DE1179647B

DE1179647B - Gasentladungsroehre mit Wasserstoffuellung und Wasserstoffergaenzer

Info

Publication number: DE1179647B
Application number: DET20178A
Authority: DE
Inventors: Antonin Hix
Original assignee: Tesla AS
Current assignee: Tesla AS
Priority date: 1960-05-27
Filing date: 1961-05-19
Publication date: 1964-10-15
Also published as: CH382860A; NL265143A; GB915664A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WYW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 g -12/01

T 20178 VIII c/21:
19. Mai 1961
15. Oktober 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungsröhre mit Wasserstoffüllung und einem konstant geheizten Wasserstoffergänzer, der ein den Wasserstoff absorbierendes oder chemisch bindendes Metall aufweist, das zur Erzielung einer selbsttätigen Regelung des Wasserstoffdruckes in der Röhre unter Ausnutzung der Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs proportional zur Druckänderung innerhalb einer metallischen Hülle derart angeordnet ist, daß der Zwischenraum zwischen dem Wasserstoffergänzer und der Innenoberfläche der metallischen Hülle von der gleichen Größenordnung oder kleiner ist als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge der Wasserstoffmoleküle beim Betriebsdruck in der Gasentladungsröhre.

Bei wasserstoffgefüllten Entladungsröhren, insbesondere bei Thyratrons oder Tacitrons, zeigt sich im Laufe ihrer Lebensdauer eine verhältnismäßig starke Druckabnahme der Wasserstoffüllung. Dies ist eine Folge der großen chemischen Aktivität des Wasser-Stoffs, der mit einigen als Beimischung im Material der Elektroden enthaltenen Metallen oder mit dem Material der Oxydkathode reagiert. Deswegen wurden Gasentladungsröhren der erwähnten Art bereits mit einer Vorrichtung zur Ergänzung der erforderliehen Wasserstoffmenge versehen.

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Wege, um ein Vakuumgefäß während des Betriebes mit dem notwendigen Wasserstoff zu versorgen.

Bei dem einen Weg benutzt man einen Wasser-Stoffvorrat, der in einem gesonderten Hilfsbehälter außerhalb des Gefäßes der Entladungsröhre vorgesehen ist. Dieser Hilfsbehälter ist gegenüber dem Inneren der Gasentladungsröhre durch ein Trennelement abgeschlossen, das normalerweise für den Wasserstoff nicht oder nur in geringem Maße durchlässig ist. Dieses Trennelement besteht aus einem Material, beispielsweise Palladium, dessen Durchlässigkeit für Wasserstoff mit zunehmender Temperatur ansteigt. Diese Anordnung ist jedoch für die Praxis unvorteilhaft, da mit ihr nur eine einseitige Regelung der Wasserstoffwandung möglich ist, d. h. der Wasserstoff nur aus dem Hilfsbehälter in das Hauptgefäß, aber nicht in umgekehrter Richtung gefördert werden kann. Wenn aus irgendeinem Grund, z. B. durch Überhitzen, der Wasserstoff druck im Hauptgefäß die optimale Grenze überschreitet, kann er auf keine Weise herabgesetzt werden, weil der Wasserstoff stets nur in Richtung der Druckabnahme, d. h. aus dem Hilfsbehälter in das Gefäß der Entladungsröhre diffundieren kann.

Der zweite Weg, um die Wasserstoffkonzentration Gasentladungsröhre mit Wasserstoffüllung
und Wasserstoffeigänzer

Anmelder:

Tesla, närodni p%Ön*k, Prag

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,

Göttingen, Gronerstr. 37

Als Erfinder benannt:
Antonin Hix, Prag

Beanspruchte Priorität:

Tschechoslowakei vom 27. Mai 1960 (3453)

in einem Vakuumgefäß aufrechtzuerhalten, besteht darin, daß man den Wasserstoff in einem dazu besonders geeigneten oder präparieten Metall durch Absorption oder auf chemischem Wege in Form eines Hydrides bindet und während des Betriebes den Wasserstoff durch entsprechendes Erwärmen dieses Metalls in den gewünschten Mengen austreibt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Vorgang reversibel ist, d. h., daß beim Erwärmen der Wasserstoff frei wird und beim Abkühlen des Metalls dieses erneut Wasserstoff aus dem Vakuumgefäß bindet.

