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Glühkathode für Entladungsgefässe
Es ist durch die Untersuchungen von Wehnelt bekannt, dass die Oxyde, Chloride und Fluoride der Erdalkalien und deren Gemische schon bei sehr niedrigen Temperaturen Elektronen emittieren. Neuere Arbeiten haben dann gezeigt, dass diese Eigenschaften im gleichen Masse allen einfach zusammengesetzten Verbindungen der betreffenden Elemente zukommt. Von allen diesen Verbindungen hat praktisch nur das Oxyd Bedeutung erlangt. Sind in der Technik andere Ausgangsmaterialien, z. B. das Nitrat (nach dem alten Verfahren von Wehnelt), benutzt worden, so war doch in allen Fällen die emittierende Substanz das Oxyd, welches sich durch irgendwelche Umsetzungen gebildet hatte.
Nun zeigen gerade diejenigen Verbindungen, die bei besonders niedrigen Temperaturen schon sehr hohe Emission haben, nämlich die Verbindungen des am stärksten elektropositiven Bariums, welches in dieser Beziehung den Alkalien schon recht ähnlich ist, die unangenehme Eigenschaft, dass sie der Wirkung des Glimmbogens schlecht widerstehen und sieh leicht verflüchtigen. Es soll allerdings nicht unerwähnt bleiben, dass nach
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lage abhängt.
Auch jetzt noch ergeben sich bei der Herstellung der Wehnelt-Kathode recht erhebliche Schwierigkeiten. Die Oxyde verändern sich während des Fabrikationsganges, z. B. durch Kohlensäureaufnahme, sehr leicht. Die notwendige Gleichmässigkeit der Fabrikation lässt sich daher mit den Oxyden nur schwer erreichen, und es sind Ausfälle, welche die Unkosten des Verfahrens sehr erhöhen, nicht zu vermeiden.
Der Versuch, an Stelle der empfindlichen Oxyde die wesentlich unempfindlicheren und beständigeren Erdalkalisalze der Sauerstoffsäuren zur Fabrikation von Glühkathoden zu verwenden, scheiterte bisher vollkommen. Die in Frage kommenden Verbindungen, z. B. die Sulfate, Silikate, Phosphate und Karbonate, zeigen keine Emission, da der stark elektronegative Säurerest den Austritt der Elektronen vollständig verhindert. Erst wenn die Salze dissoziieren, d. h., wenn ein Teil des in vielen Fällen flüchtigen Säurerestes bei hoher Temperatur abgespalten und dementsprechend freies Oxyd vorhanden ist, setzt eine merkliehe Elektronenemission ein.
Das unter diesen Verbindungen noch am leichtesten dissoziierbare Karbonat ergibt daher bei vorsichtiger und vollständiger Dissoziation eine brauchbare Kathode ; doch ist der Prozess langwierig und schwierig.
Eine genaue Durchprüfung der vorliegenden Verhältnisse ergab nun, dass doch eine ganze Reihe von Salzen der Sauerstoffsäuren, u. zw. gerade Salze von nicht flüchtigen Säuren in hervorragendem Masse befähigt sind, bei schon recht niedrigen Temperaturen Elektronen auszusenden. Die hier in Frage kommenden Salze sind die Verbindungen der Oxyde der stark elektropositiven Metalle, z. B. der Alkali und Erdalkalioxyde mit den Sauerstoffverbindungen der Elemente, die amphotere Oxyde bilden, also z. B. mit Aluminaten, Zinkaten, Chromiten, Zirkoniaten usw. (nBaOniAlsOnNasOmZrOz usw., wobei n und m ganze Zahlen darstellen). Mit steigender Azidität des Säurerestes nimmt die Fähigkeit der Substanz Elektronen auszusenden ab.
So ist das Erdalkalisalz der Zirkonsäure noch als eine ausgezeichnet emittierende Substanz anzusprechen, während dagegen das Titanat keine brauchbare Elektronenemission mehr zeigt. Oxyde, die saurer sind als die Titansäure, können daher als Säurereste nicht mehr verwendet werden. Die Elektronenaffinität des Säurerestes ist dann schon so gross, dass die Emissionselektronen (Valenzelektronen) vollständig gebunden sind.
Die Verbindungen zeigen eine nur unwesentlich höhere Emissionstemperatur, besitzen aber eine Temperaturstabilität, wie sie den einfachen Verbindungen, wie z. B. den Oxyden, nicht zukommt. Während
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Barium als Oxyd auf einer Platinunterlage unter dem Einfluss des Entladungsstromes sich bald verflüchtigt, widerstehen die obengenannten Verbindungen auch dauernden, bedeutend stärkeren Entladungen.
Zur Herstellung der Kathoden kann man die Verbindungen vorher fertigstellen (siehe GmelinHandbuch) und auf die stromführende Unterlage aufbringen. Zweckmässiger stellt man jedoch die Verbindungen erst auf der Kathode her. Man erreicht dadurch, dass man von Substanzen ausgehen kann, die vollständig luftbeständig sind. Z. B. kann man zur Herstellung der Aluminate oder Zirkoniate der Erdalkalien so verfahren, dass man die Erdalkalikarbonate mit hydratischen oder anhydrischen Aluminiumbzw. Zirkonoxyd mit etwas Bindemittel auf die Unterlage aufbringt und dann erhitzt. Die Kohlensäure wird namentlich im Vakuum leicht ausgetrieben, indem sich gleichzeitig das entsprechende Salz bildet.
