DE3311259C2 - - Google Patents
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- DE3311259C2 DE3311259C2 DE19833311259 DE3311259A DE3311259C2 DE 3311259 C2 DE3311259 C2 DE 3311259C2 DE 19833311259 DE19833311259 DE 19833311259 DE 3311259 A DE3311259 A DE 3311259A DE 3311259 C2 DE3311259 C2 DE 3311259C2
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- H01J61/067—Main electrodes for low-pressure discharge lamps
- H01J61/0675—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode
- H01J61/0677—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode characterised by the electron emissive material
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- Discharge Lamp (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Kathode in Form eines Sinter
körpers, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein
Gemisch dieser Metalle und eine Zäsium- oder Rubidiumver
bindung als emissionsaktives Material enthält, sowie die
Verwendung einer solchen Kathode zur Herstellung einer
Gasentladungsröhre.
Bekannt ist eine Kathode aus Wolfram mit einem auf
ihre Oberfläche aufgebrachten Zäsiumfilm (siehe bei
spielsweise L. N. Dobretsov und M. V. Gomojunova "Emis
sionselektronik", Verlag Nauka, Moskau 1966, Seite 195).
Die genannte Kathode besitzt eine verhältnismäßig
hohe Austrittsarbeit, die etwa 1,36 eV bei einer Tempe
ratur der Kathode von 600°C beträgt, und weist eine entspre
chend niedrige Emissionsfähigkeit auf, die bei der genannten Tempe
ratur 0,1 mA/cm2 nicht übersteigt. Außerdem besitzt die
genannte Kathode eine ungenügende Stabilität der Emis
sionskennwerte bei der Arbeit, besonders unter den Be
dingungen eines intensiven Ionenbeschusses, was zu einer
Zerstörung des Zäsiumfilmes an seiner Oberfläche unter
diesen Bedingungen führt. Deshalb weisen die Gasentla
dungsröhren, insbesondere die Lichtblitzröhren, in de
nen diese Kathode angewandt wird, eine hohe Zündspannung
und eine geringe Lebensdauer auf.
Außerdem ist es bei der Herstellung der obenge
nannten Kathode sehr schwierig, das Zäsium im Prozeß sei
nes Aufbringens an die Oberfläche der Kathode zu dosie
ren.
Eine genaue Dosierung des Zäsiums ist deshalb not
wendig, weil von seiner Menge an der Oberfläche der Katho
de die Emissionsfähigkeit der letzteren abhängt. Die mit
der Dosierung des Zäsiums verbundenen technologischen
Schwierigkeiten erschweren die Verwendung solcher Katho
den in Gasentladungs- und Elektrovakuumgeräten.
Viel einfacher bei der Herstellung sind Kathoden in
Form eines Sinterkörpers.
Unter solchen bekannten Kathoden besitzen eine be
sonders hohe Emissionsfähigkeit Kathoden mit einer Zä
siumverbindung als emissionsaktives Material. Entspre
chend weisen Gasentladungsröhren mit solchen Kathoden
niedrige Werte der Zündspannung auf.
Bekannt ist eine Kathode, ausgeführt in Form eines
Sinterkörpers, der ein Metall von hohem Schmelzpunkt
wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob oder ihre Gemische,
ein das Gas absorbierendes Metall und einen den Sinter
vorgang verbessernden Zusatzstoff enthält, wobei auf den
Sinterkörper eine Schicht eines emissionsaktiven Mate
rials von Zäsiumkarbonat oder Zäsiumchromat aufge
bracht ist (DE-OS 30 02 033).
Als das Gas absorbierendes Metall verwendet man Ti
tan, Zirkonium, Vanadin, Hafnium oder Gemisch derselben.
Als den Sintervorgang verbessernden Zusatzstoff verwen
det man Aluminiumoxid oder Siliziumoxid.
Die Gasentladungsröhre mit der obengenannten Katho
de weist eine Anfangszündspannung von 150 bis 190 V (in
Abhängigkeit von den den Sinterkörper zusammensetzenden
Komponenten) und eine Zündspannung von 155 bis 200 V
nach 10 000 Lichtblitzen auf, wobei eine Zerstäubung des
Kathodenmaterials praktisch fehlt (siehe dieselbe Anmeldung).
Bekannt ist auch eine Kathode, ausgeführt in Form
eines Sinterkörpers, der ein Metall von hohem Schmelz
punkt oder ein Gemisch solcher Metalle und ein emissions
aktives Material enthält (DE-PS 30 08 518).
