DE684231C - Gas- oder Dampfentladungsgefaess - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Dampfoder Gasentladungsröhren, insbesondere für größere Leistungen, mit einer mit einer dünnen Schicht eines bei der Betriebstemperatur auf der Kathode haftenden elektronenaktiven Stoffes, wie z. B. Erdalkalioxyd, überzogenen Glühkathode, bei denen die Raumladung an der Glühkathode durch die durch die Entladung erzeugten positiven Ionen kompensiert ist, so daß praktisch der gesamte Entladungsstrom durch die Glühelektronenemission der aktivierten Kathodenfläche aufrechterhalten ist. Solche Entladungsgefäße werden für verschiedene Zwecke, vor allem zur Gleichrichtung von Wechselströmen, benutzt.

Der Hauptzweck der Erfindung ist der, die Lebensdauer der Kathoden solcher Röhren und damit die der Röhren selbst zu erhöhen und ihre Wirksamkeit zu verbessern, indem durch die Formgebung der Kathode das Wegdampfen von emittierendem Material von der Kathode weitestgehend herabgesetzt und unschädlich gemacht wird. Ferner verfolgt die Erfindung dabei den Gesichtspunkt, die Kathode so auszubilden, daß auch die störenden Ursachen für Wegdampfen von emittierendem Material von der Kathode von vornherein ausgeschaltet bzw. weitestgehend beschränkt sind, und daß unter Ausnutzung dieser Vorteile bei möglichst geringer Heizleistung möglichst große Entladungsstromstärken erzielt werden.

Dieses wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Glühkathode als zweckmäßig nur nach einer Seite offene, metallische Hohlraumkathode ausgebildet ist, deren Austrittsöffnung praktisch die gleiche Weite wie der Hohlraum hat und deren innere Wandungen mit den elektronenaktiven, emittierenden Stoffen bedeckt sind.

Bisher wurde die emittierende Fläche bzw. der Elektronen emittierende Stoff, die Aktivierungsmasse, in allererster Linie auf der äußeren Oberfläche einer Glühelektrode vorgesehen. Das Arbeiten solcher Kathoden bei Temperaturen, die eine hohe Elektronenemission gewährleisten,, hatte aber eine entsprechend schnelle Verdampfung der Aktivierungsmasse und ein rasches Absinken der Elektronenemission der Kathoden zur Folge. Es mußte deshalb ein Kompromiß ge-

schlossen werden und bei Temperaturen gearbeitet werden, die nur eine verhältnismäßig geringe Emission lieferten, dafür aber eine genügende Lebensdauer der Kathoden sicher-■5 ten. Dies war auch deshalb erforderlich, weil das verdampfende Material ein besonders guter Elektronenerzeuger ist und jede Elektrode, wie Anode oder Gitter, auf der er sich niederschlägt, zu einer unerwünschten Elektronenquelle macht.

Diese Nachteile weisen die Röhren gemäß der Erfindung nicht auf, denn dadurch, daß die Kathode als nach außen offene Hohlraumkathode ausgebildet ist, deren innere Wandüngen die Aktivierungsmasse tragen, wird das Wegdampfen der Aktivierungsmasse von der Kathode weitgehend herabgesetzt, da das an einem Punkt verdampfende Material sich an anderen Teilen der Kathode wieder nieder schlägt, so daß ein wechsel weises Verdampfen und Niederschlagen der Aktivierungsmasse stattfindet, ohne daß Verluste oder sonstige schädliche Wirkungen beim Betrieb der Röhre, beispielsweise Niederschläge von Aktivierungsmasse auf andere Elektroden, auftreten.

Es sind nun auch schon Entladungsröhren mit Dampf- oder Gasfüllung bekannt, die als Hohlraumkathoden ausgebildete Glühkathoden aufweisen. Die Innenwandungen der Hohlkathode sind dabei mit einem aktiven Stoff, wie Cäsium, belegt. Diese bekannten Kathoden weisen aber nur eine sehr kleine Öffnung für den Entladungsdurchtritt auf. Hierdurch soll die Ausbildung eines gegenüber den anderen Röhrenräumen besonders hohen Gasdruckes in .dem Kathodenhohlraum ermöglicht werden. Die kleine Kathodenöffnung hat aber einen großen Spannungsverlust zur Folge, was ein wesentlicher Nachteil gegenüber Röhren nach der Erfindung ist.

