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Quecksilberdampf-Entladungsgefäß Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Kondensation des Quecksilberdampfes in Quecksilberdampf-Entladungsgefäßen zu
verbessern. Versuche haben ergeben, daß bei der bisher üblichen Bauart von Entladungsgefäßen
die Kondensation des Quecksilberdampfes an den hierfür vorgesehenen Flächen wesentlich
niedriger ist als sie es im Hinblick auf den Dampfdruck und die Temperatur der Kondensationsflächen
theoretisch sein müßte. Der Cgrund 'für diese geringe Neigung des Quecksilberdampfes,
sich an den Kondensationsflächen niederzuschlagen, liegt vermutlich darin, daß an
diesen Flächen nicht genügend Kondensationskerne vorhanden sind. Es bilden sich
zwar auf den Flächen Quecksilberperlen, an denen an sich eine leichtere Kondensation
des Quecksilbers stattfinden könnte. Da jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Quecksilbers
verhältnismäßig niedrig ist und außerdem der Kontakt solcher Quecksilberperlen mit
der eigentlichen Kondensationsfläche meist nicht sehr innig ist, so besitzt die
Oberfläche solcher Quecksilberperlen eine merklich höhere Temperatur als die Kondensationsfläche,
was zur Folge hat, daß auch an diesen Stellen eine weitere Kondensation von Quecksilberdampf
nur in beschränktem Umfang stattfindet. Es kommt hinzu, daß die gesamte Oberfläche
der Quecksilberperlen meist nur einen Bruchteil der für die Kondensation eigentlich
vorgesehenen Fläche ausmacht.
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Die Eifindung schlägt deshalb zur Verbesserung der Kondensatorwirkung
vor, die Anordnung so zu treffen, daß die Kondensation des Quecksilberdampfes im
wesentlichen an der Oberfläche zusammenhängender Quecksilberschichten erfolgt.
Solche
zusammenhängenden Quecksilberschichten können z. B. dadurch gewönnen werden, daß
man die Kondensationsflächen aus einem Metall herstellt, welches im Gegensatz zu
den hierfür bisher verwendeten Werkstoffen von Quecksilber leicht benetzt wird.
Von Quecksilber leicht benetzt werden z. B. solche. Metalle, die imstande sind,
mit dem Quecksilber ein Amalgam zu bilden, d. h. sich im Quecksilber zu lösen. Es
ist jedoch nicht ratsam, die gesamte Kondensationsfläche aus einem solchen Metall
herzustellen, da dessen Löslichkeit in dem Quecksilber unter Umständen zu einer
starken Verunreinigung des Kathodenquecksilbers führen könnte. Es genügt, um eine
hinreichende Benetzbarkeit zu erzielen, jedoch, . wenn man eine Legierung verwendet,
die den im Quecksilber löslichen Bestandteil neben einem quecksilberfesten Bestandteil
enthält. Der' quecksilberlösliche Bestandteil kann dabei einen verh.ältnisinäßig
kleinen Anteil an der Gesamtlegierung ausmachen. Für den vorliegenden Zweck kommt
eine ganze Reihe. von verschiedenen Legierungen in Betracht. Als Beispiel seien
nur die folgenden genannt: Fe-Cu, Fe-Al, Fe-Att, Ni-Cu, Ni-Ag, Ni-Sn, Ni-Pb, M@-Cu.
Darin bildet immer das erstgenannte Metall den quecksilberlöslichen Bestandteil.
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Da Versuche ergeben haben, daß an einer zusammenhängenden Quecksilberoberfläche,
bezogen auf die gleiche Temperatur und den . gleichen Dampfdruck, etwa die Sofaehe.
