DE670565C

DE670565C - Arc gas discharge tubes with hollow cathode

Info

Publication number: DE670565C
Application number: DER69478D
Authority: DE
Original assignee: Raytheon Manufacturing Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1925-12-21
Filing date: 1926-12-02
Publication date: 1939-01-20

Description

Lichtbogengasentladungsröhre mit Hohlkathode Die Erfindung betrifft Lichtbogengasentladungsröhren jener Art, welche eine Hohlkathode aufweisen, deren hocherhitzte, thermionisch erregte und praktisch nicht verdampfende metallische Innenwandung die Elektrodenoberfläche bildet und ein hocherhitztes Gas unter höherem Partialdruck einschließt als außerhalb der Hohlkathode, welches in geeigneter Weise, z. B. durch den End-Ladungsstrom, ionisiert wird, wobei das Innere der Hohlkathode frei von einen Lichtbogenfüßpunkt bildenden verdampfbaren, flüssigen Stoffen ist, sowie mit einem zur Metallverdampfung und Kathodenanwärmung dienenden elektrischen Heizelement. Bei den bekannten Röhren dieser Art ist das elektrische Heizelement derart ausgebildet und angeordnet, daß es die Verdampfung des die thermionischeErregung der Kathodeninnenwandung bewirkenden Metalls und auch die Erwärinung jener Wandung lediglich durch Strahlung herbeiführt. Dies hat zur Folge, daß zur Erreichung der Arbeitstemperatur der Kathodeninnenwandung eine vergleichsweise lange Anheizdauer und zur Aufrechterhaltung ein erheblicher Heizstrom erforderlich ist, abgesehen davon, daß auch die erreichbare Höchsttemperatur nicht dem optimalen Wert entspricht.Hollow Cathode Arc Gas Discharge Tube The invention relates to Arc gas discharge tubes of the type which have a hollow cathode, their highly heated, thermionically excited and practically non-evaporating metallic ones Inner wall forms the electrode surface and a highly heated gas under higher Including partial pressure than outside the hollow cathode, which in a suitable manner, z. B. is ionized by the final charge current, the interior of the hollow cathode is free from vaporizable, liquid substances that form an arc root, as well as an electrical one used for metal evaporation and cathode heating Heating element. In the known tubes of this type, the electrical heating element is designed and arranged so that there is evaporation of the thermionic excitation the inner wall of the cathode causing the metal and also the heating of that wall caused only by radiation. This has the consequence that to achieve the Working temperature of the cathode inner wall a comparatively long heating time and a significant heating current is required to maintain it from the fact that the maximum temperature that can be reached does not correspond to the optimal value either.

Es wurde nun gefunden, daß ein erheblich größerer Wirkungsgrad und eine sehr viel kürzere Anheizzeit sowie eine wesentlich gesteigerte Lebensdauer des Heizelements und mithin auch der Röhre erreicht wird, wenn erfindungsgemäß die Hohlkathode eine Einstülpung besitzt, in der sich das Heizelement befindet, und wenn innerhalb dieser Hohlkathode eine Erdalkalidampfquelle angeordnet ist. Hierdurch wird der für die Verdampfung des Metalls erforderliche Wärmeaufwand möglichst niedrig gehalten, so daß der Hauptteil der Heizenergie unmittelbar der Thermionenemission zugute kommt. Zweckmäßigerweise ist die Erdalkalidampfquelle in einem geschlossenen Rohransatz der Hohlkathode angeordnet, welche vorzugsweise mit dem außerhalb der Hohlkathode befindlichen Teil des Schutzrohres für,das Heizelement in wärmeleitender Verbindung steht. Der Metalldampf wird so ins Innere der Hohlkathode unter einem Druck geliefert, welcher größer ist als der Druck außerhalb der Hohlkathode. Die Röhren gemäß der Erfindung zeichnen sich durch einen außerordentlich geringen Spannungsabfall und mithin hohen Wirkungsgrad aus-sowie durch hohe Belastbarkeit und Lebensdauer. Sie eignen sich daher vor allem für Gleichrichter, Schwingungserzeuger und auch Verstärkerröhren.It has now been found that a significantly greater efficiency and a much shorter heating-up time and a significantly increased service life of the heating element and therefore also the tube is achieved when according to the invention the Hollow cathode has an indentation in which the heating element is located, and if an alkaline earth vapor source is arranged within this hollow cathode. Through this the heat required for the evaporation of the metal is as low as possible held so that the main part of the heating energy directly from the thermionic emission benefits. The alkaline earth vapor source is expediently in a closed one Tubular attachment of the hollow cathode arranged, which is preferably connected to the outside of the Hollow cathode located part of the protective tube for, the heating element in thermally conductive Connection. The metal vapor is so inside the hollow cathode under a Pressure delivered, which is greater than the pressure outside the hollow cathode. the Tubes according to the invention are characterized by an extremely low voltage drop and therefore a high degree of efficiency as well as a high load capacity and service life. They are therefore particularly suitable for rectifiers, vibration generators and also Amplifier tubes.

