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Glimmentladungsröhre und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Anmeldung bezieht sich auf eine Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung insbesondere für Mess-oder Stabilisierungszwecke und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Diese Glimmentladungsröhren sind von Glimmlampen zu Beleuchtungszwecken insoweit verschieden, als man bei ihrer Verwendung nicht von dem ausgestrahlten Licht, sondern von den Eigenschaften ihrer Kennlinie Gebrauch macht. Zweck der Erfindung ist, eine Röhre zu schaffen, deren Betriebsspannung während der Lebensdauer praktisch konstant bleibt und bis auf einige Volt reproduzierbar ist.
Röhren dieser Gattung hat man bisher mit einer Kathode aus Eisen oder Nickel, gegebenenfalls mit einem Überzug aus einem Erdalkalimetall versehen. Zur Reinigung der Gasfüllung enthalten sie häufig einen aus Barium oder Magnesium bestehenden Fangstoff.
Die Anmelderin hat nunmehr gefunden, dass die Eigenschaften dieser Röhren beträchtlich verbessert werden können und dass man auch das Herstellungsverfahren vereinfachen kann. Nach der Erfindung besteht die Kathode wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt höher als 14000 C und die Röhrenwand, oder wenigstens der die Entladungsstrecke umschliessende Teil der Wand, ist praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht eines solchen Metalles überzogen. Vorzugsweise bestehen erfindungsgemäss die Kathode und die Wandbekleidung aus dem gleichen Metall. Man kann die Kathode ganz aus einem der erwähnten Metalle herstellen ; es ist aber hinreichend, dass nur die Oberflächenschicht der Kathode aus diesem Metall besteht. Die Anmelderin hat vorzügliche Ergebnisse mit einer Molybdänkathode erhalten.
Ausser der Kathode muss die Innenwand der Röhre mit einer Schicht aus einem Metall überzogen sein, dessen Schmelzpunkt 1400 C übersteigt. Es ist nicht ausreichend, dass die Innenwand mit einer unsichtbaren Metallschicht in der Stärke von nur einigen Atomen bedeckt ist. Die Schicht muss klar sichtbar sein und wenigstens die die Entladungsstrecke umschliessende Wand praktisch ganz bedecken. Wenn innerhalb der Glashülle die Entladungsstrecke von einem Schirm um- geben wird, so dient dieser Schirm als Wand für die Entladungsstrecke und muss mit einem der vorerwähnten Metalle überzogen sein. Unter einer sichtbaren Metallschicht ist eine Schicht zu verstehen, die, auf eine Glaswand aufgetragen, vom durchfallenden Licht mindestens etwa 20% absorbiert.
Im allgemeinen erhält man bessere
Ergebnisse in dem Masse als ein grösserer Teil der
Wand überzogen ist und so wird man zweck- mässig die Hülle der Entladungsröhre derart wählen, dass keine toten Räume, z. B. Rohrarme, vorhandensind, unddieröhrenwandüberallnahezu gleich weit von der Kathodenoberfläche entfernt ist.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass eine
Glimmentladungsröhre, in der gemäss der Erfindung die Kathodenoberfläche und vorzugsweise auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen, besonders gute Eigenschaften in bezug auf gleichbleibende Brennspannung und Reproduzierbarkeit hat.
Die oben geschilderten Glimmentladungsröhren lassen sich erfindungsgemäss dadurch herstellen, dass die Kathode in der Röhre selbst durch Zerstäubung oder Verdampfung einem Reinigungsvorgang unterzogen wird und die Bedeckung der Wand ebenfalls durch Zerstäubung oder Verdampfung erfolgt. Es kann z. B. die Kathode dadurch gereinigt werden, dass man sie während längerer Zeit mittels Hochfrequenz auf eine hohe Temperatur erhitzt ; vorzugsweise aber zerstäubt man die Kathode mittels einer Glimmentladung mit einer Stromdichte, die die normale Stromdichte um ein Mehrfaches übersteigt.
Die Reinigung der Kathode ist, auch zur Verkürzung der Zeitdauer, vorteilhaft mit einer solchen Glimmstromdichte durchführbar, dass die Kathode glühend wird. Man soll den Reinigungsvorgang derart in den Herstellungsgang der Röhre einschalten, dass nach der Reinigung keine Verunreinigungen mehr in die Röhre eintreten können. Es wird z. B. erforderlich sein, die Kathode zu verdampfen oder zu zerstäuben, nachdem die Röhre von der Pumpe abgeschmolzen worden ist, da unter dem Einfluss der zum Abschmelzen erforderlichen hohen Temperatur, Verunreinigungen aus dem Glas auftreten können. Es hat sich erwiesen, dass nach einer derartigen Behandlung keine weiteren schädlichen Verunreinigungen
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während des Betriebes der Röhre abgegeben werden.
