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Elektrische Hochdruckmetalldampfentladungsröhre Die Oxydelektroden
werden in Quecksilberhochdruckröhren sehr hoch beansprucht, insbesondere wenn sie
durch die Entladung selbst auf, die zur Emisssoii erforderliche Temperatur aufgeheizt
werden. Die Entladung setzt dann meist punktförmig an den Elektroden an, so daß
das Oxyd an der Lichtbogenansatzstelle leicht verdampfen kann und die Elektroden
infolge von Verarmung an Aktivierungsstoffen betriebsunfähig werden können. Es ist
deshalb vorgeschlagen worden, einen Vorrat von den Aktivierungsstolen in Höhlungen
und Winkeln der Kathoden unterzubringen, um so eüie größere Lebensdauer zu erzielen.
Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß man eine Kathode verwendet, die aus einem
Wolframdraht besteht und um den ein zweiter Wolfracndraht an dem dem Entladungsraum
zugekehrten Ende in Form einer Wendel großer Ganghöhe herumgelegt ist. Zwischen
den einzelnen Windungen dieser Wendel sind kleine Zwischenräume vorhanden, die zur
Aufnahme von Oxyden nur wenig geeignet sind, da sie im Verhältnis zu ihrer Breite
nicht sehr tiefsind. Ferner wurde bei Niederdruckentladung'sgefäßen vorgeschlagen,
die Kathoden aus Scheiben aufzubauen, die jedoch nicht durch die Entladung selbst
aufgeheizt werden, sondern durch eine im Innern der Kathode vorgesehene Heizvotrichtung.
Da der Druck in den bekannten Entladungsgefäßen sehr niedrig ist, setzt die Lichtbogenentladung
an der Kathode auch im Dauerbetrieb nicht punktförmig ein. Es besteht daher bei
den Röhren gar nicht die Gefahr einer Zerstörung der Kathode, die dann auftritt,
wenn die im Lichtbogenansatzpunkt entstehende Wärme von der Elektrode nicht genügend
weggeführt wird, so daß eine überhitzung und somit eine Verdampfung der Aktivierungsstoffe
und ein Umwirksamwerden .der Kathode auftritt.
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Diese Nachteile werden bei Quecksilberhochdrucklampen gemäß der Erfindung
dadurch vermieden, daß die Elektroden, vorzugsweise die Kathode, aus mehreren Plättchen
bestehen, die auf einen Stift aufgesteckt sind, während gleichzeitig der Stift ein
wenig über die Kante der Plättchen nach der Entladung zu herausragt. Dabei sind
die Plättchen so zueinander anzuordnen, daß Zwischenräume zwischen ihnen zur Aufnahme
des elektronenemittierenden Werkstoffes entstehen.
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Eine Kathode mit diesen Merkmalen besitzt die geforderten Eigenschaften
in hohem Maße; denn von jeden einzelnen Scheibchen wird die Wärme infolge des guten
Wärmekontaktes zwischen Scheibchen und Stiftleicht und schnell zum Stift abgeführt.
Durch die in geringem Abstand gegenüberstehenden Plättchen sind andererseits verhältnismäßig
große Mengen der aktivierenden Stoffe auf der Elektrode unterzubringen, so daß eine
Verarmung
an diesen erst nach sehr langen Betriebszeiten eintreten kann. Infolge der Anwesenheit
des durchgehenden Stiftes tritt nun aber eine zusätzliche Wirkung auf, sobald der
Gradient in der positiven Säule über den für eine Niederdruckentladung charakteristischen
Wert ansteigt. Dies findet aber bei einem Dampfdruck von ioo tmn statt. Während
des Einbrennens, d. h: solange im Entladungsgefäß noch ein niedrigerer Dämpfdruck
herrscht, wird der Lichtbogen an den Plättchen ansetzen, an denen er stets einen
ausreichenden Vorrat an Oxyd vorfindet. Mit steigendem Dampfdruck steigt während
des Einbrennens auch der Potentialgradient. Dies hat ein Wandern des Kathodenflecks
zudem dem Entladungsraum zugekehrten Ende des Stiftes' zur Folge. Dadürch wird die
Lichtbogenl.änge gleichzeitig verkürzt. Es zeigt sich, daß mit dem Ansetzen des
Lichtbogens an dem Stiftende die Klemmenspannungeiner Quecksilberdainpflampe plötzlich
um etwa 2o Volt abnimmt. Das Ende des Stiftes, der einen verhältnismäßig großen
Quersclinittaufweist, wird durch den Brennreck nicht übermäßig erhitzt, da die Wärme
durch den Stift gut abgeführt wird. Es wird daher bedeutend weniger durch den Lichtbogen
beansprucht, als beispielsweise unter sonst gleichen Bedingungen die Kante der Plättchen
beansprucht wird. Iil dem letzteren Falle ist nzimlich nicht nur der Materialquersch.ni.tt
bedeutend kleiner, sondern auch der Weg, den die 'Wärme im- Plättchen zum abkühlenden
Stift zurücklegen muß, bedeutend größer. Der Wärmeaustausch zwischen den Plättchen
und dem Stift wird zudem durch die zwischen diesen Teilen vorhandene übergangsstelle
erschwert.
