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Elektrisches Entladullgsgef ss mit Gliihkathode und Gasfüllung.
Die Erfindung bezieht sich auf Glühkathodenröhren mit iomsierbarer Gas-oder Dampffüllung, die ausser den Hauptelektroden, zwischen denen eine lichtbogenähnliehe Entladung stattfindet, noch eine Elektrode (Gitter) zur elektrostatischen Steuerung besitzen. Die Erfindung ist auf die besondere Ausbildung der Gitterelektrode solcher Röhren gerichtet.
Entladungsgefässe, die mit Steuerelektroden versehen sind, können in zwei Hauptklassen eingeteilt werden :
1. Entladungsgefässe, in denen im wesentlichen eine Elektronenentladung stattfindet, die durch Änderung der Spannung der Steuerelektrode stetig geändert werden kann. In gewissen Fällen enthalten derartige Röhren genügend Gas, so dass durch dessen Ionisierung der Strom entsprechend dem besonderen Verwendungszweek, z. B. für die Gleichrichtung von Hochfrequenzwellen, geändert wird.
Doch ist die Ionisierung des Gases allgemein gesprochen bei dieser Klasse von Röhren eine Nebenerseheinung. Der Spannungsabfall an solchen Röhren nimmt mit wachsendem Strom zu, d. h. die Spannungsstromcharakteristik ist positiv.
2. Entladungsgefässe, bei denen eine genügend hohe negative Spannung an der Steuerelektrode den Entladungsstrom vollkommen verhindert, jedoch eine geringere negative oder positive Gitterspannung das Einsetzen des Stromes zwischen den Hauptelektroden einleitet, wobei dann nach Einsetzen des Stromes die Gitterspannung keinen Einfluss mehr ausübt. Der Strom kann bei dieser Art von Entladungsgefässen lediglich durch Entfernen der Anodenspannung unterbrochen werden, was gewöhnlich dadurch geschieht, dass die Anode mit Wechselstrom gespeist wird.
Das Gitter wird dabei dazu benutzt, um infolge der ihm gegebenen Vorspannung den Punkt zu bestimmen, an dem während jeder Halbperiode der Anodenspannung der Anodenstrom einsetzt, d. h. : das Gitter wirkt als Auslöser. Solche Gefässe enthalten Gas oder Dampf von so hohem Druck, dass durch ihre Ionisation die Raumladung aufgehoben wird und die Röhren mit einem Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode arbeiten, der nicht merklich höher ist als die lonisierungsspannung des Gases. Die Stromspannungscharakteristik solcher Gefässe verläuft im allgemeinen flach oder schwach negativ, d. Ii. der Spannungsabfall nimmt mit wachsendem Strom ab. Die Entladung besitzt also eine lichtbogenähnliche Charakteristik.
Die Erfindung bezieht sich nun auf Entladungsgefässe der zweiten Art mit gesteuerter Bogenentladung. Anode und Kathode sind bei diesen Gefässen einander gegenüber angeordnet, d. h. nicht (wie es vorwiegend bei Elektronenröhren üblich ist) konzentrisch zueinander. Für die Steuerelektrode solcher Röhren hat man bereits verschiedene Konstruktionen vorgesehlagen. Bei gewissen Ausführungsformen ist die Steuerelektrode als Drahtnetz ausgebildet, das quer zur Entladungsstrecke in dem Glasgefäss angebracht ist. Bei andern Ausführungsformen umgibt das Gitter die Anode, wieder bei andern die Kathode.
Alle diese Konstruktionen weisen aber gewisse Nachteile auf. Bei den beiden zuerst genannten Ausführungsformen muss erstens das Gitter positiv sein, damit die Entladung einsetzt. Infolgedessen
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die Spannung des Gitters unbestimmt infolge der zufälligen negativen Aufladungen der Gefässwand. Diese Spannungen hängen vom lonisationsgrade, Dampfdruck und andern Faktoren ab. Bei der Ausführungsform, wo das Gitter die Kathode umgibt, treten diese Nachteile nicht auf, vielmehr besitzt eine
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dessen wesentlich grössere Ströme als bisher gesteuert werden können.
Es muss hier besonders hervor- gehoben werden, dass bei einer reinen Elektronenentladung im Hochvakuum zwar das Problem der
Elektronenemission durch das Gitter eine gewisse Bedeutung besitzt, dass aber bei Röhren mitBogen- entladung sich die Emission des Gitters in ganz anderer Weise schädlich auswirkt, indem nämlich schon bei geringer Emission der Hauptbogen zündet, selbst wenn die Gittervorspannung sehr grosse negative
Werte besitzt. Denn augenscheinlich sind die vom Gitter ausgesandten Elektronen, soweit der Zünd- vorgang in Frage kommt, gleichbedeutend mit Elektronen, die von der Kathode ausgehen, und falls ihre
Zahl genügend gross ist, um die Zündung zu bewirken, kann hinterher keine negative Spannung mehr die Entladung verhindern oder steuern.
Eine Gitteremission weniger Mikroampere verdirbt im allgemeinen bereits die Steuerung bei 110 Volt Anodenspannung schon vollständig, während bei Hochvakuumröhren eine um das Vielfache grössere Emission des Gitters die Wirksamkeit der Steuerung nicht beeinträchtigt.
