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Gasentladungsröhre mit einer radioaktiven, gasförmigen Substanz Die
Erfindung befaßt sich mit der Anwendung von radioaktiven gasförmigen Substanzen
in elektrischen Gasentladungsröhren, und zwar insbesondere in Gasentladungsröhren,
welche mindestens beim Einschalten kalte Kathoden haben, so daß keine thermionische
Emission zur Unterstützung der Anfangsionisation des gasförmigen Mediums zur Verfügung
steht. Die Erfindung erweist sich als besonders nützlich in Verbindung mit Gasentladungsröhren,
die als Regelorgane in elektrischen Stromkreisen Verwendung finden, bei denen es
darauf ankommt, daß das Anfangspotential im wesentlichen konstant ist und insbesondere
nicht über einen gegebenen Sollwert hinausgeht.
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Es gibt technische Anwendungsgebiete, bei denen die Schwankung der
Durchschlagspannung zwischen dem Betrieb bei Licht und dem Betrieb bei Dunkelheit
außerordentlich unerwünscht ist.
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Zur Vermeidung dieser Schwankung' ist es bekannt, eine kleine Menge
an festem radioaktivem Material in den Röhrenkolben einzubringen. Zum Beispiel kann
man in die Röhre eine kleine Menge an Uranoxyd (U308) einbringen, und zwar in Form
einer Suspension oder Paste, die man auf die Innenseite des Kolbens aufträgt und
vor dem Abschmelzen der Röhre trocknet und bäckt. Jedoch hat die Einbringung des
Uranoxyds und der Paste oder des Tragmittels in die Röhre unausweichlich zur Folge,
daß Verunreinigungen eingeführt werden, und außerdem ist die Einbringung selbst
eine unbequeme und schmutzige Arbeit.
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Es ist weiterhin bekannt, in Gasentladungsröhren eine geringe Menge
Radium, z. B. in Form eines Salzes einzubringen. Beim natürlichen Zerfall des Radiums
wird bekanntlich laufend das radioaktive Edelgas Emanation gebildet, in der Gasfüllung
der Röhre ist also dadurch stets eine dem Zerfallsgleichgewicht der eingebrachten
Radiummenge entsprechende Menge Emanation vorhanden. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls
eine Verringerung des Zündverzuges in der Dunkelheit erreicht. Radiumsalze sind
aber sehr teuer, außerdem hat Emanation unter allen Edelgasen die geringste Ionisierungsspannung,
durch den Emanationsgehalt kann also eine unerwünschte Änderung der elektrischen
Eigenschaften der Röhre eintreten.
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Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere
soll durch die Erfindung der Anstieg der Durchschlagspannung bei Dunkelheit verringert
bzw. praktisch beseitigt werden.
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Bei einer elektrischen Entladungsröhre mit zwei vorzugsweise kalten
Elektroden, von denen mindestens eine als Kathode arbeitet, einer Gasfüllung und
einer radioaktiven gasförmigen Substanz zur Verringerung des Dunkelheitseffektes
ist erfindungsgemäß die radioaktive Substanz ein radioaktives Isotop eines der Gasbestandteile
der Füllung. Ein über die gesamte ionisierbare Füllung feinverteiltes radioaktives
Gas bewirkt eine wirksamere Ionisation der Füllung als ein festes radioaktives Material,
das auf die Kolbenwandung aufgebracht oder auf einen bestimmten Bereich innerhalb
der Röhre konzentriert ist. Weiterhin gestaltet sich bei Verwendung von radioaktivem
Material, das von Anfang an in Gasform vorliegt, die Fabrikation der Entladungsröhren
besonders bequem. Das radioaktive Gas kann in winzigen Mengen der regulären Gasfüllung
für die Röhre zugesetzt werden und wird dann beim Gaseinlassen während des Fertigungsprozesses
reit in den Kolben eingebracht. Die Beimischung des radioaktiven Materials erfolgt
dadurch automatisch und erfordert keine zusätzlichen Arbeitsgänge, wie z. B. das
Aufstreichen von festem, radioaktivem Material auf die Kolbenwandung.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß das der
Füllung beigemischte radioaktive Gas ein Isotop des oder eines der regulären Füllgase
ist. Da das Isotop die gleiche chemische Beschaffenheit hat wie das normale Gas,
von welchem es hergeleitet ist, und da es sich von letzterem lediglich in seinen
physikalischen Eigenschaften unterscheidet, wird durch den Zusatz des Isotops zur
Füllung diese chemisch nicht verändert. In Fällen, wo das Isotop ein von der Füllung
verschiedenes Gas ist, stellt es in gewissem Sinne eine Verunreinigung dar, was
zu unliebsamen Wirkungen führen oder aus anderen Gründen unerwünscht sein kann.
Ist dagegen das radioaktive Gas ein Isotop eines der Bestandteile des regulären
Füllgases, so stellt es, mindestens im chemischen
Sinne, keine
Verunreinigung dar und ändert die chemische Beschaffenheit der Füllung nicht.
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Die Röhre wird in bekannter Weise evakuiert und mit einem aus einem
inerten Gas und Wasserstoff bestehenden ionisierbaren Medium gefüllt. Bei der vorliegenden
Ausführungsform besteht die Füllung im wesentlichen aus 84 Volumprozent Argon und
16 Volumprozent Wasserstoff mit einem Gesamtdruck von einigen wenigen hundert Millimetern
Quecksilber bei Zimmertemperatur.
