DE665753C

DE665753C - Device for converting electrical energy into light

Info

Publication number: DE665753C
Application number: DEU12447D
Authority: DE
Original assignee: Universag Tech A G
Current assignee: Universag Tech A G
Priority date: 1933-07-13
Filing date: 1934-01-19
Publication date: 1938-10-07

Description

Einrichtung zur Umformung elektrischer Energie in Licht Gegenstand dieser Erfindung ist ein neues Verfahren zur Umwandlung elektrischer Energie in Strahlung, bei der die Energieumformung in zwei Schritten vor sich geht: Im ersten Schritt wird die elektrische Leistung in kinetische Energie von Elektronen umgeformt und in dieser Form einem Gase oder Dämpfe oder Gemische von solchen enthaltenden Leuchtraum zugeführt. In diesem Raum erfolgt in einem zweiten Schritt die Verwandlung der kinetischen Energie der Elektronen in Strahlung durch Prozesse, die wir weiter unten ausführlich schildern.Device for converting electrical energy into light object This invention is a new method of converting electrical energy into Radiation, in which the energy conversion takes place in two steps: In the first In the second step, the electrical power is converted into kinetic energy by electrons and in this form one containing gases or vapors or mixtures thereof Light room supplied. In this room, the transformation takes place in a second step the kinetic energy of electrons in radiation through processes that we continue describe in detail below.

Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich prinzipiell von der Arbeitsweise der Gasentladungslampen, in denen den Elektronen durch einen elektrischen Gradienten Energie zugeführt wird, die im selben Raume in Strahlung umgesetzt wird.The method according to the invention differs in principle from how the gas discharge lamps work, in which the electrons are driven by an electric Gradient energy is supplied, which is converted into radiation in the same room.

Es sind physikalische Apparate bekannt, die Elektronenstoßröhren genannt werden und mit deren Hilfe zahlreiche Anregungs-und Ionisierungsvorgänge in Gasen erforscht worden sind. In diesen Apparaten werden schwache Elektronenstrahlen in genau kontrollierbarer Weise beschleunigt und in einen Gase oder Dämpfe unter sehr geringem Druck enthaltenden Stoßraum geschossen, um die Wirkung der Zusammenstöße zu studieren. Hierbei haben die Forscher stets darauf geachtet, den Druck so niedrig zu halten, daß ein Elektron nur ganz ausnahmsweise mehr als einen Zusammenstoß im Stoßraum erleiden konnte, da sonst die Verhältnisse unübersichtlich wurden, ferner wurde die Stromstärke niedrig gehalten, auf einem Wert von nur wenigen Milliampere oder sogar nur Bruchteilen eines Milliampere, da sonst die inhomogene Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigte. Unter diesen Umständen wurden aber nur geringe Wirkungsgrade der Lichterzeugung erzielt, da die besonderen Erscheinungen, auf die sich unsere Erfindung gründet, gar nicht zur Entfaltung kommen konnten.There are known physical apparatuses called electron shock tubes and with their help numerous excitation and ionization processes in gases have been researched. In these devices, weak electron beams are in Accelerated in a precisely controllable manner and in a gases or vapors under very low pressure containing shock chamber shot to reduce the effect of the collisions to study. Here the researchers have always taken care to keep the pressure as low as possible to keep an electron only exceptionally more than one collision in the Could suffer a shock area, otherwise the situation would be confusing, furthermore the current was kept low, to a value of only a few milliamperes or even only a fraction of a milliampere, otherwise the inhomogeneous speed distribution the electrons affected the accuracy of the measurements. Under these circumstances but only low levels of efficiency of light generation were achieved because the special Appearances on which our invention is based do not develop at all could.

Um einen bedeutend erhöhten Leuchteffekt zu erzielen, bedient man sich erfindungsgemäß folgender Maßnahmen: In einem beschleunigenden Felde wird vorerst Elektronen, die wir fortan Primärelektronen nennen werden, eine Geschwindigkeit erteilt, die zweckmäßig einer Spannung zwischen 5o und 300 Volt entspricht. Diese mittelschnellen Elektronen führen die Energie dem Leuchtraum zu. Erfindungsgemäß wird die Stromstärke der primären Elektronen so hoch gewählt, daß die Gase oder Dämpfe im Leuchtraum in einen Zustand hochgradiger Ionisierung versetzt werden. Über das Maß der Ionisierung, die zur Ausübung des Verfahrens erforderlich ist, geben wir weiter unten eingehende Angaben. Hierzu sind hohe Stromstärken erforderlich, vorzugsweise über 5oo mA. Diese Ströme stellen also ein hohes Vielfaches der in Elektronenstoßröhren verwendeten Intensitäten dar.In order to achieve a significantly increased luminous effect, the following measures are used according to the invention: In an accelerating field, electrons, which we will call primary electrons from now on, are given a speed that expediently corresponds to a voltage between 50 and 300 volts. These medium-fast electrons feed the energy to the light space. According to the invention, the current strength of the primary electrons is selected so high that the gases or vapors in the luminous space are put into a state of high-grade ionization. We provide detailed information below about the degree of ionization required to carry out the process. This requires high currents, preferably over 500 mA. These currents therefore represent a high multiple of the intensities used in electron shock tubes.

