DE924281C

DE924281C - Elektrisches Dampfentladungsgefaess

Info

Publication number: DE924281C
Application number: DEW5066A
Authority: DE
Inventors: John L Boyer; August P Colaiaco
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1950-02-15
Filing date: 1951-01-31
Publication date: 1955-02-28
Also published as: US2663824A; ES196560A1; NL159006C

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Dampfentladungsgefäße oder -röhren und insbesondere Glühkathoden - Lichtbogen - Entladungsgefäße mit niedrigem Spannungsabfall im Lichtbogen, bei denen ein verdampfbares, die Entladung tragendes Metall aus der Gruppe verwendet wird, die aus Kalium, Rubidium und Caesium besteht. Diese drei Metalle bilden eine mehr oder weniger ausgesprochene Klasse für sich, die als Alkalimetalle mit vier, fünf und sechs Schalen am Atomaufbau oder als stabile Alkalimetalle mit mehr als drei Schalen bezeichnet werden können. Die ganze Gruppe der Alkalimetalle besteht aus sechs Elementen, von denen die beiden ersten und das letzte sich deutlich von den drei anderen unterscheiden, mit denen sich die Erfindung besonders befaßt.

Die beiden leichtesten Alkalimetalle, Lithium (Li) und Natrium (Na), werden in einigen periodischen Tabellen von den schwereren Leichtmetallen der Alkalimetall-Gruppe wegen ihrer besonderen Elektronenanordnung getrennt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser beiden leichtesten Alkalimetalle unterscheiden sich ebenfalls deutlich von denen der aus Kalium, Rubidium und Caesium gebildeten Gruppe. Natrium hat einen Mindestwert der Durchbruchsspannung, der zu einem für die vorliegende Erfindung zu niedrigen Werte des Produktes aus Druck und Abstand, p · d, führt, was später noch näher erklärt werden soll. Es ist außerdem chemisch zu aktiv. Lithium hat einen Dampfdruck, der für die vorliegenden Zwecke viel zu niedrig ist, da dieser niedrige Dampfdruck

eine viel zu hohe Temperatur erfordern würde, um auf einen praktisch verwertbaren Dampfdruck zu kommen, der hoch genug ist, um so hohe Stromdichten zu erreichen, wie sie für die vorliegenden Zwecke notwendig sind.

Das sechste und schwerste Alkalimetall, Nr. 87 im Periodischen System, wurde früher Virginium genannt, es hat sich jedoch neuerdings herausgestellt, daß es ein Francium genanntes Element (Fa) ist, ein unstabiles Spaltprodukt des Atombrenners, das hoch radioaktiv ist, mit äußerst kurzer Halbwertszeit von nur wenigen Minuten, so daß es für die vorliegenden Zwecke nicht in Frage kommt.

Ein Zweck der Erfindung ist, zum ersten Male einen praktisch verwertbaren Alkalimetall-Starkstrom-Gleichrichter zu schaffen, d. h. einen Gleichrichter für Stromstärken von 100 Ampere und mehr (wenn er auch für Röhren mit niedrigerer Stromstärke ebenfalls verwendet werden kann), der Strom dieser Stärke in Gleicfastromnetze mit Spannungen von 100 bis 1000 Volt und darüber abgibt. Eine der ersten Forderungen, die an einen praktisch verwertbaren Starkstromgleichrichter gestellt wird, ist eine genügend hohe Lebensdauer, Hierbei wären 2000 Stunden das absolute Minimum, das noch als für praktische Verwendung in Frage kommend angesehen werden könnte. Häufiger liegt die Mindestlebensdauer, die in der Praxis verlangt wird, zwischen 10 000 und 20000 Stunden, während eine Lebensdauer von mehr als 5 Jahren bei weitem vorzuziehen ist.

Bisher war das Bauelement, das in erster Linie die Lebensdauer begrenzte, die Einschmelzstelle für die Stromeinführung. Es waren keine praktisch verwendbaren Ausführungen solcher Einschmelzstellen bekannt, die in Kalium-, Rubidium- oder Caesiumdampf bei den an der Einschmelzstelle beim Betrieb herrschenden Temperaturen auch nur annähernd 2000 Stunden aushielten. Die Temperatur an der Einschmelzstelle muß notwendigerweise höher sein als die Verflüssigungstemperatur des dampfförmigen Metalls in der Röhre, um eine Kondensation des die Entladung tragenden Dampfes an der Einschmelzstelle zu verhindern, da hierdurch der Isolator der Einschmelzstelle kurzgeschlossen würde.

Eine zweite an einen praktisch verwendbaren

Alkalimetall-Starkstrom-Gleichrichter zu stellende Forderung ist die, daß er eine hohe Stromdichte je Volumeinheit des von der Kathode eingenommenen Raumes mit einer hohen Durchbruchsspannung oder der Fähigkeit, während der nichtleitenden Perioden des Gleichrichters eine ziemlich hohe Gegenspannung auszuhalten, verbinden muß.

So war z. B. schon lange bekannt, daß die Alkalimetalle außerordentlich niedrige Ionisationsspannungen, in der Größe von 4 oder 5 Volt, aufweisen, was bei einem Lichtbogenentladungsgerät zu einem wesentlich höheren Wirkungsgrad führen müßte, als ihn z. B. eine gewöhnliche Quecksilberdampfgleichrichterröhre, bei der die Ionisationsspannung bei 10,4 Volt liegt, aufweist.

Das allgemeine Prinzip eines Lichtbogenentladungsgefäßes mit Caesium oder einem anderen Alkalimetall, dessen Glühkathode aus einem Metall mit größerer Austrittsarbeit als der Ionisationsspannung des Alkalimetalldampfes besteht, ist schon lange bekannt und z. B. in dem Aufsatz von Irving Langmuir und K. H. Kingdon in den Proceedings of the Royal Society, Series A, Bd. 107, 1925, S.61 ff. und in einem Buch von L. R. Koller über die Physik der Elektronenröhren (Physics of Electron Tubes), 2. Auflage, 1937, S. 18 bis 21 und 53 bis 64, beschrieben.. Die Theorie ist die, daß, wenn die den Dampf bildenden Alkalimetallatome mit dem erhitzten Kathodenmetall mit großer Austrittsarbeit in Berührung kommen, dieses ' wegen der großen Austrittsarbeit des Kathodenmetalls dem Alkalimetallatom leichter ein Elektron entzieht. Bei diesem Vorgang bleibt wahrscheinlich eine einatomige Schicht von positiv geladenen Alkalimetallionen auf der Kathode zurück. Diese positiv geladene, einatomige Schicht liegt sehr fest an der Oberfläche des Kathodenmetalls, und ihr elektrostatisches Feld trägt wesentlich dazu bei, die thermisch erregten Elektronen aus dem erhitzten Kathodenmetall entweichen zu lassen, so daß hierdurch ein Körper mit hoher Emissionsfähigkeit für Elektronen und damit eine hoch wirk- same Kathode entsteht.

Die Ionisationsspannung eines einzelnen Gasatoms oder Gasmoleküls ist der Spannungsabfall, durch den ein Elektron frei beschleunigt werden muß, um genügend Energie aufzunehmen, die es instand setzt, beim Zusammenstoß mit einem Atom oder Molekül dieses durch Entziehen eines Elektrons zu ionisieren.

Unter der Austrittsarbeit eines Metalls versteht man diejenige Energie, die einem Elektron im Innern des Metalls mindestens zugeführt werden muß, damit das Elektron aus der Oberfläche des Metalls entweichen, d. h. von ihm emittiert werden kann.

Die USA.-Patentschrift 2 489 891 zeigt eine Lichtbogenentladungsdiode mit Nickelkathode, in 1Ό5 der Caesium- oder Rubidiumdampf als Träger des Lichtbogens dient, jedoch ohne die vielen Feinheiten der vorliegenden Erfindung, und bei der für die Einschmelzstelle des Stromleiters ein keramischer Stoff, vorzugsweise eine Tonerdeverbindung oder ein Magnesiumsilikat, als Isolator verwendet wird, der vorzugsweise mittels eines als neu angegebenen Bindemittels mit dem Metall verbunden wird. Von diesem Bindemittel wird nur als von einer Mangan-Molybdän-Methode gesprochen, die in einer unzugänglichen Patentschrift beschrieben sein soll. Die obengenannte Patentschrift verwirft früher bekannte Ausführungen von Einschmelzstellen als ungeeignet für Caesium-Lichtbogen-Gleichrichter mit folgenden Worten: »Bei früheren Geräten, die Caesium verwenden, konnte eine für praktische Anwendung ausreichende Lebensdauer infolge der sehr aktiven Natur von Caesium und der zersetzenden Wirkung auf Isolatoren, wie z. B. die bei der Röhrenherstellung gewöhnlich verwendeten Glassorten, nicht erreicht werden,«

Die USA.-Patentschrift ι 576 436 zeigt eine Einschmelzstelle für die Stromzuführung, bei welcher der Zuleitungsdraht mit einem dünnen Überzug von Chrom versehen ist, der vorzugsweise elektrolytisch niedergeschlagen wird, doch gibt die Patentschrift an, daß der Überzug auch auf andere Weise, z. B. durch Sherardisieren oder Kalorisieren, hergestellt werden kann. Die Patentschrift sagt aus, daß sich Chrom »leicht mit Glas benetzt«, doch enthält sie nichts über die Oxydation der Chromoberfläche, ehe sie an Glas gebunden wird, außer in einem Hinweis auf eine oxydierende Flamme zum Schmelzen des Glases. Die Patentschrift sagt auch nichts über eine Diffusion des Chroms in das Grundmetall des Drahtes oder eine andere Methode zur Erreichung eines sicheren Verbandes zwischen beiden Metallen, und sie sagt nichts über eine Verwendung bei einem Gefäß, das ein Alkalimetall enthält.

Die Verwendung eines der vorgeschlagenen Schutzmetalle für Einschmelzstellen, nämlich Zirkon, ist schon früher bekannt, und zwar bei verschiedenen anderen Ausführungen von Einschmelzstellen, die sich jedoch von den Ausführungen der vorliegenden Erfindung unterscheiden und bei denen kein Alkalimetalldampf vorhanden ist. So wird in der USA.-Patentschrift 1 615 023 eine Paste aus Zirkonoxyd als keramisches Material zum Überziehen der Verbindungsstelle eines Metalls und eines Porzellans angeführt, um beide aneinandsrzubinden, während in der britischen Patentschrift 498 102 ein dicker Überzug von Zirkon erwähnt ist, der nur um einen Teil des Zuführungsdrahtes in einem Quetschfuß aus Glas gelegt ist, wobei das Zirkon zur Wärmeisolierung dient und als unzuverlässig als Abschluß bezeichnet wird, so daß der kältere Teil des Drahtes, um einen guten Abschluß zu erzielen, ohne Überzug gelassen wird.

Die USA.-Patentschrift 1 368 584 zeigt eine Audionröhre mit herausnehmbarer Heizvorrichtung im Innern einer zylinderförmigen Kathode aus Nickel, deren Oberfläche oxydiert und mit Platin überzogen und die an einem Ende geschlossen, am anderen Ende gegen Luft offen ist, wobei kein Alkalimetalldampf verwendet wird.

Ein wesentlicher Zweck der Erfindung ist, eine Einschmelzung anzugeben, die in einem handelsüblichen Starkstromgleichrichter bei Verwendung von Kalium-, Rubidium- oder Caesiumdampf eine angemessene Lebensdauer hat. Vorzugsweise wird eine Einschmelzstelle für den Stromleiter verwendet, bei der das Metall entweder ein gediegenes, homogenes Metall ist oder mit einem gut haftenden Überzug aus einem Schutzmetall versehen wird.

Als Obernächenmetall, das außen leicht oxydiert wird, dient Beryllium, Zirkon, Titan und gegebenenfalls auch Chrom, dessen Schmelzpunkt hoch genug liegt, um die Herstellung des Abschlusses durch Einschmelzen zu ermöglichen. Die bei der Fertigung mit einer solchen Oxydationsschicht versehene Oberfläche soll eine genügend hohe negative freie Energie, verglichen mit der negativen freien Energie des Oxyds des verdampfbaren Alkaliummetalls, haben, um einer Reduktion, durch das dampfförmige Metall für die Dauer von beträchtlieh mehr als 2000 Betriebsstunden bei der an der Einschmelzstelle beim Betrieb herrschenden Temperatur zu entgehen. Vorzugsweise soll für die Einführung des Stromleiters eine Einschmelzung in gewöhnliches Glas verwendet werden, doch können die angeführten Maßnahmen auch dann Verwendung finden, wenn für die Einschmelzstelle ein keramischer Stoff verwendet wird. Einige der Ausführungen der Einschmelzstelle mit Schutzüberzug auf dem metallischen Leiter versprechen eine außergewöhnlich lange, ja praktisch, unbegrenzte Lebensdauer.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Verwendung eines die Emissionsfähigkeit steigernden Hilfsmittels, was sich schon bei einigen anderen mit Überzug versehenen heißen Körpern zur Emission von Elektronen als zweckmäßig erwiesen hat, namentlich die Verwendung einer adsorbierten Oberflächenschicht von Sauerstoff, die zwischen dem Grundmetall (in diesem Fall dem Metall der Oberfläche) der Kathode und der als einatomig angenommenen ionisierten Schicht des verwendeten Alkalimetalls gebildet wird. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Hilfsmittel die Elektronenemission ganz bedeutend steigert und dadurch bei gegebenem Spannungsabfall zu einer höheren Stromdichte oder bei einer bestimmten Stromdichte der Elektronenemission zu einer niedrigeren Lichtbogenspannung führt. Dieses Hilfsmittel sollte mindestens bei einigen und gegebenenfalls bei allen der vorgeschlagenen Kathodenmetalle mit hoher Austrittsarbeit verwendet werden, wie in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt ist.

Da die praktische Verwendung von Gleichrichtern für Starkstromnetze meistens irgendeine Art von Gittersteuerung notwendig macht, ist es ein wichtiger Zweck der Erfindung, ein gittergesteuertes Dampfentladungsgefäß mit Glühkathode zu schaffen, bei dem das die Entladung tragende Metall aus der von Kalium, Rubidium und Caesium gebildeten Gruppe genommen wird. Die Abstände zwischen den verschiedenen Elektroden sollen vorzugsweise klein sein, um den Wert des Spannungsabfalles im Lichtbogen so klein wie möglich und die Durchbruchsspannung' hochzuhalten. Das Gitter liegt deshalb dicht an der geheizten Kathode, die auf einer für Elektronenemission geeigneten Temperatur gehalten wird. Das Gitter wird durch das Spiel des Lichtbogens, der durch und um es geht, ebenfalls geheizt. Infolgedessen ist die Betriebstemperatur des Gitters ziemlich hoch, und damit entsteht das schwierige Problem, zu verhindern, daß das Gitter bei seiner Betriebstemperatur Elektronen in so großer Zahl emittiert, daß es selbst zu einer Kathode wird und dadurch ein Rückzünden oder ein Versagen der Röhre verursacht.

