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Entladungsröhre mit Bogenentladung für hohe Spannungen.
Wenn man gasgefüllte Glühkathodenröhren in den bisher bekannten Ausführungen für hohe Spannungen, z. B. in der Röntgentechnik, verwendet, so muss man eine hohe Zündspannung in Kauf nehmen. Die Röhre fängt in der Arbeitsphase erst zu wirken an, nachdem die Spannung einen Wert erreicht hat, der einen grösseren Teil des Höchstwertes ausmacht als die Zündspannung bei Gleichrichter für niedrigere Spannungen, die einen höheren Gasdruck haben. Manchmal, z. B. bei der Ver-
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anzusehen ; es kann aber auch die Unregelmässigkeit, mit der die Zündung vor sich geht, störend sein, so dass man, um diese zu vermeiden, besser die Spannung über eine Reihe von Gleichrichtern verteilt.
Dabei vermeidet man zugleich die Gefahr des Auftretens von Rüekzündungen. Nötigenfalls kann durch Parallelschaltung von Impedanzen die richtige Verteilung der Spannung über die einzelnen Röhren bewirkt werden. Eine solche Reihenschaltung von Gleichrichtern bedingt allerdings einen grösseren Raum als eine einzelne Röhre und hat den Nachteil, dass jede Röhre ihre eigene Halterungsvorrichtung sowie ihre eigene Elektronenerzeugung (Glühstromtransformator) erfordert.
Die Erfindung ermöglicht nun die Herstellung eines Bogenentladungsventils für höhere Spannungen, als bisher möglich war, so dass in Fällen, wo früher zwei oder mehrere Entladungsgefässe vonnöten waren, eine einzige Röhre benutzt werden kann. Man hat bereits vorgeschlagen, in einem Entladungskanal einer gasgefüllten Glühkathodenröhre, der eine Kathodenkammer mit einer Anodenkammer verbindet, zwei oder mehrere die Entladungsbahn umgeber de leitende Körper in axialer Richtung hintereinander anzuordnen, die durch isolierende Teile, gegebenenfalls Wandteile, miteinander verbunden sind.
Um eine solche Entladungsröhre zum Gebrauch als Hochspannungsgleichrichter für Spannungen in der Grössenordnung von mehr als 10 kV geeignet zu machen, sind gemäss der Erfindung die leitenden Teile mit Bezug aufeinander derart angeordnet, dass die leitenden Teile die Entladungsbahn und die isolierenden Teile elektrostatisch gegeneinander abschirmen. Diese leitenden Körper unterteilen den Abstand zwischen den Elektroden, so dass eine Reihe von freien Strecken gebildet wird, die so kurz sind, dass sie von der zwischen ihnen liegenden Spannung in der Sperrphase nicht durchschlagen werden können. Den inneren Durchmesser hält man so gering, wie es mit Rücksicht auf die Stromdichte zulässig ist. Der Durchmesser der Elektrodenkammer ist grösser als der des Entladungskanals zu wählen.
Diese Metallkörper sind durch isolierende Teile, eventuell Wandteile, miteinander verbunden, welche gegenüber der Entladungsbahn so weit zurückgestellt sind, dass ihr betriebsmässig sich einstellendes Potential nicht wesentlich in die Entladungsbahn eingreift. Dadurch wird erreicht, dass die Zündung erheblich erleichtert wird. Die Zündungsschwierigkeit bei bis jetzt bekanntgewordenen Konstruktionen ist wahrscheinlich auf den Einfluss der elektrischen Ladungen der isolierenden Wandteile zurückzuführen, die sich bei den niedrigen, für die hohen Spannungen in Frage kommenden Gasdrücken leicht bilden, die das in die Entladungsbahn eingreifende elektrische Feld derart verzerren, dass die Zündung erst bei einer sehr hohen Spannung und unregelmässig einsetzen kann.
Bei der Röhre nach der Erfindung ist aber die Entladungsbahn dem Einfluss dieser Wandladungen entzogen, wodurch ihre die Zündung verzögernde Wirkung beseitigt wird.
Diese Anordnung erfordert eine geringe Entfernung der leitenden Körper voneinander. Auch mit Rücksicht auf die hohe zwischen den Metallkörpern liegende Spannung muss diese Entfernung gering sein, u. zw. um so geringer, je höher die Spannung ist, damit sie nicht durchschlagen wird. Dagegen
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bedingt aber anderseits eine höhere Spannung eine grössere Isolierlänge der Verbindungsteile. Diese einander entgegengesetzten Bedingungen machten es bisher unmöglich, eine bestimmte Spannung zu überschreiten.
Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, werden die kleinsten Abstände der Metallkörper voneiniander wesentlich geringer gehalten als jeweils die Länge der isolierenden Verbindungsteile. Dies kann dadurch erreicht werden, dass diese Teile ausgebuchtet, gegebenenfalls gewellt sind oder dass die iso- lierenden Verbindungsteile über die Enden der leitenden Körper hinausreiehen. Sie können sieh bei dieser
Ausführung ineinander fortsetzen. Die Abmessungen der Röhre werden dadurch geringer, als wenn man die bekannten Ventile entsprechend der höheren Spannung verlängern würde.
Durch diese die Überschlagssicherheit erhöhende Massnahme wird scheinbar die Möglichkeit von
Rückzündungen längs gebogener, zum Hervorrufen einer Ionisation genügend langer Verbindungslinien in dem Raum gegeben, der von dem Verbindungsteil oder von diesem und den leitenden Körpern ein- geschlossen ist. Es hat sich aber ergeben, dass diese Durchschläge vermieden werden, wenn nur dieser eingeschlossene Raum genügend eng gehalten wird. Eine mögliche Erklärung dafür wird weiter unten an Hand der Zeichnung gegeben.
Die Gasfüllung der Röhre kann aus einem für solche Röhren gebräuchlichen Gase, wie Argon,
Neon u. dgl., oder einem Gemisch derselben bestehen. Unter"Gasfüllung"ist aber in dieser Beziehung auch eine Menge eines oder mehrerer ionisierbaren Dämpfe oder ein Gemisch eines oder mehrerer solcher
Dämpfe mit einem oder mehreren Gasen zu verstehen. Bei Benutzung von Dämpfen kann der Druck in der Röhre durch das Vorhandensein eines Vorrates verdampfbaren Materials, z. B. Quecksilber, Natrium,
Magnesium usw., leicht aufrechterhalten werden, so dass man besonderer Vorkehrungen zum Regene- rieren, wenn zu viel Gas absorbiert worden ist, entbehren kann. Einige solcher Stoffe, z. B. Magnesium, müssen, um einen genügend hohen Druck zu erzeugen, durch besondere Mittel angewärmt werden, wozu unter Umständen die Glühkathode dienen kann.
Andere Stoffe haben schon bei Zimmertemperatur einen genügenden Dampfdruck und verdienen daher den Vorzug. Besonders eignet sich Quecksilber, womit die Röhre nach der Erfindung bei einer Temperatur, die einen Dampfdruck von 0'001 bis 0'01mm hervorruft, gut funktioniert.
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entsteht, wenn man die Wand des Entladungskanals in an sich bekannter Weise aus Metallringen herstellt, die mit dazwischen eingeschmolzenen Glasstreeken abwechseln, während jeder von diesen Metallringen einen leitenden Körper umgibt und abstützt, wobei sich die leitenden Körper über einen grösseren Abstand in der Längsrichtung der Röhre erstrecken als die sie umgebenden Metallringe, so dass die Glasstrecken der Wandung ihrerseits länger sind als die Abstände der aufeinander folgenden leitenden
Körper.
Die Metallringe können mit dem von ihnen umgebenen leitenden Körper aus einem Metallstück hergestellt werden. Die Herstellung aus einem Stück hat aber einen Nachteil. Bei der Anschmelzung wird der Schmelzrand des Metalles bis zum Glühen erhitzt. Das Metall bedeckt sich dadurch unter Umständen mit einer Oxydhaut, die sich über den ganzen Körper in höherem oder geringerem Masse erstreckt.
Beim Betriebe zerstäuben allmählich Teilchen dieser Schicht und bilden einen Niederschlag auf den Glasteilen der Wand, die dadurch ihre Isolierfähigkeit verlieren. Führt man die Metallringe als Einzelteile für sich aus, in die die leitenden Körper nach erfolgter Anschmelzung eingesetzt werden, so verhütet man die Bildung eines solchen Niederschlages.