Ferner ist erfindungsgemäß der Druck r' Gase und Dämpfe auf die Gefäßabmessun und auf die Geschwindigkeit der Primärel' 2 tronen so abzustimmen, daß die Primärele'@@ tronen auf ihrem mittleren Weg zwischen der Elektronenquelle und der Wandung des Leuchtraumes mehrere Zusammenstöße mit Gasmolekülen erfahren. Hierdurch wird der genannte mittlere Weg auf ein Mehrfaches des kürzesten geometrischen Abstandes zwischen Elektronenquelle und Wandung verlängert, da sich durch die Zickzackwege ein bedeutender Umweg ergibt.Furthermore, according to the invention, the pressure r 'gases and vapors on the vessel dimensions and to match the speed of the primary ele '2 trons so that the primary ele' @@ trons on their middle path between the electron source and the wall of the Experience multiple collisions with gas molecules. This will make the called mean path to a multiple of the shortest geometric distance between The electron source and wall are longer, since the zigzag paths create a significant one Detour results.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich verwirklichen in Vorrichtungen nach Art der obenerwähnten Elektronenstoßröhren. Hierbei ist aber Sorge zu tragen, daß bei den erfindungsgemäß zu verwendenden hohen Stromintensitäten keine Bogenbildung auftritt. Ein an sich bekanntes Mittei zur Verhütung dieser Erscheinung ist die Verwendung verhältnismäßig großer Kathoden aus Stoffen mit nicht zu kleiner Elektronenaustrittsarbeit und ausgeprägten Sättigungseigenschaften, wie Wolfram, Tantal u. dgl. Mit solchen Elektronenquellen ausgestattet, können Elektronenstoßrohre der verschiedensten Konstruktionen, wie sie seit den Versuchen von Franck und Hertz vielfach für Forschungszwecke verwendet worden sind, zur Ausübung des Verfahrens dienen. Es ist auch bekannt, daß die in den meisten Elektronenstoßröhren angewandten Beschleunigungsgitter oder Gittersysteme in Wegfall kommen können, sofern die Stromstärke einige Miniampere übersteigt, da dann das ionisierte Gas die Rolle des Gitters übernimmt. Diese . besonders einfache Konstruktion soll daher dem folgenden Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt werden. Ausführungsbeispiel In einem nach Art der Glühlampenkolben ausgebildeten, mit einem kurzen Halsansatz versehenen kugelförmigen Gefäß von 6 cm Durchmesser befindet sich in der Mündung des Halses eine zur Aussendung eines parallelen Strahlenbündels geeignete Elektronenstrahlenquelle. Ein einfaches, an sich bekanntes Beispiel einer solchen Elektronenstrahlenquelle ist eine Glühkathode aus reinem Wolfrainblech von einer Oberfläche von z cm=, die durch einen elektrischen Strom auf 2300 ° erhitzt wird. Im selben Gefäß ist auch eine Anode angeordnet, die eine beliebige Form besitzen kann und, um die Lichtausstrahlung nicht zu behindern, z. B. im Kolbenhals untergebracht wird. Das Gefäß wird mit Neongas von o,5 mm Druck gefüllt. Zwischen Kathode und Anode wird eine Spannung von z. B. 70 Volt angelegt und die Ieizung des Wolframbleches so geregelt, daß :d Kathode einen Elektronenstrom von z. B. Amp. emittiert. Hierauf erfüllt sich das :').eiefäß mit einem hell leuchtenden Plasma, das praktisch feldfrei ist und das überall im ganzen Leuchtrauen ein Potential besitzt, das sich vom Anodenpotential kaum unterscheidet. Der gesamte Spannungsabfall von 70 Volt findet hierbei innerhalb der sich an der Kathodenoberfläche bildenden dünnen Rauinladungsschicht statt. In diesem Raumladungsfeld werden die Elektronen beschleunigt und in Form eines Strahlenbündels senkrecht zur Kathodenoberfläche in das Plasma geschossen.The method according to the invention can be implemented in devices of the type of the electron impact tubes mentioned above. Care must be taken here, however, that no arcing occurs at the high current intensities to be used according to the invention. A well-known means to prevent this phenomenon is the use of relatively large cathodes made of materials with a not too small electron work function and pronounced saturation properties, such as tungsten, tantalum, etc. Equipped with such electron sources, electron bump tubes of the most varied designs, as they have been since the tests have been used many times by Franck and Hertz for research purposes, serve to carry out the method. It is also known that the acceleration grids or grid systems used in most electron blast tubes can be omitted if the current intensity exceeds a few mini amperes, since the ionized gas then takes on the role of the grid. These . The following exemplary embodiment should therefore be based on a particularly simple construction. EXEMPLARY EMBODIMENT In a spherical vessel of 6 cm diameter designed in the manner of the incandescent lamp bulb and provided with a short neck, an electron beam source suitable for emitting a parallel beam is located in the mouth of the neck. A simple, per se known example of such an electron beam source is a hot cathode made of pure tungsten sheet metal with a surface of z cm = which is heated to 2300 ° by an electric current. In the same vessel there is also an anode, which can have any shape and, in order not to obstruct the light emission, e.g. B. is housed in the flask neck. The vessel is filled with neon gas with a pressure of 0.5 mm. A voltage of z. B. 70 volts applied and the Ieizung of the tungsten sheet regulated so that: d cathode an electron current of z. B. Amp. Emitted. This is then fulfilled: a brightly shining plasma, which is practically field-free and which has a potential throughout the entire luminous area that hardly differs from the anode potential. The entire voltage drop of 70 volts takes place within the thin rough charge layer that forms on the cathode surface. In this space charge field the electrons are accelerated and shot into the plasma in the form of a beam perpendicular to the cathode surface.

Unter Plasma verstehen wir hierbei in Übereinstimmung mit- der von Irving Langm u i r in die Literatur der Gasentladungen eingeführten Bedeutung dieses Wortes ein hochionisiertes Gas, das pro cm3 eine gleiche oder annähernd gleiche- Zahl 7t von negativen und positiven Ladungsträgern enthält. In Edelgasen oder Metalldämpfen sind die negativen Ladungsträger Elektronen, die ein Elektronengas bilden mit einer eigenen Temperatur T, die Elektronentemperatur genannt wird. Diese wird gewöhnlich in Volteinheiten gemessen, wobei r Volt 7733° entspricht.In this context, we understand plasma in accordance with that of Irving Langm u i r introduced the meaning of this in the literature on gas discharges Word is a highly ionized gas that has an equal or approximately equal- Contains number 7t of negative and positive charge carriers. In noble gases or metal vapors are the negative charge carriers electrons that form an electron gas with a own temperature T, which is called the electron temperature. This becomes common Measured in units of volts, where r volts corresponds to 7733 °.