Es ist deshalb ein weiterer Zweck der Erfindung, verschiedene Gitterverbesserungsmittel anzugeben, die entweder einzeln oder alle zusammen verwendet werden können, um die Elektronenemissionsfähig-

keit des notwendigerweise heiß betriebenen Gitters zu vermindern. Zunächst muß zur Verminderung der Emissionsfähigkeit des Gitters genau entgegengesetzt vorgegangen werden wie bei der Wahl des Grundmetalls für die Kathode. Das Oberflächenmetall des Gitters muß ein Metall sein, dessen Austrittsarbeit kleiner ist als die Ionisationsspannung des verwendeten verdampfbaren, die Entladung tragenden Metalls. Durch entsprechende Wahl des ίο Metalls wird verhindert, daß das Gitter auf seine Oberfläche eine einatomige Haftschicht aus geladenen Partikelchen des verdampfbaren Metalls anzieht. Ein anderes Hilfsmittel ist die Herabsetzung der Betriebstemperatur des Gitters, wodurch seine Emissionsfähigkeit verringert wird. Die Betriebstemperatur des Gitters kann auf zweierlei Art beträchtlich verringert werden, nämlich durch Zwischenschaltung perforierter Wärmeschirme zwischen Glühkathode und Gitter und durch die Verwendung einer Spezialkonstruktion für das Gitter und, sofern verwendet, eines Wärmeschirmes mit einer Oberfläche von verhältnismäßig schlechtem Wärmeaufnahmevermögen auf der der Kathode zugewendeten Seite, die erwärmt wird, und einer Oberfläche mit verhältnismäßig hohem Wärmestrahlungsvermögen auf der der gekühlten Anode zugewendeten Seite.

Weitere Zwecke der Erfindung beziehen sich auf die Angabe verschiedener baulicher und funktioneller Details, die in Verbindung mit den angeführten charakteristischen Merkmalen der Erfindung verwendet werden können, mit dem Ziel, ein praktisch brauchbares elektrisches Dampfentladungsgefäß von wesentlich höherem Wirkungsgrad, geringerer Größe und niedrigerem Gewicht bei gegebener Leistung, mit einfacherer Kühlung und mit anderen Vorteilen, die nachfolgend aufgeführt werden sollen, zu schaffen oder zur Schaffung eines solchen beizutragen.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind beispielsweise in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. ι ist ein schematisierter Querschnitt durch eine Dreiphasenanordnung von elektrischen Dampfentladungsgef äßen gemäß der Erfindung;

Fig. 2 gibt einen Querschnitt durch ein Einphasen-Dampf entladungsgefäß gemäß der Erfindung und zeigt dieses als Triode oder gittergesteuerte Röhre;

Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung einer anderen Ausführung und zeigt ein vereinfachtes Entladungsgefäß in Form einer Diode;

Fig. 4 gibt einen Teilschnitt, aus dem eine verbesserte Ausführung der Einschmelzstelle zu ersehen ist, wieder; es sind

Fig. 5 und 6 Querschnitte und Fig. 7 eine Ansicht, bei denen Teile abgebrochen sind und die verschiedene Ausführungsformen einer Hochleistungskathode zeigen;

Fig. 8, 9 und 10 zeigen im Querschnitt verschiedene Konstruktionen, die den Zweck haben, das Eindringen von Luft in den Kathodenaufbau auf ein Minimum zu reduzieren.

In Fig. ι sind drei elektrische Dampfentladungsgefäße oder -röhren 11 an ein Gleichstromnetz oder einen Stromverbraucher 12 + und 12 — angeschlossen. Der Dreiphasenstrom 13 wird über einen Starkstromtransformator 14, dessen Primärwicklung 15, wie die Zeichnung zeigt, in Dreieck und dessen Sekundärwicklung 16 in Zickzack geschaltet ist, zugeführt. Der Nullpunkt der in Zickzack geschalteten Sekundärwicklung 16 bildet die negative Ausgangsklemme 12—, während die drei Phasen der Sekundärwicklung 16 an die entsprechenden Anodenklemmen 17 der drei Röhren 11 angeschlossen sind. Die Kathodenklemmen 17' der drei Röhren sind alle mit der positiven Ausgangsklemme 12 + verbunden. In Fig. 1 sind die Röhren schematisch als Dioden dargestellt, da die äußeren Gitterkreise in allgemein üblicher Weise ausgeführt sein können und keinen wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung in ihrem weitesten Sinne bilden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß bei den meisten praktischen Ausfuhrungsformen der Erfindung die Röhren 11 Entladungsgefäße mit einem oder mehreren Gittern sind oder Vorrichtungen zur Steuerung der Entladung, z. B. magnetische oder elektrostatische Regelorgane enthalten. In Fig. ι sind die drei Gleichrichterröhren 11 in einen wärmeisolierten Schrank 18 eingebaut, der mit einem Gebläse 19 zur Umführung eines Kühlmittels, vorzugsweise Luft, um die Außenwände und insbesondere die Anoden 20 der Röhren ausgerüstet ist.

Vor der Besprechung der verschiedenen Konstruktionsmaterialien und anderer spezieller Einzelheiten der Erfindung soll an Hand der Fig. 2 der Grundaufbau einer der üblichsten Ausführungsformen der Gleichrichterröhre 11 beschrieben werden. Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß der äußere Tank oder Behälter der Röhre in der Hauptsache aus der Anode 20 besteht. Diese Anode 20 ist als zylindrisches Anodenstück 21 ausgebildet, das am unteren Ende 22 geschlossen, am oberen Ende 23 offen ist. Die Gleichrichterröhre 11 ist mit einem zylinderförmigen Kathodenstück 24 mit kleinerem Durchmesser versehen, das am unteren Ende 25 geschlossen, am oberen Ende 26 offen ist. Der geschlossene Boden 25 der Kathode liegt etwas über dem geschlossenen Boden der Anode 22. Das zylindrische Kathodenstück 24 ist beträchtlich größer oder in Achsrichtung länger als das zylindrische Anodenstück 21, so daß ein Teil des zylindrischen Kathodenstückes 24 über das offene obere Ende des zylindrischen Anodenstückes 21 herausragt. ng

Bei der für die praktische Anwendung in Frage kommenden Größe eines Dampfentladungsgefäßes mit Glühkathode, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist es notwendig, irgendeine Rippenkonstruktion für die Kathode zu verwenden, damit die Kathode eine wesentlich größere Oberfläche zur Aussendung von Elektronen bekommt, als dies bei einem einfachen Zylinder oder einem einfachen flachen Metallstück möglich wäre. Diese Rippenkonstruktion ist notwendig, um zu erreichen, daß die Kathode eine genügende Menge von Elek-

tronen emittiert, die Träger eines praktisch verwertbaren Starkstromes von Hunderten von Ampere bilden, und der oft, aber nicht notwendig, mindestens ioo Ampere beträgt, in einem Raum, der klein genug ist, um zu einem praktisch verwertbaren Gefäß zu kommen. Man sieht deshalb am unteren Ende des zylindrischen Kathodenstückes 24, d. h. an der eigentlichen Kathode oder dem Teil, der innerhalb des zylindrischen Anoden-Stückes 21 liegt, Rippen 30 vor.

Vorzugsweise bestehen, wie aus Fig. 2 und noch deutlicher aus Fig. 5 zu ersehen ist, die Rippen 30 aus einer großen Zahl von in Abständen angebrachten Scheiben oder Ringen aus dünnem Metall, die auf das untere Ende des zylindrischen Kathodenstückes· 24 aufgepreßt oder in anderer geeigneter Weise mit ihm fest verbunden sind. Es hat sich gezeigt, daß Rippen 30, die das zylindrische Kathodenstück 24 kreisförmig umfassen, wesentlich sicherer an der Außenfläche dieses zylindrischen Kathodenstückes 24 befestigt werden können als z. B'. axiale Rippen, die leicht abfallen, besonders dann, wenn das Kathodenstück aus einem Metall hergestellt wird, mit dem eine feste Verbindung schwer herzustellen ist.

Ein wesentlicher Teil einer jeden von der Erfindung erfaß ten Röhrenkonstruktion ist einezweckmäßige Ausführung der Einschmelzstelle, die benötigt wird, um einen Verschluß zu bilden, der die oben offenen Enden des zylindrischen Anodenstückes 21 und des zylindrischen Kathodenstückes 24 verbindet. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der isolierende Teil der Einschmelzstelle ein Glasrohr 33, das den aufrecht stehenden Teil des zylindrischen Kathodenstückes 24 konzentrisch in einem gewissen Abstand umgibt. In allgemeinerer Fassung der Gesichtspunkte der Erfindung kann, wie betont werden soll, statt des Glasrohres 33 auch irgendein anderer Isolator, z. B. ein keramisches Rohr, zur Herstellung einer brauchbaren Einschmelzstelle Verwendung finden.

In das obere und das untere Ende des Glasrohres 33 sind dünne, den Verschluß bildende Metallrohre 34 bzw. 35 eingeschmolzen. Bei einer bekannten Ausführungsform einer solchen Einschmelzstelle wird z. B. das Glasrohr 33 aus Borosilikatglas, das obere und das untere, den Abschluß bildende Metallrohr aus einer Mischung oder Legierung hergestellt, die ziemlich genau den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Glas. Ein mit Vorteil verwendetes und allgemein bekanntes Metall dieser Art ist eine Legierung aus Nickel, Kobalt und Eisen.

Das untere Metallrohr 35 der Einschmelzstelle ist hermetisch mit dem oberen Ende des zylindrischen Anodenstückes 21 verbunden, z. B. mittels eines ringförmigen, metallenen Verbindungsstückes 36. Das obere Metallrohr 34 der Einschmelzstelle ist hermetisch mit dem unteren Ende eines zylindrischen Metallgehäuses 37 verbunden, z. B. mittels eines anderen metallenen Verbindungsstückes 38. Das obere Ende des Metallgehäuses 37 ist hermetisch mit der Außenfläche des senkrecht stehenden zylindrischen Kathodenstückes 24, etwas unter seinem oberen Ende, verbunden, z. B. durch ein weiteres metallenes Verbindungsstück 39.

Das zylindrische Metallgehäuse 37 dient ferner dazu, einen Raum zu schaffen, in dem ein oder mehrere Isolatoren zum Halten von Gittern und eine Stromzuführung für das Gitter 42 untergebracht werden können. Der Gitteranschluß 42 wird durch einen geeigneten Schmelzverschluß aus dem Entladungsgefäß herausgeführt. Nach der Figur besteht diese Durchführung aus einem kleinen Glasrohr 43 und je einem oberen und unteren, in das Glas eingeschmolzenen Metallrohr oder einer Kappe 44 und 45. Diese Durchführung für den Gitteranschluß wird vorzugsweise in ähnlicher Weise ausgeführt wie die größere Einschmelzstelle

33. 34, 35·

Der das Gitter haltende Isolator bzw. die Isolatoren 41 sind sämtlich von einem ringförmigen Metallband 46 umgeben, das einen Halter zur Aufnahme des oberen Endes eines zylindrischen, das Gitter tragenden Metallrohres 47 bildet, das nach unten zwischen den aufrecht stehenden zylindrischen Kathodenteil 24 und die Glasröhre 33 der Haupteinschmelzstelle hereinragt und von beiden einen gewissen Abstand hat. Das untere Ende des das Gitter haltenden Metallrohres 47 trägt einen ringförmigen Halter 48, von dessen Umfang ein gelochtes, zylindrisches Metallgitter 50 herunterhängt, das mit einem gelochten Bodenstück 51 aus dem gleichen Material wie das Gitter 50 versehen sein kann. Das Gitter 50 ist zwischen der Rippenkathode 24 bis 30 und der Anode 21 angeordnet.

Zwischen dem Außenkreis der Kathodenrippen 30 und dem zylindrischen Gitter 50 ist ein gelochter, metallischer Wärmeschirm 52 eingeschoiben, der, wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, am oberen Ende von einer Flanschscheibe 53 gehalten wird, die ihrerseits von dem zylindrischen Kathodenstück 24 getragen wird. Der Wärmeschirm 52 ist, wie dargestellt, ebenfalls mit einem gelochten Bodenstück 54 versehen, das zwischen der untersten Rippe oder Platte 55 der Kathodenkonstruktion und dem Bodenstück 51 des Gitters liegt. Es ist nur ein Wärmeschirm 52-54 dargestellt, doch können auch zwei oder mehr derartige Schirme verwendet werden, die in gewissem Abstand voneinander angeordnet werden. Es ist zu erkennen, daß die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeschirm und der Kafhodenkonstruktion verhältnismäßig schlecht ist, da der Schirm nur an einer Stelle an der Kathode mittels der Flanschscheibe 53 befestigt ist. Die durch Leitung übertragene Wärme geht von dem zylindrischen Kathodenrohr 24 über die Flanschscheibe 53 zum oberen Ende des zylindrischen Wärmeschirmes 52 und dann nach unten in den Wärmeschirm. Es ist also ein weiter Weg zurückzulegen, um die Wärme der Kathode auf den Schirm zu übertragen.

Manchmal wird noch ein weiterer Wärmeschirm für die Haupteinschmelzstelle 33-35 vorgesehen. In Fig. 2 ist ein derartiger Wärmeschirm in Form

eines ungelochten Metallrohres 56 dargestellt, das nach oben bis in die Höhe des Glasrohres 33 geht und nach der Zeichnung zwischen dem Kathodenrohr 24 und dem Gitter tr agr ohr 47 in entsprechendem Abstand von beiden angeordnet ist. Das untere Ende dieses ungelochten, röhrenförmigen Schirmes 56 stützt sich auf einen Flansch 57, der mit dem oberen Ende des zylindrischen gelochten Wärmeschirmes 52 zwischen Kathode und Gitter in Berührung steht. Die Wärmeübertragung zwischen diesem Schirm 56 und dem Kathodenrohr 24 ist deshalb verhältnismäßig schlecht.

