DE2228536A1

DE2228536A1 - Hohlkathoderrohre

Info

Publication number: DE2228536A1
Application number: DE19722228536
Authority: DE
Inventors: George K Horseheads N Y Yamasaki (V St A)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-06-16
Filing date: 1972-06-12
Publication date: 1972-12-21
Also published as: US3725716A; FR2141960B1; FR2141960A1

Description

DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 9. Juni 1972 .42,769
7261

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

Hohlkathodenröhre

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hohlkathodenröhren, die sich für die Emission von Strahlung eignen, die definierte Spektrallinien enthält, die für innerhalb der Hohlkathode befindliches Material charakteristisch sind. Ein besonderes Anwendungsgebiet für diese Lichtquellen sind spektroskopische Untersuchungen. Es gibt eine erhebliche Anzahl Hohlkathodenröhren, die sowohl die Strahlung eines einzelnen Elements als auch die Strahlungen mehrerer Elemente von einer gemeinsamen Kathode aus emittieren. Eine Reihe. Elemente wie Arsen, Tellur, Selen, Antimon, Schwefel und Phosphor haben einen hohen Kathodenabfall, eine Neigung zu sublimieren und/ oder einen verhältnismäBig hohen Dampfdruck. Diese Elemente können ein störendes spektrales Rauschen hervorrufen, das infolge einer Bogenbildung zwischen der Kathode und benachbarten Isolations-Abschirmungsverbindungen entsteht, wo hohe elektrische Felder in besonders starker Form auftreten. Für die erwähnten Werkstoffe oder Elemente wurde auch gefunden, daS kleine Änderungen in der Kathodentemperatur, wie sie sich aus kleinen Kathodenstromänderungen und Kathodenfallschwankungen ergeben, Rausch- und Drifterscheinungen hinsichtlich der gewünschten spektralen Ausgangsstrahlung der Hohlkathodehröhre hervorrufen können. . .

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Telefon (0211) 32 0858 Telegramme Custopat

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Aufgabe vorliegender Erfindung 1st es, eine Hohlkathodenröhre so auszubilden, daß Störeinflüsse, wie sie vorstehend erwähnt wurden, ausgeschaltet oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden können.

Zur Lö.sung dieser Aufgabe ist eine Hohlkathodenröhre für den Einsatz als Strahlungsquelle, mit einem durch ein Fenster abgeschlossenen und eine Gasfüllung mit einem Druck zwischen 1-30 mm Hg, eine Kathodenanordnung sowie ein Anodenelement einschließenden Kolben, wobei die Kathodenanordnung ein Kathodenelement aus einem Material enthält, das Strahlung definierter, für das Material charakteristischer Spektrallinien emittiert, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenelement in einer dem Fenster zugewandten Stirnfläche eine zentrische Ausnehmung und eine elektrisch mit dem Kathodenelement verbundene Zuführung aufweist/ daß in dem Kolben eine Hilfselektrode im Verhältnis zu dem Kathodenelement so angeordnet ist, daß parallel zu der Entladung zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement eine Entladung zwischen dem Anodenelement und der Hilfselektrode gebildet wird, die im wesentlichen isoliert von der Entladung zwichen dem Kathodenelement und dem Anodenelement abläuft und dabei schädliche Einwirkungen auf die Strahlung von dem Kathodenelement auf einem Minimum hält.

Vorzugsweise ist die Hilfselektrode als mit der Zuführung elektrisch verbundener und das Kathodenelement umgebender elektrischer Mantelkörper ausgebildet, dessen Innendurchmesser mindestens das 1,8-fache des Durchmessers der zentrischen Ausnehmung beträgt und der über die Stirnfläche des Kathodenelements mindestens mit einer dem Durchmesser der zentrischen Ausnehmung gleichen Länge hinausragt.

Die Srfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in erbindusig mit der sugehörigeii Zeichnung erläutert. In der

Zeichnung zeigen:

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

Fig. 2 eine etwas abgewandelte AusfUhrungsform eines HöhIkathodenelernents, das in Verbindung mit der Hohlkathodenröhre der Fig. 1 Verwendung finden kann;

Fig. 3 ein zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienendes schematisches Schaltbild;

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Kurvenschar, die das unterschiedliche spektrale Verhalten der Ausgangsstrahlung einer Hohlkathodenröhre nach der Erfindung für verschiedene konstruktive Parameter veranschaulicht; und .

