DE2136856A1 - Hohlkathodenröhre - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER 2136856

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 22. Juli 1971

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

HöhIkathodenröhre

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Höh!kathodenlampen oder -röhren.

Hohlkathodenrohren, bei denen es in erster Linie auf die Emission von Licht ankommt, das für ihre Gasfüllung charakteristisch ist, sind seit längerem bekannt. In jüngerer Zeit sind auch größere Anstrengungen gemacht worden, Hohlkathodenrohren zu .schaffen, die für das Material der Kathode charakteristische Spektrallinien emittieren.

Die meisten zur Zeit erhältlichen Lichtquellen, mit deren Hilfe eine für ein Gas wie etwa Wasserstoff charakteristische Strahlung emittiert werden kann, erfordern eine Heizfaden-Energieversorgung sowie eine weitere Energieversorgung für die Speisung der Entladung.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Hohlkathodenröhre mit einem Kolben, der mit einem ionisierbaren, zur Abgabe einer für es charakteristischen Strahlung geeigneten Gas gefüllt ist und eine Anode sowie eine eine Ausnehmung aufweisende Kathode umschließt, die in einem zur Aufrechterhaltung einer Elektronenentladung geeigneten Abstand von der Anode angeordnet ist und aus einem

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zur Ausbildung einer Entladung zwischen ihr und der Anode geeigneten Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und der Anode eine Leitelektrode mit einer zum Durchlaß von in Abhängigkeit einer Elektronenentladung zwischen Kathode und Anode auftretendem Licht, das für das Gas charakteristisch ist, geeigneten Ausnehmung angeordnet ist, deren Durchmesser kleiner · als der Durchmesser der Ausnehmung der Kathode ist.

Der Durchmesser der Ausnehmung in der Leitelektrode ist kleiner als der Durchmesser der Ausnehmung der hohlen Kathode, um die Gasentladung auf einen kleinen intensiven Lichtfleck zu konzentrieren W und den Durchtritt von spektralem Licht, das in der Ausnehmung durch das Kathodenmaterial erzeugt wird, zu beschränken. Die Leitelektrode kann an ein geeignetes Potential angeschlossen sein, um die Zündspannung der Anordnung zu verringern. Die Anordnung erfordert keinen Heizstrom für die Kathode.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht einer Hohlkathodenröhre nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch einen Schaltungsaufbau für eine Hohlkathodenröhre nach der Erfindung;

Fig. 3 schematisch eine weitere mögliche Schaltungsanordnung für die Hohlkathodenröhre der Erfindung; und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Emissionen für Hohlkathodenröhren

nach dem Stand der Technik einerseits und eine Hohlkathodenröhre nach der Erfindung gegenüberstellt.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Hohlkathodenlampe oder -röhre mit einem Kolben 10 aus einem geeigneten Material wie Glas, der einen rohrförmigen Abschnitt 12 größeren Durchmessers und einen mit die-

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sem über einen kegelstumpfförmigen Übergangsbereich 13 in Verbindung stehenden rohrförmigen Abschnitt 14 kleineren Durchmessers aufweist, der an seinem dem Übergangsbereich 13 abgewandten Ende durch ein Fenster 16 dicht abgeschlossen ist, das aus einem geeigneten Material für den wirksamen Durchlaß für Strahlung der in der Anordnung erzeugten Wellenlängen besteht. Wenn die Hohlkathodenröhre beispielsweise mit Wasserstoff gefüllt ist und die Wellenlänge der gewünschten Strahlung zwischen 1900 8 bis 4000 8 liegt, so kann als Material für das Fenster 16 Quarz verwendet werden. Der rohrförmige Abschnitt 12 größeren Durchmessers ist an seinem dem Übergangsbereich 13 abgewandten Ende durch einen Kontaktstifte für den Anschluß der Hohlkathodenröhre tragenden Boden 18 mit f einer allgemein bekannten Abschmelzung 20 abgeschlossen.