Bei der Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung, wie dies beispielsweise im obigen Ausführungsbeispiel geschildert worden ist, tritt ein neuer Prozeß in Erscheinung, der sich in einer bedeutend erhöhten Ökonomie der Lichterzeugung äußert und der erfindungsgemäß nach Möglichkeit begünstigt und ausgenutzt werden soll.When practicing the method according to the invention, such as this for example has been described in the above embodiment, a new process occurs Phenomenon that manifests itself in a significantly increased economy of light generation and which according to the invention is to be promoted and exploited as far as possible.

Dieses Element der Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß ein hochkonzemtriertes Elektronengas fähig ist, mittelschnellen Elektronen unmittelbar bedeutende Energiebeträge zu entziehen. Das Elektronengas überträgt dann seinerseits die so erhaltene Energie auf die Gasmoleküle, die durch Stöße zum Leuchten angeregt werden. Dieser zweistufige Prozeß ergibt einen besseren Leuchtwirkungsgrad als die unmittelbare Anregung der Gasmoleküle durch Stöße der primären Elektronen. Es läßt sich nun zeigen, daß der geschilderte neue Prozeß nur dann mit einem guten Wirkungsgrad vor i sich gehen kann, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: Hier haben n und T die oben definierte Bedeutung; T wird in Volteinheiten gemessen. R bedeutet bei kugelförmigen oder nahezu kugelförmigen Gefäßen den Radius in Zentimetern. E bedeutet die Energie der Primärelektronen in Volt, während V den mittleren Energieverlust in Volt bedeutet, den ein Primärelektron bei einem Zusammenstoß mit einem Gasmolekül erleidet. Für Quecksilber z. B. und Elektronen von etwa ioo bis :.,oo Volt Geschwindigkeit ist Z' etwa 7 Volt, für Neon etwa 5 Volt.This element of the invention is based on the new knowledge that a highly concentrated electron gas is capable of directly withdrawing significant amounts of energy from medium-speed electrons. The electron gas then in turn transfers the energy obtained in this way to the gas molecules, which are stimulated to glow by impacts. This two-stage process results in a better lighting efficiency than the direct excitation of the gas molecules by collisions of the primary electrons. It can now be shown that the new process described can only proceed with a good degree of efficiency if the following condition is met: Here n and T have the meaning defined above; T is measured in units of volts. In the case of spherical or almost spherical vessels, R means the radius in centimeters. E means the energy of the primary electrons in volts, while V means the mean energy loss in volts that a primary electron suffers when it collides with a gas molecule. For mercury e.g. B. and electrons from about 100 to:., Oo volts Z 'is about 7 volts, for neon about 5 volts.

Der Wirkungsgrad dieser Energieübertragung, d. h. das Verhältnis @p der von den Primärelektronen auf die Plasmaelektronen übertragenen Energie zur gesamten Energieabgabe der Primärelektronen, ist im wesentlichen eine Funktion von a und steigt zuerst steil, dann flacher mit steigendem a an.The efficiency of this energy transfer, i.e. H. the ratio @p of the energy transferred from the primary electrons to the plasma electrons to the total Energy output of the primary electrons is essentially a function of a and rises steeply at first, then flatter with increasing a.

Die Berechnung dieser Funktion bzw. die Berechnung der von den Primärelektronen auf das Plasma übertragenen Energie gründet sich auf die Arbeit von Dr. D. Gäbor: »Elektrostatische Theorie des Plasmas«, Zeitschrift für Physik, 84, 474., 1933, insbesondere auf Formel 114 auf Seite 502. Diese Formel gibt die Bremskraft, die ein Elektron der Geschwindigkeit v erfährt, das sich in einem Plasma mit einer Elektronenkonzentration n/cm-' und einer Elektronentemperatur T° bewegt. Diese Bremskraft kann ausgedrückt werden durch ein äquivalentes Gegenfeld mit einem Gradienten g,, Volt/cm. Die Formel lautet: g., = 8,8 (T°,lrol)' (1,t;`xo'°)' (v:'/V°) Volt ;`cm. (2) Hier bedeutet v' das mittlere Geschwindigkeitsquadrat der Plasmaelektronen. Die Formel ist gültig, solange der letzte Faktor klein ist, d. h. solange die Energie des bewegten Elektrons (des Primärelektrons) erheblich größer ist als die mittlere Energie der Plasmaelektronen. Setzt man die Elektronentemperatur in Volt und die Energie des Primärelektrons E ebenfalls in Volt ein, so wird dies: g i: = 7,75. 7*-'- (n/zo'°)1 E -1 Volt; cm . (3) Hieraus leitet man durch Integration der Bewegungsgleichung ab, daß ein Elektron, das mit der ursprünglichen Energie E in das Plasma geschossen wird, auf einer Strecke .17 folgenden Energieverlust d E" erleidet: EI, =E(I-vl-x@'P)- (4) Hier bedeutet P die Reichweite des Elektrons mit der Anfangsenergie P, d. h. die Strecke, auf der es seine ganze Energie verliert. Diese berechnet sich aus der Formel: _ 3 _ 1 P = 6,5 . zo3 . E'2. T = # n ' cm. (5) In Wirklichkeit verliert das Elektron seine Energie nicht vollständig, denn es geht ja im Schwarm der Plasmaelektronen unter und behält im Mittel die Energie, die der Elektronentemperatur entspricht, aber die Abbremsung erfolgt gegen das Ende des Weges so plötzlich, daß man von einer wohldefinierten Reichweite sprechen kann, ähnlich der Reichweite der a-Strahlen.The calculation of this function or the calculation of the energy transferred from the primary electrons to the plasma is based on the work of Dr. D. Gäbor: "Electrostatic Theory of Plasmas", Zeitschrift für Physik, 84, 474., 1933, especially on formula 114 on page 502. This formula gives the braking force experienced by an electron of velocity v, which is in a plasma an electron concentration n / cm- 'and an electron temperature T ° moves. This braking force can be expressed by an equivalent opposing field with a gradient g 1, volt / cm. The formula is: g. , = 8.8 (T °, lrol) '(1, t; `xo' °) '(v:' / V °) volt;` cm. (2) Here v 'means the mean square of the velocity of the plasma electrons. The formula is valid as long as the last factor is small, ie as long as the energy of the moving electron (the primary electron) is considerably greater than the mean energy of the plasma electrons. If one uses the electron temperature in volts and the energy of the primary electron E also in volts, this becomes: g i: = 7.75. 7 * -'- (n / zo '°) 1 E -1 volts; cm. (3) From this, by integrating the equation of motion, one deduces that an electron that is shot into the plasma with the original energy E suffers the following energy loss d E "over a distance .17: EI, = E (I-vl-x @ 'P) - (4) Here P means the range of the electron with the initial energy P, ie the distance over which it loses all its energy, which is calculated from the formula: _ 3 _ 1 P = 6.5. Zo3 . E'2. T = # n 'cm. (5) In reality the electron does not lose its energy completely, because it is lost in the swarm of plasma electrons and on average retains the energy that corresponds to the electron temperature, but the deceleration occurs so suddenly towards the end of the path that one can speak of a well-defined range, similar to the range of the a-rays.

