DE2016380A1

DE2016380A1 - Verfahren zum Verringern des Gaspartialdruckes innerhalb eines vorgegebenen Bereiches einer Ionenentladungsröhre und Dampf-Ionenentladungsröhre zum Durchführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2016380A1
Application number: DE19702016380
Authority: DE
Inventors: Karl Gerhard Princeton N.J. Hernqvist (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-04-04
Filing date: 1970-04-06
Publication date: 1970-10-15
Also published as: GB1294032A; DE2016380C3; US3639804A; JPS51391B1; DE2016380B2

Description

6949-70;Dr.ν.B/Schä

RCA 60,811
U.S.Ser.No. 813,485
Piled: April 4,1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Verfahren-zum ,Verringern des GaspartialdrUckes innerhalb eines vorgegebenen Bereiches einer Ionenentladungsröhre und Dampf-Ionenentladungsröhre zum Durchführen dieses Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern des Gaspartialdrückes und der Moleküldichte eines von mindestens zwei ionisierbaren Gasen innerhalb eine's"vorgegebenen Bereiches bezüglich des relativen Gasdruckes und der Moleküldichte dieses Gases innerhalb eines anderen, an den vorgegebenen Bereich angrenzenden Bereiches in einer Ionenentladungsröhre, in deren Gasfüllung das erwähnte Gas mit einer mittleren Moleküldichte vorliegt, die mindestens gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist, bei dem und oberhalb dessen ein im vorgegebenen Bereich angeordnetes und mit der Gasfüllung in Berührung stehendes Röhrerlbauteil nachteilig beeinflußt wird.

Entladungsröhren werden häufig zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich verwendet. Die Wellenlänge oder Wellenlängen , der emittierten Strahlung hängt dabei sowohl von der Zusammensetzung der Gasfüllung der Röhre als auch von der Betriebsart der Röhre ab.

Bestimmte Gase, z.B. die Edelgase, reagieren weder chemisch noch physikalisch mit irgendeinem anderen Element der Entladungsröhre und haben daher von Natur aus keinen schädlichen Einfluß auf. den Betrieb der Entladungsröhre. In machen Fällen besteht jedoch die Gefahr, daß das zur Erzeugung einer Strahlung gewünschter Wellenlänge erforderliche Gas in der Gasentladungsröhre in unerwünschter Weise physikalisch oder chemisch mit einem oder mehreren Elementen der Entladungsröhre reagieren

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und diese nachteilig beeinflussen kann. Chlor vermag z.B. ' chemisch mit dem Material zu reagieren, aus dem die Kathode der Röhre besteht. ^]

Von besonderem Interesse sind auch Dampfentladungsröhren. : Eine elektrische Dampfentladungsröhre enthält ein Gas aus einem Material, wie z.B. Cadmium oder Quecksilber, das bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist. Das verdampfte Material neigt daher dazu, an den Rohrwandungen einschließlich der oder den Penstern, die zum Austritt der in der Röhre erzeugten Strahlung dienen, zu kondensieren. Dies stört selbstverständlich den Betrieb der Röhre, da der auf einem Fenster kondensierte Dampf für die !Strahlung undurchlässig ist und ausoerdem die optische Oberflächenbeschaffenheit des Fensters durch Korrosion beeinträchtigen kann.

Bestimmte Dampf-Ionenentladungsröhren eignen sich für Laser. Diese Röhren enthalten als Füllung eine Mischung, welche ein Edelgas, wie Helium enthält, das mit dem ionisierbaren Dampf eines bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Materials, wie Cadmium oder Quecksilber, versetzt ist. Gasentladungsröhren, einschließlich Dampfentladungsröhren, für Laser sind im allgemeinen langgestreckt und werden in einem geeigneten optischen Resonanzhohlraum, der sich ganz innerhalb der Röhre oder teilweise auch aus;;erhalb der Röhre befinden kann, betrieben. Im Falle eines äueseren Resonanzhohlraumes sind die Enden der Röhre durch Fenster abgeschlossen, die normalerweise im Brewster-Winkel angeordnet sind, und der optische Resonanzhohlraum wird durch zwei äussere, den Fenstern zugeordnete Spiegel begrenzt. Mindestens einer der Spiegel ist teilweise durchlässig, so daß die Strahlung ausgekoppelt werden kann. Im Fülle eines inneren optischen Uesoiianzholilraumes sind die Enden der Gasentladungsröhre des Lasers durch Bauelemente abgeschlossen, die reflektierende Innenflächen aufweisen. Auch hier ist mindestens eines dieser den Resonanzhohlraum begrenzenden Bauteile teilweise durchlässig, so daß es als Fenster für die aus dem Laser austretende Strahlung wirkt.

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Manche Gaslaser, wie der. Helium-Neon-Laser erzeugen die Strahlung zwar -in einerGlimmentladung mit Gas im neutralen, unionisierten Zustand, bei vielen anderen Gaslasern, einschließlich den Dampf-Ionen—Lasern wird die Strahlung jedoch in einer Bogenentladung durch Gas im ionisierten Zustand erzeugt.