Man kann allerdings auch ohne Bedenken von den Oxyden oder Hydroxyden ausgehen, da die während des Fabrikationsganges aufgenommene Kohlensäure beim Erhitzen durch die Wirkung des sauren Oxydes leicht und schnell verdrängt wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Verbindungen herzustellen, besteht darin, die Legierungen der Metalle oder die Metallpulvergemische zu oxydieren.
Die soeben beschriebenen Salze können auch in Verbindung mit andern Elektronen emittierenden Substanzen verwendet werden, man kann ihnen selbst auch zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit oder der Temperaturbeständigkeit Substanzen, die ein festes Anhalten der emittierenden Substanzen auf dem Kern fördern, z. B. Erdalkalifluoride oder überschüssiges Aluminiumoxyd, zusetzen.
Die neuerdings beobachtete günstige Wirkung bestimmter Unterlagen auf die Haltbarkeit der Oxydkathoden ist mit grosser Wahrscheinlichkeit auf die in geringem Masse auftretende Bildung der oben beschriebenen Verbindung an der Oberfläche der Unterlage zurückzuführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Glühkathode für Entladungsgefässe, dadurch gekennzeichnet, dass als emittierende Substanzen die Salze der stark elektropositiven Metalle, insbesondere Alkalimetalle und Erdalkalimetalle mit amphoteren Oxyden zur Anwendung kommen.
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Hot cathode for discharge vessels
It is known from the investigations by Wehnelt that the oxides, chlorides and fluorides of alkaline earths and their mixtures emit electrons even at very low temperatures. More recent work has shown that these properties apply equally to all simply composed compounds of the relevant elements. Of all these compounds, only the oxide is of practical importance. Are other starting materials known in the art, e.g. If, for example, nitrate (according to the old Wehnelt method) was used, in all cases the emitting substance was the oxide which had formed through some kind of transformation.
Now it is precisely those compounds that have very high emissions at particularly low temperatures, namely the compounds of the strongest electropositive barium, which in this respect is already quite similar to alkalis, the unpleasant property that they badly resist the action of the glow arc and see evaporate easily. However, it should not go unmentioned that after
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location depends.
Even now there are still considerable difficulties in the manufacture of the Wehnelt cathode. The oxides change during the manufacturing process, e.g. B. by carbonic acid intake, very easily. The necessary uniformity of manufacture can therefore only be achieved with difficulty with the oxides, and failures, which greatly increase the costs of the process, cannot be avoided.
The attempt to use the much less sensitive and more stable alkaline earth metal salts of the oxygen acids instead of the sensitive oxides for the manufacture of hot cathodes has so far failed completely. The compounds in question, e.g. B. the sulfates, silicates, phosphates and carbonates show no emission, since the strongly electronegative acid residue completely prevents the escape of electrons. Only when the salts dissociate, i.e. That is, when a part of the acid residue, which is volatile in many cases, is split off at high temperature and correspondingly free oxide is present, a noticeable electron emission begins.
Among these compounds, the most easily dissociable carbonate therefore gives a usable cathode if carefully and completely dissociated; yet the process is lengthy and difficult.
An exact examination of the present conditions showed that a whole series of salts of oxo acids, u. between salts of non-volatile acids are particularly capable of emitting electrons at very low temperatures. The salts in question here are the compounds of the oxides of the strongly electropositive metals, e.g. B. the alkali and alkaline earth oxides with the oxygen compounds of the elements that form amphoteric oxides, so z. B. with aluminates, zincates, chromites, zirconates, etc. (nBaOniAlsOnNasOmZrOz etc., where n and m are integers). With increasing acidity of the acid residue, the ability of the substance to emit electrons decreases.
The alkaline earth salt of zirconic acid can still be considered an excellent emitting substance, whereas titanate no longer emits useful electrons. Oxides that are more acidic than titanic acid can therefore no longer be used as acid residues. The electron affinity of the acid residue is then so great that the emission electrons (valence electrons) are completely bound.
The compounds show an only insignificantly higher emission temperature, but have a temperature stability, as it is the simple compounds such. B. the oxides, does not apply. While
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Barium as oxide on a platinum base soon evaporates under the influence of the discharge current, the above-mentioned compounds also withstand long-term, significantly stronger discharges.
To make the cathodes, the connections can be completed beforehand (see Gmelin manual) and applied to the live surface. However, it is more expedient to make the connections only on the cathode. This means that you can start from substances that are completely air-resistant. For example, to prepare the aluminates or zirconates of the alkaline earths, the procedure is that the alkaline earth carbonates are treated with hydrated or anhydrous aluminum or aluminum. Apply zirconium oxide with some binding agent to the base and then heat it. The carbonic acid is easily driven out in a vacuum, in that the corresponding salt is formed at the same time.
One can, however, start from the oxides or hydroxides without hesitation, since the carbonic acid absorbed during the manufacturing process is easily and quickly displaced when heated by the action of the acidic oxide.
Another way of producing the compounds is to oxidize the alloys of the metals or the metal powder mixtures.
The salts just described can also be used in conjunction with other electron-emitting substances; you can use them yourself to increase the mechanical strength or temperature resistance substances that promote a firm hold of the emitting substances on the core, e.g. B. alkaline earth fluoride or excess aluminum oxide add.
The recently observed favorable effect of certain substrates on the durability of the oxide cathodes is most likely due to the small amount of the above-described compound on the surface of the substrate.
PATENT CLAIMS:
1. Hot cathode for discharge vessels, characterized in that the salts of the strongly electropositive metals, in particular alkali metals and alkaline earth metals with amphoteric oxides, are used as emitting substances.