Elektrisches Entladungsgefäss. Bei gebräuchlichen dampfgefüllten Ent ladungsgefässen, bei denen das Kathoden metall infolge der durch den Lichtbogen er zeugten hohen Temperaturen verdampft, be vorzugt man Quecksilber als Kathodenmate rial, weil es immer wieder zur Kathode zu rückfliesst, nachdem es verdampft und an den gekühlten Wandungen des Gefässes kon densiert ist.
Nachteilig dabei ist die Notwendigkeit grosser Abkühlungsflächen, vor allem aber der Energieverlust, der durch die Wärmeab fuhr nach aussen entsteht.
Bei einem Entladungsgefäss gemäss der Erfindung sind diese Nachteile wesentlich geringer. Gemäss der Erfindung ist ein elek trisches Entladungsgefäss mit lichtbogenarti- ger Entladung mit einer Kathode versehen, die einen Emissionsbelag aus einem Alkali metall oder Erdalkalimetall besitzt. Die Kathode bildet mindestens einen Teil der Begrenzung des Entladungsraumes. Das ganze Gefäss ist derart ausgebildet, dass die Kathode mit Ausnahme der durch den an setzenden Lichtbogen aufgeheizten Stelle kühl bleibt.
Für die emittierende Schicht eignen sich wegen ihrer geringen Austritts arbeit und sonstigen passenden Eigenschaf ten besonders Kalium und Natrium. Aber auch Lithium, Cäsium und Rubidium können verwendet werden, desgleichen auch die Erd- alkalimetalle Calcium, Strontium und Ba rium.
Als Trägerstoffe für die Aufnahme des Emissionsbelages kommen insbesondere Halb leiter in Betracht, vor allem solche, die bei der Stromführung entweder überhaupt nicht elektrolytisch zersetzt werden, oder bei denen wenigstens keine störende Zersetzung ein tritt, bei denen also insbesondere kein Sauer stoff oder keine Halogene frei werden.
Den Metallen sind die Halbleiter deshalb vorzuziehen, weil sie die Wärme weniger schnell ableiten, so dass sich ein Brennfleck mit hoher Temperatur auf kleinstem Raum ausbilden kann. Schlechte Wärmeleiter mit hoher Elektronenaustrittsarbeit haben über dies den Vorteil, dass die Austrittsarbeit der auf ihnen gebildeten einatomigen Schichten des Kathodenmaterials durch Polarisierung herabgesetzt. wird. Als Trägerstoffe eignen sich daher Karbide, Boride, Nitride. Silicide der verschiedensten Metalle, insbesondere der hochschmelzenden Metalle, z. B. von Wolf ram oder Titan.
Insbesondere kommt Sili- ciumborid oder Siliciumkarbid (Karborund) in Betracht. Das Karborund hat nicht allein den Vorteil, dass es auch bei normalen Tem peraturen die Eigenschaften eines Halbleiters hat, sondern auch weil es sehr billig und sehr fest ist. Auch seine natürliche raube Ober fläche scheint vorteilhaft zu sein. Wahr scheinlich ist auch seine elektronegative Ei genschaft von Bedeutung.
Lm eine Kathode mit Karborund als Trä gerstoff herzustellen, kann man Teilchen aus gestossenem oder gemahlenem Karborund in das Entladungsgefäss lose auf den Boden des Entladungsgefässes einlagern. Das Entla dungsgefäss selbst kann aus Eisen sein.
Ist das Karborund genügend grobkörnig, so kann man es durch ein darüber gespanntes Ge flecht aus leitendem oder isolierendem Mate rial auch an der Wandung des Gefässes zi.- sammenhalten. Eine weitere Befestigungs möglichkeit für das den Träger bildende Sili- zium-Karbid besteht darin, dass es fein zer kleinert ist und in eine Glasur als zusam menhängende Schicht eingeschmolzen wird.
Es kann auch hinter einer durchlochten Wand aus Glas, Quarz, Porzellan oder son stigem keramischem Material aufgeschüttet werden oder hinter Silitstäben, die genügend eng nebeneinander gesetzt sind. Das als emit tierendes Material dienende Metall wird am besten auf den Trägerstoff unter Luftab- schluss aufdestilliert. Ist die Oberfläche des Trägerstoffes so uneben, wie z.
