DE882732C - Caesiumdampfgefuelltes Entladungsgefaess und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Durch theoretische Überlegung und experimentelle Versuche wurde festgestellt, daß Caesiumadsorptionskathoden auf einer Wolframunterlage bei optimaler Bedeckung eine spezifische Elektronenemission von etwa 30 A/cm² bei einer Kathodentemperatur von etwa iooo⁰' K aufweisen. Bei einer Einphasengleichrichterröhre entspricht dies einem maximal abgebbaren Gleichstrom von etwa 10 A/cm² wirksamer Kathodenfläche als

arithmetischem Mittelwert. Die hohe Elektronenergiebigkeit dieser Kathode konnte bei den bis jetzt gebauten Röhren mit direkt geheizten Kathoden und strahlungsgekühlter Anode in einem Glasgefäß nur bis etwa 10% ausgenutzt werden aus folgenden Gründen:

Bei einem hohen Anodenstrom und info'lge der Brennspannung des Niedervoltbogens erwärmt sich die Anode unzulässig, so daß .in der Sperrphase Rückzündungen auftreten. Die zulässige Anodentemperatur ist von der zu sperrenden Spannung und vom Anodenmaterial abhängig. Es wurde beobachtet, daß bei einer Spannung von 220 V_ef Rückzündungen auftreten von einer Molybdänanode, sobald die Anodentemperatur etwa 3.50'⁰' C erreicht. Die Anodentemperatur kann nur niedrig gehalten werden durch Verwendung großflächiger Anoden. Der hierdurch bedingte große Glaskolben erreicht allein durch die für die Kathode nötige Heizleistung nicht die zur Erzeugung des nötigen Caesiumdampfdruckes erforderliche Temperatur

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von etwa 150'⁰ C, so daß die Röhre ohne zusätzliche Heizmittel nicht gezündet werden kann.

Bei Entnahme des vollen von der Kathode abgebbaren Stromes übersteigt die Anodenverlustleistung die Heizleistung um ein Vielfaches, so daß die Wärmebilanz' der Röhre bei Änderung der Belastung gestört wird.

Durch einen Teil einer direkt geheizten Kathode fließt auch der Anodenstrom. Hierdurch wird erstens dieser Teil stärker geheizt und besitzt nicht mehr die optimale Caesiumbedeckung. Zweitens wirkt er aber auch als Serie-nwiderstand zur Entladungsstrecke, so daß die Brennspannung des Niedervoltbogens um den Spannungsabfall an diesem Widerstand erhöht wird. Hierdurch vergrößert sich noch die in der Röhre unter Last umzusetzende Verlustleistung,

Die Erfindung betrifft ein caesiumdampfgefülltes Entladungsgefäß mit einer Anode und einer caesiumbedeckten Kathode und strebt mindestens die Beseitigung der erstgenannten Ursache für die schlechte Ausnutzbarkeit der theoretischen Leistungsfähigkeit eines derartigen Gefäßes an.
Erfindungsgemäß ist der größere Teil der Gefäßwandung einerseits durch mit der Anode verbundene und andererseits durch mit der Kathode verbundene Metallteile gebildet, welche Metallteile durch einen" ringförmigen Verbindungsring aus Borosilicatglas verbunden sind, wobei mindestens die mit Glas zu verschmelzenden Metallteile aus Molybdän bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gefäßes ist dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen aus Molybdän bestehenden Metallteile, welche nicht mit dem Glas verschmolzen werden, vor der Verschmelzung mit einer Schutzschicht gegen Oxydation bedeckt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. ι und 2 ein erstes Beispiel in einem Längsschnitt bzw. in einer Draufsicht und

Fig. 3 ein zweites, gegenüber dem ersten leicht abgeändertes Ausführungsbeispiel.

Das Gefäß nach Fig. 1 weist eine indirekt geheizte Kathode 1 in Form eines Hohlkörpers und eine Anode 2 auf. Mit der Kathode ist eine Einschmelzkappe 11 verbunden, so daß also der größere Teil der Gefäßwandung einerseits durch die Anode 2 und andererseits durch mit der Kathode 1 verbundene Metallteile 11 gebildet ist. Diese Teile sind an den Verschmelzungsstellen 3 mit einem Verbindungsring 4 aus alkalidampffesteni Borosilicatglas, beispielsweise Pyrex oder Osram 637 h, verbunden.