In einer solchen Kathode besteht das in dem Sinter
körper enthaltende emissionsaktive Material aus einem
Stoff, der Bariumionen enthält, während in den Poren des
Sinterkörpers ein anderes emissionsaktives Material der
folgenden Zusammensetzung Cs2MO4, worin M ein Metall von
hohem Schmelzpunkt bedeutet, dispergiert ist. Unter dem
Metall von hohem Schmelzpunkt versteht man in diesem Fall
ein Übergangsmetall der IV., V. oder VI. Gruppe
des Periodensystems der Elemente, wie beispielsweise
Zirkonium, Wolfram, Tantal und Molybdän.
Bekannt ist auch eine Gasentladungsröhre, welche
einen mit einem ionisierbaren Gas gefüllten Kolben und
zwei in dem Kolben in einem gewissen Abstand voneinander
angeordnete Elektroden enthält, wobei eine als Kathode
dienende Elektrode auf der Basis der oben beschriebenen
Kathode ausgeführt ist (DE-PS 30 08 518).
Eine solche Röhre von 5 mm Innendurchmesser mit
einer Kathode, die in einem Abstand von 37 mm
von der anderen Elektrode angeordnet ist, weist bei ei
ner Füllung mit Xenon auf einen Druck von 1,66 · 104 Pa eine
Zündspannung von 190 V bei einer Anlaßimpulsspannung
von 4,5 kV und eine Zündspannung von 132 V bei einer
Anlaßimpulsspannung von 9,0 kV auf.
Eine Röhre mit einer analogen von der anderen Elek
trode in einem Abstand von 20 mm angeordnete
Kathode, die einen Innendurchmesser von 2,5 mm aufweist,
die mit Xenon auf einen Druck von 6,93 · 104 Pa gefüllt ist
und eine Lichtblitzenergie von 11,5 J besitzt, weist
eine Zündspannung von 176 V bei einer Anlaßimpulsspan
nung von 3,3 kV auf. Dabei bleibt die Zündspannung nach
1500 Lichtblitzen auf dem ursprünglichen Niveau.
Die obengenannte Kathode enthält eine Zäsiumverbin
dung, die im Prozeß des Betriebs der Röhre mit dem in
dem Sinterkörper enthaltenen Metall reagiert. Dabei bil
det sich Zäsium in freiem Zustand, das die Austrittsar
beit der Kathode senkt und entsprechend ihre Emissions
fähigkeit erhöht. Beim Betrieb der Röhre kommt
es zu einer ununterbrochenen Verdampfung des Zäsiums von
der Oberfläche der Kathode, die besonders intensiv unter
den Bedingungen des Ionenbeschusses ist. Das verdampfen
de Zäsium wird durch die aus dem Volumen der Kathode ge
langenden Zäsiumatome kompensiert, die sich durch die
genannte Reaktion bilden. Dadurch kommt es zu einer all
mählichen Verringerung des Zäsiums in dem Volumen der
Kathode, die zu einer Abnahme der Emissionsfähigkeit der
letzteren führt, was seinerseits eine Zunahme der Zünd
spannung der Gasentladungsröhre mit einer solchen Kathode
im Verlauf deren Betriebs und eine Verringerung ihrer Le
bensdauer zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ka
thode zu entwickeln, deren Sinterkörper eine solche Zu
sammensetzung aufweist, daß eine hohe Emissionsfähigkeit
der Kathode, die während längeren Betriebs, darunter un
ter den Bedingungen des Ionenbeschusses aufrechterhalten bleibt, gewährleistet
wird, sowie eine Gasentladungsröhre zu entwickeln, deren
eine Elektrode, die als Kathode dient, auf der Basis
der obengenannten Kathode ausgeführt ist, wodurch eine
niedrige Zündspannung gewährleistet wird, die während
einer längeren Lebensdauer stabil bleibt.
Diese Aufgabe wird durch eine Kathode gemäß dem
Patentanspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Kathode
zur Herstellung einer Gasentladungsröhre gelöst.
Der Sinterkörper kann 0,5 bis 25 Gewichtsprozent
Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat und als
Rest ein Metall von hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch
dieser Metalle enthalten, was eine hinreichend hohe Emis
sionsfähigkeit der Kathode gewährleistet, die während
längeren Betriebs derselben, darunter auch unter den Be
dingungen eines intensiven Ionenbeschusses stabil bleibt.
