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Glimmentladungsröhre mit Gas-oder DampffUung.
D ; e vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung an Glimmentladungsröhren mit Gas-oder Dampffüllung, welche als Kathode eine Hohlkathode besitzen. Wenn im folgenden von,, Hohlkathode" gesprochen wird, so soll darunter eine unterteilte Kathode verstanden werden, bei der die einzelnen Teile derart und in einem derartigen Abstand einander gegenüber angeordnet sind, dass die von einem Kathodenteil durch Auftreffen positiver Ionen freiwerdenden Elektronen in den Kathodenfallraum des gegenüberliegenden Kathodenteiles hineingesehossen und in diesem Fallraum abgebremst werden, wobei in den Hohlräumen der Kathode eine Anreicherung an Elektronen und damit eine Herabsetzung des Kathodenfalles stattfindet.
Bei Glimmentladungsröhren mit derartigen Hohlkathoden beobachtet man Betriebszustände, wie sie beispielsweise für geringe Drucke in der Fig. 1 dargestellt sind. Auf der Abszisse ist der Entladungsstrom i und auf der Ordinate die Röhrenspannung e aufgetragen. Beim Anlegen einer Spannung an die Röhre muss man beispielsweise die Spannung bis auf 300 Volt steigern (Strecke a-b).
Bei dieser Spannung setzt eine heute in der Literatur meist als"Vorentladung" bezeichnete schwache Entladung ein, wobei gleichzeitig die Spannung auf etwa 200 Volt sinkt (Strecke b-c). Bei weiterer Steigerung der Röhrenspannung nimmt der Entladungsstrom nur verhältnismässig wenig zu (normale Glimmentladung), so dass die Kennlinie steil ansteigt (Strecke c-d). Bei 900 Volt, Punkt d, springt diese normale Glimmentladung plötzlich in die eigentliche Glimmentladung mit Hohlkathodeneffekt um, wobei die Spannung von 900 Volt auf etwa 180 Volt absinkt (Strecke d-e). Die Spannung von 180 Volt ist natürlich abhängig vom Vorschaltwiderstand.
Mit zunehmender Röhrenspannung nimmt die Entladungsstromstärke stark zu (Strecke e-f). Im Punkte f springt die Glimmentladung in die Bogenentladung um (Strecke f-g), wobei gleichzeitig die Spannung beispielsweise von 400 Volt auf 15-20Volt absinkt. Das Gebiet von g-h ist das Bogenentladungsgebiet. Wie man aus der Charakteristik sieht, ist es, um nennenswerte Entladungsströme, d. h. um mindestens eine Glimmentladung zu erhalten, notwendig, wenigstens einmal eine sehr hohe Spannung anzuwenden. Im Falle des Beispiels war es notwendig, bei einer mittleren Betriebsspannung bei Glimmentladung von 200-400 Volt einmalig auf etwa 900 Volt zu gehen. Je geringer der Gasdruck ist, um so höher wird die vor Einsetzen der Glimmentladung anzuwendende Höehstspannung. Dasselbe gilt für geringe Kathodenabstände.
Die gestrichelt gezeichnete Kurve c-k zeigt beispielsweise eine solche Kurve für sehr geringe Gasdrücke und geringen Kathodenabstand. Bei äusserst geringem Gasdruck kann der Fall eintreten, dass selbst bei Spannungen von mehreren Tausend Volt kein Überspringen der normalen Glimmentladung in eine Glimmentladung mit Hohlkathodeneffekt eintritt, da im Gebiet behinderter Entladung gearbeitet wird.
Gemäss der Erfindung werden diese Mängel dadurch behoben, dass bei der Glimmentladungsröhre mit Gas-oder Dampffüllung und einer Hohlkathode im Sinne der eingangs gegebenen Definition an sich bekannte Mittel zur zusätzlichen thermischen Erzeugung von Elektronen in den Hohlräumen vorgesehen werden. Hohlkathoden durch Anwendung besonders stark Elektronen emittierender Stoffe hochemissionsfähig zu machen, ist bekannt. Beispielsweise überzieht man die Innenfläche von Hohl-
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mindesten das Gebiet starker Glimmströme erreicht ist, es wird also durch diese Mittel nicht bewirkt, dass die Spannungsspitze (Punkt d der Fig. l) erheblich herabgedrückt wird.