In der Abbildung ist eine Röhre gemäß der Erfindung im. Längsschnitt schmatisch dargestellt.In the figure, a tube according to the invention is in. Longitudinal section shown schematically.

T bedeutet die Röhren- oder Gefäßwand, welche in geeigneter Weise ausgebildet sein kann, r11 und A, sind flache Anoden; C stellt eine röhrenförmige Elektronenquelle dar; H einen Glühdraht im Innern der Röhre C. K ist die die Elektronenquelle umhüllende Hohlkathode mit verengter Öffnung S für die elektrische Entladung, welche zwischen dem Innern von K und den Anoden übergeht. fl-T ist die Dampfquelle, z. B. Calcium oder eine Legierung des Calciums, welches sich auf dem Boden eines an K angesetzten verlängerten Rohres befindet, R ein Band, welches die Wärme von der Röhre C nach jenem Ansatzrohr weiterleitet. Schließlich bezeichnet HV einen Quecksilbertropfen, durch welchen in der ganzen Röhre ein Quecksilberdampfdruck aufrechterhalten wird. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Röhre in einen Stromkreis eingeschaltet, welcher den Nutzwiderstand L enthält; der Glühdraht H wird von einer Hilfsspule geheizt, die mit dem Heizdraht und der Hohlkathode K hintereinandergeschältet ist.T means the tube or vessel wall, which can be designed in a suitable manner, r11 and A, are flat anodes; C represents a tubular electron source; H a filament inside the tube C. K is the hollow cathode surrounding the electron source with a narrowed opening S for the electrical discharge, which passes between the inside of K and the anodes. fl-T is the source of steam, e.g. B. calcium or an alloy of calcium, which is located on the bottom of an extended tube attached to K, R is a band which conducts the heat from the tube C to that attachment tube. Finally, HV denotes a drop of mercury which maintains a mercury vapor pressure in the entire tube. As can be seen from the drawing, the tube is connected to a circuit which contains the useful resistance L ; the filament H is heated by an auxiliary coil which is connected in series with the heating wire and the hollow cathode K.