Es ist zu erkennen, das die komplette Hülle für das Entladungsgefäß aus dem unten geschlossenen, röhrenförmigen Kathodenstück 24, dem Verbindungsstück 39, dem zylindrischen Metallgehäuse 37, dem Verbindungsstück 38, der Haupteinschmelzstelle 34-33-35, dem Verbindungsstück 36 und dem unten geschlossenen, zylindrischen Anodenstück 20 besteht. Das unten geschlossene zylindrische Kathodenstück 24 bildet also einen Teil·, der in dem geschlossenen Raum des Entladungsgefäßes steckt, so daß die äußere Mantelfläche dieses zylindrischen Kathodenstückes 24 im Innern der Röhre liegt, während sich die innere Fläche oder Bohrung dieses zylindrischen Kathodens tückes 24 außerhalb der Röhre befindet, da sie an ihrem offenen oberen Ende gegen die umgebende Luft offen ist.

Der geschlossene Innenraum der Gleichrichterröhre kann auf geeignete Weise luftleer gemacht werden. Wie Fig. 2 zeigt, ist das obere Verbindungsstück 39, welches das zylindrische Metallgehäuse 37 mit der Außenwand des zylindrischen Kathodenstückes 24 verbindet, mit einem Pumpenanschluß 58 versehen, in den ein Rohrstück 59 gesteckt ist, durch das der Innenraum der Gleichrichterröhre leergepumpt werden kann, worauf dann das Rohr 59, wie bei 60 dargestellt, verschlossen werden kann. Ehe die evakuierte Gleichrichterröhre endgültig 'bei 60 verschlossen wird, wird eine geringe Menge eines der in Vorschlag gebrachten Alkalimetalle unter Beachtung der für die Behandlung von Alkalimetallen notwendigen Vorsichtsmaßregeln in das Rohr eingebracht. Wie oben bereits erwähnt, wird das betreffende Alkalimetall der von Kalium, Rubidium und Caesium gebildeten Gruppe entnommen. Beim Betrieb der Röhre befindet sich dieses Metall zum Teil im dampf- oder gasförmigen und zum Teil im flüssigen Zustand, so daß der Dampfdruck des Metalls durch die Temperatur des flüssigen Teiles des Metalls bestimmt wird. Der verdampfte Teil des Metalls übt eine doppelte Funktion aus, einmal dient er als Träger der Lichtbogenentladung in der Röhre, zum anderen liefert er einen adsorbierten, ionisierten Überzug oder eine Schicht auf der Kathode, wodurch die Elektronenemissionsfähigkeit oder Strombelastungsfähigkeit der Kathode, wie später noch dargelegt werden soll, stark erhöht wird. Dieses verdampfbare, die Entladung tragende Alkalimetall kann sich, wenn es in flüssigen Zustand kondensiert ist, in Form kleiner Kügelchen an jedem Teil der Innenfläche des Anodenstückes 20 festsetzen, ohne einen bestimmten Platz zur Ablagerung zu verlangen. Manchmal wird jedoch die Anodenkonstruktion 20 mit einem gelochten Fehlboden 61 ausgeführt, um darunter einen Raum 62 zu schaffen, in dem sich ein oder mehr Kügelchen des Alkalimetalls sammeln können, wie dies bei 63 angedeutet ist.

Um das Kathodenrohr 24 und insbesondere sein unteres, mit den Rippen 30 versehenes Ende, das den wirksamen oder aktiven Teil der Kathode bildet, auf eine vorherbestimmte Temperatur zu bringen, ist eine Heizung vorgesehen. Zu diesem Zweck wird in das oben offene Ende des röhrenförmigen Kathodenstückes 24 eine Widerstandskathodenheizvorrichtung 65 eingesetzt, ,die zweckmäßig von einem oberen Flansch 66 getragen wird, der abnehmbar mit dem offenen oberen Ende des röhrenförmigen Kathodenstückes 24 mittels eines an diesem oberen Ende befestigten Ringes oder Flansches verbunden ist. Der obere Flansch 66 der Kathodenheizvorrichtung 65 bildet demnach einen Endverschluß für das offene Ende des zylindrischen Kathodenstückes 24.

In manchen Fällen, z. B. dann, wenn das zylindrische Kathodenstück 24 aus dünnem Nickelrohr hergestellt ist, kann es vorkommen, daß dieses zylindrische Kathodenstück 24 nicht absolut gasdicht ist, sondern, vielleicht im Verlaufe von Monaten oder Jahren, eine geringe Menge Sauerstoff und Wasserstoff aus der Luft langsam durch die Wandungen des Kathadenrohres in das Innere des Entladungsgefäßes oder der Röhre eindringt. Dieses Durchsickern ist offensichtlich keine wirkliche physikalische Diffusion, sondern mehr eine chemische Diffusion oder eine Art von Osmose. Aller Sauerstoff oder Wasserstoff, der auf diese Weise durch die Wandungen des zylindrischen Kalihodenstückes 24 in die Entladungsröhre eindringt, wird sofort durch das in der Röhre befindliche Alkalimetall absorbiert und bildet mit ihm eine chemische Verbindung. Dieses chemisch gebundene Alkalimetall kann nun nicht mehr in der Röhre als verdampfibares, die Entladung tragendes Metall wirken, und es ist deshalb wünschenswert, die Sauerstoff- und Wasserstoffmenge, die auf diese Weise durch die Wandungen des zylindrischen Kathodenstückes 24 in das Entladungsgefäß oder die Röhre eindringt, zu begrenzen.

In solchen Fällen, wie die oben erwähnten, ist es zweckmäßig, Vorkehrungen zu treffen, um das Einrsickern von Sauerstoff oder anderen atmosphärischen Bestandteilen in den geschlossenen oder evakuierten Raum im Innern der Röhre zu verhindern oder zu begrenzen. Dies geschieht in der einfachsten Form, wie in Fig. 2 dargestellt ist, dadurch, daß der abnehmbare Endverschluß 66 am oberen Ende des zylindrischen Kathodenstückes 24 annähernd gasdicht gemacht wird, z. B. mittels Dichtungen 68, die zwischen die beiden Flansche 66 und 6j gelegt sind und durch passende Bolzen 69 nach unten festgezogen werden können. Bei einer solchen Konstruktion vermindert beispielsweise aller Sauerstoff, der durch die Wandungen des zylindrischen

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Kathodenstückes 24 in den geschlossenen Raum der Röhre durchsickert, einfach den Sauerstoffgehalt des eingeschlossenen Heizraumes im Innern des zylindrischen Kathodenstückes 24, indem der hier befindliche Sauerstoff aufgebraucht wird. Wegen der annähernd gasdichten Dichtungen 68 wird er nicht oder nur in kaum beachtlichem Maße ersetzt, so daß die langsame Durchsickerung von Sauerstoff in den evakuierten Raum im Innern der Entladungsröhre auf die geringe Sauerstoffmenge beschränkt ist, die ursprünglich im Hohlzylinder des Kathodenstückes 24 vorhanden war. Es läßt sich nun feststellen, daß diese geringe Sauer stoff menge gewöhnlich von dem Entladungsgefäß ohne weiteres vertragen werden kann.

Die Kafhodenheizvorrichtung 65 wird zweckmäßig am unteren Ende eines nach unten gehenden, zylindrischen Isolierkörpers 71 befestigt, der von einem langen, vom oberen Flansch oder Verschlußstück 66 herabhängenden Bolzen oder Stab 72 gehalten wird. Es ist ferner zweckmäßig, noch einen zweiten Heizwiderstand 73 auf dem gleichen zylindrischen Isolierkörper 71 anzubringen, der oberhalb der Kathoden'heizvorrichtung angeordnet ist, und zwar in einer für die Heizung der Haupteinschimelzstelle 34-33-35 und aller oberen Teile der evakuierten Röhre, einschließlich der Tragisolatoren für die Gitter 41 und des Isolators für die Stromzuführung zum Gitter 43, geeigneten Höhe, damit Kondensation von Alkalimetall an ihnen während des Betriebes des Gerätes verhindert wird. Eine solche Kondensation wird dadurch vefhindert, daß die Oberflächen'der Isolatoren auf einer Temperatur gehalten werden, die über der Temperatur des flüssigen Teiles des Alkalimetalls liegt. Sie muß vermieden werden, um Kurzschluß der Isolatoren durch Ablagerung einer Haut von kondensiertem Metall zu verhindern.

Die KathodenheizvorrichtUng 65 und die Abschlußheiz vorrichtung 73 werden zweckmäßig voneinander getrennt und jede für sich geregelt, z. B. in der Weise, daß getrennte Stromzuführungen 76 und Tj angeordnet werden, die durch im oberen Abschlußdeckel 66 angelbrachte, geeignete Durchführungen oder Isolatoren 78 herausgeführt werden. Für diese Isolatoren 78 kann die allgemein übliche Ausführung verwendet werden, da sie keinem Alkalimetalldampf ausgesetzt sind.

In der vorhergehenden Beschreibung der Konstruktion, welche der Fig. 2 zugrunde liegt, wurde nur eine Übersicht über die prinzipielle Gestaltung der Konstruktion gegeben, ohne auf die notwendigen Feinheiten derselben näher einzugehen. Einige oder alle dieser Feinheiten der Konstruktion sind aber zur Herstellung eines wirklich brauchbaren Alkalimetallgleichrichters notwendig. Es soll jetzt begonnen werden, die Erfindung in Hinsicht auf diejenigen Faktoren· zu beschreiben, die beachtet werden müssen, um wirklichen Erfolg zu haben.

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der drei in Frage kommenden verdampfibaren, die Entladung tragenden Alkalimetalle sind in nachfolgender Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1 Daten der die Entladung tragenden Metalle

Metall	K Rb Cs	Ord nungs- zahl	Schmelz punkt ⁰C	Siede punkt ⁰C	Ionisations spannung Volt	Austrittsarbeit Φ Elektronenvolt
Kalium Rubidium Caesium	19 37 55	62,3 38,5 26,0	000 VO O tv tv tv VO	4,32 4,16 3,88	1,76 bis 2,25 1,80 bis 2,19 1,80 bis 1,96

Es ist wichtig, die Wahl der emittierenden Oberflächenmetalle des zylindrischen Kathodenrohres 24 und insbesondere der Kalihodenrippen 30 und 55 auf Grund genauer Kenntnis und mit der nötigen Sorgfalt zu treffen. Vielleicht nicht ganz so lebenswichtig, aber sehr oft trotzdem notwendig ist die genaue Kenntnis und die nötige Sorgfalt bei der Wahl des Oberflächenmetalls für das gelochte zylindrische Gitter 50 und sein gelochtes Bodenstück 51, sofern sie in Verwendung kommen, da diese Gitter teile 50 und 51 die heißesten, zur Elektronenemission geneigten Teile des Gitteraufbaues sind.

Was das Elektronen abgebende Oberflächenmetall der Kathode anbelangt, so ist es notwendig, daß dieses Metall die Fähigkeit hat, Atome des verdampften Alkalimetalls, die mit ihm in Berührung kommen, zu ionisieren, so daß positive Ionen, durch, intermolekulare elektrostatische Anziehung an der aktiven Oberfläche der Kathode haften. Man nimmt, wie .bereits erwähnt wurde, an, daß diese Forderung die Auswahl eines Kathodenoberflächenmetalls bedingt, dessen Austrittsarbeit größer ist als die Ionisationsspannung des verwendeten Alkalimetalls. Eine derartig adsorbierte Oberflächenschicht aus positiven Alkalimatalliomen erhöht die Elektronenemissionsfähigkeit der Kathode ganz bedeutend und vermindert stark die Energie und damit die Temperatur, die notwendig ist, um die vom Kathodenmetall oder von der adsorbierten, ionisierten, einatomigen Schicht des Alkalimetalls abgegebenen Elektronen frei zu machen.

Es ist nicht sicher, ob oder in welchem Maße die Elektronenemission von der Größe des Unterschiedes zwischen der Austritts arbeit des Katlhodenmetalls und der Austrittsarbeit oder der Ionisationsspannung des die Entladung tragenden Metall-

dampfes oder Alkalimetalls abhängt. Es gibt zwar eine Theorie, für die vieles spricht, nach der ein Maximalwert oder ein ziemlich hoher Wert der Differenz zwischen der Austrittsarfoeit des Kathodenmetalls und der Ionisationsspannung des die Entladung tragenden Metalldampfes erwünscht ist, jedoch spricht manches auch für die Ansicht, daß ein niedrigerer Wert der Austrittsarbeit des Kathodenmetalls wünschenswert ist, aus dem sich dann eine geringere Differenz zwischen der Austrittsarbeit des Kathodenmetalls und der Ionisationsspannung des die Entladung tragenden Metalldampfes ergibt. Es besteht ein gewisser Grund zu der Annahme, daß die Wirksamkeit der Elektronenemission dadurch verbessert werden kann, daß man den Unterschied zwischen den ■ Werten der Austrittsarbeit des Kathodenmetalls und der Ionisationsspannung des Alkalimetalldampfes so klein wie möglich macht, was nichts anderes besagt, als daß man ein sonst geeignetes oder einfach zu bearbeitendes Kathodenmetall mit möglichst niedriger Austrittsarbeit wählt, die jedoch- höher Hegt als dia Ionisationsspannunig des verwendeten, Alkalimetalldampfes. Ganz abgesehen von der Frage, ob dieser Unterschied zwischen den Austrittsarbeiten bedeutsam ist oder nicht, wird angenommen, daß es auf jeden Fall erwünscht ist, ein in anderer Hinsicht geeignetes Kathodenmetall zu wählen, dessen Austrittsarbeit möglichst klein, aber doch noch größer als die Ionisationsspannung des Alkalimetalle ist, da die Spannungsdifferenz, die notwendig ist, um Elektronen von einem emittierenden Metall wegzuführen, von dessen Austrittsarbeit abhängt.

Mit Rücksicht auf die sehr geringen Bruchunterschiede der Spannungswerte für die angenommene Austrittsarbeit des Kathodenmetalls und die Ionisationsspannung des gewählten Alkalimetalls sollte man es vermeiden, sich auf einen äußerst kleinen Bruchunterschied dieser beiden Größen zu verlassen. In erster Linie sind die Werte der Austrittsarbeit von Metallen nicht mit allzu großer Genauigkeit festgestellt. In etwas geringerem Maße gilt dies auch für die Ionisationsspannung von Gasen. Die Elektronenemission eines strahlenden Körpers wird offenbar durch die vorhergehende Behandlung desselben und durch manchmal'äußerst geringe Spuren anderer Stoffe beeinflußt, so daß es sehr schwierig ist, absolut genaue Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen bei der Bestimmung des Wertes der Austrittsarbeit zu. erreichen. Es ist auch nicht sicher, ob sich der festgestellte Wert der Austrittsarbeit des Kathodenmetalls nicht mit der Zeit ändert. Unter Beachtung dieser Vorsicht in bezug auf die Unizuverlässigkeit allzu kleiner Bruchunterschiede der Spannungswerte für die Austrittsarbeit des Kathodenmetalls und die Ionisationsspannung des gewählten Alkalimetalls kommt man zu der Annahme, daß es vorteilhaft ist, wenn unter den zur Verfugung stehenden und in anderer Hinsicht für eine Kathode geeigneten Metallen ein passendes Metall für die Elektronen emittierende Kathodenoberfläche gefunden werden kann oder gewählt wird, das eine Austrittsarbeit hat, die bis zu 0,6 Elektronenvolt höher liegt als die Ionisations-Spannung des gewählten Alkalimetalls, wobei bei den Werten für die Austrittsarbeit und die Ionisationsspannung nur die erste Dezimale eines Ekktronenvolts berücksichtigt werden darf.

