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Glimmlichtlampe o. dgl. Die Erfindung bezweckt eine Erhöhung der Lebensdauer
von Glimmlichtlampen und anderen Vakuumröhren. Bekanntlich findet bei Gasentladungen
eine Zerstäubung des Kathodenstoffes statt, der in den meisten Fällen ein Metall,
seltener Kohle oder ein anderer weniger guter Leiter ist. Durch diese Zerstäubung
wird die Lebensdauer allerVakuum-,röhren begrenzt, sofern sie nicht durch andere
Abnutzting.sursachen früher unbrauchbar werden. Durch das zerstäubte Metall werden
Teile der Vakuumröhren mit einer dünnen Haut überzogen, deren schädlicher Einfluß
sich in verschiedener Weise äußern kann. Infolge ihrer Leitfähigkeit kann diese
Haut z. B. die Entstehung von Nebenströmen veranlassen oder durch Herstellung einer
leitenden Brücke Kurzschluß zwischen den Elektroden verursachen. Bei lichterzeugenden
Vakuumröhren, insbesondere Glimmlichtlampen jeder Art, wirkt der aufgestäubte Niederschlag
durch seine Undurchsichtigkeit störend. Schon eine ganz dünne Metallhaut hält einen
beträchtlichen Teil des Lichtes zurück und macht hierdurch die Lampen unbrauchbar.
Man war daher bestrebt, die Zerstäubung nach Möglichkeit zu verringern. Durch die
Erfindung wird sie vollständig unterdrückt.
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Die Erfindung besteht darin; daß diejenigen Elektroden, welche dauernd,
periodisch oder gelegentlich als Kathode wirksam sein sollen, mit einer dünnen Schicht
aus isolierendem Stoff überzogen werden, und daß die Strombelastung derart geregelt
wird, daß das Potentialgefälle in der Schicht kleiner ist als die Durchschlagsspannung.
Letzteres wird dadurch erreicht, daß die Vakuumröhre in bekannter Weise mit einem
Gasgemisch gefüllt wird, bei welchem der sogenannte Kathodenfall klein ist, und
daß die Stromstärke z. B. durch einen Vorschaltwiderstand, eine Drosselspule oder
ähnlich wirkende Hilfsmittel auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Die isolierende
Schicht an der Oberfläche der Kathode ist wegen ihrer geringen Stärke nicht imstande,
dem Strom den Durchtritt zu verwehren; sie bildet aber einen vollkommenen Schutz
gegen die Zerstäubung, solange sie nicht infolge eines zu hohen Spannungsunterschiedes
mechanisch zerstört wird. Manche Metalle, wie Aluminium, Magnesium und andere, sowie
deren Legierungen unter sich und mit anderen Metallen überziehen sich an der Luft
von selbst mit einer dünnen, vermutlich aus Oxyd (möglicherweise auch aus Hydrat,
Karbonat oder einem Gemisch davon) bestehenden Haut, die als Schutzhülle gemäß der
Erfindung ausgenutzt werden kann. Zur Erhöhung der Schutzwirkung kann man die Oxydhaut
auf chemischem oder galvanischem Wege verstärken. Metalle, die nicht mit einer natürlichen
Oxydhatit beleckt sind, können beispielsweise auf chemischem oder galvanischem Wege
mit einer solchen versehe:i werden. Jedoch ist nicht jedes Metalloxyd als Schutzhülle
wirksam; so werden beispielsweise Kupfer- und Eisenoxyd kathodisch zu Metall reduziert,
andere Oxyde bilden keine dichte zusammenhängende
Hülle, oder sie
haften überhaupt nicht auf dem Grundmetall. In solchen Fällen muß das Metall oberflächlich.
in andere Verbindungen, z. B. mit Zyan, übergeführt werden, oder aber man verwendet
einen dünnen Anstrich o. 4-l. aus möglichst schlechtleitendem Stoff, z. B. aus Wasserglas.
Auch galvanische und chemische Niederschläge sind verwendbar, sofern sie in dünner
Schicht fest haften und genügend dicht sind.
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Es ist bereits in früheren Veröffentlichungen die Vermutung ausgesprochen
worden, daß die natürliche Oxydhaut des Aluminiums Ursache seines scheinbar hohen
Zerstäubungswiderstandes sei. Die Versuche, Aluminium als Kathoc'..enmetall bei
edelgasgefüllten Glimmlichtlampen zu verwenden, schlugen aber fehl, weil die Bedingungen
nicht eingehalten wurden, lei welchen einem Durchschlagen der Oxydhaut vorgebeugt
wird. Es war bekannt, daß der bei reinem Edelgas hohe Kathodenfall durch Zusatz
geringer Mengen fremder Gase oder Dämpfe erniedrigt werden kann, und daß hierdurch
gleichzeitig die Zerstäubung verzögert wird. Man verwendet daher derartige Zusätze,
um Glimmlichtlampen herzustellen, die bei den gebräuchlichen Netzspannungen von
Zoo bis 25o Volt zünden und verhältnismäßig lange brauchbar sind. Da nun beobachtet
wurde, daß die Zusatzgase von den Kathoden teilweise okkludiert werden, wandte man
sie in möglichst großer Menge an. Die otere Grenze hierfür war dadurch gegeben,
daß bei zunehmender Menge des Zündgases der Kathodenfall wieder steigt. Dementsprechend
wurde die Menge der Zusatzgase so bemessen, daß die Zündung gerade noch mit Sicherheit
an den gebräuchlichen Netzspannungen erfolgt. Dabei kam man mit einem verhältnismäßig
kleinen und daher billigen Vorschaltwiderstand aus und hatte noch den Vorteil, daß
die Lampen ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit wenig veränderten. Es zeigte sich
nämlich, daß die kathodische Gasokklusion den Kathodenfall in zweifacher Weise beeinflüßt.