Nun enthält das Gas nicht nur Plasma, sonderen auch neutrale Moleküle. Wenn die mittlere freie Weglänge des Elektrons im Gas i ist, so erleidet das Elektron auf der Strecke x durch Molekülstöße im Mittel den Verlust d Eg = x # V/.1, (6) wo h, wie oben definiert, den mittleren Energieverlust je Stoß bedeutet. Erfindungsgemäß sollen nun Plasmaverluste und Molekülstoßv erluste die Energie des Primärelektrons gerade aufzehren, bevor es die Wandung erreicht. Dies heißt, daß, wenn man für x die mittlere Strecke x einsetzt, die ein Primärelektron von der Elektronenstrahlenquelle zur Wandung zurücklegt, gelten muß d Eb -E- d Et, = E. (7) In erster Annäherung kann man z berechnen aus den Zickzackwegen, die das Elektron durch Molekülstöße erfährt, unter Vernachlässigung des Diffusionswiderstandes im Plasma. Betrachten wir als 'einfachstes Beispiel eine Elektronenstrahlenquelle, die sich in der Mitte eines kugelförmigen Gefäßes vom Radius R befindet. Würden die Elektronen bei Molekülstößen nur Energie verlieren, nicht aber ihre Richtung ändern, so wäre z = R und die mittlere Zahl von Stößen vor Erreichen der Wand R/i. Macht man die entgegengesetzte Annahme, wie in der G. Hertzschen Theorie der Bewegung langsamer Elektronen, Geiger-Scheel, Handbuch der Physik, Bd. XXIII, daß die Geschwindigkeiten der Elektronen nach einem Stoß in allen Richtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit verteilt sind, so wird der mittlere Weg x = 2 R=/,, (8) und die mittlere Zahl von Stößen 2 (R/A)2. In Wirklichkeit besteht weder der eine noch der andere Grenzfall, sondern eine bestimmte endliche »Persistenz der Geschwindigkeiten«, die sich z. B. aus den Messungen von I. Langmuir und H. A. Jones, Physical Review, 31, 357, i928, entnehmen läßt. Man rechnet jedoch der Einfachheit halber mit der Annahme verschwindender Persistenz weiter, wie sie durch Formel (8) ausgedrückt wird.. Trotz der hierin enthaltenen Vernachlässigungen sind die Ergebnisse praktisch brauchbar. Dies erklärt sich mutmaßlich daraus, daß die Vernachlässigung der Persistenz, die eine zu große Stoßzahl ergibt, teilweise durch die Wirkung des Plasmas aufgehoben wird, die sich in einer Verlängerung der Strecke 2 und Vergörßerung der Stoßzahl äußert. Die Persistenz der Geschwindigkeiten kann auch in der Endformel nachträglich berücksichtigt werden, indem man die freie Weglänge durch @/(i - cos O) ersetzt, wo O den mittleren Ablenkungswinkel bedeutet (J. J e a n s , Dynamische Theorie der Gase, Leipzig 1926).Now the gas contains not only plasma, but also neutral molecules. If the mean free path of the electron in the gas is i, then the electron suffers on the distance x through molecular collisions on average the loss d Eg = x # V / .1, (6) where h, as defined above, the mean energy loss per Push means. According to the invention, plasma losses and molecular collision losses should now consume the energy of the primary electron just before it reaches the wall. This means that if one substitutes for x the mean distance x that a primary electron travels from the electron beam source to the wall, then d Eb -E- d Et, = E. (7) As a first approximation, one can calculate z from the Zigzag paths that the electron experiences through molecular collisions, neglecting the diffusion resistance in the plasma. Let us consider, as the simplest example, an electron beam source located in the center of a spherical vessel with radius R. If the electrons only lose energy during molecular collisions, but not change their direction, then z = R and the mean number of collisions before reaching the wall would be R / i. If one makes the opposite assumption, as in G. Hertz's theory of the movement of slow electrons, Geiger-Scheel, Handbuch der Physik, Vol. XXIII, that the velocities of the electrons are distributed in all directions with the same probability after a collision, then the mean distance x = 2 R = / ,, (8) and mean number of collisions 2 (R / A) 2. In reality, there is neither the one nor the other limit case, but a certain finite "persistence of the speeds", which is e.g. B. from the measurements of I. Langmuir and HA Jones, Physical Review, 31, 357, 1928, can be inferred. For the sake of simplicity, however, one continues to calculate with the assumption of vanishing persistence, as expressed by formula (8). Despite the neglect contained herein, the results are practically useful. This is presumably explained by the fact that the neglect of persistence, which results in an excessively high impact number, is partially canceled out by the effect of the plasma, which manifests itself in an extension of distance 2 and an increase in the impact number. The persistence of the velocities can also be considered retrospectively in the final formula by replacing the free path with @ / (i - cos O), where O means the mean deflection angle (J. Jeans, Dynamic Theory of Gases, Leipzig 1926).

