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Insbesondere zum Aussenden von Strahlen dienende elektrische Hochdruckmetalldampfentladungsröhre
Es ist bekannt, die in einer Hochdruckduecksilberdampfentladungsröhre befindliche
Quecksilbermenge derart zu dimensionieren, daß beim normalen Betrieb die ganze Quecksilbermenge
verdampft und der Quecksilberdampf überhitzt wird, so daß der Dampf ungesättigt
ist. Die Brennspannung einer Hochdruckduecksilberdarnpfentladungsröhrenimmt mit
steigendem Dampfdruck zu. Enthält nun die' Röhre einen Überschuß flüssigen Quecksilbers,
so wird bei zeitlicher Erhöhung der Speisespannung oder Verringerung der Wärmeabfuhr
ein zusätzlicher Teil des Quecksilbers verdampft. Mit dieser Erhöhung des Dampfdruckes
ist, wie angegeben, eine Steigerung der Brennspannung verknüpft. Sinkt nun die Speisespannung
wieder auf ihren normalen Wert, so wird der Dampfdruck infolge der Wärmeträgheit
der Röhre und somit die Brennspannung nicht sofort, sondern erst langsam ihren normalen
Wert annehmen können. Es besteht dann die Gefahr, daß die gesunkene Speisespannung
die Entladung nicht aufrechterhalten kann, so daß die Röhre erlischt. Diese Gefahr
eines labilen Betriebes kann dadurch vermieden werden, daß die Quecksilbermenge
in der oben angegebenen Weise derart beschränkt wird, daß der Quecksilberdampf beim
Betrieb ungesättigt ist.
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Diese Bemessung der Quecksilbermenge wird in der Regel dadurch erhalten,
daß eine genau abgewogene oder abgemessene Menge flüssigen Quecksilbers in die Hochdruckentladungsröhre
eingebracht wird. Bei fabrikmäßiger Herstellung einer großen Anzahl von Hochdruckentladungsröhren
macht sich der Übelstand geltend, daß der Metalldampf in den verschiedenen Entladungsröhren
beim Betrieb nicht s$ets die gleiche Dichte besitzt, was durch die Verschiedenheit
des Inhaltes des Entladungsraumes der Röhren verursacht wird. Es ist einleuchtend,
daß beim Einbringen von gleichen Quecksilbermengen die Entladungsröhre mit dein
größten Inhalt des Entladungsraumes die geringste Dampfdichte und bei gleicher Strombelastung
die geringste Brennspannung besitzt. Zum Erhalt eines gleichmäßigen Produktes sind
daher nur sehr geringe Toleranzen in dem Inhalt der Entladungsräume zulässig, was
die Herstellung erschwert, insbesondere wenn die Entladungsröhren aus einem hochschmelzenden
Material, insbesondere aus Quarz, hergestellt werden. Da dieses Material sich schwerer
als gewöhnliches Glas bearbeiten läßt, sind die bei fabrikmäßiger Herstellung auftretenden
Unterschiede in dem Inhalt der Entladungsräume in der Regel größer, als wenn die
Röhren aus einem leichter bearbeitbaren Glas mit niedrigerem Schmelzpunkt hergestellt
«erden.
Es ist gleichfalls bekannt, die erwünschte Ouecksilbermenge
dadurch in die Hochdruckentladungsröhre einzubringen, daß letztere mit einem Quecksilber
enthaltenden Behälter; verbunden und OOuecksilber aus diesem Be@:, hälter in die
Hochdruckentladungsröhre, i'ri' der gleichzeitig eine Entladung stattfindet,' hinüberdestilliert
wird. Während dieses Destillierungsvorganges nimmt die Brennspannung der Entladung
beim Ansteigen des Quecksilberdampfdruckes zu. Das Hinüberdestillieren wird so lange
fortgesetzt, 'bis die Brennspannung einen bestimmten Wert erreicht hat, worauf der
Quecksilberbehälter abgeschmolzen wird. Dieses Verfahren zum Einbringen der gewünschten
Metallmenge ist jedoch umständlich und zeitraubend.
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Die Erfindung, die sich auf eine insbesondere zum Aussenden von Strahlen
dienende Hochdruckmetalldampfentladungsröhre bezieht, hat den Zweck, eine Bauart
zu schaffen, bei der die mit dem ungesättigten Metalldampf verbundenen Vorteile
erzielt werden, ohne daß eine genaue Bemessung der in den Entladungsraum eingeführten
Metallmenge erforderlich ist.