Die Wandbedeckung der Glimmentladungs- röhre kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eines der vorgenannten Metalle in Form eines
Drahtes oder einer Platte derart erhitzt, oder mittels einer Glimmentladung derart zerstäubt' wird, dass es die Wand, welche die Entladungs- strecke umschliesst, praktisch vollständig mit einer sichtbaren Metallschicht bedeckt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in hohem
Masse vereinfacht werden, wenn man für die
Wandbedeckung das gleiche Metall wie für die
Kathode wählt ; in diesem Fall können die Reini- gung der Kathode und die Bedeckung der Wand gleichzeitig durch Zerstäubung der Kathode be- wirkt werden. Man soll diese dann so lange fort- setzen bis ein hinreichender Wandüberzug nieder- geschlagen ist.
Messungen an erfindungsgemässen Glimm- entladungsröhren haben gezeigt, dass die Brenn- spannung innerhalb weiter Zeitgrenzen ausser- ordentlich konstant ist und sich z. B. innerhalb einer normalen Brenndauer von 1000 Stunden weniger als 0-5 Volt ändern kann.
Von Metallen mit einem Schmelzpunkt ober- halb 1400 C scheiden wegen des hohen Preises wohl in den meisten Fällen Ti und Hf aus, so dass man im allgemeinen die Wahl zwischen den
Metallen Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe und Ni treffen wird. Unter diesen letztgenannten Metallen nimmt das Molybdän durch seinen niedrigen
Kathodenfall (etwa 100 Volt in Argon oder Neon) einen besonderen Platz ein. Molybdän weist ausserdem den Vorteil auf, dass eine aus diesem
Metall hergestellte Kathode besonders leicht prä- pariert werden kann, dass das Glimmlicht sie homogen bedeckt und dass es leicht bearbeitbar und hoch belastbar ist. Infolge des niedrigen
Kathodenfalles gibt es keine Entladung an den
Stromzuführungsdrähten, die vielfach aus Nickel bestehen, weshalb diese auch nicht abgeschirmt zu werden brauchen.
Die Erfindung wird an Hand einiger in den
Fig. 1-5 abgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Figuren zeigen Glimm- entladungsröhren, deren Hülle und Kathode ver- schieden ausgestaltet sind.
In Fig. 1 befindet sich eine Kathode 1 und eine stabförmige Anode 2 in einer kugelförmigen
Hülle 3 mit den Ausstülpungen 4 und 5. Die
Innenwand der Hülle ist mit einem dunklen
Metallniederschlag überzogen, der ebenso wie die
Kathode aus einem der vorgenannten Metalle besteht. Die Innenwand der Ausstülpungen 4, 5 bleibt praktisch frei vom Metallniederschlag, da das verdampfte oder zerstäubte Metall das Innere dieser Ausstülpung nicht erreichen kann.
Fig. 2 zeigt die Kathode 1 in Draufsicht in
Form einer runden Blechplatte mit zwei seitlich anschliessenden Zungen, die vor dem Einsetzen der Kathode umgebogen werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der durch die Ausstülpungen gegebene Nachteil ver- mieden, indem es in dieser Abbildung keine Aus- stülpungen gibt und hier alle Punkte der Hülle nahezu gleich weit von der Kathodenoberfäche entfernt sind. In dieser Röhre kann demnach die Innenwand sehr gleichmässig mit Metall- niederschlag bedeckt sein.
Fig. 4 zeigt eine Röhre mit einer zylindrischen
Kathode und einer Hülle, die analog der Röhre nach Fig. 3 überall gleich weit von der Kathoden- oberfläche entfernt ist.
In Fig. 5 ist eine Glimmentladungsröhre dargestellt, in der der Raum der Entladungsstrecke von einer zylindrischen Wand 6 aus Quarz umgeben ist. Diese Wand ist an der Innenseite mit einer sichtbaren Metallschicht überzogen, während die vom Zylinder abgeschirmte Röhrenwand nicht bedeckt ist.