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Die bekannte Oxydkathode besteht aus mehreren ineiiuutidergeschachtelten
Blechnäpfchen, die an dem Stromzuführungsdraht befestigt sind. Bei dieser Kathode
ragt jedoch der Stromzuführungsdralit nicht über den band der Näpfchen hinaus, so
daß nicht nur während des Zündvorganges, sondern auch während des Betriebes der
Lichtbogen stets an der Kante der diinnwandigen -'Näpfchen ansetzt. Diese werden
daher bedeutend höher beansprucht als bei der Anordnung nach der Erfindung.
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Der Abstand zwischen den Plättchen wird zweckmäßig durch Warzen an
den Plättchen erzielt. Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung besteht die
Elektrode aus einem eiüzigen zickzackförmig gefalzten Blech. Auch hier dienen die
zwischen den einzelnen Lagen befindlichen H6hlräume zur Aufnahme der Aktivierungsstoffe.
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Die Erfindung ist an Hand der Abbildungen näher beschrieben, die mehrere
Ausführungsformen des Erfindungsgedankens zeigen. Die Abb. c bis 3 zeigen Schnitte
durch drei verschiedene F9rmen der erfindungsgemäßen Elektroden im Längsschnitt,
Abb. q bis 6 die dazugehörigen Querschnitte, währind in Abb.7 eines der die Elektroden
bildenden Plättchen in größerem Maßstab dargestellt ist.
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In Abb. i und q, ist die Elektrode i in dem Polgefäß z einer Entladungsröhre
untergebracht, das an das Leuchtrohr 3 anschließt. Zwischen beiden liegt eine ringförmige
Verengung 4. Die Elektrode besteht aus einem im Polgefäß axial angebrachten Stift
5 aus schwer schmelzbarem Metall, z. B. aus Wolfram oder Molybdän, auf den eine
größere Anzahl von kreisförmigen Metallplättchen 6, z. ß. aus Molybdän, aufgeschoben
sind, wobei das Loch in den Plättchen so zu bemessen ist, daß diese gerade stramm
auf den Stift 5 aufgeschoben werden können. Bei einer Belastung von- i Amp. hat
sich ein Durchmesser der Scheibchen von z bis 3 mm und eine Dicke von o, t mm bei
einer Zahl von etwa 15 bis z0 Plättchen als geeignet erwiesen. Unter Umständen bieten
aus Tantal hergestellte Plättchen Vorteile. Bei genügend guter Wärmeableitung durch
den Stromzufiihrungsleiter können auch Nickelplättchen benutzt werden. Die Plättchen
6 weisen eine vorzugsweise zentrale Bohrung auf, aulierdem eine Reihe von Warzen,
die durch einen Prägevorgang aus dem Blech gedrückt sind. Sie haben den Zweck, ein
dichtes Aufeinanderliegen der Plättchen zu verhüten. Genäß der Erfindung soll nämlich
zwischen den einzelnen Plättchen ein kleiner Abstand bestelien bleiben, so daß eine
große Menge der Aktivierungsniasse auf den Elektroden untergebracht werden kann,
ohne daß die Gefahr des Abbl.ätterns besteht. Auf die Warzen 7 kann verzichtet werden,
wenn z. B. die einzelnen Plättchen in unregelmäßiger Weise etwas gebogen oder durch
eine nicht sorgfältige Herstellung mit einem kleinen Prügerand versehen sind, so
daß von vornherein ein lückenloses Aufeinanderliegen nicht niöglieh ist.
