DE905648C

DE905648C - Electric vapor or gas filled discharge vessel with glow cathode

Info

Publication number: DE905648C
Application number: DEA10982D
Authority: DE
Inventors: Laurence F Perrott
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1937-11-18
Filing date: 1938-06-18
Publication date: 1954-03-04
Also published as: BE431169A

Description

Elektrisches dampf- oder gasgefülltes Entladungsgefäß mit Glühkathode Die Erfindung betrifft ein elektrisches dampf-oder gasgefülltes Entladungsgefäß mit Glühkathode.Electric vapor or gas-filled discharge vessel with hot cathode The invention relates to an electrical vapor-filled or gas-filled discharge vessel with hot cathode.

Glühkathoden, die mit einem Erdalkalimetall als Emissionsstoff versehen sind, besitzen einen hohen Wirkungsgrad im Betrieb, wobei der Wirkungsgrad gemessen wird als Verhältnis des Emissionsstromes zum zugeführten Heizstrom. Durch die leichte Verdampfbarkeit der Erdalkalimetalle ist es Jedoch möglich, derartige Kathoden bei Temperaturen oberhalb von 95o° C zu betreiben. Andererseits ist bei dieser Temperatur der Emissionsstrom von der Einheit der Kathodenoberfläche so klein, daß eine ziemlich große Oberfläche der Kathode angewendet werden muß, um einen beträchtlichen Gesamtemissionsstrom zu erhalten. Der Betrieb derartiger Großflächenkathoden ist normalerweise nicht in einwandfreier Weise zu erzielen. Außerdem kommt noch der weitere Nachteil hinzu, daß die Anheizzeit beträchtlich vergrößert ist. Für viele Anwendungen, bei denen es auf eine sofortige Betriebsbereitschaft nach Einschalten der Röhre ankommt, macht sich dieser Nachteil störend bemerkbar.Hot cathodes that contain an alkaline earth metal as an emission substance are, have a high efficiency in operation, the efficiency being measured is the ratio of the emission current to the heating current supplied. Because of the light However, it is possible to use such cathodes at the volatility of the alkaline earth metals Operate at temperatures above 95o ° C. The other hand is at this temperature the emission current from the unit of the cathode surface is so small that a fairly large surface area of the cathode must be applied to a considerable total emission current to obtain. The operation of such large area cathodes is normally not to achieve in an impeccable manner. There is also the further disadvantage, that the heating-up time is considerably increased. For many applications where it depends on an immediate operational readiness after switching on the tube this disadvantage becomes noticeable.

Diese Nachteile werden bei dem elektrischen dampf- oder gasgefüllten Entladungsgefäß mit Glühkathode, die einen mit Erdalkalimetallen bedeckten großflächigen, mittels eines Heizkörpers indirekt beheizten Emissionskörper hat, nach der Erfindung vermieden. Erfindungsgemäß ist der Aufbau der Glühkathode derartig ausgeführt, daß der für die Entladung frei liegende Heizkörper während der Anheizperiode des indirekt beheizten Teiles den Vollaststrom der Röhre allein zu führen vermag. Die erfindungsgemäße Röhre weist im normalen Betrieb einen hohen Wirkungsgrad auf und hat trotzdem die besondere Eigenschaft, daß sie sofort nach Einschalten bzw. wenige Sekunden danach die volle Belastung übernehmen kann. Außerdem weist die Röhre gemäß der Erfindung eine lange Lebensdauer auf.These disadvantages become with the electric vapor or gas-filled Discharge vessel with hot cathode, which has a large area covered with alkaline earth metals, has emission body indirectly heated by means of a heater, according to the invention avoided. According to the invention, the structure of the hot cathode is designed such that the radiator exposed for discharge during the heating-up period of the indirectly heated part is able to carry the full-load current of the tube alone. The tube according to the invention has a high degree of efficiency in normal operation and still has the special property that it is activated immediately after switching on or off. can take over the full load a few seconds later. It also has the tube according to the invention a long life.

