DE875550C - Gasentladungs-Einrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasentladungs-Einrichtungen mit einer Glühkathode in einer Edelgas- oder Metalldampfatmosphäre. Die Glühkathode soll eine thermoionisch sehr aktive Oberfläche aufweisen und der Metalldampf sei insbesondere ein Alkalimetalldampf, vorzugsweise ein Dampf vom Kalium, Rubidium oder Caesium.

Solche Alkalimetalldämpfe begünstigen eine hohe spezifische Elektronenemission an der Kathodenoberfläche und erniedrigen den Spannungsabfall der Entladung zwischen Kathode und Anode.

Der Austritt von Elektronen aus der Kathode kühlt die Kathode ab, der Eintritt von Elektronen in die Anode erwärmt die Anode. Der Kathode wird durch die austretenden Elektronen eine Verdampfungswärme entzogen, und an der Anode wird eine Kondensationswärme wieder abgegeben. Bei Gasentladungsapparaten mit hoher spezifischer Elektronenemission an der Kathodenoberfläche und niedrigem Spannungsabfall der Entladung zwischen Kathode und Anode spielt dieser Wärmetransport von 'der Kathode nach der Anode gegenüber den

Stromwärmeverlusten in der Gasentladung eine erhebliche Rolle. Die Verdampfungswärme der Elektronen muß der Kathode dauernd zugeführt, die Kondensationswärme der Elektronen von der Anode dauernd abgeführt werden. Dieser Wärmetransport erhöht also· die Verluste im Gasentladungsapparat und erschwert die Kühlung.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß ein erheblicher Teil der Kondensationswärme der Elektronen an, der Anode der Kathode durch Wärmestrahlung wieder zugeführt wird und so einen erheblichen' Teil der an der Kathode' erforderlichen Verdampfungswärme der Elektronen deckt.

-Natürlich ist dies nur möglich, wenn sich die Anode auf höherer Temperatur befindet als die Kathode und wenn zwischen beiden Elektroden eine enge Wärmestrahlungskopplung besteht. Diese Verhältnisse lassen sich in einem größeren Variationsbereich des übergehenden Elektronenstromes nur dadurch verwirklichen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Anode von außen entweder direkt oder indirekt geheizt wird und die Kathode durch Wärmestrahlung von der Anode auf der für die Elektronenemission erforderlichen Temperatur gehalten wird. Wären der Spannungsabfall zwischen Kathode und Anode und der dadurch verursachte Stromwärmeverlust vernachlässigbar klein und würde die gesamte Kondensationswärme der Elektronen von der Anode nach der Kathode zurückgeführt, so müßte ohne Ändern der Heizung von außen in diesem Grenzfall und bei Heizen der Kathode durch Strahlung von der Anode die Temperatur von Anode und Kathode sogar unabhängig vom übergehenden Elektronenstrom erhalten bleiben. Dieser Grenzfall kann praktisch nicht verwirklicht werden, weil stets ein Spannungsabfall zwischen Kathode und Anode vorhanden ist und weil im allgemeinen die Kondensationswärme der Elektronen an der Anode die Verdampfungswärme der Elektronen an der Kathode übertrifft. Aber jedenfalls werden die für den Betrieb günstigen Temperaturverhältnisse durch die Rückführung der Kondensationswärme der Elektronen an der Anode durch Wärmestrahlung nach der Kathode vom übergehenden Elektronenstrom unabhängiger, und damit wird das Verhalten des Gasentladungsapparates stabiler.

Wird der Gasentladungsapparat als Gleichrichter benutzt, der bei Umkehr der Stromrichtung sperrt, so müssen Kathoden- und Anodenoberflächs von wesentlich verschiedener Beschaffenheit "sein, nämlich so, daß entgegen dem Verhalten beispielsweise einer vollkommen reinen Metalloberfläche die auf hoher Temperatur befindliche Anodenoberfläche eine um Größenordnungen niedrigere Elektronenemission aufweist als die auf wesentlich niedrigerer Temperatur befindliche Kathodenoberfläche. Solche Verhältnisse lassen sich bekanntlich beispielsweise durch Wolframelektroden in einer Alkalimetalldampfatmosphäre geeigneter Dichte realisieren, wobei die auf niedrigerer Temperatur befindliche, leicht oxydierte Kathodenoberfläche von einem" Alkalimetallfilm bedeckt ist, während die sorgfältig gereinigte Anodenoberfläche so· hoch temperiert ist, daß ein adsorbierter Film von Alkalimetalldampf sich auf ihr nicht halten kann.