Erst durch die erfindungsgemässe Einführung einer zusätzlichen Quelle für Thermionen gelingt es, die Spitze (c, d, e schraffiert gezeichnet) zu vermeiden und einen direkten Übergang von Punkt c zu Punkt e zu erhalten.
Über die Konstruktion der Hohlkathode ist ergänzend noch folgendes zu sagen : Die Abstände der gegenüberliegenden Hohlkathodenflächen sollen in einem bestimmten Verhältnis zu dem Füllgas und einem Druck stehen, u. zw. sollen die Abstände gleich oder kleiner als die Fallraumdicke an einer kalten einfachen Kathode unter entsprechenden Verhältnissen sein. Diese Abstände lassen sich, sofern man sie nicht experimentell feststellen will, grob errechnen, indem man sie gleich dem zehn-bis zwanzigfachen der gaskinetisehen freien mittleren Elektronenweglänge macht. Die Elektronenweglänge in einem Gas oder Dampf von p zum Druck ist :
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worin)'0 die mittlere freie Weglänge eines neutralen Gasteilchens ist, die aus chemischen Tabellen zu entnehmen ist.
Für Quecksilberdampf, Helium, Argon und Neon ergeben sich bei einem Druck p von 1 mm und einer Temperatur von 0 C folgende Werte für die Elektronenweglänge in Millimetern :
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<tb>
<tb> Hg <SEP> Ar <SEP> Ne <SEP> He
<tb> 0.093 <SEP> 0.29 <SEP> 0.54 <SEP> 0.77.
<tb>
Eine Multiplikation dieser Werte mit 10-20 ergibt die ungefähre Fallraumdicke bei 1 mm Gasdruck.
Die Thermionenquelle kann von zweierlei Art sein. Entweder wendet man eine an sich bekannte Glühkathode, beispielsweise eine Oxyd-, Destillations-oder Thoriumkathode an, oder aber man sorgt durch zusätzliche Heizung dafür, dass die Hohlkathode selbst oder aber zum mindesten Teile der Hohlkathode thermisch emittieren.
Der erste Fall, wo eine direkt wirkende Glühkathode angewandt wird, ist in der Fig. 2 dargestellt.
Der in dem Quetschfuss 1 eingeschmolzene Haltedraht 2 trägt die kastenartig ausgebildete Hohlkathode 3.
Sie besteht aus einem Gehäuse 4, welches von einem Wärmeschutzmantel 5 umgeben ist. Im Innern der Kathode befinden sich die Zwischenblech 6, 7 und 8, welche in der Mitte durchbohrt sind, so dass die von dem Elektrodenhaltedraht 2 bzw. dessen Verlängerung 9 getragene Glühwendel10 in sämtliche durch die Zwischenwände gebildete Hohlräume, im Falle des Beispiels also in die Hohlräume 11, 12, 1. 3 und 14, hineinragt. Die Wendel ist an der einen Seite abgestützt durch den Haltedraht 15, der durch ein Isolierrohr 16 isoliert durch den Kasten 4 bzw. die Wärmeumhüllung 5 hindurchgeführt ist. Selbstverständlich ist jede andere Konstruktionsmöglichkeit für die Wendel gegeben.
Beispielsweise kann die Zuleitung zu der Glühwendel, die natürlich auch durch einen gestreckten Glühdraht ersetzt werden kann, auf beiden Enden isoliert erfolgen, was z. B. für Wechselstrombetrieb wichtig sein kann. Auch ist es möglich, die elektrische Mitte des Drahtes mit der Hohlkathode leitend zu verbinden.
Ein anderes Beispiel für die Anwendung einer direkt beheizten Kathode zeigen die Fig. 3 und 4.