Zur Erzielung einer hohen Emission ist es zweckmä
ßig, daß das Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat
eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende
Formel ausgedrückt wird:
x M2O · y Al2O3 · z SiO2,
worin M Cs oder Rb bedeutet, x = 1 bis 3, y = 1 bis 2,
z = 1 bis 6 ist.
Zur Erzielung einer besonders hohen Emissionsfähig
keit der Kathode ist es zweckmäßig, daß der Sinterkörper
85 Gewichtsprozent Nickel und 15 Gewichtsprozent Zäsium
alumosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der folgen
den Formel entspricht:
Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2.
Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka
thode, die ein billigeres emissionsaktives Material ent
hält, ist es durchaus zweckmäßig, daß der Sinterkörper
85 Gewichtsprozent Nickel und 15 Gewichtsprozent Rubi
diumalumosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der
folgenden Formel Rb2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht.
Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka
thode bei deren Verwendung in Hochleistungs-Gasentla
dungsröhren ist es zweckmäßig, daß der Sinterkörper 90
Gewichtsprozent Tantal und 10 Gewichtsprozent Zäsiumalu
mosilikat enthält, dessen Zusammensetzung der folgenden
Formel Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht.
Zum Erzielen einer hohen Emissionsfähigkeit der Ka
thode bei einer hohen Beständigkeit gegen die Wirkung
des Ionenbeschusses ist es zweckmäßig, daß der Sinterkör
per 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zirkonium
und Niob in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Ge
wichtsprozent Zäsiumalumosilikat enthält, deren Zusam
mensetzung der folgenden Formel Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 ent
spricht.
Das wird dadurch erreicht, daß in der Gasentladungs
röhre, die einen mit dem zu ionisierenden Gas gefüllten
Kolben und zwei in dem Kolben in einem gewissen Abstand
voneinander angeordnete Elektroden enthält, erfindungs
gemäß eine der als Kathode dienenden Elektroden auf der
Basis der obengenannten Kathode ausgebildet ist.
Eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen Katho
de gestattet es, eine hohe Emissionsfähigkeit, die wäh
rend einer längeren Zeit stabil bleibt, darunter unter
den Bedingungen eines intensiven Ionenbeschusses zu er
reichen. Die Gasentladungsröhre mit der erfindungsgemäßen
Kathode weist eine niedrige Zündspannung, die während ei
ner großen Lebensdauer stabil ist, und geringe Abmessun
gen auf.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kathode (Längsschnitt),
und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gasentladungsröhre,
hergestellt auf der Basis der Kathode nach Fig. 1 (Längs
schnitt).
Eine erfindungsgemäße Kathode 1 (Abb. 1) ist in Form
eines Sinterkörpers ausgeführt, der ein Metall von hohem
Schmelzpunkt oder ein Gemisch solcher Metalle und ein
emissionsaktives Material enthält. Unter den Metallen
von hohem Schmelzpunkt werden folgende Metalle verstan
den: Nickel (der Schmelzpunkt T beträgt 1728 K), Zirko
nium (T = 2128 K), Hafnium (T = 2250 K), Tantal (T =
3270 K), Niob (T = 2770 K), Rhenium (T = 3308 K), Mo
lybdän (T = 2890 K), Wolfram (T = 3650 K) oder deren Ge
mische.
Das emissionsaktive Material enthält Zäsiumalumo
silikat oder Rubidiumalumosilikat.
Bei einem Gehalt an Zäsiumalumosilikat oder Rubi
diumalumosilikat von weniger als 0,5 Gewichtsprozent
übersteigt der abzunehmende Emissionsstrom Tausendstel
µA/cm2 nicht, weshalb Verbindungen der genannten Zu
sammensetzung anscheinend von keinem praktischen Inter
esse sind. Bei einem Gehalt an Zäsiumalumosilikat oder
Rubidiumalumosilikat von mehr als 25 Gewichtsprozent beträgt der
abzunehmende Emissionsstrom zwar einige zehn µA/cm2,
die Komponenten des Sinterkörpers bilden jedoch keine
Legierung, wodurch die Kathode für praktische Zwecke un
brauchbar wird.
Die Größe des von der Kathode 1 abzunehmenden Emis
sionsstromes hängt von den konkreten Werten von x, y und
z ab. Zur Illustration werden in der nachstehenden Tabel
le die Emissionskennwerte des Zäsiumalumosilikats ange
führt.