In 'der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele einer Gasentladungs-Einrichtung gemäß der Erfindung nebst einigen Einzelheiten dargestellt.

Fig. ι und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Gasentladungs-Einrichtungen im Schnitt,

Fig. 3 a und 3 b eine Draufsicht und einen Schnitt einer Anodenanordnung,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Anodenanordnung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Gasentladungs-Einrichtung mit geheizter Anode und mit einer als Steuergitter dienenden Hilfselektrode, also eine Anordnung ähnlich einem Thyratron,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Gasentladungs-Einrichtung mit zwei geheizten Anoden¹ und

Fig. 7 die Anwendung von Gasentladungs-Einrichtungen nach Fig. 1 in einer Dreiphasen-Transformator-Gleichrichterschaltung.

Nach Fig. 1 besteht der Kolben 21 eines luftleeren Entladungsgefäßes vorzugsweise aus alkalidampffestem Glas, beispielsweise aus reinem Borosilikatglas, wie es unter dem Namen Pyrexglas im Handel erhältlich ist. Dieser Kolben 21 enthält eine gewisse Menge Caesiummetall. Die Kathode ist mit 22 bezeichnet und am Durchführungsstab 23 befestigt. Die Anode wird durch eine Wolframwendel 24 mit den Zuleitungen25 gebildet. Sie kann über diese Zuleitungen 25 mit einer Heizstromquelle verbunden und auf eine Betriebstemperatur von beispielsweise 2000⁰ abs. beheizt werden. Bei einer Gefäßtemperatur von 100 bis 150⁰C, d.h. dem dieser Temperatur entsprechenden Caesiumdampfdruck, ist die Oberfläche der so hoch beheizten Anode 24 praktisch frei von Caesiummetall, so daß ihre spezifische Emissionsfähigkeit bei etwa ίο*—³ Amp./cm² liegt.

Die Kathode 22, beispielsweise aus oxydiertem Wolframblech !bestehend, ist nach diesem Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder mit Fenster aufgebaut, in welchem Fenster die Anodenwendel 24 angeordnet ist. Anode und Kathode sind durch einen Strahlungsschutzschirm 27 umgeben, der am Einschmelzträger 28. befestigt ist. Durch diese Anordnung kann erreicht werden, daß die Kathode durch Temperaturstrahlung von der beheizten Anode aus auf die erforderliche Betriebstemperatur von beispielsweise 1300⁰ abs. erwärmt wird, so daß ihre Oberfläche durch eine Caesiummetallschicht bedeckt ist, die dank dem dynamischem Gleichgewicht zwischen Abdampfung und Wiederanlagerung aus dem Dampfraum mit hinsichtlich größter Emissionsf ähigkeit optimalem Bedeckungsgrad aufrechterhalten bleibt. Unter diesen Umständen läßt sich eine spezifische Kathodenemission von etwa ioAmp./cmerzielen, so daß also das Verhältnis von Kathodenemission zu Anodenemission im Idealfall einen Wert von io⁴ annehmen kann.

Die dargestellte Ausbildungsform der Kathode 22 im Entladungsgefäß nach Fig. 1 hat nicht nur den Vorteil einer sehr guten Absorptionsfähigkeit für die von der Anode ausgehende Temperaturstrahlung, sondern verhindert auch, daß die aus der Kathode austretenden Elektronen direkt zur Anode gelangen und so zur Ionisation des Dampfraumes praktisch nichts beitragen, sondern begünstigt ein wiederholtes Hinundherpendsln der Elektronen im Kathodenhohlraum und eine entsprechend starke Dampf raumionisierung.