D ie Emissionsfähigkeit der Kathode hängt weiterhin von der thermischen Emissionskonstante A des Kathodenmetalls ab. Bei den meisten reinen Metallen, für die diese Konstante bestimmt wurde, scheint sich für diese Konstante ein Wert zu ergeben, der um 60 liegt, doch gibt es einige wenige Emissionsmetalle, die nach mit ihnen gemachten Versuchen eine starke Abweichung der thermischen Emissionskonstante von dem Werte 60 zeigen. In fast allen diesen· Fällen ergaben andere Versuche Werte, die mit diesen abweichenden Werten der thermischen Emissionskonstante nicht im Einklang standen, so daß der Verdacht begründet ist, daß in vielen Fällen entweder die untersuchten Metalle nicht rein waren oder es an der peinlichen Überwachung der Versüchsbedingungen gefehlt hat. Die thermische Emissionskonstante A erscheint in der Formel für die Stromdichte / der Thermoemission in Ampere pro: Quadratzentimeter, die lautet

für die gewöhnlich der Näherungswert verwendet wird

= AT²a~^eTr

11,608 Φ

= AT²S τ .

(2)

Hierin ist

T = absolute Temperatur in Grad Kelvin e = Ladung des Elektrons in Coulomb

= 1,602 · 10—¹⁹

Φ = Austrittsairbeit in. Elektronenvolt k = Boltzmannsche Konstante in Joule je Grad Kelvin= 1,380 · 10—²³

Insoweit die Werte der thermischen Emissionskonstante A bestimmbar sind, kann diese Konstante bei der Wahl eines Kathodenmaterials, das gute Elektronenemission ergeben soll, von Nutzen sein. Jedoch sei darauf aufmerksam gemacht, daß derartige Werte der thermischen Emissionskonstante A mit Vorsicht zu benutzen sind und keineswegs ein notwendiges und untrügliches Kennzeichen dafür abgeben, daß irgendein bestimmtes Kathodenmetall, für das in reinem Zustande eine hohe Konstante A festgestellt wird, besser sein würde als ein anderes Metall, für das ein niedrigerer Wert dieser Konstante festgestellt wird.

Die Gleichung (2) weist auch auf den Vorteil eines Metalls mit niedriger Austrittsarbeit Φ bei der Auswahl des Metalls für die Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode hin, da der Wert

11,608 φ

des Koeffizienten ε τ bei gegebener absoluter Temperatur T um so größer wird, je kleiner der Wert der Austrittsatfbeit Φ ist.

Es wurde ferner festgestellt, daß eine wesentlich stärkere Elektronenemission und außerdem ein Höher treiben sowohl des Dampfdruckes wie der Kathodentemperatur, bei der die Elektronenemission einen Höchstwert erreicht, erzielt wurde, wenn man eine Kathode mit einer adsorbierten, mutmaßlich einatomigen Oberflächenschicht von Sauerstoff verwendet, die sich wahrscheinlich zwischen das Kathodenmetall und die Schicht von Alkalimetallionen

ίο einschiebt. Die Sauerstoffatome brauchen dabei unbedingt eine chemische Verbindung mit entweder dem Kathodenmetall oder dem Metall der ionisierten Schicht zu bilden, obgleich darüber keine Gewißheit besteht. Es ist auch nicht sicher, ob der Sauerstoff in chemischer Verbindung mit entweder dem Grundmetall oder der darüberliegenden Schicht oder auch in gewissem Umfange mit beiden Metallen steht, oder ob es etwas ausmacht, welches Metall, wenn überhaupt eines, in chemischer Verbindung¹ mit dem an die Kathodenoberfläche adsorbierten Sauerstoff steht.

Es wurde festgestellt, daß mindestens in einigen Fällen das Vorhandensein derartigen Sauerstoffes äußerst erwünscht ist und daß diese Wirkung dadurch erreicht werden kann, daß man entweder die Kathode so vorbehandelt, daß ihre Oberfläche leicht oxydiert wird, oder daß man eine ganz geringe Menge freien Sauerstoffes in die Röhre einführt, der seinen Weg zu der Grenzschicht zwisehen dem Kathodenmetall und der adsorbierten Alkalimetallschicht zu finden scheint.

Eine gewisse Sauerstoffmenge ist in Alkalidampfröhren jedoch immer vorhanden, da die Oberflächen der Isolatoren entweder Oxyde oder SiIikate oder beides enthalten und dieser verfügbare Sauerstoff im Laufe eines langen Zeitraumes langsam von dem sauerstoffhungrigen Alkalimetall adsorbiert wird. Das auf diese Weise gebildete Oxyd des Alkalimetalls oder ein Teil von ihm scheint mit der Zeit seinen· Weg zu der adsorbierten Oberflächenschicht auf der Kathode zu finden, so daß, auch wenn die Sauerstoff schicht ursprünglich nicht auf der Kathodenoberfläche vorhanden war, anzunehmen ist, daß sich eine solche Schicht mit der Zeit bildet, vorausgesetzt natürlich, daß die Lebensdauer der Röhre groß genug ist, um das abzuwarten. Vorzuziehen ist, die Bildung dieser Oxydschicht von vornherein sicherzustellen, um hierdurch eine spätere Änderung der Röhrenkenndaten durch nachherige Bildung einer solchen Sauerstoffschicht zu vermeiden.

Neben all diesen festgestellten und mutmaßlichen Eigenschaften, welche die Emissionsfähigkeit des Kathodenmetalls beeinflussen, muß das Metall offenbar auch einen genügend hohen Schmelzpunkt haben, um ohne allzu große mechanische Schwächung die Betriebstemperatur der Kathode sicher auszuhalten. Das Kathodenmetall muß ferner bei der Betriebstemperatur der Kathode einen genügend niedrigen Dampfdruck haben. Wenn der Dampfdruck des Kathodenmetalls bei der Betriebstemperatur zu hoch ist, dringt eine unzulässig große Menge von Dampf des Kathodenmetalls in den ganzen Innenraum der Röhre und kondensiert mehr oder weniger an allen Innenflächen der Röhre, was nach und nach zur Bildung eines stromleitenden Films führt, der den oder die notwendigen Isolatoren, welche einen Teil der einschließenden Wandungen der Röhre bilden, kurzschließt und außerdem zu Ablagerungen von Kathodenmetall auf der Anode, dem Gitter und dem Wärmeschirm Anlaß geben kann.

Wenn auf eine lange Lebensdauer der Röhre mit gutem Sicherheitsfaktor Wert gelegt wird, sollte, wie angenommen wird, das Kathodenmetall bei der Betriebstemperatur der Kathode keinen höheren Dampfdruck als 10—³ μ Quecksilbersäule haben. Etwas anders ausgedrückt wird angenommen, daß der Dampfdruck des Kathodenmetalls bei einer Temperatur von 1000⁰ C unter io~² μ Quecksilbersäule liegen soll. Die beiden Angaben vertragen sich nicht völlig miteinander, und es ist vielleicht vom Standpunkt einer besonders sicheren Konstruktion her klug, sich von beiden Grenzwerten für den Dampfdruck genügend fernzuhalten, gleichgültig, wie diese Grenzwerte ausgedrückt sind.

Wenn wir nun zur Wahl des Gittermetalls oder des Metalls, das die Oberfläche des Gitters bildet, kommen, dann sind die Überlegungen bezüglich der Elektronenemissionsfähigkeit, welche für die Wahl des Gittermetalls ausschlaggebend sind, genau entgegengesetzt denen, die wir als Unterlage für die Wahl des Kathodenmetalls angestellt haben. Beim Gitter kann jede beträchtliche Elektronenemission zu Rückzündung und dadurch zu einer Beschädigung der Röhre führen, und es ist deshalb zu empfehlen, ein Gitter mit geringer Emissionsfähigkeit zu wählen. Zu diesem Zweck ist es wichtig, ein Gittermetall zu wählen, das keine anhaftende Schicht von Alkalimetallionen anzieht oder bildet, besonders dann, wenn die Gittertemperatur ungewöhnlich hoch ist. Oder anders ausgedrückt, es ist häufig sehr wichtig, für das Gitter ein Metall mit einer Austrittsarbeit zu wählen, die kleiner als die Ionisationsspannung· des verwendeten Alkalimetalls ist. Da die Betriebstemperatur des Gitters notwendigerweise ziemlich hoch liegt, so ist es ferner wünschenswert, daß die Austrittsarbeit des Gittermetalls nicht kleiner als unbedingt notwendig ist, um die Bildung einer ionisierten Alkalimetalloberflächenschicht auf ihm sicher zu vermeiden, da ein niedriger Wert der Austrittsarbeit gleichbedeutend mit stärkerer Elektronenemission ist.

Bezüglich der Notwendigkeit eines hohen Schmelzpunktes, ausreichender Festigkeit des Metalls bei hoher Temperatur und genügend niedrigem Dampfdruck bei hoher Temperatur gelten für das Gitter dieselben Erwägungen wie für die Kathode.

In Tabelle 2 sind die Werte der Austrittsarbeit für die wichtigeren Metalle mit hohem Schmelzpunkt zusammengestellt, wobei die neuesten und maßgebendsten Werte verwendet wurden, die aus vielen verschiedenen Quellen tabellarisch zusam-

mengestellt sind, so z. B. in einem Aufsatz von Herbert B. Michaels on mit dem Titel »Work Functions of the Elements« (Werte der Austrittsarbeit von Elementen), veröffentlicht im Journal of applied Physics (Journal für angewandte Physik), Bd. 2i, Juni 1950, S. 536 bis 540. Wie bei Michaelson werden Mittelwerte der Austrittsarbeit verwendet, falls verschiedene Arbeiten voneinander abweichende Werte angeben. Mit Ausnahme von Kupfer haben alle diese Metalle einen Schmelzpunkt, der über 1100⁰ C liegt. Die seltenen Erdmetalle sind nicht in die Tabelle aufgenommen, da sie zu teuer sind und nicht allgemein zur Verfügung stehen.

Tabelle 2
Austrittsarbeit von Metallen mit hohem Schmelzpunkt

Metall	Platin Rhenium Nickel	Pt Re Ni	Austrittsarbeit Elektronenvolt	Bemerkungen	Hoher Dampfdruck
Palladium Rhodium Iridium	Pd Rh Ir	5.29 5.10 4.84		Hoher Dampfdruck und niedrige Schmelztemperatur
Osmium Ruthenium Chrom	Os Ru Cr	4.82 4.65 4.57
Wolfram Kupfer Eisen	W Cu Fe	IO CSt H IO IO IO rf rf rf	TiO₂ hat hohe freie Energie = —193,0 bei 300⁰C
Molybdän Kobalt Tantal	Mo Co Ta	4.5O 4.47 4.3Ö	Hoher Dampfdruck ZrO₂ hat hohe freie Energie = —235,0 bei 300 ° C
Vanadium Titan Columbium (Niobium	V Ti Cb Nb)	4.27 4,l8 4,12	BeO hat hohe freie Energie = —332,5 bei 300⁰C
Mangan Zirkon Hafnium	Mn Zr Hf	4.11 4.09 3.99
Thorium Beryllium	Th Be	3.95 3.84 3.53
3.37

Chrom, Mangan und Kupfer sind in Tabelle 2 aufgenommen, obgleich sie zu hohen Dampfdruck für einen zuverlässigen oder einwandfreien Betrieb bei einer Temperatur über iooo⁰ C haben. Kupfer hat außerdem einen zu niedrigen Schmelzpunkt für derartigen Betrieb. Liegt jedoch die maximale Betriebstemperatur beträchtlich unter 1000⁰ C, etwa zwischen 500 und 8oo° C, dann können alle diese drei Metalle, insoweit ihr Dampfdruck oder ihr Schmelzpunkt in Betracht gezogen wird, brauchbar sein.

Die in Tabelle 2 aufgeführten Metalle stehen alle zur Verfugung, entweder in Form von Blechen (Stücken) oder als Oberflächenüberzug, der auf die eine oder andere Art auf einem billigeren oder aus anderen Gründen zweckmäßigeren Grundmetall nach bekannten metallurgischen Verfahren aufgebracht werden kann. Natürlich müssen bei dem Umgehen mit diesen Metallen oder wenigstens einigen von ihnen gewisse Vorsichtsmaßregeln be-

achtet werden. So ist z. B. Beryllium unter Umständen giftig, doch nicht so stark, daß es nicht mit Vorteil bei zweckmäßigen Fabrikationsbedingungen auf ein Grundmetall auf plattiert werden könnte. Osmium bildet ein Tetraoxyd, das bei ioo° C siedet und sehr giftig ist. Titan verbrennt in Stickstoff bei 8oo° C. Palladium hat besonders starke Neigung zu Gaseinschlüssen, da es besondere Affinität zu Wasserstoff hat, und sowohl Osmium wie Palladium sind zusammen mit anderen Elementen der Platingruppe wirksame Katalysatoren, besonders in feinverteiltem Zustand.

Einige der in Tabelle 2 aufgenommenen Metalle sind in ganz reiner Form kaum erhältlich, da bestimmte Metallgruppen gewöhnlich zusammengemischt sind; ihre chemischen Eigenschaften sind derartig ähnlich, daß eine Trennung fast unmöglich ist. Es darf angenommen werden, daß in praktisch allen vorkommenden Fällen die an der Tabelle aufgeführten Metalle entweder in ihrer ziemlich

reinen Form, wie sie im Handel zur Verfügung stehen, oder mit anderen Metallen oder Nichtmetallen legiert verwendet werden, können,.

Bei der Verwendung der Tabelle 2 als Hilfsmittel für die Bestimmung entweder eines geeigneten Kathodenmetalls oder eines geeigneten Gittermetalls muß die Tabelle 1 mit herangezogen werden, aus der zu entnehmen ist, daß die Ionisationsspannung von Kalium gleich 4,32 Volt, die Ioni- sationsspannungen von Rubidium und Caesium dagegen gleich 4,16 bzw. 3,88 Volt sind.