Mit 5 ist ein Pumpstengel, mit 6 Kühlflächen für die Anode und mit 7 eine äußere Anodenheizwicklung bezeichnet. Die Kathode 1 besteht aus einem Hohlkörper 8, der auf dem Tragteller 9 einer rohrförmigen Zuleitung 10 durch Schweißstellen 15 verbunden ist. Die Zuleitung 10 ist mit der Einschmelzkappe 11 an der Stelle 12 verbunden. Innerhalb der Anode ist auf einem Isolierkörper 14 eine Heizwicklung 13 angeordnet, deren eines Ende 13° an die Kathodenfläche 1 angeschlossen ist und deren anderes Endeis* durch die Zuleitung 10 ausgeführt ist.

Die mit dem Glasring 4 zu verschmelzenden Metallteile 2 und 11 bestehen aus Molybdän, weil die braungefärbte Molybdänöxyd-Glasverschmelzungsstelle sich als ganz besonders Widerstandsfähig gegen Caesiumdampfangriff erwiesen hat. Um Ablösungen des Glases vom Metall am Rand der Verschmelzungsstellen 3, die vor allem bei der Verwendung von Pyrexglas gelegentlich auftreten, unschädlich zu machen und auch um die zwar geringe Caesiumdampfeinwirkung auf die dichtende Lösung von Molybdänoxyd im Glas zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die Verschmelzungsstellen 3 möglichst breit, z. B. mindestens 5 mm, zu halten.

Die Herstellung eines solchen Gefäßes ist mit gewissen Schwierigkeiten verbunden, indem ohne Anwendung besonderer Maßnahmen bei der Verschmelzung von Molybdän und Glas das Molybdän stark oxydiert wird, wobei das flüchtige Molybdänoxyd einen weißen Rauch bildet, der dem Glasbläser die Sicht raubt, ganz abgesehen davon, daß dünne Molybdänbleche der Gefahr völliger Verzunderung ausgesetzt sind. Diese Übelstände können dadurch behoben werden, daß diejenigen aus Molybdän bestehenden Teile, welche nicht mit dem Glas verschmolzen werden sollen, vor der Verschmelzung mit einer Schutzschicht gegen Oxydation bedeckt werden. Zu diesem Zweck können die entsprechenden Molybdänteile beispielsweise verkupfert oder mit einer kolloidalen Aufschwemmung von Kohle bestrichen werden. Solche Schutzschichten können nachher leicht entfernt; werden. Vorzugsweise werden diejenigen Molybdänteile 2 und 11, die mit dem Glas verschmolzen werden sollen, konisch angeschliffen. Ebenso wird zweckmäßigerweise jeder der zu verbindenden Metallteile vorerst mit je einem Glasring verschmolzen, wonach diese Glasringteile am Ende des Herstellungsverfahrens durch eine Ringnaht miteinander verbunden werden, was mit Hilfe einer spitzen Flamme auf einer Dreheinrichtung gemacht werden kann. Zur Erleichterung dieser Verbindung können die beiden Glasringteile, sofern sie nicht vorher schon genau aufeinander passen, an den Verbindungsstellen plan geschliffen werden. no

Die Anode 2 kann nun so dimensioniert sein, daß sie bei Vollast unter normalen Kühlverhältnissen an ihrer heißesten Stelle eine Temperatur von nahezu 260'°' C, aber nicht mehr erreicht. Zur Verhinderung einer übermäßigen Erhitzung können die Kühlflächen 6 dienen. Durch Einhalten dieser Bedingung werden Rückzündungen von der Anode in der Sperrphase sicher vermieden und außerdem bleibt die Temperatur der Anodenglasverschmelzung unter 260'⁰ C, so daß, wie durch Lebensdauerversuche über mehr als ιοσοο h nachgewiesen wurde, der Angriff von Caesiumdampf auf die Einschmelzung vernachlässigbar ist. Andererseits darf die Anodenaußenfläche nicht zu groß gewählt werden, damit die Anode mit der Kathode zusammen am Glasring 4 so viel Wärme abgibt, daß

dieser an der kältesten Stelle eine Temperatur von mindestens 150°' C erreicht zur Gewährleistung des nötigen Caesiumdampfdruckes.

