besitzt. Außerdem ist die Bodenwandung, welche den offenen Innenraum des Kathodenhalters 10 begrenzt, beispielsweise durch Einsenken, so geformt, daß er eine konkave Grundform besitzt, wie bei 14 in F i g. 1 dargestellt ist.

Der Kathodenhalter 10 hat einen üblichen Hals 16, welcher eine Bohrung 18 aufweist, um den Kathodenstift einer im übrigen gebräuchlichen Spektrallampe aufzunehmen. Eine oder mehrere ringscheibenförmige Teile 20, welche den metallischen Werkstoft darstellen, dessen spektrale Strahlung erhalten werden soll, werden gerade oberhalb des Punktes angeordnet, in welchem die Innenseite des Kathodenhalters 10 sich an den konkaven Bodenteil 14 anschließt. Der Außendurchmesser der ringscheibenförmigen Feile 20 entspricht dem Innendurchmesser des Kathodenhalters 10, und kann beispielsweise 10 mm betragen. Der Innendurchmesser des Durchbruchs 22 in dem ringscheibenförmigen Teil 20 kann beispielsweise 3 mm betragen, und die Gesamtdicke dieser ringscheibenförmigen Teile kann ungefähr 0,75 mm betragen.

Es hat sich als vcrieühafi erwiesen, eine Mehrzahl von sehr dünnen, beispielsweise 0,25 mm dicken, aufeinandergestapelten ringscheibenförmigen Teilen 20 zu verwenden, aber es icann natürlich auch ein einziger, etwas dickerer Teil 20 vorgesehen sein. Nachdem die Teile 20 in der Nähe des Bodens 14 der Innenseite des Kathodenhalters 10 angeordnet sind, wird ein mit einem Längskanal versehenes Verschlaßstück 30 in den Kathodenhalter 10 eingesetzt Das Verschlußstück 30, das aus dem gleichen Material wie der Kathodenhalter 10 bestehen kann, hat einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Wandungsteils 12 des Kathodenhalters !0 ist

Ein zentraler Längskanal 32 erstreckt sich über die gesamte Länge des Verschlußstücks 30. Außerdem weibt das Verschlußstück 30 eine konkave Stirnfläche 34 auf. Das kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß der Längskanal 32 und die konkave Stirnfläche 34 einem Loch gleichen, wie es für eine Senkschraube erzeugt wird. Obwohl der Boden 14 des Kathodenhalters 10 und die dieser zugekehrten Stirnfläche 34 des Verschlußstücks 30 in F i g. 1 als relativ flach-konische Flächen dargestellt sind, wie sie durch übliches Einsenken gebildet würden, können sie statt dessen auch gekrümmt sein, so daß sie wirklich konkave, einander zugewandte Flächen bilden. Beispielsweise können die Flächen 14 und 34 gleich oder verschieden konkave sphärische oder sonstwie gekrümmte Flächen sein. Der Durchmesser des Längskanals 32 in dem Verschlußstück 30 ist ungefähr gleich dem Durchmesser des Durchbruchs 22 in dem ringscheibenförmigen Teil 20,

z. B. 3 mm.

Die Anordnung nach F i g. 1 wird in bekannter Weise in eine im übrigen übliche Hohlkathoden-Spektrallampe eingesetzt. Während des Einlaufens und den früheren Stadien der Benutzung der Spektrallampe wird ein wesentlicher Teil des Metalls des ringscheibenförmigen Teils 20 zerstäubt, so daß dieser Teil 20 zu einer etwas dünneren Scheibe 20' mit einem vergrößerten Durchbruch 22' verkleinert wird, wie in F i g. 2 erkennbar ist. Der größte Teil des zerstäubten Materials tritt durch den Längskanal 32 nicht aus der Hohlkathode aus, sondern bildet statt dessen einen im wesentlichen gleichförmigen Überzug 40 über die benachbarten Flächen 14 und 34 in F i g. 1 des Kathodenhalters 10 und des Verschlußstücks 30.

Da sowohl der Kathodenhalter 10 als auch das Verschlußstück 30 aus Material bestehen, welches eine größere Austrittsarbeit besitzt, so daß sie unter Betriebsbedingungen der Spektrallampe nicht merklich zerstäuben, werden sie während des Gebrauchs nicht wesentlich verformt. Der zerstäubte Überzug 40 des metallischen Werkstoffs, dessen Spektralstrahlung gewünscht wird, bildet einen im wesentlichen sphärischen Überzug auf den Flächen, wie in F i g. 2 gezeigt ist. So bildet die Hohlkathode nach einer relativ nur kurzen Zeit einen im wesentlichen sphärischen inneren Hohlraum, welcher den gleichmäßigen Überzug 40 auf seiner gesamten Oberfläche aufweist. Der aktive emittierende Teil der Hohlkathode nimmt daher diese äußerst wirksame Gestalt an und ist wirksam abgeschirmt oder eingeschnürt durch das Verschlußstück 30, so daß er einen relativ engen Entladungskanal zu der Anode durch den langgestreckten Durchbruch 32 bildet. Diese besondere Ausgestaltung gestattet so die Herstellung einer Hohlkathode, welche einen im

b5 wtrentlichen sphärischen, beschichteten Hohlraum besitzt und einen relativ eng eingeschnürten Kanal, ohne daß irgendwelche schwierigen inneren Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind. Außerdem ist diese

