-
Verfahren zur Herstellung von Oxydkathoden. Die Erfindung bezieht
sieh auf die Herstellung der unter dem Namen Oxydkathoden bekannten Elektroden für
Entladeröhren, z. B. für Sende- oder Empfangslampen für drahtlose Telegraphie, Telephonie
und ähnliche Zwecke, für Röntgenröhren und Gleichrichter. Die bisher bekannten Elektroden
dieser Gattung bestehen aus einem Trägerkörper, z. B. aus Platin, der mit einer
Sc'hic'ht gewisser Metalloxyde .überzogen ist, die bei verhältnismäßig geringer
Erhöhung der Temperatur eine sehr starke Elektronenemission aufweisen. Zweckmäßig
werden für die wirksame Schicht Erdalkalioxyde verwendet.
-
Der Verstellung und der praktischen Verwendung dieser zum erstenmal
von W e h -n e 1 t beschriebenen Elektroden stellten sich mehrere Schwierigkeiten
entgegen. So störten das Abfallen ,der Oxydschicht, die nicht gleichmäßige Wirkung
der Elektrode an ihren verschiedenen Stellen infolge ungleichmäßigen Erwärmens der
Schicht, das Verdampfen des Oxyds; auch der hohe Ohmsche Widerstand der wirksamen
Schicht ist nachteilig.
-
Man hat bereits verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften
der Oxydsc'hicht vorgeschlagen. So hat man z. B. angeregt, die Schicht mit edlen
Metallen zu versetzen; auch ist es bekannt, die Schicht auf einem aus einer Legierung
von Platin und Nickel bestehenden Kern anzubringen.
-
Es wird gemäß dem Verfahren nach der Erfindung nicht eine Oxydkathode
hergestellt, bei der sich eine mehr oder weniger starke Schicht der wirksamen Oxyde
auf einem Metallkern befindet, sondern. eine Oxydkat'hode, bei der der wirksame
Stoff in das Ausgangsmaterial der Elektrode aufgenommen wird. Das Verfahren nach
der Erfindung ist einfacher als die bisher gebräuchlichen und behebt mehrere der
vorgenannten.Schwierigkeiten.
-
Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird auf einem
Körper, der mindestens an der Oberfläche aus einem Metall oder einer Metallegierung
besteht, die sich. mit den Erdalkalimetalllen legieren lassen, eine dünne Schicht
eines oder mehrerer Erdalkalimetalle angebracht, sodann wird der Körper in einer
nichtoxydierenden Umgebung, z.3. in einem Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden
Atmosphäre, derart erhitzt, da.ß das Erdalkalimetall mit dem Material des Körpers
eine Legierung bildet, und hierauf wird der Körper einem Oxydationsprozeß unterworfen.
-
Es ist bereits bekannt, bei der Herstellung von Oxydkathoden Erdalkalimetalle
auf einen metallischen Trägerkörper aufzubringen und das Erdalkalimetall alsdann
zu oxydieren. Von dieser bekannten Arbeitsweise unterscheidet sich das Verfahren
gemäß der Erfindung dadurch, daß als Trägerkörper Metalle benutzt werden, die sich
mit den. betreffenden Erdalkalimetallen zu legieren vermögen, und daß nach der Aufbringung
des Erdalkalimetalls eine Erhitzung auf eine Temperatur erfolgt, bei der die Legierung
gebildet wird.
-
In manchen Fällen kann es gemäß der Erfindung erwünscht sein, den
Körper im voraus an der Oberfläche porös zu machen.
-
Durch :diese Porosität wird die Bildung der-Legierung .erleichtert.
Es wird also eine
Wirkung erzielt, die' bei der bekannten Aufbringung
fertig gebildeter Oxyde auf Trägerkörper mit rauher Oberfläche keine Rolle spielt.
-
Unter Legieren soll im vorliegenden Falle auch das Eindringen eines
Metalls in flüssigem Zustande in die Poren eines anderen Metalls verstanden werden.
Es wird dann das erstere. Metall sehr fein unter die Partikel des zweiten Metalls
verteilt. Dieses geschieht z. B., wenn ein poröser Metallkörper gewisse andere Metalle
in flüssigem Zustande aufsaugt.
-
Metalle oder Metallegierungen, die sich mit den Erdalkalimetallen
legieren lassen, sind z. B. Platin, Palladium, Nickel und Kupfer sowie deren Legierungen.
