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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für eine
Gasentladungsröhre, die eine kaltemittierende Kathode bildet und
auf einem Metallträger eine aktive Schicht umfaßt, die zum
Hauptteil aus Erdalkalimetallverbindungen besteht.
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Die Gasentladungsröhren verwenden die Ionisierung einer
Gassäule durch den Durchtritt von Strom zwischen zwei
Elektroden, wobei diese ionisierte Säule eine Photonenstrahlung, die
direkt oder indirekt verwendet wird, durch Erregung einer
fluoreszenten Schicht emittiert, die die Röhre bedeckt.
Obwohl im allgemeinen die Entladungsröhren von
Wechseispannungsquellen ausgehend versorgt werden, die abwechselnde
Entladungsströme in jeder Richtung schaffen, ist der elementare
Entladungsstrom gleichgerichtet, wobei die eine Elektrode
eine Anode und die andere eine Kathode bildet.
Selbstverständlich bedeutet der Ausdruck "ein Gas" nicht, daß es sich
notwendigerweise nur um ein reines Gas handelt, sondern daß die
Zusammensetzung des Gases in der Röhre, reines Gas oder
Gasmischung, definiert ist.
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Genauer führt der Entladungsstrom zu einer
Lawinenionisierung, die durch die Elektronen beginnt, die von der Kathode
emittiert werden, und die in einen Zusammenstoß mit den
Gasmolekülen in der Nachbarschaft der Kathode treten, um
Elektronen-Ionen-Paare zu bilden, wobei die Elektronen und Ionen
dann durch das elektrische Eeld beschleunigt werden, um neue
Zusammenstöße hervorzurufen. Der Entladungsstrom führt zu
einer Bewegung der Gesamtheit der Elektronen von der Kathode
in Richtung der Anode, und der Ionen von der Anode in
Richtung der Kathode.
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Die Entladungsspannung zwischen den Elektroden wird durch die
Ionisierungsenergie des Gases und durch die
Ionisierungsanzahl pro Zusammenstöße bei der Kaskade bestimmt, die
notwendig sind, damit eine Elementarladung von der Kathode zu der
Anode tritt (es handelt sich selbstverständlich um eine
virtuelle Ladung und nicht um ein bestimmtes Elektron).
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Die Elektroden für Gasentladungsröhren, die als
Emissionskathoden arbeiten (im allgemeinen während eines Halbwechsels
von zweien einer Wechselquelle, wobei sie in diesem Fall
während des anderen Halbwechsels passiv als Anode arbeitet),
können in zwei Kategorien klassifiziert werden, die heiße
Kathoden bzw. kalte Kathoden genannt werden, wobei bei der
Emission von Elektronen durch die Kathode die thermoionische
Emission eine wesentliche oder unbedeutende Rolle spielt,
wohingegen die Sekundäremission unter den ionischen Einflüssen
eine sekundäre oder wesentliche Rolle spielt.
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Selbstverständlich spielt für die eine oder andere Kategorie
das Austrittspotential der Kathode (Barrierenpotential, das
die Elektronen überwinden müssen, um das Kathodenmaterial zu
verlassen) eine wichtige Rolle, die bestimmend für die
Auswahl der aktiven Schicht der Kathode ist.
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Die heißen Kathoden, wie die, mit denen gewöhnliche
fluoreszente Röhren ausgerüstet sind und die bei circa 1000 K
arbeiten, verursachen einen inneren schwachen Spannungsabfall in
der gleichen Größenordnung wie das Ionisierungspotential des
Gases, das die Atmosphäre der Röhre bildet, wobei die
thermoionische Emission einen wichtigen Teil des
Entladungsstromes
liefert. Es sei daran erinnert, daß gegenwärtig die
Beheizung der Kathode erhalten wird, indem der Träger aus einem
dünnen Faden gebildet wird, der auf circa 1000 K durch den
Durchtritt von Entladungsstrom erhitzt wird.