Fig. 5 eine Kurvenschar, die das Kathodenfall-Potential in Abhängigkeit vom Strom für verschieden ausgebildete Hohlkathodenröhren wiedergibt.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Hohlkathodenröhre 10 nach der Erfindung mit einem Kolben 11, der aus einem geeigneten Isolier material wie Glas besteht und einen rohrförmigen Abschnitt 12 größeren Durchmessers sowie einen rohrförmigen Abschnitt 14 hat, der mit dem rohrförmigen Abschnitt 12 über einen Übergangsbereich 13 in Verbindung steht. Der rohrförmige Abschnitt 14 ist an seinem einen Ende durch ein Fenster 16 abgeschlossen, das aus einem für Strahlung der von der Hohlkathodenröhre 10 erzeugten Wellenlängen durchlässigen geeigneten Material wie Quarz, Borsilikat, Magnesiumfluori oder Lithiumfluori besteht. Der rohrförmige Abschnitt 12 ist durch einen Boden 18' mit einer Abschmelzung 20* abgeschlossen. Der Kolben 11 ist mit einem geeigneten^wie Argon oder Neon mit einem Druck von etwa 1 - 30 mm Hg gefüllt.

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Im Innern des Kolbens 11 ist eine Kathodenanordnung 22 durch eine Zuführung 26 abgestützt. Die Kathodenanordnung 22 weist einen Zylinderkörper 17 mit einer ersten zentrischen Ausnehmung 18 auf, die sich von der dem Fenster 16 zugewandten Stirnfläche des Zylinderkörpers 17 aus etwa 30 mm in das Innere des Zylinderkörpers 17 erstreckt und einen Durchmesser von etwa 9 mm hat. Der Zylinderkörper 17 kann aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Material wie Aluminium, Graphit, Eisen, Kupfer, Messing oder Silber bestehen. In die zentrische Ausnehmung 18 ist ein aktives Kathoden element 19 eingesetzt, das ebenfalls zylinderförmig ausgebildet ist. Eine dem Fenster 16 zugewandte Stirnfläche 20* des Kathodenelements 19 liegt innerhalb der Ausnehmung 18 in einem Abstand von etwa 4 - 12 mm von der Stirnfläche des Zylinderkörpers 17. Von der Stirnfläche 20* aus erstreckt sich ebenfalls eine zentrische Ausnehmung 21 mit einem Durchmesser von etwa 4 mm über eine Tiefe von etwa 7 mm in das Innere des Kathodenelements 19. Die zentrische Ausnehmung 21 stellt den aktiven Bereich der Kathodenanordnung 22 dar. Das Kathodenelement 19 besteht aus einem Material wie Arsen, Tellur, Selen, Antimon, Schwefel oder Phosphor. Diese Werkstoffe können mit leicht zerstäubbaren Elementen wie Silber, Eisen, Kupfer, Indium, Gold, Nickel oder Palladium legiert bzw. kombiniert sein. Ein spezielles Beispiel let ein Gemisch von 50 Gew% Silber und 50 Gew% Arsen. Andere geeignete Gemische sind 81 Gew% Silber und 19 Gew% Arsen sowie 78 Gew% Silber, 19 Gew% Arsen und 3 Gew% Wismut. Die Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich Material und Prozentsatz sind groß. Das Kathodenelement 19 wird normalerweise durch Gießen oder auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und anschließend in den Zylinderkörper 17 eingeführt und dort in geeigneter Weise festgelegt. Beispielsweise kann das Kathodenelement 19 mit etwa aus Aluminium bestehender Metallfolie umwickelt und dann in den Zylinderkörper 17 eingepaßt werden. Dieser Aufbau arbeitet besonders vorteilhaft in Verbindung mit Arsen, Tellur und Selen.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Abwandlung der Kathodenanordnung 22 nach

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Fig. 1. Bei diesem Aufbau wird statt eines elektrisch leitenden Mantels, wie er von dem Zylinderkörper 17 gebildet wird, eine Isolierhülse 23 aus einem geeigneten Material wie Keramik verwendet, die eine Wandstärke von etwa 1 - 2 mm hat. An der Innenfläche dieser Isolierhülse 23 ist eine elektrisch leitende Auskleidung 24 vorgesehen. Die Auskleidung 24 kann von einer Folie oder einer.Beschichtung aus elektrisch leitendem'Material wie Aluminium, Aquadag (Graphit), Gold, Eisen, Kupfer, Messing oder Silber gebildet sein. Die elektrisch leitende Auskleidung 24 kann auch durch Aufstreichen oder aber Vakuumniederschlag auf die Isolierhülse 23 aufgebracht werden.