Schließlich sind auch Entladungsrohren bekannt, bei denen die Glühkathode in einem Hohlraum untergebracht ist. Es handelt sich dabei aber nur um eine* Mantelung, die die Temperatur der drahtförmigen Glühkathode vergleichmäßigen soll und gegebenenfalls einen Vorrat an emittierendem Material trägt. Ferner besitzt bei diesen Kathoden der äußere Mantel nur eine sehr kleine Durchtrittsöffnung für die Entladung, so daß diese Kathoden nur für geringe Entladungsströme brauchbar sind. Außerdem handelt es sich bei den bekannten Anordnungen um Hochvakuumröhren. Es konnten daher die Vorteile, die die Erfindung bietet, schon deswegen nicht erzielt werden, weil bei Hohlraumkathoden im Hochvakuum die negativen Raumladungen an der Kathode sich in be-. sonders starkem Maße geltend machen. Wesentlich demgegenüber ist beim Erfindungsgegenstand, daß die als Hohlraum ausgebildete Glühkathode in Verbindung mit . einem positive Ionen liefernden Medium ■.(Gas- oder Dampffüllung) verwendet wird, so' daß die negativen Raumladungen an der Kathode durch die positiven Ionen neutrali-'■siert werden. Erst dadurch wird es möglich, die vorteilhaften Wirkungen einer Hohlraumkathode als Glühkathode praktisch nutzbar zu machen.

Mit der Entladungsröhre gemäß der Erfindung sind daher die weiteren Vorteile zu erzielen, daß unverhältnismäßig große Entladungsströme, die von der Kathode praktisch als reiner Elektronenemissionsstrom geliefert werden, zu erzielen sind, und zwar infolge der wärmekonzentrierenden Wirkung des Hohlraumes bei verhältnismäßig sehr geringer Heizleistung. Dabei wird zweckmäßig die indirekte Heizung für die Kathode verwendet.

Der Kathode kann ohne weiteres eine verhältnismäßig sehr große emittierende Fläche gegeben werden. Die Wärme kann sich über die ganze emittierende Fläche ausgleichen, und es ist infolgedessen, insbesondere bei Anwendung der indirekten Heizung, sichergestellt, daß sich die Entladung nicht punktförmig auf der" Kathode ansetzt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Kathode ermöglicht es, die übrigen Elektroden, beispielsweise die Anode oder Anoden, in bezug auf die Kathode derart anzubringen, daß eine Wand oder-die Wände der Kathode wie ein Schirm zwischen der verdampfenden Masse und den übrigen Elektroden wirken, so daß der unvermeidliche Verlust an Kathodenmaterial infolge der Verdampf ung keinen Niederschlag auf der Anode oder den übrigen Elektroden hervorruft. Wenn auf diese Weise die Elektroden von einem Niederschlag freigehalten werden, kann bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur gearbeitet werden, ohne daß Gefahr besteht, daß außer von der Kathode auch von den anderen Elektroden eine Elektronenemission ausgeht. Dies ist besonders wichtig für den Gebrauch solcher Röhren als Gleichrichter für Wechselstrom.

Zum Beispiel kann die Anode so· ausgebildet und in bezug auf die Kathode angeordnet werden, daß sie die Kathode umschließt und so dazu beiträgt, daß die für den Betrieb der Röhre erforderliche Temperatur der Kathode aufrechterhalten bleibt.

Die näheren Erlä-uterungen des Erfindungsgedankens werden an Hand der in den Abbildungerik dargestellten Ausführungsbeispiele gegeben.