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Im Gegensatz dazu ist der elektronische Anfangsstrom, der
durch die kalten Kathoden emittiert wird, deren Temperatur
niedriger als 700 K ist, sehr schwach gegenüber dem
Gesamtentladungsstrom, welcher aus der Multiplikatorwirkung der
Lawinen-ionisierung herrührt, wobei der Nutzen der kalten
Kathoden auf der Tatsache beruht, daß sie keine Vorrichtungen
zur Beheizung umfassen, sowohl in der Röhre als auch in den
Versorgungsvorrichtungen, im Gegenteil ist der innere
Spannungsabfall durch die Kaskadenionisierung stark erhöht.
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Für die heißen Kathodenröhren ist die aktive Oberfläche der
Kathode gewöhnlich aus Erdalkalioxiden (Barium, Strontium und
Kalzium) gebildet, was zu einer thermischen Zersetzung von
Karbonaten führt, wobei diese Oxide infolge einer
Aktivierungsbehandlung ein schwaches Austrittspotential aufweisen.
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Während die kalten Kathoden weniger anspruchsvoll bezüglich
des Wertes des Austrittspotentials sind, und die Folgen einer
Erhöhung des Austrittspotentials durch eine Erhöhung des
Multiplikationskoeffizienten der Lawinenentladung kompensiert
werden können, versuchte man, das Austrittspotential der
Kathode zu reduzieren, indem ihr aktives Material aus
Erdalkalimetalloxiden gebildet wurde, um den inneren Spannungsabfall
insbesondere in dem Fall von kurzen Röhren zu reduzieren.
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Dennoch weisen derartige Kathoden Nachteile auf:
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- Aufgrund der Empfindlichkeit von Erdalkalioxiden
gegenüber Wasserdampf und CO&sub2; muß sich die Zersetzung von
Erdalkalimetallkarbonaten in Oxide nach dem Einbau der
Kathoden in der Röhre einschalten. Diese Kathoden
können aber nicht direkt durch den Durchtritt von Strom
beheizt werden. Es ist notwendig, um die Karbonate zu
zerlegen, ein Gas mit niedrigem Druck in die Röhre
einzuleiten und dort eine Entladung zu schaffen, wobei die
Intensität der Entladung und des Druckes in der Röhre
geregelt wird, um die Kathoden auf eine ausreichende
Temperatur aufzuheizen. Die Gase, die durch die Kathode
freigesetzt werden, werden sich dort mit dem Gas
mischen, wo man die Entladung schafft, so daß die
Zerlegung nicht unter hervorragenden Bedingungen bewirkt
wird;
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- die Aktivierung der Kathoden, die normalerweise (im Fall
der heißen Kathoden) eine Beheizung mit einer
gleichzeitigen Stromemission voraussetzt, ist in der
zusammengebauten Entladungsröhre schwierig wirksam zu
verwirklichen, wohingegen eine aktivierte Kathode gegenüber
Sauerstoff, Wasserdampf und kohlenstoffhaltigem Gas
empfindlich ist;
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- die aktivierten Erdalkalioxide haben die Tendenz, sich
unter dem Einfluß von Einwirkungen von Ionen mit großer
Energie zu deaktivieren.
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Die Schriften JP-A-54-144076 und JP-A-54-144077 beschreiben
Gasentladungslampen mit heißen Kathoden, wobei diese durch
eine klassische Fadenwendel gebildet sind, die mit
Bariumtitanat BaTiO&sub3; bzw. doppelten Barium- und Kalziumtitanaten mit
den Formeln Ba&sub3;CATiO&sub9; und Ba&sub2;CaTiO&sub5; beschichtet ist.
