DE1022699B - Gas- oder dampfgefuelltes elektrisches Entladungsgefaess langer Lebensdauer mit heizbarer Oxydkathode aus Nickel und einem auf Nickel aufgetragenen Elektronen emittierenden UEberzug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gas- oder dampfgefülltes elektrisches Entladungsgefäß mit heizbarer Oxydkathode, insbesondere Stromtor, wie es in den verschiedenartigsten Schaltungsanordnungen benutzt wird.

Es sind bereits sehr unterschiedlich aufgebaute gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße zum Zwecke der Gleichrichtung bekannt, bei denen die Kathode, sei es als beheizte oder unbeheizte, im wesentlichen aus Nickel besteht und häufig eine bei Glühkathoden von Hochvakuumröhren übliche Oxydschicht aufweist. Aber auch die Anoden derartiger Röhren werden je nach spezifischer Belastung aus Nickel hergestellt und dazu mehr oder weniger handelsübliches Nickel benutzt.

Bekanntlich ist die Betriebsdauer solcher Entladungsgefäße innerhalb der die Betriebsdaten, insbesondere die Brennspannung, vom Verbraucher gewünschte Toleranzgrenzen nicht überschreiten, noch relativ gering. Durch einfache Mittel die Betriebsdauer derartiger Entladungsgefäße wesentlich zu verbessern, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Es herrscht offensichtlich in Fachkreisen allgemein die Ansicht vor, daß bei Gasentladungsröhren mit heizbarer Kathode, insbesondere Stromtoren, für die Kathode besondere Gesichtspunkte maßgebend sind, die bei Kathoden in entsprechenden Hochvakuumentladungsgefäßen keine Rolle spielen. Als besonders kritisch wird allgemein der sogenannte Trommeleffekt angesehen, der darauf beruht, daß durch den stattfindenden Ionenaufprall die aktive. Schicht in erheblichem Maße zerstäubt wird. Diesem Vorgang überlagert sich außerdem noch bei stärkerer Belastung der Röhre eine erhöhte Verdampfung der Emissionssubstanz infolge der vom Ionenquerstrom in der Emissionsschicht hervorgerufenen örtlichen Erhitzung. Es sind deshalb bei Kathoden für Gasentladungsgefäße schon relativ frühzeitig verschiedenartige Vorkehrungen zur Vermeidung dieser Übelstände getroffen worden, die darin bestehen, daß zur Erzielung einer größeren Festigkeit und Haftfestigkeit den üblichen Erdalkalikarbonaten in stärkerem Maße Kalziumkarbonate bzw. mehr oder weniger artfremde Substanzen, wie Thoriumoxyd oder Wasserglas, als Bindemittel zugesetzt wurden. Die Anwendung dieser die spezifische Emission herabsetzenden Mittel, aber auch allgemein die Befürchtung, daß das für die Emissionsgüte einer Kathode unbedingt erforderliche Barium bei Kathoden von Gasentladungsröhren zu schnell verbraucht wird und deshalb einer intensiven Nachlieferung bedarf, hat unter anderem zu einer Entwicklung geführt, auf Grund derer bei der normalen Oxydkathode der Schichtträger aus einer verhältnismäßig aktiven Nickellegierung hergestellt wird, indem dem Nickel mehr oder weniger ausgeprägte Reduktionsmetalle zugesetzt werden. Bekanntermaßen stellen solche aktiven Zusätze im allgemeinen aber starke Zwischenschichtbildner insofern dar, als sich auf Gas- oder dampfgefülltes elektrisches