Ausgestaltung besonders nützlich, wenn das »aktive« Material, d. h. das Material der Teile 20, 20' und des Überzugs 40 sehr teuer und/oder schwierig zu erhalten ist.

Eine Hohlkathode, die im wesentlichen den Fig. 1 und 2 entspricht, ist hergestellt und erfolgreich in im übrigen gebräuchlichen Hohlkathoden-Spektrallampen benutzt worden, bei welcher Ytrium das gewünschte emittierende Metall war, indem ein Kupferkathodenhalter 10 und ein KupferverschluBstück 30 benutzt wurde, die im wesentlichen den in den genannten Figuren dargestellten Teilen und den als Beispiel angegebenen Abmessungen entsprachen.

Speziell wurde das Ytrium anfänglich wie in F i g. 1 als drei 0.25 mm dicke ringscheibenförmige Teile eingesetzt, die aufeinandergestapelt waren, so daß sie einen 0,75 mm dicken Teil 20 bildeten. Diese Hohlkathode wurde in einer ansonsten üblichen Hohlkathoden-Spektrallampe erfolgreich geprüft, wobei Neon als das Niederdruck-Füllgas diente. Ähnliche Lampen, bei welchen der Teil 20 aus im wesentlichen reinem Uran, Holmium. Samarium, Ytterbium, Erbium, Gadolinium, Dysprosium, Terbium, Neodym, Ruthenium und Praseodym bestand, sind gebaut und wenigstens teilweise mit Erfolg ausprobiert worden.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Form der Hohlkathode, die besonders geeignet ist, wenn da.» spektral emittierende Metall einen Schmelzpunkt in der Nähe oder etwas unterhalb der Temperatur der Kathode während des Betriebs der Spektrallampe besitzt. In F i g. 3 kann der Kathodenhalter 50 in gleicher Weise ausgebildet sein wie in F i g. 1 und 2. Wie in F i g. 1 und 2 ist der Boden 54 des Innenraums des Kathodenhalters 50 in etwa konkav gemacht. Der Seitenwandungsteil 52 des Kathodenhalters 50 ist an seiner Innenfläche in der Nähe des offenen Endes der Kathode mit einer Ausnehmung versehen, so daß er einen Wandungsteil 53 von verminderter Wandungsstärke bildet. Ein Verschlußstück 70 mit einem Längskanal 72 kann dann durch Preßsitz in den Teil des Kathodenhalters 50 eingesetzt werden, dessen Innendurchmesser infolge der verminderten Wandungsstärke vergrößert ist. Entweder vor oder nach einem solchen Einsetzen des Verschlußstücks 70 in das offene Ende des Kathodenhaiters 50 wird eine gewisse Menge des metallischen Werkstoffes, dessen spektrale Emission gewünscht wird, in das Innere des Kathodenhalters eingeführt, wobei natürlich kleine Teilchen benutzt werden, falls das Verschlußstück schon in dem Kathodenhalter sitzt. Durch Aufheizen der gesamten Kathode oder durch bloßes Betreiben der Spektrallampe nach Einsetzen der Kathode wird die Kathode auf eine temperatur etwas oberhalb des Schmelzpunktes dieses metallischen Werkstoffes gebracht. Dieser kann zum Schmelzen gebracht und es kann ein im wesentlichen gleichförmiger Überzug 80 erzeugt werden, indem die Hohlkathode

5 oder die gesamte Spektrallampe, in welcher die Hohlkathode sitzt, um die Längsachse der Hohlkathode gedreht wird. Vorzugsweise sollte das Material des Kathodenhalters 50 so gewählt werden, daß es von dem speziellen aktiv emittierenden metallischen Werkstoff des Überzugs 80 leicht benetzt wird aber sich nicht leicht mit diesem legiert. Wenn beispielsweise das aktiv emittierende Material Blei oder Zinn ist, kann der Kathodenhalter 50 aus Eisen bzw. Titan hergestellt sein. Das Verschlußstück 70 kann aus irgendeinem geeigneis ten Material bestehen, welches weder merklich zerstäubt noch das gewünschte aktive Metall des Überzugs 80 spektral stört. Im allgemeinen kann es — aber braucht nicht — aus dem gleichen Material hergestellt sein wie der Kathodenhalter 50. Nachdem

der Überzug 80 anfänglich gebildet worden ist, behält er für eine feste Stellung der die Hohlkathode enthaltenden Spektrallampe im allgemeinen die in Fig. 3 dargestellte Form bei, auch wenn das Material des Überzugs 80 normalerweise während des Gebrauchs der Lampe schmilzt und zwischen den Benutzungen sich wieder verfestigt. Wegen der Schwerkraft ist der Überzug 80 unten etwas dicker als oben.