Unter den genannten Annahmen ergibt sich der mittlere Stoßverlust von der Elektronenstrählenquelle bis zur Wandung 4 E@ - x . VIA - z (9) Setzt man dies und G1. (4) in Gl. (7) ein, so ergibt sich die Bedingung der vollständigen Energieaufzehrung in der Form z vi - XI P ` 2 E R . (=o) Führt man ein - 7/P; (=i) so ergibt sich z Y= - 2 E R ) -' (i2) eine Gleichung vierten Grades, in die die Abmessungen und Betriebsdaten der Lampe nur in dem Parameter VP=JER2 eingehen. Setzt man P aus Gl. (5) ein, so wird dies E V. . P'r R" - 4,2 . =o ' R v 2 - T% EJ . (13) (3) Die Lösung der G1. (12) hängt also nur ab von i VE3 ä = R2 T3n i4) Für jedes a läßt sich die G1. (f2) lösen, und daraus kann man ilp ermitteln, das, wie oben definiert, das Verhältnis der an die Plasmaelektronen abgegebenen Energie zur Anfangsenergie darstellt.Based on the above assumptions, the mean impact loss from the electron beam source to the wall results 4 E @ - x. VIA - z (9) If you put this and G1. (4) in Eq. (7) a, so results in the condition of complete Energy depletion in the form z v i - XI P ` 2 E R. (= o) One introduces - 7 / P; (= i) so it turns out z Y = - 2 ER) - '(i2) a fourth degree equation into which the Dimensions and operating data of the lamp are only included in the parameter VP = JER2 . If one sets P from Eq. (5) one, so will this E. V. P'r R " - 4,2. = O ' R v 2 - T% EJ . (13) (3) The solution to G1. So (12) only depends from i VE3 ä = R2 T3n i4) For each a, the G1. Solve (f2), and from this one can determine ilp, which, as defined above, represents the ratio of the energy given off to the plasma electrons to the initial energy.

Aus G1. (q.) ergibt sich, da 21, = d Ep JE: 2lp=i-Yi-e. (i5) Der Zusammenhang zwischen % und a wurde graphisch ermittelt und ist in der Fig. i dargestellt: Wie man aus dieser Figur erkennt, ist der Wirkungsgrad bei den in Formel (i) angegebenen Werten von a größer als 50 %.From G1. (q.) it follows that 21, = d Ep JE: 2lp = i-Yi-e. (i5) The relationship between% and a was determined graphically and is shown in FIG. i: As can be seen from this figure, the efficiency with the values of a given in formula (i) is greater than 50%.

Der Parameter a, von dem die Leuchtökonounie in erster Linie abhängt, kann in einem gegebenen Leuchtgefäß, also bei gegebenem R und bei gegebener Betriebsspannung, nur durch Erhöhung der Stromstärke gesteigert werden. Da dieElektronenternperatur sich nicht über eine gewisse Grenze, die z. B. für Neon bei i ö Volt liegt, steigern läßt; beruht die weitere Erhöhung des Wirkungsgrades auf der Zunahme der Trägerkonzentration aa. In Leuchtgefäßen handlicher Größe und bei Betriebsspannungen von ioo bis 22O Volt sind Trägerkonzentrationen von io"/em3 öder mehr erforderlich, um dem Kriterium zu entsprechen. Die hierzu erforderlichen Ströme betragen 5oo Milliampere oder mehr.The parameter a, on which the light economy primarily depends, can in a given light vessel, i.e. with a given R and a given operating voltage, can only be increased by increasing the amperage. Since the electron temperature does not exceed a certain limit, which z. B. for neon is i ö volts, increase leaves; the further increase in efficiency is based on the increase in the carrier concentration aa. In light vessels of a handy size and with operating voltages from 100 to 220 Volts, carrier concentrations of io "/ em3 or more are required to meet the criterion correspond to. The currents required for this are 500 milliamperes or more.

Es muß nun der Druck des Füllgases ermittelt werden, bei dem der gewünschte Wirkungsgrad erreicht wird. Aus den G1. (15) und (ii) folgt :x - P . 27p (2 - IIP) . (16) Dies setzt man in Gl. (7) ein, die man unter Benutzung von G1. (9) folgendermaßen schreiben kann: V712=E# (i-@p) (i7) Dies kombiniert reit (16) ergibt - p V Tip (2 -ilp) (i8) E i -#p _ Setzt man hier P aus (5) ein, so ergibt sich 3 2^77,p E-V (19) A.--6,5. =o -7!p ' 3. 1 .( i^r7p T-lat Hier haben alle Bezeichnungen die oben definierte Bedeutung. Der hierzu korrespondierende Gas- oder Dampfdruck läßt sich aus den bekannten Tabellen der freien Weglängen entnehmen.The pressure of the filling gas at which the desired efficiency is achieved must now be determined. From the G1. (15) and (ii) it follows: x - P. 27p (2 - IIP) . (16) This is put into Eq. (7), which can be obtained using eq. (9) can write as follows: V712 = E # (i- @ p) (i7) This combined riding (16) results in - p V Tip (2 -ilp) (i8) E i - # p _ If you insert P from (5) here, the result is 3 2 ^ 77, p EV (19) A .-- 6.5. = o -7! p'3.1. ( i ^ r7p T-lat Here all terms have the meaning defined above. The corresponding gas or vapor pressure can be found in the known tables of the free path lengths.