Ein beispielsweise als Ringkörper ausgebildetes Anodenelement 28 ist in Nähe der Stirnfläche der Kathodenanordnung 22 vorgesehen. Das Anodenelement 28 besteht aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material wie Tantal oder Nickel oder einem sonstigen Metall mit relativ hohem Schmelzpunkt und ist in dem Kolben 11 durch zwei Abstützungen 30 gehalten. Mindestens eine der beiden Abstützungen 30 besteht aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material wie etwa Nickel. Die stabartigen Abstützungen 30 sind an dem Anodenelement 28 befestigt und fest durch den Boden 18* geführt. Eine der beiden Abstützungen 30 kann mit dem Potential für das Anodenelement 28 beaufschlagt werden* Mit der Abstützung 30 und der Zuführung 26 kann hierzu eine Gleichspannungsquelle 31 mit einer Spannungsdifferenz von etwa 500 V über einen geeigneten Widerstand 33 von etwa 20.000 Ohm verbunden sein, wie das mit Fig. 3 angedeutet ist.

Zur geeigneten Begrenzung der Entladungsstrecke zwischen der Kathodenanordnung 22 und dem Anodenelement 28 ist eine Abschirmung mit zwei Abschirmscheiben 38 und 44 vorgesehen, die aus Isoliermaterial bestehen und im Abstand voneinander unter gegenseitiger paralleler Ausrichtung zwischen der Kathodenanordnung 22 und dem Anodenelement 28 angeordnet sind. Die Abschirmscheibe 38 weist eine zu der zentrischen Ausnehmung 21 konzentrische öffnung 40 auf.

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Sie liegt nahe an der Stirnfläche des Zylinderkörpers 17 oder grenzt auch unmittelbar an diesen an. Von dortjaus erstreckt sie sich zur Innenfläche des Kolbens 11. Die Abschirmscheibe 38 sorgt so für eine Begrenzung der elektrischen Entladung zwischen dem Anodenelement 28 und der Kathodenanordnung 22 auf das Gebiet innerhalb des Zylinderkörpers 17 und insbesondere der zentrIschen Ausnehmung 21. Die zweite Abschirmscheibe 44 hat eine öffnung 41, durch die die Kathodenanordnung 22 geführt ist, und erstreckt sich von der Außenfläche der Kathodenanordnung 22 zur Innenfläche des Kolbens 11. Die Abschirmscheibe 44 kann aus Isoliermaterial bestehen. Außerdem gehören zur Abschirmung zwei Isolierhülsen 48, die die Abstützungen 30 umgeben und sich zwischen dem Boden 18* und der Abschirmscheibe 44 erstrecken. Zwischen den Abschirmscheiben 38 und 44 sind die Abstützungen 30 von Isolierringen 47 umgeben. In ähnlicher Weise umgeben die Abstützungen 30 in dem Bereich zwischen der Abschirmscheibe 38 und dem Anodenelement 28 Isolierringe 46.

Im Betriebszustand der Röhre beaufschlagt die Gleichspannungsquelle 31 die Kathodenanordnung 22 und das Anodenelement 28 mit einer geeigneten Potentialdifferenz, so daß es zu einer elektrischen Entladung zwischen dem Kathodenelement 19 und dem Ano^deneleraent 28 über das innerhalb des Kolbens 11 befindliche Gasmedium kommt. Dadurch werden positive Gasionen erzeugt, die ihrerseits die Innenfläche der Ausnehmung 21 bombardieren, so daß Atome des Materials wie Arsen und Silber aus der Wandung der Ausnehmung heraus zerstäubt werden. Diese zerstäubten Atome werden durch Kollision mit metastabilen Atomen der Gasfüllung angeregt, die sich in der Entladung befinden. Diese angeregten Atome emittieren Licht mit Wellenlängen, die für die beiden Materialien, nämlich Arsen und Silber charakteristisch sind. Dieses Licht wird durch das Fenster 16 emittiert.