B. die des aufgeschütteten Karborundums, so hat das Aufdampfen auch den Vorteil, dass zahl reiche Übergangsstellen mit einatomiger Schicht entstehen, an denen der Brennfleck besonders leicht ansetzt. Er greift aber auch auf stärkere Schichten über, an denen er, wie es scheint, eine so starke Verdampfung her vorrufen kann, bis auch nur eine einatomige Schicht überbleibt. Diese wird dann iin all gemeinen aus den 3l.etallvorrä.ten der Nach- barschi.clltcn stets von neuem ersetzt.
Die Gasfüllung des Entladungsgefässes besteht zweckmässigerweise aus einem Gas oder einem Dampf, der sich auch in kaltern Zustand des Gefässes nicht niederschlägt, Argon. vorzugsweise aus Edelgas, z. B. aus Der Druck bei gewöhnlicher Temperatur kann etwa 0,02 bis 30 rnm Quecksilbersäule betragen; zum Beispiel ermöglichen Drücke zwischen ;) und 10 mm Quecksilbersäule einen sicheren Betrieb.
So lässt sich in einem Entladungsgefäss, bei dem der Träger aus grobkörnigem Karborund, das Kathoden- ina,terial aus Kalium besteht, der Lichtbogen auch bei kalter :Kathode bereits mit einer Spannung voll etwa 50 bis 7 0 Volt zünden. Um die Ziindspannung noch weiter Herabzu- setzen, luinn eine besondere Zündanode vor gesehen werden.
Der Spannungsabfall im brennenden. Lichtbogen beträgt nur 5 bis 7 Volt selbst dann, wenn die Aussenwandung des Gefässes auf eine Temperatur von 0 C abgekühlt wird. Die Wärnicentwichlung und der Energieverlust sind entsprechend gering. Sobald dagegen ein geeigneter Ansatzpunkt für den Lichtbogen nicht mehr vorhanden ist, zum Beispiel weil eine zu. dicke Schicht des Kathodenmaterials den Trägerstoff völlig zudeckt, steigt der Spannungsabfall etwa auf das Dreifache.
Bei Verwendung von Natrium als emit tierendem Material beträgt die Zündspan- nung infolge der höheren Austrittsarbeit un ter sonst gleichen Bedingungen etwa 150 bis 170 Volt und die Brennspannung etwa 1f) Volt. Man wird daher das Kalium bev or- zugen, es sei denn, dass man aus den im fol genden erörterten Gründen Natrium verwen det.
Entladungsgefässe gemäss der Erfindung dienen insbesondere als Gleichrichter. Da mit auch bei höheren Stromstärken keine Rückzündung eintritt, empfiehlt es sich, die Anoden zum Beispiel durch Drosselung der Wärmeabfuhr auf so hoher Temperatur zu halten, dass kein Metalldampf auf ihnen kondensiert. Allerdings würden sich bei ho hem Partialdruck einatomige Schichten des Kathodenmaterials auch auf heissen Anoden niederschlagen und würden bei der hohen Temperatur dann ausgezeichnet emittieren.
Aus diesem Grunde wird zweckmässig die Kathode so weit gekühlt, dass der Partial druck des emittierenden Stoffes bestimmte, zulässige Grenzen nicht überschreitet; denn ein Vorteil der Erfindung besteht gerade darin, dass infolge der geringen Wärmeent wicklung eine ausreichende Kühlung der Kathode leicht durchzuführen ist.
Wenn. es notwendig ist, die Sperrspannung noch wei ter zu erhöhen, so empfiehlt es sich, statt Kalium Natrium als emittierenden Stoff zu verwenden, das wegen seines geringeren Dampfdruckes auch eine höhere Sperrspan nung zu erzielen gestattet. Cäsium und Rubi- dium weisen zwar eine noch geringere Aus trittsarbeit als Natrium und Kalium auf, eignen sich aber für Gleichrichter weniger gut, weil ihr höherer Dampfdruck die Bil dung einatomiger Schichten auf den Anoden flächen mehr begünstigt.
Das Entladungsgefäss kann so eingerich tet werden, dass alle seine Teile mit Aus nahme der Anoden und ihrer Isolation als Kondensationsflächen wirken, und sobald sich Metallschichten auf ihnen niedergeschla gen haben, auch als Kathodenoberflächen dienen können. Um das zu erreichen, kann die gesamte Gefässwandung mit Ausnahme der Anoden und ihrer Isolation aus zusam menhängendem, leitendem Material, z. B. aus Eisen hergestellt werden. Eine derartige Ausbildung der Entladungsgefässe kann auch bei andern Kathoden und Gasfüllungen von Wert sein.