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Gemäß diesen Schriften werden die Titanate durch das folgende
Verfahren erhalten:
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- Man mischt mit für eine gesuchte Endzusammensetzung
geeigneten stöchiometrischen Verhältnissen Bariumkarbonat,
gegebenenfalls Kalziumkarbonat, und Titanoxid TiO&sub2; mit
einem organischen Bindemittel,
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- man bildet Preßkörper mit einer Masse, die zwischen 50 g
und 70 g dieser Mischung umfaßt,
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- man sintert diese Preßkörper bei circa 1200ºC,
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- man zermahlt diese bis zu einer Korngröße von einigen
Mikrometern, und man beschichtet die Fäden mit dem
Pulver, das in einem organischen Lösungsmittel verteilt
ist.
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Die derart verwirklichten Kathoden erforderten keinerlei
besondere Aktivierung, ihr Austrittspotential betrüge
1,3 - 1,4 V, das die gleiche Größenordnung ist, wie die der
Erdalkalimetalloxide (1, 1-1, 3).
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Es ist jedoch anzumerken, daß das mittlere Austrittspotential
des Bariumtitanats 1,35 V größer als das der Erdalkalioxide
(1,2 V) ist, was mit einbezieht, daß, um die gleiche
elektronische Emission wie die Erdalkalioxide bei 1000 K zu
erhalten, die Titanatkathode bei 1125 K liegen muß, und daß bei
gleicher Temperatur die Emission des Titanats in der
Größenordnung eines Drittels von der der Oxide liegen sollte.
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Zudem lehrt die JP-A-54-144076, daß für das Banumtitanat ein
stöchiometrischer Bariumoxidüberschuß zu einer
Stabilitätsverringerung der Entladungslampe im Betrieb, einer
Gasemissionsanreicherung und einer Schwärzung der Wände führt,
wohingegen ein stöchiometrischer Bariumoxidrnangel eine
Emissivitätsverringerung mit sich bringt. Man wäre versucht zu
folgern, daß jeder Unterschied der Stöchiometrie der Titanate
nachteilige Wirkungen hätte.
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Ausgehend von dem, was vorher gezeigt worden ist, wird man
festgehalten haben, daß die für die heißen Kathoden
erhaltenen Ergebnisse nicht a priori auf die kalten Kathoden
aufgrund sowohl der Herstellungszwänge als auch der
Betriebsunterschiede übertragbar sind.
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Und tatsächlich hat sich die Verwendung von
Erdalkalimetalltitanaten wie diesen für die Verkleidungen der kalten Kathode
der Gasentladungsröhren als nicht interessant erwiesen.
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In seiner Suche nach einer Verbesserung der kalten Kathoden
für Gasentladungsröhren hat sich der Anmelder
Zusammensetzungen einer aktiven Schicht für eine kalte Kathode zum Ziel
gesetzt, die Ergebnisse in der Lebensdauer, Stabilität der
Entladung, der Reduktion des kathodischen Spannungsabfalls
herbeiführt, die dem bisher Erhaltenen überlegen sind.
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Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die Erfindung eine
Elektrode für eine Gasentladungsröhre vor, die eine kalt
emittierende Kathode bildet und auf einem Metallträger eine aktive
Schicht trägt, die zum Hauptteil aus
Erdalkalimetallverbindungen besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Erdalkalimetallverbindungen Titanate sind, die eine wirksame
Dosis eines reduzierenden Elementes enthalten.
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Man stellt in der Praxis fest, daß die so verwirklichten
Elektroden ein besseres Dauerfunktionsverhalten aufweisen,
und daß sich ihre Qualitäten nicht im Verlaufe ihrer Lagerung
zwischen der Herstellung und dem Einbau in der Röhre
verändem. Zudem stellt man fest, daß die Kathoden
Entladungsstromdichten tragen, die weit höher sind als die, die von
gewöhnlichen Kathoden getragen werden, was erlaubt, ihre
Abmessungen zu verringern und folglich ihre Betriebstemperatur zu
vergleichmäßigern. Unter Entladungsstromdichte versteht man
selbstverständlich den Quotienten aus Entladungsstrom und der
Emissionsoberfläche der Kathode.