Ein Problem bei Lasern, die mit Dampf-Ionenentladungsröhren arbeiten, besteht darin, ,daß sie jeweils nur für wenige. Stunden betriebsfähig sind,, da der Dampf auf den Fenstern der Laserröhre kondensiert und dort eine Schicht bildet, die für die · in der Entladungsröhre erzeugte Strahlung verhältnismäßig undurchlässig ist. .Ausserdem hat die Schicht aus dem kondensierten Material in vielen Fällen,, ZoB. bei Verwendung von Cadmium, eine verfärbende und korrodierende Wirkung auf die optische Oberfläche des Fensters. Die sehr kurze Lebensdauer hat die Anwendbarkeit von Lasern, die mit Dampf-Entladungsröhren arbeiten, auf Laboratoriumsversuche beschränkt und ihre allgemeine Einführung* verhindert. ·.·.-.·

Die oben geschilderten Schwierigkeiten .lassen sich nicht einfach dadurch vermeiden, daß man die Fenster der Dampf-Entladungsröhre auf einer über der Kondensationstemperatur des Dampfes liegenden Temperatur hälto Wenn man die Fenster eines Lasers mit einer Temperatur betreibt, die verhältnismäßig hoch im Vergleich zur Raumtemperatur ist, wird die lussenluft in der Nähe der Fenster der.Entla.dungsröhre erwärmt und es entstehen Turbulenzen", die reglose Änderungen des Brechungsindex der an die Fenster angrenzenden Luft zur Folge haben und die vom Laser emittierte kohärente Strahlung nachteilig beeinflussen. Wenn man die Brewster-Fenster oder die Innenspiegel des Resonanzhohlraumes auf einer Temperatur hält, die ausreicht,um eine Kondensation von Dampf zu verhindern, nimmt ausserdem die korrodierende Wirkung des Dampfes auf diese, optischen Bauteile stark zu.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe' zugrunde, die oben geschilderten Hachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Betrieb einer Ionenentladungsröhre, die ..mit einer Anzahl voii

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Gasen gefüllt ist, von denen eines normalerweise einen nachteiligen Einfluß auf ein Element, das sich in einem vorgegebenen Bereich innerhalb der Röhre befindet, ausübt, anzugeben,· bei dem ein solcher nachteiliger Einfluß vermieden wird. Dies !

wird durch Kataphorese erreicht, indem eine bestimmte elektro- j

statische Kraft erzeugt wird, um Ionen des betreffenden Gases '

von dem vorgegebenen Bereich der Röhre in Richtung auf einen ;

benachbarten Bereich zu beschleunigen und dadurch den Druck '

und die Moleküldichte des betreffenden Gases in dem vorgegebe- !

nen Bereich unter den Grenzwert abzusenken, bei dessen Über- '

schreiten ein nachteiliger Einfluß des Gases auf das in dem j

vorgegebenen Bereich befindliche Element merklich wird. '

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zum Herabsetzen der Dichte von Dampfmolekülen und des Dampfdruckes in : einem an einen bestimmten Teil, wie ein Fenster, einer Dampf-Ionenentladungsröhre angrenzenden Bereich um einen Betrag, der ausreicht, um eine nennenswerte Ansammlung von kondensiertem Dampf auf dem betreffenden Teil wählend des Betriebes der Röhre zu verhindern., !

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangsgenannten Art dadurch gelöst, daß der andere Bereioh auf einem bezüglich des vorgegebenen Bereiches negativen Potential eines solchen Wertes gehalten wird, daß eine elektrostatische Kraft zur Beschleunigung von Ionen des erwähnten Gases vom vorgegebenen Bereich in Richtung auf den anderen Bereich entsteht, und der Partialdruck sowie die Moleküldichte des erwähnten Gases innerhalb des vorgegebenen Bereiches in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz unter den Grenzwert herabgesetzt werden, bei dessen Erreichen oder Überschreiten eine nachteilige Beeinflussung des Röhrenbauteils eintritt.

Durch die Erfindung wird also ein kataphoretiscb.es Verfahren zur Verlängerung der effektiven Lebensdauer von bestimmten Typen von Ionenentladungsröhren angegeben, die eine Anzahl von Gasen enthalten, einschließlich eines Gases, das

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die Lebensdauer der Röhre"normalerweise verkürzt.

Dampfentladungsröhren zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von AusführungsBeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen: : .

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Pig. 2 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figo 1;

. Figo 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figo""!;

Figo 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Aus-

- ι

führungsbeispiels der Erfindung; . ;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Aus- ; führungsbeispiels der Erfindung; . j

■ ■ i

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten Aus- j führungsbeispiels der Erfindung und ^!

Figc 7 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig« 6» ■ ,".