In den Quetschfuss 17 sind die beiden Elektrodenhaltedrähte. M eingeschmolzen, welche die in diesem Falle aus konzentrischen Zylindern bestehende Hohlkathode tragen. Der Zylinder 19 ist umgeben von einem Wärmeschutzzylinder 20, welcher eine zu starke Ausstráhlung der Wärme verhindert. Im Innern sind Zylinder 21 und 22 vorgesehen. Diese Zylinder haben die in der Fig. 4 dargestellte Form, d. h. Schlitze, so dass die einzelnen Hohlräume der Kathode untereinander kommunizieren. Im Innern des Hohlzylinders 21 ist eine bifilar gewickelte Glühkathode 23 angeordnet, welche durch die beiden Elektrodenhaltedrähte 24 und 25 getragen wird. Die Schlitze der einzelnen Hohlzylinder sind so eingerichtet, dass die im Innern des Hohlzylinders 21 entstehenden Elektronen in die andern gebildeten Hohlräume eindringen können.
Durch die Schlitze kann auch bei der Fabrikation, die aus der Thermitpille 26 (Gemisch aus Bariumoxyd und Aluminium) gebildete Bariumdampfwolke in sämtliche Hohlräume dringen.
Bei einer Glühkathode, wie in der Fig. 2,3 und 4 beschrieben, beobachtet man bei Inbetrieb-
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heizung). Die Entladung springt dann in die übrigen Hohlzylinder über, wobei die Glühkathode wieder ihre normale Temperatur annimmt. Nach Einsetzen der Glimmentladung ist es bei geeigneter Dimensionierung der Kathode durchaus möglich, die Glühkathode auszuschalten oder aber bei dunkelster Glut weiterbrennen zu lassen.
Die Fig. 5-8 zeigen Hohlkathoden, welche gemäss der Erfindung indirekt beheizt werden.
In Fig. 5 trägt der in den Quetschfuss 27 eingeschmolzen Elektrodenhaltedraht 28 die Hohlkathode 29, welche, wie bei dem Beispiel in den Fig. 2-4 geschildert, aus einem Kasten oder Zylinder 30 besteht, der von einem Wärmeschutzmantel 31 umgeben sein kann. Im Innern von 30 befindet sieh beispielsweise ein Hohlzylinder 32 und in dessen Zentrum eine konvexe Ausbuchtung 33, die in ihrem inneren konkaven Teil einen Heizkörper 34 enthält, der beispielsweise über die von einem Isolierrohr 35 umgebene Zuleitung 36 geheizt wird. Nach Einschalten des Heizkörpers 34 wird der Teil 33 erhitzt,
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so dass seine Aussenfläche Elektronen emittiert. Im Falle von Wechselstromheizung kann es sich empfehlen, den Heizdraht 34 elektrisch vollkommen von dem Hohlkathodensystem zu trennen.
Auch bei der vorstehend geschilderten Hohlkathode empfiehlt es sich, den inneren Zylinder 32 bzw. die Zwischenwände mit Öffnungen zu versehen, so dass die an der Aussenseite des Zylinders 33 erzeugten Elektronen in sämtliche Hohlräume gelangen können.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Hohlkathode. Der Quetschfuss 37 trägt den Haltedraht 38 für die Hohlkathode 39. Diese Hohlkathode besteht aus einem oben geschlossenen Rohr 40, in dessen Innern sich ein Heizdraht 41 befindet, der in bekannter Weise geheizt wird. Das Rohr 40 trägt kreisplattenförmige Rippen 42, so dass sich Hohlräume 43, 44, 45 usw. bilden. Es kann auch hier zweckmässig sein, die Stellen 46,47 usw. mit einem Elektronen emittierenden Stoff, beispielsweise mit Oxyd od. dgl. zu überziehen, um eine möglichst hohe Elektronenausbeute zu erzielen.
Bemisst man die Heizung genügend stark, so werden auch die Rippen mitgeheizt, und es kann sich dann empfehlen, auch die Rippen mit elektronenaktiver Substanz zu überziehen oder sie aber aus solcher selbst herzustellen (beispielsweise aus Thor-Wolfram od. dgl.).