Durch die Anreicherung des Metalles mit Gas nimmt der Kathodenfall zu, besonders
im Anfang, wo die Aufnahmefähigkeit des Metalleis groß ist. Die Reinigung des Edelgases
verursacht aber andererseits eine Abnahme des Kathodenfalles, so daß nach einiger
Zeit beide Wirkungen :sich gegenseitig aufheben. Auf diese. Weise konnten mit eisernen
Kathoden brauch-Lare Glimmlichflampen hergestellt werden, bei denen erst nach etwa
z5oo Brennstunden eine störende Schwärzung des Glases durch aufgestäubtes Metall
eintrat. Nach dem gleichen Verfahren hergestellte Lampen mit Aluminiumkathoden wurden
dahingegen schon nach ganz kurzer Zeit unbrauchbar. Da die Zusatzgase in sehr großer
Menge vorhanden waren, war der Kathodenfall gleich im Anfang so hoch, daß die Oxydhaut
sofort zerstört wurde und die Zerstäubung schon nach wenigen Tagen bemerkbar war.
Allenfalls (lauerte es einige Tage, bis der Kathodenfall durch den überwiegenden
Einfluß der Gasaufnahme so weit gestiegen war, daß die Oxydhaut zerstört wurde und
die Zerstäubung einsetzte. Da die Freilegung des Aluminiums von einer beträchtlichen
Verminderung des Kathodenfalls begleitet ist, konnte eine Erklär ang der Vorgänge
nicht gefunden werden, und das Aluminium wurde als ungeeignet für die Herstellung
der Kathoden verworfen.
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Gemäß der Erfindung gelangen die Zündgase nun in geringerer Menge
zur Anwendung, und es wird ein größerer Betrag der Netzspannung abgedrosselt, derart,
daß der bis zu einem Höchstwerte ansteigende Kathodenfall unterhalb der kritischen
Spannung bleibt, bei welcher die Schutzschicht durchschlagen wird. Die zulässige
Menge der Zündgase ist abhängig von dem Metall der Kathode und deren Oberfläche
und Masse sowie von dem' Raüminhält - des -Vakuumgefäßes; sie muß daher für jede
Lampenart besonders ermittelt werden. Je größer das Vakuumgefäß im Verhältnis zur
Kathode ist, desto kleiner kann die Menge der Gaszusätze sein; sie muß auf jeden
Fall größer sein als in dem Bestgemisch, bei welchem die Klemmenspannung an den
Elektroden den niedrigsten Wert hat, damit die Anreicherung des Metalles und die
Verarmung des Füllgases entgegengesetzte Wirkungen auf die Höhe des Kathodenfalles
haben. Unmittelbar nach dem Einschalten überwiegt immer der Einfluß der Gasaufnahme,
so daß der Kathodenfall steigt. Nachdem die Kathode aber eine gewisse Gasmenge verschluckt
hat, vermag die weitere Okklusion eine nennenswerte Erhöhung des Kathodenfalls nicht
mehr zu verursachen, bis' zuletzt der Einfluß der Gasverarmung überwiegt und der
Kathodenfall wieder kleiner wird. Die Kurve des Kathodenfalles erreicht demnach
in der Mitte einen Scheitelwert, wo die beiden Wirkungen sich gegenseitig aufheben.
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Die Menge der Zusatzgase muß gemäß der Erfindung so bemessen sein,
daß dieser Scheitelwert kleiner ist als die Durchschlagsspannung, bei der die Schutzhülle
zerstört wird. Dann bleibt die Spannung auch in der Folge unterhalb des kritischen
Wertes, und die Lebensdauer der Lampen übertrifft diejenige der bisherigen Glimmlichtlampen
um ein Vielfaches. Sie erreicht überhaupt nur dann ein Ende, wenn bei fortschreitender
Okklusion der Bestwert des Gemischverhältnisses unterschritten
wird,
Wodurch der Kathodenfall schließlich doch wieder ansteigt. Dieser Zustand tritt
aber nur unter sehr ungünstigen Verhältnissen ein, z. B. wenn der Rauminhalt des
Vakuumgefäßes verhältnismäßig sehr klein, die Gesamtmenge der Zusatzgase demnach
gering ist, oder wenn die Aufnahmefähigkeit der Kathode sehr groß ist, z. B. wenn
sie durch lang andauernde Einwirkung einer sehr hohen Temperatur während des Auspumpens
allzu gründlich entgast «-orden ist. Im allgemeinen tritt nach .einiger Zeit eine
Sättigung der Kathode ein; das okkludierte Gas übt einen Gegendruck aus, welcher
der weiteren Okklusion entgegenwirkt, oder, genauer gesagt, Okklusions- und Emanationsmengen
werden einander gleich, so daß das Gemischverhältnis unverändert bleibt.