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Zudem wird die Aktivierung der Kathode erhalten, indem bei
der Herstellung die Kathode, die mit ihrer Emissionsschicht
versehen ist, auf eine Temperatur von 700ºC bis 1000ºC in
einer neutralen Atmosphäre auf eine Weise erhitzt wird, daß
einerseits die aktive Schicht gebrannt wird, und andererseits
das reduzierende Element auf dem Erdalkalimetalltitanat zum
Reagieren gebracht wird.
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Man kann vermuten, daß die Wirkung des reduzierenden
Elementes auf das Titanat zum Ergebnis hat, daß Metallspuren
gebildet werden, die das verbleibende Titanat dotieren werden und
dessen Austrittspotential absenken werden.
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Vorzugsweise wird das reduzierende Element aus Silizium,
Zirkon und Aluminium oder deren Mischungen ausgewählt.
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Es ist anzumerken, daß Silizium zum Reagieren Temperaturen
von 800ºC bis 1000ºC erfordert, während Zirkon bereits bei
einer viel niedrigeren Temperatur ein Reduktionsmittel ist.
Aluminium ist ein bei einer relativ niedrigen Temperatur sehr
aktives Reduktionsmittel, ist aber schwierig zu verwenden,
wenn das Gas, wo die Entladung erzeugt werden muß,
Quecksilberdampf enthält.
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Die wirksame Dosis, die für das reduzierende Element geeignet
ist, umfaßt zwischen 10&supmin;&sup5; und 10&supmin;&sup9; Mol des reduzierenden
Elementes pro Mol des Erdalkalimetalltitanats und vorzugsweise
zwischen 10&supmin;&sup6; und 10&supmin;&sup8;.
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Die Erdalkalimetalle sind vorzugsweise Barium und Kalzium.
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In einer bevorzugten Vorrichtung ist der Metallträger ein
Zylinder aus eisenhaltigem Metallblech, der an beiden Enden
offen ist, wobei sich seine Achse längs der allgemeinen
Entladungsrichtung erstreckt und die aktive Schicht auf der
Innenfläche des Zylinders angebracht ist. Man versteht, daß daher
die Entladung eine Drehsymmetrie um die Zylinderachse der
Kathode besitzt, welche eine regelmäßige Unterteilung der
Stromdichte in der Nachbarschaft der Kathode begünstigt.
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Diese Vorrichtung wird noch verbessert, wenn eine rohrförmige
Keramikhülle um den Trägerzylinder herum angeordnet wird,
wobei sie diesen wenigstens an seinem entladungsseitigen Ende
überragt. Einerseits verringert diese Hülle das Risiko, daß
die Entladung von der Außenseite des Metallzylinders ausgeht
oder um diesen Zylinder herumgeht, und andererseits
verringert sie Energieverluste durch Strahlung der Kathode, deren
Temperatur erhöht und geregelt ist, was zudem die
Anfälligkeit dafür reduziert, daß sich kalte Punkte bilden, wo die in
dem Gas enthaltenen Metalldämpfe (insbesondere Quecksilber)
kondensieren könnten, was daher den Partialdruck des
Metalldampfes auf den Sättigungsdruck bei der Temperatur dieser
kalten Punkte begrenzte.
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Sekundäre Eigenschaften und die Vorteile der Erfindung
könnten zudem aus der Beschreibung hervorgehen, die anhand eines
Beispiels mit Bezug auf die einzige Figur folgt, die im
Längsschnitt ein Ende der Gasentladungsröhre zeigt, die mit
einer typischen Elektrode gemäß der Erfindung versehen ist.
