DE1022699B

DE1022699B - Gas or vapor-filled electrical discharge vessel with a long service life with a heatable oxide cathode made of nickel and an electron-emitting coating applied to nickel

Info

Publication number: DE1022699B
Application number: DES48519A
Authority: DE
Inventors: Rer Nat Karl Ludwig Rau Dr
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-04-27
Filing date: 1956-04-27
Publication date: 1958-01-16

Description

Die Erfindung betrifft ein gas- oder dampfgefülltes elektrisches Entladungsgefäß mit heizbarer Oxydkathode, insbesondere Stromtor, wie es in den verschiedenartigsten Schaltungsanordnungen benutzt wird.The invention relates to a gas or vapor-filled electrical discharge vessel with a heatable oxide cathode, in particular Stromtor, as it is used in a wide variety of circuit arrangements.

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.There are already very differently constructed gas or vapor-filled discharge vessels for the purpose of Rectification is known in which the cathode, be it as heated or unheated, is essentially made of nickel and often has an oxide layer that is common in hot cathodes of high vacuum tubes. But also the anodes of such tubes are made of nickel, depending on the specific load, and more or less commercially available nickel is used.

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.It is known that the operating time of such discharge vessels is within the operating data, in particular the Burning voltage, do not exceed tolerance limits requested by the consumer, still relatively low. By Simple means of significantly improving the service life of such discharge vessels is the object of the present invention Invention.

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 elektrischesThere is obviously in specialist circles generally the view that with gas discharge tubes with heatable Cathode, especially current gates, for the cathode special considerations are decisive, which at Cathodes in corresponding high vacuum discharge vessels do not play a role. When becomes particularly critical generally considered the so-called drum effect, which is based on the fact that the ion impact that takes place the active one. Layer is atomized to a considerable extent. This process is also superimposed if the tube is more heavily loaded, there is an increased evaporation of the emission substance as a result of the ion cross-flow local heating caused in the emission layer. There are therefore with cathodes for Gas discharge vessels take various precautions to avoid these inconveniences at a relatively early stage been taken, which consist in the fact that to achieve greater strength and adhesive strength the usual Alkaline earth carbonates to a greater extent calcium carbonates or more or less foreign substances, such as thorium oxide or water glass, were added as a binder. The application of this the specific Emission-reducing means, but also in general the fear that that for the emission quality of a Cathode absolutely necessary barium for cathodes of gas discharge tubes is consumed too quickly and therefore requires an intensive subsequent delivery, has led, among other things, to a development on the basis of which in the case of the normal oxide cathode, the substrate is made of a relatively active nickel alloy by adding more or less pronounced reducing metals to the nickel. Well known However, such active additives are generally strong interlayer formers in that they act Gas or steam filled electrical

Entladungsgefäß langer LebensdauerLong service life discharge vessel

mit heizbarer Oxydkathode aus Nickelwith heatable nickel oxide cathode

und einem auf Nickel aufgetragenenand one coated on nickel

Elektronen emittierenden überzugElectron emitting coating

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Applicant:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. rer. nat. Karl Ludwig Rau, München,
ist als Erfinder genannt wordenDr. rer. nat. Karl Ludwig Rau, Munich,
has been named as the inventor

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.such carriers with such metal additives in cooperation with the emission layer by chemical Reaction forms a special layer, which is strongly deactivated in operation with no or only a low emission current and thus a comparison represents high resistance to the rest of the emission layer. Such operating states in which no or only a small amount of current flows, especially with current gates according to their respective field of application, z. B. in alarm systems, occur over very long periods of time. Regardless of this, the training will be of the interlayer resistance also by the level of the selected cathode temperature as well as influenced by the different levels of cleanliness during manufacture. Since the one at the interlayer resistor voltage drop that develops between the cathode and an acceleration electrode If the acceleration field is reduced, it is not the ignition voltage, but that for a current gate relevant operating voltage has an unfavorable effect that its value in operation more or less constantly increasing.