Es kann noch ein zweiter Grund zu dieser getrennten Ausführung bestehen. Wird Quecksilber als den Dampf liefernden Stoff benutzt, so ist es unerwünscht, dass sich Tröpfchen dieser Flüssigkeit an den leitenden Körpern sammeln, weil sie Rückzündungen veranlassen können. Man wählt darum in diesem Falle für die Körper ein Material, das nicht von Quecksilber benetzt wird, beispielsweise Kohlenstoff oder Zirkonium, oder man versieht sie mit einem Überzug aus einem solchen Material.
Metallringe und lose eingesetzte Büchsen aus Kohlenstoff sind eine vorzügliche Kombination.
Zum Aufrechterhalten der richtigen Spannungsverteilung können die leitenden Körper durch Impedanzen, vorzugsweise Kondensatoren, ausserhalb der Röhre miteinander verbunden werden. Diese Impedanzen können aber ganz oder teilweise durch die gegenseitige Kapazität der Körper ersetzt werden. Um zu diesem Zweck die Kapazität zu vergrössern, können die leitenden Körper derart ausgebildet und angeordnet werden, dass sie einander, gegebenenfalls zwei oder mehrfach, überlappen.
Es hat sich ergeben, dass, wenn der innere Durchmesser der leitenden Körper sieh über ihre Länge ändert, die Zündung in dem richtigen Sinne leichter erfolgt, wenn die engste Seite der Anodenkammer zugewendet ist.
Die Erfindung soll nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine Entladungsröhre nach der Erfindung und Fig. 2 stellt einen Teil dieser Röhre im Schnitt dar. Die Fig. 3,4 und 5 zeigen andere Ausführungsformen von Röhren. Die Fig. 6 und 7
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Elektroden der in Fig. 1 gekennzeichneten Röhre. Die Fig. 9,10 und 11 sind Teile von Ausführungsbeispielen, wobei die leitenden Körper einander überlappen.
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In Fig. 1 ist die Kathodenkammer 1 und die Anodenkammer mit. 2 bezeichnet. Diese Elektrodenkammern, deren Wand aus Glas besteht, sind durch einen Kanal miteinander verbunden, in dem in axialer Richtung hintereinander vier Metallkörpers angeordnet sind. In der Kathodenkammer ist eine in Fig. 8 in grösserem Massstab dargestellte Glühkathode 4 angeordnet. Sie besteht aus einem schraubenlinig gewundenen Kerndraht 5 aus hoehsehmelzendem Material mit verhältnismässig hohem elektrischem Widerstand, wie z. B. Wolfram, und einem auf diesem Kerndraht schraubenartig aufgewickelten Hilfsdraht 6, z. B. aus Nickel. Die Oberfläche 7 dieses Hilfsdrahtes ist mit einem Elektronen leicht emittierenden Stoff, beispielsweise Bariumoxyd, bedeckt.
Die Stromzuführungsdrähte 8 und 9, an deren Enden der Kerndraht 5 befestigt ist, sind zum Schutze gegen das Auftreten von Ionen von Isolier- röhrehen 10 und 11 aus hitzebeständigem Material, wie Tonerde, umgeben, die in den Quetschfuss 12 eingesetzt sind. Die Zuführungsdrähte sind, wie gebräuchlich, luftdicht in diesem Fuss eingesehmolzen und setzen sich ausserhalb der Glaswandung fort. Auf ähnliche Weise ist der Zuführungsdraht 1. 3 der Anode 14 in einen Quetschfuss 15 luftdicht durch die Wand geführt.
Die Anode besteht zweckmässig ans Kohlenstoff oder einem andern wenig zerstäubenden Material oder besitzt einen Überzug aus einem solchen Material. Der Zuführungsdraht kann gleichfalls von einem Schutxröhrchen 16 umgeben sein, das zur Halterung der Anode dient.
Durch die Metallkörper 3, die in Form von Büchsen ausgebildet sind. wird eine Unterteilung des beim Betriebe zwischen den Elektroden 4 und 14 auftretenden Spannungsgefälles über die Entladungsbahn bewirkt.
Die Metallkörper. 3 werden von gläsernen Verbindungsteilen 17, die die Wand des Entladungkanals bilden, in Abstand voneinander gehalten. Die Verbindung erfolgt durch Metallringe 18, welche die Körper 3 umgeben und bei dem in Fig.-) dargestellten Beispiel mit diesen ein einheitliches Metall- stück bilden. Die gläsernen Verbindungsteile 17 sind mit den Rändern der Metallringe 18 luftdicht verschmolzen. Eine zu diesem Zwecke für die Metallringe, geeignete Legierung ist das Chromeisen, dessen Fähigkeit, an Glas angeschmolzen werden zu können, bekannt ist.