Bei Betrieb wird der Heizdraht H so hoch erhitzt, daß das Metall !hl bis zu dem gewünschten Dampfdruck verdampft. Wenn z. B. Calcium verwendet wird, -so soll die Temperatur des metallischen Calciüms etwa 500° C betragen. Das Innere der Hohlkathöde K wird vorzugsweise auf höhere Temperatur (z. B. 100o° C bei Benutzung von Calcium) erhitzt. Dieses Temperaturgefälle in der Hohlkathode K wird dadurch ermöglicht, daß das Ansatzstück in Form einer langen Röhre ausgebildet ist, ferner durch geeignete Lagerung des Heizdrahtes und durch die elektrische Entladung, welche den oberen Teil des Gehäuses berührt. Das Calciüm hat eine so starke Affinität zu dem Kathodenmetall (z. B. Wolfram), daß es von dort (C) bei solchen Temperaturen noch nicht rasch wegverdampft wird, bei denen eine große Thermionenemission erfolgt. So braucht z. B. der Partialdruck des Calciums bei C nicht größer als 1o-5 mm zu sein, selbst wenn C heiß genug ist, um eine starke Thermionenemssion zu ergeben, während der Sättigungsdruck von reinem Calcium bei solchen Temperaturen etwa tausendmal größer wäre. Auf diese Art wird die Elektronenemission von C durch das Calcium außerordentlich gesteigert.During operation, the heating wire H is heated to such an extent that the metal evaporates up to the desired vapor pressure. If z. B. Calcium is used - the temperature of the metallic Calciüms should be about 500 ° C. The interior of the hollow cathode K is preferably heated to a higher temperature (for example 100 ° C. when using calcium). This temperature gradient in the hollow cathode K is made possible by the fact that the extension piece is designed in the form of a long tube, furthermore by suitable storage of the heating wire and by the electrical discharge which contacts the upper part of the housing. The calcium has such a strong affinity for the cathode metal (e.g. tungsten) that it is not yet rapidly evaporated from there (C) at temperatures at which large thermionic emissions occur. So z. B. the partial pressure of calcium at C should not be greater than 1o-5 mm, even if C is hot enough to give a strong thermionic emission, while the saturation pressure of pure calcium would be about a thousand times greater at such temperatures. In this way, the electron emission from C is greatly increased by the calcium.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Dämpfe von Alkalimetallen in Elektronenentladungsröhren zu erzeugen, um die Entladungsspannung herabzusetzen, In diesen bekannten Röhren herrscht jedoch ein verhältnismäßig hoher Dampfdruck, wodurch eine Rückzündung begünstigt wird. Es besteht ferner der Nachteil, daß die Alkalimetalle schwierig zu handhaben sind und die Herstellung der Röhren außerordentlich verteuern. Diese Nachteile finden sich nicht bei Verwendung von Erdalkalimetallen, welche überdies noch gewisse Vorteile bieten.It has been proposed to use alkali metal vapors in electron discharge tubes in order to reduce the discharge voltage, In these known tubes However, there is a relatively high vapor pressure, which favors flashback will. There is also the disadvantage that the alkali metals are difficult to handle are and make the production of the tubes extremely expensive. Find these disadvantages not when using alkaline earth metals, which also have certain advantages Offer.