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.If we now consider the end of the life of an electrical Discharge vessel is then reached when its relevant electrical data is no longer within the very tight tolerances with today's requirements If the cathode yield is sufficient, only relatively short lifetimes are achieved.

709 849/316709 849/316

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.To eliminate these deficiencies in the simplest way by a special selection of the cathode nickel and thereby at the same time, a considerably longer service life of the gas discharge tubes than has previously been achieved enable is the object of the present invention.

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 ErfindungTo solve this problem, in a gas discharge vessel, in particular current gate with heatable oxide cathode made of nickel and one applied to nickel, Electron-emitting coating according to the invention

eine erhebliche Elektrolyse auftritt, die ihrerseits eine ausreichende Schichtaktivierung bewirkt.considerable electrolysis occurs, which in turn causes sufficient layer activation.

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 nichtAnother measure of the invention is that the rest, compared to the cathode, is essential positively biased electrode system parts, unless they are made of other materials due to their function, z. B. tungsten, must be made of passive nickel or similar passive-acting metal will. You don't use it for such parts

zur Konstanthaltung der Brennspannung über eine Be- io passives Kathoden-, sondern handelsübliches Nickel, soto keep the operating voltage constant via a passive cathode but commercially available nickel, see above

kann durch die bei derartigem Nickel stets vorhandenen Beimengungen unter Mitwirkung des Entladungsvorganges im Betrieb zusätzlich eine Beeinflussung der Emissionsschicht erfolgen. can due to the admixtures that are always present in such nickel, with the assistance of the discharge process the emission layer is also influenced during operation.

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 RöhrenThe progress made in gas discharge tubes by the measure according to our invention can be achieved best recognized and judged on the basis of diagrams. The diagrams shown in FIGS give the different electric tubes

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.operating time of several thousand hours of the emission layer carrier the cathode is made of extremely passive nickel, which apart from cobalt only has more for the Manufacturing process of the carrier inevitable and. or for this absolutely necessary metals in Contains minor traces.

Auf dem Gebiet der elektrischen Hochvakuumentladungsgefäße ist es bereits bekannt, daß sich Röhren langer Lebensdauer, bei denen sich also die maßgeblichenIn the field of electrical high vacuum discharge vessels, it is already known that tubes long service life, in which the relevant

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,Tube data within this time only within the scope of the 20 data after 10000 hours of operation of two provided tolerances change, with cathodes whose current gates are identical again, one of which Emission layer carriers made of passive nickel procure an emission material carrier according to Fig. La and Ib can be produced. It is also known that tubes "normal, and the other according to FIG. 2a with cathode material of this type in practice, and 2b made of extremely passive ... nickel. the especially in mass production, but very 25 expressions - passive, normal or active nickel «, It is difficult to activate because they are within the scope of which are familiar to the high-vacuum tube specialist usual thermal treatment practically no terms. The abscissa represents in all four partial diagrams Reduction activation occurs. each represents the heating voltage with which the relevant,

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 EmissionsschichtBecause of this fact and the above-mentioned indirectly heated cathodes during the operating period, there is a general opinion that 30 out of 10,000 hours were operated for heating. Oxyd cathodes of passive gas discharge tubes are plotted as ordinates, depending on the heating voltage, nickel is unsuitable and that instead of them, depending on the cathode temperature, conditionally active nickel must be used. However, two different operating states, namely for the relevant investigations, have shown pure heating operation (solid lines) and one that with cathodes, their carriers from extremely 35 50 Hz operation (dashed lines), the associated ignition »passive. Nickel exist, not just gas discharge and burning voltages. The tubes are primarily to be produced with current gates, but that this operating mode corresponds to voltage curves, in addition, with regard to the usual use, they work more reliably between the two curves, depending on the purpose, and a longer previously mentioned operating state. Have measured service life within which the relevant 40 were the applied ignition voltage values with operating voltage does not change significantly. A direct voltage, the burning voltage values as a pulse reason for this surprising effect is probably
to be seen in the fact that once, as already stated at the beginning, the drum effect does not have such a significant disadvantageous effect and that, moreover, in comparison to FIG
High vacuum tubes even in the application
coming electron currents as a result of the very much
stronger transverse ion current in the emission layer

spannungen, mit denen bei einer Heizspannung von 5,7 Volt, also bei Unterheizung, ein Emissionssättigungsstrom erreicht wurde.voltages with which at a heating voltage of 5.7 volts, i.e. with underheating, an emission saturation current was achieved.

