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Elektrische Hochdruckentladungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich
auf elektrische Vorrichtungen mit einer stromleitenden Gasstrecke, im besonderen
auf Entladungsvorrichtungen, die mit hochgespanntem Quecksilberdampf gefüllt sind,
sowie auf die Elektroden für derartige, Vorrichtungen.
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Es sind Entladungsvorrichtungen bekannt, bei denen die Entladung zwischen
verhältnismäßig kalten Elektroden stattfindet und bei denen zur Aufrechterhaltung
der Entladung ein ionisierbares Mittel, z. B. Quecksilber, verwendet wird, und zwar
zusammen mit einem Edelgas zwecks Erleichterung der Zündung.
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Bei Vorrichtungen dieser Art ist es üblich geworden, aktivierte Elektroden
zu verwenden, d. h. Elektroden aus einem Grundmetall, das mit einem Überzug beispielsweise
aus Barium- oder Strontiumcarbonaten oder ähnlichen Alkalimetallverdangen versehen
ist; bei diesem Überzug ergibt sich eine besonders. reiche Abgabe von Elektronen,
wdurch das Edelgas ionisiert wird und die Zündung bewirkt, wenn dien Elektroden
elektrische Energie zugeführt wird.
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Beim Bau von. Hochdruckquecksilberdampflampen ist es üblich, eine
Hülle aus Quarz oder einem Glas mit hohem Siliciumgehal.t zu verwenden, damit die
Hülle den hohen Arbeitstemperaturen der Lampe standhält. Die aktivierten Elektroden
mit elektronenemittierenden Werkstoffen der obenerwähnten Art haben sich als nachteilig
für Lampen dieser Art deshalb erwiesen, weil der Überzug leicht im Betriebe verdampft,
wobei dann der verdampfte Stoff auf den Innenwandungen der Hülleaufprallt. Offenbar
hat nun. der verdampfte Stoff eine hohe Affinität zum Quarz bzw. Siliciumgehalt
der Hülle
und bildet eine Mattierung oder Kristallisation, wodurch
sowohl die Abgabe der sichtbaren wie der unsichtbaren Strahlen beeinträchtigt wird.
Weiter führt die Verdampfung des emittierenden Werkstoffs eine zwar allmähliche
aber ständige Steigerung der Zündspannung während der Lebensdauer der Lampe herbei.
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Man hat schon versucht, diesem Mangel dadurch abzuhelfen, daß man
statt der Erdalkalimetallverbindungen Thorerde, Zirkonerde oder Verbindungen der
Edelerde verwendete. Nach der Auffassung mancher Bearbeiter dieser Technik haben
die genannten Stoffe thermionische Eigenschaften, die zwischen denen der schwerschmelzenden
Metalle, wie Wolfram, und denen der Erdalkaliverbin.dungen liegen, und verdampfen
dabei im geringeren Maße.
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Wegen der immerhin geringen thermionischen Eigenschaften der Stoffe
aber ist eine höhere -Betriebsspannung für die Lampe erforderlich als dann, wenn
die Erdalkaliverbindungen als Elektronen emittierender Stoff benutzt werden. Daher
hat- sich auch die Verwendung von Thörerde u. dgl. als emittierender Stoff nicht
allgemein eingeführt, abgesehen von der Kombination mit geringen Mengen von Erdalkaliverbindungen
zwecks Senkung der sonst erforderlichen Leerlaüfspannung zur Sicherung der Zündung.
Auch in diesem Fall aber verdampfen die Erdalkaliverbindungen während der Lebensdauer
der Lampe, mit dem Ergebnis, daß die Zündspannung sich doch sehr rasch dem hohen
Werte nähert, der für Thorerde allgemein. notwendig ist.
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Die Verwendung eines freien Metalls, . z. B. Thorium, im Gegensatz
zu Thorerde als Elektronen emittierender Stoff ist für kalte Elektroden in Entladungslampen
bekannt. Da derartige Lampen mit niederem Druck und" schwachem Strom im Bereich
von einigen Milliampere arbeiten und die erforderliche Elektrodenfläche so groß
ist, gilt es bei den Fachleuten der einschlägigen Technik @ als feststehend, daß
Thorium und ähnliche Metalle nicht bei --einer Hochdruck-Bogenentladungslampe Verwendung
finden können.