Um die Zündung der Röhre zu ermöglichen und auch um die Röhre mit kleinerer Belastung betreiben zu können, kann die Anode 2 mit einer Außenheizung 7 versehen werden, die mittels eines auf die Anodentemperatur ansprechenden Thermoschalter, z. B. Bimetall- oder Thermomagnetschalter, ausgeschaltet wird, sobald die Anode die zur Erzeugung des nötigen Caesiumdampfdruckes erforderliche Temperatur erreicht hat und wieder einschaltet, wenn diese Temperatur unterschritten wird. Da die Anodentemperatur eine Funktion des entnommenen Anodengleichstromes ist, ist es auch denkbar, die Außenheizung der Anode in Abhängigkeit von diesem Strom zu steuern.

Der Kathodenhohlkörper 8 und die mit dem Tragteller 9 versehene rohrförmige Zuleitung 8 bestehen vorzugsweise aus Nickel. Die Zuleitung 14 ist mit der Molybdäneinschmelzkappe 11 bei 12 durch Hartlöten und der Tragteller 9 mit dem Kathodenzylinder 8 durch Lichtbogenschweißung bei 15 verbunden.

s5 Da die Heizwicklung 13 im Betrieb Temperaturen bis zu 1500⁰ K erreicht, ist es nötig, hierfür ein temperaturbeständiges Material zu wählen. Bei den Versuchen haben sich mit einem Platinmantel versehene Molybdändrähte sehr bewährt. Ebenso besteht der Isolierkörper 14 vorzugsweise aus Sinterkorund.

Die Kathode 1 und das Zuleitungsrohr 10 müssen auf der der Außenluft zugewendeten Innenseite veredelt werden. Da die Temperatur der Kathode etwa iooo⁰ K beträgt, kann sie vorzugsweise vergoldet werden.

Auf der Seite, von der die Elektronenemission ausgehen soll, muß die Kathode 1, falls sie nicht aus diesem Metall hergestellt ist, mit Wolfram oder Platin bedeckt werden. Im Falle des Platins kann dies durch Platinierung auf elektrolytischem Weg, im Falle des Wolframs durch Aufschweißen von Wolframblechen oder Umwickeln mit Wolframdraht geschehen. Die letztere Methode hat den Vorteil, daß durch sie die wirksame Kathodenfläche 8 stark vergrößert wird.

Die Abmessungen des Kathodenzuleitungsrohres 10 und der Kathodeneinschmelzkappe 11 werden mit Vorteil so gewählt, daß der Teil der Heizleistung, welcher der Einschmelzkappe 11 zugeführt wird, ihr eine Temperatur verleiht, die ungefähr gleich der Anodentemperatur bei Vollast ist, wenn das Gefäß in ruhiger Luft aufgestellt ist. Hierdurch wird erreicht, daß die kälteste Stelle des Gefäßes ungefähr in der Mitte des Glasringes liegt. Diese Stelle muß, wie oben erwähnt, mindestens 150⁰C erreichen. Die Temperatur der Glasmetallverschmelzungen liegt dann jedenfalls zwischen 150 und 260⁰ C, so daß die Einschmelzungen nicht gefährdet sind.

Bei der Dimensionierung des Gefäßes ist mit Vorteil noch darauf zu achten, daß die Kathodentemperatur durch die von der Genauigkeit des Anodentemperaturreglers abhängigen Änderungen in der Rückstrahlung der Anode zur Kathode bei Änderungen der Belastung nicht so stark beeinflußt wird, daß sie aus dem Gebiet der optimalen Emission der Kathode wandert.

Da Molybdän auch schon bei 260° C in der Luft merklich oxydiert, werden die mit der Luft in Berührung kommenden Molybdänteile des Gefäßes mit Vorteil, z. B. durch Vernickelung, Verchromung oder Versilberung, veredelt.

Schließlich sei noch bemerkt, daß vor allem bei für starke Ströme das Gefäß auch so¹ dimensioniert sein kann, daß seine kälteste Stelle in Leerlauf eine Temperatur von mindestens 150⁰ C erreicht, so daß es ohne Zusatzheizung zündfähig ist. Durch forcierte Kühlung ist dann dafür zu sorgen, daß die Anode bei Vollast keine höhere Temperatur als 260⁰ C erreicht, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, z. B. Luft oder eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt oberhalb von 260° C, in Abhängigkeit von der Anodentemperatur oder von dem entnommenen Gleichstrom gesteuert wird.

Die zur Evakuierung und Caesiumfüllung des Gefäßes dienenden Pumpstengel 5 werden mit Vorteil vertieft auf den Verbindungsring aus Glas angebracht, so daß sie gegen mechanische Beschädigung geschützt sind und außerdem keinen ausstehenden und damit der Abkühlung stärker ausgesetzten Teil des Gefäßes bilden.

