DE810410C

DE810410C - Glow discharge tubes for use as an operative part in an electrical circuit

Info

Publication number: DE810410C
Application number: DEP19044A
Authority: DE
Inventors: Josef Hubert August Moubis; Franz Michel Penning
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1944-04-22
Filing date: 1948-10-22
Publication date: 1951-08-09

Description

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Holland) Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung, insbesondere für Meß- oder Stabilisierungszwecke, und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Diese Glimmentladungsröhren unterscheiden sich von Glimmlampen insofern, als man bei ihrer Verwendung nicht von dem ausgestrahlten Licht, sondern von den Eigenschaften ihrer Kennlinie Gebrauch macht. Zweck der Erfindung ist, eine Röhre zu schaffen, in der praktisch während der ganzen Lebensdauer die Spannung konstant bleibt, die bis auf einige Volt reproduzierbar ist.N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Holland) glow discharge tube for use as an effective part in an electrical circuit The invention refers to a glow discharge tube for use as an effective part in an electrical circuit, especially for measurement or stabilization purposes, and to a method for their manufacture. These glow discharge tubes differ differs from glow lamps insofar as you do not use them from the emitted Light, but makes use of the properties of its characteristic curve. Purpose of the invention is to create a tube in which the Voltage remains constant, which is reproducible up to a few volts.

Röhren dieser Gattung hat man bisher mit einer Kathode aus Eisen oder Nickel versehen, die gegebenenfalls mit einem Erdalkalimetall überzogen ist. Zur Reinigung der Gasfüllung enthalten sie häufig einen aus Barium oder Magnesium bestehenden Fangstoff.Tubes of this type have so far been made with a cathode made of iron or Nickel provided, which is optionally coated with an alkaline earth metal. To the When cleaning the gas filling, they often contain one made of barium or magnesium Catch material.

Es wurde gefunden, daß die Eigenschaften dieser Röhren beträchtlich verbessert werden können und daß man auch das Herstellungsverfahren vereinfachen kann. Nach der Erfindung besteht die Kathode einer Glimmentladungsröhre wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem über 1q.00° C liegenden Schmelzpunkt; die Röhrenwand, wenigstens der die Entladungsstrecke umschließende Teil dieser Wand, ist praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht von einem dieser Metalle überzogen. Vorzugsweise bestehen nach der Erfindung die Kathode und die Wandbekleidung aus dem gleichen Metall. Man kann die Kathode ganz aus einem der erwähnten Metalle herstellen; es genügt aber, wenn nur die Oberflächenschicht der Kathode aus diesem Metall besteht. Vorzügliche Ergebnisse wurden mit einer Molybdänkathode erhalten.Außer der Kathode muß die Innenwand der Röhre mit einer Schicht aus einem Metall überzogen sein, dessen Schmelzpunkt i4oo° C übersteigt. Es ist dabei nicht ausreichend, wenn die Innenwand mit einer unsichtbaren Metallschicht mit einer Stärke von nur einigen Atomen bedeckt ist. Die Schicht soll klar sichtbar sein und wenigstens die die Entladungsstrecke umschließende Wand praktisch ganz bedecken. Wenn innerhalb der Glashülle der Entladungsröhre die Entladungsstrecke von einem Schirm umgeben wird, so wird dieser Schirm als Wand für die Entladungsstrecke dienen und mit einem der vorerwähnten Metalle überzogen sein müssen. Unter einer sichtbaren Metallschicht ist eine Schicht zu verstehen, die, auf eine Glaswand aufgetragen, etwa 20% des durchfallenden Lichtes absorbiert. Im allgemeinen erhält man bessere Ergebnisse, wenn ein größerer Teil der Wand überzogen ist, man wird daher zweckmäßig die Hülle der Entladungsröhre derart wählen, daß 'keine toten Räume, z. B. Rohrarme, vorhanden sind und die Röhrenwand überall nahezu gleich weit von der Kathodenoberfläche entfernt ist.It has been found that the properties of these tubes are considerable can be improved and that the manufacturing process can also be simplified can. According to the invention, the cathode consists of at least a glow discharge tube on their surface made of a metal with a melting point above 1q.00 ° C; the tube wall, at least the part of this wall surrounding the discharge path, is practically complete with a visible layer of one of these metals overdrawn. According to the invention, there are preferably the cathode and the wall covering made of the same metal. The cathode can be made entirely from one of the metals mentioned produce; but it is sufficient if only the surface layer of the cathode the end this metal is made. Excellent results have been obtained with a molybdenum cathode the cathode must cover the inner wall of the tube with a layer of a metal be whose melting point exceeds 400 ° C. It is not enough if the inner wall with an invisible metal layer with a thickness of only a few Atoms is covered. The layer should be clearly visible and at least the discharge path cover the surrounding wall practically completely. If inside the glass envelope of the discharge tube the discharge path is surrounded by a screen, this screen is called a wall serve for the discharge path and coated with one of the aforementioned metals must be. A visible metal layer is understood to mean a layer which, when applied to a glass wall, absorbs around 20% of the light passing through it. In general, better results will be obtained if more of the wall is covered is, you will therefore expediently choose the envelope of the discharge tube such that 'no dead spaces, e.g. B. pipe arms are present and the tube wall almost everywhere is equidistant from the cathode surface.