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Dieser Auffassung ist man im besonderen deshalb gefolgt, weil der
Strom bei den Hochdruck-Bogenentladungslampen größenördnungsmäßigmehnere Ampere
beträgt und weil die Elektrodenfläche bei sblchen Lampen notwendigerweise mit Rücksicht
auf den kleinen Querschnitt des Lichtbogens klein sein muß. Da nun kalte Thoriumelektroden
bei Niederdrucklampen verwendet waren und auch durch Fachleute auf diesem Gebiete
festgestellt worden war, daß keine Zusatzeinrichtungen- not--wendig waren, um zu
verhüten, -daß--einie Glimmentladung in einen Starkstromlichtbogen überging; selbst
wenn eine Betriebsspannun- -von 22o Volt vorlag, so wurde dies bisher als Beweis
dafür angesehen, däß reit Rücksicht darauf, däß' die Elektroden bei Hochdruck-Lichtbogenentladungslampen
kalt und notwendigerweise klein sein müssen und ebenso die Entladungsspannung niedrig
liegen muß, bei der Verwendung von -kalten Elektroden aus Thorium kein anderes Ergebniserreicht
werden würde, als eine Schwachstromglimmentladung.
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Die Erfinderin hat nun festgestellt, daß entgegen den angegebenen
Erwartungen die Verwendung eines Metalls wie Thorium in einer richtig bemessenen
Elektrode bei einer Hochdruckentladungslampe zu äußerst günstigen Ergebnissen führt.
Beispielsweise wurde bei der Herstellung zahlreicher Lampen der Hochdruck-Lichtbogenentladungstype,
die Thorium als Elektronen emittierenden Stoff aufweisen, festgestellt, daß die
Zündspannung so niedrig ist, wie wenn Erdalkaliverbindungen als Elektronen emittierender
Stoff benutzt würden.
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Weiter fand sich im Gegensatz zu den Lampen mit Erdalkaliverbindungen,
daß diese niedrige Zündspannung während der gesamten Lebensdauer der Lampe konstant
bleibt. Weiter wurde festgestellt, daß, da Thorium nicht in chemische Reaktion mit
der Quarz- oder Siliciumglashülle eintritt, die hohe .Lichtausbeute der Lampe für
die ganze Lebensdauer der Lampe im wesentlichen konstant bleibt.
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Fernerhin wurde festgestellt, daß bei einem etwaigen Oxydieren des
Thoriums einer solchen Elektrode, beispielsweise .durch mangelnde Aufmerksamkeit
während des Einschmelzens bei hoher Temperatur, selbst dort, wo Wolfram nicht gleichfalls
oxydiert, weil es weniger dazu neigt, die Umwandlung des Thoriums in Thorerde zu
einer Elektrode führt, die sehr schlechte thermionische Eigenschaften hat, so daß
dann eine befriedigende Arbeit in einer Hochdruck-Bogenentladungsvorrichtung nicht
erreichbar ist. Demnach ist es beim Einschmelzvorgang notwendig,Vorkehrungengegendas
OxydierendesThoriums bei den hohen Temperaturen zu treffen. Da -es nun unnötig ist,.
die mit einem Metall wie Thorium aufgebaute Elektrode zu aktivieren, wird überdies
die Lampenfabrikation erleichtert gegenüber solchen Einrichtungen, die Erdalkaliverbindungen
als emittierenden Stoff benutzen.
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Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer Hochdruck - Gasentladungsvorrichtung,
zwischen deren Elektroden bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie eine Entladung
stattfindet und bei der die Elektroden ein Metall aufweisen, von dem ein reicher
Elektronenstrom zur Einleitung der Entladung ausgeht; das Elektronen emittierende
Metall wird dabei in seiner Lage durch einen wärmefesten Werkstoff gehalten, der
die aufprallenden positiven Ionen aus der Entladung aufnimmt, die andernfalls ein
Zerstäuben des Elektronen emittierenden Teils der Elektrode herbeiführen würden.
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- Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.
In dieser ist Fig. z eine Ansicht einer Entladungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig.2 zeigt im Querschnitt im größeren Maßstabe eine Ausführung. der Elektrode gemäß
der Erfindung;
Fig. 3 ist -ein Querschnitt nach Linie III-III in
Fig. z; Fig. ,4 zeigt im Aufriß', teilweise im Schnitt, eine Abänderung der Elektrodenkonstruktion
nach Fig. .2; Fig. 5 ist ein im größeren Maßstabe gehaltener Schnitt nach Linie
V-V in Fig. d.; Fig. 6 ist .eine Aufrißidarstellung eines Teils der Elektrode nach
Fig. d..