Ausführungsbeispiele für ein Entladungs gefäss gemäss der Erfindung sind in der bei liegenden Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 ein Entladungsgefäss mit einer Anode. In ein eisernes Rohr 1 ist ein. eiserner Deckel 2 luftdicht eingesetzt. Als Stromzu führung zur Anode 3 dient ein Stab 4 aus einem Material, dessen Wärmeausdebnungs- koeffizient sich zu Einschmelzungen mit Glas eignet, z. B. das unter dem Namen Ko- var bekannte Metall.
Eine Buchse 5 aus dem gleichen Material ist in den Deckel 2 luft dicht eingesetzt, und die eingeschmolzene Glaspackung 6 dichtet die Anodenzuführung ab. Die Anode 3 selbst kann aus gewöhn lichem Eisen hergestellt sein. Nachdem das Entladungsgefäss soweit fertiggestellt und auch mit dem Absauge stutzen 7 versehen worden ist, wird der Bo den 8 eingeschweisst. Er trägt die lose auf geschütteten Karborundkristalle 9.
Das nun mehr geschlossene Entladungsgefäss wird dann ausgepumpt, und durch die Pumpöff- nung 7 wird beispielsweise Kalium hinein destilliert, das sich zunächst auf der ganzen innern Oberfläche des Gefässes niederschlägt. Sobald dann Argongas eingefüllt ist, so dass der Druck 5 bis 10 mm Quecksilbersäule be trägt, kann der Pumpstutzen zugelötet wer den.
Mit Hilfe eines Gleichstromes wird nun mehr zwischen der Kathode 9 und der Anode 3 ein Lichtbogen erzeugt, der die Anode auf hohe Temperatur bringt, so dass der Nieder schlag des Kaliums wieder in Dampfform übergeht. Bei der darauffolgenden Abküh lung behält die Anode 3 infolge der schlech teren Wärmeableitung ihre Temperatur am längsten bei, so dass sich das Kalium an den Wandungen und insbesondere auf der Kar borundmasse 9 niederschlägt. Durch diesen Niederschlag werden auch die lose einge schütteten Kristalle leicht aneinander ge schweisst.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 unter scheidet sich im wesentlichen dadurch, dass nicht nur der Boden, sondern auch die zylin drische Wandung mit Karborundkristallen bedeckt ist, so dass jeder Teil der Wandung mit Ausnahme des Deckels als kathodischer Ansatzpunkt für den Lichtbogen dienen kann. Ein zylindrisches Drahtnetz 14 ist oben an einem Winkelring 12 befestigt:. Ein Zwischenboden 13, ebenfalls aus Draht gewebe, schliesst den Zylinder unten ab.
Der zwischen dem Eisenrohr 11 und dem Draht netz 14 bleibende Hohlraum ist mit Narbo- rundkristallen ausgefüllt, die auch den Bo den 13 des Drahtnetzes bedecken, wobei wäh rend des Einfüllens das ganze Gefäss auf den Kopf gestellt ist. Darauf wird der Zylinder boden 15 eingeschweisst, der das Gefäss luft dicht abschliesst, ebenso wie der Deckel 1.6.
Bei dem in Fig. ? gezeichneten Ausfüh rungsbeispiel ist der Boden und die Seiten wand mit dem Trägerstoff ausgekleidet. Man kann die Innenseite des Deckels eben falls in dieser Weise auskleiden, so dass die Entladung auch am Deckel ansetzen kann, falls sich hier emittierender Stoff nieder schlägt. Es bleibt dann nur die Anode und ihre Isolation vom Trägerstoff und vom emittierenden Stoff frei. In der Zeichnung ist nur eine Anode 17 dargestellt, die andern beiden Anoden sind auf einem Kreis um die Gefässachse um 120 versetzt zu denken. Die luftdichte Befestigung der Anodeneinfiih- rungen 18 kann ebenso wie bei Fig. 1 herge stellt sein.
Die Anodenzuführung 19 ist mit Eindrehungen versehen, um die Wärmeab leitung von der Anode zur Einschmelzstelle herabzusetzen.