Bei der Ausrechnung von praktischen Beispielen ergibt sich, daß die angegebene Kegel für die Druckbemessung bzw. die freie Weglänge durch eine einfachere ersetzt werden kann. Schreibt man nämlich die G1. (i9) in folgender Form und berücksichtigt man, daß die rechte Seite in den Grenzen zwischen 15 R und 75 - schwankt, so ergibt sich für , wenn der Wirkungsgrad zwischen 2o bis 8o 1/o schwankt, wie erfindungsgemäß angestrebt wird, daß zwischen 15 bis 3o schwanken muß, um den gewünschten Wirkungsgrad zu erreichen. Dies wird weiter unten im Falle einer Neonlampe gezeigt. Die Regel bleibt aber auch gültig, wenn das sehr schwer ionisierbare Neon durch das sehr leicht ionisierbare Quecksilber ersetzt wird. yDie Elektronenkonzentration yz steigt zwar bedeutend an, diese geht aber nur in der Quadratwurzel ein. Dagegen fällt T auf einen bedeutend kleineren Wert, und V im Nenner wird auch etwas größer, so daß der ganze Ausdruck sich nur wenig ändert. Wenn die Spannung E vergrößert wird, so muß auch R vergrößert werden. So erklärt sich, daß die einfachere Regel sich in praktischen Fällen als ausreichend erweist.The calculation of practical examples shows that the specified cone for pressure measurement or the free path can be replaced by a simpler one. If you write the G1. (i9) in the following form and one takes into account that the right side is within the limits between 15 R and 75 - fluctuates, it results for when the efficiency fluctuates between 2o to 8o 1 / o, as the invention strives for must fluctuate between 15 and 3o in order to achieve the desired efficiency. This is shown below in the case of a neon lamp. The rule remains valid even if the very difficult to ionize neon is replaced by the very easily ionizable mercury. yThe electron concentration yz increases significantly, but it is only included in the square root. On the other hand, T falls to a significantly smaller value, and V in the denominator also increases somewhat, so that the whole expression changes only slightly. If the voltage E is increased, then R must also be increased. This explains why the simpler rule proves to be sufficient in practical cases.

Der Gasdruck muß aber andererseits so hoch bemessen werden, daß die Primärelektronen ihre Energie im Gasraum möglichst vollständig abgeben, wie eingangs erwähnt, da der Rest ihrer Energie sonst durch Anprall an die Wand nutzlos in Wärme umgesetzt wird, sofern er nicht durch Beimengung fluoreszierender Stoffe mindestens teilweise nutzbar gemacht wird. Nur ein kleiner Teil der Primärelektronen, möglichst nicht mehr als 511, soll daher die Wand erreichen, ohne vorher mindestens einen unelastischen Stoß erlitten zu haben. Sofern sich aus der Formel (i9) ein kleinerer Druck ergibt, ist die letztere Regel zu beachten. Bei einem allzu hohen Druck dagegen wird die unmittelbare Energieabgabe der Primärelektronen durch Zusammenstoß mit Gasmolekülen überwiegend, wodurch der Wirkungsgrad wieder verringert wird.On the other hand, the gas pressure must be so high that the primary electrons emit their energy in the gas space as completely as possible, as mentioned at the beginning, since the rest of their energy is otherwise uselessly converted into heat by hitting the wall, unless it is at least caused by the addition of fluorescent substances is partially made usable. Only a small part of the primary electrons, if possible not more than 511, should therefore reach the wall without having previously suffered at least one inelastic impact. If the formula (i9) results in a lower pressure, the latter rule must be observed. On the other hand, if the pressure is too high, the direct energy release of the primary electrons through collision with gas molecules becomes predominant, whereby the efficiency is reduced again.