Fig. 1 zeigt eine für die Verwendung in einem Laser geeignete langgestreckte Dampf-Ionenentladungsröhre TO» Die Enden der Entladungsröhre sind durch Brewster-Fenster 12 und 14 verschlossen» .An einer bestimmten Stelle der Röhre 10 befindet sich In einem gewissen Abstand vom linken Fenster 12 eine Dampfquelle 16„ Die Dampf "quelle 16 enthält eine anfängliche . Füllung eines.verdampfbaren und ionisierbaren Materials ₉ wi© Cadmium oder Quecksilber;, im nicht-gasförmigen Zustand .in der Röhre 10. Die Dampfquelle 16 kenn ausserdgm eine 'Heizvorrichtung, z.B* eine die Röhre 10 in der Nähe dee Materials 18 umgebende Heizwendel oder -ein Heißluftgebläse, das eintn heißen Luftstrom auf den das Material 18 enthaltenden feil der Röhre richtet, enthalten, um das Material 18 zu verdampfen. In j

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manchen Fällen, in denen die durch Entladung in der Röhre erzeugte Wärme zum Verdampfen des Materials 18 ausreicht, kann auf eine äussere Heizvorrichtung in der Dampfquelle 16 verzichtet werden. Die Röhre 10 kann ausser dem Material 18 auch ein ionisierbares, im Normalzustand gasförmiges Material, wie Helium, enthalten, um die Erzeugung einer Entladung im Dampf zu erleichtern, wie es "bei Dampfentladungsröhren üblich ist«

An einer zweiten Stelle längs der Rohre 10, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechts von der Dampfquelle 16 und in einem gewissen Abstand vom Fenster 14 ist ein Kondensatorteil 22 angeordnet. Die innere Oberfläche der Röhre 10 wird im Bereich des Kondensatorteiles 22 auf einer Temperatur gehalten, die nicht höher ist als es für eine Kondensation des Dampfes aus dein Material 18 erforderlich ist. Der Kondensatorteil 22 kann eine äussere Luft- oder Wasserkühlung enthalten. Bei entsprechender Form und GröiSe der Wände der Röhre 10 in der Nachbarschaft des Kondensatorteiles 22 kann jedoch unter Umständen die Betriebstemperatur der Innenfläche der Röhre 10 auch ohne äussere Kühlung im Kondensationsbereich unter der Kondensationstemperatur liegen, so daß dann eine zusätzliche Aussenkühlung entfallen kann.

Wie dargestellt, sind in der Röhre 10 vier Elektroden angeordnet, nämlich eine Elektrode 24 zwischen dem linken Fenster 12 und der ersterwähnten Stelle, an der sich die Dampfquelle 16 befindet, eine Elektrode 26 an der ersterwähnten Stelle, an der χ ich die Dampfquelle 16 befindet, eine Elektrode 28, an der als zweites erwähnten Stelle, an der sich der Kondensatorteil 22 befindet, und eine Elektrode 50 zwischen der als zweites erwähnten Stelle, an der sich der Kondensatorteil 22 befindet, und dem rechten Fenster 14. Die Elektroden 24, 26, 2ü und 30 sind jeweils mit einer eigenen Ausgangeklemme einer Gleichspannungsquelle 32 verbunden. Die vier Ausgangsklemmen der Gleichapannungsquelle 32 liefern jeweils eine verschiedene Spannung. Genauer gesagt, ist die Spannung V⁺an der Elektrode 26 genügend positiv bezüglich des Potentials V^- an der

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Elektrode 28, um ein ionisiertes Dampfentladungsplasma im Bereich zwischen der ersterwähnten und der als zweites erwähnten Stelle der Röhre 10, an denen sich die Dampfquelle 16 "bzw« der Kondensatorteil 22 befinden, aufrechtzuerhalten» Die Spannung V⁺ an der Elektrode 24 ist um einen bestimmten Betrag, auf den noch eingegangen wird, positiver bezüglich der Spannung V an der Elektrode 26.

In entsprechender, weise ist die Spannung V⁺"" an der Elektrode 30 um einen bestimmten.Betrag, auf den ebenfalls unten noch eingegangen wird, positiver bezüglich der Spannung V~ an der Elektrode 28.

Tm Betrieb der in Fig» 1.dargestellten Apparatur verdampft die Dampfquelle 16 mindestens einen Teil des Materials 18 und der entstehende Dampf mischt sich mit dem Gas oder den Gasen, die die Füllung der Röhre gegebenenfalls ausserdem enthält. Durch die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 26 und 28 entsteht ein ionisiertes Plasma in der Röhre 10. . Durch die Potentialdifferenz zwischen Elektroden 26 und 28 entsteht ausserdem ein Potentialgradient zwischen den erwähnten Stellen der Röhre 10, der durch den Pfeil 34 angedeutet ist und die Richtung von der ersterwähnten zu der als zweites erwähnten Stelle hatο Da die Dampfionen im Plasma positiv geladen sind, werden sie durch die elektrostatische Kraft entsprechend diesem Potentialgradienten in Richtung von der Dampfquelle zum Kondensatorteil 22 beschleunigt. Diese Neigung der Dampfionen, unter dem Einfluß der elektrostatischen Kraft von der Dampfquelle■16 zum Kondensatorteil 22 zu wandern, ist als Kataphorese bekannt.