Unter den in Tabelle 2 aufgenommenen Metallen hat Chrom einen zu hohen Dampfdruck für einwandfreies Arbeiten bei Temperaturen bis nahe an iooo⁰ C in einer Röhre, von der nach den handelsüblichen Normen ausreichende Lebensdauer erwartet wird. Sobald genauere Werte der Austrittsarbeit für die in Tabelle 2 aufgenommenen Metalle zur Verfügung stehen, sollten sie an ihrem richtigen Platz in die Tabelle 2 aufgenommen werden, die nach fallenden Werten der Austrittsarbeit geordnet ist.

Wird Kalium als verdampfbares, die Entladung tragendes Metall verwendet, so muß die Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode aus einem der Tabelle 2 zu entnehmenden Metall mit hohem Schmelzpunkt bestehen, dessen Austrittsarbeit höher als 4,32 Elektronenvolt ist. Zu diesen Metallen gehören Eisen, Wolfram, Ruthenium, Osmium, Iridium, Rhodium, Palladium, Nickel, Rhenium und Platin. Wenn die Wahl auf Kathodenmetalle beschränkt wird, deren Austrittsarbeit um nicht mehr als etwa 0,6 Volt höher liegt als die Ionisationsspannung von Kalium mit 4,32 Volt, dann beschränkt sich die Auswahl der verwendbaren Kathodenmetalle auf Eisen, Wolfram, Ruthenium, Osmium, Iridium, Rhodium, Palladium und Nickel. Als an der Grenze liegende Metalle können gegebenenfalls noch Rhenium und Platin dazugenommen werden. Es besteht die Ansicht, daß Eisen ganz besonders brauchbar ist und daß vieles dafür spricht, dieses Metall als Kathodenmaterial besonders zu empfehlen.

Wird Rubidium als die Entladung tragendes Metall gewählt, so ist die Auswahl der brauchbaren Kathodenmetalle auf diejenigen der Tabelle 2 zu entnehmenden Metalle mit hohem Schmelzpunkt beschränkt, deren Austrittsarbeit zwischen der Ionisationsspannung¹ des Rubidiums von. 4,16 Volt und etwa 4,76 Volt liegt. Zu diesen Metallen gehören gegebenenfalls Kobalt, Molybdän, Eisen, Wolfram, Ruthenium, Osmium, Iridium, Rhodium und, sofern an der Grenze liegende Metalle mit einbezogen werden, gegebenenfalls auch Palladium und Nickel. Am Ende wird sich Eisen als eines der besten Kathodenmetalle für Rubidiumdampfgleichrichter erweisen.

Wird Caesium als die Entladung tragendes Metall gewählt, so wird zweckmäßig die Auswahl der in Frage kommenden Kathodenmetalle auf diejenigen hochschmelzenden Metalle mit niedrigem Dampfdruck der Tabelle 2 beschränkt, deren Austrittsarbeit zwischen der Ionisationsspannung des Caesiums von 3,88 Volt und eitwa 4,48 Volt liegt. Hierzu gehören sicher Columbium (Niobium), Titan, Vanadium, Tantal, Kobalt, Molybdän und Eisen und gegebenenfalls auch Wolfram, Ruthenium und Osmium. Bei Gleichrichtern mit Caesium als verdampf barem Stoff kann mit Vorteil aber auch Eisen als Kathodenmaterial verwendet werden.

Was nun das Oberflächenmetall des wirksamen Teiles des Gitters (der zugleich der heißeste Teil ist) anbelangt, so ist es zweckmäßig, aus den in Tabelle 2 aufgeführten Metallen mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Dampfdruck ein solches zu wählen, dessen Austrittsarbeit unter der Ionisationsspannung des gewählten Alkalimetalls liegt, um dadurch die Bildung einer haftenden, ionisierten Oberflächenschicht zu vermeiden und so die Elektronenemission herabzusetzen. So sind z. B. für eine Kaliumdampfröhre brauchbare Gittermetalle Molybdän, Kobalt, Tantal, Vanadium, Titan, Columbium (Niobium), Zirkon, Hafnium, Thorium und Beryllium. Für eine Rubidiumdampfröhre beginnt die Liste der brauchbaren Gittermetalle wahrscheinlich mit Tantal. Mangan kommt wegen seines ziemlich hohen Dampfdruckes als Gittermetall kaum in Frage, gleichgültig, ob Kalium oder Rubidium als die Entladung tragendes Metall verwendet wird. Für eine Caesiumdampfröhre beginnt die Liste der brauchbaren Gittermetalle mit Zirkon, das wegen seines verhältnismäßig niedrigen Preises (im Vergleich zu Hafnium, Thorium und Beryllium), seiner Ungiftigkeit (im Gegensatz zu Beryllium) und seines hohen Schmelzpunktes ein ganz besonders geeignetes Material für die Gitteroberfläche für Caesiumröhren ist. Einige der in Tabelle 2 aufgeführten Metalle, z. B. Thorium und vielleicht auch noch einige andere, müssen möglicherweise wegen ihrer hohen Emissionsfähigkeit bei Aktivierung durch eine Sauerstoffschicht als Gittermetalle verworfen werden, doch liegen Versuchsergebnisse mit irgendwelchen Röhren noch nicht vor.

In manchen Fällen sollte der Wärmeschirm 52 oder diejenigen Teile von ihm, die außerhalb der Bahn des Lichtbogens in der Röhre liegen, so z. B. der aufrecht stehende Wärmeschirm 56 für die Einschmelzstelle, aus den gleichen Gründen wie beim Gitter, nämlich um die Gefahr herabzumindern, daß sich durch entsprechend hohe Elektronenemission ein Kathodenfleck bildet, aus Metall mit niedriger Austrittsarbeit hergestellt werden.

Beim Betrieb der Gleichrichterröhre wird die Kathode durch entsprechende Erregung oder Regelung der Kathodenheizvorrichtung 65 auf der Temperatur gehalten, bei der die höchste überhaupt erreichbare Elektronenemission erfolgt. Dies ergibt die höchste Stromstärke bei gegebenem Spannungsabfall im Lichtbogen, beziehungsweise den niedrigsten Spannungsabfall im Lichtbogen für eine bestimmte Stromstärke. Wenn die Temperatur der Kathode immer mehr steigt, dann steigt zunächst die Elektronenemission und beginnt dann, nachdem sie einen Höchstwert erreicht hat, zu fallen. Dieses

Absinken der Emission entspricht vermutlich den Bedingungen, unter denen die anhaftende Oberflächenschicht oder die Schichten auf der Kathode zu verdampfen beginnen oder durch die Wärmemolekularbewegung abgestoßen werden.

Wird keine auf der Oberfläche des Kathodenmetalls haftende Zwischenschicht aus Sauerstoff verwendet, so liegt die dem Höchstwert der Emission entsprechende Temperatur in der Regel unter der Temperatur, die das Kathodenmaterial noch aushält. Die Kathodentemperatur für maximale Emission ist für die verschiedenen Kathodenmetalle verschieden, und insbesondere ist sie auch verschieden, je nachdem eines der drei Alkalimetalle Kalium, Rubidium oder Caesium Verwendung findet.

Wird jedoch auf der Kathodenoberfläche eine adsorbierte Zwischenschicht von Sauerstoff verwendet, so steigt, wie allgemein festgestellt wurde, die Elektronenemission bis zu der höchsten Temperatur, mit der die Kathode aus Sicherheitsgründen noch betrieben werden kann. Diese Temperatur wird nur begrenzt durch den Dampfdruck des Kathodenmetalls. Es wird angenommen, daß in solchen Fällen die Kathodentemperatur mindestens 8oo° C betragen soll. In anderen Fällen kann als Arbeitstemperatur der Kathode 700⁰ C oder mehr in Frage kommen, doch auch dann wird zweckmäßig ein Kathodenmetall verwendet, das bei 8oo° C oder gegebenenfalls noch höherer Temperatur der Kathode einen, genügend niedrigen Dampfdruck hat.

Wird die Kathode mit zu hoher Temperatur betrieben, dann steigt ihr Dampfdruck bis zu einem Punkt, bei dem sie so viel Kathodenmetalldampf abgibt, daß schließlich auch die anderen Oberflächen der Röhre, an denen kein Kathodenmetall erwünscht ist, verschmiert werden, wodurch die nutzbare Lebensdauer der Röhre begrenzt wird. Aller entstehender Kathodenmetalldampf kondensiert irgendwo sonst an der Röhre, an den Isolatoren, am Gitter, an der Oberfläche der Anode usw. Ablagerungen von Kathodenmetall sind besonders an den Isolatoren schädlich, wo sie zu Kurzschluß der Isolatoren führen, und wahrscheinlich auch am Gitter, wo derartige Ablagerungen bei der notwendigerweise hohen Betriebstemperatur des Gitters Kathodenflecken und infolgedessen Rückzündung hervorrufen können. Die höchste noch zulässige Betriebstemperatur der Kathode muß deshalb unter Einrechnung eines ausreichenden Sicherheitsfaktors so begrenzt werden, daß die Lebensdauer der Röhre nicht durch Anhäufung derartiger Ablagerungen, die von der Kondensation des Dampfes des Kathodenmetalls herrühren, beeinträchtigt wird. Diese zulässige Kathodentemperatur hängt von den Dampfdruckkurven des Kathodenmetalls ab.

Wird z. B. Nickel als Kathodenmaterial verwendet, so liegt die obere Grenze der zulässigen Kathodentemperatur unter Berücksichtigung des Dampfdruckes von Nickel bei etwa 85 o° C. Das sind etwa 300⁰ C weniger als die Temperatur, bei welcher der Dampfdruck des Kathodennietalls (Nickel) io~² μ Quecksilbersäule betragen würde. Auf gleicher Basis darf eine genügend lange Lebensdauer bei ausreichendem Sicherheitskoeffizienten, soweit der Dampfdruck des Kathodenmetalls in Frage kommt, bei einer Röhre, bei der die Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode aus Platin besteht, bei etwa 1300⁰ C, bei Palladium bei etwa 850⁰ C, bei Eisen bei etwa 8oo° C, bei Osmium bei etwa 1800⁰ C, bei Rhodium bei annähernd 1400⁰ C, bei Wolfram bei möglicherweise über 2200⁰ C, bei Molybdän bei etwa 1600⁰ C, bei Kobalt bei etwa 950⁰ C, bei Zirkon bei über 1200⁰ C, bei Tantal bei wahrscheinlich 2100⁰ C, bei Columbium (Niobium) bei nahe an 1900⁰ C erwartet werden. Diese auf Grund der Verdampfung des Kathodenmetalls geschätzten Temperaturwerte müssen- an Hand von Ergebnissen praktischer Versuche nachgeprüft werden.

Dies sind die wahrscheinlichen Grenzwerte der Kathodentemperaturen auf Grund der Verdampfung des Kathodenmaterials. Es ist jedoch wahrscheinlich, daß die höchsten hier angegebenen Kathodentemperaturen nicht erreicht werden können, da sich herausstellen wird, daß die Emissiotisfähigkeit der Kathode, lange bevor diese Höchstwerte für die Kathodentemperaturen erreicht go werden, einen Scheitelwert erreicht und dann infolge Verlustes ihrer Oberflächenschicht zu fallen beginnt. Mit anderen Worten, es ist wahrscheinlich, daß die zulässigen Höchstwerte für die Temperatur von Kathoden aus Metall mit niedrigem Dampfdruck eher durch die Kurve der Emissionsfähigkeit als durch den Dampfdruck des Kathodentnetalls bestimmt werden.

Der Dampfdruck des Alkalimetalls hängt davon ab, welches der drei vorgeschlagenen Alkalimetalle gewählt wird, und ferner von der Temperatur, auf welcher die Anode 20 gehalten wird. Die Elektronenemission der Kathode ist um so stärker, je höher die Anodentemperatur ist, da die höheren Alkalimetalldampfdrücke, die höheren Anodentemperatüren entsprechen, dazu führen, daß sich in einem Kubikzentimeter des Innenraumes der Röhre eine größere Zahl von Alkalimetallatomen befindet und damit mehr Alkalimetallatome zum Anhaften an der Oberfläche der Kathode und zur Ionisation zur Verfugung stehen. Steigt jedoch (mit zunehmender Anodentemperatur) der Dampfdruck des Alkalimetalls, dann sinkt die Durchbruchsspannung des Alkalimetalldampfes nach einer Kurve, die zuletzt ziemlich flach verläuft. Die meisten handelsüblichen Gleichrichterröhren arbeiten ziemlich dicht an der Durchbruchsgrenze des Dampfes, wobei ein ausreichender Sicherheitsfaktor eingeschlossen ist. Anders ausgedrückt läßt sich sagen: Die Durchbruchsspannung des Dampfes muß wesentlich höher liegen als der 2,Sfache Wert der Spannung des Gleiebstrotnneitzes. 12+, 12—, an das der Gleichrichter angeschlossen ist.

Die Durchbruchsspannung des Dampfes in einer Röhre ist eine Funktion des Produktes aus dem Dampfdruck p und dem Abstand d, an dem die

Durchbruchsspannung gemessen wird. Im Fall einer gittergesteuerten Röhre, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, würde dieser Abstand d gleich der Entfernung zwischen dem Gitter 50 und der Anode 21 sein. Wird dieser Abstand so klein gemacht, wie es unter Berücksichtigung aller Bedingungen (z. B. Herabsetzung des gesamten Spannungsabfalles im Lichtbogen der Röhre) tunlich ist, dann dürfte ein Abstand von etwa 1 cm bei einer großen Röhre oder vielleicht 0,5 cm bei einer kleinen handelsüblichen Starkstromröhre zu erwarten sein. Es ist also das Produkt p · d, welches die Durchbruchsspannung bestimmt und damit die zulässige Gleichstromspannung der Röhre begrenzt.

Bei einem 600 - Volt - Gleichrichter liegt die Anodentemperatur, die eine Durchbruchsspannung von etwas mehr als 1500 Volt ergeben würde, für einwandfreies Arbeiten je nach dem Alkalimetall, das als verdampfbares, die Entladung tragendes Metall gewählt wird, in etwa folgenden Grenzen:

Caesium 150 bis 190⁰ C

Rubidium 210 bis 240⁰ C

Kalium 310 bis 340⁰ C

Bei einem soo-Volt-Gleichrichter können folgende Anodentemperaturbereiche verwendet werden:

Caesium 190 bis 220⁰ C

Rubidium 230 bis 260⁰ C

Kalium 320 bis 350⁰ C

Bei Gleichrichtern, die auf Gleichstromnetze von höherer oder niedrigerer Spannung arbeiten sollen, sind die zulässigen (und damit zweckmäßigen) Anodentemperaturen entsprechend zu ändern.