Die Röhre ist hochevakuiert und enthält einen Quecksilbertropfen19. Es füllt sich also der Ent- adungsraum mit Quecksilberdampf von einem Druck, der durch die Temperatur der kältesten Stelle bestimmt wird und der bei Zimmertemperatur hinreicht, um die Zündung vor sieh gehen zu lassen.
Infolge des Zurücktreten der Verbindungsteile 17 gegenüber der Entladungsbahn kann das von
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den leitenden Körpern 3 eingreifen.
Ein wichtiger Unterschied der Röhre nach Fig. 1 im Vergleich mit früher vorgeschlagenen Ausführungsformen, wobei das Spannungsgefälle zwischen den Elektroden längs der Wand von eingeschmolzenen oder an der Wand anliegenden Metallstreeken unterteilt wird, ist ferner, dass die Isolierlänge der gläsernen Verbindungsteile erheblich länger ist als der Abstand a zwischen den Metallkörpern.
Dadurch wird die Bedingung einer kleinen Entfernung der Spannung führenden Teile im Entladungsraum und einer genügend grossen Isolierlänge besser erfüllt.
An sich genügt ein kurzer Abstand der Spannung führenden Teile nicht, da die Durchschläge bekanntlich oft auf einem "Umweg" zustande kommen, wenn der kürzeste Abstand dazu nicht ausreicht.
Trotzdem solche'"Umwege" in dem von der Glaswandung 17 und der Metallbuchsen. 3 gebildeten Raum denkbar wären, treten Rüekziindungen in der beschriebenen Röhre nicht auf, wenn auch die Spannung dazu scheinbar genügt, wenn nur die Breite dieses Raumes genügend klein gehalten wird.
Das gleiche gilt für die Ausführung nach Fig. 3. Dabei treten die Metallringe 20, welche die Metallkörper 3 stützen, nicht an die äussere Oberfläche, sondern sind ganz schmal und vom Glas überzogen. Die gläsernen Verbindungsteile setzen sieh hier ineinander fort.
In Fig. 4 ist eine von den beschriebenen Ausführungsbeispielen insofern abweichende Ausführung dargestellt, als dabei die gläsernen Verbindungsteile 22 nicht über die Ränder der Metallkörper 21 herausragen, sondern seitlich ausgebuehtet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 besitzen diese Verbindungsteile ausserdem eine Einstülpung 2. 3, die die Isolierung verbessert ; die Ausführungsform ist für die höchsten Spannungen zu empfehlen.
Auch bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5, die allerdings gegenüber den Ausführungen gemäss Fig. 2 und 3 den Nachteil eines grösseren Raumbedarfes haben, wird durch genügendes Enghalten des von den gläsernen Verbindungsteilen eingeschlossenen Raumes ein Durchschlag über einen "Umweg" zwischen den benachbarten Metallkörpern vermieden.
Dass das Enghalten des von dem isolierenden Verbindungsteil bzw. des von diesem zusammen mit den Metallkörpern eingeschlossenen Raumes günstig wirkt, um die Rückzündung zu verhindern, dürfte durch den Kraftlinienverlauf zu erklären sein. Wenn auch die Elektronen bei der Gasionisation nicht den Kraftlinien folgen, so werden die Bahnen der Elektronen von diesen doch mehr oder weniger beeinflusst.
In den Fig. 2,3 und 4 sind einige Kraftlinien eingezeichnet In Fig. 2 und 3 ist die mittlere der drei gestrichelt angegebenen Linien ungefähr die längste, welche noch innerhalb der Röhre frei im Dampf-bzw. Gasraum verläuft. Angenommen, dass ein Elektron dieser Kraftlinie folgt, ohne ionisieren
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zu können, so werden ebensowenig andere Elektronen eine Stossionisation verursachen, da jede andere Kraftlinie eine kürzere Strecke im Entladungsraum hat. Längere Kraftlinien durchsetzen die Glaswandung.
Auf ähnliche Weise ist in Fig. 3 der Kraftlinienverlauf angegeben, wobei es sich zeigt, dass durch eine sattelartige Einschnürung der Glaswand die Kraftlinienlänge im Röhreninnern noch weiter herabgesetzt werden kann.