Abb. ι zeigt den Längsschnitt einer Gleichrichterröhre, die den Erfindungsgedanken

verkörpert. Abb. 2, 3 und 4 zeigen etwas abgeänderte Ausführungsformen; Abb. 2 und 3 stellen Längsschnitte dar, während Abb. 4 einen Querschnitt der Anordnung nach Abb. 3 zeigt; Abb. 5 zeigt den Längsschnitt einer Dreielektrodenröhre gemäß der Erfindung und Abb; 6 eine weitere Ausführungsform.

Die Röhre nach Abb. 1 besteht aus einem länglichen Glasgefäß 1, dessen Enden nach innen umgestülpt sind und die Glasfüße 2, 3 tragen. Die Anode besteht aus einem Zylinder 4 aus Nickel, Molybdän, Kohle oder irgendeinem anderen geeigneten Material. _% Die Anode sitzt auf einem Ansatz 5 der Glaswand und wird durch eine Schelle 6 in ihrer Lage gehalten. Die Anodenzuführung 7 ist mit dieser Schelle durch Schrauben verbunden und in die Glaswand an der Schmelzstelle 8 eingeschmolzen.

Die röhrenförmige Kathode 10 besteht aus Nickel, einer Nickellegierung, Molybdän oder einem anderen Material, das sich für den Betrieb bei einer nicht zu hohen Temperatur eignet. Sie wird gehalten durch einen starren Draht 11, der in den Fuß 3 eingeschmolzen ist. Die Innenwandung der Kathode ist mit einem Material 12 bedeckt, das eine höhere Elektronenemission als das Kathodenmaterial besitzt, z. B. mit Bariumoxyd oder anderen Oxyden der Erdalkalien oder deren Mischungen oder mit einer oder mehreren seltenen Erden, wie z. B. Cer, oder einer unter dem Namen Mischmetall bekannten Mischung. Das von der inneren Oberfläche des Hohlraumes verdampfende Material wird nun durch die Wand des Hohlraumes aufgehalten und schlägt sich wieder nieder. Zur Verstärkung dieser Wirkung können vqrteilhaft an verschiedenen Punkten der Kathodeninnenwandung vorstehende Teile wie Winkel angebracht werden, die um so wirksamer sind, je weiter sie von der Öffnung· des Hohlraumes abstehen.

In die Kathode hinein ragt ein Heizkörper 13 aus Wolfram oder einem anderen geeigneten Material. Dieser Heizkörper wird mittels der Zuführungen 14, 15 mit Strom gespeist. Die Zuführungen sind in den Fuß 2 eingeschmolzen. Der Heizkörper 13 wird von einem Draht 16 getragen, der ebenfalls in den Fuß 2 eingeschmolzen ist und zweckmäßiger- \veise von dem Heizdraht durch einen Überzug von Thorium- oder Magnesiumoxyd isoliert ist. Dieser Träger 16 kann aber auch als Rückleiter für den Strom dienen, wie in Abb. 3 angegeben.

Das Glasgefäß 1 wird von Feuchtigkeit befreit und bis zu einem solchen Grade evakuiert, daß eine reine Elektronenentladung stattfinden kann. Dann wird ein geeignetes Gas eingeführt, das einen solchen Druck besitzt, daß noch keine eigentliche Lichtbogenentladung auftreten und sich die Entladung nicht an der Kathode konzentrieren, d.h. einen Kathoden-Heck bilden kann. Beispielsweise können Edelgase, wie Argon oder Neon, oder Mischungen dieser Gase benutzt werden von einem Druck von etwa 0,001 bis 0,1 mm, wobei der Druck im einzelnen Falle von dem Charakter der Röhre abhängt. Beispielsweise kann zur Ionisierung Quecksilberdampf benutzt werden. Zu diesem Zweck kann eine geringe Menge Quecksilber, wie bei 19 in Abb. 1 angegeben ist, in dem Glasgefäß untergebracht -werden, die von anderen Gasen befreit ist. Wenn der kälteste Teil des Glasgefäßes eine Temperatur von etwa 30⁰ besitzt, beträgt der Druck des Ouecksilberdampfes etwa 0,003 ^mm Quecksilbersäule.