Zusammensetzung desEmissionsstromdichte
Zäsiumalumosilikatsbei T = 60°C und
E = 5 · 103 V/cm,
µA/cm3
E = 5 · 103 V/cm,
µA/cm3
Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2100
Cs2O · Al2O3 · 4 SiO2 60
Cs2O · Al2O3 · SiO2 50
2 Cs2O · Al2O3 · 5 SiO2 30
3 Cs2O · Al2O3 · 3 SiO2 10
Cs2O · 2 Al2O3 · 3 SiO2 10
3 Cs2O · 2 Al2O3 · 6 SiO2 10
2 Cs2O · 2 Al2O3 · 5 SiO2 5
Die Gesetzmäßigkeit der Elektronenemission des Ru
bidiumalumosilikats weisen in Abhängigkeit von der Zu
sammensetzung eine analoge Gestalt auf, nur daß die Grö
ße des abzunehmenden Emissionsstroms etwas geringer ist.
Somit können als emissionsaktives Material Alumosili
kate verwendet werden, deren Werte x, y und z in den oben
genannten Grenzen liegen. Alumosilikate anderer Zusammen
setzungen weisen eine verhältnismäßig unbedeutende Emis
sionsaktivität auf, weshalb es unzweckmäßig ist, diese
als emissionsaktives Material zu verwenden.
Die Wirksamkeit der Kathode hängt nicht nur von der
Zusammensetzung des emissionsaktiven Materials, sondern
auch von der chemischen Natur des in dem Sinterkörper ent
haltenen Metalls von hohem Schmelzpunkt ab.
Nach der Aktivität der Reihe der Metalle Ni, Zr,
Hf, Ta, Nb, Re, Mo, W können sie in drei Gruppen unter
teilt werden. Besonders aktiv sind Ni, Zr, Hf, dann fol
gen Ta, Nb, Re und schließlich Mo und W.
In Übereinstimmung damit ist eine erfindungsgemäße
Kathode 1, deren Sinterkörper ein Metall aus der Nickel
gruppe, wirksamer gegenüber einer erfindungsgemäßen Ka
thode 1, deren Sinterkörper ein Metall aus der Tantalgrup
pe enthält. Ihrerseits ist die letztere wirksamer ge
genüber einer Kathode 1, deren Sinterkörper ein Metall
der Molybdängruppe enthält.
Die Kathode 1, deren Sinterkörper Nickel enthält,
kann in Gasentladungsröhren mit Erfolg eingesetzt wer
den, wo der Entladungsstrom 800 A nicht übersteigt. Bei
höheren Werten des Entladungsstromes zerstäubt das Nic
kel. Deshalb verwendet man in Hochleistungs-Gasentladungs
röhren zweckmäßigerweise Kathoden, deren Sinterkörper Me
talle aus der Tantalgruppe oder Molybdängruppe mit einem
Schmelzpunkt, der den Schmelzpunkt des Nickels bedeutend
übersteigt, enthalten.
Der Sinterkörper der Kathode 1 kann auch ein Gemisch
von Metallen von hohem Schmelzpunkt enthalten, die in
einem Gewichtsverhältnis genommen werden, das ihrer äqui
atomaren Menge in der durch diese Metalle gebildeten
Legierung proportional ist. Die Effektivität der Kathode
wird in diesem Falle durch das Metall bestimmt, dessen
Aktivität am höchsten liegt. Deshalb gestatten es solche
Kathoden, die höchste Emission zu erzielen, die in ihrer
Größe mit der Emission besonders effektiver Kathoden mit
dem in dem Sinterkörper enthaltenen Nickel vergleichbar
ist, unter gleichzeitiger Erhöhung der Beständigkeit ge
gen einen intensiven Ionenbeschuß. Dazu ist es zweck
mäßig, daß der Sinterkörper ein Gemisch aus einem Me
tall aus der Nickelgruppe, das aber einen höheren Schmelz
punkt als Nickel aufweist, das heißt Zirkonium oder Haf
nium, und einem Metall aus der Tantalgruppe oder Molyb
dängruppe enthält.
In Fig. 2 bedeutet 1 eine erfindungsgemäße Kathode,
2 einen mit einem ionisierenden Gas, wie beispielsweise
Xenon, gefüllten Kolben und 3 eine Anode. Die Kathode 1
ist an einem Halter 4 angeordnet. Die Außenfläche des
Kolbens 2 ist mit einem durchsichtigen leitenden Überzug
(in der Zeichnung nicht angedeutet) versehen.