Ausgehend von der Kurve der Durchbruchsspannung als Funktion von Druck X Entfernung, p · d, ohne Rücksicht auf andere Verhältnisse, zeigen einige Versuche, daß bei Gleichstromspannungen von 100 bis 600 Volt Rubidium etwas besser als Caesium ist, andere Versuche dagegen ergeben, daß es etwas schlechter als Caesium, jedoch bei weitem nicht so gut wie Kalium bei diesen Spannungen ist. Der Gesamtspannungsabfall im Lichtbogen der Röhre ist jedoch proportional der Ionisationsspannung der einzelnen verdampfbaren Metalle, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Bei einer ziemlich großen handelsüblichen Starkstromröhre mit eingebautem Gitter wird der gesamte Spannungsabfall im Lichtbogen gewöhnlich etwa 150% der Iooiisaitioosispannunig des verdampfbaren Metalls betragen, also etwa 5,8 Volt für Caesium, 6,2 Volt für Rubidium und 6,5 Volt für Kalium; vielleicht ist der Spannungsabfall im Lichtbogen noch etwas größer als die oben angeführten Werte. Bei einer Röhre, die bei 300 Volt Gleichstromspannung oder mehr arbeitet, sind die Unterschiede des Spannungsabfalles im Lichtbogen für die verschiedenen verdampfbaren Metalle der Erfindung vielleicht nicht so wichtig, aber bei einem 100-Volt-Gleichrichter entsprechen diese Unterschiede des Spannungsabfalles im Lichtbogen praktisch den Unterschieden im Wirkungsgrad, so daß sie hier wesentlich wichtiger sind.

Die Wahl des verdampfbaren Alkalimetalls, also die Frage, ob Kalium, Rubidium oder Caesium genommein werden soll, hängt hauptsächlich von der Betriebsspannung und dem: Wert, den man auf den Wirkungsgrad legt, ab, sodann auch von der Größe des Gleichrichters, der zur Erreichung einer bestimmten Belastungsmöglichkeit notwendig ist. Allen Forderungen, mit Ausnahme des Spannungsabfalles im Lichtbogen und damit des Wirkungsgrades und vielleicht auch der Belastungsfähigkeit, scheint von den drei miteinander verglichenen Alkalimetallen Kalium am besten gerecht zu werden, jedoch reichen die mit derartigen Röhren gemachten Erfahrungen zur Zeit noch nicht aus, um eine endgültige, von allen Vermutungen, freie und nur auf die Ergebnisse von bisher angestellten Versuchen gestützte Antwort zu geben. So

Alle Alkalimetalle, einschließlich der drei der Erfindung, sind chemisch außerordentlich aktiv und' zeigen eine besonders große Affinität zu Sauerstoff, so daß sie die meisten Oxyde und andere Sauerstoff enthaltende Verbindungen, z.B. Silikate, angreifen. So greifen z. B. die Alkalimetalle die meisten Gläser und keramischen Stoffe an; wenn jedoch unter den verfügbaren Isolierstoffen (Glassorten und keramischen Stoffen) die richtige Wahl getroffen wird, dann geht der Angriff so langsam vor sich und die Eingriffstiefe ist so. gering, daß ein solches Angreifen durch die verwendeten Alkalimetalle die Lebensdauer der Röhre nicht ernstlich begrenzt, besonders dann nicht, wenn bei der Auswahl mit der nötigen Vorsicht vorgegangen wird und nur alkalibeständige Glasuren und keramische Stoffe oder keramische Überzüge verwendet werden. So sind z. B. verschiedene natriumbeständige Glasuren bekannt, die zum Überziehen der inneren Glasflächen von Natriumdampflampen verwendet werden.

Die Hauptstelle, an der die Affinität von Alkalimetallen zu Sauerstoff bei der Konstruktion einer lange haltbaren Alkalidampfröhre am stärksten in Erscheinung tritt, ist die Einschmelzstelle. In den meisten Fällen, besonders bei Einschmelzungen in Glas, müssen die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls und des Isolators oder des Glases annähernd gleich sein, ferner muß die Metalloberfläche leicht oxydiert sein, damit sie von den Oxyden oder n₀ Silikaten des Glases oder des keramischen Bindemittels, das die luftdichte Verbindung zwischen Metall und Isolator bildet, benetzt werden kann. Die starke Affinität der Alkalimetalle zu Sauerstoff führt dazu, daß der Dampf dieser Metalle die Metalloxyde oder die Oxyd enthaltenden Flußmittel an diesen Verbindungsstellen angreift, sofern nicht der Konstruktion derartiger Verbindungsstellen ganz besondere Aufmerksamkeit in Hinsicht auf das Einwirken von Alkalidampf bei langer Lebensdauer geschenkt wird, einer Lebensdauer, die wesentlich länger ist, als sie im allgemeinen bei Natriumdampflampen als angemessen angesehen wird.

Dieses Problem der Widerstandsfähigkeit der Einschmelzstelle gegen Alkali wurde dadurch ge-

löst, daß für die Einschmelzung ein Metall mit einer gegen den Dampf widerstandsfähigen Oberfläche verwendet wird, die leicht mit einem Oxyd des Oberflächenmetalls überzogen ist, wobei ein Metall gewählt wird, dessen Oxyd genügend große Widerstandsfähigkeit gegen Alkalimetalldämpfe, also Kalium, Rubidium oder Caesium, besitzt, um einer Reduktion durch die genannten, verdampfbaren Metalle während einer angemessen langen ίο Betriebsdauer zu widerstehen. Wie schon früher erwähnt, sind als Lebensdauer für einen praktisch verwendbaren Starkstromgleichrichter im Wettbewerb mit anderen bekannten oder verfügbaren Ausführungsformen derartiger Starkstromgleichrichter mindestens 2000 bis 20 000 Betriebs stunden anzunehmen, besser ist es jedoch, wenn diese Lebensdauer der Röhre noch wesentlich größer ist und möglichst mehr als 5 Jahre beträgt.

Die Wärmevorgänge bei Reaktionen bei nicht normalen Temperaturen, d. h. bei Reaktionen bei Temperaturen, die von 25° C abweichen, sind theoretisch noch nicht völlig geklärt. · Die Theorie stützt sich auf Gleichungen, die eine Kenntnis der Reaktionsfähigkeit bei der Temperatur voraussetzen, bei der die Reaktion untersucht werden soll,

d. h. bei der Temperatur, bei der man feststellen will, ob der verfügbare Sauerstoff eines Oxyds sich an das eine oder das andere Metall bindet. Es liegen nur sehr wenige Daten über die Reaktionsfähigkeit der meisten Metalloxyde vor, insbesondere bei nicht normalen Temperaturen.

Auf Grund der zur Verfügung stehenden Daten, die wahrscheinlich nicht absolut zuverlässig sind, und bei Beschränkung auf die Untersuchung von geeigneten Einschmelzmetallen, die in metallischem Zustand einen Schmelzpunkt von etwa 950⁰' C oder mehr haben, scheint es nur vier Metalle zu geben, die als Oberflächenimetall für Einschmelzstellen in Frage kommen und dem Angriff durch Dämpfe von Kalium, Rubidium oder Caesium bei der an der Einschmelzstelle zu erwartenden Betriebstemperatur von z. B. 300⁰' C gewachsen sind. Diese vier Metalle in der Reihenfolge der festgestellten Fähigkeit ihrer Oxyde, einer Reduktion bei An-Wesenheit dieser Alkalimetalldämpfe zu widerstehen, und beginnend mit dem Metall, dessen Oxyd offenbar die höchste Widerstandsfähigkeit gegen Kalium, Rubidium und Caesium hat, sind Beryllium, Zirkon, Titan und Chrom. Von diesen vier Schutzmetallen für Einschmelzstellen scheint Chrom ziemlich dicht an der für ein Metall gezogenen Grenze zu liegen, dessen Oxyd gerade noch geeignet ist, auf die Dauer der Reduktion durch den Dampf eines der drei gewählten Metalle Kalium, Rubidium und Caesium Widerstand zu leisten. Die schädigende Reaktion, wenn überhaupt eine solche in Frage kommt, geht bei Chrom jedoch so langsam vor sich, daß eine Einschmelzung, bei der der Metalleiter mit Chrom überzogen ist, bei Anwesenheit derartiger Dämpfe und bei der an der Einschmelzstelle beim Betrieb herrschendien Temperatur eine Lebensdauer von mindestens 2000 bis 20 000 Stunden besitzt. Es ist anzunehmen, daß die anderen obenerwähnten Einschmelzmetalle noch viel längere Lebensdauer haben, doch konnten genaue Zahlen über ihre tatsächliche Lebensdauer noch nicht ermittelt werden. Nach den zur Verfügung stehenden Daten kann angenommen werden, daß weder Kalium- noch Rubidium- noch Caesiumdampf die Oxyde von Beryllium, Zirkon und Titan überhaupt reduziert oder sonstwie .angreift, und es darf ferner angenommen werden, daß ein chromplattierter Schmelzverschlüß bei richtiger Ausführung in Kaliumd'ampf, der in dieser Hinsicht etwas weniger aktiv ist als Caesium und Rubidium, eine außerordentlich lange, vielleicht sogar eine unbegrenzte Zeit aushält. Die große Reaktionsfähigkeit der Oxyde des Zirkon, Beryllium und Titan sind in der Tabelle 2 angegeben, um dadurch die Aufmerksamkeit auf einen eventuell möglichen Unterschied bezüglich ihrer Fähigkeit, als Kathoden- oder Gittermetalle Elektronen zu emittieren, zu lenken, und zwar in Hinsicht auf Bildung eimer haftenden einatomigen Oberflächenschicht aus Sauerstoff oder aus dem in der Röhre verwendeten Alkalimetall. Ein abschließendes Urteil darüber, ob ein derartiger Unterschied, sei es zum Besseren, sei es zum Schlechteren, besteht, .ist nicht möglich, jedoch weist die Theorie darauf hin, daß ein Unterschied auf Grund' der offensichtlichen, bei der Besprechung der Einschmelizmefcal'le bereits erwähnten Unfähigkeit von Kalium, Rubidium und Caesium, die Oxyde von Zirkon, Beryllium und Titan zu reduzieren, möglich ist.

Im vorhergehenden war meist von Oberflächenmetallen der Kathode, des Gitters und der Einschmelzstellen die Rede. Dieser Ausdruck wurde verwendet, da, sofern es sich um die Elektronenemissionsfähigkeit und um chemische Reaktionen mit dem Alkalimetall handelt, nur das Oberflächenmetall eine Rolle spielt, solange es unverletzt ist. Unterhalb der Oberflächenschicht können die Kathode, das Gitter oder der eingeschmolzene Leiter aus irgendeinem Stoff bestehen, was das Arbeiten oder die Lebensdauer der Röhre betrifft, natürlich vorausgesetzt, daß zwischen der Oberflächenschicht und dem darunterliegenden Teil des betreffenden Gliedes eine geeignete Bindung vorhanden ist und daß das Stück unter der Schicht die erforderliche Festigkeit besitzt. In manchen Fällen wird das gewählte Metall als massives Stück oder in Form von Blech verwendet, während in anderen Fällen das gewählte Metall als Oberflächenüberzug verwendet wird, der in geeigneter Weise auf ein Grundmetall !aufgebracht wird, das entweder billiger ist oder dessen, Eigenschaften in anderer Hinsicht besser sind, z. B. mechanische Festigkeit bei der Betriebstemperatur, Undurchlässigkeit für Gasdiffusion, günstigerer Ausdebnungskoeffizient u. a. m.

Wie in der USA.-Patentschrift 1 576 436 bereits dargelegt ist, braucht eine derartige Chromplattierung auf dem Einschmelzmetall nicht so dick u sein, daß sie einen wesentlichen Einfluß auf den gesamten Wärmeausdehnungskoeffizienten des

Metalleiters hat. Diese Patentschrift befaßt sich jedoch nicht mit der Frage der Alkalimetallreaktionen oder mit der Frage der Diffusion der Chromplattierung in das darunterliegende Metall, um eine feste Bindung zu erzielen, die ein Abblättern verhindert.

Es wurde festgestellt, daß eine Stärke der Chromplattierung von 0,0127 bis 0,0254 mm wünschenswert ist. Anders ausgedrückt, die Stärke der Chromplattierung auf der Innenseite oder der dem Dampf ausgesetzten Seite des eingeschmolzenen Metallteiles soll zweckmäßig ungefähr ein Zwanzigstel der Gesamtstärke dieses Metallteiles betragen.

Wird die Oberfläche der Chromplattierung leicht oxydiert, so bildet sich ein dünner Überzug von Cbromoxyd, Cr₂O₃, der von Glas leicht benetzt wird. Es ist am besten, diese Chromoxydoberfläche zunächst mit einer dünnen Glasur aus Bindeglas zu überziehen, ehe versucht wird, sie durch Wärme und Druck mit dem Glasteil 33 oder 43 der Einschmelzstelle zu vereinigen.

Beryllium wird als Oberflächenüberzug auf einem Grundmetall am besten in der Weise niedergeschlagen, daß man das Beryllium verdampft und den Dampf im Vakuum auf dem Grundmetall kondensieren läßt. Beryllium kann außerdem elektrolytisch in einem Bad von geschmolzenem Salz, z. B. einem Bad, das aus 1 Teil Chlornatrium, 1 Teil Natriumfluorid und 2 Teilen Beryliliumfkiorid besteht, bei einer Badtemperatur von 750⁰¹ C ± 25^lO; C auf dem Grundmetall niedergeschlagen werden. Man läßt den Berylliumüberzug, nachdem er aufgebracht ist, zunächst in das darunterliegende Metall diffundieren· und oxydiert zum Schluß die Oberfläche leicht. Dies geschieht, wie schon oben für Chrom beschrieben wurde, durch eine kombinierte Behandlung mit heißem trockenem und darauf mit heißem nassem Wasserstoff.

Zirkon .als Oberflächenmetall wird am besten auf einem Grundmetall durch Kondensation im Vakuum niedergeschlagen. Man soll die Zirkonschicht genau soi wie bei Chrom und Beryllium in. das daruntorliegende Metall diffundieren lassen, die Peroxydation ist hier jedoch nicht nötig, da die mit der Herstellung der Einschmelzstelle verbundene Oxydierung völlig ausreicht, um genügend Zirkonoxyd für die Bindung mit dem Glas zu erzeugen. Zirkon kann auch in Form von Blech verwendet werden, ohne daß es notwendig ist, es als Überzug auf das Grundmetall aufzubringen, da es einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der gut mit dem Ausdehnungskoeffizientein verfügbarer Glassorten übereinstimmt, so daß es in gediegenem Zustand, im Gegensatz zur plattierten Form, als metallischer Teil einer Glas-Metall-Einschmelzung verwendet werden kann.