Wenn im Innern von K ein niedriger Dampfdruck herrscht (z. B. ein Calciumdampfdruck von 1o-5 mm); so ist der Verlust an Calciumdampf durch die Öffnung S (welche einen Durchmesser von etwa 1,5 mm hat) nur gering, selbst wenn keine weiteren Mittel zur Verhinderung von Calciumdampfverlusten vorgesehen sind. Füllt man aber den Raum außerhalb der Hohlkathode K mit einem indifferenten Gas an, so kann der Calciümdampf nur mehr durch Diffusion austreten, die aber sehr geringfügig ist. , Bei beträchtlicher Kathodenanodenentladung (z. B. mehrere Amp./ ein=) wird außerdem der Dampf im Innern von K durch eine Art elektrische Pumpwirkung zurückgehalten. Diese Wirkung ist im allgemeinen folgende: Der Ouecksilberdämpf (bei einem Druck von o,01 mm z. B:) dient als gasförmiger Träger für die Entladung durch die Öffnung S hindurch; die im Quecksilberdampf gebildeten positiven Ionen gestatten eine kräftige Elektronenentladung durch S unter Aufwand von nur wenigen Volt (z. B. 1o Volt). Da die Ionisierungsspannung von Calciumdampf 6 Volt beträgt, während jene des Quecksilberdampfes 10,q. Volt ist, wird der Calciumdampf infolge der kräftigen Entladung durch .die verengte öffnung S stark ionisiert und die Calciumionen werden ins Innere der Hohlkathode K zurückgezogen. Wenn die Entladung unter solchen Bedingungen stattfindet, wird im Innern von K ein helles Calciumspektrum wahrgenommen, während es außerhalb fehlt.If there is a low vapor pressure inside K (e.g. a Calcium vapor pressure of 1o-5 mm); so is the loss of calcium vapor through the opening S (which has a diameter of about 1.5 mm) only slightly, even if there are no more Means to prevent calcium vapor loss are provided. But if you fill the space outside the hollow cathode K with an inert gas, so the Calcium vapor can only emerge by diffusion, which is, however, very slight. In addition, if the cathode anode discharge is considerable (e.g. several amps / one =) the vapor inside K is retained by a kind of electrical pumping action. This effect is generally as follows: The Ouecksilberdämpf (at a pressure from 0.01 mm z. B :) serves as a gaseous carrier for the discharge through the opening S through; the positive ions formed in the mercury vapor permit a strong one Electron discharge through S with an effort of only a few volts (e.g. 1o volts). Since the ionization voltage of calcium vapor is 6 volts, while that of mercury vapor 10, q. Volts, the calcium vapor is discharged as a result of the powerful discharge through .the narrowed opening S is strongly ionized and the calcium ions are inside the hollow cathode K withdrawn. If the discharge takes place under such conditions, will a bright calcium spectrum perceived inside K, while outside it is absent.

Aus vorstehendem wird es klar, daß das Metall M unabhängig von der Kathodenanodenentladung erhitzt wird (wenn es auch etwas Wärme von dieser Entladungbekommt), da das Ansatzstück viel zu lang und schmal ist, um einen direkten Zutritt der Entladung auf das Metall zu gestatten. Infolgedessen kann der Dampfdruck des Calciums genügend klein gehalten werden, um über einen weiten Bereich der Entladungsstromstärke einen wesentlichen Substanzverlust durch die Öffnung S zu verhindern. Es ist ferner klar, daß bei Begrenzung des Cälciumdampfes auf das Innere der HohlkathodeK ein Druckgefälle zwischen Kathode und Anode besteht, derart, daß der wirksame Dampf in der Nähe der Elektronen aussendenden Oberfläche, also im Innern von K, einen höheren Partialdruckhät:From the above it is clear that the metal M is independent of the Cathode anode discharge is heated (if it also gets some heat from this discharge), because the extension piece is much too long and narrow to allow direct access to the discharge to allow on the metal. As a result, the vapor pressure of calcium can be sufficient can be kept small in order to achieve a discharge current over a wide range to prevent substantial loss of substance through the opening S. It is also clear that when the calcium vapor is limited to the interior of the hollow cathodeK there is a pressure gradient exists between cathode and anode in such a way that the effective vapor is in the vicinity of the Electron-emitting surface, i.e. inside K, has a higher partial pressure:

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arc gas discharge tube with hollow cathode, their highly heated, thermionically excited and practically non-evaporating metallic Inner wall 'forms the electrode surface and a highly heated gas under higher Including partial pressure than outside the hollow cathode, which in a suitable manner, z. By the discharge current, the interior of the hollow cathode is free from vaporizable, liquid substances forming an arc root, as well as an electrical one used for metal evaporation and cathode heating Heating element, characterized in that the hollow cathode has an indentation, in which the heating element is located and that within this hollow cathode an alkaline earth vapor source is arranged.

2. Gas discharge tube according to claim r ,. characterized, that the steam source is arranged in a closed tube attachment of the hollow cathode (K) is.

3. Gas discharge tube according to claim 2, characterized in that the tube attachment with the part of the protective tube for the heating element located outside the hollow cathode is in thermally conductive connection.