Trotz des kataphoretischen Transports der Dampfkmen von der Dampfquelle 16 zum Kondensator 22 diffundieren viele Ionen und Moleküle in den links von der Dampfquelle 16 gelegenen Bereich der Röhre 10. Normalerweise würden diese abdiffundierten Dampfmoleküle und Ionen auf dem Fenster'12 kondensieren und.dort eine strahlungsundurchlässige und häufig auch korrosive Schicht

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des Materials 18 "bilden.. Da die Elektrode 24 jedoch auf einem Potential gehalten wird, das positiv bezüglich des Potentials der Elektrode 16 ist, existiert eine durch den Pfeil 36 dargestellte kataphoretische Kraft, die die Dampfionen und -moleküle, die in den links von der Dampfquelle 16 gelegenen Bereich der Röhre 10 abdiffundiert sind, zurück in den Bereich zwischen der Dampfquelle 16 und dem Kondensatorteil 22 transportiert. Hierdurch werden die Dichte der Dampfmoleküle und -ionen und der Dampfdruck in dem an das Fenster 12 angrenzenden Bereich der Röhre 10 auf einem Wert gehalten, der um einen von der Potentialdiiferenz zwischen den Elektroden 24 und 26 abhängigen Betrag kleiner als der Wert dieser Größen im Bereich zwischen der Dampfquelle 16 und dem Kondensatorteil 22.ist. Wenn die Potentialdifierenz zwischen den Elektroden 24 und 26 mindestens gleich einem vorgegebenen Wert gemacht wird, können die Dichte der Dampfmoleküle und -ionen und der Dampfdruck in dem an das Fenster 12 angrenzenden Bereich der Röhre auf Werten gehal ten werden, die unter dem Grenzwert liegen, bei dem eine nennens werte Kondensation von Dampfmolekülen auf dem Fenster 12 stattfindet. ·

Um eine quantitative Abschätzung zu geben, sei eine Entladungssäule betrachtet, die von einer Röhre der Länge L eingeschlossen ist, längs welcher ein Spannungsabfall V herrscht. Das Plasma sei mit einem Metalldampf niedriger Ionisierungsspannung geimpft und der Ioniseitionsgrad <x sei konstant. Wegen des Gleichgewichtes zwischen der kataphoretischen Drift und der Rückdiffusion ist

N⁺ /U₊ J = D grad N

wobei bedeuten:

N = lonendampfdichte

,u - Ionenbeweglichkeit

D = Diffusionskonstante

N = Neutraldampfdichte.

Mit N ist = ot N erhält man

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Ko

= exp

=exp

wo "bei bedeuten: T = Ionentemperatur

No

und

= die Daiapfdichten an den beiden Enden der

Säule. Für typische Werte wie et = 1/10,

,ο

= 1OOO^UK und V = 10 Volt

erhält manfcro/N, ~ 10 hältnis.

also ein sehr groi3es Dampfdichtever-

In entsprechender Weise ergibt das bezüglich der Elektrode j

- Ί

22 positive Potential der Elektrode 30 eine kataphoretische ; Kraft, die durch den Pfeil 38 dargestellt ist und ausreicht", ι um eine nennenswerte Ansammlung kondensierter Dampfmoleküle auf dem Fenster zu verhindern. Die Fenster 12 und 14 bleiben da-'¹ her für die vom Dampfplasma in der Röhre 10 emittierte Strahlung durchlässig und die Lebensdauer der Röhre.10 wird nicht , wie !

bisher durch die Kondensation von Dampf auf den Fenstern 12

und 14 verkürzte " ' -

Figo 2 zeigt eine erste etwas vereinfachte Abwandlung der ; in.Figo 1 dargestellten Apparatur» Die Apparatur gemäß Figo 2 stimmt mit der gemäß Figo 1 überein mit der Ausnahme, daß die Elektroden 26 und 30 fehlen und daß die Gleichspannungsquelle 32a nur zwei Klemmen hat ₉ von denen die eine ein positives Potential für die Elektrode 24 und die andere ein negatives Potential für die Elektrode 28 lieferte Bei dieser Anordnung wird ein kataphoretischer Potentialgradient auftreten₈ wie' er durch den von der Elektrode 24 zur Elektrode 28 im' Konden-Batorteil 22 reichenden Pfeil 40 angedeutet ist- Obgleich die ersterwähnte Stelle, an äer sioh die Dampfquelle 16 befindet, bei Fig. 2 nicht direkt mit &@<r Gleichspannungsquelle 32a^Yer« frtmden ist_? wird er ein bestimmtes Potential annehmen_s das negativ "beaüglish doe Potentials an, der Elektrode 24 und positiv "böisüglish des Potentials an der Elektrode 28 ist» Wann man die PotentiaXdiff®rens swiseksn den UlektzO.döÄ 24 und 28 genügend groß macht, wird der kataphoretisohe Effekt bei der

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Apparatur gemäß Pig. 2 genügend ausgeprägt sein, um jede ■ nennenswerte Ansammlung von kondensiertem Dampf auf dem Fenster 12 zu verhindern. Bei der Apparatur gemäß Figo 2 muß man sich jedoch hinsichtlich der Verringerung der Dichte der Dampfionen und-moleküle und des Dampfdruckes in dem rechts von dem Kondensator 22 in Pig. 2 gelegenen Teil der Röhre und dementsprechend der Vermeidung einer nennenswerten Ansammlung von kondensiertem Dampf auf dem Fenster 14 ausschließlich auf die Kondensation des verdampften Materials im Kondensatorteil 22 verlassen.