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Die Ouecksilberentl.adungsvorrichtung nach Fig. i besitzt eine Hülle
5 aus Quarz oder Hartglas hohen Schmelzpunktes, an der an gegenüberliegenden Enden
ein Elektrodenpaar 6, ,^ an Einführungsleitern 8 und 9 angebracht ist. Nach Evakuierung
wird diese Hülle mit einem ionisierbaren Mittel, z. B. Quecksilber, in gerade genügender
Men-e g:-füllt, daß es völlig verdampft und. dabei einen Druck von mehreren Atmosphären
während -des Betriebes annimmt. Außerdem kann eine kleine Menge Edelgas zur Erleichterung
des Zündens benutzt werden, z. B. Argon bei einem günstigsten. Druck von etwa 2o
mm oder Neon mit einem giinstigsten Druck von etwa ioo mm.
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Die beiden Elektroden 6 und 7 können gleichartig gebaut sein. Nach
Fig. a bestehen sie aus einem Kern 9 aus einem thermionisch aktiven Metall (im Gegensatz
zu den Metalloxyden oder den sonstigen metallischen Verbindungen), beispielsweise
aus Thorium, Uran oder Metallen ähnlich hoher Schmelz- und Verdampfungspunkte und
thermionische r Eigenschaften. Weiter mögen hierfür genannt werden Zirkon, Hafnium,
Titan, Tantal, Rhodium, Ruthenium, Vanadium, Ytterbium und Iridium. Diesen Kern
von -Metall hohen Elektronenemissionsvermögens umschließt eine Hülle aus Wolfram
oder anderem feuerfestem Metall io, das bei den Betriehste.mperaturen eine geringere
Elektronenemissionsfähigkeit aufweist als der Kern.
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Das teilweise deckende feuerfeste Metall hat im Beispiel die Gestalt
einer Wendel io, deren Nachbarwindungen geringen Abstand voneinander aufweisen,
so daß Öffnungen für den Durchtritt der Elektronen aus dem hochemittierenden Kernmetall
entstehen. Weiter kann das feuerfeste ,Metall auch als Zylinder gestaltet sein,
der in. Berührung mit der Außenfläche des Kerns ist, aber Öffnungen oder Nuten für
die Emission der Elektronen aus dem Kern aufweist.
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Die so beschriebene Elektrode sitzt an dem in die Hülle 5 eingeschmolzenen
Einführungsleiter 8, dessen inneres Ende z. B. durch Schweißung mit der Elektrode
verbunden ist. In der bevorzugten Ausführung liegt der Einführungsleiter gleichachsig
mit der Wendel aus feuerfestem Metall und in Berührung damit und ferner in Berührung
mit dem Kern 9 aus hochemittierendem Metall, wie Fig. 3 am besten erkennen läßt.
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Bei der beschriebenen Elektrodenanordnun.g hat es sich als zweckmäßig
gezeigt, die Elektrodenmasse aus Thorium, Wolframwendel und Einführungsleiter so
im Verhältnis zu dem verlangten Strom zu bemessen, daß im normalen Betriebe der
. Lichtbogenentladung nach-erfolgter Zündung das Thorium zwischen Temperaturen von
iooo und i7oo° bleibt, jedoch ist keine scharf definierte optimale Temperatur erforderlich.
Auch ist die Menge des erforderlichen Thoriummetalls nicht entscheidend.
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Bei der anfänglichen Anlegung von elektrischer Energie an die Elektroden
sind diese im wesentlichen kalt, und die sich zwischen ihnen ergebende Glimmnentladung
ist das Ergebnis der Aufdrückung eines Potentials oberhalb der sog. Durchschlagsspannung
des besonderen Füllgases und des beson, deren angewendeten Gasdruckes sowie der
jeweils vorliegenden Elektrodenabstände.
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Infolge der Glimmentladung werden die Elektroden einem Ionenaufprall
ausgesetzt und werden glühend. Beim Aufglühen der Elektroden wird das thermionisch
aktive Metall, wie Thorium, einen starken Elektronenfluß abgeben, der eine Bogenentladung
zwischen den Elektroden einleitet. Unmittelbar nach Einleitung der Bogenentladung
wird das wärmefeste Metall, z. B. Wolfram, das das Thorium teilweise bedeckt, als
Schutzschirm für den Stoff höherer Emissionsfähigkeit gegen einen Aufprall positiver
Ionen im Betriebe wirken, obwohl das Thorium natürlich fortgesetzt El-ktronen abgibt.
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Infolge seiner besonderen Eigenschaften hat das Kernmetall Thorium
nicht allein eine hohe Elektronenabgabefähigkeit bei den Betriebstemperaturen, sondern
es wird außerdem durch die umschließende Wendel aus Wolfram geschützt, die die Entladung
aufnimmt und dazu führt, daß kein Versprühen des Thoriums :erfolgt, das sonst schädigend
auf die Hülle wirken könnte. Daraus würde sich dann wiederum eine Abnahme der :erzeugten
sichtbaren und unsichtbaren Strahlungen ergeben, zumal die Strahlungen jetzt von
der Hülle verschluckt werden würden, statt durchgelassen zu werden.