Die Erfindung sei näher an Hand der Figuren erläutert. Die Fig. i zeigt ein Entladungsgefäß gemäß der Erfindung. In den Fig. 2 und 3 ist die Kathode im einzelnen dargestellt, während die Fig. q. eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung enthält.The invention will be explained in more detail with reference to the figures. Fig. I shows a discharge vessel according to the invention. In Figs. 2 and 3, the cathode is shown in detail, while Fig. q. a graphic representation for explanation contains the mode of operation of the invention.

In der Fig. i bedeutet io die Wandung des Entladungsgefäßes, die z. B. aus Glas besteht. Das Entladungsgefäß ist mit einem ionisierbaren Medium gefüllt. Als Füllung können z. B. Quecksilber, Edelgase oder Mischungen von beiden in Frage kommen. Das Gefäß enthält ferner eine Anode i i, vorzugsweise aus Graphit, und eine zusammengesetzte Kathode, die aus einem Hohlkörper i2 und einem durch einen Bügel 2o gehaltenen Heizkörper 13 besteht. Die Zuführungen 15, 16 und 17 sind in bekannter Weise ausgebildet und führen zu den im Innern angebrachten Elektroden. Die Einzelheiten der Kathode sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt, in denen gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in der Fig. i bezeichnet sind.In Fig. I io means the wall of the discharge vessel, the z. B. consists of glass. The discharge vessel is filled with an ionizable medium. As a filling, for. B. mercury, noble gases or mixtures of both are possible come. The vessel also contains an anode i i, preferably made of graphite, and one composite cathode consisting of a hollow body i2 and a through a bracket 2o held radiator 13 is made. The feeds 15, 16 and 17 are known in FIG Way formed and lead to the electrodes attached inside. The details the cathode are shown in Figs. 2 and 3, in which like parts with the the same reference numerals as in Fig. i are designated.

Der Hohlkörper 12 der Kathode wird von einer Halterung 21 gehalten. Er hat eine große Oberfläche und ist entweder innen oder außen oder an beiden Seiten mit einem Erdalkalimetall bedeckt. Zur Vergrößerung der Oberfläche kann er z. B. gewellt, gefurcht, aufgerauht oder mit Vertiefungen versehen sein. Bei dem dargestellten Beispiel besteht die Kathode aus einem Hohlzylinder, dessen eine Stirnseite offen und der Anode zugekehrt ist. Als Werkstoff kommt z. B. Nickel in Frage. Zur Vergrößerung der mechanischen Festigkeit ist der Hohlzylinder 12 an jedem Ende mit einer am Umfang angebrachten Rille oder Furche i9 versehen. Falls es erforderlich sein sollte, kann man den Hohlzylinder noch mit Wärmeschirmen in Form von zu ihm koaxialen Zylindern versehen.The hollow body 12 of the cathode is held by a holder 21. It has a large surface area and is either inside or outside or on both sides covered with an alkaline earth metal. To increase the surface he can, for. B. wavy, grooved, roughened or indented. With the one shown For example, the cathode consists of a hollow cylinder, one end of which is open and facing the anode. As a material z. B. Nickel in question. To enlarge of mechanical strength is the hollow cylinder 12 at each end with one at the periphery provided groove or furrow i9. If necessary, can the hollow cylinder is still provided with heat shields in the form of cylinders coaxial with it Mistake.

Im normalen Betrieb wird der Zylinder 12 bis auf etwa 95o° C durch den Spannungsabfall in der Röhre und durch das Heizelement im Innern des Zylinders erwärmt, um eine gute Elektronenemission zu erzielen. Der Heizkörper ist in der Figur als ein wendelförmig aufgewickelter Draht 13 dargestellt, dessen Achse mit dem Zylinder 12 parallel verläuft. Man kann gegebenenfalls auch eine andere Ausbildung wählen. .So kann z. B. der Heizkörper selbst aus einem Widerstandselement bestehen, welches von einem eigentlichen Heizdraht indirekt aufgeheizt wird.In normal operation, the cylinder 12 is through to about 95o ° C the voltage drop in the tube and through the heating element inside the cylinder heated to achieve good electron emission. The radiator is in the Figure shown as a helically wound wire 13, the axis with the cylinder 12 runs parallel. You can also do other training if necessary Select. .So z. B. the radiator itself consist of a resistance element, which is heated indirectly by an actual heating wire.