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Gemäß der gewählten und dargestellten Ausführungsform ist
eine Elektrode 1 in ihrer Gesamtheit an einem Ende einer
Röhre 2 befestigt, die dazu bestimmt ist, ein ionisierbares Gas
unter reduziertem Druck zu enthalten, um dort eine
luminiszente Entladung hervorzurufen. Die Röhre 2 besitzt
selbstverständlich eine Elektrode an jedem ihrer Enden, wobei die
eine als kalte Elektrode und die andere als Anode arbeitet.
Vorausgesetzt, daß die Entladung sich von einer
Elektronenemission durch die Kathode ausgehend entwickelt, während die
Anode passiv verbleibt, reicht es aus, daß diese letztere die
Erwärmungen aufgrund des Betriebes aushält, ohne die
Atmosphäre der Röhre zu verschlechtern oder zu verändern.
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Aber im allgemeinen werden die Gasentladungsröhren durch
Wechselspannungsquellen versorgt, und die Elektroden arbeiten
abwechselnd das eine Mal als Kathode und das andere Mal als
Anode und sind ähnlich, wobei ihre Anordnungen im
wesentlichen durch den Betrieb als Kathode bestimmt sind. Man
verwendet dann ohne Unterscheidung für deren Bezeichnung den
Ausdruck Elektrode oder den Ausdruck Kathode.
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Die Elektrode 1 in. ihrer Gesamtheit umfaßt einen
Metallträger 3, der durch ein Blech gebildet ist, das als Zylinder
ausgebildet ist, der an seinen beiden Enden offen ist. Der
Träger kann durch ein Eisenblech aber allgemeiner aus Eisen-,
Nickel-, Chromlegierung gebildet sein. An dem hinteren Ende
des Zylinders 3 ist ein Faden aus Eisen-Nickellegierung mit
der Form eines U 6 mit seinen zwei Enden angeschweißt. Von
der Mitte des U 6 geht eine Stromeintrittsleitung 7 in der
Röhrenachse aus. Der zentrale Teil des U 6 und das Ende des
Stromeintritts 7, das an das U 6 geschweißt ist, sind in
einem Glasvorsprung 2a eingeschlossen, der einen Verschluß der
Röhre bildet. Der Stromeintritt 7 bildet selbstverständlich
einen luftdichten Verguß mit dem Glas 2a und besitzt folglich
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit dem des
Vorsprunges 2a vergleichbar ist.
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Der Trägerzylinder 3 ist in einer Keramikröhre 5 eingesetzt&sub1;
die den Träger 3 auf der Seite der Röhre, wo die Entladung
erzeugt wird, auf ungefähr die Hälfte der Trägerlänge
überragt. An ihrem hinteren Teil auf der der Entladung
abgewandten Seite ruht die Keramikröhre 5 auf dem Boden der Röhre 2.
Die Keramik 5 wird gewählt, um die Temperatur der Kathode
auszuhalten, chemisch inert gegenüber dem Träger 3 und dem
Füllungsgas und nicht porös zu sein und somit Entgasungen im
Verlaufe der Pumparbeit und des Betriebes zu vermeiden.
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Die Keramik könnte aus Silizium, Aluminium oder einer
Mischung dieser Oxide untereinander oder mit anderen
hitzebeständigen Oxiden sein.
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Die Innenfläche 3a des zylindrischen Trägers 3 ist mit einer
aktiven Schicht 4 bedeckt, die durch Beschichten der
Innenfläche 3a mit einem Pulver auf Basis eines
Erdalkalimetalltitanats, dem ein Bindemittel zugesetzt ist, und schließliches
Brennen dieses Pulvers in einer neutralen Atmosphäre erhalten
wird.