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Statt dessen kann der erforderliche Abstand auch dadurch erreicht
werden, daß man die einzelnen Plättchen zunächst lose in größerem Abstand auf den
Stift aufschiebt, das Ganze in die zu aktivierende Masse, z.B. in eine Aufschlemmung,
taucht und dann anschließend die Plättchen zusammenschiebt. Auf diese Weise wird
erreicht, daß eine hinreichende, aber nicht zu große Menge des Aktivierungsstofhes
auf den Elektroden untergebracht ist. Durch den Stift 5, der am oberen Ende verdickt
oder umgebogen oder mit einer Zange breit gequetscht ist, werden
die
Plättchen zusammengehalten. Es ist dabei zweckmäßig, wenn sie stets unter leichtem
Druck gegen die Unterlage etwas gegen .den Polgefäßboden gedrückt. werden, damit
sie untereinander und mit dem Stift guten Kontakt sowohl für den elektrischen Strom
als auch für die Wärme geben, denn man wird den Stift als Stromzuführung bzw. als
Einschmelzdraht verwenden, sofern das letztere möglich ist.
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Ist jedoch die Gefäßwand nicht aus Glas, sondern aus Quarz hergestellt,
wird man mit besonderem Vorteil dünne Folien 8 aus Molybdän von weniger als 2o #t
Dicke verwenden; die i11 eine Kapillare 9 von entsprechenden Abmessungen hochvakuumdicht
eingeschmolzen sind. Es ist dann erforderlich, für einen geeigneten Übergang zwischen
Stift und Folie zu sorgen. Dies kann etwa.in der :folgenden Weise geschehen: Die
Folie 8 ist am oberen Ende umgefalzt. Vor dem Einschmelzen der Folie wird der Stift
5 -durch ein Loch an der Falzstelle in den Falz hineingeführt. Allein durch den
beim Einschmelzen wirkenden Druck der Atmosphäre wird eine sichere Verbindung zwischen
Stift 5 und Folie 8 erzielt. An Stelle dieser Art der Stromeinführung kann selbstverständlich
jede andere Art Anwendung finden.
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Die besondere Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kathode ergibt sich
an Hand der folgenden Beschreibung des Einbrennvorgangs: ' Bbim Anlegen der Spannung
an die Lampe setzt an den auf den Scheibchen vorhandenen Bariumteilchen eine Glimmentladung
an; die bald . in eine Bogenentladung überschlägt, wenn, von zunächst einzelnen
Stellen ausgehend, die ganze Kathode zur Rotglut sich erhitzt. Ist dies geschehen,
setzt der ;nunmehr vorhandene Quecksilberniederdruckbogen gleichmäßig an der ganzen
Oberfläche der Kathode an, soweit sie aktiviert ist, vorzugsweise jedoch an den
Kanten der Plättchen. In dem Maße, wie nun der Dampfdruck ansteigt, nimmt der Potentialgradi-eirt
in der Gasentladung zu. Der Lichtbogen hat daher die Neigung, anstatt seitwärts
an den Kanten an dem am weitesten nach dem Leuchtrohr zugewandten Teil der Kathode
anzusetzen. Dies ist aber die etwas hervortretende Spitze des Stiftes 5. Sobald
daher der Dampfdruck einen bestimmten Wert erreicht hat, springt der Lichtbogen
nach dem Stift über, da dieser dem Lichtbogen einen etwas kürzeren Weg bietet. Gleichzeitig
mit dein. Ansetzen an den Stift. nimmt die Brennerspannung plötzlich um etwa 2o
Volt ab. Von diesem Zeitpunkt ab setzt der Lichtbogen ausschließlich an dein Stift
selbst an. Die vom Lichtbogen erzeugte Wärme kann daher nach außen geführt werden,
ohne .daß an der Kathode eine Wärmeübergangsstelle zwischen zwei Metallteilen vorhanden
ist, die der Wärmeableitung stets einen gewissen Widerstand -entgegensetzt. Da der
Stift nur wenig aus der Fläche der Plättchen herausragt, kann sich sein Vorrat an
aktivierenden Stoffen von den Plättchen her stets wieder ergänzen. Andererseits
braucht die vom Lichtbogen der Kathode zugeführte Wärme, sobald .der Bogen zum Hochdruckbogen
geworden ist, ' nicht mehr den Weg über die dünnen Plättchen zu nehmen, sondern
nur noch über den Stift, ohne daß dann an der Kathode eine Wärmeübergangsstelle
von zwei sich berührenden Metallteilen, etwa von den Plättchen auf den Stift, den
Wärmeabfluß hindern kann.