Es wurde festgestellt, daß eine Glimmentladungsröhre, in der im Rahmen der Erfindung die Kathodenoberfläche und vorzugsweise auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen, besonders gute Eigenschaften in bezug auf gleichbleibende Brennspannung und Reproduzierbarkeit hat.It was found that a glow discharge tube in the frame of the invention, the cathode surface and preferably also the wall covering Molybdenum exist, particularly good properties with regard to constant burning voltage and has reproducibility.

Die oben geschilderten Glimmentladungsröhren lassen sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch herstellen, daß die Kathode in der Röhre selbst durch Zerstäubung oder Verdampfung einem Reinigungsvorgang unterzogen wird und die Bedeckung der Wand ebenfalls durch Zerstäubung oder Verdampfung erfolgt. Es kann zum Beispiel die Kathode dadurch gereinigt werden, daß man sie während längerer Zeit mittels Hochfrequenz auf einer hohen Temperatur erhitzt; vorzugsweise aber zerstäubt man die Kathode mittels einer Glimmentladung mit einer Stromdichte, die die normale Stromdichte wenigstens mehrmals übersteigt.The glow discharge tubes described above can be further developed of the invention in that the cathode is in the tube itself by sputtering or evaporation is subjected to a cleaning process and the covering of the wall also takes place by atomization or evaporation. For example it can be the cathode be cleaned by having them for a long time by means of high frequency heated at a high temperature; however, the cathode is preferably sputtered by means of a glow discharge with a current density which is the normal current density exceeds at least several times.

Die Reinigung der Kathode ist, auch zum Zwecke der Verkürzung der Zeitdauer, vorteilhaft mit einer solchen Glimmstromdichte durchführbar, daß die Kathode glühend wird. Man soll den Reinigungsvorgang derart in den Herstellungsgang der Röhre einschalten, daß nach Reinigung keine Verunreinigungen mehr in die Röhre eintreten können. Es wird zum Beispiel erforderlich sein, die Kathode zu verdampfen oder zu zerstäuben, nachdem die Röhre von der Pumpe abgeschmolzen worden ist, da unter dem Einfluß der zum Abschmelzen erforderlichen hohen Temperatur Verunreinigungen aus dem Glas auftreten können. Es hat sich erwiesen, daß nach einer derartigen Behandlung keine weiteren schädlichen Verunreinigungen während des Betriebs der Röhre abgegeben werden.The cleaning of the cathode is also for the purpose of shortening the time Duration, advantageously feasible with such a glow current density that the Cathode becomes glowing. The cleaning process should be included in the manufacturing process Switch on the tube so that after cleaning there is no more contamination in the tube can enter. For example, it will be necessary to vaporize the cathode or to atomize after the tube has been melted off by the pump, there under the influence of the high temperature required for melting, impurities can occur from the glass. It has been found that after such a treatment no further harmful contaminants are emitted during operation of the tube will.