Es ist bereits bekannt, dass die Elektro- nenaustrittsarbeit von kompakten Schichten der Alkalimetalle kleiner ist als die der Erd- alkaJimetalle, und da.ss dieser Unterschied auch bei einatomigen Schichten der adsor- bierten 3letalle vorhanden ist.
Trotzdem haben Kathoden von Alkalimetallen sowohl in kompaktem wie auch in adsorbiertem Zu stande der letzteren bisher nur für lichtelek trische Zwecke in grösserem Umfange tech nische Verwendung gefunden-, denn Glüh kathoden, die durch adsorbierte Alkali- metalle aktiviert wurden, zeigten trotz ihrer geringen Elektronenaustrittsarbeit erst bei ziemlich hohen Temperaturen eine für die Anwendung beispielsweise in Gleichrichter röhren ausreichende Elektronenemissions- dichte,
und bei diesen hohen Temperaturen erwies sich die Lebensdauer der adsorbierten Schichten für eine technische Verwendung als zu gering. Eine höhere Lebensdauer würde man erst erreichen, wenn man den Dampfdruck des Alkalimetalles so hoch wählte, dass die gleiche Anzahl von Ato men, die den Träger infolge der Verdamp fung verlassen, in der gleichen Zeit aus dem umgebenden Gase wieder ersetzt wird.
Wenn aber ein solcher hoher Dampfdruck im gan zen Gefäss herrschen würde, so würden auch die Anoden des Gleichrichtergefässes durch adsorbierte Alkalia.tome aktiviert werden, und da die Anoden, um eine Kondensation des verdampften Kathodenmaterials auf ihnen zu vermeiden, im Betriebe auf höheren Temperaturen gehalten werden müssen, so würde ihre glühelektrische Emission ausrei chen, uni Riiclzziindungen einzuleiten.
Diese Schwierigkeit kann dadurch über wunden werden, dass die gesamte benötigte Elektronenemission von einem Lichtbogen- brennfleck getragen wird, der räumlich so eng begrenzt ist, class die Temperatur der Kathode als Ganzes leicht in niedrigen Gren zen gehalten werden kann. Das von dem Brennfleck verdampfende Alkalimetall kon densiert daher sofort wieder auf nahe be nachbarten kälteren Bezirken der Kathoden oberfläche, so dass der mittlere Alkalipartial- druck im Gefäss durch die Verdampfung nicht erhöht wird.
Eine solche räumliche Beschränkung der durch den Brennfleck erzeugten hohen Temperatur ist aber nur möglich, wenn ein Trägerstoff von ausreichend geringer Wärme leitfähigkeit verwendet wird. Die elektrische Leitfähigkeit muss trotzdem ausreichen, um den Entladungsstrom ohne schädlichen Span nungsverlust dein Brennfleck zuleiten zu können. In unmittelbarer Nähe des heissen Brennfleckes stellt sich ein ziemlich hoher Partialdruck des emittierenden Stoffes ein, so dass die etwa zerstörte einatomige Schicht sofort wieder an derselben Stelle oder in un mittelbarer Nachbarschaft ersetzt wird.
Diese Einengung des Gebietes gesteigerten Partial druckes auf kleinstem Raum wird wesentlich begünstigt, wenn man die Diffusionsge schwindigkeit durch Anwendung hoher Drücke des Füllgases in der Grössenordnung von mindestens 10-z mm Quecksilber herab setzt.
In vielen Fällen wird es sich als vorteil haft erweisen, die Kathode durch besondere Einrichtungen kühl zu halten und so die Wirkung der erfindungsgemässen Anordnung noch zu verbessern. Man verwendet in diesem Falle als Kathode vorzugsweise einen im In nern des elektrischen Entladungsgefässes vor gesehenen Kühler, dessen Oberfläche in der beschriebenen Weise mit einer Trägerschicht und einem auf diese aufgebrachten elektro nenemittierenden Stoff versehen ist.
Die Ausbildung der Oberflächen mit elek tronenemittierenden Schichten wird zweck mässig auf gewisse Wandteile des Entla dungsgefässes ausgedehnt, so dass beispiels weise bei vorübergehenden Störungen der Kühlmittelzufuhr auch diese Wandungsteile die Funktion der Kathode wenigstens zeit weise übernehmen können, ohne dass ein Über greifen des Lichtbogenansatzpunktes auf die Gefässwand zu einer stärkeren Erhöhung des Alkalidampfdruckes führen muss.