Die angegebenen Regeln können an Hand des obigen Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierzu ist es erforderlich, die in den Formeln vorkommenden Größen zu kennen. Von diesen ist R eine geometrische Abmessung. Der mittlere Stoßverlust V ist für jedes Gas mindestens näherungsweise bekannt. Die Trägerkonzentration n und die Elektronentemperatur T können nach den von I. L a n g in u i r und Mitarbeitern ausgearbeiteten Sondenmethoden gemessen werden. Handelt es sich um Prüfung der Kriterien an einer ausgeführten Lampe, so kann eine Replik mit Sonden ausgestattet werden. Die Größen können aber auch unter Verwendung bekannter Formeln und experimenteller Ergebnisse berechnet werden, wie an Hand des obigen Beispiels gezeigt werden soll. Ermittlung der Elektronentemperatur Diese Größe wird bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen der Energiezufuhr zum Elektronengas und der Energieabfuhr zur Wandung. Letztere Größe hängt ab vom Verhältnis der Oberfläche zum Rauminhalt des Gefäßes. Dieses Verhältnis ist in einer Kugel von 6 cm Durchmesser das gleiche wie in einem zylindrischen Rohr von q. cm Durchmesser. Seeliger und Hirchert haben in einem solchen Rohr bei verschiedenen Gasfüllungen und Drucken genaue Messungen über die Abhängigkeit der Elektronentemperatur vom Gradienten, also von der zugeführten Energie durchgeführt (Annalen der Physik, Bd. i i, S. 817, i932). Eine Kugel von 6 cm Durchmesser hat ein Volumen von 113 cms; die zugeführte Leistung beträgt 70 Volt und o,6 Amp., also 42 Watt, d. h. 0,37 Watt/ems. Aus den obengenannten Messungen ergibt sich für Neongas von o,5 mm Druck eine Elektronentemperatur von T = io Volt. Ermittlung der Elektronenkonzentration Nach einer Mitteilung von I. L a n g m u i r und H. A. J :o n e s , Phys. Rev. Bd 3 i, S.357, 1928, werden durch ein Elektron von 70 Volt Geschwindigkeit in Neon i, 2 Ionen erzeugt. Der ambipolare Wandstrom ist somit c,6 # i,2 = o,72 Amp., was bei einer Gefäßoberfläche von i13 cm2 einer Wandstromdichte von i = 6,4 mA/cm2 entspricht. Nach einer Formel von I. L a n g m u i r und L. Tonks (vgl. z. B. Phys._RA. Bd. 33, S. 876, 1929) beträgt der Wandstrom in Neon i = 1,7 - =o-11 # n . T 2 mA/cm2, woraus sich für die Werte, i = 6,4 mA/cm= und T = i o Volt der Wert n =i,25 # ioll/cml ergibt.The specified rules can be explained using the above exemplary embodiment. To do this, it is necessary to know the quantities occurring in the formulas. Of these, R is a geometric dimension. The mean impact loss V is known at least approximately for each gas. The carrier concentration n and the electron temperature T can be measured according to the probe methods worked out by I. Lang in uir and co-workers. If it is a question of checking the criteria on a completed lamp, a replica can be equipped with probes. The quantities can, however, also be calculated using known formulas and experimental results, as will be shown using the example above. Determination of the electron temperature This variable is determined by the balance between the energy input to the electron gas and the energy dissipation to the wall. The latter size depends on the ratio of the surface to the volume of the vessel. This ratio is the same in a sphere 6 cm in diameter as in a cylindrical tube of q. cm diameter. In such a tube, Seeliger and Hirchert carried out precise measurements of the dependence of the electron temperature on the gradient, i.e. on the energy supplied, at different gas fillings and pressures (Annalen der Physik, vol. Ii, p. 817, 1932). A sphere 6 cm in diameter has a volume of 1 1 3 cms; the power supplied is 70 volts and 0.6 amps, i.e. 42 watts, ie 0.37 watts / ems. From the measurements mentioned above, an electron temperature of T = 10 volts results for neon gas with a pressure of 0.5 mm. Determination of the electron concentration According to a communication by I. Langmuir and HA J: ones, Phys. Rev. Bd 3 i, p.357, 1928, are generated by an electron with a speed of 70 volts in neon i, 2 ions. The ambipolar wall current is thus c.6 # i, 2 = 0.72 Amp., Which corresponds to a wall current density of i = 6.4 mA / cm2 with a vessel surface of 13 cm2. According to a formula by I. Langmuir and L. Tonks (cf. e.g. Phys._RA. Vol. 33, p. 876, 1929) the wall current in neon is i = 1.7 - = o-11 # n . T 2 mA / cm2, from which the value n = i, 25 # ioll / cml results for the values i = 6.4 mA / cm = and T = io volts.

Nach Einsetzen der obigen Größen in die Formel (i) ergibt sich für den Parameter a der Wert 6,5 # io8, das Kriterium der guten Energieübertragung an das Elektronengas ist also erfüllt.After inserting the above values into formula (i), we get for the parameter a the value 6.5 # io8, the criterion of good energy transfer the electron gas is thus fulfilled.

Die mittlere freie Weglänge der Elektronen beträgt in Neon von o,5 mm Druck rund 2 mm. Setzt man dies und die obigen Werte in G1. (i9) ein, so ergibt sich ein Wirkungsgrad % von 40 °/o für die Energieübertragung von Primärelektronen auf Plasmaelektronen, der völlig ausreichend ist, um die beobachtete Steigerung des Leuchtwirkungsgrades zu erklären.The mean free path of the electrons in neon is 0.5 mm print around 2 mm. If you put this and the above values in eq. (i9), then results an efficiency% of 40% for the energy transfer of primary electrons on plasma electrons, which is completely sufficient to the observed increase to explain the lighting efficiency.

Prüfen wir nun das Kriterium der möglichst vollständigen Energieabgabe der Priinärelektronen innerhalb des Leuchtraumes. In unserem Beispiel, bei Neon von o,5 mm Druck, beträgt die mittlere Strecke, innerhalb welcher durch ein Elektron von 70 Volt Geschwindigkeit ein Ion gebildet wird, ungefähr io mm. (Vgl. z. B. Engel und Steenbeck, »Elektrische Gasentladungen«, Bd. i, S.35, Springer, Berlin i932.) Es können demnach auf der geradlinigen Strecke von 6o min zwischen Elektronenquelle und Wandung nur e-6 = 0,25 % der Primärelektronen durchdringen, ohne inzwischen zumindest ein Ionenpaar gebildet zu haben, wobei das stoßende Elektron einen Energieverlust von mindestens 21,5 Volt erleidet.Let us now check the criterion of the most complete possible energy release of the primary electrons within the luminous space. In our example, with neon of 0.5 mm of pressure, is the mean distance within which through an electron an ion is formed at a speed of 70 volts, about 10 mm. (See e.g. Engel and Steenbeck, "Elektro Gasentladungen", vol. i, p.35, Springer, Berlin i932.) It can therefore on the straight line of 6o min between the electron source and wall only e-6 = 0.25% of the primary electrons penetrate without meanwhile to have formed at least one ion pair, with the impacting electron losing energy of at least 21.5 volts.