Wie mit Fig. 3 veranschaulicht, fließt zwischen dem Anodenelement 28 ν na dem Kathodenelement IdfIc, der die Intensität der spektra-

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len Ausgangsstrahlung der Höhlkathodenröhre bestimmt. Der Strom Ic bildet nur einen Teil des von der Gleichspannungsquelle 31 abgegebenen Gesamtstroms. Jede Änderung des Stroms Ic ruft eine Änderung der Intensität der spektralen Ausgangsstrahlung einer Hohlkathode hervor. Ebenso erzeugt eine solche Änderung eine Änderung des Stroms Is zwischen dem Anodenelement 28 und dem Zylinderkörper 17. Der den Zylinderkörper 17 durchfließende Strom Is wirkt den Vorgängen entgegen, die sich in dem Stromkreis mit dem Kathodenelement 19 abspielen. Beispielsweise wird, wenn eine Arsenkathode im Betrieb erhitzt wird, das Arsen dieser Kathode flüchtiger. Das bringt einen stärkeren Kathodenabfall an der Hohlfäche des Kathodenelementes 19 mit sich, was dann zu einer größeren Abfuhr von Wärme an der Oberfläche des Kathodenelementes 19 führt. Dadurch wird die Verdampfung von Arsen an der Oberfläche des Kathodenelements 19 weiter verstärkt. Dadurch kann es zu thermischer Instabilität und zu gegebener Zeit zu einer Zerstörung der Hohlkathodenröhre kommen. Durch die Hinzufügung des elektrisch leitenden Zylinderkörpers 17 wird der Anteil des diesen Zylinderkörper 17 durchfließenden Stroms erhöht, wenn der Kathodenabfall an der Stirnfläche des Kathodenelements 19 zunimmt, so daß die Zunahme der Kathodenerwärmung auf einem Minimum gehalten wird, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist. Kurve 50 gibt darin das Verhalten einer typischen Höhlkathodenröhre wieder, wenn andere Materialien als Arsen, Selen, Tellur, Antimon, Schwefel oder Phosphor verwendet werden. Versucht man. Arsen, Selen etc. zu verwenden, so ist eine Kurve 52 maßgeblich. Macht man jedoch von dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Höhlkathodenröhre Gebrauch, so ergeben sich die mit einer Kurve 54 veranschaulichten Verhältnisse.

Die Hohlkathodenröhre nach der Erfindung arbeitet in äußerst zufriedenstellender Weise, wenn der Kathodenabfall des Kathodenelements 19 relativ höher als der des Zylinderkörpers 17 ist. Die Hohlkathodenröhre nach der Erfindung arbeitet jedoch auch, wenn der Kathodenfall des Kathodenelements 19 der gleiche wie der des Zylinderkörpers 17 oder sogar niedriger als dieser ist.

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Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich, wenn der Zylinderkörper 17 sich um eine Strecke über die Stirnfläche 20 des Kathodenelements 19 hinaus erstreckt, die größer als der Durchmesser der zentrischen Ausnehmung 21 ist. Die Erstreckung des Zylinderkörpers 17 soll mindestens gleich dem Durchmesser der zentrischen Ausnehmung 21 sein, kann jedoch bis zum 20-fachen dieses Durchmessers betragen. Der Durchmesser des Zylinderkörpers 17 soll mindestens das 1,8-fache des Durchmessers der Ausnehmung 21 betragen, kann jedoch bis zwanzigmal so groß sein.

Jede Änderung der von der Gleichspannungsquelle 31 abgegebenen Spannung wirkt auf die Hohlkathode mit einer Verringerung entsprechend dem Verhältnis

Ic

Ic + Is
ein.