Beim Ar beiten mit stärkeren Emissionsströmen wird es zweckmässig sein, für die betreffenden Wandteile ebenfalls eine besondere Kühlung vorzusehen.
Der Abstand zwischen Innenkühler und Anode muss so gross gewählt werden, dass die Diffusion des an der Ansatzstelle des Licht bogens verdampfenden Alkalis zur Anode hin bei dem herrschenden Druck des Füll gases genügend behindert ist.
Als Kühlmittel dienen zweckmässig strö mende Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, strö mende Luft oder dergl., wobei eine mittlere Kathodentemperatur von maximal 200 C nicht überschritten werden darf, damit der mittlere Partialdruck des Alkali nicht so hoch wird, dass auf den Anoden Alkali metalle angereichert werden. Die Verwen dung von Wasser als Kühlmittel ist besser zu vermeiden, mit Rücksicht auf die Explo- sionsgefahr, die infolge des Vorhandenseins von metallischem Kalium im Entladungs gefäss bei etwaigen Undichtigkeiten der Kühlvorrichtung auftreten kann.
Die Wan- dungsquerschnitte des Gefässes und des In nenkühlers sind so zu bemessen, dass sie gege benenfalls die vollständige Stromleitung der fliessenden Entladungsströme übernehmen können, ohne dass die Temperatur auf dem Leitungswege die Maximaltemperatur von 200 C überschreitet.
Der Innenkühler steht vorzugsweise mit besonderen, ausserhalb des Entladungsgefässes gelegenen Kühlvorrichtungen in Verbindung. Seine Ausbildung erfolgt beispielsweise der art, dass der Umlauf des Kühlmittels nir gends behindert ist, so dass gegebenenfalls ein selbsttätiger Wärmeaustausch des Kühl- mittels in freier Konvektion mit dem Flüs sigkeitsinhalt beispielsweise von Kühlflügeln erfolgen kann.
In Fig. 3 ist als Beispiel ein Entladungs gefäss mit einer gekühlten Kathode schema tisch wiedergegeben. Die Wandung 21 des Entladungsgefässes besitzt eine Einbuchtung 22, die durch ein in Richtung der Pfeile strö- mendes Kühlmittel gekühlt wird.
Die mit dem Gefässinnern in Berührung stehende Oberfläche der Einbuchtung 22 ist von der aktiven Schicht 23 aus Alkali oder Erd- alkalimetall auf einer Unterlage von Sili- ziumkarbid bedeckt. Um ein sicheres Haften dieser Stoffe an der Oberfläche der Einbuch- tung zu gewährleisten, ist diese mit einer netz- oder korbartigen metallischen Umhül lung 24 versehen.
Ebenso sind grosse Teile der übrigen Gefässwandung mit einer aktiven Schicht 25 versehen, damit sie mindestens vorübergehend, beispielsweise bei einer zeit weisen Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr, zum kathodischen Ansatzpunkt des Licht bogens geeignet sind. Die Durchführungen 27 der Anode 26 sind möglichst abgedeckt gegenüber dem übrigen Entladungsraum, nm sie gegen Ablagerung von Alkali zu schüt zen.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine zusätzliche Aussen- kühlung für die Wandteile der Röhre vor gesehen ist. Wenn auch die Kondensation des aktivierbaren Alkali beim Vorhandensein eines Innenkühlers naturgemäss grösstenteils an den stark gekühlten Oberflächenteilen dieses Innenkühlers stattfindet, so wird man zweckmässig doch bei stärkeren Belastungen eine zusätzliche Kühlung auch der übrigen Wandteile vorsehen, damit der mittlere Par tialdruck des Alkali auf alle Fälle in erträg lichen Grenzen gehalten wird.
Der die Kathode bildende Innenkühler 37 in Fig. 4 ist als ebener Ringkühler aus gebildet, dem zum Zwecke gleichmässiger Kühlung das Kühlmittel an der Innenseite zugeleitet wird, was durch die Pfeilrichtung angedeutet ist. Der zusätzliche Aussenkühler ist mit 38 bezeichnet; im übrigen sind auch hier grosse Teile der Oberfläche der Gefäss wandung mit der aktiven Masse 35 über zogen.
Electric discharge vessel. In conventional vapor-filled discharge vessels, in which the cathode metal evaporates as a result of the high temperatures generated by the arc, mercury is preferred as the cathode material because it always flows back to the cathode after it has evaporated and cones on the cooled walls of the vessel is condensed.