Während durch die Beheizung der Anode 24 zwar eine so hohe Betriebstemperatur derselben erreicht werden kann, daß auf derselben keine die Emis- ¹S sionsfähigkeit des Anodenmetalls wesentlich erhöhende Alkalischichten haften können, is.t zu erwarten, daß sich längs der Anodenzuleitungen 25 Zonen niedrigerer Betriebstemperaturen ausbilden, an denen sich Caesiumsehichten ablagern, was eine hohe Emissionsfähigkeit dieser Stellen und eine entsprechendeRückzündungsgefahr zur Folge hätte. Dem kann dadurch abgeholfen werden, daß diese Zuleitungen 25 durch besondere Oberflächenbehandlung gegen die Bildung emissionsfähiger Schichten geschützt sind. So können z. B. Zirkonoxyd- oder Aluminiumoxydschichten 26 zu diesem Zweck vorgesehen werden, wie das in Fig. 1 angedeutet ist. Ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Entladungsgefäßes ist derjenige, daß die beim Aufprallen der Elektronen auf der Anode frei werdende Wärmeleistung eine Erwärmung derjenigen Elektrode bewirkt, die bewußt hoch geheizt wird, während bei Gefäßen bisheriger Bauart, die durch die " Anodenverlustleistung erzeugte Wärme durch Kühlmittel abgeführt werden muß.

Die bei der Kondensation der Elektronen an der Anode frei werdende Wärme wird bei der Anordnung nach Fig. 1 durch Wärmestrahlung auf die Kathode zurück übertragen, wo· sie zur Verdampfung weiterer Elektronen benötigt wird, wenn die Kathode sich nicht abkühlen soll. Dieser Vorteil kann unter Umständen, besonders beim Vorliegen konstanter Belastungsverhältnisse, so ausgenutzt werden, daß sich die Anode durch Selbstheizung im Betrieb auf der erforderlichen Betriebstemperatur hält, so daß sie nur bei Inbetriebsetzung des Gefäßes durch äußere Energiequellen aufgeheizt werden muß.

Fig. 2 zeigt eine Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Entladungsgefäßes in diesem Sinn. Das Gefäß 31 enthält eine am Durchführungsstab 33 befestigte Hohlkathode 32 und Strahlungsschirme 37 mit den Einschmelzträgern. 38, wie das Gefäß nach Fig. 1. Die im Fenster der Kathode angeordnete Anode 34. ist aiber als einfache Platte mit der Durchführung 35 ausgebildet. Mittels einer im Schnitt dargestellten, außen am Gefäß angeordneten Hochfrequenzspule 30 kann durch Wirbelstromheizung des Gefäßes die Anodenplatte 34 auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht werden, während sie im Betrieb durch Selbstheizung diese Temperatur beibehält. Damit Kathode und Strahlungsschirm bei der Hochfrequenzinduktionsheizung nicht mitgeheizt werden, weisen sie in der Längsrichtung des Gefäßes Schlitze 39 auf. Auch hier ist die Anodenzuleitung 35 mit einer nichtleitenden Schutzschicht 36 bedeckt, so daß die Ventilwirkung des Gefäßes nicht verschlechtert wird.

Fig. 3 a und 3 b zeigen ein Beispiel für eine indirekt beheizbare Anode 44 mit den Zuleitungen 45. Die Anode¹44 weist im Innern eine isolierte Heizspirale 49 auf, deren eines Ende mit.einer der Zuleitungen 45 leitend verbunden ist, während ihr anderes Ende mit einer besonderen Zuleitung 49^s verbunden ist. Alle drei Zuleitungen weisen nichtleitende Schutzschichten 46 auf und sind durch die Gefäßwand 41 nach außen geführt.

Die hohle Anode 54 von Fig. 4 weist im Innern eine Heizwendel 59 auf, die über die Zuleitungen 59^a auf Glühtemperatur beheizbar ist. Zwischen der durch die Kolbenwand 51 geführten Anodenzuleitung 55 und einer der Zuleitungen 59^s kann eine Spannungsquelle angeordnet werden, so daß die Anode 54 durch Elektronenheizung auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht wird. Emissionsverhindernde Schutzschichten auf den Zuleitungen sind mit 56 bezeichnet.