Eine konkrete Variante dieser Röhre ist am Beispiel
einer Lichtblitzröhre beschrieben. Daneben kann die er
findungsgemäße Kathode in Entladungsgefäßen sowie in
Elektrovakuumgeräten verschiedenen Typs verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Kathode 1 kann beliebige Ab
messungen und Konfigurationen aufweisen, als Zylinder,
wie dies in den Abb. 1 und 2 dargestellt ist, so
wie als Scheibe, Stab und Sphäre ausgebildet sein und
nach bekannten Methoden zum Pressen des Einsatzgutes,
welches aus Metallpulvern von hohem Schmelzpunkt oder
einem Gemisch dieser Metalle und einem emissionsaktiven
Material besteht, hergestellt werden, unter anschlie
ßender Sinterung in Vakuum oder einer Schutzatmosphä
re.
Der Preßdruck hängt von der konkreten Zusammenset
zung des Einsatzgutes und übersteigt im allgemeinen
100 MPa nicht. Die Sintertemperatur hängt ebenfalls
von der Zusammensetzung des Einsatzgutes ab und kann in
einem Bereich von 1000 bis 2000 K variiert werden.
Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung
werden nachstehend folgende Beispiele angeführt.
Eine Kathode 1 (Abb. 1), ausgeführt in Form eines
Sinterkörpers, welcher 99,5 Gewichtsprozent Nickel und
0,5 Gewichtsprozent Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird wie
folgt hergestellt.
Pulverförmiges Nickel und pulverförmiges Zäsium
alumosilikat der genannten Zusammensetzung vermischt man
in dem genannten Gewichtsverhältnis. Das erhaltene Ein
satzgut vermischt man innig und mahlt dann bis zur Er
zielung einer mittleren Teilchengröße von höchstens
10 µm. Dann preßt man das Einsatzgut in einer der Form
der herzustellenden Kathode entsprechenden Preßform bei
einem Druck von 20 MPa. Der Preßling wird in Vakuum
bei einem Druck von etwa 1,33 · 10-6 Pa und einer Temperatur
von 1000 K innerhalb von 10 Minuten gesintert.
Der Emissionsstrom der dabei erhaltenen erfindungs
gemäßen Kathode beträgt 0,6 mA/cm2, die effektive Aus
trittsarbeit ϕ = 0,89 eV. Die Messungen werden in Va
kuum bei einem Druck von etwa 1,33 · 10-2 Pa bei Zimmer
temperatur (300 K) an der Kathode und einer elektrischen
Feldstärke E = 2 · 104 V/cm durchgeführt.
Diese Emissionsparameter bleiben bei
einer Steigerung der Temperatur der Kathode auf 700 K
praktisch unverändert.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Kathode 1
mit den Komponenten anderer Zusammensetzungen des Sinter
körpers unterscheidet sich von dem oben beschriebenen
durch die Werte des Preßdruckes, der Temperatur und der
Sinterzeit.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 85 Gewichtsprozent Ni und 15 Gewichtspro
zent Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel
1 hergestellt. Der Preßdruck betrug in diesem Falle
50 MPa, die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 30
Minuten.
Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1
weist einen Emissionsstrom von 101,6 mA/cm2 und eine effek
tive Austrittsarbeit von ϕ = 0,76 eV auf. Die Meßbedin
gungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 85 Gewichtsprozent Ni und 15 Gewichtspro
zent Rb2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel 1
hergestellt. Der Preßdruck betrug in diesem Falle 50 MPa,
die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 25 Minuten.
Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1
weist einen Emissionsstrom von 76,5 mA/cm2 und eine ef
fektive Austrittsarbeit von ϕ = 0,72 eV auf. Die Meßbe
dingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 75 Gewichtsprozent Zr und 25 Gewichtspro
zent Rb2O · Al2O3 · SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel 1
hergestellt. Der Preßdruck beträgt 70 MPa, die Sinter
temperatur 1500 K innerhalb von 50 Minuten.
Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode 1
weist einen Emissionsstrom von 4,5 mA/cm2 auf. Die Meß
bedingungen waren den in Beispiel 1 beschriebenen ana
log.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 90 Gewichtsprozent Hf und 10 Gewichtspro
zent 3 Rb2O3 · 2 Al2O3 · 6 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel
1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sin
tertemperatur 1200 K innerhalb von 20 Minuten.
