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Rathode für Entladungsgefässe mit ssas-oder Dampffullung und lichtbogenähnlicher
Entladung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung der Kathode von Gasent- ladungsröhren, insbesondere solcher, die unter dem Namen" Thyratron" bekanntgeworden sind (vgl. General Electric Review, April 1929, Vol. 32, Nr. 4, S. 213-223).
Ein Thyratron ist im wesentlichen ein Dreielektrodengefäss, in das eine geringe Menge eines ionisierbaren Gases oder Dampfes eingeführt ist. Die Gegenwart des ionisierbaren Mediums gibt der Entladung eine lichtbogenähnliehe Form mit einer flachen oder schwach negativen Spannung-Strom-Charakteristik. Das Einsetzen des Lichtbogens in einer solchen Röhre kann elektrostatisch gesteuert werden durch ein Steuerorgan, z. B. in Form eines Gitters, dem eine negative Ladung erteilt wird. Die Entladung setzt dann erst wieder aus, wenn die Anodenspannung entfernt wird. Zu diesem Zweck wird als Anodenspannung üblicherweise eine Wechselspannung benutzt, die periodisch durch den Wert 0 geht.
Das Thyratron kann so als ein elektrostatisch gesteuerter Bogengleichrichter benutzt werden, bei dem die Ladung des Gitters den Punkt in jeder Periode des Wechselstromes bestimmt, in dem die Bogenentladung einsetzt, und auf diese Weise den Mittelwert des Anodenstromes steuert. Die Leistungsfähigkeit solcher Gefässe bezüglich der Grösse der gleichzurichtenden Ströme findet eine Grenze lediglich in der Möglichkeit einer genügenden Kühlung des Gefässes und einer genügenden Emission der Kathode. Der Aufwand an Steuerenergie beträgt dabei weniger als ein Mikrowatt.
Mit Rücksicht auf den lichtbogenähnlichen Charakter des Entladungsstromes müssen die verschiedenen Elemente der Röhre, insbesondere die Kathode, besonders durchgebildet sein.
Die geheizte Kathode unterliegt normalerweise einem starken Bombardement durch positive Ionen, vor allem bei den grösseren Thyratrons, so dass die Gefahr besteht, dass sich die Entladung an einzelnen Stellen festsetzt und dadurch die Kathode durchbrennt.
Es ist deshalb notwendig, einen Heizfaden von grossem Querschnitt und widerstandsfähiger Bauart zu verwenden. Da überdies der Anodenstrom, der notwendigerweise auch durch einzelne Teile des Heizfadens fliesst, sehr gross ist, ergibt sich das weitere Problem, eine Zuführung für den Heizfaden zu schaffen, die einerseits völlig luftdicht in den Fuss der Röhre eingeschmolzen werden kann und anderseits genügend gross ist, um die vereinigten Heiz-und Anodenströme aufzunehmen. Die Kathode muss fernerhin in der Lage sein. erheb- liche Menge von Elektronen zu liefern, und infolgedessen auch neben dem-grossen Quer- schnitt und genügender Widerstandsfähigkeit eine grosse elektronenemittierende Oberfläche besitzen.
Bei Glühkathode mit Heizfäden gewöhnlicher Länge, die für geringe Spannungen bestimmt sind, können diese Bedingungen erfüllt werden durch Verwendung eines Metallbandes, das schrauben-oder spiralförmig geführt ist. Ist jedoch die Kathode für höhere Spannungen bestimmt, so muss der Heizfaden, damit er den nötigen Widerstand darbietet, wegen seines grossen Querschnittes sehr lang sein. Eine spiralförmige Kathode der erforderlichen Länge nimmt dann aber einen Raum ein, dass ihre Verwendung in Thyratrons mit beschränktem Elektrodenabstand ausgeschlossen erscheint.
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Die Erfindung gibt nun eine Kathodenform an, die verhältnismässig wenig Raum bean- sprucht, und gleichzeitig in vollem Masse wirksam ist, indem sie der Anode die gesamte aktive Fläche darbietet. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken sind Vorkehrungen getroffen, um den Anodenstrom vom Heizstrom zu trennen, insofern als die Durchführungen durch das
Gefäss dabei in Frage kommen, so dass die Heizleiter von dem Transport des Anodenstromes entlastet sind und die Grösse dieser Zuleitungen lediglich so bemessen zu werden braucht. dass sie den Heizstrom transportieren können. Dies geschieht dadurch, dass eine weitere Zu- führung für den Anodenstrom an die Mitte des Heizfadens führt.
Es hat sich beim Betriebe von Thyratrons herausgestellt, dass, wenn die Bandkathoden in der üblichen Weise als Spirale aufgewickelt sind, das Magnetfeld des Heizstromes infolge seiner summierenden Wirkung die Bewegung der Elektronen und positive Ionen nachteilig beeinflusst, indem nämlich diese Teilchen von ihrer normalen Bahn zwischen den Elektroden abgelenkt werden und dadurch Schwierigkeiten beim Zünden der Röhre und ihrem späteren
Betrieb eintreten. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird daher die Kathode gleich- zeitig so ausgebildet, dass sich die magnetischen Kräfte der Kathode gegenseitig aufheben und damit der Strom zwischen den Elektroden ungehindert fliessen kann.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung, die eine Rohre mit der neuen Kathode im teilweisen Schnitt darstellt, näher erläutert werden.