Diese Stoffe eignen sieh auch sonst gut für die Zwecke der Erfindung, da sie leicht
in jede beliebige Form gebracht werden können und bei der Temperatur, die sie im
Betrieb erhalten (z. B. 70ö bis iooo° C), nicht schmelzen oder weich werden. Man
kann den ganzen als Träger der Oxydsc'hicht dienenden Körper aus diesen 'Metallen
anfertigen oder aber gewünschtenfalls auch die vorgenannten Metalle auf einen Kern
aus einem anderen Metalle aufbringen.
-
Auf dem Körper, der z. B. vorher in die Form gebracht worden ist,
welche die Elektrode haben soll, wird eine dünne Schicht eines oder mehrerer Erdalkaliinetalle
auf der Oberfläche angebracht. Dies kann z. B. in an sich bekannter Weise durch
Destillation erfolgen oder dadurch, daß eine gewisse Menge Erdalkalimetall auf der
Oberfläche aufgetragen und sodann geschmolzen wird, worauf sie sich über die Oberfläche
ausbreitet.
-
Man kann aber auch Verbindungen benutzen, die sich bei dem Erwärmen
zersetzen und dann das Erdalkalimetall ergeben. So kann man z. B. Bariumazid (BaNG)
verwenden, das bei dem Erwärmen in Barium und Stickstoff' zerfällt, so daß, wenn
man eine Schicht Bariumäzid auf der Elektrode aufbringt, nach dem Erwärmen eine
dünne Schicht metallischen Bariums auf der Elektrode zurückbleibt..
-
Man kann auch Azide der anderen Erdalkalimetalle oder ein Gemenge
dieser Stoffe benützen.
-
Die Elektrode muß nun erhitzt werden, um das Erdalkalimetall mit der
Oberfläche der Kathode zu legieren. Zweckmäßig erfolgt die Erhitzung in der Weise,
daß die Zersetzung der Erdalkalimetallverbindung und die Bildung der Legierung zugleich
erfolgen. Hierdurch unterscheidet sich das vorliegende Verfahren von der bekannten
Anbringung von Überzügen aus Erdalkalimetallen durch Zersetzung ihrer Verbindungen,
bei der jedoch keine Erhitzung auf die zur Bildung der Legierung erforderliche Temperatur
erfolgte. Ein Erhitzen bis auf etwas über den Schmelzpunkt des Erdalkalimetalls
genügt in diesein Falle. Die Elektrode muß bei diesem Erhitzen einem hohen Vakuum
oder einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre ausgesetzt werden, um Oxydation
des Erdalkalimetalls zu verhüten.
-
Diese Behandlung braucht in vielen Fällen nur sehr kurz zu währen
und kann z. B. in etwa i Minute beendet sein. Die erhöhte Temperatur der Elektrode
kann dadurch erzielt werden, daß man einen elektrischen Strom durch die Elektrode
schickt. Ergeben sich hierbei Schwierigkeiten, so kann man auch gemäß der Erfindung
die Elektrode in einer Edelgasatmosphäre anordnen und hierin die Elektrode als Kathode
einer Glimmentladung schalten.
-
Wenn das Erdalkalime.tall hinreichend mit der Oberfläche der Elektrode
legiert ist, muß die Elektrode noch einem Oxydationsprozeß unterzogen werden, so
daß sich das Erdalkalioxyd bildet. Diese Oxydation kann in geeigneter Weise zweckmäßig
dadurch ausgeführt werden, daß die Elektrode trockner Luft ausgesetzt wird. Man
kann auch unter Umgehung der besonderen Oxydation die Elektrode gleich nach dem
Erhitzen und Legieren in einer Entladeröhre verwenden. Es müssen sich jedoch in
diesem Falle im Material der Elektrode gewisse Verunreinigungen vorfinden, die das
Erdalkallmetall ganz oder teilweise oxydieren können. Dies kann z. B. der Fall sein,
wenn die Elektrode im wesentlichen aus Kupfer besteht.
-
Zweckmäßig wird nicht alles Erdalkalimetall oxydiert; Barium z. B.
hat an sich eine stark reinigende Wirkung, so daß es vorteilhaft ist, wenn sich
noch etwas Barium, das im Betrieb der Entladeröhre verdampft, in der Elektrode findet.
-
Man kann auch das Material für eine Oxydkathode nach der Erfindung
in ununterbrochenem Betriebe herstellen, z. B. dadurch, da.ß ein Draht des Metalls
oder der Legierung, die sich mit den Erdalkalimetallen legieren lassen, durch ein
oder mehrere Erdalkalimetalle in geschmolzenem Zustande, z. B. durch geschmolzenes
Barium, geführt und darauf in der oben beschriebenen Weise erhitzt und oxydiert
wird.