Quecksilbermenge in der Zeiteinheit niedergeschlagen werden kann wie an einer Oberfläche
aus Eisen, reicht unter Umständen schon die zusammenhängende Quecksilberschicht,
welche- die Kathodenoberfläche bildet, als Kondensationsfläche für den gebildeten
Quecksilberdampf aus, wenn man sie hinreichend stark kühlt. Zumindest kann man erreichen,
daß die Oberfläche des Kathodenquecksilbers einen wesentlichen Anteil an der Kondensation
des O_uecksilberdampfes übernimmt. Verwendet man als Kathode einen Quecksilberteich,
so kann man das angegebene Ziel dadurch erreichen, daß man die Oberfläche des Quecksilberteiches
durch Einsatzkörper; die mittels einer Kühlflüssigkeit stark gekühlt werden, in
kleine Felder unterteilt. Da es auf eine intensive Kühlung der Quecksilberoberfläche
ankommt, genügt es nicht, Kühlkörper vorzusehen, die ganz unterhalb der Quecksilberoberfläche
liegen. Die Kühlkörper müssen vielmehr übenden Quecksilberspiegel hinausragen, da
andernfalls die Wärmeableitung von der Oberfläche des Quecksilberspiegels zu gering
ist. Die über den Quecksilberspiegel hin-. ausragenden Teile der Kühlkörper werden
zweckmäßig aus einem schwer zerstäubbaren Metall, insbesondere aus Molybdän, hergestellt,
welches den weiteren Vorteil hat, daß es auch von Quecksilber benetzt werden kann.
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Die gekühlten Einsatzkörper selbst können in verschiedener Weise ausgebildet
werden. In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele hierfür dargestellt.
In Fig. i ist mit i der das Kathodenquecksilber z aufnehmende Kathodennapf bezeichnet.
Als Kühlkörper ist eine Reihe von Röhren 3 vorgesehen, welche parallel zueinander
und parallel zu der Ebene des Quecksilberspiegels angeordnet sind und von einer
Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Zweckmäßig werden diese Röhren in bezug auf
den Kühlkreislauf parallel geschaltet.
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Die Kühlkörper können, wie Fig.2 zeigt, aus einem Eisenrohr 4 bestehen,
auf welches oben ein Molybdänblech 5 aufgelötet ist. An Stelle des in Fig. 2 dargestellten
kreisförmigen Querschnitts der Kühlröhren können diese auch, wie in -Fig. 3 angegeben,
dreieckigen Querschnitt erhalten.
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Eine weitere Ausführungsform für die Kühlkörper zeigt Fig. ¢. Hier
besitzen die von der Kühlflüssigkeit durchströmten Eisenröhren 4 einen rechteckigen
Querschnitt, der beispielsweise durch Zusammenschweißen eines entsprechend gebogenen
Eisenbleches hergestellt werden kann. An diese Röhren sind Stege 6 aus Molybdänblech
angelötet oder angeschweißt, welche über den Quecksilberspiegel hinausragen. Verwendet
man, wie in Fig. 5 dargestellt, bei dieser Konstruktion Röhren runden Querschnitts,
so ist es ratsam, zwischen den Molybdänstegen 6 und den Eisenröhren 4 Füllstücke
7 vorzusehen, um die wirksame Fläche für den Wärmeübergang zwischen dem Steg 6 und
der Röhrenwandung 4 zu vergrößern.
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Anstatt mehrere parallel zueinander angeordnete Einzelröhren bzw.
Einzelkühlkörper vorzusehen, kann man auch eine sehr wirksame Unterteilung der Quecksilberoberfläche
dadurch erreichen, daß man ein zu einer ebenen Spirale gebogenes Kühlroter verwendet.
Der Querschnitt des Kühlkörpers kann dabei der gleiche sein, wie in den vorangehenden
Ausführungsbeispielen gezeigt.
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Eine sehr wirkungsvoll gekühlte Kathode für den vorliegenden Zweck
kann man auch in der Weise erhalten, daß man das Kathodenquecksilber in den Rillen
eines gefalteten und von unten her von Kühlwasser bespülten Molybdänbleches unterbringt.