Das Gefäß nach Fig. 3 ist im wesentlichen ähnlich aufgebaut wie dasjenige nach den Fig. 1 und 2.

Es bedeuten: 31 den Kathodenhohlkörper, 32 die aus Molybdänblech bestehende Anode, die zugleich einen großen Teil der Gefäßwandung bildet, 41 die mit der Kathode verbundene Molybdäneinschmelzkappe·, die einen weiteren größeren Teil der Gefäßwandung bildet. Die beiden Molybdänteile sind an den Stellen 33 mit einem Verbindungsring 34 aus Boros'ilicatglas verschmolzen. Die Kathode 31 ist auf dem Tragteller 39 eines Zuleitungsrohres 40 befestigt und enthält im Innern einen Sinterkorundformkörper 44, der die Heizwicklung 43 trägt. Über die Anode 32 und die Einschmelzkappe 41 sind Kupferkörper 36 und 37 mit Kühlflügeln gestülpt und vorzugsweise darauf festgelötet.

Nach diesem Ausführungsbeispiel liegen die Anodemheizungsmittel auf der oberen, Gefäßfläche auf. Sie 'bestehen aus einer Heizspirale 45, der ein thermoempfindlicher Schalter 46 in Reihe geschaltet ist. Die Heizspirale 45 ist bedeckt durch eine Wärmeisolierplatte 47, beispielsweise aus Astest, die ihrerseits durch eine Metallkappe 48 bedeckt ist. Die Hekzuleituragen 49 können der Kathodenheizung parallel geschaltet werden.

Durch gegenseitige Abstimmung der Benetzungsmittel und der Kühlmittel lassen sich bei einem erfindunigsgemäßen Entladungsgefäß gegenüber bekannten Ausführungsformen mancherlei Vorteile erzielen:

Die Kathodenergiebigkeit kann theoretisch vollständig, praktisch wegen Schwankungen des Sättigungsstromes während der Lebensdauer bis zu etwa 80% ausigenutzt werden.

Da die Konvektionskühlung vor allem bei verhältnismäßig niedriger Temperatur viel effektiver ist als die Strahlungskühlung, ermöglichen die Außenanoden eine Verkleinerung des Gefäßes um ein Vielfaches.

Die Zeit, die verläuft zwischen- der Einschaltung der Heizung und der Zündung des Bogens, kann durch- die Anodenheizung um eine Größenordnung verringert werden.

Die; Anodenverlustleistung muß nicht mehr kleiner sein als die Heizleistung, da die Gefäß- und die Anodentemperatur unabhängig von der Heizleistung auf dem optimalen Wert gehalten werden.

Der Betriebszustand der Röhre kann von der Belastung unabhängig sein.

Durch die Verwendung einer indirekt geheizten Kathode wird die Brennspafmung praktisch auf den Wert der Spannung am Niedervoltbogen, etwa 0,5 V, heruntergedrückt. Hiermit sinkt die Verlustleistung, das Gefäß kann nochmals verkleinert werden und der Wirkungsgrad steigt.

Wenn der Heizkörper sich nicht im Entladungsraum befindet, kann die Heizspannung hoch und damit der Heizstrom niedrig gewählt werden, ohne daß Q.uerbögen über dem Heizer zu> befürchten sind. Hierdurch werden Kontaktschwierigkeiten im Heizkreis vermieden.

Claims (35)

Patentansprüche:

1. Caesiumdampf gefülltes Entladungsgefäß mit einer Anode und einer caesiumbedeckten Glühkathode, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Teil der Gefäß wandung einerseits durch mit der Anode verbundene und anderseits durch mit der Kathode verbundene Metallteile gebildet ist, welche Metallteile durch einen ringförmigen Verbindungsring aus Borosilicatglas verbunden sind, wobei mindestens die mit Glas zu verschmelzenden Metallteile aus Molybdän bestehen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Gefäßes nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen aus Molybdän bestehenden Metallteile, welche nicht mit dem Glas verschmolzen werden, -vor der Verschmelzung mit einer Schutzschicht gegen Oxydation bedeckt werden.

3. Gefäß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Molybdän-Verschmelzungsstellen je mindestens 5 mm breit sind.

4. Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Anode verbundenen Metallteile der Gefäß wandung unabhängig von der Kathodenheizung von außen beheizbar sind.

