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N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Holland) Glimmentladungsröhre
zur Verwendung als wirksamer Teil in einer elektrischen Schaltung Die Erfindung
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 unterscheiden
sich von Glimmlampen insofern, 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, in der praktisch während der ganzen Lebensdauer die
Spannung konstant bleibt, die bis auf einige Volt reproduzierbar ist.
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Röhren dieser Gattung hat man bisher mit einer Kathode aus Eisen oder
Nickel versehen, die gegebenenfalls mit einem Erdalkalimetall überzogen ist. Zur
Reinigung der Gasfüllung enthalten sie häufig einen aus Barium oder Magnesium bestehenden
Fangstoff.
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Es wurde gefunden, daß die Eigenschaften dieser Röhren beträchtlich
verbessert werden können und daß man auch das Herstellungsverfahren vereinfachen
kann. Nach der Erfindung besteht die Kathode einer Glimmentladungsröhre wenigstens
an ihrer Oberfläche aus einem Metall mit einem über 1q.00° C liegenden Schmelzpunkt;
die Röhrenwand, wenigstens der die Entladungsstrecke umschließende Teil dieser Wand,
ist praktisch vollständig mit einer sichtbaren Schicht von einem dieser Metalle
überzogen. Vorzugsweise bestehen nach der Erfindung die Kathode und die Wandbekleidung
aus dem gleichen Metall. Man kann die Kathode ganz aus einem der erwähnten Metalle
herstellen; es genügt aber, wenn nur die Oberflächenschicht der Kathode
aus
diesem Metall besteht. Vorzügliche Ergebnisse wurden mit einer Molybdänkathode erhalten.Außer
der Kathode muß die Innenwand der Röhre mit einer Schicht aus einem Metall überzogen
sein, dessen Schmelzpunkt i4oo° C übersteigt. Es ist dabei nicht ausreichend, wenn
die Innenwand mit einer unsichtbaren Metallschicht mit einer Stärke von nur einigen
Atomen bedeckt ist. Die Schicht soll klar sichtbar sein und wenigstens die die Entladungsstrecke
umschließende Wand praktisch ganz bedecken. Wenn innerhalb der Glashülle der Entladungsröhre
die Entladungsstrecke von einem Schirm umgeben wird, so wird dieser Schirm als Wand
für die Entladungsstrecke dienen und mit einem der vorerwähnten Metalle überzogen
sein müssen. Unter einer sichtbaren Metallschicht ist eine Schicht zu verstehen,
die, auf eine Glaswand aufgetragen, etwa 20% des durchfallenden Lichtes absorbiert.
Im allgemeinen erhält man bessere Ergebnisse, wenn ein größerer Teil der Wand überzogen
ist, man wird daher zweckmäßig die Hülle der Entladungsröhre derart wählen, daß
'keine toten Räume, z. B. Rohrarme, vorhanden sind und die Röhrenwand überall nahezu
gleich weit von der Kathodenoberfläche entfernt ist.
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Es wurde festgestellt, daß eine Glimmentladungsröhre, in der im Rahmen
der Erfindung die Kathodenoberfläche und vorzugsweise auch die Wandbedeckung aus
Molybdän bestehen, besonders gute Eigenschaften in bezug auf gleichbleibende Brennspannung
und Reproduzierbarkeit hat.
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Die oben geschilderten Glimmentladungsröhren lassen sich in Weiterbildung
der Erfindung 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 zum Beispiel die Kathode
dadurch gereinigt werden, daß man sie während längerer Zeit mittels Hochfrequenz
auf einer hohen Temperatur erhitzt; vorzugsweise aber zerstäubt man die Kathode
mittels einer Glimmentladung mit einer Stromdichte, die die normale Stromdichte
wenigstens mehrmals übersteigt.
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Die Reinigung der Kathode ist, auch zum Zwecke der 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 Reinigung keine Verunreinigungen mehr in die Röhre
eintreten können. Es wird zum Beispiel 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 während des Betriebs der Röhre abgegeben
werden.
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Die Wandbedeckung der -Glimmentladungsröhre läßt sich -dadurch erzeugen,
daß eins der vorgenannten iNIetalle in Form eines Drahtes oder einer Platte derart
erhitzt oder das Metall mittels einer Glimmentladung derart zerstäubt wird, daß
es die Wand, welche die Entladungsstrecke umschließt, praktisch vollständig mit
einer sichtbaren Metallschicht bedeckt.
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Das Verfahren zur Herstellung der Glimmentladungsröhre nach der Erfindung
kann in hohem Maße vereinfacht werden, wenn man für die Wandbedeckung das gleiche
Metall wie für die Kathode wählt; in diesem Fall können die Reinigung der Kathode
und die Bedeckung der Wand gleichzeitig durch Zerstäubung der Kathode bewirkt werden.
Man soll diese dann so lange dauern lassen, als zum Niederschlagen eines hinreichenden
Wandüberzuges erforderlich- ist.
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Es wurde gefunden, daß die Brennspannung von Glimmentladungsröhren
nach der Erfindung innerhalb weiter Zeitgrenzen außerordentlich konstant ist und
sich zum Beispiel innerhalb einer normalen Brenndauer von iooo Stunden weniger als
0,5 Volt ändert.
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Die gemäß eines Teiles der Erfindung als Material für die Kathodenoberfläche
und Wandbedeckung verwendeten Metalle haben einen Schmelzpunkt oberhalb i400° C.