-
Eine Elektrode gemäß der Erfindung besteht also mindestens an einem
Teil ihrer Oberfläche aus einer Legierung eines oder mehrerer Erdalkalimetaile mit
einem oder mehreren Metallen, wie Kupfer, Nickel, Platin, und wenigstens ein Teil
des Erdalkalimetalls ist oxydiert- -Die gemäß der Erfindung hergestellte Elektrode
unterscheidet sich dadurch von den.
bisher üblichen Oxydkathoden,
daß nicht eine Schicht des wirksamen Stoffes um den Träger herum angebracht ist,
sondern daß dieser wirksame Stoff sehr fein zwischen dem Material der Oberfläche
des Trägers verteilt ist, so daß letzterer ein metallisches Aussehen hat.
-
Die leicht herstellbare Elektrode nach der Erfindung bietet für den
Betrieb erhebliche Vorteile. Die Schicht kann nicht abfallen oder einen großen Ohmschlen
Widerstand in dem Kreis verursachen. Die Elektrode 'hat eine gleichmäßige Wirkung
und lange Lebensdauer.
-
In gewissen Fällen kann es empfehlenswert sein, den für die Herstellung
der Elek-, troden nach der Erfindung benutzten Körper vorher an der Oberfläche porös
zu machen, was den Vorteil ergibt, daß das Legieren leichter und schneller erfolgt.
Hierzu kann man gemäß der Erfindung z. B. folgendermaßen vorgehen: Der zu behandelnde
Körper, etwa Platin, wird in geeigneter Weise mit einer Schicht eines Metalls oder
einer Legierung überzogen, die sich mit dem metallischen Material des Körpers legieren
können, im Falle des Platins z. B. mit Kupfer, und dann derart erhitzt, daß das
Metall oder die Legierung sich mit dem Material des Körpers an ,der Oberfläche zunächst
legiert und darauf verdampft. Es bleiben dann kleine öffnungen im Körper zurück.
-
Auch kann man eine poröse Schicht dadurch erhalten, daß man z. B.
Platin elektrolytisch auf einem Kern aus Platin oder einem anderen geeigneten Metall
niederschlägt.
-
Die Elektrode kann entweder an ihrer ganzen Oberfläche oder an einem
Teil davon dem Verfahren nach der Erfindung unterzogen werden.
-
In den Abbildungen 'ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Abb. i ist eine Seitenansicht eines mit einer Oxydkathode nach der
Erfindung versehenen Gleichrichters mit zugehöriger Schalteinrichtung.
-
Abb.2 ist eine Ansicht der Oxydkathode von unten.
-
Mit der Glashülle i sind die Glasfüße 5 und 8 luftdicht verschmolzen.
Innerhalb der Glashülle befinden sich einander gegenüber eine gemäß der Erfindung
behandelte spiralförmige, z. B. aus Platin oder Nickel bestehende Oxydkathode 3
und eine Anode 2, z. B. aus Kupfer. Die Anode 2 wird von einem luftdicht in den
Fuß 5 eingeschmolzenen Stützdraht 4 und die Kathode 3 von den in- den Fuß 8 eingeschmolzenen
Stromführungsdrähten 6 und 7 getragen. Die Röhre i ist mit einer geeigneten Gasfüllung,
z. B. einem Edelgas wie Argon oder einer Mischung von Edelgasen, unter einem in
der Nähe von 3 cm Quecksilber liegenden Druck gefüllt: Gemäß der Abbildung. ist
der Gleichrichter in bekannter Weise an ein Wechselstromnetz geschaltet, wobei durch
einen zweipoligen Schalter das Netz mit der Kathode 3 und einer der Pole über eine
aufzuladende Batterie 12 und einen Regelwiderstand 13 mit der Anode 2 verbunden
werden kann. Mittels des Regelwiderstandes 14 kann die Stärke des zum Erhitzen der
Kathode 3 dienenden Stromes geregelt werden.
-
'Beim Inbetriebsetzen der Röhre ist der Schalter S geschlossen, so
daß ein elektrischer Strom durch die Oxydkathode fließt. Sobald die Entladung zwischen
den Elektroden 2 und 3 eine stabile Form angenommen. hat, wird S geöffnet, worauf
die Oxydkathode unter Einfluß der Entladung, die an der Kathode den Charakter einer
Bogenentladung hat, auf der erforderlichen Glühtemperatur (etwa 700 bis iooo° C)
bleibt. Eine Röhre, wie die in den Abbildungen dargestellte, kann an einen Wechselstromkreis
niedriger Spannung (z. B. 220 Volt) angeschlossen werden, und es hat sieh bei einer
bestimmten Röhre ergeben, daß der Strom zwischen o, i und i Ampere schwanken kann,
ohne daß die Entladung unsicher wird.