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Gemäß der Erfindung wird der Gasfüllung eine kleine Menge eines radioaktiven
Isotops einer der Bestandteile der Gasfüllung beigegeben. Es hat sich gezeigt, daß
an sich verschiedene radioaktive Gase geeignet sind, vorzugsweise soll jedochTritium
verwendet werden. Tritium (111a) ist ein radioaktives Wasserstoffisotop mit der
Massenzahl 3; es ist ein reiner ß-Strahler mit einer Halbwertszeit von 12,5 Jahren.
Die maximale Energie der ß-Strahlen beträgt 0,019 MeV.
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In einer Entladungsröhre, bei der der Kolbendurchmesser ungefähr 19
mm und die Entladungsstrecken oder der Abstand zwischen den Elektroden 3 mm beträgt,
liegt die Wiederholungsdurchschlagspannung bei ungefähr 3700 Volt für einen Füllungsdruck
von 670 mm Quecksilber. Die Wiederholungsdurchschlagspannung ist diejenige Spannung,
die erforderlich ist, um die Entladung auszulösen, wenn die Röhre seit einer früheren
Entladung lediglich für eine kurze Zeitdauer, z. B. für eine Dauer von einer Sekunde
oder weniger, gelöscht was. Derartige Röhren können dann als brauchbar angesehen
werden, wenn die Dunkeldurchschlagspannung die Wiederholungsdurchschlagspannung
um nicht mehr als 7,5 °/a überschreitet. Das Ausmaß der für die Erreichung dieses
Zieles erforderlichen Radioaktivität hängt davon ab, eine wie große Verzögerungsdauer
man zwischen dem Anlegen der Spannung und dem Einsetzen des Durchschlags bzw. der
Entladung zulassen kann. Im vorliegenden Falle wurden die Röhren in der Weise geprüft,
daß man sie an einen Kondensator anschloß, dessen Ladedauer 1/3 Sekunden betrug,
wobei die Röhren mit einer Geschwindigkeit von drei Entladungen pro Sekunde gezündet
wurden. Unter diesen Bedingungen wurde für diejenige Radioaktivität, die erforderlich
ist, um die Dunkeldurchschlagspannung auf einem die Wiederholungsdurchschlagspannung
um nicht mehr als 7,5 °/o überschreitenden Wert zu halten, ein Schwellenwert von
0,1 Mikrocurie ermittelt. Um jedoch einen gewissen Sicherheitsspielraum zu schaffen,
und um dem etwa beim Betrieb der Röhre auftretenden Verschleiß an Tritium Rechnung
zu tragen, verwendet man zweckmäßigerweise eine Radioaktivität von einigen wenigen
Mikrocurie, beispielsweise 10 Mikrocurie. ` Eine Entladungsstreckenröhre mit einer
Wiederholungsdurchschlagspannung von 1500 Volt und von im übrigen den gleichen Eigenschaften
wie die oben beschriebenen Einrichtungen kann man dadurch erhalten, daß man den
Druck des Füllgasgemisches auf ungefähr 200 mm Quecksilber herabsetzt. Bei einer
derartigen Röhre verwendet man zum Zwecke der gewünschten Beseitigung des Dunkelanstieges
der Durchschlagspannung eine Radioaktivität von 3 Mikrocurie.
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Die für die Erzeugung der Radioaktivität erforderliche Menge an radioaktivem
Isotop läßt sich auf Grund der folgenden Überlegungen ermitteln. Eine Radioaktivität
von 1 Curie soll derjenigen Anzahl von Zerfallsakten pro Sekunde entsprechen, die
in 1 g Radium auftreten. Definitionsgemäß ist zur Zeit 1 Curie = 3,7 # 1010 Zerfallsakte
pro Sekunde. Die Masse eines Isotops, die erforderlich ist, um eine gegebene Radioaktivität
zu liefern, ist der Halbwertzeit umgekehrt proportional und läßt sich durch die
folgende Formel darstellen W=2,8.10-g.M.Tl/2.A worin W = Masse in Gramm,
:'VI = Molekulargewicht (6 für Tritium), T 1/2 = Halbwertzeit in Jahren,
A
= Radioaktivität in Curie bedeutet. Um bei Tritium eine Radioaktivität von
10 Mikrocurie zu erreichen, ist eine Masse von 2 Nanogramm erforderlich. Um ungefähr
die gleiche Radioaktivität mit dem früher verwendeten Uranoxyd zu erhalten, waren
100 Milligramm erforderlich. Man sieht, daß die erforderliche Masse des erfindungsgemäß
verwendeten Tritiums um den Faktor 5 -107
kleiner ist als die Masse des früher
für den gleichen Zweck verwendeten Uranoxyds.
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An Stelle des Tritiums stehen erfindungsgemäß auch andere gasförmige
Radioisotope zur Verwendung in elektrischen Gasentladungsröhren zur Verfügung. Besonders
geeignete gasförmige Radioisotope für die Verwendung in Gasentladungsröhren oder
-lampen sind außer dem Tritium radioaktives Argon 18A39 sowie radioaktives Krypton
"Kr86. Radioaktives Argon hat eine Halbwertzeit von 260 Jahren und emittiert Betastrahlen
mit einer maximalen Energie von 0,56 MeV. Radioaktives Krypton hat eine Halbwertzeit
von 9,4 Jahren und emittiert Betastrahlen mit einer maximalen Energie von 0,07 MeV.
Setzt man erfindungsgemäß der inerten Gasfüllung in Glimmentladungsschaltern für
Leuchtröhren eine Spur an radioaktivem Krypton zu, so hat man damit einen billigen
und praktischen Ersatz für das ,Uranoxyd oder das sonstige feste Ionisierungsmittel,
dessen Verwendung früher üblich war.