The disadvantage here is the need for large cooling surfaces, but above all the loss of energy that occurs due to the heat dissipation to the outside.
In the case of a discharge vessel according to the invention, these disadvantages are significantly lower. According to the invention, an electrical discharge vessel with an arc-like discharge is provided with a cathode which has an emission coating made of an alkali metal or an alkaline earth metal. The cathode forms at least part of the delimitation of the discharge space. The entire vessel is designed in such a way that the cathode, with the exception of the area heated by the incipient arc, remains cool.
Because of their low work function and other suitable properties, potassium and sodium are particularly suitable for the emitting layer. But lithium, cesium and rubidium can also be used, as can the alkaline earth metals calcium, strontium and barium.
In particular, semiconductors come into consideration as carrier materials for absorbing the emission layer, especially those that are either not electrolytically decomposed at all when the current is carried, or that at least have no disruptive decomposition, i.e. in particular those that do not release any oxygen or halogens will.
Semiconductors are preferable to metals because they dissipate heat less quickly, so that a focal point with high temperature can form in the smallest of spaces. Poor heat conductors with a high electron work function have the advantage that the work function of the monatomic layers of the cathode material formed on them is reduced by polarization. becomes. Carbides, borides and nitrides are therefore suitable as carrier materials. Silicides of a wide variety of metals, especially refractory metals, e.g. B. from Wolf ram or titanium.
In particular, silicon boride or silicon carbide (carborundum) come into consideration. Carborundum not only has the advantage that it has the properties of a semiconductor even at normal temperatures, but also because it is very cheap and very strong. Its natural rough surface also seems to be beneficial. Its electronegative property is probably also important.
To produce a cathode with carborundum as a carrier, particles of pounded or ground carborundum can be loosely stored in the discharge vessel on the bottom of the discharge vessel. The discharge vessel itself can be made of iron.
If the carborundum is sufficiently coarse-grained, it can be held together on the wall of the vessel by a mesh of conductive or insulating material stretched over it. Another possibility for fastening the silicon carbide forming the carrier is that it is finely shredded and melted into a glaze as a coherent layer.
It can also be heaped up behind a perforated wall made of glass, quartz, porcelain or other ceramic material or behind silicon rods that are placed sufficiently close together. The metal serving as the emitting material is best distilled onto the carrier material in the absence of air. If the surface of the carrier material is so uneven, such as
B. that of the heaped up carborundum, the vapor deposition also has the advantage that numerous transition points with a monatomic layer arise, where the focal point attaches particularly easily. But it also encroaches on thicker layers, on which it appears to be able to produce such a strong evaporation that even a single atomic layer remains. This is then generally always replaced from the 3l metal stocks of the neighboring countries.
The gas filling of the discharge vessel expediently consists of a gas or a vapor which does not precipitate even when the vessel is cold, argon. preferably from noble gas, e.g. B. from The pressure at ordinary temperature can be about 0.02 to 30 µm of mercury; For example, pressures between;) and 10 mm of mercury enable safe operation.
In a discharge vessel in which the carrier is made of coarse-grained carborundum and the cathode material consists of potassium, the arc can be ignited with a voltage of around 50 to 70 volts even when the cathode is cold. In order to further reduce the ignition voltage, a special ignition anode must be provided.
The voltage drop in the burning. Arc is only 5 to 7 volts even if the outer wall of the vessel is cooled to a temperature of 0 C. The heat development and the energy loss are correspondingly low. However, as soon as a suitable starting point for the arc is no longer available, for example because one is closed. If a thick layer of the cathode material completely covers the carrier material, the voltage drop rises approximately three times.
If sodium is used as the emitting material, the ignition voltage is around 150 to 170 volts and the operating voltage around 1f) volts due to the higher work function under otherwise identical conditions. Potassium is therefore preferred, unless sodium is used for the reasons discussed below.
Discharge vessels according to the invention serve in particular as rectifiers. Since no flashback occurs even at higher currents, it is advisable to keep the anodes at such a high temperature, for example by throttling the heat dissipation, that metal vapor does not condense on them. However, at high partial pressure, single-atom layers of the cathode material would also be deposited on hot anodes and would then emit excellently at the high temperature.
For this reason, the cathode is expediently cooled to such an extent that the partial pressure of the emitting substance does not exceed certain permissible limits; because one advantage of the invention is precisely that, due to the low heat development, sufficient cooling of the cathode can easily be carried out.