Es bedeutet 1 ein entlüftetes Gefäss, das in dem Fuss 2 endigt. In der Röhre sind gleichachsig zueinander die Kathodenanordnung, das elektrostatische Steuerorgan oder Gitter j' und die Anode 4 angebracht. Die Kathode besteht nun erfindungsgemäss aus einem Leiter aus vorzugsweise streifenförmigem Material, der aus mehreren Teilen, Schichten oder Lagen 5, ú ähnlicher Gestaltung gebildet wird, z. B. ans Schrauben oder Spiralen, die übereinander liegen, auf der gleichen Achse im gleichen Sinne gewickelt und in Reihe geschaltet sind. Das äussere
Ende jeder Spirale ist in geeigneter Weise umgebogen und mit Zuführungen 7. 8 versehen. die ihrerseits in normalen Kontaktstiften 9, 10 am Fuss der Röhre endigen.
Die Kontaktstifte werden durch einen Abwärtstransformator 12 von der Wechselstromquelle j ! gespeist. Die Mitten der Spiralen sind durch einen Leiter 13 miteinander verbunden. Dieser Leiter 13 führt auf der einen Seite durch den Fuss nach dem Kontaktstift 14 und ist auf der andern Seite. z. B. durch Schweissen, mit einer Kappe 15 verbunden, die über die Kathode passt. Bei dieser
Anordnung durchfliesst der Heizstrom die Spiralen in entgegengesetzter Richtung, so dass sich die magnetischen Felder der Spiralen gegenseitig aufheben.
Die Kathode kann in bekannter Weise aus Nickel bestehen und zwecks Erhöhung der
Elektronenemission auf einer oder beiden Seiten mit einer aktiven Masse, z. B. Barium- karbonat (BaCOg) oder andern Salzen der Erdalkalien, bedeckt sein. Der Überzug kann durch Aufbringen einer Paste aus dem Karbonat und einem geeigneten Bindemittel und nachfolgendes Erhitzen hergestellt werden. Die Kappe 15 kann ebenfalls aus Nickel bestehen. Sie ist an der
Spitze geschlossen und am unteren Ende offen und so lang, dass sie bis über den unteren Rand der Spirale 6 reicht. Ausser der Halterung in der Mitte durch den Leiter 18 ist noch an der äusseren Fläche eine Strebe 16 vorgesehen, die in den Fuss 2 eingeschmolzen ist, so dass zwei starre Stützpunkte vorhanden sind.
Die Wirkungsweise dieses Schirmes wird noch näher erläutert. Das Steuerorgan 3 besteht vorzugsweise aus einem Gitter oder sonstwie durchlöchertem Körper aus Metall, z. B. aus einer Chrom-Nickel-Legierung. die erst bei sehr hohen Temperaturen Elektronen abgibt. Das Gitter kann die Form einer zylindrischen Kappe besitzen. die über dem Kappenteil 15 und noch weit über die Kathode hinausragt und durch die
Streben 17, 17 getragen wird. Diese Streben sind an einer Schelle 18 befestigt, die um den Fuss 2 gezogen ist und an der die Zuführung 19, die mit dem Kontaktstift 20 in Verbindung steht, befestigt ist.
Die Anode 4 besteht aus einer Platte, vorzugsweise aus geschwärztem Nickel, damit ihre Oberfläche einen schwarz strahlenden Körper darstellt. Die Anodenverbindung erfolgt über eine Klemme 21 an dem oberen Ende der Röhre. Die Röhre ist also eine sogenannte spitzenlose Type, d. h. die Evakuierung erfolgt nicht an der Spitze, sondern in bekannter Weise durch ein Rohr 22 am Fuss der Röhre.
Um den Fuss der Röhre vor zu starker Erhitzung durch die Kathode zu schützen, ist ein flacher Metallschirm 23 vorgesehen, der in geeigneter Weise z. B. durch kleine Ringe. an den Leitern 13 und 16, die sich auf gleichem Potential befinden. befestigt ist. Die übrigen Leiter verlaufen durch genügend grosse Öffnungen in der Scheibe 28. Eine Gettersubstanz 24. z. B. in Form eines kleinen Magnesiumbandes, ist in geeigneter Weise an der Scheibe 2 ;) befestigt, die durch den Draht 26 an dem Leiter 17 gehalten wird. Die Wirkung des Gitters ist bekannt. Während und nach der Entlüftung kann ein träges Gas, z. B.
Argon. von einem Druck in den Grenzen von 50 bis 250 Mikrons in die Röhre eingeführt werden, vorzugsweise wird jedoch als Erzeuger des ionisierbaren Dampfes ein Quecksilbertröpfelten benutzt. Die
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Betriebstemperatur der Rohre wird dabei so gewählt, dass der Druck des Quecksilberdampf'es unter l < m liegt.