Tatsächlich ergab sich bei der experimentellen Durchführung des angegebenen Beispiels, daß bei Anwendung von Stromstärken von der erwähnten Größenordnung eine Lichtausbeute von etwa 12 Lumen/Watt erzielt werden konnte, während in der gleichen Anordnung bei Stromstärken von nur einigen Milliampere eine Lichtausbeute von weniger als 3 Lumen/Watt beobachtet wurde. Durch die gemäß der Erfindung anzuwendenden Maßnahmen wurde also die Lichtausbeute auf mehr als das Vierfache des bei geringen Stromstärken erzielbaren Wertes gesteigert. Bei der Anwendung von Gefäßwandungen, die fluoreszierende Stoffe enthalten, sowie bei Leuchtraunlfüllungen aus Gas- und Dampfgemischen, wie z. B. bei gleichzeitiger Verwendung von Neon und Natrium, wurden noch bedeutend höhere Lichtausbeuten festgestellt.In fact, when the experiment was carried out, the stated For example, that when using currents of the order of magnitude mentioned, a Light output of about 12 lumens / watt could be achieved while in the same arrangement with currents of only a few milliamperes, a luminous efficacy of less than 3 lumens / watt was observed. By to be applied according to the invention Measures was therefore the light output to more than four times that of low Current strengths of the achievable value increased. When using vessel walls, which contain fluorescent substances, as well as fluorescent fillings made of gas and Steam mixtures, such as B. with simultaneous use of neon and sodium significantly higher luminous efficacy was found.

Bei der Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung entsteht im Leuchtraum eine Lichterscheinung, deren Spektrum an Intensität wie auch an Oualität Merkmale aufweist, die man sonst nur in Bogenentladungen bei erheblich höherem Druck oder bei solchen Entladungen beobachtet, die man durch enge Röhren, Löcher oder Schlitze durchzwängt. Beim Verfahren gemäß der Erfindung erzielen wir dagegen diese Wirkungen ohne hohen Gas- oder Dampfdruck, ohne unbequeme Abmessungen des Leuchtgefäßes und schließlich, was besonders hervorgehoben werden muß, unter Spannungs-und Stromverhältnissen, die denjenigen gewöhnlicher Glühlampen sehr naheliegen.When practicing the method according to the invention arises in the light room a light phenomenon, its spectrum of intensity as well as quality characteristics that would otherwise only be found in arc discharges at significantly higher pressure or observed in such discharges, which can be seen through narrow tubes, holes or slits squeezes through. In the method according to the invention, on the other hand, we achieve these effects without high gas or vapor pressure, without inconvenient dimensions of the light vessel and Finally, what needs to be emphasized, under voltage and current conditions, which are very close to those of ordinary incandescent lamps.

Bei Anwendung des Verfahrens mit mehr als einer Art von Gasen oder Dämpfen im Leuchtraum zeigt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung. Es ist bekannt, daß es in Gasentladungslichtquellen nicht möglich ist, die Strahlung von zwei so verschiedenen Substanzen wie z. B. Natrium und Neon gleichzeitig anzuregen. Das Spektrum des Natriums unterdrückt das Neonspektrum vollkommen. Es ist bekannt, daß eine gleichzeitige Anregung mehrerer Spektren in Elektronenstoßröhren möglich ist, hier verhindert jedoch die zu niedrige Lichtausbeute die Nutzbarmachung der Erscheinung. Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung gelingt dagegen die Leuchtanregung mehrerer Substanzen, wenn man nur dafür sorgt, daß keine der Substanzen in extremem IJberschuß vorhanden ist. So kann man z. B. durch Kombination von Natrium, Neon und Quecksilber weißes oder nahezu weißes Licht erhalten.When using the method with more than one type of gases or Attenuation in the light room shows another advantage of the invention. It is known, that it is not possible in gas discharge light sources, the radiation of two so various substances such as B. to stimulate sodium and neon at the same time. That The spectrum of sodium completely suppresses the neon spectrum. It is known that simultaneous excitation of several spectra in electron shock tubes is possible, here, however, the too low light yield prevents the appearance from being used. When using the method according to the invention, however, the light excitation succeeds of several substances, if only one takes care that none of the substances is in extreme There is an excess. So you can z. B. by combining sodium, neon and mercury receive white or nearly white light.

Eine Erklärung für diese Erscheinung ergibt sich aus der Fig. :2. Im oberen Diagramm ist die optische Anregungsfunktion .1 der violetten Quecksilberlinie .I017 A nach H a n 1 e als Funktion der Voltgeschwindigkeit E der Elektronen aufgetragen. Im unteren Diagramm ist die Verteilungsfunktion a, (E) der Plasmaelektronen entsprechend einer Elektronentemperatur von 3 Volt zusammen mit der entsprechenden Funktion für die Gruppe II, der Primärelektronen, dargestellt, deren mittlere Energie zu 5o Volt angenommen wurde. Man erkennt unmittelbar, daß hier beide Linien gleichzeitig angeregt werden, und zwar die Neonlinie fast ausschließlich von den Primärelektronen. Daraus ergibt sich die außerordentliche Eignung des Verfahrens zur Erzeugung von Licht gewünschter Zusammensetzung bei guter Lichtausbeute.An explanation for this phenomenon can be found in the figure: 2. In the upper diagram, the optical excitation function is .1 of the violet mercury line .I017 A according to H a n 1 e plotted as a function of the voltage E of the electrons. In the lower diagram, the distribution function a, (E) of the plasma electrons is corresponding an electron temperature of 3 volts together with the corresponding function for group II, the primary electrons, is shown with an average energy of 50 volts was accepted. You can see immediately that both lines are excited at the same time the neon line almost exclusively from the primary electrons. From it results in the extraordinary suitability of the process for generating light desired composition with good light output.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for converting electrical energy into light in the manner of electron shock tubes, in which electrons are accelerated in an electrical field to a speed corresponding to 50 to 300 volts and shot into a substantially field-free space containing gases or vapors or mixtures thereof, in which the The operating pressure is such that the free path of the electrons is 15-3oma1 smaller than the straight-line distance of the electron beam source from the vessel wall, characterized in that the current strength of the electron beams is at least 0.5 A and in the light space a carrier concentration of, over io A device according to claim 1 for generating light of any combination, characterized in that several gases and vapors from different excitation conditions are used simultaneously, e.g. sodium, neon and mercury are used to generate almost white light .