Ein Nachteil dieses zweiten Verfahrens besteht jedoch darin, daß es ohne besondere Maßnahmen nicht möglich ist, die Wasserstoffkonzentration innerhalb enger Grenzen konstant zu halten, wie dies in vielen Fällen erforderlich ist. So ist es z. B. bei wasserstoffgefüllten Thyratrons nötig, den Druck innerhalb der Entladungsröhre auf einem Wert von etwa 0,4 Torr mit einer Genauigkeit von ±0,1 Torr aufrechtzuerhalten. Die Metalle, in denen der Wasserstoff gebunden ist und aus denen er beim Erwärmen frei wird, bilden entweder ein Rohr oder einen z. B. spiralförmig gewundenen Draht oder sind in Pulverform in einem Metallrohr gelagert, das durch einen außerhalb oder innerhalb des Rohres angeordneten Glühfaden geheizt wird. Da aber schon verhältnismäßig kleine Temperaturänderangen verhältnismäßig große Änderungen des Wasserstoffdruckes hervorrufen, ist es schwierig, den richtigen Wasserstoffdruck bei Schwankungen der Heizspannung des

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Wasserstoffergänzers zu gewährleisten. Weitere wurde daher vorgeschlagen, einen Draht aus einem

Schwierigkeiten bietet bei diesen Wasserstoffergän- der oben angeführten Metalle zu verwenden, dessen

zern das Problem der erforderlichen Wärmeabschir- Durchmesser kleiner als die mittlere freie Weglänge

mung des Wasserstoffergänzers gegen andere Teile der Moleküle ist. Der Draht sollte unmittelbar durch der Gasentladungsröhre, was zur Verminderung der 5 Stromdurchgang geheizt werden. Diese Vorrichtung

unerwünschten Abhängigkeit der Temperatur des hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, weil dje

Wasserstoffergänzers und dadurch auch des Wasser- angeführten Metalle, falls sie mit Wasserstoff ge-

stoffdrucks vom Betriebszustand der Gasentladungs- sättigt sind, beträchtlich spröde werden, so daß der

röhre erforderlich ist. Von der Verminderung dieser Draht häufig bricht, Ein weiterer Nachteil besteht Abhängigkeit hängt nämlich die richtige Regelwir- io darin, daß der Widerstand des Drahtes vom Grad

kung des Wasserstoffergänzers ab. seiner Sättigung mit Wasserstoff abhängt. Es ist daher

Es wurden bereits mehrere Methoden vorgeschla- weiter bekannt, das mit Wasserstoff gesättigte Metall gen, um diese Abhängigkeit zu vermindern. So ist es mit einer Hülle derart zu umgeben, daß der Zwiz. B. bekannt, den Wasserstoffdruck im Innenraum schenraum zwischen dem Metall und der Hülle der Gasentladungsröhre mit einem Pirani-Vakuum- 15 kleiner als die mittlere freie Weglänge der Moleküle meter zu messen und in Abhängigkeit vom ermittel- ausfällt, wobei die Hülle auf einer niedrigeren Temten Druck die dem Wasserstoffergänzer zugeführte peratur, z. B. mit Hilfe von Kühlrippen, gehalten Heizleistung zu ändern. Bei einer anderen Methode wird. Bei dieser Ausführung ist das mit Wasserstoff wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein mit Wasser- gesättigte Metall z. B. als ein Rohr ausgebildet, das stoff gesättigtes Metall bei Erhöhung seiner Tempe- 20 von innen her mit einem Heizfaden erwärmt wird, ratur desto größere Mengen vom Wasserstoff frei oder es ist in Pulverform in einem Rohr unterwerden läßt, je mehr Wasserstoff im Metall enthalten gebracht, das aus einem anderen Metall gefertigt ist ist. Es werden daher Metalle verwendet, die nur sehr und in geeigneter Weise geheizt wird. Die Hülle des wenig mit Wasserstoff gesättigt sind, so daß bei zu- Wasserstoffergänzers ist als ein mit dem Ergänzer fälligen kleineren Temperaturschwankungen nicht zu 25 koaxiales Rohr angeordnet, dessen Durchmesser um große Wasserstoffmengen frei werden können. Zur einige Zehntelmillimeter größer als der des Ergänzers Durchführung dieses Verfahrens ist es jedoch erfor- ist. Bei dieser Anordnung ist es jedoch schwierig, derlich, die Menge des mit Wasserstoff gesättigten einen hinreichend großen Temperaturunterschied Metalls beträchtlich zu vergrößern, da der erforder- zwischen dem Wasserstoffergänzer und dessen Hülle liehe Wasserstoffvorrat für jeden Fall gewährleistet 30 aufrechtzuerhalten. Auch bildet die Einhaltung eines werden muß. Dadurch vergrößern sich natürlich möglichst schmalen Zwischenraumes, dessen Breite auch die zur Heizung des Wasserstoffergänzers er- höchstens der mittleren freien Bahn der Moleküle forderliche Leistung und die zum Erreichen des gleich sein darf, technische Schwierigkeiten. Weiter Wärmegleichgewichts erforderliche Zeit. können Temperaturschwankungen der Hülle unter