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Entladungsröhre gemäss der Erfindung, bei der eine indirekte Beheizung vorhanden ist, der Heizkörper jedoch ausserhalb des Entladungsgefässes angeordnet ist, d. h. nicht im Innern des Vakuums. Man erreicht dadurch eine leichte Auswechselbarkeit und kann insbesondere die Entladungsröhre für beliebige Betriebsverhältnisse durch Einsetzen eines geeigneten
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Fig. 7 zeigt eine Röhre, bei der sich der Heizkörper im Innern einer Einstülpung der Entladungsrohre befindet. In das beispielsweise aus Glas bestehende Entladungsgefäss 48 ist bei 49 der Metalltopf 50 eingeschmolzen, welcher gleichzeitig als Träger der Hohlkathode 61 dient. Die Hohlkathode 51 ist ähnlich konstruiert, wie in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben. In den Metalltopf 50 wird der Heizkörper 52 eingeschoben, welcher die Aussenwände 53 und 54 so stark erhitzt, dass sie Elektronen emittieren. Um eine möglichst grosse Wärmeökonomie zu erzielen, kann es sich empfehlen, dem Eisentopf 50 beispielsweise an der Stelle 55 einen verjüngten Querschnitt zu geben, so dass eine Wärmestauung eintritt.
Ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Heizung von aussen zeigt die Fig. 8. Hier ist in das Entladungsgefäss 56 ein Metalltopf 57 eingeschmolzen, der in seinem Innern Rippen 58, 59 usw. enthält, durch welche die einzelnen Kammern der Hohlkathode gebildet werden. Von aussen wird ein ringförmig ausgebildeter Heizkörper 60 hineingeschoben, welcher die Hohlkathode auf eine für die Emission geeignete Temperatur bringt. Bei 61 kann ein verjüngter Querschnitt zur Wärmestauung vorgesehen sein. Die Metalltöpfe 50 bei Fig. 7 und 57 bei der Fig. 8 werden zweckmässig wegen der starken Beanspruchung durch die Heizung aus einem schwer oxydierbaren Metall usw. hergestellt, beispielsweise aus Chromeisen, Nickeleisen od. dgl. oder aber mit einem Nickel-, Chrom-oder Platinüberzug auf der an der Luft befindlichen Seite überzogen.
Über die für die Hohlkathode zu verwendenden Materialien ist zu sagen, dass man zweckmässig Nickel, Eisen, Molybdän, Wolfram od. dgl. entweder in massiver oder aber in Netzform verwenden kann. Als Emissionsmaterial verwendet man, wie eingangs schon gesagt, entweder Thorium in seinen verschiedenen Formen oder aber Erdalkalimetalle bzw. deren Oxyde. Insbesondere bei den Ausführungsformen nach Fig. 7 und 8 muss man, um nicht zu hohe Temperaturen zu erhalten, Materialien verwenden, welche schon bei äusserst geringen Temperaturen eine hohe Elektronenemission ergeben. Besonders geeignet ist Barium, fein unterteilt mit Oxyd, welches schon bei Temperaturen unter Rotglut eine nennenswerte Emission ergibt. Hier ist gerade die Verwendung von Netzen (Nickel) sehr zweckmässig, da sich das Emissionsmaterial hierin gut hält.
Auch für die Herstellung sind Netze sehr zu empfehlen, da sich beispielsweise Bariumoxyd gut in die Maschen einschmieren lässt und nach Zerfall im Vakuum reines Barium in den Netzen vorhanden ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Glimmentladungsröhre mit Gas-oder Dampffüllung und unterteilter Kathode, bei der die einzelnen Teile derart und in einem derartigen Abstande gegenüber angeordnet sind, dass die von einem Kathodenteil durch Auftreffen positiver Ionen freiwerdenden Elektronen in den Kathodenfallraum des gegenüberliegenden Kathodenteiles hineingeschossen und in diesem Fallraum abgebremst werden, wobei in den Hohlräumen der Kathode eine Anreicherung an Elektronen und damit eine Herabsetzung des Kathodenfalles stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass an sich bekannte Mittel zur zusätzlichen thermischen Erzeugung von Elektronen in den Hohlräumen vorgesehen sind.