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Die Entladungsröhre gemäß der Erfindung weist einen an den Entladungsraum
grenzenden Hilfsraum auf, in dem sich eine Gasfüllung und eine Flüssigkeit befinden,
die einen die kälteste Stelle des Entladungsraums bildenden Teil der Wand dieses
Raumes berührt, und der Hilfsraum ist derart ausgebildet, daß der Dampf der Flüssigkeit,
wenn letztere infolge der durch die Entladung entwickelten Wärme zum Sieden gebracht
wird, auf einem Wandteil kondensiert, der nicht mit der Wand des Entladungsraumes
zusammenfällt, wobei dafür Sorge getragen wird, daß das Kondensat zu dem Flüssigkeitsvorrat
zurückfließt.
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Die durch die Entladung entwickelte Wärme erhitzt die Trennwand zwischen
dem Entladungsraum und dem Hilfsraum und daher die im letztgenannten Raum vorhandene
Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit nimmt jedoch keine höhere Temperatur als ihre Siedetemperatur
an, da, wenn sie diese Temperatur erreicht hat, die weiter noch zugeführte Wärme
von dem entwickelten Dampf zu demjenigen Teil des Hilfsraumes abgeleitet wird, in
dem der Dampf kondensiert. Die Temperatur der Trennwand zwischen dem Entladungsraum
und dem Hilfsraum wird auf diese Weise auf einem praktisch konstanten Wert gehalten.
Da dafür Sorge getragen wird, daß diese Trennwand die kälteste Stelle des Entladungsraumes
ist, bestimmt die Temperatur dieser Trennwand den Dampfdruck des im Entladungsraum
befindlichen Metalls, das im Überschuß, d. h. beim Betrieb nicht ausschließlich
in Dampfform, vorhanden, ist. Da diese Temperatur praktisch konstant ist, wird ein
gleichbleibender ,oder wenigstens sich nur wenig än-@rnder Dampfdruck im Entladungsraum
er-@'ten.
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Die Siedetemperatur der im Hilfsraum vorhandenen Flüssigkeit und daher
der Druck des Metalldampfes im Entladungsraum sind von der Wahl der Flüssigkeit
und des Druckes der Gasfüllung im Hilfsraum abhängig. Durch geeignete Wahl der Flüssigkeit
und des Gasdruckes hat man also den Metalldampfdruck im Entladungsraum in der Hand.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Entladungsröhre besteht
darin, daß durch Änderung des Druckes der Gasfüllung im Hilfsraum und/oder durch
Verwendung einer anderen Siedeflüssigkeit der Betriebsdampfdruck im Entladungsraum
geändert werden kann, ohne daß der Entladungsraum geöffnet zu werden braucht.
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Ist es erwünscht, die Entladungsröhre in verschiedenen Lagen zu benutzen,
so ist der Hilfsraum derart auszubilden, daß die in diesem Hilfsraum befindliche
Flüssigkeit bei jeder in Frage kommenden Betriebslage der Entladungsröhre mit der
Trennwand zwischen dem Entladungsraum und dem Hilfsraum in Berührung ist. Für manche
Zwecke ist es z. B. erwünscht, die Entladungsröhre sowohl in waagerechter als auch
in senkrechter Lage des Entladungsraumes benutzen zu können. Der Hilfsraum wird
in diesem Falle derart ausgebildet, daß in beiden Lagen die im Hilfsraum befindliche
Flüssigkeit zu der Trennwand fließt. Bei Verwendung eines zylindrischen Entladungsraumes
kann der Hilfsraum aus einem Behälter bestehen, der etwa zylindrisch oder kegelförmig
ausgestaltel sein kann und an eine Endfläche des zylindrischen Entladungsraumes
derart anschließt, daß die Achse des Hilfsraumes und die Verlängerung der Achse
des Entladungsraumes einen spitzen Winkel (etwa 25 bis 65°) einschließen.
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Um die im Hilfsraum vorhandene Flüssigkeit leichter zum Sieden zu
bringen, ist es vorteilhaft, in der Flüssigkeit einen oder mehrere Gegenstände anzubringen,
welche die Bildung von Dampfblasen erleichtern. Dies kann bekanntlich mit.Hilfe
von Gegenständen erreicht werden, die scharfe Ränder oder Spitzen aufweisen. Der
Hilfsraum kann z. B. mit einem an der Wand dieses Raumes befestigten Röhrchen versehen
werden, dessen offenes Ende in die*Flüssigkeit eintaucht und vorzugsweise kurz vor
der Trennwand endet. Auch kann man sogenannte Siedesteinchen verwenden. Falls die
Flüssigkeit
aus Quecksilber besteht, kann man hierzu z. B. kleine
Wolframkörper benutzen.