Im Bereich des rohrförmigen Abschnittes 12 größeren Durchmessers ist eine auf dem Boden 18 abgestützte Kathode 22 angeordnet, die aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material bestehen kann. So kann die Kathode 22 etwa aus Nickel hergestellt und dann in dem Bereich ihres Hohlraums mit einer Schicht guter Elektronenemissionsfähigkeit versehen sein. Allgemein kann die Kathode 22 aus jedem Metall oder jeder Legierung gefertigt sein, die Ofentemperaturen von etwa 200 bis 300° C ohne Schmelzen oder übermäßiges Verdampfen zu widerstehen vermag. Die Kathode 22 hat im wesentlichen eine zylindrische Gestalt und einen nach Art einer Bohrung ausge- g bildeten Hohlraum 24, der sich zentrisch von dem dem Fenster 16 zugewandten Ende der Kathode 22 aus über eine größere Strecke in das Innere der Kathode 22 hinein erstreckt. Entsprechend einem speziellen Ausführungsbeispiel kann die Kathode 22 einen Außendurchmesser von ca. 9,5 mm haben und der Hohlraum 24 dann einen Durchmesser von 7,9 mm und eine Tiefe von 12,7 mm aufweisen. Die Kathode 22 wird von einer beispielsweise aus Nickel bestehenden Zuführung 26 abgestützt, die an die Kathode 22 anschließt und sich durch den Boden 18 hindurch zur Außenseite des Kolbens 10 hin erstreckt. Die Zuführung 26 dient dann sowohl zur mechanischen Abstützung der Kathode 22 innerhalb des Kolbens 10 als auch zu deren Versorgung mit einem elektrischen Potential.

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Zwischen der Kathode 22 und dem Fenster 16 ist eine in Form eines metallischen Ringkörpers wiedergegebene Anode 28 angeordnet. Die öffnung in der Anode 28 hat einen Innendurchmesser von etwa 3,2 mm. Die Anode 28 besteht aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material wie etwa Tantal oder Nickel und wird entsprechend dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Abstützung 30 aus geeignetem elektrisch leitendem Material wie Nickel gehalten, wobei eine elektrisch leitende Verbindung 31 sich zwischen der Abstützung 30 und der Anode 28 erstreckt. Die Anode 28 wird zusätzlich innerhalb eines ringförmigen Distanzkörpers 32 gehalten, der aus einem geeigneten Isoliermaterial wie Mika besteht und eine öffnung für die Aufnahme der Kathode 28, ferner eine öffnung für die Durchführung der Abstützung 30 aufweist. Die Abstützung 30 erstreckt sich durch den Boden 18 in ähnlicher Weise wie die Zuführung 26 zur Außenseite des Kolbens 10 und dient dann zur Beaufschlagung der Anode 28 mit einem geeigneten elektrischen Potential.

Zwischen der Anode 28 und der Kathode 22 ist eine Zwischen- oder Leitelektrode 40 angeordnet. Diese Leitelektrode 40 weist ebenfalls eine ringförmige Gestalt auf und hat dabei einen öffnungsdurchmesser von etwa 1,3 mm. Die Leitelektrode 40 kann aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen und eine Stärke von etwa 0,5 mm haben. Insbesondere kommt als Material hochschmelzendes Metall wie Eisen, Stahl, Wolfram oder Nickel in Frage, ebenso jedoch auch etwa keramisches Isoliermaterial, auf das eine elektrisch leitende Oberfläche aufgebracht worden ist.

Die innerhalb des Kolbens angeordneten Teile sollten aus Material bestehen, das nicht mit dem Füllgas reagiert und somit auch keine Absorption des Füllgases verursacht.

Die Leitelektrode 40 kann in ähnlicher Weise wie die Anode 28 abgestützt sein. Dazu kann eine Abstützung 42 aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material wie etwa Nickel vorgesehen sein. Diese Abstützung 42 erstreckt sich durch den Boden 18 zur Außenseite des Kolbens 10 und dient zur Beaufschlagung der Leitelektrode mit einem geeigneten elektrischen Material. Zusätzlich ist eine Iso-

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lierscheibe 44 mit einer zentrischen öffnung vorgesehen, in der die Leitelektrode 40 angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Verbindung 46 aus geeignetem Material wie Nickel erstreckt sich von der Leitelektrode 40 zu der Abstützung 42. Die Abstützung 42 ist durch in dem Distanzkörper 42 bzw. der Isolierscheibe 44 vorgesehene öffnungen geführt.

