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Reinigen von Graphit für Vakuumentladungsapparate Für die Betriebssicherheit
von Vakuumentladungsapparaten, insbesondere von Quecksilberdampfgleichrichtern,ist
es von entscheidender Bedeutung, daß die Oberfläche der Anoden frei von Stoffen
ist, die, wie z. B. die Alkalien und Erdalkalien bzw. deren Oxyde, bereits bei verhältnismäßig
niedriger Temperatur Elektronen oder positive Ionen aussenden. Es sind bereits verschiedene
Verfahren vorgeschlagen worden zur Reinigung von Graphitanoden, die sich jedoch
nicht als genügend wirksam erwiesen haben, weil sie nur eine oberflächliche Reinigung
bewirkten. Während des Betriebes werden jedoch die Graphitanoden so warm, daß aus
dem Innern die durch die Reinigung oberflächlich entfernten Substanzen allmählich
wieder an die Oberfläche wandern. Dadurch werden nicht nur Rückzündungen hervorgerufen,
sondern bei gittergesteuerten Gleichrichtern auch die Steuerwirkung erheblich gestört.
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Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zur
Reinigung von Graphitanoden, bei dem auch aus dem Innern der Anode die erwähnten
Verunreinigungen entfernt werden können. Man hat bereits versucht, durch Glühen
in neutraler Atmosphäre oder im Vakuum eine in die Tiefe gehende Reinigung der Anoden
zu erreichen. Es zeigt sich jedoch, daß die dazu erforderliche Temperatur sehr hoch
und der Glühprozeß über Wochen erstreckt werden müßte, um eine bemerkbare Reinigung
zu erzielen. Wesentliche Vorteile bietet es daher, während des Glühens im Vakuum
oder in einem indifferenten Gas oder Dampf erfindungsgemäß den zu reinigenden Graphit
als Anode einer Elektrolyse mittels Gleichstrom zu unterwerfen. Durch die gleichzeitige
Anwendung der hohen Temperatur und der Elektrolyse wird die Wanderungsgeschwindigkeit
der Verunreinigungen erheblich vergrößert und ihre Entfernung von der Oberfläche
der Anode erleichtert.
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Bei einer Reihe von Versuchen wurde als Ausgangsmaterial handelsüblicher
Graphit, der in seinem Aschengehalt (2 °/o) etwa 10/, Alkali enthält, verwendet.
Der Graphit wurde auf goo bis i Zoo ° C erhitzt und gleichzeitig einer Gleichstromelektrolyse
in einem verdünnten Gas unterworfen. Die beschleunigendeWirkung der elektrolytischen
Behandlung bei der Reinigung der Graphitelektrode durch Ausglühen besteht darin,
daß die Wanderungsgeschwindigkeit der bei Temperaturen von mehr als 7oo ° C als
Ionen vorhandenen Verunreinigungen durch Anwendung zusätzlicher elektrischer Felder
vergrößert wird. Dadurch wird es möglich, die Alkalien schneller von dem zu reinigenden
Körper weg an die Kondensationsflächen oder zur Pumpe zu befördern. Die Ionen müssen
zunächst einen
Weg im glühenden Körper zurücklassen und dann von
der Oberfläche des Körpers durch den Gasraum wandern.. , w Der Diffusionskoeffizient
der Alkaliatome bz\YIi -ionen im glühenden Graphit beträgt bei 8oo ° C.;. etwa z
. io-4 cm2/Sek. Die zur Oberfläche ge-: richtete Geschwindigkeit der Alkaliatome
bzw. -ionen beträgt bei der im handelsüblichen Graphit vorhandenen Konzentration
etwa io-3 cm/Sek. Die Beweglichkeit der Ionen beträgt jedoch im Kristallgefüge des
Graphits unter Einwirkung eines elektrischen Feldes einige cm/Sek. für je i Volt
Gefälle pro i cm. Diese Geschwindigdigkeit ist somit bei einem Potentialgefälle
von i Volt pro i cm etwa i goomal so groß wie die zur Oberfläche gerichtete Geschwindigkeit
bei 8oo ° C. Zur Vergrößerung der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen auf den zehnfachen
Wert muß somit innerhalb des Graphits --in Potentialgefälle von o,oi Volt/cm erzeugt
werden. Bei einem spezifischen Widerstand von io-4 cm ist dazu eine Leistungselektronenstromdichte
von io Ampere/cm2 erforderlich.
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Auch für den Abtransport der aus dem Graphit austretenden Verunreinigungen
ergeben sich bei einer elektrolytischen Behandlung erhebliche Vorteile. Der Austritt
der Ionen geht nämlich bekanntlich geradeso wie die Elektronenemission heißer Körper
nach der Gleichung von Richardson vor sich. Es bilden sich also in der Nähe der
Oberfläche des Graphits Raumladungen aus, die ohne Anwendung eines elektrischen
Feldes nur durch Diffusion verringert werden. Bei dem geringen Partialdruck der
Verunreinigungen gebt jedoch diese Diffusion nur sehr langsam vor sich. Die Ionenraumladung
verhindert daher geradeso wie die Elektronenraumladung um den Glühdraht von Hochvakuumröhren
ein weiteres Austreten von Ladungsträgern aus der glühenden Elektrode. Zur Beseitigung
dieser Raumladung genügen im Gasraum Feldstärken von einigen Volt/cm, da der Sättigungswert
des Ionen-Emissionsstromes nur etwa io-s Ampere%m2 beträgt. Das Versuchsergebnis
war äußerst günstig, da die Graphitelektroden nach der Be-@andlung nur noch i0/0
der ursprünglich vor->ndenen Alkalimenge enthielten.
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hat sich in manchen Fällen als besonders .steilhaft erwiesen,- als
Gas Wasserstoff zu verwenden, weil durch diesen die Oxyde der Alkalien und Erdalkalien
zu reinen Metallen reduziert werden, die bei der Temperatur der Anode während des
Glühprozesses leichter verdampfen als die Oxyde. Es wird sich j edoch im allgemeinen
nicht empfehlen, diesen Reinigungsprozeß in demselben Vakuumentladungsapparat, für
den die Graphitteile bestimmt sind, vorzunehmen, weil dadurch die den Anoden benachbarten
Teile stark verunreinigt werden würden, so daß die Gefahr besteht, daß während des
Betriebes ein Teil der Verunreinigungen auf die Anodenoberfläche zurückgelangt.
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In der gleichen Weise können auch andere aus Graphit bestehende Teile
für Vakuumentladungsapparate gereinigt werden. Es empfiehlt sich insbesondere, die
Gitter und Entionisierungskörper sowie die Anodenschutzrohre sorgfältig zu reinigen.