Wesentlich ist, dass gemäss der Erfindung der als Steuerelektrode dienende Zylinder sich innerhalb des Entladungsgefässes befindet oder aber einen Teil der Gefässwandung bildet, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, bei denen als Steuerelektrode ein die Gefässwandung umgebender Zylinder verwendet wird.
Die erfindungsgemässe Verwendung eines die Entladungsbahn umschliessenden Metallzylinders, der sich in dem Gefäss befindet oder aber einen Teil der Wandung desselben bildet, ist nicht nur mit Vorteil einer guten Kühlung des Steuergitter verbunden, sondern gerade auch mit dem für die Vervollkommnung des Steuervorganges besonders wichtigen Vorteil, dass der störende Einfluss unkontrollierbarer negativer Wandaufladungen ausgeschaltet ist.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden.
Das Entladungsgefäss der Fig. 1 besteht aus einem länglichen Glasgefäss 1, in dem sich die Kathode 2 und die Anode 3 befinden. Die Anode zeigt becherförmige Gestalt, kann aber auch die Form einer Scheibe oder eines Stabes haben und kann z. B. aus Nickel bestehen. Weiterhin ist eine elektrostatisch wirkende Steuerelektrode 4 vorgesehen, die auch aus Nickel bestehen kann und im folgenden kurz als Gitter bezeichnet wird. Der Entladungsraum enthält ein verdünntes Gas oder Dampf, z. B. Argon, von einem Druck von 5-250 Mikron oder Dampf, der von einem kleinen Quecksilberkügelchen in der Röhre herrührt.
Wenn Quecksilberdampf benutzt wird, sollte ein Teil der Gefässwand auf solcher Temperatur gehalten werden, dass ein Dampfdruck von weniger als 1 mtss entsteht, der günstige Ioni- sierungs-bzw. Spannungsverhältnisse für die lichtbogenartige Entladung schafft.
Die Kathode aus Nickel oder Eisen umfasst ein Mittelteil 5, innerhalb dessen sich eine Heizspirale 7 aus Wolfram od. dgl. befindet und an dessen Aussenseite Flügel 6 angeschweisst sind. Das Heizelement 7 ist in der Hülse 5 isoliert angebracht, um einen Kurzschluss während des Betriebes zu vermeiden. Es besitzt die Zuleitung 9, 10. Ein Ende der Heizspirale kann mit der Hülse 5 verschweisst sein. Konzentrisch um die Hülse 5 ist ein äusserer Zylinder 11 angeordnet, der an dem von der Anode abgewandten Ende geschlossen ist. Er dient dazu, die Wärmeverluste der Flügel 6 herabzusetzen und so die Kathode bei geringer Heizleistung auf einer genügend hohen Temperatur zu halten. Die Flügel 6 und die Innenseite der Hülse 11 sind in an sich bekannter Weise mit einem hochemittierendem Material, wie z.
B. seltenen Erden oder Erdalkaliverbindungen, wie Bariumcarbonat, bedeckt, so dass, wenn die Kathode z. B. mit
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Wechselstrom geheizt wird, Elektronen in Richtung auf die Anode ausgesandt werden. Die Kathode wird zweckmässigerweise durch Erhitzen im Vakuum bis dicht unter den Schmelzpunkt des Nickels entgast, wobei das entweichende Gas abgepumpt wird.
Die Anode 3 besitzt eine Zuführung 12, die in den Glasfuss 1. 3 eingeschmolzen ist.
Das Gitter ist nun gemäss der Erfindung als Metallzylinder 4 ausgebildet und konzentrisch um Kathode und Anode in solcher Länge angeordnet, dass es diese Elektroden bis an ihren hinteren Flächen umgibt. Das Gitter wird durch die Drähte 14 getragen, von denen einer mit der Zuleitung 15 verbunden ist. Da das Gitter sich ausserhalb der Entladungsstreeke Kathode-Anode befindet, bleibt seine Temperatur verhälntismässig niedrig, so dass keine Elektronen von ihm ausgesandt werden und seine Steuerwirkung infolgedessen sehr gut ist.
Infolge der angegebenen Anordnung bildet das Gitter aber auch zugleich einen Schirm für die Glaswand, so dass sich diese nicht aufladen kann und infolgedessen einzig
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und damit Herabsetzung der Möglichkeit, Elektronen auszusenden, kann die äussere Fläche des Steuerzylinders noch mit Kühlfahnen versehen sein oder, wie in Fig. 2 dargestellt ist, direkt der Luft ausgesetzt werden.
In Fig. 2 bildet das Gitter 4 einen Teil der Gefässwand zwischen den Elektroden 2 und 3, die durch Glasteile 16 voneinander isoliert sind. Die Anode 3 ist als Graphitstab dargestellt, der mittels Schraubengewinde an der Zuführung 17 befestigt ist, die ihrerseits in die Metallkappe 18 eingelassen ist.