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Bei Stromdurchgang wandern die Zündgase zur Kathode, so daß diese
im Betriebszustande von einem.Gasgemisch umspült ist, welches reicher an Zusatzgasen
ist als das übrige Gemisch. Die obigen Erörterungen gelten daher nicht für den Gesamtinhalt
des Vakuumgefäßes sondern nur für das Gasgemisch in der Umgebung der Kathode während
des Betriebes. Schaltet man die Lampe aus, so findet ein Ausgleich durch Diffusion
statt, und bei erneutem Einschalten ist das Gemisch in der Nähe der Kathode ärmer
an Zündgasen als während des dauernden Betriebzustandes. Da die Menge der Zündgase
aber größer ist als im Bestgemisch, ist der Katrodenfall nach dem Einschalten zunächst
vermindert, so daß unter den gegebenen Verhältnissen wiederholtes Aus- und Einschalten
keinen schädlichen Einfluß haben kann. Wäre die Menge der Zündgase kleiner als im
Bestgemisch, so bestünde die Gefahr, daß der Kathodenfall unmittelbar nach dem Einschalten
die kritische Spannung übersteigt. Einer zu weitgehenden Zündgasverarmung des Gemisches
beugt man am einfachsten dadurch vor, daß man verhältnismäßig große Vakuumgefäße
und möglichst dichtes Metall für die Kathoden verwendet und diese während des Auspumpens
nicht zu lange und nicht zu stark erhitzt. Die Kathoden sollen nur so weit entgast
sein, daß eine Verschlechterung des Gemisches durch natürliche Emanation nicht zu
befürchten isst, wenn die Lampen außer Gebrauch sind.
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In Verbindung mit der Verwendung eines geeigneten Gasgemisches wird
erfindungsgemäß, um ein Überschreiten der kritischen Spannung mit Sicherheit zu
verhindern, auch noch eine ausreichende Abdrosselung der Netzspannung vorgenommen.
Das einfachste Mittel zu diesem Zweck ist die Verwendung eines Vorschaltwiderstandes,
dessen Wert etwas höher sein muß als Lei den bisherigen Glimmlichtlämperi, gleiche
Größenverhältnisse vorausgesetzt. Die sich hieraus ergebende geringere Stromdichte
bedingt eine kleine Schwächung des Glimmlichtes, die jedoch dadurch mehr als ausgeglichen
wird, d!aß jetzt die Kathode aus einem Metall hergestellt werden kann, dessen -Reflexionsvermögen
viel größer ist als diejenige des Eisens der bisherigen Glimmlichtlampen. Dies trifft
insbesondere zu für Aluminium und Magnesium, deren Verwendung gemäß der Erfindung
möglich ist.
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Besteht die Kathode aus einem Metall, das sich durch Oxydation von
selbst mit einer schützenden Oxydhaut überzieht, so empfiehlt es sich, den Zündgasen
Sauerstoff beizumischen oder diesen allein zu verwenden. Ein Gemisch von Stickstoff
und Sauerstoff, insbesondere ein solches im Mengenverhältnis der atmosphärischen
Luft, ist als Zündgas sehr gut geeignet. Aus dem gleichen Grunde kann man andere
Gase, z. B. Chlor, zusetzen, wenn dieses Gas mit dem Metall eine Verbindung eingeht,
die es als schützende Hülle umgibt.
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Will man mit Rücksicht auf die große Aufnahmefähigkeit der Kathode
das Zündgas in größerer Menge verwenden, so kann man den gegebenenfalls gefährlichen
Überschuß in die Kathode hineintreiben, indem man die Lampe zunächst eine Zeitlang
mit verminderter Belastung betreibt, wozu sich am besten Wechselstrom eignet. Hierbei
wird Zündgas von beiden Elektroden okkludiert. Diejenige Elektrode, die später als
Anode wirksam ist, gibt dann während des Betriebes einen Teil des okkludierten Gases
wieder her und dient daher gewissermaßen als Gasspeicher, der das Gemischverhältnis
längere Zeit aufrechterhält. Die Verwendung von Wechselstrom hat noch den Vorteil,
daß sich das die Elektroden umspülende Gas in geringerem Maße an Zündgas anreichert,
so daß der Kathodenfall auf einem niedrigeren Wert gehalten wird.