Für die Zwecke der Erfindung ist es erforderlich, daß die zusammengesetzte Kathode geringe thermische Trägheit mit hoher Emissionsfähigkeit vereinigt. Die erstere Eigenschaft wird durch Verringerung der Masse und durch eine entspechende Formgebung des Heizdrahtes, wie z. B. in der Figur dargestellt ist, erzielt. Eine hohe Emissionsfähigkeit läßt sich am besten dadurch erhalten, daß der Heizkörper derart dimensioniert wird, daß er auf eine sehr hohe Temperatur gebracht werden kann und durch Einführung eines emissionsfähigen Materials in den Heizkörper, welches bei dieser Temperatur genügend Elektronen abgibt, aktiviert wird. Als Material hierfür eignet sich besonders gut Thoriumoxyd, welches im Gegensatz zu den Erdalkalimetallen nicht so stark verdampft. So hat z. B. ein mit Thoriümoxyd bedeckter Wolframdraht bei 2ooo° C eine um ein Vielfaches größere Elektronenemission als Wolfram allein. Der Heizkörper besteht vorzugsweise aus einem Wolframkern, der mit einer Wendel von dünnerem Wolframdraht versehen ist. Die Aktivierung erfolgt durch Aufbringen von Thoriumoxyd und Erhitzung im Vakuum oder in einem neutralen Gas auf etwa 28oo° C. In den Fig. 2 und 3 ist der Heizdraht 13 an dem Halteglied 2o befestigt, welches eine Verlängerung des Leiterstabes 2,1 bildet, der an dem Zylinder 12 befestigt ist.For the purposes of the invention it is necessary that the composite Cathode combines low thermal inertia with high emissivity. the the former property is achieved by reducing the mass and by a corresponding Shaping the heating wire, such as. B. shown in the figure is achieved. One high emissivity is best obtained by having the radiator is dimensioned such that it can be brought to a very high temperature can and by introducing an emissive material into the radiator, which gives off enough electrons at this temperature, is activated. As a material for this Thorium oxide is particularly suitable, which in contrast to the alkaline earth metals not evaporated as much. So has z. B. a tungsten wire covered with thorium oxide at 2ooo ° C electron emission is many times greater than that of tungsten alone. The heating element preferably consists of a tungsten core with a helix is provided with thinner tungsten wire. Activation takes place by applying of thorium oxide and heating in a vacuum or in a neutral gas to about 28oo ° C. In Figs. 2 and 3, the heating wire 13 is attached to the holding member 2o, which forms an extension of the conductor bar 2, 1 which is attached to the cylinder 12 is.

Wenn eine genügende Anodenspannung zwischen Anode i i und Kathode 12 gelegt wird und gleichzeitig der Heizstrom dem Heizkörper 13 zugeführt wird, so werden der Heizkörper und auch der Hohlzylinder der Kathode sehr rasch auf die zur Elektronenemission notwendige Temperatur kommen. Vermöge der geringen thermischen Trägheit des Heizkörpers kann seine Aufheizung auf z. B. 2ooo° C innerhalb von einer .Sekunde oder Bruchteilen einer Sekunde erreicht sein. Unter diesen Bedingungen kann das Entladungsgefäß sofort voll belastet werden, wobei ein derartiger Strom von der der Entladung ausgesetzten Oberfläche des Heizkörpers fließt, obwohl der Zylinder 12 noch zu kalt ist, um die Entladung zu übernehmen. Da jedoch der Zylinder allmählich durch Wärmeleitung vom Heizdraht und durch die Entladung selbst erwärmt wird, wird allmählich der Prozentsatz des Entladungsstromes, der über den Zylinder 12 geht, immer größer, bis schließlich der Zylinder 12 die ganze Entladung führt.If there is sufficient anode voltage between anode i i and cathode 12 is placed and at the same time the heating current is fed to the radiator 13, so the radiator and the hollow cylinder of the cathode are very quickly on the temperature necessary for electron emission come. Property of low thermal Inertia of the radiator can cause its heating to z. B. 2ooo ° C within one .Second or fractions of a second. Under these conditions the discharge vessel can be immediately fully loaded, with such a current flows from the surface of the radiator exposed to the discharge, although the Cylinder 12 is still too cold to take over the discharge. However, there the cylinder gradually heated by conduction from the heating wire and by the discharge itself gradually the percentage of the discharge current flowing through the cylinder 12 goes, getting bigger and bigger, until finally the cylinder 12 leads the whole discharge.