Die bisher vorteilhafteste Methode nützt diejenige 35 Einwirkung der Betriebszustände der Gasentladungs-Tatsache aus, daß die Wärmeleitfähigkeit des Was- röhre nicht verhindert werden, so daß der selbsttätige serstoffs innerhalb bestimmter Druckgrenzen vom Druckausgleich nur unvollkommen ist. Wasserstoffdruck derart abhängt, daß sie mit wach- Die Aufgabe der Erfindung ist es, die oben angesendem Druck ebenfalls wächst. Vergrößert sich der führten Nachteile der Wasserstoffergänzer der ein-Druck im Innenraum der Gasentladungsröhre, dann 40 gangs erwähnten Art zu beseitigen und einen Wasservergrößert sich auch die Wärmeleitfähigkeit des stoffergänzer zu schaffen, der von den Betriebs-Wasserstoffs, und der Wasserstoffergänzer wird durch zuständen der Gasentladungsröhre unabhängig ist Wärmeleitung abgekühlt, wodurch der Wasserstoff- und ermöglicht, die erforderliche selbsttätige Regelung druck in der Gasentladungsröhre wieder absinkt. des Wasserstoffdruckes mit hoher Genauigkeit unter Umgekehrt sinkt bei Abnahme des Wasserstoffdrucks 45 Ausnützung der Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit im Innenraum der Gasentladungsröhre auch die des Wasserstoffs von seinem Druck auszuführen. Wärmeleitfähigkeit des den Ergänzer umgebenden Erfindungsgemäß ist dies beim Wasserstoffergänzer Wasserstoffs, so daß sich der Wasserstoffergänzer auf der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß eine höhere Temperatur erwärmt und eine größere die einseitig vakuumdicht verschlossene, rohrförmige Menge Wasserstoff frei werden läßt, wodurch der 50 metallische Hülle des Wasserstoffergänzers mit Wasserstoffdruck in der Gasentladungsröhre auf den ihrem offenen Ende mit dem Entladungsgefäß verursprünglichen Wert ansteigt. Der Druckausgleich bunden und aus dem Entladungsgefäß derart herauserfolgt daher bei dieser Vorrichtung selbsttätig, aber ragend angeordnet ist, daß die Außenluft bei einem die technische Durchführung dieser Idee bietet Anstieg des H₂-Druckes in der Röhre als Kühlmittel Schwierigkeiten. Wie durch theoretische Überlegun- 55 wirksam wird und die infolge der vergrößerten gen nachgewiesen werden kann, hat die Temperatur- Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffes erhöhte Wärme änderung eines einen bestimmten Körper umgeben- der Metallhülle abführt, so daß sich das den Wasserden Mediums nur dann einen Einfluß auf die Tem- stoff enthaltende Metall des Wasserstoffergänzers peratur dieses Körpers, wenn die Abmessungen des durch Wärmeableitung abkühlt und dadurch der Körpers von kleinerer Größenordnung oder hoch- 60 H₂-Druck in der Röhre wieder verkleinert wird, stens von derselben Größenordnung wie die mittlere Weitere Merkmale und Vorteile der Röhre nach freie Bahn der Moleküle des den Körper umgebenden der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Mediums sind oder dann, wenn zwischen diesem Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh-Körper und einem anderen, auf einer niedrigeren rungsbeispiele. Es zeigt

Temperatur gehaltenen Körper ein Zwischenraum 65 Fig. 1 einen in eine Gasentladungsröhre einge-

vorhanden ist, dessen Breite von kleinerer Größen- bauten Wasserstoffergänzer im Längsschnitt,

Ordnung oder höchstens von derselben Größenord- Fig. 2 einen Teil des Wasserstoffergänzers im

nung wie die mittlere freie Bahn der Moleküle ist. Es größeren Maßstab und in abgeänderter Ausführung,

F i g. 3 eine dritte Ausführungsfarm.