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In den Abb. i und q. liegen die Plättchen auf dem Polgefäßboden auf.
Falls dies z. B_ wegen einer zu großen Wärmeableitung nicht zulässig ist, so kann
ein Abstand zwischen Plättchen und Polgefäßboden gelassen werden. In diesem Falle
wird ein Röhrchen .als Abstandhalter zwischen Plättchen und, Polgefäßboden eingefügt,
oder aber es wird der Stift in Form einer Schleife seitlich ausgebogen oder der
Stift zwischen den Plättchen und dem. Polgefäßboden breit gequetscht.
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Ein einzelnes Plättchen 6 ist in Abb. 7 Ü) vergrößertem Maßstab einzeln
gezeichnet. Man sieht daraus, .daß die Warzen 7 aus dem Blech herausgedrückt sind,
jedoch ist auch die Sicherung des Abstandes auf ;andere Weise möglich.
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Die Aktivierungsmasse besteht im, wesentlichen aus Bariumoxyd, dem
zur Verlängerung der Lebensdauer andere Oxyde oder Metalle beigefügt sein können.
In das Entladungsgefäß ist eine bestimmte Menge Quecksilberdampf eingeführt; .die
unter Bildung eines überhitzten Dampfes während des Betriebes vollständig verdampft
und einen hohen, über ioomm Hg liegenden Druck .erzeugt. Als Zündgas befindet sich
in der Röhre Argon unter einem Druck von eileigen Millimetern.
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Die Abb. z und 5 unterscheiden sich von den vorhergehenden dadurch,
daß statt derkreisförmigen Plättchen 6 solche von quadratischer Gestalt io dargestellt
sind. Durch unregelmäßige Anordnung der Quadrate können die zur Aufnahme .des Oxyds
dienenden Räume vergrößert werden, so daß unter Umständen auf die Anbringung von
Warzen oder ähnlichen Abstandhaltern verzichtetwerden kann. Bei quadratischen Platten
kann die unregelmäßige Anordnung der Plättchen dadurch erreicht' werden, daß durch
Drehung der Plättchen um den Stift die jeweils benachbarten Plättchen in eine nicht
parallele Lage gebracht werden. In ähnlicher Weise
kann bei kreisrunden
Plättchen mit exzentrischer Bohrung verfahren werden. .
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In Abb.3 und 6 sind nicht wie bei, den vorhergehenden Abbildungen
mehrere Einzelplättchen übereinandergeschichtet. Die Elektrode i besteht vielmehr
aus einem Blechstreifen i i aus schwer schmelzbarem Metall, der zickzackförmig gefalzt
und auf den Stift 5 aufgesteckt ist. Auch hier ermöglichen die zwischen den einzelnen
Lagen befindlichen Zwischenräume die Unterbringung einer großen Menge des Oxyds.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Wärmeableitung vom Lichtbogenansatzpunkt
gut und der Übergangswiderstand für den elektrischen Strom vom Metallblech zum Stift
besonders niedrig ist. In der Abb.3 ist die Folie 8 gegenüber den Abb. i und 2 um
90° gedreht, so daß man deutlich 'sieht, wie der Stift 5 in dem Falz der Folie liegt.
Im übrigen gilt für die an zweiter und dritter Stelle beschriebenen Ausführungsformen
sinngemäß alles das, was für die Abb. i und q. . gesagt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kathode wird ein zentrischer
Ansatz des Lichtbogens sichergestellt. Diese 'Eigenschaft ist von Vorteil, wenn
man Entladungsgefäße aus Glas herstellt, bei denen man bisher zum Schutz des Glases
für einen hinreichend großen Abstand zwischen Wandung und Elektrode oder durch andere
Mittel dafür sorgen mußte, daß die Wandung nicht durch den Lichtbogen zu heiß wird.
Da die erfindungsgemäße Elektrode auch dann noch befriedigend arbeitet, wenn ihre
Abmessungen nur wenige Millimeter betragen, kann sie auch bei den sog. Superhochdrucklampen
verwendet werden. Bei derartigen Röhren ist nämlich der in den Polgefäßen verfügbare
Raum sehr klein.
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Die Kathode nach der Erfindung kann besonders bei solchen Entladungsröhren
Verwendung finden, die als Ultraviolettstrahler für therapeutische oder technische
Zwecke oder als Lichtquelle dienen.