Diese Verhältnisse sind in der Fig. q. dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit in ,Sekunden, auf der Ordinate der Anodenstrom in Ampere dargestellt. Die Kurve A stellt den Entladungsstrom dar, der von dem Heizkörper 13 geführt wird, während die Kurve B den Teil wiedergibt, der vom Zylinder 12 geführt wird. Die Kurve A zeigt, daß der Heizkörperstrom sofort nach Einschalten .(etwa nach r/2 bis i Sekunde) auf einen Wert ansteigt, der dem vollen Belastungsstrom der Entladung entspricht. Nach kurzer Zeit fängt dieser Stromanteil an zu sinken, weil in zunehmendem Maße der Strom auf die ganze Oberfläche des Zylinders übergeht. Nach etwa 6o Sekunden wird etwa So %, des gesamten Stromes von dem Kathodenzylinder und etwa nur 201/o. von dem Heizkörper geführt: Die Tatsache, daß der Entladungsstrom allmählich auf den Kathodenzylinder übergeht und nicht auf dem Heizkörper bleibt, läßt sich durch den ziemlich hohen Spannungsabfall erklären, der an dem Heizdraht auftritt. Durch die geringe Gesamtfläche des Heizkörpers ist die Feldemission des Heizdrahtes geringer, als sie durch die Entladung benötigt wird. Dieses Nachlassen der Emission kann durch ein Anwachsen des Kathodenfalles ausgeglichen werden, wodurch der Gesamtspannungsabfall steigt. Dabei wird, sobald der Kathodenzylinder eine genügende Temperatur erreicht, der Entladungsstrom auf diesen übergehen, da er einen geringen Spannungsabfall aufweist.These relationships are shown in FIG. shown. The time in seconds is shown on the abscissa and the anode current in amperes is shown on the ordinate. The curve A represents the discharge current which is carried by the heating element 13 , while the curve B reproduces the part which is carried by the cylinder 12. Curve A shows that the radiator current rises immediately after switching on (approximately after r / 2 to 1 second) to a value which corresponds to the full load current of the discharge. After a short time, this proportion of the current begins to decrease because the current increasingly spreads over the entire surface of the cylinder. After about 60 seconds, about 50% of the total current from the cathode cylinder and about only 20%. led by the radiator: The fact that the discharge current gradually passes to the cathode cylinder and does not stay on the radiator can be explained by the rather high voltage drop that occurs on the heating wire. Due to the small total area of the heating element, the field emission of the heating wire is lower than that required by the discharge. This decrease in emission can be compensated for by increasing the cathode drop, which increases the overall voltage drop. As soon as the cathode cylinder has reached a sufficient temperature, the discharge current is transferred to it, since it has a low voltage drop.