Pig. 3 zeigt eine zweite vereinfachte Abwandlung der Apparatur gemäß Pig. 1. Die Apparatur gemäß Figo 3 stimmt mit der gemäß Figo 1 überein, mit der Ausnahme, daß die Elektroden 26 und 28 fehlen, und daß die Gleichspannungsquelle 32b nur zwei Ausgangsklemmen hat, von denen die eine eine positive Spannung für die Elektrode 24 und die andere eine negative Spannung für die Elektrode 30 liefert, um einen kataphoretischen Potentialgradienten zu erzeugen, der durch den Pfeil 42 dargestellt ist. Dabei wird sie dann an der ersterwähnten Stelle, an der sich die Dampfquelle 16 befindet, ein vorgegebenes erstes Potential einstellen und an der als zweites erwähnten Stelle, an der sich der Kondensatorteil 22 befindet, wird sich ein bestimmtes zweites Potential einstellen« Das erste Potential wird verhältnismäßig stark negativ bezüglich des Potentials der Elektrode 24 und positiv bezüglich des Poteritialwerts beim Kondensator und des Potentials an der Elektrode 30 sein. Das zweite Potential wird negativ bezüglich des Potentials der Elektrode 24 sowie des ersterwähnten Potentials im Bereich der Dampfquelle 16 und positiv bezüglich des Potentials bezüglich der Elektrode 30 sein. Der Potentialgradient 42 hat einen ausreichenden Wert, um. die Dichte der Dampfionen und -moleküle und den Dampfdruck so niedrig zu halten, daß sich auf dem Fenster 12 keine nennenswerte Menge kondensierten Dampfes ansammeln kann. Wie bei

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go 2 wird die Ansammlung von kondensiertem Material auf dem Fenster 14 im wesentlichen durch die Kondensation des Dampfes im Kondensatorteil 22 verhindert.

Die Lebensdauer der Röhre 10 in der Ausführungsform gemäß Figo 1 und deren vereinfachten Abwandlungen gemäß Figo 2 und 3 ist dadurch begrenzt, daß schließ]Jch_s wenn auch erst nach einer sehr erheblichen Zeitspanne, praktisch alles Material 18 von der Dampfquelle 16 verdampft, kataphoretisch ztün Kondensatorteil 22 transportiert und in diesem kondensiert worden isto Wenn z.B. 10 Gramm verdampfbares Material eingefüllt wird, und die Verdampfungsgeschwindigkeit 10 Milligramm pro · Stunde beträgt, hat die Röhre eine Lebensdauer von 1000 Stundeni Diese durch den einmaligen Materialstransport gesetzte Begrenzung der Lebensdauer der Apparatur gemäß Fig.1, 2 und 3 wird bei den Ausführungsbeispielen gemäß Pig. 4 und b vermieden.

Bei, Fig* 4 kann die dem Material 18 an der ersterwähnten Stelle zugeordnete Dampfquelle 16a wahlweise auch als Kondensator betrieben werden. In entsprechender Weise kann der Kondensator "22a,der der zweiten Stelle der Röhre zugeordnet ist, wahlweise auch als Dampfquelle betrieben werden. Mit anderen Worten gesagt, vermögen die Elemente 16a und 22a jeweils die Aufgabenbeider Elemente 16 und 22 in jeder der Figuren 1 bis 3 zu erfüllen. Die Röhre 10 in Fig. 4 soll ferner bezüglich ihrer Mitt.e rechts-links-symmetrisch sein. Die Apparatur gemäß Figo 4 enthält ausserdem einen Kommutatorschalter 44, der an die Elektrode 24 eine positive Spannung und an die Elektrode 30 eine negative Spannung legt, wenn er sich in seiner oberen Stellung befindet, und eine negative Spannung an die Elektrode 24 sowie eine positive Spannung an die Elektrode 30, wenn er sich in seiner unteren Stellung befindet.

Bei/ierApparatur gemäß Fig. 4 arbeitet anfänglich das Element 16a als Dampfquelle und das Element 22a als Kondensator, und der Schalter 44 befindet sich in seiner oberen Stellung. In diesem Falle entspricht "die Arbeitsweise der Apparatur

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gemäß Fig» 4 praktisch genau der der Fig» 3, die oben erläutert wurde. Wenn jedoch das ganze Material 18 verdampft, dann kataphoretisch von der ersten zur zweiten Stelle der Röhre transportiert, und im Bereich der zweiten Stelle durch das Element 22a kondensiert worden ist, wie das Bezugszeichen 48 zeigt, wird das Element 16a nun als Kondensator betrieben, das Element 22a arbeitet als Daiapfquelle und der Schalter 4-4 ; wird in die untere Stellung umgelegt. Zwischen den Elektroden 30 und 24 herrscht nun ein kataphoretischer Potentialgradient : in Richtung des Pfeiles 46. Das kondensierte Material 48 wird nun wieder verdampft, der Dampf wird kataphoretisch vom Element 22a zurück zum Element 16a transportiert und das Material wird erneut im Bereich der ersten Stelle, wo sich das Element 16a befindet, kondensiert. Nachdem das ganze Material wieder an der ersten Stelle kondensiert worden ist, kann das Element 16a wieder als Dampfquelle und das Element 22a wieder als Kondensator betrieben werden, wobei der Schalter 44 dann wieder in die obere Stellung umgelegt wird und der ganze Vorgang erneut abläuft.