Ein solcher gefalteter Blechstreifen ist in Fig.6 in zwei Ansichten dargestellt.
Die Kathodenkonstruktion wird besonders einfach, wenn man diesen Blechstreifen,
an dessen Stelle auch ein mit Molybdän plattierter oder belegter Eisenblechstreifen
treten kann, zu einem Kreisring derart zusammenbiegt, daß die einzelnen Falten keilförmig
in radialer Richtung verlaufen. Die beiden aneinanderstoßenden Enden des Blechstreifens
werden miteinander verlötet oder verschweißt. An dem äußeren Umfang wird, wie Fig.
7 zeigt, der gefaltete Blechring 8 durch Lötung öder Schweißung in einem Rohr 9
befestigt, welches einen Teil der Wandung des Vakuumgefäßes bildet. Der innere Umfang
des gefalteten Ringes ist in Fig. 7 durch eine damit verschweißte oder verlötete
P1 tte io abgeschlossen, so daß oberhalb und unterhalb des Faltenringes 8 bzw. der
Platte io vakuumdicht voneinander getrennte Räume entstehen. Der obere Raum gehört
dem Vakuumraum an, während der untere Raum von Kühlwasser durchflössen wird. Wie
am inneren Umfang des gefalteten Ringes die i Schweißung öder Lötung auszuführen
ist, zeigt
Fig. 8 für den Fall, daß der Ring aus einem Eisenblech
8 besteht, welches auf der dem Vakuumraum zugekehrten Seite mit einem dünnen Molybdänblech
i i belegt ist. Die zusammenstoßenden Kanten 12 der einzelnen Falten werden miteinander
verlötet oder verschweißt. Um für das Einschweißen oder Einlöten der Platte io eine
zusammenhängende Ringfläche zu erhalten, sind noch Füllstücke 13 vorgesehen. Nachdem
die Platte io mit ihrem äußeren Umfang an der Fläche 14 vakuumdicht befestigt ist,
werden "die überstehenden Teile des Molybdänbleches i i über den Stirnwänden der
Falten des Bleches 8 bzw. über den Schweißstellen 12 niedergebogen, so daß die gesamte
mit dem Quecksilber in Berührung stehende Oberfläche aus Molybdän besteht. An Stelle
der Platte io kann auch ein unten abgeschlossenes Rohrstück i2 an das Faltenblech
angeschweißt werden. Man kann in diesem Rohr den Tauchkern für die Spritzzündung
unterbringen. Soll das Gefäß mit einer ständig die Kathode berührenden Zündelektrode
aus Widerstandswerkstoff betrieben werden, so dürfte es sich jedoch empfehlen, die
Platte io beizubehalten. Bei genügend enger Faltung des Bleches 8 wird zwischen
der Quecksilberoberfläche und dem Blech ein so inniger Wärmekontakt geschaffen,
daß die Quecksilberoberfläche verhältnismäßig leicht unterhalb der Kondensationstemperatur
gehalten werden kann.
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Es sei bemerkt, daß die vorangehend beschriebenen Kühlkörper für das
Kathodenquecksilber auch dann Anwendung finden können, wenn die Kondensation im
wesentlichen an anderen, besonders hierfür vorgesehenen Flächen erfolgt und durch
die Einsatzkörper lediglich eine Fleckfixierung und eine Herabsetzung der Dampfentwicklung
erstrebt werden.
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Wenn die Kondensation im wesentlichen an der Kathode selbst erfolgen
soll, kann man die Kathode auch so ausbilden, daß ihre wirksame Oberfläche lediglich
durch die den Kühlkörper benetzende Quecksilberschicht gebildet wird. Man kann dann
auf einen besonderen Quecksilberteich verzichten. Infolge der intensiven Kondensationswirkung
an der stark gekühlten Kathode reicht die den Kühlkörper benetzende Quecksilbermenge
vollkommen für den Betrieb der Kathode aus. Man erhält auf diese Weise eine Kathode,
von der praktisch überhaupt keine Dampfströmung mehr ausgeht. Bei dieser Konstruktion
erhält der Kühlkörper zweckmäßig die Form einer oben geschlossenen Kappe, in welche
von unten her ein Rohr zur Zu- oder Abführung der Kühlflüssigkeit hineinragt. Die
Oberfläche der Kappe muß aus einem von Quecksilber benetzbaren Metall bestehen.