5. 'Gefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode, die mit ihr verbundenen Teile der Gefäßwandung und deren Beheizmittel derart ausgebildet sind, daß keiner dieser Teile im Betriebe unter Vollast eine über 260⁰ C liegende Temperatur annimmt.

6. Gefäß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode mit Kühlflächen versehen ist.

7. Gefäß nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode, die mit ihr verbundenen Teile der Gefäßwandung und ihre Beheizungsmittel derart ausgebildet sind, daß im Zusammenwirken· mit der Kathodenbeheizung die Betriebstemperatur der kältesten Gef äßstelle auch bei unbelastetem Entladungsstromkreis auf einem oberhalb 150⁰ C liegenden Temperaturwert gehalten werden kann.

8. Gefäß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Beheizungsmitteln der Anode temperaturempfindliche Schaltmittel zugeordnet sind, durch welche bewirkt wird, daß die kälteste 'Gefäßstelle eine Betriebstemperatur von mindestens 150⁰ C und die heißeste Gefäßstelle eine Betriebstemperatur von höchstens . 260° C beibehält.

9. 'Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem indirekt beheizten Hohlkörper besteht.

10. Gefäß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im- Kathodenhohlkörper ein Isolierkörper zur Aufnahme der Heizwicklung angeordnet !St. 9Of

11. Gefäß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper aus einem Sinterkorundformkörper besteht.

12. 'Gefäß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kat'hodenheizwicklung aus mit einem Platinmantel versehenen Molybdändraht besteht.

13. Gefäß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenhohlkörper auf einem rohrförmigen; Zuleiter aufgebaut ist, der einen Tragteller aufweist, mit welchem ein anderends abgeschlossener Hohlzylinder vakuumdicht verbunden ist.

14. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des rohrförmigen Zuleiters, vakuumdicht mit demselben verbunden, eine aus Molybdän bestehende Einschmelzkappe angeordnet ist

15. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenzylinder und der Zuleiter aus Nickelblech bestehen.

16. Gefäß nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten des Kathodenhohlkörpers und des Zuleitungsrohres, die mit der freien Atmosphäre in Verbindung stehen, vergoldet sind.

17. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzylinder aus Wolfram besteht.

18. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzylinder aus Platin besteht.

19. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzylinder auf der dem Dampf raum zugewandten Seite platiniert ist. . ■

20. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzylinder auf der dem Dampfraum zugewandten Seite mit Wolfram bedeckt ist.

21. Gefäß nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kathodenzylinder Wolframlbleche aufgeschweißt sind.

22. Gefäß nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzylinder mit Wolf ramdraht umwickelt ist.

23. Gefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Kathodenzulekungsrohres und der Einschmelzkappe so gewählt sind, daß die Einschmelzkappe im Betrieb eine Temperatur annimmt, welche annähernd gleich der Anodenbetriebstemperatur bei Vollast ist.

24. 'Gefäß nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodeneinschmelzkappe mit Kühlflächen versehen ist.

25. Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Luft in Berührung kommenden Molybdänteile veredelt sind.

26. Gefäß nach Anspruch 1, deren Anode durch ein strömendes Kühlmittel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in Abhängigkeit von der Anodentemperatur regulierbar ist.

27. Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstengel derart seitlich am Verbindungsring angeordnet sind, daß sie nicht vorstehen, so daß sie weder mechanischer Beschädigung noch einer stärkeren Abkühlung ausgesetzt sind.

28. Gefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizungsmittel auf der oberen Gefäßdeckfläche aufliegen.

29. Gefäß nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspirale durch eine Wärmeisolierschicht und diese durch eine Metallkappe bedeckt ist.

30. Gefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Glas verschmolzenen Molybdänteile konisch angeschliffen sind.

31. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Verschmelzung der Molybdänteile mit Glas die Schutzschichten gegen Oxydation mindestens auf den mit dem Entladungsraum- in Kontakt stehenden Molybdämteilen wieder entfernt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verschmelzung die zu schützenden Molybdäntei-le verkupfert werden.

33. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schützenden Molybdänteile vor der Verschmelzung mit dem Glas mit einer Kohlenstoff in kolloidaler Lösung enthaltenden Flüssigkeit bedeckt werden.

34. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mit Glas zu verschmelzenden Teile vorerst je mit einem Glasring verschmolzen werden und daß· diese Glasringteile erst am Ende des Herstellungsverfahrens durch eine Rinignaht miteinander verbunden werden.

35. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Glasringteile an der Verschmelzungsstelle plan, geschliffen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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