Die Wandbedeckung der -Glimmentladungsröhre läßt sich -dadurch erzeugen, daß eins der vorgenannten iNIetalle in Form eines Drahtes oder einer Platte derart erhitzt oder das Metall mittels einer Glimmentladung derart zerstäubt wird, daß es die Wand, welche die Entladungsstrecke umschließt, praktisch vollständig mit einer sichtbaren Metallschicht bedeckt.The wall covering of the glow discharge tube can be produced by that one of the aforementioned iNIetalle in the form of a wire or a plate in such a way heated or the metal is atomized by means of a glow discharge in such a way that it practically completely includes the wall that encloses the discharge path covered with a visible metal layer.

Das Verfahren zur Herstellung der Glimmentladungsröhre nach der Erfindung kann in hohem Maße vereinfacht werden, wenn man für die Wandbedeckung das gleiche Metall wie für die Kathode wählt; in diesem Fall können die Reinigung der Kathode und die Bedeckung der Wand gleichzeitig durch Zerstäubung der Kathode bewirkt werden. Man soll diese dann so lange dauern lassen, als zum Niederschlagen eines hinreichenden Wandüberzuges erforderlich- ist.The method of manufacturing the glow discharge tube of the invention Can be simplified to a great extent if you do the same for the wall covering Metal as elects for the cathode; in this case you can start cleaning the cathode and the covering of the wall can be effected simultaneously by sputtering the cathode. One should then let this last as long as it is sufficient to knock down one Wall covering is required.

Es wurde gefunden, daß die Brennspannung von Glimmentladungsröhren nach der Erfindung innerhalb weiter Zeitgrenzen außerordentlich konstant ist und sich zum Beispiel innerhalb einer normalen Brenndauer von iooo Stunden weniger als 0,5 Volt ändert.It has been found that the running voltage of glow discharge tubes according to the invention is extremely constant within wide time limits and, for example, changes less than 0.5 volts within a normal burning time of 100 hours.

Die gemäß eines Teiles der Erfindung als Material für die Kathodenoberfläche und Wandbedeckung verwendeten Metalle haben einen Schmelzpunkt oberhalb i400° C. Falls der Preis dieses Materials denjenigen der Entladungsröhre zu stark beeinflussen würde, was zum Beispiel für Ti oder Hf der Fall sein kann, wird man im allgemeinen eine Wahl unter den Metallen Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe und Ni treffen. Unter diesen letztgenannten Metallen nimmt das Molybdän durch seinen niedrigen Kathodenfall (etwa ioo Volt in Argon oder Neon) einen besonderen Platz ein, und zwar durch die Leichtigkeit, mit der die Kathode derart behandelt werden kann, daß das Glimmlicht die Kathode homogen bedeckt; ein weiterer Vorteil liegt in den bekannten Eigenschaften einer leichten Bearbeitbarkeit und hohen Belastbarkeit des Metalls. Infolge des niedrigen Kathodenfalles gibt es keine Entladung an den Polen, die vielfach aus Nickel bestehen; diese Pole brauchen also nicht abgeschirmt zu werden.According to part of the invention as a material for the cathode surface The metals used and wall covering have a melting point above 400 ° C. If the price of this material affects that of the discharge tube too much would, which may for example be the case for Ti or Hf, one will in general make a choice from the metals Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe and Ni. Under these Molybdenum absorbs the latter metals due to its low cathode drop (approx 100 volts in argon or neon) has a special place, through the lightness, with which the cathode can be treated in such a way that the glow light touches the cathode homogeneously covered; Another advantage lies in the well-known properties of a easy machinability and high resilience of the metal. As a result of the low Cathode case there is no discharge at the poles, which are often made of nickel; so these poles do not need to be shielded.

