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Elektrisches Entladungsrohr mit kalter Kathode Elektrische Entladungsröhren
mit kalter Kathode sind z. B. als Glimmentladungsröhren für die verschiedensten
Zwecke in Gebrauch. Solche Röhren dienen, um nur zwei Beispiele zu nennen, als Spannungsindikatoren
oder als Relais, wobei ihre Wirkung darauf beruht, daß zwischen ihren leiden in
einem e ielgasgefüllten Entladüngsraum untergebrachten Hauptelektroden eine selbständige
Glimmentladung entsteht, wenn die Spannung zwischen den Hauptelektroden eine bestimmte
Größe erreicht. Mit der Ausbildung der sprunghaft einsetzenden Glimmentladung ist
ein Zusammenbruch der Röhrenspannung auf die Brennspannung der Glimmentladung und
ein Stromanstieg verbunden, der nicht nur anzeigt, daß die Elektrodenspannung die
Zündspannung der Glimmentladung erreicht hat, sondern der auch zur Auslösung irgendwelcher
Schaltvorgänge ausgenutzt werden kann.
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Die Erfindung ist nun aus dem Bestreben heraus entstanden, beim Erreichen
der Zündspannung nicht nur eine Glimmentladung mit der ihr entsprechenden Stromstärke
zu erhalten, sondern Verhältnisse zu schaffen, durch die ein äußerst rasches Umschlagen
der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung bewirkt wird. Dieser Umschlag soll
in kleinsten Bruchteilen von Sekunden, z. B. innerhalb von 10-s bis io-5 Sekunden
erfolgen, so daß also beim Erreichen der Zündspannung fast trägheitslos eine stromstarkeLichtbogenentladung
entsteht. Diese Aufgabe liegt insbesondere dann vor, wenn es sich darum handelt,
beim Erreichen einer bestimmten Spannung an den Elektroden einen kurzen, starken
Stromstoß zu erhalten,
durch den beispielsweise ein Kondensator
entladen wird, wie dies bei Kippschwingschaltungen der Fall ist. Erfindungsgemäß
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man die kalte Kathode der Entladungsröhre
aus einem gut strom- und wärmeleitenden :Metall herstellt, das mindestens im Bereich
der wirksamen Kathodenoberfläche mit gepulvertem oder körnigem Isolierstoff vermischt
ist. Das Metall bildet mit dem Isolierstoff vorzugsweise einen kompakten Körper,
der beispielsweise dadurch hergestellt wird, daß das Metall geschmolzen, der gepulverte
oder körnige Isolierstoff in das geschmolzene Metall eingebracht, z. B. eingerührt
wird, worauf man das Ganze zu einer kompakten Masse erstarren läßt. G°gebenenfalls
kann der Körper während des Erstarrens der Schmelze noch gepreßt werden, um eine
innigere Bindung zwischen Metall und Isolierstoff herbeizuführen. Als Kathodenmetalle
eignen sich Metalle der 3. bis 5. Reihe des Periodischen Systems der Elemente, deren
Schmelzpunkt nicht höher als r5oo° C liegt und deren Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise
größer als o,4. cal/cm - sec Grad beträgt, oder auch Legierungen solcher Metalle.
Besonders gut für die Zwecke der Erfindung ist Kupfer oder Aluminium geeignet, aber
auch Metalle der genannten Reihen des Periodischen Systems der Elemente, deren Wärmeleitfähigkeit
kleiner als o,q. cal/cm , sec Grad isst, z. B. Nickel, sind noch geeignet. @@l:s
Isolierstoffe, .die dem Metall der Kathode beigemengt sind, kommen hauptsächlich
Metallverbindungen, insbesondere Metalloxyde, in Frage. Es können Oxyde verschiedener
Metalle, z. B. Aluminiumoxyd, eventuell auch Oxyde anderer Leichtmetalle, wie Bariumoxyd,
verwendet werden, ebenso natürlich auch Oxydmischungen. Es kommt jedoch nicht auf
die Emissionseigenschaften, sondern offenbar nur auf die Isolatoreigenschaften der
dem Kathodenmetall beigefügtn Oxyde an. Es brauchen keineswegs solche Oxyde verwendet
zu werden, welsche die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzen.