Außer dem ringförmigen Distanzkörper 32 und der Isolierscheibe 44 kann ein weiterer Scheibenkörper 48 vorgesehen sein, der die Kathode 22 mit einer zentrischen öffnung aufnimmt und im übrigen öffnungen aufweist, durch die die Abstützungen 30 und 42 ragen. Eine g Mikascheibe 50 kann zwischen der Isolierscheibe 44 und der Kathode 22 angeordnet sein. Ebenso kann sich zwischen dem Distanzkörper 32 und der Isolierscheibe 44 eine Distanzscheibe 52 befinden. Schließlich kann an der Oberseite des Distanzkörpers 32 eine Deckscheibe 54 vorgesehen sein. Es liegt auf der Hand, daß je nach Bedarf eine größere oder auch eine kleinere Zahl Distanzscheiben, Deckscheiben etc. vorhanden sein kann.

Der sandwichartige Aufbau wird von den Abstützungen 30 und 42 gehalten. Keramische Isolierhülsen 60 und 62 umgeben die Abstützungen 30, 42 auf ihrer zwischen dem Scheibenkörper 48' und dem Boden 18 liegenden Strecke. In ähnlicher Weise umgeben Isolierringe 64, 66 die Abstützungen 30, 42 in dem zwischen dem Scheibenkörper 48 % und der Mikascheibe 50 liegenden Bereich. In Nähe der Enden der Abstützungen 30, 42 können in der mit Fig. 1 veranschaulichten Weise Fahnen 70 angebracht sein, um den gesamten Aufbau als in sich geschlossene Einheit zu fixieren.

Der veranschaulichte Aufbau ermöglicht es, daß es zwischen der Anode 28 oder der Leitelektrode 40 und der Außenfläche der Kathode 22 bzw. den zugeordneten Abstützelementen zu einer unerwünschten elektrischen Entladung kommt. Es ist auch möglich, die Kathode 22 mit einer Isolierhülse zu versehen, um eine Entladung zwischen der Anode 28 oder der Leitelektrode 40 und der Außenfläche der Kathode 22 wenigstens teilweise zu unterdrücken.
⁺) zu verhindern

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Fig. 2 zeigt eine mögliche Schaltung für die Hohlkathodenröhre der Fig. 1. Eine Energieversorgung 80 ist mit ihrem negativen Pol an die Kathode 22, mit ihrem positiven Pol dagegen an die Anode 28 angeschlossen. Außerdem ist der positive Pol der Energieversorgung 80 über einen Widerstand 82 mit der Leitelektrode 4O verbunden. . Der Wert des Widerstandes 82 kann etwa 30 kOhm betragen. Vorteilhafterweise ist der Wert des Widerstandes 82 so gewählt, daß der Strom zwischen der Kathode 22 und der Leitelektrode 40 weniger als 10 % des insgesamt durch die Hohlkathodenröhre fließenden Stromes ausmacht, weil der über die Leitelektrode 4O fließende Strom nur in geringfügigem Maße an der spektralen Ausbeute beteiligt ist.

Der Kolben 10 enthält eine Wasserstoffüllung 90. Bei einer Wasserstoff üllung von 3,5 mm Hg betrug die Zündspannung für den mit Fig. 2 gezeigten Aufbau 330 V, bei einem Druck von 12 mn Hg für die Wasserstoffüllung dagegen 390 V. Bei von der Energieversorgung abgetrennter Leitelektrode und somit freiem Leitelektrodenpotential betrug die Zündspannung von 3,5 mm Hg Wasserstoffüllungsdruck 450 V und für 12 mm Hg Wasserstoffüllungsdruck 6OO V. Wie ohne weiteres ersichtlich, läßt sich mit Hilfe des in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigten Aufbaus eine beträchtliche Verringerung des Zündpotentials erreichen.