Die vorhergehenden Ausführungen über die verschiedenen Metallüberzugsverfahren und die Verwendung von massiven oder nicht überzogenen Metallen, sofern ihr Preis oder ihre physikalischen Eigenschaften es erlauben, sollen nur eine Anregung geben und bedeuten keinesfalls eine erschöpfende Behandlung der Metallurgie der Metallüberzüge. Der auf dem Gebiete der Metallurgie erfahrene Fachmann wird wissen, daß es noch andere Verfahren zur Herstellung von Metallüberzügen gibt, die in Anwendung gebracht werden können.

Eine Eigentümlichkeit beim Betrieb eines elektrischen Dampfentladungsgefäßes mit heißer Kathode, bei dem Kalium-, Rubidium- oder Caesiumdampf verwendet wird, und mit einem Kathodenmetall, dessen Austrittsarbeit über der Ionisationsspannung des Dampfes liegt, ist die, daß der Spannungsabfall im Lichtbogen von der Stärke des Stromes abhängt, mit dem die Röhre belastet ist. Was nun den Teil des Spannungsabfalles im Lichtbogen anbelangt, der dicht an der Kathode stattfindet (oder den Spannungsabfall im Lichtbogen einer Röhre ohne Wärmeschirm und ohne Gitter bei möglichst geringem Abstand zwischen Anode und Kathode), so ist dieser Spannungsabfall bei niedriger Stromstärke geringer als 1 Volt und steigt bei hohen Stromstärken fast linear bis zu einem Wert, der ungefähr gleich, der Ionisationsspannung des Dampfes ist. Jedes Anwachsen des Stromes über diesen Punkt hinaus führt zu einer sehr schnellen Zunahme: des Spannungsabfalles im Lichtbogen und setzt so eine praktische obere Grenze, welche die zulässige Stromleistung der Röhre bestimmt. Der gesamte Spannungsabfall im Lichtbogen einer gittergesteuerten Röhre mit einem Wärmeschirm und einem Gitter liegt gewöhnlich um mindestens 50% höher als die oben für den Spannungsabfall des Lichtbogens in Kathodennähe angegebenen Zahlen.

Die Stromleistung der Röhre steigt außerdem mit steigender Anodentemperatur, jedoch sinkt die Sperrspannung, welche die Röhre aushält, mit steigender Anodentemperatur, und aus diesem Grunde ist die als Betriebstemperatur gewählte Anodentemperatur immer die höchste Temperatur, bei welcher die Röhre noch mit Sicherheit die ihr während der nichtleitenden Perioden aufgedrückte Gegenspannung aushält.

Es besteht auch eine gewisse automatische Strombegrenzungswirkung in der Röhre, welche die Fähigkeit der Röhre begrenzt, zu starke Überströme auf wesentliche; Zeit auszuhalten,. Der Durchgang eines zu hohen Stromes bringt die Kathode rasch auf anomal hohe Temperaturen, und gewöhnlich wird schnell ein Punkt erreicht, bei dem die Emissionsfä'higkait der Kathode durch Absieden oder Verlust der einatomigen, ionisierten Alkalimetallschicht stark reduziert wird.

Die Verwendung von Rippen, wie sie in Fig. 2 bei 30 dargestellt sind, an der Kathode ist sehr vorteilhaft, nicht nur weil hierdurch eine Kathode mit großer Oberfläche für die Elektronenemission entsteht, ohne eine ungewöhnlich große Röhre notwendig zu machen, sondern auch dadurch, daß eine Kathode mit verhältnismäßig kleiner wirksamer Wärmestrahlfläche im Verhältnis zur Elektronenetnissionsfläche geschaffen wird, wodurch die der

Kathodenheizung 65 zuzuführende Energiemenge sinkt.

Die der Kathode zuzuführende Wärmemenge kann auch dadurch auf ein Minimum gebracht werden, daß die inneren oder Elektronen! abgebenden Flächen der mit Rippen versehenen Kathode so konstruiert werden, daß sie fein poliert werden können, wodurch die Wärmeabgabe dieser Oberflächen durch Strahlung vermindert wird. Die ίο Kathode hat also, etwas anders ausgedrückt, eine für Wärmestrahlung oder Wärmeübertragung verhältnismäßig ungünstige Oberfläche auf der dem Gitter und der Anode zugekehrten Seite. Dagegen sollte die äußere Oberfläche der Kathode, d. h. die Fläche, die der äußeren Atmosphäre ausgesetzt ist, bei dem in Fig. 2 dargestellten Gerät die Innenfläche oder Bohrung des Kathodenrohres 24, vorteilhaft gerauht sein, so daß sie bei der Aufnahme der Wärme der Kathodenheizung 65 als eine verhältnismäßig gut Wärme absorbierende Oberfläche wirkt.

Aus ähnlichen Gründen ist es wünschenswert, daß den Wärmeübertragungseigenschaften der entsprechenden Oberflächen des Gitters 50 und des Wärmeschirmes 52 Aufmerksamkeit geschenkt wird, letzteres besonders dann, wenn die Wärmeübertragung durch Leitung zwischen Wärmeschirm und Kathode gering ist. Die Oberflächen dieser Elemente sollten auf der der geheizten Kathode zugekehrten Seite hoch poliert werden, iso daß ihre Wärmeaufnahmefähig'keit auf ein Minimum reduziert wird, während die Oberflächen auf der der gekühlten Anode zugekehrten Seite aufgerauht werden sollten, damit sie die Wärme verhäl'tnismäßig gut ausstrahlen. Dadurch wird die Betriebstemperatur des Gitters herabgesetzt, was außerordentlich vorteilhaft ist, um die Elektronenemissionsfähigkeit des Gitters und damit die Gefahr eines Rückzündens zu vermindern. Die Kühlung · des Gitters kann noch weiter dadurch verbessert werden, daß man die Zahl der Wärmeschirme, die zwischen Gitter und Kathode geschoben werden, erhöht. Wird das Gitter in geeigneter Weise gegen Wärme abgeschirmt oder wird in anderer Weise dafür gesorgt, daß es nicht zu heiß werden, kann, so kann es mit Vorteil mit einer Metalloberfläche hergestellt werden, deren Austrittsarbeit größer als die Ionisationsspannung des die Entladung tragenden Metalls ist.

Wird in der Röhre ein Gitter verwendet, so* wird die Innenfläche der Anode 21 am zweckmäßigsten aufgerauht, um dem Gitter eine Oberfläche mit guter Wärmeübertragung gegenüberzustellen und so das Gitter nodh wirksamer zu kühlen. Wird kein Gitter verwendet, so wird die Innenfläche der Anode am zweckmäßigsten poliert, um dadurch ihre abkühlende Wirkung auf die heiße Kathode und damit den Betrag der Wärmeenergie, welche der Kathodenheizung zuzuführen ist_r um die Kathode auf der verlangten Betriebstemperatur zu halten, zu verringern.

Da die Anode mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur arbeitet, so treten gewöhnlich keine Schwierigkeiten in bezug auf eine irgendwie ins Gewicht fallende Elektronenemission auf (welche die Gefahr eines Rückzündens mit sich brächte), noch auch in bezug auf niedrige Schmelzpunkte irgendwelcher Metalle, die im allgemeinen für die Röhrenkonstruktion in Frage kommen. Gewöhnlich wird eine Anode 20 verwendet, die aus Stahl oder nichtrostendem Stahl hergestellt ist.

Es ist eine charakteristische Eigenschaft der neuen Alkalimetallröhre, daß die Betriebstemperatur der Anode, obgleich sie beträchtlich niedriger als die der Kathode ist, trotzdem einige hundert Grad über den Raumtemperaturen liegt und damit also über den an der Außenfläche anderer handelsüblicher Starkstromgleichrichterröhren, wie z. B. Quecksilberdampfgleichrichter oder Zündstiftentladungsgefäße, z. B. Ignitrons, im Betrieb herrsehenden Temperaturen. Der Umstand, daß die Anode bei wesentlich (höherer Temperatur als der Raumtemperatur arbeitet, ist einer der für manche Fälle wichtigen Vorteile des Gerätes, denn er ermöglicht die Verwendung von Luftkühlung, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist, zum Unterschied von anderen Gleichrichtersystemen, die Flüssigkeitskühlung verlangen. Luftkühlung ist besonders wichtig auf Fahrzeugen oder an anderen Stellen, wo Raumbedarf und Gewicht in erster Linie zu berücksichtigen sind.

Ein Vorteil des vorgeschlagenen konstruktiven Zusammenbaues, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist der, daß die Gitterkonstruktion als eine Einheit auf der Kathodenkonstruktion aufmontiert werden kann, ehe letztere in den Anodenaufbau oder das äußere Gehäuse eingeschoben wird.

Alle Isolatoren, wie z. B. 33 und 43, die Teile des Gefäßes oder Gehäuses der Röhre und deshalb dem Alkalimetalldampf in der Röhre ausgesetzt sind, sollten auf einer Temperatur von 250'⁰ C oder mehr gehalten werden. Tatsächlich sollten diese Isolatoren, ganz gleichgültig, wie hoch die Betriebstemperatur der Anode bei irgendeiner Röhre ist, auf einer Temperatur gehalten werden, die mit Sicherheit höher liegt als die Anodentemperatur, um dadurch die Möglichkeit zu vermeiden, daß Alkalimetalldampf kondensiert und sich an den Innenflächen der Isolatoren niederschlägt.

Bei der vorgeschlagenen Kathodenkonstruktion, u₀ wie sie in Fig. 5 mehr ins einzelne gehend dargestellt ist, ist das Kathodenrohr 24 mit einer Anzahl von in Abständen angeordneten Ringen oder Rippen 30 aus demselben Metall wie die Kathode versehen. Die Bohrung 80 dieser Rippen: 30 ist von n₅ Anfang !an etwas kleiner als der Außendurdhmesser des zentrischen, röhrenförmigen Karhodenstückes 24, und die Rippen 30 sind mit Preßpassung aufgebracht. Wird ein nicht elastisches Metall, wie z. B. Nickel, für die Kathode verwendet, so stellt sich manchmal heraus, daß diese Rippen 30 dazu neigen, auf dem Kathodenrohr 24 lose zu sitzen oder lose zu werden. In einem solchen Fall fand man, daß die Rippen durch einen Überzug mit einer verhältnismäßig dünnen, aber doch noch genügend dicken Schicht von demselben Kathodenmetall, also

ζ. B. hier Nickel, so fest an ihrem Platz verankert werden können, daß diese Kathodenrippen 30 unverrückbar auf dem Kathodenrohr 24 festsitzen.

Anstatt ein verhältnismäßig dünnes, scheibenartiges Material zu verwenden, kann man zur Herstellung der Rippen 81 auch Maschenmaterial verwenden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Es können also, anders ausgedrückt, ein oder mehrere Drähtschirme oder Gitter in Sdheibenform an die Stelle der imassiven Rippen 30 der Fig. 5 treten.

Bei einer anderen Ausführung, die in Fig. 7 dargestellt ist, kann das Kathodenrohr 24 aus einem Stück von beträchtlicher Stärke hergestellt und sein Umfang so geformt oder gedreht werden, z. B. mittels eines Schnittw^erkzeuges (nicht abgebildet), daß Grate oder Rippen entstehen, die mit dem Kathodenrohr 24 selbst ein Ganzes bilden.

Zusätzlich zu der Anordnung einer Heizvorrichtung 73 für die Haupteinschmelzstelle 34-33-35 und zu der inneren Abschirmung des untern. Teiles dieser Einschmelzstelle gegen die hohe Temperatur der Kathode durch den ungelochten, senkrecht stehenden Wärmeschirm 56 gemäß Fig. 2 ist es zweckmäßig, die Einschmelzstelle von außen durch einen äußeren Wärmeschirm oder eine Wärmeisolierung 84 zu schützen, die, wie in Fig. 2 dargestellt, um die Einschmelzstelle 33 herumgelegt ist, so· daß die nach Fig. 1 von außen zugeführte Kühlluft für die Röhre nur eine geringe Kühlwirkung auf die Einschmelzstelle hat.

An Stelle der Verwendung einer äußeren Wärmeisolierung 84 zur Abschirmung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, kann es unter Umständen zweckmäßig sein, eine Luftführung 85 gemäß Fig. 1 vorzusehen, um die Luft oder ein anderes Kühlmittel von dem Isolator 33 abzulenken, damit wenig Wärme vom Isolator durch Strahlung oder Leitung abgeführt wird und dadurch die Einschmelzstelle leichter auf einer Temperatur gehalten werden kann, die über der Kondensationstemperatur des Dampfes in dem Gefäß liegt. In ähnlicher Weise kann, falls nötig, bei der Einschmelzstelle für den Gitteranscihluß 44-43-45 vorgegangen werden.

Die Kathodenheizvorrichtung 65 ist der empfindlichste und kurzlebigste Teil des Gerätes, und aus diesem Grund ist diese Heizvorrichtung an einem abnehmbaren Verschluß oder einer Kappe 66 anmontiert, damit die Heizvorrichtung völlig unabhängig von dem Gesamtaufbau des Lichtbogenentladungsgefäß es ist und von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden kann. Hierdurch wird die nutzbare Lebensdauer des Gerätes wesentlich erhöht.

In solchen Fällen, in denen es notwendig oder wünschenswert ist, den Zutritt atmosphärischer Gase zu der der Außenluft ausgesetzten Wandung (inneren Bohrung) das Kathodem-ohres 24 zu verhindern, z. B. dann, wenn dieses Kathodenrohr aus Nickel besteht und mit einer Temperatur über 600 oder 700⁰ C betrieben wird, können gasdichte Dichtungen 68 verwendet werden, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, die dazu dienen, entweder das Eindringen von Luft zu verhindern oder eine Gasfüllung mit niedrigerem Druck im Hohlraum des röhrenförmigen Kathodenkörpers 24 sicher einzuschließen. Dieser verminderte Druck kann einfach dadurch erreicht werden, daß man die Heizungen 65 und/oder 73 unter Strom setzt, wobei sich die in der Kathodenheizkammer befindlichen Gase ausdehnen, und dann die Dichtungen 68 festzieht, um so das weitere Eindringen atmosphärischer Gase zu verhindern. Man kann den Raum jedoch auch völlig evakuieren.