Die Erfindung wird an Hand einiger in den Fig. i bis 5 abgebildeten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese Figuren zeigen Glimmentladungsröhren mit verschieden ausgestalteten Hüllen und Kathoden.The invention is illustrated with reference to some in FIGS Embodiments explained in more detail. These figures show glow discharge tubes with differently designed shells and cathodes.

Bei der Röhre nach Fig. i befindet sich eine Kathode i und eine stabförmige Anode 2 in einer Hülle 3, die Ausstülpungen 4 und 5 aufweist. In Fig. 2 ist die Kathode i in gestrecktem Zustand dargestellt. Die Innenwand der Hülle ist mit einem dunklen Metallniederschlag überzogen, der ebenso wie die Kathode aus einem der vorgenannten Metalle und vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die Kathode besteht. Die Innenwand der Ausstülpungen 4, 5 ist praktisch nicht vom Metallniederschlag bedeckt, da das verdampfte oder zerstäubte Metall das Innere dieser Ausstülpung nicht erreichen kann. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist dieser Nachteil vermieden, da bei dieser Röhre mit der Anode 2 keine Ausstülpungen vorhanden sind und hier die Hülle 3 überall nahezu gleich weit von der Kathodenoberfläche i entfernt ist. In dieser Röhre kann demnach die Innenwand sehr gleichmäßig mit Metallniederschlag bedeckt sein.The tube according to FIG. I has a cathode i and a rod-shaped one Anode 2 in a shell 3 which has protuberances 4 and 5. In Fig. 2 is the Cathode i shown in a stretched state. The inner wall of the case is with a dark metal deposit, which, like the cathode, consists of one of the aforementioned Metals and preferably consists of the same metal as the cathode. The inner wall the protuberances 4, 5 is practically not covered by the metal deposit, since the vaporized or atomized metal cannot reach the interior of this protuberance can. In the embodiment of FIG. 3, this disadvantage is avoided because in this Tube with the anode 2 no protuberances and here the shell 3 everywhere is almost the same distance from the cathode surface i. In this tube can therefore the inner wall must be covered very evenly with metal precipitate.

Fig..I zeigt eine Röhre mit zylindrischer Kathode i und einer Anode 2 in einer Hülle 3, die entsprechend der Röhre nach Fig. 3 überall gleich weit von der Kathodenoberfläche entfernt ist.Fig..I shows a tube with a cylindrical cathode i and an anode 2 in a sheath 3, corresponding to the tube of FIG. 3 everywhere the same distance from the cathode surface is removed.

In Fig.5 ist eine Glimmentladungsröhre dargestellt, in der der Raum der Entladungsstrecke von einer zylindrischen Wand 6 aus Quarz umgeben ist. Diese Wand ist an der Innenseite mit einer sicht-. baren Metallschicht überzogen, während die vom Zylinder abgeschirmte Röhrenwand nicht bedeckt ist.In Fig.5 a glow discharge tube is shown in which the room the discharge path is surrounded by a cylindrical wall 6 made of quartz. These Wall is on the inside with a visible. coated metal layer while the tube wall shielded by the cylinder is not covered.