Falls der Preis dieses Materials denjenigen der Entladungsröhre zu stark beeinflussen
würde, was zum Beispiel für Ti oder Hf der Fall sein kann, wird man im allgemeinen
eine Wahl unter den Metallen Zr, Ta, Cr, Mo, W, Fe und Ni treffen. Unter diesen
letztgenannten Metallen nimmt das Molybdän durch seinen niedrigen Kathodenfall (etwa
ioo Volt in Argon oder Neon) einen besonderen Platz ein, und zwar durch die Leichtigkeit,
mit der die Kathode derart behandelt werden kann, daß das Glimmlicht die Kathode
homogen bedeckt; ein weiterer Vorteil liegt in den bekannten Eigenschaften einer
leichten Bearbeitbarkeit und hohen Belastbarkeit des Metalls. Infolge des niedrigen
Kathodenfalles gibt es keine Entladung an den Polen, die vielfach aus Nickel bestehen;
diese Pole brauchen also nicht abgeschirmt zu werden.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in den Fig. i bis 5 abgebildeten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese Figuren zeigen Glimmentladungsröhren
mit verschieden ausgestalteten Hüllen und Kathoden.
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Bei der Röhre nach Fig. i befindet sich eine Kathode i und eine stabförmige
Anode 2 in einer Hülle 3, die Ausstülpungen 4 und 5 aufweist. In Fig. 2 ist die
Kathode i in gestrecktem Zustand dargestellt. Die Innenwand der Hülle ist mit einem
dunklen Metallniederschlag überzogen, der ebenso wie die Kathode aus einem der vorgenannten
Metalle und vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die Kathode besteht. Die Innenwand
der Ausstülpungen 4, 5 ist praktisch nicht vom Metallniederschlag bedeckt, da das
verdampfte oder zerstäubte Metall das Innere dieser Ausstülpung nicht erreichen
kann. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist dieser Nachteil vermieden, da bei dieser
Röhre mit der Anode 2 keine Ausstülpungen vorhanden sind und hier die Hülle 3 überall
nahezu gleich weit von der Kathodenoberfläche i entfernt ist. In dieser Röhre kann
demnach
die Innenwand sehr gleichmäßig mit Metallniederschlag bedeckt sein.
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Fig..I zeigt eine Röhre mit zylindrischer Kathode i und einer Anode
2 in einer Hülle 3, die entsprechend der Röhre nach Fig. 3 überall gleich weit von
der Kathodenoberfläche entfernt ist.
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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 sicht-. baren Metallschicht überzogen, während
die vom Zylinder abgeschirmte Röhrenwand nicht bedeckt ist.
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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 -sowohl die Reinigung der Kathode als auch das Überziehen der Innenwand
durch 7erstäul)ung durchführt. Zunächst werden durch Erhitzung in einem Ofen auf
etwa 400° C sämtliche Gasteile der Röhre auf bekannte Weise entgast: ferner werden
die Metallteile soweit wie möglich dadurch entgast, daß sie zum Beispiel mittels
Hochfrequenz auf hohe Temperatur erhitzt werden. Darauf wird die Röhre mit Gas gefüllt.
Es kann nunmehr zwischen Kathode und Anode eine GlimmeiitlacIutig mit kleinem Strom
bewirkt werden. Wenn man diesen Strom langsam steigert, so beobachtet man, daß sich
das Glimmlicht auf der Kathode zu einem kleinen Fleck zusammenzieht; hierbei sinkt
die Brennspannung. Darauf breitet sich das Glimmlicht wieder langsam über die Oberfläche
der Kathode aus. Man steigert den Strom schließlich, 1>1s dieser etwa einige hundert
Milliainpere je Quaratzentimeter beträgt, wobei die Kathode zur Weißglut gelangen
kann. Man kann nunmehr Gas abpumpen und die Röhre mit reinem Gas neu füllen. Nachdem
die Röhre abgeschmolzen ist, wird das Zerstäubungsverfahren nochmals wiederholt,
so daß schließlich sowohl die Kathode als auch die Gasfüllung derart gründlich gereinigt
sind, 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 so lange fortzusetzen, bis die
Innenwand der Röhre praktisch vollständig mit einer sichtbaren Molybdänschicht bedeckt
ist.
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Man kann das oben geschilderte Verfahren im Rahmen der Erfindung auf
verschiedene Weisen variieren. Man kann zum Beispiel statt Molybdän eins der anderen
erwähnten Metalle sowohl für die Kathode als auch für die Wandbedeckung verwenden.
Wenn man zum Beispiel eine Kathode aus Zirkonium und eine Wandbedeckung aus Nickel
wählt, so wird man in der Röhre in der Umgebung der Kathode einen Nickeldraht oder
eine Nickelplatte anbringen können, so daß durch Zerstäubung Nickel auf die Innenwand
niedergeschlagen wird. 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. Die Kathode kann auch aus einem Draht bestehen, 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. 170o° C) erhitzt
wird. Wenn man nur die Zerstäubung länger fortsetzt, kann sie auch bei geringerer
Belastung und mithin bei niedrigerer Temperatur stattfinden.
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Der Gasdruck in Glimmentladungsröhren nach der Erfindung hat den üblichen
Wert von der Größenordnung von i cm. Man kann zum Beispiel einen Gasdruck von 2o
bis 40 mm Neon oder 5 bis 20 mm Argon wählen. Glimmentladungsröhren nach der Erfindung
haben eine niedrige konstante Brennspannung. Wenn die Zerstäubung oder Verdampfung
der Kathode hinreichend lange erfolgt und eine sichtbare Metallschicht auf der Innenwand
der Röhre niedergeschlagen worden ist, kann die Brennspannung innerhalb einer normalen
Brenndauer von etwa iooo Stunden sich um weniger als o,5 Volt und sogar nur um o,1
Volt ändern. Unterbrechung der Verwendung der Röhre führt praktisch keine Änderung
der Brennspannung herbei.