Fig. 5 zeigt eine dem Thyratron ähnliche Anordnung mit einer als Steuergitter dienenden Hilfselektrode. 61 ist die Hohlkathode¹, 62 die durch eine Heizwendel 63 indirekt beheizte Anode, 64 die als Steuergitter dienende Hilfselektrode, 66 ein die Kathode umgebender Strahlungsschirm. Die stromeinführenden Leiter 69 für die Anode und das Steuergitter sind wie bei den Anordnungen nach Fig. ι bis 4 wieder durch Isolierröhrchen 67, z. B. aus Aluminiumoxyd, gegen Entladungen geschützt. Die gesamte Elektrodenanordnung ist in eine Glashülle 68' eingeschlossen. Das Steuergitter 64 nimmt eine zwischen den Temperaturen¹ der Anode 62 und der Kathode 61 gelegene Temperatur an, die jedoch noch so hoch ist, daß ein die Elektronenemission begünstigender Belag von Alkalimetall sich auf dem Steuergitter 64 nicht halten kann. Die Hilfselektrode 64 kann daher als ein die Anode 62 umgebender Strahlungsschirm ausgebildet sein. Ein erfindungsgemäßes Entladungsgefäß eignet sich besonders zur Verwendung in Gleichrichteranlagen. Bei Mehrweggleichrichtern unter Verwendung derartiger Ventile werden mit Vorteil die Anoden und nicht wie bisher die Kathoden miteinander verbunden.

Fig. 6 zeigt einen Gasentladungsapparat als Gleichrichterventil mit zwei Anoden. 70 und 71 im Innern einer Hohlkathode 72 angeordnet. Mit 73 ist die Glashülle bezeichnet, 74 und 75 sind die Anschlüsse zu der Anode 70, 76 und JJ diejenigen zur Anode 71. Die Zuführung der Kathode 72 ist mit 78 bezeichnet. Der Wärmestrahlungsschirm 79 ist an den Einschmelzträgern 80 und Si befestigt. Die Anodenzuführungen. 74, 75, 76 und JJ sind im Innern der Glashülle 73, d. h. dort wo ihre Temperatur niedriger ist als diejenige der Anode selbst, mit einer Schicht 82 aus Zirkonoxyd oder Aluminiumoxyd bedeckt, um eine Emission der Zuführungen zu verhindern. Die Anoden 70 und Ji be-

stehen aus je einer Wendel aus reinem Molybdän, die direkt beheizt sind. Der Beheizungsstromkreis ist in der Figur nicht eingezeichnet. Die Kathode 72 ist als geschlossener Hohlzylinder mit Öffnungen für die Zuführungen zu den ganz in ihrem Innern angeordneten-Anoden 70 und 71 versehen. Im Innern der Glashülle ist wiederum ein Alkalimetalldampf vorhanden, z. B. Caesiumdampf. Im übrigen ist die Wirkungsweise ähnlich derjenigen der Anordnung nach Fig. 1.

Fig. 7 stellt rein schematisch eine Dreiphasen-Transformator - Gleichrichterschaltung mit drei Gleichrichterröhren nach Fig. 1 dar. Die drei Anoden 90, 91 und 92 dieser drei Gleichrichter-

röhren sind untereinander verbunden, was erlaubt, sie aus einer gemeinsamen Heizspannungsquelle 93 zu heizen. Mit 94, 95 und 96 sind die Hohlkathoden bezeichnet, während der Einfachheit halber die übrigen Teile der Gleichrichterröhre weggelassen

sind. 97 ist der Dreiphasentransformator mit den Sekundärwicklungen 98., 99, 100 und den Primärwicklungen 101, 102, 103, die beispielsweise im Dreieck geschaltet sind, während die Sekundärwicklungen in Sternschaltung ausgeführt sind.

104 ist die Belastung.

Die Anode muß* nicht unbedingt aus Wolfram bestehen. Man wird mit Vorteil ein Anodenmaterial wählen, dessen Emissionskurve für eine bestimmte Betriebstemperatur möglichst tief liegt. Falls ein erfindungsgemäßes Entladungsgefäß eine besonders hohe Rückzündungsspanniungssicherheit aufweisen soll, wird vorteilhafterweise der Betriebsdampfdruck des Alkalidampfes' relativ tief gehalten, weil für tiefere Dampftemperaturen das Verhältnis

zwischen der Kathodenemission und der Anodenemission größer ist als im Gebiet höherer Alkalidampfdrücke.

Umgekehrt weiden zur Erreichung besonders hoher Stromdichten die Kolbentemperaturen höher gewählt, weil dann der Absolutwert der Kathodenemission (Maximalwert) entsprechend höher liegt. Bei der Gasentladungs-Einrichtung nach Fig. 5 hat das Steuergitter, wie beschrieben, eine zwischen den Temperaturen der Kathode und der Anode Hegende Temperatur. Es ist indessen auch möglich, das. Steuergitter primär direkt oder indirekt zu heizen und -Wärme auf Anode und Kathode, insbesondere durch Strahlung, derart zu übertragen, daß die Anode eine Betriebstemperatur annimmt, die wesentlich über der Betriebstemperatur der Kathode liegt. Bei einer solchen Anordnung hat dann das Steuergitter bzw. die Hilfselektrode eine über der Temperatur der Anode gelegene Betriebstemperatur.

