DE933704C

DE933704C - Melted, controllable electrical discharge vessel with gas filling

Info

Publication number: DE933704C
Application number: DES7721D
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Kniepkamp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1941-01-08
Filing date: 1941-01-08
Publication date: 1955-09-29

Description

Abgeschmolzenes, steuerbares elektrisches Entladungsgefäß mit Gasfüllung Das Bestreben, steuerbare Entladungsgefäße mit Glühkathode und einer oder mehreren Steuergittern auch für rauhe Betriebe brauchbar zu machen, führte dazu, daß man die Gefäßwandungen derartiger Entladungsgefäße aus Metall, z. B. Eisen, herstellte. Für derartige Entladungsgefäße wurde meist eine Quecksilberdampffüllung vorgesehen, weil sich gezeigt hat, daß bei der Füllung des Gefäßes mit Edelgasen, insbesondere Argon, die Lebensdauer des Entladungsgefäßes keine genügend hohen Werte erreicht. Bei der Anwendung einer Quecksilberdampffüllung ergeben sich jedoch im Betriebe wegen der Abhängigkeit des Quecksilberdampfdruckes von der Temperatur Unzuträglichkeiten. Bei zu kaltem Gefäß ist die Zündung erschwert, und bei zu warmem Gefäß besteht die Gefahr, daß Rückzündungen auftreten. Ferner besteht bei Verwendung von Metallgefäßen die Schwierigkeit, daß das ganze Gefäß gleichmäßig heiß wird, so, daß nicht wie im Fuß von Glasröhren eine kalte Stelle gefunden wird, die einen genügend kleinen Dampfdruck bestimmt. Mit Rücksicht auf diese Schwierigkeiten kann man derartige Entladungsgefäße nicht so weit ausnutzen, wie es bei dauernd günstigen Betriebsbedingungen möglich wäre. Man hat nun vorgeschlagen, neben einer Quecksilberdampffüllung auch Edelgase in den Entladungsraum einzubringen. Damit kann man aber die geschilderten Schwierigkeiten nicht restlos beseitigen. Man kann auch daran denken., auf eine Metalldampffüllung überhaupt zu verzichten und lediglich eine Edelgasfüllung vorzusehen. Bisher hat man dabei gefunden, daß sich keine ausreichende Lebensdauer erreichen läßt, insbesondere wenn eine höhere Sperrspannung (etwa mehr als iooo Volt) verlangt wird. Der Grund hierfür scheint darin zu liegen, daß der höchstzulässige Druck der Gasfüllung durch die Sperrspannung begrenzt ist und daß bei den mit Rücksicht auf die Sperrspannung zulässigen Drücken die sich im Laufe des Betriebes einstellende Druckverminderung so rasch vor sich geht, daß wegen zu geringen Gasdruckes in de@r Durchlaßphase eine Behinderung der Entladung und damit eine Steigerung der Brennspannung auftritt. Dies führt bei Oxydkathoden zu einer vorzeitigen Zerstörung ihrer Emissionsfähigkeit. Es hat sich nun wider Erwarten gezeigt, daß bei geeigneter Wahl des Füllgases und des Druckes sich auch bei Gasentladungsgefäßen für hohe Betriebsspannungen mit metallischer Gefäßwandung und Oxydkatho,de als Elektronenquelle eine ausreichende Lebensdauer in der Praxis erzielen läßt. Gemäß derErfindung wird bei einem abgeschmolzenen steuerbaren Glühkathodenentladungsgefäß mit einer oder mehreren Steuerelektroden und im wesentlichen metallischer Gefäßwandung als Füllgas Xenon, gegebenenfalls auch Krypton oder ein Gemisch aus beiden Gasen verwendet, dessen Druck unter i Torr liegt und in bezug auf die Elektro:denabstände so gewählt wird, daß gerade die vorgeschriebene Spannungssicherheit in der Sperrphase erreicht wird. Dabei lassen sich ohne besondere Schwierigkeiten, insbesondere bei Drücken zwischen i -' io-1 bis 2 - ro-1 To.rr Sperrspannungen von 5oo bis iooo Volt erreichen.Fused, controllable electrical discharge vessel with gas filling The endeavor to provide controllable discharge vessels with a hot cathode and one or more Making control grids useful even for rough operations led to the fact that one the vessel walls of such discharge vessels made of metal, e.g. B. iron, produced. A mercury vapor filling was usually provided for such discharge vessels, because it has been shown that when filling the vessel with noble gases, in particular Argon, the service life of the discharge vessel does not reach sufficiently high values. When using a mercury vapor filling, however, arise in the company because of the dependence of the mercury vapor pressure on the temperature, inefficiencies. If the container is too cold, ignition is more difficult, and if the container is too warm it will not work Risk of re-ignition. Furthermore, there is the use of metal vessels the difficulty that the whole vessel gets evenly hot, so that not how a cold spot is found at the base of glass tubes which is sufficiently small Determined vapor pressure. With these difficulties in mind, such Do not use discharge vessels as much as under continuously favorable operating conditions it is possible. It has now been proposed, in addition to a mercury vapor filling, too Bring noble gases into the discharge space. But you can do the described Do not completely eliminate difficulties. One can also think of it., On a Metal vapor filling to do without at all and only to provide a noble gas filling. So far has it has been found that it is not possible to achieve a sufficient service life, in particular if a higher reverse voltage (about more than 100 volts) is required. The reason this seems to lie in the fact that the maximum permissible pressure of the gas filling through the reverse voltage is limited and that with regard to the reverse voltage permissible pressures the pressure reduction that occurs in the course of operation goes on so quickly that due to insufficient gas pressure in de @ r passage phase a Obstruction of the discharge and thus an increase in the operating voltage occurs. In the case of oxide cathodes, this leads to a premature destruction of their emissivity. It has now been shown, contrary to expectations, that with a suitable choice of the filling gas and of the pressure, even in the case of gas discharge vessels for high operating voltages with metallic The wall of the vessel and the oxide cathode, as an electron source, have a sufficient lifespan can be achieved in practice. According to the invention, a melted controllable Hot cathode discharge vessel with one or more control electrodes and essentially metallic vessel wall as filling gas xenon, possibly also krypton or a Mixture of both gases used, the pressure of which is below i Torr and related on the electrical: the spacing is chosen so that the prescribed voltage safety is reached in the blocking phase. Without any particular difficulties, especially at pressures between i - 'io-1 to 2 - ro-1 To.rr blocking voltages of Reach 500 to 100 volts.

Vergleichsversuche an Röhren gleicher Bauform und gleicher Abmessungen, die mit Argon oder Xenon solchen Druckes gefüllt wurden, daß sich in beiden Fällen eine Sperrspannung von etwa i5oo Volt ergibt, haben beispielsweise ergeben, daß bei den argongefüllten Röhren nach 5oo bis iooo Stunden ein starker Anstieg der Brennspannung entsteht, der bald zur Zerstörung der Kathode führt, während die xenongefüllten Röhren bei fast gleichbleibender Brennspannung eine Lebensdauer von mehreren iooo Stunden erreichen. Dieses Ergebnis ist besonders deshalb überraschend, weil die Sperrspannung, gleiche Verhältrisse vorausgesetzt, bei den Edelgasen in der Reihenfolge Xenon, Krypton, Argon, Neon; Helium stark zunimmt und man hieraus den Schluß ziehen mühte, daß die Gasaufzehrung auch bei Xenon und Krypton zu einer ebenso rasch wie bei Argon eintretenden Steigerung der Brennspannung führen mühte, zumal man bei gleichen Sperrspannungen bei Krypton und Xenon von etwas niedrigerem Druck ausgehen mühte. Die von dieser Annahme abweichenden Erfahrungen finden ihre Erklärung in d-er Abhängigkeit der Brennspannung vom Gasdruck, die für Xenon und Krypton in einem Bereich unter i Torr ein Minimum durchläuft. In dem Druckbereich, in welchem dieses Minimum liegt, kommt man bei üblichen Elektrodenabständen be-I reits zu Sperrspannungen in der Größenordnung von iooo Volt. Der Anstieg der Brennspannung zu beiden Seiten des Minimums geht so langsam vor sich, daß man einen weiten Druckbereich erhält, in dem die Brennspannung unterhalb von Werten liegt, die für die Kathode gefährlich werden können. Der Druckbereich ist im Gegensatz zu Argon so groß, daß sich eine ausreichende Lebensdauer erzielen läßt: Bei Argon tritt zwar auch ein Minimum der Brennspannung auf; dieses liegt jedoch bei solchen Drücken, daß die erreichbaren Sperrspannungen weilt unterhalb von 5oo Volt (etwa bei 15o bis Zoo Volt) liegen.Comparative tests on tubes of the same design and dimensions, which were filled with argon or xenon of such a pressure that in both cases gives a reverse voltage of about 1500 volts, have shown, for example, that in the argon-filled tubes there was a sharp increase in the after 500 to 100 hours Burning voltage arises, which soon leads to the destruction of the cathode, while the xenon-filled ones Tubes have a service life of several iooo with an almost constant operating voltage Hours to reach. This result is particularly surprising because the Reverse voltage, assuming the same cracks, for the noble gases in the order Xenon, krypton, argon, neon; Helium increases sharply and one draws the conclusion from this struggled that the gas consumption, even with xenon and krypton, was as rapid as with argon occurring increase of the operating voltage lead to effort, especially since one with the same blocking voltages for krypton and xenon assume a slightly lower pressure struggled. Experiences deviating from this assumption are explained in d-he dependence of the operating voltage on the gas pressure, which is for xenon and krypton in one Range below i Torr passes through a minimum. In the print area in which this If the minimum is the normal electrode spacing, blocking voltages are already obtained on the order of iooo volts. The increase in the operating voltage on both sides of the minimum goes on so slowly that one obtains a wide pressure range, in which the operating voltage is below values that are dangerous for the cathode can be. In contrast to argon, the pressure range is so large that a can achieve a sufficient service life: With argon there is also a minimum of Operating voltage on; However, this is at such pressures that the achievable Reverse voltages are below 500 volts (around 15o to zoo volts).

In Fig. i ist für eine bestimmte Bauform von Entladungsgefäßen die Brennspannung in Abhängigkeit vom Druck für die fünf Edelgase dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß mit einer Xenonfüllung die Brennspannung bei einem Druck von o, i 5 Torr einen Minimalwert von i i Volt annimmt. Die Sperrspannung hat sich dabei bei einer bestimmten Rohrtype zu etwa iooo Volt ergeben. Bei einem Druck von o,o7 Torr ist die Brennspannung 11,7 Volt, die Sperrspannung bereits 16oo Volt. Bei einer Argonfüllung wird die Brennspannung von 11,7 Volt erst bei einem Druck von 1,3 Torr erreicht, bei dem die Sperrspannung bereits unter 150 Volt gesunken ist. Es zeigt sich also, daß . im Bereich kleinerer Drücke bei vorgeschriebener Sperrspannung von beispielsweise i5oo Volt mit Xenon ein Druckbereich gefunden werden kann, in dem die Brennspannung so, klein ist, daß eine Schädigung der Kathode vermieden wird.In FIG. I, for a specific design of discharge vessels, the Burning voltage shown as a function of pressure for the five noble gases. From it it can be seen that with a xenon filling the operating voltage at a pressure of o, i 5 Torr assumes a minimum value of i i volts. The reverse voltage has thereby result in about 100 volts for a certain type of pipe. At a pressure of o, o7 Torr, the burning voltage is 11.7 volts, the reverse voltage is already 1,6oo volts. At a Argon filling does not reach the operating voltage of 11.7 volts until a pressure of 1.3 Torr reached at which the reverse voltage has already dropped below 150 volts. It shows so that. in the range of lower pressures with the prescribed reverse voltage for example i5oo volts with xenon a pressure range can be found in which the running voltage is so small that damage to the cathode is avoided.

In gewissen Grenzen lassen sich ähnliche Vorteile bei der Verwendung von Krypton erzielen. Bei den benutzten Versuchsgasentladungsröhren mit Gittersteuerung liegt bei einer Kryptonfüllung das Minimum der Brennspannung (ii Volt) bei 0,4 Torr, die Sperrspannung bei diesem Druck dagegen bei 300 Volt. Die Brennspannung von 11,7 Volt bei o,15 Torr Krypton entspricht einer Sperrspannung von iöoo Volt.. - Bei Argon ergibt sich für die Sperrspannung von iooo Volt ein Druck von o,12 Torr und eine Brennspannung von 16 Volt. Es. zeigt sich also, da,ß das Verhältnis von Brennspannung zu Sperrspannung im Bereich kleiner Drücke (unter i Torr) für Xenon und Krypton im Vergleich zu Argon (für Neon und Helium liegen die Verhältnisse noch ungünstiger) besonders vorteilhaft ist. Dieses Verhältnis ist in der Fi.g. 2 für Xenon und Argon dargestellt. Die gestrichelten Linien verbinden Punkte gleichen Druckes. Man erkennt aus dieser Kurve, daß sich bei Xenon für eine bestimmte Sperrspannung stets eine wesentlich geringere Brennspannung ergibt.Within certain limits, similar advantages can be achieved using krypton. In the test gas discharge tubes with grid control used, the minimum operating voltage (ii volts) with a krypton filling is 0.4 Torr, while the reverse voltage at this pressure is 300 volts. The burning voltage of 11.7 volts at 0.15 Torr krypton corresponds to a blocking voltage of 100 volts. - With argon, the blocking voltage of 100 volts results in a pressure of 0.12 Torr and a burning voltage of 16 volts. It. So it is shown that the ratio of running voltage to reverse voltage in the range of low pressures (below i Torr) for xenon and krypton compared to argon (for neon and helium the ratios are even more unfavorable) is particularly advantageous. This relationship is shown in Fig. 2 for xenon and argon. The dashed lines connect points of equal pressure. It can be seen from this curve that in the case of xenon there is always a significantly lower operating voltage for a certain reverse voltage.

Für das in der Fig..2 dargestellte auffällige Verhältnis läßt sich folgende Begründung geben: Die Sperrspannung in den verschiedenen Gasen oder auch die Druckbereichsfeldstärke geht in erster Näh_ erung proportional mit der Ionisierungsspanneng der Gase. Die Ionisierungspannungen der Gase Xe, Kr, Ar Ne, He liegen bei 12,1 bzw. Krypton 15,7, 214. und 24 Volt. In derselben Reihenfolge nehmen also aueh die Sperrspannungen zu. Man könnte nun annehmen, daß derselbe Zusammenhang auch zwischen Ionisierungsspannung und Brennspannung besteht, insofern, als auch die Brennspannung um so höher sein muß, um dieselbe Anzahl Ionen für den Stromtransport zu bilden, je höher die Ionisierungsarbeit ist. Es müßte also das Verhältnis von Brennspannung zu Sperrspannung in erster Näherung unabhängig von der Gasart sein, so daß man für jedes Gas einen Druck findet, in dem das genannte Verhältnis den gleichen Wert hat.For the conspicuous relationship shown in Fig..2 can be give the following reason: the reverse voltage in the different gases or also as a first approximation, the pressure area field strength is proportional to the ionization voltage of the gases. The ionization voltages of the gases Xe, Kr, Ar Ne, He are 12.1 and Krypton 15.7, 214th and 24 volts. In the same Take order so also the reverse voltages. One could now assume that the same connection also exists between ionization voltage and operating voltage, insofar as as well the burning voltage must be higher by the same number of ions for the current transport to form, the higher the ionization work. So it would have to be the ratio of In a first approximation, the operating voltage to the reverse voltage must be independent of the type of gas, so that for each gas one finds a pressure in which the said ratio denotes has the same value.

Daß dies, wie die erwähnten Versuche zeigen, nicht der Fall ist, vielmehr bei Xenon ganz erheblich günstigere (kleinere) Werte für das Verhältnis von Brennspannung zu Sperrspannung erreicht werden als etwa bei Argon oder Helium, hat affenbar seine Ursache darin, daß in Xenon bei derselben Bogenstromstärke wesentlich weniger Ionen gebildet werden müssen als in Argon oder Helium; denn das Xenon hat ein wesentlich höheres Atomgewicht als Argon bzw. Helium und im Zusammenhang damit eine geringere Beweglichkit. Damit werden aber die Ionenverluste durch Wanddiffusion, wie sie sich aus dem zur Erreichung einer genügend hohen Sperrspannung nötigen gedrängten Aufbau der Elektroden ergeben, kleiner, so, daß tatsächlich weniger Ionen gebildet werden müssen, um dieselbe Ionenkonzentration aufrechtzuerhalten. Die Atomgewichte der Edelgase verhalten sich für He:Ne:Ar:Kr:Xe wie q.:20:39, 9:82# 9:13o; es ist also im Sinne der obigen Erklärung verständlich, daß das Xenon sich in besonderer Weise von den anderen Edelgasen absetzt.Rather, that this is not the case, as the experiments mentioned above show in the case of xenon, considerably more favorable (smaller) values for the relationship between the operating voltage to be reached with reverse voltage than with argon or helium, has its ape The reason for this is that in xenon with the same arc current strength significantly fewer ions Must be formed as in argon or helium; because the xenon has an essential higher atomic weight than argon or helium and, in connection with this, lower Mobility kit. However, this reduces the ion losses through wall diffusion as they are from the compact structure required to achieve a sufficiently high reverse voltage of the electrodes are smaller, so that actually fewer ions are formed must to maintain the same ion concentration. The atomic weights of the Noble gases behave for He: Ne: Ar: Kr: Xe as q.:20:39, 9: 82 # 9: 13o; so it is In the sense of the above explanation it is understandable that the xenon is in a special way separated from the other noble gases.

Der in Fig., i dargestellte Zusammenhang zwischen der Brennspannung in Xenan und dem Gasdruck führt zu einem weiteren fabrikatorischenVorteil der Xenonfüllung. Während sich die vorangehenden Ausführungen jedoch auf Entladungsgefäße mit metallischer Gefäßwandung hoher Sperrspannungen über iooo Volt bezogen, gelten die folgenden Ausführungen allgemein ohne Rücksicht auf eine bestimmte Bauform des Gefäßes. Dieser Vorteil ergibt sich aus dem Gasdruck des Xenons bei der Temperatur der flüssigen Luft, der bei 0,o8 Torr liegt. Dieser Wert liegt einerseits nahe am Minimum der Brennspannung, andererseits bei solchen Werten, daß sich leicht Sperrspannungen in der Größenordnung von 2ooo Volt mit üblichen Elektrodenabständen erzielen lassen. Durch Variieren der Elektrodenabstände lassen sich bekanntlich je nach Bedarf höhere oder niedere Sperrspannungen einstellen. Wenn man sich nun gemäß der Erfindung bei der Konstruktion des Entladungsgefäßes den Druck von o,o8 Torr vorgibt, dann hat man bei der Massenfertigung der Röhren ein sehr einfaches Mittel an der Hand, ohne besondere Maßnahmen oder Kontrolleinrichtungen stets den richtigen Fülldruck zu gewährleisten; denn man hat dann nur dafür zu sorgen, daß in der Pump- oder Fülleitung des Entladungsgefäßes sich eine mit flüssiger Luft gekühlte Falle befindet. Solange dann überhaupt genügend Xenon eingelassen wird, stellt sich selbsttätig der richtige Fülldruck als Dampfdruck des Xenons ein. Man hat also keinerlei Mühe damit, durch Einlassen genau dosierter Mengen, Abpumpen unter Kontrolle des Gasdruckes und ähnlicher Mittel für den richtigen Füllgasdruck zu sorgen. Dadurch werden die bei den bekannten Verfahren unvermeidlichen Streuungen des Füllgasdruckes bei der Massenherstellung vermieden, die ihrerseits zu Streuungen in den elektrischen Daten führen.The relationship shown in Fig., I between the running voltage in xenan and the gas pressure leads to a further manufacturing advantage of the xenon filling. However, while the preceding explanations relate to discharge vessels with metallic The following applies to vessel walls with high blocking voltages over 100 volts Versions in general without regard to a specific shape of the vessel. This The advantage arises from the gas pressure of the xenon at the temperature of the liquid Air which is 0.08 Torr. On the one hand, this value is close to the minimum of Burning voltage, on the other hand, at such values that reverse voltages can easily develop can be achieved in the order of magnitude of 2,000 volts with standard electrode spacings. It is known that, by varying the electrode spacings, greater distances can be achieved as required or set lower blocking voltages. If you are now according to the invention at the construction of the discharge vessel specifies the pressure of 0.08 Torr, then has one very simple means at hand in the mass production of the tubes, without special measures or control devices always ensure the correct filling pressure guarantee; because you then only have to ensure that in the pump or filling line of the discharge vessel there is a trap cooled with liquid air. So long if enough xenon is let in at all, the correct one is automatically set Filling pressure as the vapor pressure of the xenon. So you have no trouble getting through it Admitting precisely dosed amounts, pumping out under control of the gas pressure and the like Means to ensure the correct filling gas pressure. This will make the known Process unavoidable variations in the filling gas pressure in mass production avoided, which in turn lead to scatter in the electrical data.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Fused controllable hot cathode discharge vessel with gas filling for high blocking voltages of preferably over 100 volts and one serving as an electron source oxide cathode and one or more control electrodes and essentially metallic (e.g. made of iron) vessel wall, thereby characterized in that the discharge in Xeno: n, possibly also in Krypton or a mixture of the two gases passes and the gas pressure is below i Torr and in with respect to the electrode spacing is chosen so that the required reverse voltage results.

2. Discharge vessel according to claim i, characterized in that the pressure the gas filling approximately at the minimum that resulting for the filled discharge vessel Burning voltage is.

3. modification of the discharge vessels according to claim i, characterized characterized that when using xenon as the filling gas regardless of the material used for the vessel wall and regardless of the shape of the vessel the xenon filling pressure is chosen to be equal to the vapor pressure at the temperature of the liquid air will.