Entladungsgefäß langer Lebensdauer

mit heizbarer Oxydkathode aus Nickel

und einem auf Nickel aufgetragenen

Elektronen emittierenden überzug

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. rer. nat. Karl Ludwig Rau, München,
ist als Erfinder genannt worden

solchen Trägern mit derartigen Metallzusätzen in Zusammenwirken mit der Emissionsschicht durch chemische Reaktion eine besondere Schicht ausbildet, die sich im Betrieb ohne oder mit nur geringem Emissionsstrom stark entaktiviert und dadurch einen im Vergleich zu der übrigen Emissionsschicht hohen Widerstand darstellt. Derartige Betriebszustände, bei denen gar kein oder nur ein geringer Strom fließt, können gerade bei Stromtoren entsprechend ihrem jeweiligen Anwendungsgebiet, z. B. bei Alarmanlagen, über sehr lange Zeiträume auftreten. Unabhängig davon wird die Ausbildung des Zwischenschichtwiderstandes zusätzlich noch durch die Höhe der gewählten Kathodentemperatur sowie durch die unterschiedliche Sauberkeit bei der Herstellung beeinflußt. Da der am Zwischenschichtwiderstand sich ausbildende Spannungsabfall das zwischen der Kathode und einer Beschleunigungselektrode wirkende Beschleunigungsfeld herabsetzt, wird zwar nicht die Zündspannung, dagegen aber die für ein Stromtor maßgebliche Brennspannung dahingehend ungünstig beeinflußt, daß ihr Wert im Betrieb mehr oder weniger ständig ansteigt.

Betrachtet man nun das Lebensdauerende eines elekirischen Entladungsgefäßes dann als erreicht, wenn seine maßgeblichen elektrischen Daten nicht mehr innerhalb der bei den heutigen Anforderungen sehr engen Toleranzen liegen, so werden bei selbst noch ausreichender Kathodenergiebigkeit nur relativ kurze Lebensdauern erreicht.

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Diese Übelstände auf einfachste Weise durch besondere Auswahl des Kathodennickels zu beseitigen und dadurch gleichzeitig eine erheblich größere Lebensdauer der Gasentladungsröhren als sie bisher erreicht wurde zu ermöglichen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Gasentladungsgefäß, insbesondere Stromtor mit heizbarer Oxydkathode aus Nickel und einem auf Nickel aufgetragenen, Elektronen emittierenden Überzug, nach der Erfindung

eine erhebliche Elektrolyse auftritt, die ihrerseits eine ausreichende Schichtaktivierung bewirkt.

Eine weitere Maßnahme der Erfindung besteht darin, daß die übrigen, gegenüber der Kathode wesentlich positiv vorgespannten Elektrodensystemteile, soweit sie nicht funktionsmäßig bedingt aus anderen Werkstoffen, z. B. Wolfram, beschaffen sein müssen, aus passivem Nickel oder ähnlich passiv wirkendem Metall hergestellt werden. Benutzt man nämlich für solche Teile nicht

zur Konstanthaltung der Brennspannung über eine Be- io passives Kathoden-, sondern handelsübliches Nickel, so

kann durch die bei derartigem Nickel stets vorhandenen Beimengungen unter Mitwirkung des Entladungsvorganges im Betrieb zusätzlich eine Beeinflussung der Emissionsschicht erfolgen.

Der bei Gasentladungsröhren durch die Maßnahme gemäß unserer Erfindung erzielte Fortschritt läßt sich am besten an Hand von Diagrammen erkennen und beurteilen. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Diagramme geben die unterschiedlichen elektrischen Röhren

triebszeit von mehreren tausend Stunden der Emissionsschichtträger der Kathode aus extrem passivem Nickel hergestellt, das außer Kobalt nur noch weitere beim Herstellungsvorgang des Trägers unvermeidliche und. oder für diesen unbedingt erforderliche Metalle in geringen Spuren enthält.