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Es sind Kathoden für Glimmbogenröhren bekannt, welche aus hochschmelzenden
Stoffen mit Beimengungen von Stoffen bestehen, welche die Elektronenaustrittsarbeit
herabsetzen. Es handelt sich dabei um Kathoden, die sich im Betriebe durch die Entladung
selbst aufheizen und dadurch zu höherer Elektronenemission befähigt werden, so daß
an ihnen ein Glimmbogen ansetzen kann. Bei der Erfindung handelt es sich dagegen
um keine thermische Emission. Es hat sich vielmehr herausgestellt., daß sich bei
der beschriebenen Zusammensetzung der Kathode ohne wesentliche thermische Einwirkung,
d. h. ohne merkbare Erhitzung oder Funkelerscheinungen, an ,der Kathode ein Lichtbogen
in äußerst kurzer Zeit ausbildet. Dies hat vermutlich seinen Grund darin, daß die
angegebenen nied@rigerschmelzenden Metalle im Zusammenwirken mit dem ihnen beigemengten
Isoliermaterial imstande sind, einen Feldbogen zu bilden, der hohe Stromstärken
führt. Überraschenderweise vollzieht sich der Übergang der Entladung in den Lichtbogen
bei der Kathode nach der Erfindung, ohne daß sich eine Glimmentladung milt amomal!em
Kathodenfahl ausbildet, be'i der die Entladung über die ganze Kathodenfläche ausgebreitet
ist. Starke thermische Effekte sind dabei unerwünscht, weshalb oben vorgeschlagen
ist, ein Metall von guter Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Gegebenenfalls empfiehlt
es sich, zur Kühlung der Kathode, deren Temperatur verhältnismäßig niedrig gehalten
werden soll, besondere Maßnahmen zu treffen, die in der Anordnung von Kühlfahnen,
Erhöhung der Wärmeableitung durch den Kathodenträger oder Flüssigkeitskühlung der
Kathode bestehen.
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Bei praktisch ausgeführten Kathoden bestand der Kathodenkörper z.
B. aus Kupfer mit Aluminiumoxyd oder auch aus Aluminium mit Aluminiumoxyd. Der Volumanteil
des Kathodenkörpers an Isoliermaterial betrug z. B. zwischen 2o und 7o °/o-. Das
Isoliermaterial kann in dem Kathodenmetall mehr oder weniger fein verteilt sein.
Die Korngröße des Isolierstoffes liegt praktisch vorzugsweise nicht höher als in
der Größenordnung von z mm. Derartige Kathoden lieferten beispielsweise bei Zündspannungen
zwischen 7o und 300 Volt 'Ströme von 5o Ampere bis zu mehreren hundert Ampere.
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Zur =Herabsetzung der Zündspannung kann es sich empfehlen, die Kathode
an der Oberfläche mit Alkalimetall oder Erdalkalimetall zu beladen. Besonders gut
gelingt dies bei den aus den angegebenen niedrigschmelzenden Metallen, insbesondere
aus Kupfer oder Aluminium hergestellten Kathoden, welche Alkalimetall sehr gut aufnehmen.
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.Ein Ausführungsbeispiel für ein Entladungsgefäß nach der Erfindung
ist in der Figur schematisch dargestellt. Innerhalb des evakuierten Gefäßes r, das
ein Edelgas oder einen Metalldampf von geeignetem Druck, z. B. Argon von 1o bis
2o Torr, enthält, befindet sich die Anode z und die kalte Kathode 3, die erfindungsgemäß
aus einem Metallkörper 4. mit in diesem verteilten Isolierteilchen 5 besteht. Die
Elektroden liegen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an der Spannung eines
Kondensators 6, der seinerseits von einer Spannungsquelle 7 aufgeladen wird. Gegebenenfalls
werden in dem Entladungsrohr noch eine oder mehrere Zündelektroden angeordnet.
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Die Anwendung eines Entladungsrohres nach der Erfindung bei Kippschaltungen
hat den Vorteil, daß die Amplitude der Kippschwingung bei gleichzeitiger Erhöhung
der Stromstärke vergrößert wird. Auch für Überspannu@ngsahleiter läßt sich das Entladungsrohr
nach der Erfindung ebenso wie für Schaltzwecke verschiedener. Art mit Vorteil verwenden.