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Der Überschuß des im Entladungsraum vorhandenen Metalls setzt sich
auf der Trennwand zwischen dem Entladungsraum und dem Hilfsraum ab. Bei dazu geeigneten
Lagen der Entladungsröhre würde dieses Metall tropfenweise in die Entladungsbahn
fallen können, z. B. wenn die Röhre geschüttelt wird, wodurch die Entladung unterbrochen
werden könnte. Zur Vermeidung dieses Übelstandes kann zwischen der Trennwand und
der Entladungsbahn ein Schirm angeordnet werden.
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Dieser Schirm ist zweckmäßig derart ausgebildet, daß die Trennwand
dem unmittelbaren Einfluß der in dem Entladungsraum auftretenden Konvektionsströme
entzogen ist. Der Einfluß dieser Konv ektionsströme könnte sonst bei verschiedenen
Lagen der Entladungsröhre verschieden sein, wodurch bei einer Änderung der Lage
der Entladungsröhre das Auftreten von Änderungen in dem im Entladungsraum herrschenden
Dampfdruck erleichtert werden könnte.
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Es ist selbstverständlich, daß der Raum zwischen der Trennwand und
dem Schirm in offener Verbindung mit dem übrigen Teil des Entladungsraumes steht.
Es ist vorteilhaft, den Schirm derart auszubilden, daß flüssiges Metall, das sich
zwischen dem Schirm und der Trennwand befindet, bei einer Änderung der Lage der
Entladungsröhre nicht zu der Entladungsbahn fließen kann. Wird diese .Verbindung
durch eine im Schirm vorgesehene Öffnung gebildet, so kann diese Öffnung von einem
Kragen umgeben werden, der in den Raum zwischen dein Schirm und der Trennwand vorspringt.
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Es ist bekannt, Metalldampfentladungsröhren mit einem Filter zu umgeben,
das nur einen Teil der von der Entladung erzeugten Strahlen durchläßt. Wird die
Entladungsröhre gemäß der Erfindung von einem solchen Filter umgeben, so wird es
vorzugsweise derart um die Röhre herum angeordnet, daß es zwar den Entladungsraum
umgibt, aber wenigstens denjenigen Teil des Hilfsraums, in dem die Flüssigkeit kondensiert,
frei läßt. I?s wird auf diese Weise verhütet, daß die Wärmeabgabe des Hilfsraums
von dem die Röhre umgebenden Filter beeinflußt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert, in der Fig. i beispielsweise einen Schnitt
einer Entladungsröhre gemäß der Erfindung in senkrechter Lage darstellt.
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Fig.2 zeigt ein Ende dieser Röhre in waagerechter Lage.
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Fig.3 ist eine schematische Darstellung einer Bestrahlungsvorrichtung
mit einer Röhre gemäß Fig. i.
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Die Entladungsröhre nach Fig. i weist eine aus Quarz bestehende zylindrische
Wand i auf, an deren oberes Ende ein gleichfalls aus Quarz bestehender Behälter
2 angeschmolzen ist, der den obenerwähnten Hilfsraum bildet. Dieser Hilfsraum ist
durch eine Trennwand 3 von dem Entladungsraum 4 getrennt: er enthält eine Quecksilbermenge
5 und ist ferner mit Argon unter einem Druck (bei Zimmertemperatur) von 20 cm Quecksilbersäule
gefüllt. An die Innenseite des Behälters 2 ist ein Quarzröhrchen 6 angeschmolzen,
dessen offenes Ende bis nahe an die Trennwand 3 reicht.
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Im Entladungsrauen 4 sind zwei an sich bekannte Glühelektroden 7 und
8 angeordnet, die z. B. aus schraubenförmig gewickelten Wolframdrähten bestehen,
auf denen sich ein Gemisch von Bariumoxyd und Strontiumosyd oder ein anderer stark
Elektronen emittierender Stoff befindet. Die Stromzuführungsdrähte 9 und io der
Glühelektrode 7 sind von Röhrchen i i aus Isolierstoff umgeben und zusammen mit
den Stromzuführungsdrähten der Glühelektrode 8 an einem Ende der Röhre durch die
Wand hindurchgeführt. Dieses Röhrenende ist mit einem aus Quarz bestehenden Ansatz
12 versehen, an dein der Sockel 13 befestigt ist, der vier Kontaktstifte 14 trägt,
mit deren Hilfe den Elektroden ; und 8 die Heizströme und der Entladungsstrom zugeführt
werden können. Es ist nicht immer notwendig, die Glühelektroden durch besondere
Heizströme zu erhitzen. Die Elektroden können auch derart ausgebildet sein, daß
sie durch die Entladung erhitzt werden: in diesem Fall braucht jede Elektrode nur
mit einem einzigen Stromzuführungsdraht versehen zu sein.