Bei der vorgeschlagenen Ausführung der Heizvorrichtungen 65 und 73 nach. Fig. 2 haben, die Heizvorrichtung 73 für die Einschmelzstelle und die Kathodenheizvorrichtung 65 eine gemeinsame Verbindung 86 mit der Kappe 66, und die Heizungsanschlüsse TJ und 76 werden gasdicht durch normale Glas-Metall-Schmelzverschlüsse 78 herausgeführt.

In einigen Fällen, wie z. B. in Fig. 8 dargestellt, ist es unter Umständen nicht notwendig, vollständig vakuumdichte Einschmelzstellen 78 für die Zuleitungen zu den Heizvorrichtungen vorzusehen, und es kann dann eine nur ungefähr gasdichte isolierende Packung 87 an deren Stelle treten.

Ein anderer Weg, um die Gase in der Heizkammer im röhrenförmigen Kathodenteil 24 zu entfernen, ist in Fig. 9 dargestellt. Hier ist ein Nadelventil 88 an der Heizkammer angebracht, so daß die Dichtungen 68 festgezogen werden können, ehe die Heizelemente 65 oder 73 unter Strom gesetzt werden. Nachdem die Heizkörper unter Strom gesetzt sind und ein großer Teil der in der Heizkammer befindlichen Luft ausgetrieben ist, kann das Ventil 88 geschlossen werden, um einen niedrigen Druck zu halten.

Natürlich werden in allen diesen Fällen die in der Kammer enthaltenen atmosphärischen Gase in das Alkalidampfgefäß diffundieren, falls das Kathodenmetall überhaupt bei seiner Betriebstemperatur durchlässig ist, aber die Menge dieser einsickernden Gase ist so gering, daß viele Jahre vergehen würden, ehe eine merkbare schädigende Wirkung in der Röhre eintritt. Um die schädlichen Wirkungen des Eindringens atmosphärischer Gase völlig auszuschalten, kann die Heizkammer mit einem Gas, vorzugsweise mit einem solchen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Stickstoff, Argon, Krypton, Neon oder Helium, gefüllt werden, das durch empfindliches Kathodenmetall, z. B. Nickel, nicht durchgeht.

Um Verluste des nicht diffundierenden Gases oder unzulässige Druckunterschiede, falls ein solches Gas in der Heizkammer verwendet wird, zu vermeiden, ist es zweckmäßig, eine mit dem Heizraum in Verbindung stehende Expansionskammer 89 (Fig. 10) vorzusehen, damit die erwärmten Gase in dieser Kammer 89 expandieren können, ohne unerwünschte Drücke oder irgendwelche Neigung zum Ausblasen zwischen Heizkammer und Außenluft zu verursachen.

In einer vereinfachten Ausführung des Gerätes, die in Fig. 3 dargestellt ist, kann das Steuergitter fortgelassen werden, und zwar dann, wenn eine

Stromregelung nicht verlangt wird, insbesondere bei Betrieb mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung. Wie ferner in Fig. 3 gezeigt ist, können ein oder mehrere Behälter für das flüssige Alkalimetall in Form von einem oder mehreren Löchern oder Vertiefungen 90, die in den Boden 22 der Anode 20 gebohrt sind, an Stelle des Fehlbodens 61 der Fig. 2 vorgesehen werden.

Fließt in der Röhre kein Strom, so wird verhältnismäßig wenig Wärme auf die Anode 20 übertragen, und es ist fast keine Kühlung notwendig. Bei Stromübergang zwischen Anode und Kathode wird der Kathode 24-30 ein bestimmter Energiebetrag als Folge ihrer Austrittsarbeit entzogen, was ein Abkühlen der Kathode nach sich zieht, und es ist gewöhnlich notwendig, den Heizstrom zu verstärken, um die von den Elektronen fortgeführte Energie zu kompensieren. Umgekehrt macht das Elektronenbombardement auf die Anode 20 einen ao beträchtlichen Energiebetrag frei, der die Temperatur der Anode 20 steigen läßt, und es ist notwendig, die Kühlung fast direkt proportional mit der Stärke des durch die Röhre gehenden Stromes zu verstärken.

Da die zur Aufrechterhaltung der Kathodentemperatur benötigte Wärme und der Wärmeentzug zur Aufrechterhaltung der Anodentemperatur wesentlich von der Belastung des Entladungsgefäßes 11 abhängen, so kann eine Heizungsregelung vorgesehen werden, die von einer im wesentlichen konstanten Spannung und außerdem von einer von der Strombelastung des Gerätes abhängigen Spannung beeinflußt wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird z. B. ein veränderlicher Heizstrom für die Kathodenheizung 65 mittels eines Transformators 91 zum Herabsetzen der Spannung (Niederspannungstransformators) erreicht, dessen Primärwicklung an einen Hilfstransformator 92 angeschlossen ist in Reihe mit einem induktiven Widerstand mit variabler Sättigung, dessen Steuerstrom der Belastungsstrom des elektrischen Dampfentladungsgefäßes ist.

Die Kühlung der Anode 20 kann ebenfalls so durchgeführt werden, daß sie in der Hauptsache von dem Wärmefluß von der Kathode 24-30 zur Anode 20 abhängt, der seinerseits wieder in der Hauptsache vom Belastungsstrom abhängig ist. So wird z. B., wie in Fig. 1 dargestellt, die Umdrehungszahl des Gebläses 19, das die Kühlluft über und um die Anode 20 treibt, durch die veränderliche Spannung geregelt, welche der Primärkreis des Kathodenheiztransfortnators 91 erregt. Diese veränderliche Spannung liegt über eine Gleichrichterbrücke 95 am Gebläsemotor 94.

Steigt der Belastungsstrom des elektrischen Dampfentladungsgefäßes, so steigt auch die Sättigung des induktiven Widerstandes 93, hierdurch sinkt seine Impedanz, was dazu führt, daß die von dem Transformator 92 dem Gleichrichtergerät 95 und von da dem Gebläsemotor 94 zugeführte Spannung wächst. Infolgedessen ist die Durchflußmenge des Kühlmittels direkt abhängig vom Belastungsstrom.

In der gleichen Weise erhält der in der Spannung veränderliche Kathodenheiztransformator 91 eine Spannung, die mit dem Belastungsstrom steigt, so daß die Heizung der Kathode 24 genügend anwächst, um einen Ausgleich für die durch den Elektronenfluß von der Kathode abgeführte Wärme zu schaffen.

Zusätzlich zur oder an Stelle der automatischen Regelung, die oben für die Heizung und das Ventilationsgebläse beschrieben wurde, können einstellbare Widerstandsregler vorgesehen werden, z. B. in Form eines variablen Widerstandes 96, der in Serie mit dem Gebläsemotor geschaltet ist, eines anderen variablen Widerstandes 97 (oder einer variablen Impedanz) in Serie mit der Klemme j6 der Kathodenheizung und eines weiteren variablen Widerstandes 98, der zwischen der Klemme JJ der Heizung für die Einschmelzstelle und einem Abwärtsoder Niederspannungstransformator 99 liegt, welch letzterer, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, von dem Hilfstransformator 92 erregt wird. Die variablen Widerstände 96, 97 und 98 können von Hand oder durch Thermostaten so eingestellt werden, daß bestimmte Betriebstemperaturen im Einklang mit der vorliegenden Erfindung aufrechterhalten werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

I. Elektrisches Dampf entladungsgefäß, bestehend aus einer Gefäßkonstruktion mit luftdichtem Abschluß der Stromdurchführungen gegen die isolierenden Gefäßteile (Einschmelzstelle), welches eine gewisse Menge eines verdampfbaren Metalls aus der von Caesium, Rubidium und Kalium gebildeten Gruppe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Metall bestehende Teil (34) der Einschmelzstelle eine leicht oxydierte, gegen Dampf Widerstandsfähige Oberflächenschicht besitzt, welche aus einem der Metalle Beryllium, Zirkon oder Titan besteht und geeignet ist, einer Reduktion durch den Metalldampf bei der an der Einschmelzstelle herrschenden Betriebstemperatur Widerstand zu leisten, wogegen als Grundmetall für den Metallteil der Einschmelzstelle eine Verbindung oder Legierung genommen wird, deren Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Isolators (33) möglichst nahekommt.
2. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht oxydierte Oberflächenschlicht auf eine dünne Schicht aus Beryllium, Zirkon oder Titan aufgebracht ist, welche in die Oberfläche des Metallteiles (34, 35) der Einschmelzstelle (33, 34, 35) diffundiert ist.
3. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode aus einem Metall besteht, welches einer Gruppe von Metallen entnommen ist, deren Austrittsarbeit (Elektronenvolt) über der Ionisationsspannung des Entladungsmetalls liegt.
4. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Elektronen emittierende Oberfläche der Kathode aus einem Metall besteht, dessen Dampfdruck niedrig genug ist, um schädliche Ablagerungen dieses Metalls auf anderen Flächen im Gefäß zu vermeiden, wenn die Temperatur dieses Metalls beim Betrieb 8oo° C übersteigt, und daß die angeführte Heizung so konstruiert ist, daß ein wesentlicher Teil der Kathode auf einer Betriebstemperatur über 700⁰ C gehalten wird.
5. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenmetall der Kathode eine Austrittsarbeit (in Elektronenvolt) hat, die bis zu etwa 0,6 Elektronenvolt größer ist als die Ionisationsspannung des die Entladung tragenden Metalldampfes, wobei bei den Zahlenwerten der Austrittsarbeit und der Ionisationsspannung nur die erste Dezimale eines Elektronenvolts berücksichtigt wird.
6. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Kalium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Elektronen emittierende Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Platin, Rhenium, Nickel, Palladium, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Wolfram oder Eisen besteht.
7. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Rubidium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Elektronen emittierende Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Kobalt, Molybdän, Eisen, Wolfram, Ruthenium, Osmium, Iridium, Rhodium, Palladium oder Nickel besteht.
8. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Caesium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Elektronen emittierende Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Columbium (Niobium), Titan, Vanadium, Tantal, Kobalt, Molybdän, Eisen, Wolfram, Ruthenium oder Osmium besteht.
9. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gelochter Wärmeschirm (52) zwischen die verhältnismäßig heiße Kathode und die verhältnismäßig kalte Anode geschoben ist, wobei mindestens ein Wärmeschirm die Bedingung erfüllen muß, daß die Wärmeübertragung zwischen ihm und der Kathode verhältnismäßig schlecht ist, d. h. daß die der Kathode zugekehrte Seite eine Oberfläche hat, die Wärme verhältnismäßig schlecht absorbiert, während die der Anode zugekehrte Seite eine Oberfläche hat, die Wärme verhältnismäßig gut ausstrahlt.
10. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Elektrode aus massivem Metall ohne wesentliche Emissionsfähigkeit, die als Anode oder Gitter dient, dadurch gekennzeichnet, daß diese Elektrode eine Oberfläche hat, die einer Gruppe von Metallen entnommen ist, deren Austrittsarbeit niedriger als die Ionisationsspannung des verdampfbaren Metalls ist und deren Schmelzpunkt über der höchsten Betriebstemperatur dieser im wesentlichen nicht emittierenden Elektrode liegt.
• 11. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach Anspruch 10 mit Kalium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht emittierende Elektrode eine Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Molybdän, Kobalt, Tantal, Vanadium, Titan, Columbium (Niobium), Zirkon, Hafnium, Thorium oder Beryllium besteht.
12. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 10 mit Rubidium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht emittierende Elektrode eine Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Tantal, Vanadium, Titan, Columbium (Niobium), Zirkon, Hafnium, Thorium oder Beryllium besteht.
13. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach Anspruch 10 mit Caesium als dem die Entladung tragenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht emittierende Elektrode eine Oberflächenschicht hat, welche aus einem der Metalle Zirkon, Hafnium, Thorium oder Beryllium besteht.
14. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Gitterelektrode zwischen Kathode und Anode, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die heißesten Teile des Gitters (50, 51) eine verhältnismäßig schlecht Wärme absorbierende Oberfläche auf der der Kathode zugekehrten Seite und eine verhältnismäßig gut Wärme strahlende Oberfläche auf der der Anode zugekehrten Seite haben.
15. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach den Ansprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der gelochte Wärmeschirm (52) oder mehrere Wärmeschirme zwischen der Kathode (24) und der Gitterelektrode (50) liegen.
16. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem zylindrischen Anodenstück (21), das an einem Ende (22) geschlossen ist, einem zylindrischen Kathodenstück (24), das an einem Ende (25) geschlossen ist, wobei zwischen dem geschlossenen Ende (25) des zylindrischen Kathodenstückes und dem geschlossenen Ende (22) des zylindrischen Anodenstückes ein Zwischenraum ist, einer Anzahl von axial voneinander abstehenden Kathodenrippen (30), welche das genannte Kathodenstück nahe an seinem Ende ringförmig umgeben, wobei zwischen den Außenkreisen der Kathodenrippen und dem zylindrischen Teil des Anodenstückes ein Abstand ist, und Gefäßteilen (36, 35, 33, 34, 38, 37) 39)) darunter ein luftdichter Abschluß der

stromführenden Metallteile gegen die isolierenden Gefäßteile (35, 33, 34), welche die offenen Enden des genannten zylindrischen Anodenstückes (21) und des genannten zylindrischen Kathodenstückes (24) miteinander verbinden.
17. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des zylindrischen Kathodenstückes (24) mit einem praktisch gasdichten, abnehmbaren Endverschluß (66-69) versehen ist.
18. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Kathodenstück (24) länger ist als das zylindrische Anodenstück (21), so daß das offene Ende des zylindrischen Kathodenstückes über das offene Ende des zylindrischen Anodenstückes herausragt und der luftdichte Abschluß (35, 33, 34) mit einem Zwischenraum um das herausstehende Ende des Kathodenstückes liegt, und daß in dem genannten zylindrischen Kathodenstück Heizvorrichtungen (65, 73) angeordnet sind, die dazu dienen, den mit Rippen versehenen Teil (30) des Kathodenstückes und den Teil des Kathodenstückes, der an dem genannten Abschluß (35, 33, 34) liegt, verschieden regelbar zu erwärmen.
19. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausdehnbarer Behälter (89) angebracht ist, der mit dem Innenraum des genannten zylindrischen Kathodenstückes (24) in Verbindung steht (Fig. 10).
20. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des zylindrischen Kathoden-Stückes (24) mit einem inerten Gas von ungefähr Atmosphärendruck gefüllt ist.
21. Elektrisches Dampf entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Ventil versehener Auslaß (88, Fig. 9) das Eintreten von atmosphärischer Luft in den Innenraum des zylindrischen Kathodenstückes (24) regelt.
22. Elektrisches Dampfentladungsgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine herausnehmbare Heizvorrichtung (65) in der Kathode (24) angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

I 9593 2.