Die dadurch erhaltene erfindungsgemäße Kathode weist
einen Emissionsstrom von 6,9 mA/cm2 bei Zimmertempera
tur an der Kathode und eine elektrische Feldstärke von
E = 1,5 · 104 V/cm auf.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, der 99,5 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zr und
Hf bei einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 0,5 Ge
wichtsprozent Rb2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird analog zu
Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 30 MPa,
die Sintertemperatur 1000 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche erfindungsgemäße Kathode weist einen Emis
sionsstrom von 0,2 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen waren
den in Beispiel 1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, der 99,5 Gewichtsprozent Nb und 0,5 Gewichtspro
zent Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel 1
hergestellt. Der Preßdruck beträgt 40 MPa, die Sinter
temperatur 1100 K innerhalb von 8 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
0,2 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen waren den in Beispiel
1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, der 90 Gewichtsprozent Ta und 10 Gewichtsprozent
Cs2O · Al2O · 2 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel 1 herge
stellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertempe
ratur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
30,5 mA/cm2 auf und eine effektive Austrittsarbeit von
ϕ = 0,75 eV auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel
1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, der 90 Gewichtsprozent Re und 10 Gewichtsprozent
2 Rb2O · Al2O3 · 5 SiO2 enthält, wird analog zu Beispiel 1 her
gestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die Sintertem
peratur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
7,2 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1
beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, der 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Ta und
Re mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Gewichts
prozent 2 Cs2O · Al2O3 · 5 SiO2 enthält, wird analog zu Bei
spiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa, die
Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
9,3 mA/cm2 bei Zimmertemperatur an der Kathode und einer
elektrischen Feldstärke von E = 1,5 · 104 V/cm auf.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von Zr
und Nb mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und 10 Ge
wichtsprozent Cr2O · Al2O3 · 2 SiO2 enthält, wird analog zu
Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 50 MPa,
die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
80 mA/cm2 und eine effektive Austrittsarbeit von ϕ = 0,71 eV
auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel 1 beschrie
benen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 90 Gewichtsprozent Mo und 10 Gewichtspro
zent 3 Cs2O · Al2O3 · 6 SiO2 enthält, wird wie folgt herge
stellt.
Man vermischt pulverförmiges Molybdän, pulverförmi
ges Zäsiumalumosilikat der genannten Zusammensetzung
und Polyvinylalkohol in folgendem Gewichtsverhältnis:
85,5 Gewichtsprozent Molybdän, 9,5 Gewichtsprozent Zäsium
alumosilikat und 5 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol. Der
letztere erfüllt die Funktion eines Weichmachungsmittels,
das den Preßvorgang und die Sinterung des Einsatzgutes
verbessert. Nach dem Mahlen wird das Einsatzgut unter
einem Druck von 80 MPa gepreßt. Der erhaltene Preßling
wird in einem Hochvakuum bei einer Temperatur
von 1400 K innerhalb von 15 Minuten gesintert.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
0,31 mA/cm2 bei Zimmertemperatur an der Kathode und bei
der elektrischen Stromstärke von E = 1,5 · 104 V/cm auf.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 75 Gewichtsprozent W und 25 Gewichtspro
zent 2 Cs2O · 2 Al2O3 · 5 SiO2 enthält, wird wie folgt herge
stellt.
Man bereitet ein Einsatzgut, welches 71,25 Gewichts
prozent Wolfram, 23,75 Gewichtsprozent Zäsiumalumosili
kat und 5 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol enthält. Das
Einsatzgut wird bei einem Preßdruck von 100 MPa ge
preßt und der erhaltene Preßling im Hochvakuum
bei einer Temperatur von 1800 K innerhalb von
20 Minuten gesintert.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
0,11 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel
12 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinter
körpers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von
Mo und Ta mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 10
Gewichtsprozent Cs2O · Al2O3 · SiO2 enthält, wird analog zu
Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 60 MPa,
die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 10 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
17,7 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel
1 beschriebenen analog.
Eine Kathode 1, ausgeführt in Form eines Sinterkör
pers, welcher 90 Gewichtsprozent eines Gemisches von
Hf und Mo mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 und 10 Ge
wichtsprozent 2 Rb2O · 2 Al2O3 · 5 SiO2 enthält, wird analog zu
Beispiel 1 hergestellt. Der Preßdruck beträgt 50 MPa,
die Sintertemperatur 1300 K innerhalb von 20 Minuten.