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Im Entladungsraum befindet sich zwischen der Trennwand 3 und der Glühelektrode
7 ein aus Quarz bestehender und an die Wand des Entladungsraumes angeschmolzener
Schirm 15. Dieser Schirm weist eine Öffnung 16 auf, die von einem Kragen 17 umgeben.ist.
Die Glühelektrode 7, die nahe am Schirm 15 angeordnet ist, wird noch von zwei schraubenförmig
gewickelten Wolframdrähten i8 gehaltert, die an einem Ende in die Röhrenwand eingeschmolzen
sind. Das obere Ende der zylindrischen Röhre ist auf der Außenseite mit einer Platinschicht
i9 überzogen, welche die Wärmeabgabe dieses Wandteiles herabsetzt.
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Der Entladungsraum 4 ist mit Edelgas, z. B. Argon, unter einem Druck
(bei Zimmertemperatur) von 5 mm Quecksilbersäule gefüllt; in diesen Raum ist außerdem
Quecksilber eingebracht, und zwar in solcher
Menge, daß bei dem
Betrieb der Entladungsröhre das Quecksilber nicht vollkommen verdampft, so daß dann
im Entladungsraum außer Quecksilberdampf auch noch flüssiges Quecksilber vorhanden
ist. Die Quecksilbermenge ist also nicht derart dosiert, daß Quecksilberdampf beim
Betrieb ungesättigt ist. Sämtliche in dieser Dosierung verbundenen Übelstände sind
infolgedessen beseitigt.
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Das im Hilfsraum 2 vorhandene Quecksilber 5 wird durch die von der
Entladung entwickelte Wärme erhitzt. Hat dieses O_uecksilber seine Siedetemperatur
erreicht, so fängt es unter Beibehaltung dieser Temperatur zu sieden an. Der entwickelte
Quecksilberdampf führt die dem Quecksilber zugeführte Wärme ab und kondensiert wieder
auf dem übrigen Teil der Wand des Hilfsraumes, wobei die Verdampfungswärme wieder
frei wird und an die Umgebung abgegeben wird. Die Trennwand 3 wird auf diese Weise
auf einer praktisch konstanten Temperatur gehalten. Der Entladungsraum ist derart
ausgebildet, daß die Trennwand 3 beim Betrieb die kälteste Stelle dieses Raumes
ist, so daß der Druck des Quecksilberdampfes im Entladungsraum durch die konstante
oder nahezu konstante Temperatur der Trennwand bedingt ist. Auch dieser Quecksilberdampfdruck
wird infolgedessen auf einem praktisch konstanten Wert gehalten, mit dem eine sich
nur wenig ändernde Brennspannung einhergeht.
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Die Siedetemperatur des Quecksilbers 5 ist von dem Druck der Gasfüllung
im Behälter 2 abhängig. Bei niedrigerem Gasdruck ist auch der Siedepunkt niedriger.
Durch Änderung dieses Gasdruckes kann die Siedetemperatur und .daher der Betriebsquecksilberdampfdruck
im Entladungsraum geändert werden. Der erforderliche Gasdruck kann in einfacher
Weise experimentell bestimmt werden. Es ist bemerkenswert, :daß der Betriebsquecksilberdampfdruck
im Entladungsraum durch eine leicht durchzuführende Regulierung .des Druckes des
Gases im Hilfsraum eingestellt wird. Der Metalldampfdruck kann selbstverständlich
auch durch Verwendung einer anderen Siedeflüssigkeit im Behälter 2 geändert werden.
Anstatt Quecksilber kann z. B. auch Benzylbenzoat oder Cethylalkohol verwendet werden.