Wie oben mit Bezug auf die Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 gesagt wurde, braucht die konkave Bodenfläche 54 des Kathodenhalters 50 und die dieser zugekehrte Stirnfläche 74 des Verschlußstücks 70 nicht flach-konisch zu sein, wie in F i g. 3 dargestellt ist. Vielmehr können verschiedene gekrümmte Formen, die beispielsweise Teile einer Kugel annähern, insbesondere für die Bodenfläche 54 benutzt werden. In der Ausführungsform von F i g. 3 kann die genaue Form der Stirnfläche 74 am inneren Ende des Verschlußstücks 70 variiert werden, um so sicherzustellen, daß kein merklicher Verlust an Material des Überzugs 80 während der Benutzung der Spektrallampe stattfindet, wenn das Material vollständig oder wenigstens teilweise geschmolzen ist. Wie in F i g. 3 dargestellt ist, ist der Längskanal 72 in dem Verschlußstück 70 vorzugsweise etwas schmaler als der sich einstellende Durchmesser des beschichteten Hohlraumes, wodurch eine relativ große emittierende beschichtete Oberfläche erhalten wi " während die Menge des Materialverlustes pro Zei .mheit während des Betriebs der Spektrallampe begrenzt wird. Die annähernd sphärische Gestalt des emittierenden Hohlraumes, der von dem Überzug 80 gebildet wird, vergrößert auch die Wirksamkeit und damit die Heiligkeit der Spektraisirahlung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hohlkathode für Spektrallampen mit einem metallischen Hohlkathodenhalter. der eine rohrförmige Seitenwandung und einen Bodenteil besitzt, dessen Innenfläche zu dem Hohlraummittelpunkt der Kathode hin im wesentlichen konkav ist und mit einem Überzug aus einem metallischen Werkstoff, dessen Spektralstrahlung gewünscht wird, auf der Innenfläche wenigstens des Bodens und der unmittelbar angrenzenden Seitenwandungsteile, gekennzeichnet durch ein Verschlußstück (30, 70) am offenen Ende des Kathodenhalters (!0, 50) zum Einschnüren des Innenraumes dieses Kathodenhalters (10, 50), das einen Längskanal (32, 72) von vermindertem Durchmesser aufweist

2. Hohlkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Verschlußstück (30,70) von einer im wesentlichen rohrförmigen Hülse gebildet wird, deren Außenfläche der Innenfläche der rohrförmigen Seitenwandung (12, 52) des Hohlkathodenhalters (10, 50) entspricht und an dieser anliegt, und daß diese Hülse sich vom offenen Ende des Hohlkathodenhalters (10, 50) in den Innenraum bis zu einem Punkt erstreckt, der einen geringen Abstand von der Innenfläche des Bodens (14,54) des Hohlkathodenhalters (10,50) aufweist.

3. Hohlkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Stirnfläche des Verschlußstückes (30) um den Längskanal (32) herum mit einer konischen Einsenkung (34) versehen ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Hohlkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlkathodenhalter (10) zunächst ein ringscheibenförmiger Teil (20) aus dem besagten metallischen Werkstoff und danach das Verschlußstück (30) eingesetzt wird, und daß anschließend die Spektrallampe mit der so aufgebauten Hohlkathode betrieben wird, derart, daß sich durch teilweises Zerstäuben des ringscheibenförmigen Teils (20) eine Schicht (40) auf dem Boden und der angrenzenden Innenwandung des Hohlkathodenhalters (10) und der inneren Stirnfläche des Verschlußstückes (20) niederschlägt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Hohlkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte metallische Werkstoff in kleinen Stücken in den topfförmigen Hohlkathodenhalter (50) zwischen dessen Boden und das Verschlußstück (70) eingebracht wird und daß dann der Hohlkathodenhalter (50) mit diesen Stücken bis über den Schmelzpunkt des besagten metallischen Werkstoffs erwärmt und der Hohlkathodenhalter (50) um seine Längsachse gedreht wird, wobei der geschmolzene Werkstoff die Innenwandung und den Boden (54) des Hohlkathodenhalters (50) benetzt.