Eine solche Kathode weist einen Emissionsstrom von
4,5 mA/cm2 auf. Die Meßbedingungen sind den in Beispiel
12 beschriebenen analog.
In der in Fig. 2 dargestell
ten Gasentladungsröhre, die insbesondere als Lichtblitz
röhre verwendet wird, verwendet man zweckmäßig eine nach
Beispiel 2 hergestellte erfindungsgemäße Kathode 1.
Das Prinzip des Betriebs der genannten, auf der Ba
sis der erfindungsgemäßen Kathode 1 ausgeführten Gasent
ladungsröhre besteht in folgendem.
Man ionisiert vorher das in dem Kolben 2 der Röhre
enthaltene Gas nach einem beliebigen bekannten Verfahren.
Man legt beispielsweise an den durchsichtigen leitenden
Überzug in dem Kolben 2 einen Anlaßimpuls mit einer Span
nung an, deren Größe für die Ionisation des Gases aus
reichend ist. Dann legt man an die Kathode 1 und die Ano
de 3 der Röhre eine elektrische Spannung in Form von Im
pulsen mit einer Amplitude an, die der Zündspannung
gleich ist oder diese übersteigt. Unter der Wirkung der
Spannung werden von der Kathode Elektronen emittiert, wel
che in dem Zwischenelektrodenraum eine von einer inten
siven Lichtemission begleitete elektrische Entladung,
das heißt einen Lichtblitz erzeugen.
Die Entladungszündspannung in der erfindungsgemä
ßen Röhre und die Betriebsspannung dieser Röhre ist der
Austrittsarbeit der in dieser verwendeten Kathode erfin
dungsgemäß direkt proportional, weshalb die genannten
elektrischen Parameter in der Röhre um so geringer sind,
je kleiner die Austrittsarbeit der Kathode ist. Ihrer
seits verringern die Senkung der Zündspannung und der
Betriebsspannung der Gasentladungsröhre die Wärmebela
stung der Kathode während ihres Betriebs.
Somit werden die elektrischen Parameter der Gasent
ladungsröhre durch die Größe der Austrittsarbeit der in
dieser verwendeten Kathode bestimmt.
Es ist in den oben angeführten Beispielen gezeigt,
daß die erfindungsgemäße Kathode eine Austrittsarbeit
bei Zimmertemperatur an der Kathode von weniger als 1 eV
aufweist, wodurch ihre hohe Emissionsfähigkeit bedingt
ist. Das ist darauf zurückzuführen, daß das aus dem Zä
siumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat bestehende
emissionsaktive Material eine niedrige Austrittsarbeit
(etwa 1 eV) aufweist, bedingt durch das Vorliegen von Io
nen der Alkalimetalle Zäsium bzw. Rubidium. Diese Ionen
sind in den Zwischengitterstellen der Alumosilikate
gleichmäßig verteilt und durch ihre elektrostatischen
Kräfte fest zusammengehalten. Deshalb ist die Verdampfung
des Alkalimetalls, des Zäsiums und Rubidiums, von der
Kathode unbedeutend, wodurch die hohe
Stabilität ihrer Emissionskennwerte während längeren
Betriebs sowie eine große Lebensdauer der Gasentla
dungsröhren, in denen sie verwendet werden, bedingt
ist.
Eines der konkreten Beispiele für die Ausführung
der Röhre stellt eine Lichtblitzröhre,
ausgelegt für eine Lichtblitzenergie von 15 J, dar. Der
Kolben 2 dieser Röhre weist einen Innendurchmesser von
2 mm und einen Abstand zwischen der Kathode 1 und der
Anode 3 von 16 mm auf und ist mit dem ionisierbaren Gas
Xenon bis zu einem Druck von 7,98 · 10-4 Pa gefüllt. Die er
findungsgemäße Kathode 1 ist in Übereinstimmung mit dem
Beispiel 2 hergestellt und weist einen Außendurchmes
ser von 1,5 mm auf.
Eine solche Röhre weist eine Zündspannung von 180 V
(bei einer Anlaßimpulsspannung von 4,5 kV) und eine Be
triebsspannung von 200 V bei einem Entladungsstrom von
500 A auf. Nach 40 000 Lichtblitzen bleiben diese Para
meter unverändert.