Die Kathode wird während des Betriebes durch die Strahlung des Heizkörpers 13 geheizt. Durch die Nähe und hohe Temperatur der Anode 4, die die Kathode zum größten Teil umschließt, behält die Kathode ihre Wärme. Diese trifft für alle Röhren sowohl der Abb. 2 bis 4 als auch der Abb. 1 zu.

In der abgeänderten Ausführungsform nach Abb. 2 ist der Raum zwischen der Kathode 10 und der Anode 4 mit einem isolierenden, wärtneschützenden Material 21, z. B. Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd, ausgefüllt. In diese Masse ist ein Heizdraht 22 aus einem geeigneten Material, beispielsweise Wolfram, eingebettet. Der Aufbau des Rohres ist im übrigen der gleiche wie in Abb. 1. Dadurch, daß die Kathode auf diese Weise dicht von einem Wärmeschutz umgeben ist, wird die Kathode auf der für die Elektronenemission erforderlichen Temperatur gehalten und die Wirksamkeit der Röhre verbessert. Die Ka- 10a thode nach Abb. 2 enthält mehrere Hohlräume in Gestalt eines doppelwandigen Zylinders. Die Aktivierungsmasse befindet sich sowohl auf der Innenwandung des äußeren als auch der Innen- und Außenwandung des inneren Zylinders.

Gegebenenfalls kann die Kathodenfläche auch in einer Reihe von Windungen verlaufen, wie beispielsweise in den Abb. 3 und 4 angegeben, wo die Kathode aus einem schneckenförmigen Blech 24 besteht und an einem Ende durch einen Teller 25 getragen wird. Die Räume zwischen den Windungen der Schnekkenlinie enthalten einen Belag von Aktivierungsmasse, wie in den Abb. 1 und 2 angegeben.

Es ist für das Wesen der Erfindung nicht unbedingt notwendig, daß die Anode die Kathode dicht umgibt. In der Ausführungsform der Abb. 5 ist die Anode 27 tellerförmig ausgebildet und in einiger Entfernung von dem Kathodenrohr 28 angeordnet. Die Kathode

wird durch die Strahlung des Heizkörpers 29 erhitzt. Der Heizkörper 29 wird durch einen Haken 30 straff gehalten. Der Strom wird durch die Leiter 31, 32, die in den Glasfuß 33 eingeschmolzen sind, zugeführt. Eine getrennte elektrische Verbindung mit der Kathode ist durch den eingeschmolzenen Leiter 34 - hergestellt. Der Anodenleiter 35 ist in einen einspringenden kugeligen Glasfuß 36 eingeschmolzen. An dem Sockel 36' dieses Glasfußes ist ein Metallrohr 37 befestigt, über dessen Ende sich ein Drahtgitter 38 befindet. Dieses Rohr 37 und Gitter 38 bildet ein Gitter oder eine Steuerelektrode. Die elektrische Verbindung ist durch einen Leiter 39 hergestellt, der mit einer Schelle 40 angeschlossen ist. Wie bereits bei den Abb. 1 bis 4 auseinandergesetzt ist, wird ein Gas oder Dampf von geringem Druck in der Glaskugel 41 vorgesehen, z. B. ein Edelgas oder ein leicht verdampf bares Material, wie Quecksilber, oder ein Alkalimetall, wie z. B. Cäsium oder Rubidium.

In der Ausführungsform der Abb. 6 steht die tellerförmige Anode 44, die von der Zuführung 45 getragen wird, direkt dem offenen Ende des Kathodenrohres 46 gegenüber. In diesem Falle wird eine geringe Ablagerung von Aktivierungsmasse aus dem Inneren der Kathode auf der Anode stattfinden. Für den Fall, daß die Röhre nur bei geringer Leistung arbeitet, ist dies nicht bedenklich, wenn der Energieaufwand an der Anode unter dem Wert bleibt, bei dem sie auf eine elektronenemittierende Temperatur gebracht wird. Die Röhren gemäß der Erfindung mit einer Kathode, die einen Hohlraum besitzen, in dem, die Aktivierungsmasse untergebracht ist, können in der Elektroindustrie eine vielfache Anwendung finden. Im besonderen sind sie als Gleichrichter für große Ströme hoher Spannung geeignet. Ein Gleichrichter gemäß der Erfindung kann beispielsweise zur Gleichrichtung von Strömen bis zu einigen hundert Ampere bei Spannungen von 10 000 Volt und mehr dienen.