Es ist wichtig, festzustellen, daß der Heizstrom, der dem Heizkörper 13 zugeführt werden muß, nicht so groß sein muß wie derjenige, der notwendig ist, um den Zylinder 12 auf der normalen Betriebstemperatur zu halten. Eine Zusatzaufheizung erfolgt nämlich durch die Entladung selbst. Aus diesem Grund reicht der zugeführte Heizstrom nicht aus, um den Heizkörper auf eine derartige Temperatur zu bringen, daß eine thermionische Emission allein den Elektronenstrom liefert. Der Ausfall kann wieder wettgemacht werden durch Feldemission infolge der zeitlichen Zunahme des Spannungsabfalles, wie weiter oben ausgeführt worden ist. Durch diese Wirkung wird die Kathode als Ganzes keine größere Heizleistung gebrauchen als eine Erdalkalikathode allein. Infolge der hohen Emissionsfähigkeit dieses Werkstoffes ist die Kathode ferner durch einen hohen Wirkungsgrad ausgezeichnet.It is important to note that the heating current which must be supplied to the heating element 13 need not be as great as that which is necessary to keep the cylinder 12 at the normal operating temperature. This is because additional heating takes place through the discharge itself. For this reason, the heating current supplied is not sufficient to bring the heating element to a temperature such that a thermionic emission alone supplies the electron current. The failure can be made up for by field emission as a result of the increase in the voltage drop over time, as has been explained above. As a result of this effect, the cathode as a whole does not need a greater heating power than an alkaline earth cathode alone. As a result of the high emissivity of this material, the cathode is also distinguished by its high efficiency.

Durch das Ionenbombardement, welches proportional dem hohen Spannungsabfall während der Heizperiode ist, kann leicht der Heizkörper zerstört werden, wenn diese Anheizperiode zu lange dauert. Da jedoch diese Dauer relativ kurz ist, sind die Zerstörungswirkungen zu vernachlässigen. Auf diese Weise ist auch eine genügende Lebensdauer der Kathode gewährleistet.By the ion bombardment, which is proportional to the high voltage drop During the heating season, the radiator can easily be destroyed if this The heating-up period is too long. However, since this duration is relatively short, the Neglect the destructive effects. This way is also a sufficient one Lifetime of the cathode guaranteed.

Der hohe Spannungsabfall bei Inbetriebnahme der Röhre bedingt den weiteren Vorteil, daß die entsprechend hohen Verluste durch die lange Anheizzeit der Kathode vermieden werden. Es ist klar, daß während der Anheizzeit der Zylinder 12 nicht nur Strahlungen vom Heizkörper erhält, sondern ebenso aus der Entladung selbst. Der letztere Anteil ist natürlich von der Höhe des Spannungsabfalles abhängig.The high voltage drop when the tube is started up causes the Another advantage is that the correspondingly high losses due to the long heating-up time the cathode can be avoided. It is clear that during the heating-up time of the cylinder 12 not only receives radiation from the radiator, but also from the discharge itself. The latter part is of course dependent on the level of the voltage drop.

Außer Thorium kommen auch andere Emissionsstoffe für den Heizkörper in Frage. Beispielsweise kann man dafür thoriertes Wolfram verwenden, wenn man einen genügend hohen Gasdruck im Entladungsgefäß vorsieht, um eine Zerstörung oder Entaktivierung des Heizdrahtes zu verhindern. Man kann ebenfalls Uraniumoxyd an Stelle von Thoriumoxyd verwenden. Die Erfindung ist ferner auch auf Entladungsgefäße mit mehreren Anoden anwendbar.In addition to thorium, there are also other emission substances for the radiator in question. For example, you can use thoriated tungsten for this if you have a Provides a sufficiently high gas pressure in the discharge vessel to prevent destruction or deactivation to prevent the heating wire. One can also use uranium oxide instead of thorium oxide use. The invention also applies to discharge vessels with a plurality of anodes applicable.

Claims

PATENT CLAIMS: e.g. Electric vapor or gas-filled discharge vessel with hot cathode, which covers a large area covered with alkaline earth metals, by means of of a radiator has indirectly heated emission bodies, characterized by a such a structure of the hot cathode that its radiator exposed for the discharge the full load current of the tube during the heating-up period of the indirectly heated part able to lead alone.

2. Discharge vessel according to claim r, characterized in that that the radiator consists of a helical tungsten wire with thorium oxide is provided.

3. Discharge vessel according to claim r, characterized in that the Radiator is a tungsten wire with uranium oxide. q .. discharge vessel according to claim z, characterized in that the heating element is a thoriated tungsten wire.