Der Eingangs-oder Steuerkreis umfasst die Leiter 27, 2V, von denen der eine mit dem Kontaktstift 14 und dadurch mit der Mitte der Kathode verbunden ist, während der andere zum Gitterkontakt 20 führt. Der Ausgangskreis umfasst den Verbraucher 28, der z. B. ein Relais darstellen kann, und eine Wechselstromquelle 29 geeigneter Spannung, die mittels des zweipoligen Schalters 30 eingeschaltet werden kann.
Werden Kathode und Anode mit den entsprechenden Spannungen gespeist, so werden Elektronen durch das offene Ende des Kappenteiles 15 hindurch ausgesandt, und es entsteht zwischen Anode und Kathode eine lichtbogenähnliche Entladung. Das Einsetzen der Entladung kann durch eine negative Ladung des Gitters von geeigneter Grösse gesteuert werden.
Die Kappe 15 dient nicht nur dazu, die an der Kathode erzeugte Wärme zusammenzuhalten, sondern soll auch verhindern, dass aktives Material, d. h. Barium, sich von der Kathode auf das Gitter niederschlägt und dort eine Elektronenemission als Folge des durch den Lichtbogen erzeugten starken Bombardements hervorruft. Es ist augenscheinlich, dass die vom Gitter ausgesandten Elektronen, soweit es den Zündvorgang angeht, gleichbedeutend sind mit einer gleichen Zahl von Elektronen von der Kathode her. Ist ihre Zahl nun hinreichend um den Bogen zu zünden, so kann keine negative Gitterspannung dies verhindern. Im allgemeinen ist schon eine Gitteremission von wenigen Mikroampere hinreichend, um die Steuerung des Thyratrons zu vereiteln.
Aus der in der Zeichnung dargestellten Schaltung geht hervor, dass der Verbraucherkreis, d. h. der Anodenkreis, der gewöhnlich einen Strom von vielen Ampere führt, elektrisch so vom Heizkreis getrennt ist, dass keiner der in die Röhre führenden Heizstromleiter den vereinigten Heiz-und Anodenstrom übernehmen muss. Da die Verteilung des Anodenstromes auf die beiden Heizstromzuführungen und Glühkathodenteile von geringem Oberflächenquerschnitt und Widerstandsabweichungen der im wesentlichen mechanisch symmetrisch ausgeführten Glühkathode abhängt, wird meist eine Heizstromzuführung durch den überlagerten Anodenstrom stark überlastet.
Dadurch, dass in der vorliegenden Anordnung der Strom, der in den verschiedenen Leitern fliesst, auf ein Minimum reduziert bzw. sein Maximum bekannt ist, ist die Gefahr, dass der Röhrenfuss durch Erwärmung springt und undicht wird, weitgehend vermindert. Ferner ist es viel leichter, dünne Drähte in das Glas einzuschmelzen als dicke Drähte, wie sie erforderlich wären, wenn die Leiter den gesamten Strom führen müssten. Da der Heizfaden gemäss der Erfindung als doppellagige Spirale ausgebildet ist, deren Lagen direkt übereinander liegen, ist der Innenraum der Kappe 15 äusserst vorteilhaft ausgenutzt, ohne dass dabei die Wirksamkeit der Kathode als Elektronensender noch die Ausnutzung ihrer gesamten Oberfläche für die Aufrechterhaltung des Bogens bei einem verhältnismässig niedrigem Kathodenfall irgendwie litte.
Die zweilagige Form des Heizfadens gestattet ferner ohne Schwierigkeit die Herstellung eines genauen elektrischen Mittelpunktes für die verschiedenen Wechselstromquellen. während es äusserst schwierig ist, die elektrische Symmetrie durch Mittelanzapfung der üblichen Heiztransformatoren, wie es bisher geschehen ist, festzulegen. Als weiterer Vorteil dieser Ausbildung der Kathode ergibt sich, dass die Zuführung 13, die zur Mitte des Heizfadens führt, als weiterer Stützpunkt für die beiden Spiralen dient und die gesamte Kathodenanordnung dadurch starrer und fester macht.
Ferner werden bei dieser Anordnung schädliche magnetische Felder vermieden, da die beiden Spiralen von gleichen, entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden. Dies ist sehr günstig für den Betrieb der Röhre. insbesondere mit Rücksicht auf die Form des Bogenstromes und die Wirksamkeit seiner Steuerung.
Statt zweier Spiralen, wie in der Zeichnung dargestellt, können gegebenenfalls auch mehrere solcher Paare mit Vorteil benutzt werden. Es kann dann der Mittelpunkt jedes Paares mit dem Leiter 13 verbunden werden. Die Zuleitungen zu den Enden jedes Paares können besonders aus der Röhre herausgeführt werden oder die Spiralen können in Parallelschaltung mit derselben Zuleitung verbunden werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Glühkathode für Entladungsgefässe mit Gas-oder Dampf füllung und lichtbogenälll11icher Entladung, gekennzeichnet durch zwei spiralförmige, übereinander angeordnete und elektrisch in Reihe geschaltete Leiterleile aus vorzugsweise streifenförmigem Material.