In Fig. 4 ist der Einfachheit halber eine Apparatur mit nur zwei Elektroden entsprechend Fig. 3 dargestellt worden, selbstverständlich kann auch die Apparatur mit vier Elektroden gemäß Fig. 1 mit einer vier Ausgangsklemmen aufweisenden Gleichspannungsquelle so betrieben werden, wie es anhand von Fig» 4 erläutert wurde. In diesem Falle wird natürlich ein komplizierterer Umpolungsschalter zur Umpolung der vier Spannungen benötigt.

Die Apparatur gemäß Figo 5 entspricht der gemäß Fig. 3 mit der Ausnahme, daß durch eine Hilfsröhre 50 eine Rückleitung zwischen dem Kondensatorteil 22 und der Dampfquelle 18 gebildet wird. Die Hilfsröhre 50 hat bezüglich des Bereiches der Röhre 10, der die direkte Verbindung zwischen der ersterwähnten und der als zweites erwähnten Stelle bildet, eine solohe Konfiguration, daß das Dampfplasma auf den Hauptteil der Röhre 10 begrenzt wird. In Fig. 5 hat der kataphoretische Transport

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des Dampfes von der Dampfquelle 16 zum Kondensatorteil 22 an der als zweites erwähnten Stelle, an der sich der Kondensatorteil 22 befindet, einen wesentlich, höheren Dampfdruck zur Folge als am ersterwähnten Punkt, an dem sich die Dampfquelle 16 befindet.' Diese kataphoretisch erzeugte Dampfdruckdifferenz reicht aus, um den größten Teil des verdampften Materials, das kataphoretisch von der Dampfquelle 16 zum Kondensatorteil 22 transportiert worden ist, durch die durch · die Hilfsröhre 50 gebildete Rückleitung zur Dampfquelle 16 zurückzupumpen. Wenn das Material 18, wie im Falle von Quecksilber, normalerweise flüssig ist, wird die kondensierte Flüssigkeit durch diese Dampfdruckdifferenz auch vom Kondensatorteil 22 durch die Hilfsröhre 50 zur Dampfquelle 16 zurückgetrieben. .

Die Röhre 10 in Figo 5 ist der Einfachheit halber mit nur zwei Elektroden dargestellt, selbstverständlich kann die anhand von Fig. 5 beschriebene Anordnung auch bei einer Röhre mit vier Elektroden, die von einer Gleichspannungsquelle mit vier Klemmen gespeist sind, angewendet werden.

In Figo 6 ist eine langgestreckte Dampf-Ionenentladungsröhre 60 dargestellt, die in ihrem mittleren Teil eine anfänglich eingebrachte Füllung aus einem verdampfbaren Material 80, wie Cadmium oder Quecksilber enthält. Die Enden der Röhre sind durch ürewster-Fenster 12 bzw» 14 verschlossen. Symmetrisch bezüglich des mittleren Teiles der Röhre 60 sind in diese,r Elektroden 70, 72, 74» 76 und 78 angeordnete

Die Apparatur gemäß Fig. 6 enthält einen Hochfrequenzgenerator 62 mit einem Ausgangstransformator 64 an dessen mit einem Mittelabgriff versehener Sekundärwicklung 66 eine hoch- ^: frequente Wechselspannung zur Verfügung steht. Der Mittelabgriff der Sekundärwicklung 66 ist mit der in der Mitte angeordneten Elektrode 74 verbunden. Das linke Ende der Sekundärwicklung 66 ist mit der Elektrode 70, die sioh in der Nähe des linken Fensters 12 befindet, über einen Gleichrichter 80 und mit der Elektrode 72, die sich zwischen der Elektrode 70

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und der Elektrode 74 befindet, direkt verbunden. Der Gleichrichter 80 ist so gepolt, daß die Elektrode 70 eine positive

Spannung bezüglich der Elektrode 72 annimmt₀ Hierdurch ent- I

steht ein kataphoretischer Potentialgradient in der Richtung j

des Pfeiles 82 zwischen Elektroden 70 und 72. In entsprechen- j

der Weise ist das rechte Ende der Sekundärwicklung 66 mit dei* j

Elektrode 78 über einen Gleichrichter 82 und mit der Elektrode ■

76 direkt verbunden, so daß ein kataphoretischer Potentialgra- ^;

dient in der Richtung des Pfeiles 84 zwischen der Elektrode 78 I

und der Elektrode 76 entsteht„ !