Eine andere Variante der erfindungsgemäßen Röhre
ist eine Lichtblitzröhre, ausgelegt für eine Lichtblitz
energie von 40 J. Der Kolben 2 dieser Röhre weist einen
Innendurchmesser von 3,2 mm, einen Abstand zwischen der
Kathode 1 und der Anode 3 von 30 mm auf und ist mit dem
ionisierbaren Gas Xenon bei einem Druck von 3,06 · 10-4 bis
3,1 · 10-4 Pa gefüllt. Die nach dem Beispiel 2 hergestellte
erfindungsgemäße Kathode 1 weist einen Außendurchmesser
von 2,4 mm auf.
Eine solche Röhre weist eine Zündspannung von 80 V
(bei einer Anlaßimpulsspannung von 4,5 kV) und eine Be
triebsspannung von 110 V bei einem Entladungsstrom von
500 A auf. Nach 40 000 Lichtblitzen bleiben diese Para
meter unverändert.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kathode ist der
einmalig niedrige Wert der Austrittsarbeit: ϕ = 0,6 bis
0,9 eV bei Zimmertemperatur. Dadurch wird es möglich,
von der Kathode hohe Emissionsströme bis zu 100 mA/cm2
bei einer elektrischen Feldstärke von 2 · 104 V/cm abzu
nehmen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kathode
ist ihre außerordentlich hohe Beständigkeit gegen die
Wirkung des Ionenbeschusses. So bleibt beispielsweise
beim Betrieb der Kathode in Lichtblitzröhren mit recht
hohem Druck des ionisierbaren Gases (7,98 · 10-4 Pa) ihre
Emissionsfähigkeit auf dem ursprünglichen Niveau nach
40 000 Lichtblitzen, während eine merkliche Degrada
tion der Kathode erst nach 65 000 Lichtblitzen einsetzt.
Es soll bemerkt werden, daß der Sinterkörper einer sol
chen Kathode 85 bis 90% Nickel enthält, das sich unter
allen in den gewöhnlich verwendeten Sinterkathoden ver
wendeten Metallen besonders leicht zerstäuben läßt.
Bei der Verwendung
von Metallen mit höherem Schmelzpunkt wie
Tantal, Wolfram und dergleichen ist die Beständigkeit der Kathode ge
gen die Wirkung des Ionenbeschusses wesentlich höher.
Die obengenannten Vorteile der Kathode gestatten
es, auf ihrer Grundlage Gasentladungsröhren mit hohen
Betriebsparametern wie hohe Lichtausbeute, niedrige
Zündspannung, geringe Abmessungen bei einer hohen Le
bensdauer zu erhalten. So weist beispielsweise eine er
findungsgemäße Lichtblitzröhre mit einer Lichtblitz
energie von 15 J eine Zündspannung von 180 V, eine
Größe des leuchtenden Teiles von 2 × 16 mm und eine
Lebensdauer von mehr als 40 00 Lichtblitzen auf.
Claims (8)
1. Kathode in Form eines Sinterkörpers, der ein Metall von
hohem Schmelzpunkt oder ein Gemisch dieser Metalle und
eine Zäsium- oder Rubidiumverbindung als emissionsaktives
Material enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß das emissions
aktive Material Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosili
kat enthält.
2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sinterkörper 0,5 bis 25 Gew.-%
Zäsiumalumosilikat oder Rubidiumalumosilikat enthält.
3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Zäsiumalumosilikat oder
Rubidiumalumosilikat eine Zusammensetzung gemäß der
Formel
x M2O · y Al2O3 · z SiO2hat,
worin M Cs oder Rb bedeuten, x = 1 bis 3, y = 1 bis 2
und z = 1 bis 6 ist.
4. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sinterkörper 85 Gew.-% Nickel
und 15 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung
der Formel Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht, enthält.
5. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sinterkörper 85 Gew.-% Nickel
und 15 Gew.-% Rubidiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung
der Formel Rb2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht, enthält.
6. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sinterkörper 90 Gew.-% Tantal
und 10 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen Zusammensetzung
der Formel Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht, enthält.
7. Kathode nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sinterkörper 90 Gew.-% eines
Gemisches von Zirkonium und Niob bei einem Gewichtsver
hältnis 1 : 1 und 10 Gew.-% Zäsiumalumosilikat, dessen
Zusammensetzung der Formel Cs2O · Al2O3 · 2 SiO2 entspricht,
enthält.
8. Verwendung einer Kathode gemäß einem der Ansprüche 1
bis 7 für die Herstellung einer Gasentladungsröhre.
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