Zur Herstellung einer Glimmentladungsröhre nach der Erfindung kann man von einer Röhre entsprechend einer der Figuren ausgehen. Das Verfahren sei für den Fall beschrieben, daß sowohl die Kathode als auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen und man -sowohl die Reinigung der Kathode als auch das Überziehen der Innenwand durch 7erstäul)ung durchführt. Zunächst werden durch Erhitzung in einem Ofen auf etwa 400° C sämtliche Gasteile der Röhre auf bekannte Weise entgast: ferner werden die Metallteile soweit wie möglich dadurch entgast, daß sie zum Beispiel mittels Hochfrequenz auf hohe Temperatur erhitzt werden. Darauf wird die Röhre mit Gas gefüllt. Es kann nunmehr zwischen Kathode und Anode eine GlimmeiitlacIutig mit kleinem Strom bewirkt werden. Wenn man diesen Strom langsam steigert, so beobachtet man, daß sich das Glimmlicht auf der Kathode zu einem kleinen Fleck zusammenzieht; hierbei sinkt die Brennspannung. Darauf breitet sich das Glimmlicht wieder langsam über die Oberfläche der Kathode aus. Man steigert den Strom schließlich, 1>1s dieser etwa einige hundert Milliainpere je Quaratzentimeter beträgt, wobei die Kathode zur Weißglut gelangen kann. Man kann nunmehr Gas abpumpen und die Röhre mit reinem Gas neu füllen. Nachdem die Röhre abgeschmolzen ist, wird das Zerstäubungsverfahren nochmals wiederholt, so daß schließlich sowohl die Kathode als auch die Gasfüllung derart gründlich gereinigt sind, daß praktisch die letzten Spuren von Verunreinigungen verschwunden sind. Zugleich wird durch Zerstäubung der Kathode die Innenwand des Kolbens mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt. Im allgemeinen wird die Reinigung der Kathode bewirkt worden sein, bevor der Metallniederschlag auf der Innenwand eine hinreichende Stärke bekommt. Deshalb wird es erforderlich sein, die Zerstäubung so lange fortzusetzen, bis die Innenwand der Röhre praktisch vollständig mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt ist.For the production of a glow discharge tube according to the invention can start from a tube corresponding to one of the figures. The procedure is for described the case that both the cathode and the wall covering are made of molybdenum exist and one -both the cleaning of the cathode and the coating of the inner wall carried out by 7erstäul) ung. First, it is based on heating in an oven about 400 ° C, all gas parts of the tube are degassed in a known manner: furthermore the metal parts as far as possible by degassing them, for example by means of High frequency to be heated to high temperature. The tube is then filled with gas. There can now be a glow between the cathode and anode with a small current be effected. If one slowly increases this current, one observes that the glow light on the cathode contracts into a small spot; this sinks the operating voltage. The glow light then slowly spreads over the surface again the cathode off. The current is finally increased, 1> 1s of this for about a few hundred Milliainers per square centimeter, with the cathode becoming incandescent can. You can now pump out gas and refill the tube with pure gas. After this the tube has melted, the atomization process is repeated again, so that finally both the cathode and the gas filling cleaned so thoroughly are that practically the last traces of impurities have disappeared. Simultaneously the inner wall of the bulb is visible with a visible by sputtering the cathode Molybdenum layer covered. Generally, the cleaning of the cathode has been effected before the metal deposit on the inner wall gets a sufficient strength. It will therefore be necessary to continue atomization until the Inner wall of the tube practically completely covered with a visible layer of molybdenum is.