Die Entladung, die durch die von der Sekundärwicklung 66 ' des Hochfrequenzgenerators 62 zugeführte Ilochfrequenzspannung zwischen den Elektroden 72 und 76 erzeugt wird, entwickelt genügend Wärme, um das Material 80 zu verdampfen. Wegen der Polaritätsumkehr der an den Elektroden 72 und 76 liegenden Spannung nach jeder Halbwelle der Hochfrequenz tritt praktisch auch keine Kataphorese auf, durch die Material in irgendeiner Richtung zwischen den Elektroden 72 und 76 transportiert werden könnte. V/egen des Vorhandenseins der Gleichrichter 80 und 82 nimmt die Elektrode 70 jedoch ein positives Potential bezug- ; lieh der Elektrode 72 und die Elektrode 78 ein positives Potential bezüglich der Elektrode 76 an und es entstehen Potentialgradienten 82 und 84, wie oben erwähnt wurue. Die Kataphoretische Wirkung der Potentialgradienten 82 und 84 reicht aus, um in den an die Fenster 12 und 14 angrenzenden Bereichen der Röhre 60 eine so niedrige Dichte der Dampfionen und -inoleküle und einen so niedrigen Dampfdruck aufrechtzuerhalten, daß eine nennenswerte Kondensation von Dampf auf den Fenstern 12 oder 14 verhindert wird.

Figo 7 zeigt eine etwas abgewandelte Anordnung, die dasselbe leistet wie Anordnung gemäß Fig. 6. Bei Fig. 7 fehlt die Mittelelektrode 74 und die Sekundärwicklung 66a des AusgangstransformatorB 64a des Hochfrequenzgenerators 62a hat keinen Mittelabgriff. Ferner ist das linke Ende der Sekundärwicklung

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66a mit der Elektrode 70 direkt und mit der Elektrode 72 über einen Gleichrichter 80a verbunden, während das rechte Ende der Sekundärwicklung 66a direkt mit der Elektrode 78 und über den Gleichrichter 82a mit der Elektrode 76 verbunden ist. Die Gleichrichter 80a und 82a sind jeweils so gepolt, daß die Elektrode 70 ein positives Potential bezüglich der Elektrode 72 annimmt, um den Potentialgradienten 82 zwischen diesen Elektroden zu erzeugen, und daß die Elektrode 78 ein positives Potential bezüglich der Elektrode 76 annimmt, um den Potentialgradienten' 84 zwischen diesen Elektroden zu erzeugen. Im übri-gen stimmt die Arbeitsweise der Apparatur gemäß Figo 7 mit der in Pig. 6 dargestellten Apparatur überein.

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Claims

-16-Patentansprüche.

I 1 ο/Verfahren zum Verringern des Gaspartialdruckes und der Moleküldichte eines von mindestens zwei ionisierbaren Gasen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches bezüglich des relativen Gasdruckes und der Moleküldichte dieses Gases innerhalb eines anderen, an diesen Bereich angrenzenden Bereiches in einer Ionenenüadungsröhre, in deren Gasfüllung das erwähnte ; Gas mit einer mittleren Moleküldichte vorliegt, die mindestens gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist, bei dem und oberhalb dessen ein dem vorgegebenen Bereich angeordnetes und mit der Gasfüllung in Berührung stehendes Röhrenbauteil nachteilig beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Bereich auf einem bezüglich des vorgegebenen Bereiches negativen Potential eines solchen Wertes gehalten wird, daß eine elektrostatische Kraft (36,38) zur Beschleunigung von Ionen des erwähnten Gases vom vorgegebenen Bereich in Dichtung auf den anderen Bereich entsteht und der Druck sowie die Moleküldichte des erwähnten Gases innerhalb des. vorgegebenen Bereiches in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz unter den Grenzwert herabgesetzt werden, bei dessen Überschreiten eine «nachteilige Beeinflussung des Röhrenbauteils eintritt.

2c Dampf-Ionenentladungsröhre zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, deren Füllung mindestens zwei ionisierbare Gase einschließlich eines ionisierbaren Dampfes eines normalerweise nicht gasförmigen kondensierten Materials enthält, und mit einem Fenster durch das die bei einer Entladung von den rumpfmolekülen emittierte Strahlung aus der Rohre austritt, gekennzeichnet durch eine Kntaphoreseanordnung (24,26;28,30), die eine Ansammlung von kondensiertem Dampfmaterial auf dem Fenster im wesentlichen verhindert.

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3o Dampfentladungsröhre nach Anspruch 2, dadurch j

gekennz e lehne t, daß an einer vorgegebenen j

Stelle in der Rohre eine diskrete Quelle für Dampf des erwähn- j

ten Materials angeordnet ist, die sich bei Vorhandensein einer j

Entladung in der Röhre auf einem be stimmt en elektrischen Po- j

tentlal befindet, und daß die Kataphoreseanordnung eine ι

in der Röhre zwischen dem Fenster (12) und der erwähnten j

Stelle (16) angeordnete Elektrode .(24)-enthält, die mit einer j

elektrischen Vorrichtung (32) verbunden ist, die die Elektrode ·

auf einem Potential hält, das genüge'nd positivbezüglich des I

Potentials an der erwähnten Stelle ist, um die Anzahl der ;