Auf dem Gebiet der elektrischen Hochvakuumentladungsgefäße ist es bereits bekannt, daß sich Röhren langer Lebensdauer, bei denen sich also die maßgeblichen

Röhrendaten innerhalb dieser Zeit nur im Rahmen der 20 daten nach 10000 Stunden Betriebsdauer von zwei an vorgesehenen Toleranzen ändern, mit Kathoden, deren sich gleichen Stromtoren wieder, von denen das eine Emissionsschichtträger aus passivem Nickel beschaffen gemäß Fig. la und Ib einen Emissionsstoffträger aus sind, herstellen lassen. Ferner ist bekannt, daß Röhren "normalem, und das andere entsprechend der Fig. 2a mit derart beschaffenem Kathodenmaterial in der Praxis, und 2b aus extrem -passivem.. Nickel besitzt. Die besonders in der Massenfertigung, sich jedoch sehr 25 Ausdrücke -passives, normales oder aktives Nickel«, schwer aktivieren lassen, weil bei ihnen im Rahmen der sind für den Hochvakuumröhrenfachmann geläufige üblichen thermischen Behandlung praktisch keinerlei Begriffe. Die Abszisse stellt in allen vier Teildiagrammen Reduktionsäktivierung auftritt. jeweils die Heizspannung dar, mit der die betreffenden,

Wegen dieser Tatsache und der anfangs geschilderten indirekt geheizten Kathoden während der Betriebsdauer Gründe besteht allgemein die Auffassung, daß für heiz- 30 von 10 000 Stunden betrieben wurden. Als Ordinaten bare Oxydkathoden von Gasentladungsröhren passives sind aufgetragen, in Abhängigkeit von der Heizspannung Nickel ungeeignet ist und daß statt dessen für sie un- und damit indirekt von der Kathodentemperatur für bedingt aktives Nickel verwendet werden muß. Ent- zwei verschiedene Betriebszustände, nämlich für den sprechend angestellte Untersuchungen haben jedoch reinen Heizbetrieb (ausgezogene Linien) und einen ergeben, daß mit Kathoden, deren Träger aus extrem 35 50-Hz-Betrieb (gestrichelte Linien), die zugehörigen Zünd- »passivem.. Nickel bestehen, nicht nur Gasentladungs- und Brennspannungen. Die bei Stromtoren vorwiegend röhren schlechthin herzustellen sind, sondern daß diese auftretende Betriebsart entspricht Spannungskurven, darüber hinaus im Hinblick auf den üblichen Verwen- die etwa zwischen den beiden Kurven, entsprechend den dungszweck zuverlässiger arbeiten und eine längere vorher erwähnten Betriebszuständen, liegen. Gemessen Lebensdauer besitzen, innerhalb der die maßgebliche 40 wurden die aufgetragenen Zündspannungswerte mit Brennspannung sich nicht wesentlich ändert. Eine Gleichspannung, die Brennspannungswerte als Puls-Begründung für diesen überraschenden Effekt ist wohl
darin zu sehen, daß einmal, wie eingangs bereits ausgeführt, der Trommeleffekt sich nicht so wesentlich nachteilig auswirkt und daß darüber hinaus im Vergleich zu 45
Hochvakuumröhren selbst bei den zur Anwendung
kommenden Elektronenströmen infolge des sehr viel
stärkeren Quer-Ionenstromes in der Emissionsschicht

spannungen, mit denen bei einer Heizspannung von 5,7 Volt, also bei Unterheizung, ein Emissionssättigungsstrom erreicht wurde.

Der Emissionsträger gemäß Fig. 2 a und 2 b ist aus extrem «passivem.. Nickel mit nachfolgend in Gewichtsprozent angegebenen Beimengungen hergestellt:

Co Al Mg Si Ti W Cu Fe Mn
0,140 0,002 0,003 0,008 0,005 — 0,010 0,022 0,002 passives Nickel
* * 0,035 0,012 * * 0,002 0,030 * normales Nickel

Darunter sind zum Vergleich die entsprechenden Werte von einem als "normal., zu bezeichnenden Nickel aufgezeigt, wie es für die Kathode gemäß den Fig. la und Ib verwendet wurde.