Der Emissionsträger gemäß Fig. 2 a und 2 b ist aus extrem «passivem.. Nickel mit nachfolgend in Gewichtsprozent angegebenen Beimengungen hergestellt:The emission carrier according to FIGS. 2a and 2b is made of extremely "passive" nickel with the following in percent by weight specified admixtures:

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 NickelCo Al Mg Si Ti W Cu Fe Mn
0.140 0.002 0.003 0.008 0.005 - 0.010 0.022 0.002 passive nickel
* * 0.035 0.012 * * 0.002 0.030 * normal 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.Below, for comparison, the corresponding values of a nickel to be designated as "normal." Are shown, as it was used for the cathode according to FIGS. La and Ib.

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.The asterisk (*) inserted in the numerical comparison in the lower row becomes Expressed that the relevant value was not specially determined, but not that it does not exist was.

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 bisIn all four sub-diagrams, the specified upper tolerance limit is initially entered and denoted by 1. The respective initial ignition voltage 2 or ignition voltage 3, ie for the operating time t = 0, is also shown below as a horizontal line. While in pure heating mode 4 and 4 'the ignition voltage for the heating range shown is from 5.7 to

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 wird7.0 volts always has the same, but a lower value than the initial ignition voltage, this increases for the 50 Hz operation 5 and 5 ', however, without any difference for both types of nickel at low calorific values, in such a way that that their value goes beyond the tolerance limit even at normal heating voltage (6.3 volts). The ignition voltage has increased in the same way for both types of nickel after 10,000 hours of operation. Different are the relationships with regard to the operating voltage. In the case of normal nickel according to FIG. Ib the operating voltage both in 50 Hz operation 7 and in pure heating operation 6, but the latter to a great extent increased to a greater extent above tolerance limit 1. A power gate with a nickel designated as "normal." as an emission carrier, it has a very much shorter lifespan than 10,000 hours. this will

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.even more pronounced when using "active" Nickel. In the case of the power gate with an extremely »passive nickel«, on the other hand, the conditions are much more favorable. Its burning voltage curve in relation to 50 Hz operation 7 differs with ten percent underheating hardly from the initial voltage curve 3, only to increase slightly at higher calorific values, so that even with ten percent overheating (7.0 volts) it only slightly exceeds the setpoint. In the more unfavorable, pure heating mode 6 ', the corresponding burning voltage curve is at least at a normal heating voltage still below the tolerance value, so that the relevant current gate itself after 10,000 hours of operation are still fully operational the tolerance limit corresponds to the symbolized requirements.

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.A comparison of the two diagrams Ib and 2 b clearly shows the technical progress that has occurred in electrical gas discharge vessels, in particular current gates, by the measure according to the invention the previously known is achieved.

Claims

Claims ·.

1. Gas or vapor-filled discharge vessel, especially power gate with a long service life and a heatable one Oxide cathode made of nickel and an electron-emitting coating applied to nickel, thereby characterized that the emission material carrier of the cathode consists of extremely "passive" nickel, that apart from cobalt only other, unavoidable during the manufacturing process of the carrier and / or for contains small traces of these essential metals.

2. Gas or vapor-filled discharge vessel according to claim 1, characterized in that the remaining, in particular, metallic electrode system parts that are significantly positively biased towards the cathode, such as anode, screen grid, etc., are made of "passive" nickel.

Considered publications:
German Patent No. 660 223;
U.S. Patent Nos. 2451556, 2,426,255.

1 sheet of drawings