If. If it is necessary to increase the reverse voltage even further, it is advisable to use sodium instead of potassium as the emitting substance, which also allows a higher reverse voltage to be achieved due to its lower vapor pressure. Cesium and rubidium have an even lower leakage function than sodium and potassium, but are less suitable for rectifiers because their higher vapor pressure is more conducive to the formation of monatomic layers on the anode surfaces.
The discharge vessel can be set up in such a way that all of its parts, with the exception of the anodes and their insulation, act as condensation surfaces and, as soon as metal layers have deposited on them, can also serve as cathode surfaces. To achieve this, the entire vessel wall with the exception of the anodes and their insulation made of coherent, conductive material such. B. made of iron. Such a design of the discharge vessels can also be of value with other cathodes and gas fillings.
Embodiments of a discharge vessel according to the invention are shown in the accompanying drawing, namely FIG. 1 shows a discharge vessel with an anode. In an iron pipe 1 is a. iron lid 2 inserted airtight. As Stromzu lead to the anode 3 is a rod 4 made of a material whose coefficient of thermal expansion is suitable for melting with glass, eg. B. the metal known under the name Kovar.
A socket 5 made of the same material is inserted airtight into the cover 2, and the melted glass pack 6 seals the anode feed. The anode 3 itself can be made of ordinary iron. After the discharge vessel has been completed and also provided with the suction nozzle 7, the bottom 8 is welded in. He carries the loosely poured carborundum crystals 9.
The now more closed discharge vessel is then pumped out, and potassium, for example, is distilled into it through the pump opening 7 and initially precipitates on the entire inner surface of the vessel. As soon as argon gas is filled in so that the pressure is 5 to 10 mm of mercury, the pump nozzle can be soldered shut.
With the help of a direct current, an arc is now generated between the cathode 9 and the anode 3, which brings the anode to a high temperature, so that the precipitate of potassium returns to the form of vapor. During the subsequent cooling down, the anode 3 retains its temperature for the longest time as a result of the poorer heat dissipation, so that the potassium is deposited on the walls and in particular on the carbide mass 9. As a result of this precipitate, the loosely poured crystals are also easily welded together.
The discharge vessel according to FIG. 2 differs essentially in that not only the bottom but also the cylindrical wall is covered with carborundum crystals, so that every part of the wall, with the exception of the lid, can serve as a cathodic starting point for the arc. A cylindrical wire mesh 14 is attached to the top of an angle ring 12 :. An intermediate floor 13, also made of wire fabric, closes the cylinder from below.
The cavity remaining between the iron pipe 11 and the wire mesh 14 is filled with round grain crystals which also cover the bottom 13 of the wire mesh, with the entire vessel being turned upside down during filling. The cylinder base 15 is then welded in, which seals the vessel airtight, as does the cover 1.6.
The one in Fig. Drawn Ausfüh approximately example, the bottom and the side wall is lined with the carrier material. You can also line the inside of the lid in this way, so that the discharge can also start on the lid if emitting substance precipitates here. Then only the anode and its insulation from the carrier material and the emitting material remain free. Only one anode 17 is shown in the drawing, the other two anodes are to be thought of as being offset by 120 on a circle around the axis of the vessel. The airtight fastening of the anode leads 18 can be produced in the same way as in FIG.
The anode feed 19 is provided with grooves in order to reduce the heat dissipation from the anode to the melt point.
It is already known that the electron work function of compact layers of alkali metals is smaller than that of alkaline earth metals, and that this difference is also present in monatomic layers of adsorbed metals.
Nevertheless, cathodes of alkali metals, both in the compact and in the adsorbed state, of the latter have so far only found technical use to a large extent for light-electrical purposes, because glow cathodes that were activated by adsorbed alkali metals only showed their low electron work function at fairly high temperatures an electron emission density sufficient for use in, for example, rectifier tubes,
and at these high temperatures the life of the adsorbed layers turned out to be too short for industrial use. A longer service life would only be achieved if the vapor pressure of the alkali metal was chosen so high that the same number of atoms that leave the carrier as a result of evaporation are replaced by the surrounding gases at the same time.
If, however, such a high vapor pressure prevailed in the entire vessel, the anodes of the rectifier vessel would also be activated by adsorbed alkali atoms, and since the anodes were kept at higher temperatures during operation in order to avoid condensation of the evaporated cathode material on them have to be, their glowing electrical emission would be sufficient to initiate spark ignition.