Durch die in der zahlenmäßigen Gegenüberstellung in der unteren Reihe eingefügten Sternzeichen (*) wird zum Ausdruck gebracht, daß der betreffende Wert nicht besonders ermittelt wurde, aber nicht, daß er nicht vorhanden war.

In allen vier Teildiagrammen ist zunächst die vorgegebene obere Toleranzgrenze eingetragen und mit 1 bezeichnet. Darunter ist ebenfalls als eine waagerechte Linie die jeweilige Anfangszündspannung 2 bzw. -brennspannung 3, d. h. für die Betriebszeit t = 0 dargestellt. Während bei reinem Heizbetrieb 4 und 4' die Zündspannung für den dargestellten Heizbereich von 5,7 bis

7,0 Volt stets den gleichen, aber einen niedrigeren Wert als die Anfangszündspanmmg hat, steigt diese für den 50-Hz-Betrieb 5 und 5' allerdings ohne Unterschied für beide Nickelarten bei niedrigen Heizwerten derart an, daß ihr Wert bereits bei normaler Heizspannung (6,3 Volt) über die Toleranzgrenze hinaus geht. Die Zündspannung hat sich bei beiden Nickelarten nach 10 000 Stunden Betriebsdauer also in gleicher Weise erhöht. Anders sind die Verhältnisse bezüglich der Brennspannung. Hier ist im Falle des normalen Nickels gemäß Fig. Ib die Brennspannung sowohl im 50-Hz-Betrieb 7 als auch im reinen Heizbetrieb 6, jedoch letztere in sehr viel stärkerem Maße über die Toleranzgrenze 1 erhöht. Ein Stromtor mit einem als »normal., bezeichneten Nickel als Emissionsträger besitzt danach also eine sehr viel kürzere Lebensdauer als 10000 Stunden. Dies wird

noch sehr viel ausgeprägter bei Verwendung von »aktivem« Nickel. Beim Stromtor mit einem extrem »passiven Nickel« liegen dagegen die Verhältnisse sehr viel günstiger. Seine Brennspannungskurve in bezug auf den 50-Hz-Betrieb 7 unterscheidet sich bei zehnprozentiger Unterheizung kaum von der Anfangsspannungskurve 3, um dann bei höheren Heizwerten schwach anzusteigen, so daß sie selbst bei einer zehnprozentigen Überheizung (7,0 Volt) erst in geringem Maße den Sollwert überschreitet. Beim ungünstigeren, reinen Heizbetrieb 6' liegt die entsprechende Brennspannungskurve zumindest bei einer Normalheizspannung noch unter dem Toleranzwert, so daß das betreffende Stromtor selbst nach 10 000 stündiger Betriebsdauer noch vollauf den durch die Toleranzgrenze versinnbildlichten Anforderungen entspricht.

Ein Vergleich der beiden Diagramme Ib und 2 b läßt eindeutig den technischen Fortschritt erkennen, der bei elektrischen Gasentladungsgefäßen, insbesondere Stromtoren, durch die Maßnahme nach der Erfindung gegenüber dem bisher Bekannten erzielt wird.

Claims (2)

Patentansprüche·.

1. Gas- oder dampf gefülltes Entladungsgefäß, insbesondere Stromtor langer Lebensdauer mit heizbarer Oxydkathode aus Nickel und einem auf Nickel aufgetragenen, Elektronen emittierenden Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsstoffträger der Kathode aus extrem »passivem« Nickel besteht, das außer Kobalt nur weitere, beim Herstellungsvorgang des Trägers unvermeidliche und/oder für diesen unbedingt erforderliche Metalle in geringen Spuren enthält.

2. Gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen, insbesondere gegenüber der Kathode wesentlich positiv vorgespannten metallischen Elektrodensystemteile, wie Anode, Schirmgitter usw., aus »passivem« Nickel hergestellt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 660 223;
USA.-Patentschriften Nr. 2451556, 2 426 255.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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