Dampfmoleküle am Fenster unter dem Wert zu .halten, der für i

eine Kondensation·des Dampfes auf dem Fenster erforderlich j ist. · " \

. ι 4. Dampfentladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch

gekennz eichnet, daß die Kataphoreseanordnung ; eine in der Röhre angeordnete zweite Elektrode (28) umfaßt, j die sich auf der der ersterwähnten Elektrode (24) gegenüber- ! liegenden Seite der erwähnten Stelle befindet, und daß die ' elektrische Vorrichtung mit der zweiten Elektrode gekoppelt
ist und diese auf einem ausreichend negativen Potential bezüglich des Potentials an der erwähnten Stelle hält, um eine
Entladung im Raum zwischen der Quelle und der zweiten Elektrode aufrechtzuerhalten,

5· Dampfentladungsröhre nach Anspruch 4₅ dadurch
gekennzeichnet*, daß die Kataphoreseanordnung
eine an der erwähnten Stelle angeordnete dritte Elektrode
(26) enthalt, die mit der elektrischen Vorrichtung (32) gekoppelt und durch dies© auf einem festen Potential gehalten
wird. .

6» Dampfentladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch
"gekennzeichnet^ ■ daß di© Röhre in Länge richtung
von einem * ersten End® zu einem"zweiten Ende reicht und das· !

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Fenster (12) am ersten Ende und ein zweites Fenster (14) am zweiten Ende aufweist, das die Röhre einen Kondensatorteil (22) enthält, der an einer zweiten vorgegebenen Stelle zwischen der ersten vorgegebenen Stelle und dem zweiten Ende liegt, und daß die Kataphoreseanordnung eine zweite Elektx'ode aufweist, die in einem Abstand vom zweiten Ende angeordnet ; ist, der nicht größer ist als der Abstand des zweiten vorge- ■ gebenen Teils von dem zweiten Ende, dass die elektrische Vor- j richtung mit der zweiten Elektrode gekoppelt ist, um diese auf einem Potential zu halten, das genügend negativ bezüglich des Potentials an der ersterwähnten Stelle ist, um eine Entladung im Raum zwischen der Dampfquelle (16) und dem Kondensatorteil (22) zu erzeugen, wobei ionisiertes verdampftes Material von der Quelle kataphoretisch von der ersterwähnten Stelle zu der als aweites erwähnten Stelle transportiert und im Kondensatorteil (22) der Röhre kondensiert wird.

7* Dampfentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Katapiioreseanordnung auseerdem eine wahlweise betätigbare Vorrichtung (44) zum Umpolen der Potentialdifferenz zwischen der ersterwähnten Elektrode (24) und der zweiten Elektrode (30) enthält, daß die Dampfquelle (16a) wahlweise auch als aweiter Kondensator und der Kondensatorteil (22fj) wahlweise auch als zweite Dampfquelle verwendbar sind, um einen kataphoretischeh Transport des Materials in beliebiger Richtung zwischen den beiden Stellen zu ermöglichen.

8. Dmnpfentladuxif. isröhre nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Kataphoreseanordnung eine an der ersterwähnten Stelle angeordnete dritte Elektrode und eine zwischen der zweiten Vorgegebenen Stelle und dem zweiten Ende angeordnete vierte Elektrode enthält, und daß die elektrische Vorrichtung mit der dritten und vierten Elektrode gekoppelt 1st, und die dritte Elektrode auf einem

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festen Potential und die vierte Elektrode auf einem Potential) das genügend positiv bezüglich des Potentials der zweiten Elektrode ist, hält, um die Anzahl der Dampfmoleküle beim ■ zweiten Fenster soweit zu verringern, daß keine nennenswerte Kondensation von Dampf auf d-em zweiten Fenster eintreten kann.

9ο Dampfentladungsröhre nach Anspruch 6,7 oder 8, gekennzeichnet durch eine den Kondensatorteil (22) mit der Dämpfquelle (16) verbindende Hilfsröhre (50)» in der keine Entladung stattfindet und durch die das Material unter der Wirkung der kataphoretisch erzeugten Dampfdruckdifferenz zwischen der zweiten vorgegebenen Stelle und der ersten vorgegebenen Stelle in der ersten Röhre (10) vom Kondensatorteil (22) zurück zur Dampfquelle (16) transportiert wird.'

10. Dampfentladungsröhre nach einem der Ansprüche 2 bis 9» dadurchgekennz ei ohne t, daß die Kataphoreseanordnung eine Wechselspannungsquelle (62,62a) enthält, die mit dem G-as in der Röhre zu dessen Anregung und zum Erzeugen eines Plasmas im G-as gekoppelt ist, daß eine erste Elektrode an einer vorgegebenen Stelle in der Rohre im Bereich 'des Fensters angeordnet ist, daß eine zweite Elektrode innerhalb der Röhre zwischen dem Fenster und der vorgegebenen Stelle angeordnet ist, und daß eine Gleichrichteranordnung mit den Elektroden verbunden und so gepolt ist, daß die zweite Elektrode bezüglich der ersten Elektrode durch das Fließen von Plasmastrom, der durch die Wechselspannungsquelle hervorgerufen wird, auf einem positiven Potential bezüglich der ersten Elektrode gehalten wird. .

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