Als besonders geeignet hierfür hat sich Molybdän erwiesen.
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Fig.9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Kathode. Auf das
Eisenrohr 15 ist eine Kappe 16 aus Molvbdänblech aufgelötet, die zweckmäßig nach
oben etwas konisch eingezogen ist. An Stelle des Molybdänbleches kann auch mit Molybdän
plattiertes Blech benutzt werden. Von unten her ragt in den Hohlraum der Kappe ein
Rohr 17 hinein, welches zur Zu- oder Ableitung der Kühlflüssigkeit dient. Es hat
sich herausgestellt, daß die Kühlung besonders günstig wird, wenn die.Kühlflüssigkeit,
wie durch die Pfeile dargestellt, durch den Spalt zwischen den Röhren 15 und 17
zugeführt und durch das Rohr 17 abgeführt wird. Der Fuß der Molybdänkappe 16 wird
von einem eisernen Ring 18 umgeben, in welchen eine Rinne i9 eingedreht ist. Diese
Rinne dient zum Auffangen von Quecksilber, welches etwa an der Molybdänkappe herunterläuft.
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Um eine gute Benetzung der Molybdänkappe zu erzielen, kann man beispielsweise
wie folgt vorgehen: Bei der Inbetriebnahme des Gefäßes wird zunächst so viel Quecksilber
in das Entladungsrohr eingefüllt, daß es die Kappe 16 vollkommen bedeckt. Sodann
wird während des Brennens des Lichtbogens der Quecksilberspiegel allmählich gesenkt.
Es zeigt sich nämlich, daß die Benetzung des Molybdäns durch das Quecksilber besonders
leicht unter der Einwirkung des Kathodenfleckes stattfindet. Da der Kathodenfleck
das Bestreben hat, sich längs der Linie, in welcher die Kappe den Quecksilberspiegel
durchdringt, festzusetzen und bei intensiver Kühlung und entsprechender Belastung
des Gefäßes der Kathodenfleck sich rings um den ganzen Kappenumfang ausdehnt, wird
bei diesem Verfahren allmählich die gesamte Kappenoberfläche durch Quecksilber benetzt.
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Eine weitere Kathodenkonstruktion ähnlicher Art ist in Fig. io dargestellt.
Hier besteht die Kathode wiederum aus einem Eisenrohr 20, auf welches eine Molybdänkappe
2i aufgelötet ist. Es wird zweckmäßig dafür gesorgt, daß das Lot die untere freie
Fläche des Molybdänbleches über den ganzen Querschnitt des Eisenrohres 2o bedeckt,
da das verwendete Molybdänblech allein unter Umständen nicht vakuumdicht ist. Zur
Zufuhr des Kühlmittels dient wiederum ein Rohr 17- Von der Anordnung nach der Fig.
9 unterscheidet sich die Kathodenkonstruktion nach Fig. io im wesentlichen dadurch,
daß auf der oberen horizontalen Fläche der Kappe 2i Stege 22 aus Molybdänblech hochkant
aufgesintert sind. Statt dessen kann man auch aufrecht stehende Molybdändrahtstückchen
aufsintern oder, wenn die Kappe stark genug ist, in diese Rillen einschneiden. Es
entsteht dann eine kamm- oder bürstenartig ausgebildete Oberfläche, welche in ihren
Rillen eine größere Quecksilbermenge aufzunehmen imstande ist. Die Kathode wirkt
dann ähnlich wie die bekannte Dochtkathode.