Claims (25)

1. Patentansprüche:

   i. Gasentladungs-Einrichtung mit einer Glühkathode und einer Anode in einer Edelgas- oder Metalldampfatmosphäre, bei welcher Mittel zur Erreichung einer derartigen Kathodenbetriebstemperatur und eines derartigen Gas- bzw. Dampfdruckes vorgesehen sind, daß die spezifische Emissionsfähigkeit der Kathode besonders hoch ist, und welche ferner Mittel aufweist zur Erreichung einer wesentlich über der Kathodenbetriebstemperatur liegenden Anodenbetriebstemperatur, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung und Anordnung der Kathode, daß diese durch Temperaturstrahlung von der Anode auf die erforderliche Betriebstemperatur beheizt wird.
2. 2. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erleichterung der Dampfraumionisierung eine Hohlkathode mit Fenster vorgesehen ist, in welchem Fenster die Anode angeordnet ist.
3. 3. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Strahlungsschirme, welche Anode und Kathode umgeben.
4. 4. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens diejenigen Teile der Anode und ihrer Zuleitungen, die im Betrieb eine der Kathodentemperatur ähnliche Temperatur annehmen, durch eine nichtleitende Schutzschicht bedeckt sind.
5. 5. Gäsentladungs-Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teile der Anode und ihrer Zuleitungen durch eine AluminiumOxydschicht bedeckt sind.
6. 6. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teile der Anode und ihrer Zuleitungen durch eine Zirkonoxydschicht bedeckt sind.
7. 7. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine heizbare Anode.
8. 8. Gäsentladungs-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode direkt ■ geheizt ist.
9. 9. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine im Innern der hohlen Anode angeordnete Glühkathode, die im Betrieb gegenüber der Anode negativ aufgeladen wird, so daß die Anode durch Elektronenbombardement heizbar ist.
10. 10. Gäsentladungs-Einrichtung nach An-Spruch i, gekennzeichnet durch eine indirekt beheizbare Anode.
11. 11. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Elektroden, daß die Anode bei no Inbetriebsetzung des Gefäßes durch äußere Energiequellen auf die erforderliche Betriebstemperatur beheizbar ist, während im Betrieb die erforderliche Heizleistung durch die Anodenverlustleistung erzeugt wird.
12. 12. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teile der Anode und ihrer Zuleitungen eine elektrisch leitende Schutzschicht aufweisen, deren Emissionsfähigkeit geringer ist als diejenige des Anodenmetalls.
13. 13. GasentladungSrEinrichtung nach Anspruch i, mit einer Hilfselektrode, gekennzeichnet durch Mittel zur Erreichung einer wesentlich über der Kathodenbetriebstemperatur liegenden Betriebstemperatur der Hilfselektrode.
14. 14- Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur der Hilfselektrode zwischen den Betriebstemperaturen der Anode und der Kathode liegt.
15. 15. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode von der Anode geheizt wird.
16. 16. GasentladungsrEinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur der Hilfselektrode über der Anodentemperatur liegt.
17. 17. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode von der Hilfselektrode geheizt wird.
18. 18. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode von der Hilfselektrode geheizt werden.
19. ig. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode ein die Anode umgebender Strahlungsschirm ist..
20. 20. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens diejenigen Teile der Hilfselektrode und ihrer Zuleitungen, die im Betrieb eine der Kathodentemperatur ähnliche Temperatur annehmen, durch eine nichtleitende Schutzschicht bedeckt sind.
21. 21. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Aluminiumoxyd besteht.
22. 22. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Zirkonoxyd besteht.
23. 23. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode direkt heizbar ist.
24. 24. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Gleichrichterventil ausgebildet ist.
25. 25. Gasentladungs-Einrichtung nach Anspruch 24, für Mehrweggleichrichtung, in Transformatorschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anoden untereinander verbunden sind.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    © 5014 5.53