Zur Herstellung einer Glimmentladungsröhre nach der Erfindung kann man von einer Röhre entsprechend einer der Figuren ausgehen. Das Verfahren sei für den Fall beschrieben, dass sowohl die Kathode als auch die Wandbedeckung aus Molybdän bestehen und man die Reinigung der Kathode und das Überziehen der Innenwand beide durch Zerstäubung durchführt. Zunächst werden in bekannter Weise durch Erhitzung in einem Ofen auf etwa 400'sämtliche Glasteile der Röhre und sodann durch Hochfrequenzerhitzung die Metallteile entgast. Darauf wird die Röhre mit Gas gefüllt. Hierauf wird zwischen Kathode und Anode eine Glimmentladung mit kleinem Strom eingeleitet. Wenn man diesen Strom langsam steigert, so beobachtet man, dass sich das Glimmlicht auf der Kathode zu einem kleinen Fleck kontrahiert ; hiebei fällt die Brennspannung ab.
Darauf breitet sich das Glimmlicht wieder langsam über die Oberfläche der Kathode aus. Man steigert den Strom schliesslich, bis dieser etwa einige hundert mA je cm2 beträgt, wobei die Kathode zur Weissglut gelangen kann. Man kann nunmehr Gas abpumpen und die Röhre mit einer neuen Menge reinen Gases füllen.
Nachdem die Röhre abgeschmolzen worden ist, wird das Zerstäubungsverfahren nochmals wiederholt, so dass schliesslich sowohl die Kathode als auch die Gasfüllung derart gründlich gereinigt werden, dass praktisch die letzten Spuren von Verunreinigungen verschwunden sind. Zugleich wird durch Zerstäubung der Kathode die Innenwand des Kolbens mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt. Im allgemeinen wird die Reinigung der Kathode bewirkt worden sein, bevor der Metallniederschlag auf der Innenwand eine hinreichende Stärke bekommt. Deshalb wird es erforderlich sein, die Zerstäubung fortzusetzen bis die Innenwand der Röhre praktisch vollständig mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt ist.
Man kann das oben geschilderte Verfahren im Rahmen der Erfindungauf verschiedene Weisevari- ieren. Man kann z. B. statt Molybdän eines der anderen erwähnten Metalle sowohl für die Kathode als auch für die Wandbedeckung verwenden. Wenn man z. B. eine Kathode aus Zirkonium und eine
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Wandbedeckung aus Nickel wählt, so wird man in der Röhre in der Umgebung der Kathode einen Nickeldraht oder-platte anbringen können, der durch Zerstäubung Nickel auf die Innenwand niederschlägt. Die Bedeckung der Innenwand kann auch dadurch erfolgen, dass man den Nickeldraht mittels eines elektrischen Stromes auf eine derart hohe Temperatur erhitzt, dass durch Verdampfung des Drahtes Nickel auf die Innenwand niedergeschlagen wird.
Man kann auch die Kathode aus einem Draht bestehen lassen, den man dadurch reinigt, dass er mittels eines elektrischen Stromes auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Es ist nicht erforderlich, zur Reinigung der Kathode die Zerstäubung derart durchzuführen, dass die Kathode auf eine äusserst hohe Temperatur (für Molybdän z. B. 17000) erhitzt wird. Wenn man nur die Zerstäubung länger fortsetzt, kann sie auch bei geringerer Belastung und mithin bei niedrigerer Temperatur stattfinden.
Der Gasdruck der Glimmentladungsröhren nach der Erfindung hat den üblichen Wert von der Grössenordnung von 1 Torr. Man kann z. B. einen Gasdruck von 20-40 Torr Neon oder 5-20 Torr Argon wählen. Glimmentladungsröhren nach der Erfindung haben eine niedrige konstante Brennspannung. Wenn die Zerstäubung oder Verdampfung der Kathode hinreichend lange fortgesetzt wurde und eine sichtbare Metallschicht auf die Innenwand der Röhre niedergeschlagen worden ist, ändert sich die Brennspannung innerhalb einer normalen Brenndauer von etwa 1000 Stunden um weniger als 0-5 Volt und sogar nur 0-1 Volt. Unterbrechung der Verwendung der Röhre führt praktisch keine Änderung der Brennspannung herbei.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Glimmentladungsröhre zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung, insbesondere für Mess-oder Stabilisierungs- zwecke mit einer aus Isoliermaterial, z. B. Glas, bestehenden Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode wenigstens an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem 1400 C übersteigenden Schmelzpunkt besteht und dass die
Röhrenwand, wenigstens aber die die Entladungsstrecke umschliessende Wand, praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht aus einem dieser Metalle bedeckt ist, welche Schicht aber nicht von einer Elektrode gebildet wird.