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Das imEntladungsraum vorhandeneOuecksilber setzt sich auf der Trennwand
3 ab. Der Schirm 15 verhindert, ,daß dieses Quecksilber bei nicht waagerechter Lage
.des Entladungsraumes tropfenweise in die Entladungsbahn fällt, denn dies könnte
eine Unterbrechung der zwischen den Elektroden 7 und 8 stattfindenden Hochdruckentladung
zur Folge haben. Der Schirm 15 verhindert außerdem, daß die im Entladungsraum auftretenden
Konvektionsströme längs :der Trennwand 3 streichen. Die ,durch diese Konvektionsströme
herbeigeführte Erhitzung der Trennwand dürfte bei verschiedenen Lagen der Entladungsröhre
verschieden sein können, wodurch das Entstehen von Unterschieden in dem Temperaturabfall
in der Trennwand und somit in, der Temperatur der dem Entladungsraum zugekehrten
Seite der Trennwand gefördert werden würde. Der Kragen oder Ring 17 dient
dazu, zu verhindern, daß das oberhalb des Schirmes 15 befindliche flüssige Quecksilber
bei einer Änderung der Lage der Entladungsröhre in die Entla;dungsbahn fließt.
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Das im Quecksilber 5 befindliche Röhrchen 6 fördert das Entstehen
vonDampfblasen und erleichtert das Sieden des Quecksilbers. Es können zu diesem
Zweck auch andere geeignete Gegenstände, z. B. kleine Stückchen Wolfram, in das
Quecksilber eingebracht werden.
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Wie aus Fig. r ersichtlich ist, `fällt die Achse des etwa konisch
verlaufenden Behälters 2 nicht mit der Verlängerung der Achse des Entladungsraumes
zusammen, sondern schließt mit dieser einen spitzen Winkel ein. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist dieser Winkel etwas kleiner als 45°. Diese Lage des Hilfsraumes
in bezug auf den Entladungsraum macht .es möglich, die Entladungsröhre auch in anderen
Lagen zu benutzen.
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In Fig. 2 ist ein Ende der Röhre bei waagerechter Lage des Entladungsraumes
dargestellt. Auch bei dieser Lage ist das Quecksilber 5 mit der Trennwand 3 in Berührung,
ebenso wie dies bei allen Winkellagen zwischen der Lage nach Fig. z und der nach
Fig. 2 der Fall ist.
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Die Entladungsröhre wird zum Aussenden von Strahlen., insbesondere
von von der Ouarzwand durchgelassenen Ultraviolettstrahlen benutzt. Ist es erwünscht,
nur einen Teil der ausgesandten Strahlen zu benutzen, was z. B. bei Verwendung der
Röhre für Körperbestrahlung häufig der Fall ist, so kann der Entladungsraum von
einem (in Fig. z in punktierten Linien angegebenen) zylindrischen Schirm 2o umgeben
werden, der lediglich die erwünschten Strahlen, z. B. die langwelligen Ultraviolettstrahlen,
durchläßt. Ist es erwünscht, die Entladungsröhre mit und ohne Filter benutzen zu
können, so ist es vorteilhaft, -den Behälter :2 wenigstens teilweise aus .dem Filter
vorspringen zu lassen; so daß letzteres die Wärmeabgabe des Behälters nicht stört.
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Fig. 3 stellt schematisch eine Bestrahlungsvorrichtung dar, in der
eine Entladungsröhre
nach Fig. i angeordnet ist. Es ist aus dieser
Figur ersichtlich, daß die Entladungsröhre im Reflektor derart angeordnet wird,
daß bei nach unten gerichtetem Reflektor und bei waagerechter Lage des Entladungsraumes
die Achse des Behälters 2 nicht in 'der senkrechten Ebene liegt, sondern daß die
durch die Achse des Entladungsraumes und die Achse des Behälters verlaufende Ebene
und die senkrechte Ebene einen spitzen Winkel, z. B. von 45°, einschließen. Dies
macht es möglich, den Reflektor nebst der Entladungsröhre in der Pfeilrichtung über
mehr als 9o° zu drehen, ohne daß das Quecksilber 5 von der Trennwand 3 abfließt.
Da, wie bereits erwähnt wurde, der Entladungsraum auch eine senkrechte Lage einnehmen
kann, gibt die beschriebene Anordnung des Hilfsraumes in bezug auf den Entladungsraum
eine große Freiheit in der Anordnung der Entladungsröhre, so daß jede zu Bestrahlungszwecken
erwünschte Richtung des ausgesandten Strahlenbündels erreichbar ist.
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Die Entladungsröhre kann gegebenenfalls derart angeordnet werden,
daß der Behälter a -wenigstens teilweise aus dem Reflektor Herausragt, -wodurch
die Wärmeabgabe des Behälters erleichtert wird. Um zu verhindern, daß die von dem
Entladungsraum ausgestrahlte Wärme den Kondensationsraum trifft, kann auch außerhalb
der Entladungsiölire zwischen diesem Raum und dem Entladungsraum ein Schirm angeordnet
-werden, der z. B. senkrecht zur Achse des Entladungsraumes stehen kann.