-
Man kann selbstverständlich auch Entladeröhren für höhere Leistungen
herstellen.
-
Zur Herstellung der Kathode wird ein Draht, z. B. aus Nickel, in die
in Abb. 2 dargestellte Form gebogen und mit einer Bariumazidschicht überzogen. Der
so erhaltene Körper wird in einer Glashülle (Abb. i) angebracht, in die auch die
Anode 2 eingeschmolzen wird. Die Glashülle i wird nun durch: Vermittlung einer mit
einem luftdicht abschließenden Hahn i i versehenen Röhre i o, die später abgeschmolzen
wird, .entlüftet.
-
Ist ein genügend hohes Vakuum erzielt, so wird die Elektrode3 durch
einen elektrischen Strom auf eine derart hohe Temperatur gebracht, daß das Balriumazid
in Stickstoff -und Barium zersetzt wird. Bei dieser Behandlung läßt man die Anode
spannungslos. Um den Stickstoff und gegebenenfalls andere Gase zu beseitigen, kann
man gewiinschtenfalls während des Erhitzens der Elektrode fortwährend pumpen. Das
Erhitzen der Elektrode wird so weit fortgesetzt, bis das Barium schmilzt und sich
mit dem Nickel der Elektrode legiert. Dieses Erhitzen ist in der sehr kurzen Zeit
von höchstens einigen Minuten beendet.
-
Sodann führt man zur Oxydation von wenigstens einem Teil des Bariums
.der Elektrode 3
durch die Röhre i o trockne Luft ein. Nachdem die
Elektrode auf diese Weise z. B:. während einiger Minuten einer oxydierenden Atmosphäre
ausgesetzt gewesen ist, wird die Röhre von neuem entlüftet.
-
Die Elektrode 3 ist nun fertiggestellt. Die Röhre q. wird mit einem
geeigneten Gas, z. B. mit Argon von einem Druck von etwa 3 cm, gefüllt und eine
Entladung durch das Gas herbeigeführt, wobei die Elektrode 3 als Kathode geschaltet
ist. Eine Schalteinrichtung, wie in Abb. i dargestellt, kann dabei benutzt werden.
Man kann in diesem Falle die Batterie 12 auch durch einen Widerstand geeigneter
Größe ersetzen. Die gegebenenfalls noch im Anfang frei werdenden Gase werden beseitigt;
indem man die Röhre wieder entlüftet, darauf aufs neue mit Argon füllt und von der
Röhre io abschmilzt.
-
Die gemäß der Erfindung hdrgestellte Elektrode eignet sich auch vorzüglich
zur Verwendung in Gleichrichtern mit eingeschlossener Bogenentladung zwischen feststehenden
Elektroden in einer Edelgasatmosphäre, wobei eine bei normaler Netzspannung auftretende
Glimmentladung zwecks Herbeiführtmg der Bogenentladung benutzt und die Kathode durch
die Entladung auf Glühtemperatur gehalten wird, während die Anode auf verhältnismäßig
niedriger Temperatur bleibt.
-
Die bisher bekannten Oxydkathoden sind infolge des von der Oxydschicht
in kaltem Zustande in den Kreis hineingebrachten hohen Ohmschen Widerstandes für
diesen Zweck weniger geeignet, während ein solcher Widerstand bei der Elektrode
nach der Erfindung fortfällt.
-
Ein nach dem vorgenannten Prinzip gezündeter Gleichrichter kann z.
B. folgendermaßen gebaut sein Eine Kathode, die aus einem gemäß dem Verfahren nach
der Erfindung behandelten Platindraht besteht, ist gegenüber einer plattenförmigen
Anode aus Eisen oder anderem geeigneten Metall angeordnet. Der Abstand der Elektroden
kann z. B. 2 mm betragen, und die Gasfüllung kann aus Argon oder einem Gemenge von
Neon und Argon mit einem Druck von etwa io mm Quecksilber bestehen.
-
Wenn eine solche Röhre unter Vorschaltung eines Widerstandes oder
unter Verwendung einer geeigneten Spannungsquelle von etwa i 5o Volt Wechselstrom
eingeschaltet wird, so entsteht eine Glimmentladung, die an der Oxydkathode bald
in eine Bogenentladung übergeht. Die Elektrode kann auch in Entladeröhren mit drei
Elektroden für drahtlose Telegraphie, Teleplionie oder ähnliche Zwecke angewendet
werden. Auch in Entladeröhren dieser Gattung mit vier oder mehreren Elektroden bietet
ihre Anwendung besondere Vorteile.