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Da sich weiter das Kernmaterial: Thorium in seinem freien Zustande
befindet, hat es keine chemische Einwirkung auf Kieselsäure, und es kann, ohne daß
Mattierung :entsteht, eine Quarz-oder sonstige Hartglashülle benutzt werden, selbst
für den Fall, daß eine schwache Thoriumzerstäubung stattfindet. Wie gesagt ist aber
infolge der schützenden Wolframabschirmung, die die Entladung aufnimmt; tatsächlich
:ein Zerstäuben fast völlig ausgemerzt.
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Bei Lampen höheren Wattverbrauchs muß eine ähnlich gestaltete Elektrode
einen stärkeren Einführungsdraht aufweisen, um den Strom durch die Einschmelzstelle
der Hülle zu führen; wenn nicht besondere Vorkehrung für Wärmeverteilung getroffen
wird, so wird die Einschmelzstelle sehr erwärmt, was schon nach kurzer Betriebsdauer
zur Bildung von Sprüngen führen kann. Demnach kann bei derartigen Lampen eine Elektrode
der beschriebenen Art verwendet werden; um dabei die Stromleitfähigkeit zu vergrößern
und außerdem eine bessere Wärmeabgabe von der Elektrode zu sichern, ist es nur notwendig,
die Menge des festen 3I-etal.ls,
das den thermionisch wirksamen
Thoriumkern umgibt, zu vergrößern.
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Bei diesen Hochwattlampen ist eine zusätzliche Wolframwendel 12 (Fig.6)
zu diesem Zweck auf die Wolframwendel io der Elektrode nach Fig. 2 aufgebracht.
Diese Steigerung in der Stromleitfähigkeit und Wärmeabgabefähigkeit der Elektrode
kann dadurch geschehen, daß, man die äußere Wendel gemä3 Fig. 4, 5 und 6 während
des ursprünglichen Zusammenbaus der Elektrode aufschraubt und bevor sie in die Lampenhülle
eingesetzt und eingeschmolzen wird. Weiter ist der Einführungsleiter 8 mit einem
Querstab 13 versehen, an dem durch Schweißen oder in sonstiger Weise eine Stützschleife
14 befestigt ist, mit der der Thoriumteil 9 und die Wolframwendel io und z2 verbunden
sind.
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Ein weiterer Vorteil der Elektrode nach der Erfindung besteht darin,
daß vor dem Einschmelzen der Elektrode in die Hülle keine Vorhehandlung erforderlich
und daß keine peinlichen Vorsichtsmaßnahmen zur Verunreinigung durch die Außenluft
notwendig sind, wie sie bei Elektroden der früheren Technik notwendig sind, die
mit Barium-oder Strontiumcarbonaten oder sonstigen Erdalkaliverbindungen zur Verhinderung
derartiger Verunreinigungen arbeiten müssen.
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Die somit geschaffene Quecksilber-Hochdruckgasentladungsvorrichtung
verwendet Metallelektroden hoher Elektronenemissionsfähigkeit für die Zündung, die
hiernach so gebaut sind, daß der eine starke Masse Elektronen abgebende Teil so
geschützt oder abgeschirmt ist, daß kein Zerstäuben der Elektrode mit den verschiedenen
nachteiligen Folgen, wie Mattierung der Hülle, eintreten kann. Durch die Verwendung
von Metallelektroden aus Thorium als elektronenabgeltendes Metall bei der Hochdruckentladung
hat die Lampe eine so niedere Zündspannung wie Lampen mit Erdalkaliverbindungen
als elektronenabgebender Stoff; sie besitzt den weiteren Vorteil, daß diese niedere
Zündspannung während einer außerordentlich langen nutzvollen Lebensdauer der Lampe
infolge der äußerst schwachen Verdampfung des emittierenden Metalls erhalten bleibt.
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Da der emittierende Stoff als solcher nicht leicht bei normaler Außentemperatur
oxydiert, ist es nicht mehr wie früher nötig, vor dem Einschmelzen der Elektrode
in die Hülle besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Solche Maßnahmen müssen zwar
getroffen werden, um eine Oxydierung auch dann zu verhindern, wenn .die Elektroden
hohen Temperaturen während der Einschmelzarbeiten selbst ausgesetzt werden, wie
es ja auch bei den gewöhnlichen Elektroden. üblich ist; die Fabrikation der Vorrichtung
wird aber trotzdem erleichtert, weil eine nachfolgende Aktivierung der Elektrode
nicht nötig ist.