Gleiche oder einander entsprechende Bestandteile sind in allen drei Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt den Unterteil des Entladungsgefäßes einer Gasentladungsröhre, deren Boden 1 mit einer Einschmelzung 2 verschlossen ist. Am Boden 1 ist mit einem Flansehring 3 der Kolben 4 der Gasentladungsröhre befestigt, deren Einzelheiten in der Zeichnung nicht dargestellt sind, weil sie zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. In der Einschmelzung 2 sind einerseits metallische Kontaktstifte 5, (j, andererseits eine als einseitig geschlossenes Rohr ausgeführte metallische Hülle 7 des Wasserstoffergänzers 8 befestigt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, steht die einseitig vakuumdicht verschlossene rohrförmige metallische Hülle 7 des Wasserstoffergänzers 8 mit ihrem offenen Ende mit dem Innern des Entladungsgefäßes in Verbindung und ragt mit ihrem verschlossenen Ende aus dem Vakuumgefäß ao der Gasentladungsröhre derart heraus, daß die Außenluft bei einem Anstieg des H₂-Druckes in der Röhre als Kühlmittel wirksam wird und die infolge der vergrößerten Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs erhöhte Wärme der Metallhülle abführt, so daß sich das den Wasserstoff enthaltende Metall des Wasserstoffergänzers durch Wärmeableitung abkühlt und dadurch der H₂-Druck in der Röhre wieder verkleinert wird. Der Wasserstoffergänzer 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildet, welches aus einem Metall besteht, das mit dem Wasserstoff Hydride zu bilden oder Wasserstoff aufzunehmen fähig ist. Der Wasserstoffergänzer 8 wird von innen her durch einen Heizfaden 9 erwärmt. Distanzringe 10 und 11 sorgen für die Aufrechterhaitung eines richtigen Zwischenraums 12 zwischen dem Wasserstoffergänzer 8 und seiner rohrförmigen Hülle 7. Der Distanzring 11 ist porös oder hat (in der Zeichnung nicht dargestellte) öffnungen, damit der im Zwischenraum 12 vorhandene Wasserstoff in den Innenraum des Kolbens der Gasentladungsröhre hinein und in umgekehrter Richtung strömen kann. Die Breite des Zwischenraums 12 zwischen dem Wasserstoffergänzer 8 und der Innenoberfläche seiner rohrförmigen Hülle 7 ist von gleicher Größenordnung oder kleiner als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge der Wasserstoffmoleküle beim Betriebsdruck der Gasentladungsröhre.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wasserstoffergänzers ist es nicht schwierig, einen großen Temperaturunterschied von etwa 300 bis 400° C zwischen dem Wasserstoffergänzer 8 und seiner rohrförmigen Hülle 7 aufrechtzuerhalten, weil die Hülle durch die Außenluft hinreichend gekühlt wird oder auch künstlich gekühlt werden kann. Dies ermöglicht eine selbsttätige Regelung des Wasserstoffdruckes, auch wenn die Breite des Zwischenraums 12 zwischen dem Wasserstoffergänzer 8 und der Innenoberfläche der rohrförmigen Hülle 7 ein Vielfaches der mittleren freien Weglänge der Wasserstoffmoleküle beim Betriebsdruck der Gasentladungsröhre beträgt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind zwischen dem Wasserstoffergänzer 8 und der Innenoberfläche seiner rohrförmigen Hülle 7 mehrere Abschirmmäntel 13, 14 angeordnet. Statt dessen kann auch nur ein solcher Mantel vorgesehen sein. Der Zweck der Abschirmmäntel ist es, die Wärmestrahlung des Wasserstoffergänzers zu verkleinern, dadurch seinen Leistungsverbrauch herabzusetzen und gleichzeitig eine übermäßige Erwärmung der rohrförmigen Hülle 7 zu verhindern. Bei dieser Anordnung strahlt nämlich der erwärmte Wasserstoffergänzer 8 seine Wärme auf die Innenoberfläche der rohrförmigen Hülle 7 im viel kleineren Ausmaß aus als bei der Ausführung nach Fig. 1. Die rohrförrnige Hülle 7 wird daher wesentlich kühler gehalten, was insbesondere für die Zuverlässigkeit ihrer Verbindung mit der Einschrnelzung2 von Bedeutung ist. Außerdem ist es vorteilhaft, die Breite der Zwisphenräume zwischen einzelnen Abschirmmänteln 13, 14, ferner zwischen dem Innenmantel 13 und dem Wass,erstpffergänzer 8 und zwischen d?r Irmeno.berflac.he cjej rohrförmigen Hülle 7 jn der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Wasserstoffmple.ku.le bejm Betriebsdruck der Gasentladungsröhre zu wählen, wodurch die selbsttätige Regelung des Wasserstoffdrucks verbessert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, den selbsttätigen Ausgleich des Wasserstoffdrucks auszunutzen, der sich als Folge der Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs von seinem Druck ergibt. Die Temperatur des Wasserstoffergänzers8 hängt nur von der Temperatur des Heizfadens 9 und von der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs in der Umgebung des Wasserstoffergänzers 8 ab, nicht aber von Betriebszuständen der Gasentladungsröhre. Es ist daher möglich, mit einer höheren spezifischen Sättigung des den Wasserstoffergänzer 8 bildenden Metalls zu arbeiten, so daß die Menge dieses Metalls verkleinert werden kann und die Gesamtabmessungen der Vorrichtung sehr klein gehalten werden können.