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Das Erdalkalimetalltitanat ist hier entweder ein
Bariumtitanat oder eine Mischung aus Barium- und Kalziumtitanat, wobei
die Regeln der Auswahl des Erdalkalimetalls und der
Mischungsverhältnisse möglicherweise analog zu denen sind, die
man gewöhnlich für die Erdalkalioxide erhält. Dem Pulver des
verwendeten Titanats wird bevor es in eine Suspension in
einem Lösungsmittel, das ein Bindemittel enthält, gebracht
wird, ein reduzierendes Element hinzugefügt, das aus
Silizium, Zirkon und Aluminium ausgewählt wird, in einer Menge, die
10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;&sup8; Mol des reduzierenden Elementes pro Mol Titanat
entspricht. Selbstverständlich arbeitet man mit sukzessiven
Verdünnungen des reduzierenden Elementes, um
Dosierungsunregelmäßigkeiten zu vermeiden.
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Das Aluminium mit relativ niedrigem Preis ist ein kräftiges
Reduktionsmittel, jedoch bildet es mit Quecksilber derart
Legierungen, daß eine Verwendung für die Röhre, deren
Atmosphäre Quecksilber enthält, nicht anzuraten ist.
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Silizium reagiert nicht mit einer ausreichenden
Geschwindigkeit, um das Titanat bei circa 800ºC bis 1000ºC zu
reduzieren. Aber seine Eigenschaften machen das reduzierende
Element dabei zu dem Bevorzugtesten.
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Zirkon hat als Nachteile seinen Preis und seine
Entflammbarkeit in pulverförmigem Zustand. Jedoch im Gegenzug reduziert
es das Titanat bei niedrigeren Temperaturen als jene, die
Silizium benötigt, und es weist eine sehr viel kleinere
Dampfspannung gegenüber der des Aluminiums oder des Siliziums
auf, was es für Röhren mit erhöhten Leistungen angezeigt
macht.
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Nachdem das Titanatpulver auf die Innenfläche des
Trägerzylinders 3 abgelagert worden ist, wird der letztere in einen
Ofen mit einer neutralen Atmosphäre für die Brenn- und
Reduktionsoperation bei Temperaturen eingesetzt, die zwischen
750ºC und 1000ºC gemäß der Zusammensetzung des Titanats und
der Natur des reduzierenden Elementes umfassen.
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Nach dem Brennen wird die Kathode 1 in einen Abschnitt der
Röhre 2 eingebaut, der mit einem Ende einer Länge der Röhre
verbunden werden kann, die eine spezielle Ausbildung auf
klassische Weise annehmen kann.
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Es ist anzumerken, daß die Anordnung des Trägers 3 als
Zylinder, der von der Keramikröhre 5 umgeben ist, und die
Anordnung der aktiven Schicht 4 auf der Innenfläche des Trägers,
der Kathode eine Drehkonfiguration um die Achse der Röhre 2
verleihen (wenigstens in der Nachbarschaft der Kathode 1),
wobei die Achse der Röhre 2 die Hauptrichtung der Entladung
definiert.
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Zudem begrenzt die Kathode 1 die Entladung an ihrem Ursprung,
wobei sieinsgesamt eine relativ wichtige aktive Oberfläche 4
aufweist. Diese Anordnungen begünstigen die Gleichmäßigkeit
der Stromdichte an der Grenzfläche der aktiven Schicht und
des ionisierten Gases und die Wirksamkeit des Einflusses der
Ionen auf die aktive Oberfläche, zumal die Dotierung des
Erdalkalititanats durch das Produkt der Reduktion des
Titanats durch das reduzierende Element die Austrittsarbeit auf
im wesentlichen homogene Weise reduziert.
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Dies alles ist durch Versuche bestätigt worden, die in Labors
durchgeführt wurden.
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Es ist bestätigt worden, daß sowohl die Dosis des
reduzierenden Elements auf 10&supmin;&sup5; Mol pro Mol des Titanats ohne
ernsthafte Nachteile gehalten werden könnte, als auch daß bei ebenso
schwachen Dosen, wie 10&supmin;&sup9; Mol, die Wirkung des reduzierenden
Elementes merklich war.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das
beschriebene Beispiel begrenzt, sondern umfaßt alle
Ausführungsvananten im Bereich der Ansprüche.