Es wurde festgestellt, daß es normalerweise zur Bogenbildung kommt, wenn das Kathodenelement infolge eines mechanischen Stoßes oder mechanischer Schwingungen an der Isolierhülse reibt. Der Zylinderkörper 17 bzw. die leitende Auskleidung 24 sorgt wirksam dafür, daß das Kathodenelement 19 an einem direkten Kontakt mit der Abschirmscheibe 38 gehindert wird, so daß die Möglichkeit einer Bogenbildung ausgeschaltet wird, die sonst zu einer Streuemission der Hohlkathodenröhre führen würde.

Mit Flg. 4 sind die Auswirkungen des Zylinderkörper-Oberstandes veranschaulicht. Eine Kurve 51 gibt in Fig. 4 die Verhältnisse für eine Hohlkathodenröhre wieder, bei der der Zylinderkörper praktisch keinen überstand aufweist. Eine Kurve 53 veranschaulicht die Verhältnisse für eine Hohlkathodenröhre, bei der der Zylinderkörper 17 etwa 4,8 mm übersteht, während eine Kurve 55 die Verhältnisse für einen Zylinderkörper mit einem überstand von etwa 9,5 mm zeigt.

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Wie aus diesen Kurven ersichtlich, läßt sich bei Betrieb der Hohlkathodenröhre mit einem Strom im Bereich von etwa 20 mA eine verhältnismäßig gleichförmige Intensität der spektralen Ausgangsstrahlung selbst dann erzielen, wenn der die Hohlkathodenröhre speisende Strom gewisse Schwankungen aufweist. Es konnte ermittelt werden, daß durch Verwendung eines Zylinderkörpers 17 geeigneter Länge diese Intensitätsschwankung weniger als 2 % beträgt. Ohne den Zylinderkörper ergab sich eine Schwankung zwischen 3 - 8 %, die viel größer wurde, nachdem es einmal zu dem zuvor erwähnten thermisch instabilen Zustand gekommen war. Wie ebenfalls schon erwähnt, wird durch die Ausgestaltung der Hohlkathodenröhre nach der Erfindung auch das Auftreten unzulässig hoher Ströme verhindert, die anderenfalls zu einer Zerstörung der Röhre führen könnten.

Patentansprüche t 209852/0730

Claims

Patentansprüche :

f1ΛHohlkathodenröhre für den Einsatz als Strahlungsquelle mit einem durch ein Fenster abgeschlossenen und eine Gasfüllung mit einem Druck zwischen 1 - 30 mm Hg, eine Kathodenanordnung sowie ein Anodenelement einschließenden Kolben, wobei die Kathodenanordnung ein Kathodenelement aus einem Material enthält, das Strahlung definierter, für das Material charakteristischer Spektrallinien emittiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenelement (19) in einer dem Fenster (16) zugewandten Stirnfläche eine zentrische Ausnehmung (21) und eine elektrisch mit dem Kathodenelement (19) verbundene Zuführung (26) aufweistJ^&ß in dem Kolben (11) eine Hilfselektrode im Verhältnis zu dem Kathodenelement so angeordnet ist, daß parallel zu der Entladung zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement (28) eine Entladung zwischen dem Anodenelement und der Hilfselektrode gebildet wird, die im wesentlichen isoliert von der Entladung zwischen dem Kathodenelement und dem Anodenelement abläuft und dabei schädliche Einwirkungen auf die Strahlung von dem Kathodenelement auf einem Minimum hält.
2. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode als mit der Zuführung (26) elektrisch verbundener und das Kathodenelement (19) umgebender elektrischer Mantelkörper ausgebildet ist, dessen Innendurchmesser mindestens das 1,8-fache des Durchmessers der zentrischen Ausnehmung (21) beträgt und der über die Stirnfläche (20) des Kathodenelements (19) mindestens mit einer dem Durchmesser der zentrischen Ausnehmung (21) gleichen Länge hinausragt.
3. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenelement (19) aus elektrisch leitendem Material und Arsen, Tellur, Selen, Antimon, Schwefel oder Phosphor besteht.

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4. Hohlkathodenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenelement (19) eine Legierung aus einem elektrisch leitenden Material und Antimon, Arsen, Tellur oder Selen ist.
5. Hohlkathodenröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschirmscheibe (38) für die Begrenzung der elektrischen Entladung zwischen der Kathodenanordnung (22) im wesentlichen auf die zentrische Ausnehmung (21) des Kathodenelements (19) vorgesehen ist.

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