Diese Tatsachen werden bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführung ausgenutzt, indem als rohrförmige Hülle des Wasserstoffergänzers unmittelbar ein Kontaktstift 5 verwendet wird, der zu diesem Zwecke hohl ausgebildet ist.

Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wasserstoffergänzers wird die Wärmebeeinflussung des Wasserstoffergänzers durch benachbarte Bestandteile der Gasentladungsröhre vermieden, so daß der resultierende Druck im Inneren der Gasentladungsröhre nicht von ihrem Betriebszustand abhängt. Der Betriebsdruck in der Gasentladungsröhre kann daher selbsttätig innerhalb enger Grenzen gehalten werden, auch wenn die Heizspannung des Wasserstoffergänzers beträchtlichen Schwankungen unterworfen ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Gasentladungsröhre mit Wasserstoffüllung und einem konstant geheizten Wasserstoffergänzer, der ein den Wasserstoff absorbierendes oder chemischbindendes Metall aufweist, das zur Erzielung einer selbsttätigen Regelung des Wasserstoffdruckes in der Röhre unter Ausnutzung der Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs proportional zur Druckänderung innerhalb einer metallischen Hülle derart angeordnet ist, daß der Zwischenraum zwischen dem Wasserstoffergänzer und der Innenoberfläche der metallischen Hülle von der gleichen Größenordnung oder kleiner ist als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge der Wasserstoffmoleküle beim Betriebsdruck in der Gasentladungsröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitig

vakuumdicht verschlossene, rohrförmige metallische Hülle (7) des Wasserstoffergänzers (8) mit ihrem offenen Ende mit dem Entladungsgefäß verbunden und aus dem Entladungsgefäß derart herausragend angeordnet ist, daß die Außenluft bei einem Anstieg des H₂-Druckes in der Röhre als Kühlmittel wirksam wird und die infolge der vergrößerten Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs erhöhte Wärme der Metallhülle abführt, so daß sich das den Wasserstoff enthaltende Metall des Wasserstoffergänzers durch Wärmeableitung abkühlt und dadurch der H₂-Druck in der Röhre wieder verkleinert wird.

2. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wasserstoffergänzer (8) und seiner rohrförmigen metallischen Hülle (7) ein oder mehrere Abschirmmäntel (13,14) konzentrisch angeordnet sind und

die zwischen einzelnen Abschirmmänteln (13,14) belassenen Zwischenräume von derselben Größenordnung oder kleiner sind als die mittlere freie Bahn der Wasserstoffmoleküle beim Betriebsdruck der Gasentladungsröhre.

3. Gasentladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige metallische Hülle (7) des Wasserstoffergänzers zugleich als Kontaktstift (5) der Gasentladungsröhre ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 486 515;
USA.-Patentschriften Nr. 2 582 282, 2 804 563;
britische Patentschriften Nr. 806 945, 806 946,
962;
schweizerische Patentschrift Nr. 311393.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 707/262 10.64

ι Bundesdruckerei Berlin