This difficulty can be overcome in that the entire electron emission required is borne by an arc focal point which is spatially so narrow that the temperature of the cathode as a whole can easily be kept within low limits. The alkali metal evaporating from the focal point therefore immediately condenses again on closely neighboring, colder areas of the cathode surface, so that the mean partial alkali pressure in the vessel is not increased by the evaporation.
Such a spatial restriction of the high temperature generated by the focal point is only possible if a carrier material of sufficiently low thermal conductivity is used. Nevertheless, the electrical conductivity must be sufficient to feed the discharge current to your focal point without damaging voltage loss. In the immediate vicinity of the hot focal point, there is a fairly high partial pressure of the emitting substance, so that the monatomic layer that has been destroyed is immediately replaced at the same point or in the immediate vicinity.
This narrowing of the area of increased partial pressure in the smallest of spaces is significantly favored if the Diffusionsge speed is reduced by using high pressures of the filling gas in the order of at least 10-z mm of mercury.
In many cases it will prove to be advantageous to keep the cathode cool by means of special devices and thus to further improve the effect of the arrangement according to the invention. In this case, the cathode used is preferably a cooler provided in the interior of the electrical discharge vessel, the surface of which is provided in the manner described with a carrier layer and an electron-emitting substance applied to it.
The formation of the surfaces with electron-emitting layers is expediently extended to certain wall parts of the discharge vessel, so that, for example, in the event of temporary disruptions in the coolant supply, these wall parts can also take over the function of the cathode at least temporarily without the arc attachment point reaching over Must lead to a greater increase in the alkali vapor pressure.
When working with higher emission currents, it will be useful to also provide special cooling for the wall parts in question.
The distance between the internal cooler and the anode must be chosen so large that the diffusion of the alkali evaporating at the point of attachment of the arc to the anode is sufficiently hindered at the prevailing pressure of the filling gas.
Flowing liquids, for example oil, flowing air or the like, are used as coolants, whereby an average cathode temperature of a maximum of 200 C must not be exceeded so that the average partial pressure of the alkali does not become so high that alkali metals are accumulated on the anodes . It is better to avoid the use of water as a coolant, taking into account the risk of explosion that can occur due to the presence of metallic potassium in the discharge vessel if the cooling device leaks.
The wall cross-sections of the vessel and the internal cooler are to be dimensioned in such a way that they can, if necessary, take over the complete conduction of the flowing discharge currents without the temperature on the conduction path exceeding the maximum temperature of 200 ° C.
The internal cooler is preferably connected to special cooling devices located outside the discharge vessel. Its design takes place, for example, in such a way that the circulation of the coolant is not hindered at all, so that, if necessary, an automatic heat exchange of the coolant in free convection with the liquid content, for example from cooling blades, can take place.
In Fig. 3, a discharge vessel with a cooled cathode is shown schematically as an example. The wall 21 of the discharge vessel has an indentation 22 which is cooled by a coolant flowing in the direction of the arrows.
The surface of the indentation 22 which is in contact with the interior of the vessel is covered by the active layer 23 of alkali or alkaline earth metal on a substrate of silicon carbide. In order to ensure that these substances adhere reliably to the surface of the indentation, the indentation is provided with a net-like or basket-like metallic casing 24.
Likewise, large parts of the rest of the vessel wall are provided with an active layer 25 so that they are suitable for the cathodic starting point of the arc at least temporarily, for example in the event of a temporary interruption of the coolant supply. The bushings 27 of the anode 26 are covered as far as possible from the rest of the discharge space, nm to protect them against the deposition of alkali.
In Fig. 4 an embodiment is shown in which an additional external cooling is seen for the wall parts of the tube. Even if the condensation of the activatable alkali naturally takes place mostly on the strongly cooled surface parts of this inner cooler when an internal cooler is present, additional cooling of the other wall parts will be expediently provided in the case of heavier loads so that the average partial pressure of the alkali in all cases tolerable limits.
The inner cooler 37 forming the cathode in FIG. 4 is designed as a flat ring cooler to which the coolant is fed on the inside for the purpose of uniform cooling, which is indicated by the direction of the arrow. The additional external cooler is denoted by 38; In addition, large parts of the surface of the vessel wall with the active material 35 are also covered here.