Es ist augenscheinlich, dass die hier beschriebene Ausbildung der Steuerelektrode als Zylinder oder ähnliche geschlossene Fläche, die die Kathode und Anode ausserhalb der Entladungsstrecke umgibt, nicht für Hochvakuumröhren in Frage kommt, wegen der bei diesen Röhren auftretenden hohen Raumladung, die den Strom bei den praktisch in Betracht kommenden Spannungen auf Werte begrenzt, die äusserst klein sind im Verhältnis zu dem bei gittergesteuerten Thyratrons erhaltenen Strömen. So ist bei den Röhren der Fig. 1 und 2 der maximale reine Elektronenstrom nach dem bekannten Langmuirschen
Raumladungsgesetz abhängig von dem Verhältnis von Steuerzylinderdurehmesser zu Abstand Kathode-Anode. Um eine genügende Steuerwirkung zu erzielen, darf dies Verhältnis nicht grösser als zwei Drittel sein. Bei diesem Verhältnis beträgt der Maximalstrom bei 100 Volt etwa ein Milliampere.
Dieser Wert ist sehr klein vergleichen mit den Strömen, wie sie bei den üblichen Röhren mit reiner Elektronenenentladung erhalten werden. Dagegen können Entladungsgefässe mit lichtbogenartiger Entladung gemäss der Fig. 2 Ströme von 300 Amp. bei 12 Volt liefern. Diese Ströme können mit der gleichen Energie und der gleichen Zuverlässigkeit wie der Strom von einem Milliampere bei reiner Elektronentladung gesteuert werden. Liegt z. B. eine Spannung von 20.000 Volt an Anode und Kathode, so genügt eine negative Gitterspannung von 20 Volt, um den Stromfluss zu unterbinden, während eine negative Gitterspannung von 19 Volt die vollen 300 Ampere durchlässt. Es kann also eine Leistung von 6000 Kilowatt durch eine Spannungsänderung des Steuergitter von 1 Volt zuverlässig gesteuert werden, bei einem Energieverbrauch von etwa einem Mikrowatt.
Die Kathode 2 der Fig. 2 ist ganz ähnlich konstruiert wie die der Fig. 1. Sie wird durch den hohlen Metallzylinder 19 in der geeigneten Entfernung von der Anode gehalten. Dieser Zylinder 19 dient gleichzeitig als eine Kathodenzuführung, während die andere durch den Leiter 20 gebildet wird, der im Innern des Zylinders 19 verläuft.
Entladungsgefässe der beschriebenen Art können, wenn sie mit Wechselstrom geeigneter Spannung betrieben werden, so dass eine lichtbogenähnliche Entladung. entsteht, als Relais und überall da Ver- wendung finden, wo grosse Ströme, d. h. Ströme von vielen Ampere benötigt werden. Diese Ströme lassen sich dann durch Anlegen von Gleich-oder Wechselspannung an das Gitter des Gefässes bei einem Energie- aufwand von einem Bruchteil eines Mikrowatt zuverlässig steuern.
Zur weiteren Eläuterung ist in den Fig. 3 und 4 der Potential-bzw. Kraftlinienverlauf in einer Röhre mit dem erfindungsgemässen Steuergitter dargestellt.
Es zeigt Fig. 3 den Verlauf bei stark negativem Gitter, Fig. 4 bei positivem Gitter. In beiden
Abbildungen ist auf der linken Seite der Elektrodenanordnung der Potentiallinienverlauf (gestrichelte
Linie) eingezeichnet, auf Grund dessen der auf der rechten Seite dargestellte Kraftlinienverlauf (aus- gezogene Linie) zustande kommt. Besonders zu beachten ist in beiden Abbildungen der Feldverlauf in der Nähe und hinter der Anode und Kathode, der deutlich die Schirmwirkung des Zylinders zeigt, sowohl für von hinten eingreifende Felder, wie für aus der Entladungsbahn streuende Ionen oder
Elektronen.
Wie Fig. 3 erkennen lässt, bildet sich bei stark negativem Steuerzylinder einerseits und negativem
Steuerzylinder und weniger negativer Kathode anderseits, die hier als auf dem Bezugspotential Null befindlich gedacht ist, aus, so dass keine Kraftlinien direkt von der Anode zur Kathode laufen. Auf dieser Ausbildung des Potentialgefälles bzw. des Kraftlinienverlaufes beruht die Verhinderung des Zünd- einsatzes. Fig. 3 zeigt in der rechten Hälfte durch ihren Kraftlinienverlauf eindeutig die Sperrzone.
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Fig. 4 lässt erkennen, dass bei positivem Steuergitter die von der Anode ausgehenden Kraftlinien zum grossen Teil auf der Kathode endigen und damit eine Entladung zustande kommen lassen.
PATENT-ANSPRÜCHE:
1. Elektrisches Entladungsgefäss mit Glühkathode, Gasfüllung und Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Gefäss angeordneter, gegebenenfalls einen Teil der Aussenwandung des Gefässes bildender, zweckmässig zylindrischer Metallteil, der die Entladungsstrecke zwischen den Hauptelektroden auf ihrer ganzen Länge völlig umschliesst, als Steuerelektrode für die lichtbogenartige Entladung dient.