Man kann das oben geschilderte Verfahren im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weisen variieren. Man kann zum Beispiel statt Molybdän eins der anderen erwähnten Metalle sowohl für die Kathode als auch für die Wandbedeckung verwenden. Wenn man zum Beispiel eine Kathode aus Zirkonium und eine Wandbedeckung aus Nickel wählt, so wird man in der Röhre in der Umgebung der Kathode einen Nickeldraht oder eine Nickelplatte anbringen können, so daß durch Zerstäubung Nickel auf die Innenwand niedergeschlagen wird. Die Bedeckung der Innenwand kann auch dadurch erfolgen, daß man den Nickeldraht mittels eines elektrischen Stromes auf eine derart hohe Temperatur erhitzt, daß durch Verdampfung des Drahtes Nickel auf die Innenwand niedergeschlagen wird. Die Kathode kann auch aus einem Draht bestehen, den man dadurch reinigt, daß er mittels eines elektrischen Stromes auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Es ist nicht erforderlich, zur Reinigung der Kathode die Zerstäubung derart durchzuführen, daß die Kathode auf eine äußerst hohe Temperatur (für Molybdän z. B. 170o° C) erhitzt wird. Wenn man nur die Zerstäubung länger fortsetzt, kann sie auch bei geringerer Belastung und mithin bei niedrigerer Temperatur stattfinden.You can use the method described above within the scope of the invention vary in different ways. For example, instead of molybdenum, you can use one of the others Use the metals mentioned for both the cathode and the wall covering. For example, if you have a cathode made of zirconium and a wall covering made of nickel If you choose, you will use a nickel wire or in the tube in the vicinity of the cathode Can attach a nickel plate, so that by atomization nickel on the inner wall is knocked down. The inner wall can also be covered in that the nickel wire is brought to such a high temperature by means of an electric current heated that deposited nickel on the inner wall by evaporation of the wire will. The cathode can also consist of a wire that is cleaned by that it is heated to a high temperature by means of an electric current. It it is not necessary to carry out the sputtering to clean the cathode in such a way that that the cathode is heated to an extremely high temperature (e.g. 170 ° C for molybdenum) will. If one only continues the atomization longer, it can also with less Load and therefore take place at a lower temperature.

Der Gasdruck in Glimmentladungsröhren nach der Erfindung hat den üblichen Wert von der Größenordnung von i cm. Man kann zum Beispiel einen Gasdruck von 2o bis 40 mm Neon oder 5 bis 20 mm Argon wählen. Glimmentladungsröhren nach der Erfindung haben eine niedrige konstante Brennspannung. Wenn die Zerstäubung oder Verdampfung der Kathode hinreichend lange erfolgt und eine sichtbare Metallschicht auf der Innenwand der Röhre niedergeschlagen worden ist, kann die Brennspannung innerhalb einer normalen Brenndauer von etwa iooo Stunden sich um weniger als o,5 Volt und sogar nur um o,1 Volt ändern. Unterbrechung der Verwendung der Röhre führt praktisch keine Änderung der Brennspannung herbei.The gas pressure in glow discharge tubes according to the invention has the usual Value of the order of 1 cm. For example, a gas pressure of 2o Choose up to 40 mm neon or 5 to 20 mm argon. Glow discharge tubes according to the invention have a low constant operating voltage. When atomization or evaporation the cathode is long enough and a visible metal layer on the inner wall the tube has been knocked down, the burning voltage can be within a normal Burning time of about 100 hours is less than 0.5 volts and even only 0.1 Volts change. Interruption of the use of the tube results in practically no change the burning voltage.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Glow discharge tube for use as an effective part in an electrical circuit, in particular for measurement or stabilization purposes, characterized in that the cathode consists at least on its surface of a metal with a melting point exceeding 1400 ° C and that the tube wall, at least the the wall part enclosing the discharge path is practically completely covered with a visible layer of one of these metals.

2. Glow discharge tube according to claim 1, characterized in that the shape of the tube wall is such that it is almost the same distance from the cathode surface everywhere.

3. Glow discharge tube according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode and the wall covering consist of the same metal.

4. glow discharge tube according to claims i, 2 or 3, characterized in that the cathode surface and expediently also the wall covering consist of molybdenum.

5. Method of manufacturing a glow discharge tube according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cathode by Atomization or evaporation of a cleaning is subjected and the coating of the wall is carried out by atomization or evaporation.

6. A method for producing a glow discharge tube according to one of claims 3 or 4, characterized in that the wall covering is carried out by sputtering or evaporation of the cathode. Method according to claim 5 or 6, characterized in that the sputtering or evaporation of the cathode is continued and so much metal is deposited on the wall that the burning voltage changes by less than 0.5 volts within a normal burning time of about 100 hours .