Fig. 3 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung, bei der ein Schalter 84 vorgesehen sein kann, um die Leitelektrode 40 vorübergehend mit dem positiven Pol der Energieversorgung 80 - entweder direkt oder über einen Widerstand - zu verbinden. Ebenso ist es möglich, die Hohlkathodenröhre durch vorübergehende Verbindung des Leitelektrodenanschlusses mit der Anode und anschließende Unterbrechung nach Eintreten der Entladung zu zünden. Dieser Vorgang kann manuell oder mit Hilfe eines geeigneten Schalters erfolgen, der in Form eines elektromechanisch arbeitenden Quecksilberschalters oder eines Thermokreuzschalters inner- oder außerhalb der Hohlkathodenröhre angeordnet ist. Bei direkter Verbindung mit der Anode der Energieversorgung kann das Zündpotential etwa 400 V betragen.

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In Fig. 4 zeigt eine Kurve 92 die spektrale Emission für eine herkömmliche Hohlkathodenröhre ohne eine Leitelektrode nach der Erfindung. Eine Kurve 94 läßt demgegenüber die Emission einer Hohlkathodenröhre nach der Erfindung erkennen, wobei die Kurve 94
auch die Unterdrückung der spektralen Emission aufgrund der Kathode der verstärkten Intensität der Anordnung zeigt.

Entsprechend einem weiteren AusführungsbeJspiel könnte die Zündleitung oder -elektrode auf die Kathodenseite der Leitelektrode verlegt werden. Die Leitelektrode kann dann aus einem leitenden oder | einem isolierenden Werkstoff bestehen, wobei sie keine elektrische Verbindung benötigt, weil in diesem Fall die Zündleitung die elektrischen Funktionen der Leitelektrode übernehmen kann.

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Patentansprüche;

Claims (6)

Patentansprüche

1. Hohlkathodenröhre mit einem Kolben, der mit einem ionisierbaren, zur Abgabe einer für es charakteristischen Strahlung geeigneten Gas gefüllt iäffc und eine Anode sowie eine eine Ausnehmung aufweisende Kathode umschließt, die in einem zur Aufrechterhaltung einer Elektronenentladung geeigneten Abstand von der Anode angeordnet ist und aus einem zur Ausbildung einer Entladung zwischen ihr und der Anode geeigneten Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode (22) und der Anode (28) eine Leitelektrode (40) mit einer zum Durchlaß von in Abhängigkeit einer Elektronenentladung zwischen Kathode und Anode auftretendem Licht, das für das Gas charakteristisch ist, geeigneten Ausnehmung angeordnet ist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Ausnehmung in der Kathode (18) ist.

2. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode (40) aus elektrisch leitendem Material besteht und an die Anode (28) über einen Widerstand (82) angeschlossen ist.

3. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode (40) aus elektrisch leitendem Material besteht und über einen Schalter (84) an ein Potential anschließbar ist, das positiver als die Kathode (22) und damit zur Auslösung der Elektronenentladung zwischen Kathode und Anode geeignet ist.

4. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (28) als Ringkörper mit einer Öffnung ausgebildet ist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Ausnehmung in der Leitelektrode (40) ist und dabei den Durchtritt von Licht, das aus der in der Leitelektrode (40) vorgesehenen Ausnehmung fällt/ zu einem die Hohlkathodenröhre an ihrem oberen Ende abschließenden Fenster (16) ermöglicht.

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5. Hohlkathodenröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Abschirmung zur Verhinderung einer elektrischen Entladung zwischen der Anode (28) oder der Leitelektrode (40) und der Außenfläche der Kathode (22) und damit zur Einschränkung der elektrischen Entladung auf die Ausnehmung in der Kathode (22), und dadurch, daß die in der Leitelektrode (40) vorgesehene Öffnung so ausgebildet ist, daß sie die von der Hohlkathodenröhre erzeugte Strahlung auf die auf die Erregung des Gases zurückgehende beschränken und im übrigen im wesentlichen jede weitere, auf das Material der Katho-

de zurückgehende Strahlung unterdrücken kann. ™

6. Hohlkathodenröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das ionisierbare Gas Wasserstoff ist.

KN/hs 3

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