Auch können die Kathoden Verwendung finden in Lampen, wenn diese ein geeignetes Gas, beispielsweise Neon, enthalten, um den gewünschten Lichteffekt hervorzurufen.

Claims (14)

1. Patentansprüche:

   i. Dampf- oder Gasentladungsgefäß, insbesondere für größere Leistungen, mit einer mit einer dünnen Schicht eines bei der Betriebstemperatur auf der Kathode haftenden elektronenaktiven Stoffes, wie

   z. B. Erdalkalioxyd, überzogenen Glühkathode, bei dem die Raumladung an der Glühkathode durch die von der Entladung erzeugten positiven Ionen kompensiert ist, so daß praktisch der gesamte Entladungsstrom durch die Glühelektronenemission der aktivierten Kathodenflächen aufrechterhalten ist und bei der die Anode sich außerhalb der Kathode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode als zweckmäßig nur nach einer Seite offene, metallische Hohlraumkathode ausgebildet ist, deren Austrittsöffnung praktisch die gleiche Weite wie der Hohlraum hat und bei der die innerhalb des Kathodenkörpers liegenden Kathodenwandungen mit den elektronenaktiven Stoffen überzogen sind.
2. 2. Entladungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des zweckmäßig kreiszylindrischen Hohlkörpers ein weiterer, ebenfalls hohlzylin- drischer, koaxialer metallischer Körper angeordnet ist, der auf seiner Innen- und Außenfläche mit emittierenden Stoffen bedeckt ist.
3. 3. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus einem zylindrischen. Gebilde von spiralförmigem Querschnitt besteht.
4. 4. Entladungsröhre nach Anspruch ι oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des zweckmäßig zylindrischenHohlkörpers groß gegen dessen Querschnitt ist.
5. 5. Entladungsröhre nach Anspruch 1 oder 'den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweckmäßig zylindrische Hohlkörper längs seiner Überfläche von einem Wärmeschutz umgeben ist.
6. 6. Entladungsröhre nach Anspruch 1 oder den folgenden, gekennzeichnet durch »oo die Verwendung der an sich bekannten indirekten Heizung für die Kathode.
7. 7. Entladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper im Inneren der Kathode vorgesehen ist.
8. 8. Entladungsröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper in der (gedachten) Achse der zylindrischen Kathode angeordnet ist.
9. 9. Entladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper in Isoliermaterial eingebettet ist und die Kathode konzentrisch umgibt.
10. 10. Entladungsröhre nach Anspruch 6 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlkörper und Heizkörper getrennte, zweckmäßig durch einen gemeinsamen Glasfuß geführte Stromzuleitungen besitzen.
11. 11. Entladungsröhre nach Anspruch 1 oder den folgenden, gekennzeichnet durch
12. eine solche Ausbildung bzw. Anordnung der Anode bzw. Anoden in bezug auf die Kathode, daß die (äußere) Wand der Kathode wie ein Schirm zwischen der alctiven Schicht und den Anoden wirkt. ■ 12. Entladungsröhre nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Hohlkörper und der ihn konzentrisch umgebenden Anode mit Isoliermaterial ausgefüllt ist (Abb. 2).
13. 13. Entladungsröhre nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial gleichzeitig zur Aufnahme des Heizkörpers dient.
14. 14. Entladungsröhre nach Anspruch 1 oder den folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Füllung von Gas (Edelgas) oder Dampf (Quecksilberdampf) von einem Druck zwischen 0,1 und 0,001 mm Quecksilbersäule.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen