DE967713C

DE967713C - Emissionselektrode fuer elektrische Entladungsroehren und Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode

Info

Publication number: DE967713C
Application number: DEW12927A
Authority: DE
Inventors: Thomas H Heine; George Meister
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1953-02-09
Filing date: 1953-12-29
Publication date: 1957-12-05
Also published as: FR1095943A; US2724070A; GB739367A; BE526330A; ES213564A1

Description

Die Erfindung betrifft Elektroden mit Elektronen emittierenden, durch Aufschmelzen hergestellten Überzügen von elektrischen Entladungsröhren, insbesondere von Leuchtstofflampen mit Sofortzündung. Gewöhnlich ist es beim Einschalten einer Leuchtstofflampe notwendig, die Kathoden vorzuwärmen, um ein vorzeitiges Versagen der Kathode durch den Verlust von Emissionsmaterial aus der Ionen- und Elektronenbeschießung zu verhindern. Hierdurch entsteht normalerweise eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Einschalten der Kathodenheizung der Leuchtstofflampe und dem Anlegen der Zündspannung an die Elektroden. Um diese Zündverzögerung bei Leuchtstofflampen auszuschalten und eine Kathode langer Lebensdauer zu schaffen, ist es bereits bekannt, eine Leuchtstofflampe mit einer Kathode, deren emittierender Überzug durch rasches Aufheizen der mit der Ausgangssubstanz überzogenen Elektrode von 500 auf iioo^c C in weniger als 30 Sekunden aufgeschmolzen ist, zu versehen. Bei einer solchen Lampe wird die Zündspannung direkt an die vorher nicht erwärmte Kathode gelegt, so daß sich ein sofortiger, verzögerungsloser Start ergibt. Kathoden mit aufgeschmolzenem Überzug und deren Herstellung sind in der USA.-Patentschrift 2 476 590 beschrieben. Das Emissionsmaterial für diese bekannten Kathoden mit aufgeschmolzenem Überzug ist Bariumoxyd oder ein Gemisch von ein oder mehr Erdalkalimetalloxyden. Die Lebensdauer einer Leuchtstofflampe mit einer solchen Kathode ist im allgemeinen größer als die

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einer Lampe, mit einer Kathode, deren Elektronen emittierender Überzug nicht durch derartiges rasches Aufheizen von 500 auf 1100° C aufgeschmolzen ist. Besonders groß ist diese Verlängerung der Lebensdauer in den Fällen, in denen häufige verzögerungslose Zündung erforderlich ist wie z. B. beim Geben von Lichtsignalen. Dagegen ist die Lebensdauer von Leuchtstofflampen, die Kathoden mit aufgeschmolzenem Bariumoxydüberzug haben, bei normalem Betrieb mit Sofortzündung (z. B. bei einem Betrieb mit jeweils 20 Minuten Unterbrechung nach 3stündigem Brennen) nur ebenso gut oder geringfügig besser als die der üblichen Leuchtstofflampen mit Kathoden mit nicht aufgeschmolzenem Überzug. Eine geringe Verbesserung dieser \^rerhältnisse konnte durch Verwendung von Bariumoxyd und Zirkonoxyd als Kathodenüberzugsmaterial erzielt werden, jedoch befriedigten auch diese Röhren noch nicht. Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die vorerwähnten Schwierigkeiten und die Nachteile der bekannten Entladungsröhren, insbesondere Leuchtstofflampen, zu vermeiden durch Anwendung eines Emissionsmaterials für einen aufgeschmolzenen Kathodenüberzug, der eine lange Lebensdauer aufweist. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch einen aufgeschmolzenen Überzug aus 81,5 bis 98,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd und dem Rest aus Magnesiumoxyd erreicht.

Die Zeichnung zeigt, teilweise im Schnitt, eine Leuchtstofflampe mit Sofortzündung und einer Kathode mit einem aufgeschmolzenen Überzug aus dem erfindungsgemäßen Emissionsüberzugsmaterial.

Obgleich die Erfindung bei Elektronen emittierenden Elektroden jeder Art von elektrischen Entladungsröhren anwendbar ist, kommt die Erfindung in erster Linie für eine Leuchtstofflampe mit Sofortzündung in Frage.

In der Zeichnung ist die Leuchtstofflampe mit 10 bezeichnet. Die Lampe 10 hat eine lichtdurchlässige Hülle 12 und an jedem Ende einen Sockel 14. Eine Elektrode 16 ist an jedem Ende der Hülle vorgesehen. 18 sind die Zuführungsleiter, die, in einen vorspringenden Preßteil 20 eingebettet, die elektrische Verbindung zu den Sockeln 14 herstellen. Die Kathode, die beim Einschalten kalt und im Betrieb heiß ist, besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Draht, der in bekannter Weise zu einer Doppelwendel gewunden ist. Das Drahtmaterial ist vorzugsweise Wolfram oder Molybdän. Der nach der Erfindung anzuwendende emittierende Überzug ist zum Zwecke des Härtens nur auf die innere Wendel des Doppelwendeldrahtes aufgeschmolzen, wie es in analoger Weise auch in Fällen mit bekannten Aktivierungen geschieht. In der Hülle 12 befindet sich zur Erzeugung von Quecksilberdampf eine kleine Quecksilbermenge 22. Eine Füllung von inertem, ionisierbarem Gas, wie Argon, erleichtert das Anlassen der Lampe. Dieses Gas hat einen Druck von 3,2 mm Quecksilbersäule, und der Druck des Quecksilberdampfes beträgt im Betrieb io~² mm. Die Innenseite der Hülle 12 ist mit einem Leuchtstoff 24 überzogen.

Wie schon eingangs gesagt, wurden in Leuchtstofflampen mit sofortiger, verzögerungsloser Zündung schon Kathoden mit aufgeschmolzenem Überzug be- j nutzt, wobei der Überzug aus einem oder mehr Erdalkalioxyden, vorzugsweise aber nur aus Bariumoxyd allein bestand. Die Herstellung der Kathodenüberzüge erfolgte auf folgende, analog bei der Erfindung anzuwendende Weise: Auf das Grundmetall der Kathode wird ein Überzug aus Bariumkarbonat oder einer anderen zum Oxyd reduzierbaren Bariumverbindung aufgebracht. Zu diesem Zweck wird das Bariumkarbonat zunächst durch Mahlen auf geeignete Korngröße gebracht, mit einem Bindemittel vermischt und sodann z. B. durch Zerstäuben, Streichen od. dgl. aufgetragen. Bei dem nachfolgenden Erhitzen beginnt die Zersetzung des Bariumkarbonats bei etwa 500° C. Jedoch wird die Temperatur bei der Schmelzbehandlung sehr rasch auf 1100° C gesteigert, so daß das Karbonat vor dem Erreichen der Temperatur von 1100⁰ C sich nur wenig zersetzen kann. Folglich wird das Karbonat von 500 bis zu 1100° C innerhalb von 30 Sekunden oder noch besser innerhalb von 20 Sekunden erhitzt, wenn es sich um das Erhitzen einer indirekt beheizten Kathode handelt. Bei Anwendung einer direkt beheizten Drahtkathode, wie sie bei der in der Zeichnung dargestellten Röhre verwandt ist, kann die Erhitzungszeit auf 10 Sekunden reduziert werden, da der hitzebeständige Metalldraht in direktem Kontakt mit dem Bariumkarbonat steht und eine raschere Erhitzung ermöglicht. Der nach der Erfindung anzuwendende Elektronen emittierende aufgeschmolzene Überzug der Kathode enthält 1,5 bis 18,5 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd und 81,5 bis 98,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd. An die Stelle eines Teils des Magnesiumoxyds kann Zirkondioxyd treten, jedoch darf Zirkondioxyd 17,3 Gewichtsprozent aller Oxyde nicht übersteigen. Die Menge von Bariumoxyd, die in dem geschmolzenen emittierenden Überzug enthalten ist, wird durch die Menge des Bariumkarbonats bestimmt, welche die zunächst ungeschmolzene Überzugsmischung enthält, welche beim Schmelzen zu Bariumoxyd reduziert wird. Es hat sich herausgestellt, daß bei weniger als 85 Gewichtsprozent Bariumkarbonat in der ungeschmolzenen Mischung, die vorher erläuterte Methode der Hitzebehandlung nicht zu einem geschmolzenen Elektronen emittierenden Überzug führt. Die ursprüngliche Mischung für den aufgeschmolzenen Überzug muß also mindestens 85 Gewichtsprozent Bariumkarbonat enthalten. Die Gewichtsprozente des Magnesiumoxyds in der ungeschmolzenen Übe.rzugsmischung können zwischen ι und 15 variieren, und dabei kann das Magnesiumoxyd teilweise höchstens bis zu 14 Gewichtsprozent durch Zirkondioxyd ersetzt sein. Die nach dem Schmelzen, also nach der Reduktion des Bariumkarbonats zu Bariumoxyd, auftretenden Prozentsätze des Bariumoxyds, Magnesiumoxyds und Zirkondioxyds sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

Überzugsmischung vor dem Schmelzen

Komponente

Bariumkarbonat
Magnesiumoxyd
Zirkondioxyd ...

Zulässige
Gewichtsprozente

85 bis 99

15 .. ι
0 „ 14

Magnesiumoxyd und Zirkondioxyd betragen zusammen nicht mehr als 15 Gewichtsprozent.

Geschmolzener Emissionsüberzug

Komponente

Bariumoxyd ...

Magnesiumoxyd

Zirkondioxyd...

Zulässige Gewichtsprozente

81,5 bis 98,5

l8,5 „ 1,2 O „ 17,3

Magnesiumoxyd und Zirkondioxyd betragen zusammen nicht mehr als 18,5 Gewichtsprozent.

Die Gesamtgewichtsmenge des aufgeschmolzenen Emissionsüberzuges, die bei jeder Kathode verwendet werden kann, kann je nach der Verwendungsart variieren; so wird für eine 40-Watt-Leuchtstofflampe mit Sofortzündung eine Menge von 13 bis 18 mg an geschmolzenem Überzugsmaterial genügen.

Ein aufgeschmolzener Kathodenüberzug, der bei Prüfungen der Lebensdauer besonders gute Ergebnisse erzielte, besteht aus 87,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd, 6,25 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd und 6,25 Gewichtsprozent Zirkondioxyd. Um einen diese Prozentsätze an Material enthaltenden aufgeschmolzenen Kathoden-Emissionsüberzug zu bekommen, muß man das Grundmetall der Kathode mit einem Material überziehen, das folgende Zusammensetzung aufweist: 90 % Bariumkarbonat, 5 % Magnesiumoxyd

und 5 °/o Zirkondioxyd. Dieses Überzugsmaterial kann vorbereitet und aufgetragen werden, indem eine Mischung von Karbonat und Oxyden durch eine Kugelmühle zu kleinen Partikelchen verarbeitet und in bekannter Art mit einem Bindemittel vermengt und dann die so erhaltene Mischung durch Aufstreichen, Aufsprühen oder Eintauchen aufgetragen wird. Zur Herstellung des aufgeschmolzenen Überzuges wird die Kathode alsdann in der vorbeschriebenen Weise erhitzt.

Anstatt von Bariumkarbonat, Magnesiumoxyd und Zirkondioxyd bei der Herstellung des Überzuges auszugehen, können andere Verbindungen dieser Metalle verwendet werden, welche sich durch Erhitzen zu Oxyden des Bariums bzw. Magnesiums und Zirkons zersetzen.

Zur Prüfung einer Elektrode nach der Erfindung wurde ein Material mit einer Zusammensetzung von 87,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd, 6,25 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd und 6,25 Gewichtsprozent Zirkondioxyd für eine 40-Watt-Leuchtstofflampe mit Sofortzündung verwendet.

Die Lampen wurden dann längere Zeit betrieben mit jeweils 20 Minuten Unterbrechung nach 3stündiger Betriebsdauer. Als Vergleichslampen dienten Lampen mit Kathoden folgender Zusammensetzung:

87,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd und 12,5 Gewichtsprozent Zirkondioxyd; diese Zusammensetzung hatte sich bisher bezüglich der Lebensdauer als am besten für aufgeschmolzene Kathodenüberzüge erwiesen. Die Durchschnittslebensdauer der Kathoden in den Vergleichslampen betrug etwa 4700 Stunden, während diejenige der Kathoden in den Lampen mit dem neuen Emissionsmaterial ungefähr 6882 Stunden betrug, was eine Erhöhung der Lebensdauer um 46% bedeutet.

Die Erfindung kann auch bei indirekt beheizten Kathoden wie bei Radioröhren angewendet werden. In diesem Falle müßte das Grundmetall der Kathode aus Nickel oder einer Legierung aus Nickelkobalt und Eisentitan bestehen. η₀

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Emissionselektrode für elektrische Entladungsröhren, insbesondere Leuchtstofflampen mit Sofortzündung, bestehend aus einem hitzebeständigen Metallkörper mit einem durch rasches Aufheizen der mit der Ausgangssubstanz überzogenen Elektrode von 500 auf ι 100° C in weniger als 30 Sekunden aufgeschmolzenen, Elektronen emittierenden Überzug, z. B. Doppelwendel aus Wolfram oder Molybdän, bei der vorzugsweise nur die innere Wendel als Träger des aufgeschmolzenen emittierenden Überzuges dient, gekennzeichnet durch einen Überzug aus 81,5 bis 98,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd und dem Rest aus Magnesiumoxyd.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Überzug das Magnesiumoxyd teilweise, höchstens bis zu 17,3 Gewichtsprozent aller Oxyde, durch Zirkondioxyd ersetzt ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Überzug aus etwa 87,5 Gewichtsprozent Bariumoxyd, etwa 6,25 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd und etwa 6,25 Gewichtsprozent Zirkondioxyd zusammensetzt.

4. Elektrode, insbesondere indirekt beheizte, nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Grundkörper aus Nickel oder einer Legierung aus Nickelkobalt und Eisentitan, auf welchen der Überzug aufgeschmolzen ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Emissionselektrode nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Auftragen einer Überzugsmischung aus 85 bis 99 Gewichtsprozent Bariumkarbonat und ι bis 15 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd, das teilweise durch Zirkondioxyd ersetzt sein kann, und durch nachfolgende Temperaturerhöhung der überzogenen Elektrode innerhalb von 10 bis 30 Sekunden von 500 auf 1100⁰ C.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 647 728, 597 580, 600129, 627520, 467675, 540760; USA.-Patentschriften Nr. 2 530 394, 2 266 662; britische Patentschrift Nr. 484 548;

Buch von Herrmann und Wagener, »Die Oxydkathode«!·, II. Teil, Technik und Physik, 2. Auflage, 1950, S. 201.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 T09 792/75 11.57