Bei der Röhre nach Fig. 4 verlaufen die Kraftlinien hauptsächlich quer durch den Raum zwischen den Seitenbegrenzungen der gläsernen Verbindungsteile. Massgebend ist hier die Abmessung des Raumes in der Längsrichtung der Röhre.
Mit M sind in Fig. 1 Kondensatoren angedeutet, die man, um die richtige Spannungsverteilung zu sichern, parallel zu den verschiedenen Strecken der Entladungsbahn schalten kann. Man kann auch die gegenseitige Kapazität der leitenden Zwischenstücke vergrössern, wie dies z. B. in Fig. 9 und 10 dargestellt ist. Bei diesen Ausführungen überlappen sieh die Teile 32 bzw. 8.), was nicht nur die Kapazität
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seitig statt ; sie lässt sieh aber auch noch weiter durchführen.
Die Röhre wird am besten in lotrechter Aufstellung betrieben ; vorzugsweise ist dabei die Kathode unten. Es entsteht dann ein aufsteigender Luftstrom, der längs der Röhrenwand streicht und diese kühlt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist in dem Steg zwischen der Büchse. 3 und dem Ring eine Öffnung 24 angebracht, die dazu dient, um dem etwa in den Zwischenräumen kondensierenden
Quecksilber Gelegenheit zu geben, in die Kathodenkammer zu fliessen.
Falls in einer Röhre nach Fig. 1 die Ringe und Büchsen getrennte Teile bilden, können sie auf beliebige Weise miteinander mechanisch verbunden sein, z. B. mit Schraubendraht, Bajonettverschluss, durch genaues Einpassen usw.
Eine vorteilhafte Befestigungsweise ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Dabei liegt ein auswärtsfedernder Ring 25, der in Fig. 7 allein abgebildet ist, teilweise in einer aussenseitig rings um den leitenden Körper 3 herumlaufenden Nut 26 und teilweise in einer entsprechenden Aussparung eines innerhalb des Ringes 18 liegenden Flansches 27. Dieser ist, um die Teile bequem verbinden zu können, mit einer axial verlaufenden Aussparung 28 versehen, worin das eine Ende 29 des federnden Ringes liegt, das axial und auswärts abgebogen ist. Das andere Ende 30 ist in tangentialer Richtung unverschiebbar an dem leitenden Körper 3 gehalten, zweckmässig dadurch, dass es einwärts gebogen und in eine kleine Ausbohrung im Boden der Nuten eingesteckt ist.
Man kann nun den leitenden Körper mit einem eingesteckten Werkzeug fassen und ihn in den Metallring hineinschieben, wobei darauf geachtet werden muss, dass das axial umgebogene Ende 29 der Ringfeder 25 vorne ist und in die axiale Aussparung 28 des Metallringes hineingeschoben wird. Sodann dreht man den leitenden Körper 3 um seine Achse in der Richtung des andern Endes der Feder (Pfeilrichtung in Fig. 7). Diese wird dadurch gespannt und springt in die Nut hinein, so dass sie nicht mehr über den Rand des Metallringes vorsteht und der Körper.'} in den Ring hineingeschoben werden kann. Dann lässt man den Körper zurückdrehen und schiebt ihn so weit hinein, bis die Feder in die ringförmige Aussparung des Metallringes einschnappt und dadurch der Körper befestigt ist.
Wie günstig sich die Röhren nach der Erfindung hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und Abmessungen gestalten, soll durch ein zahlenmässiges Beispiel illustriert werden :
Eine Röhre, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und die zum Gleichrichten von Wechselstrom von einer Stärke der Grössenordnung von 1000 mA und einer Spannung in den unwirksamen Halbperioden bis 125 7c V geeignet ist, braucht eine Gesamtlänge l von 350 trim nichet zu überschreiten. Der Abstand der Metallkörper 3 beträgt z.
B. 8 m1i ! und der Durchmesser der Verbindungsteile ist 30 tKm ; der innere Durchmesser der Büchsen 3 kann ungefähr gleich dem Abstand a und die Isolierlänge der Verbindungteile 17 ungefähr so gross wie der Durchmesser dieser Teile angenommen werden.
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des geringen und von der Belastung wenig abhängigen Spannungsabfalles, der nur ungefähr 40 V beträgt.
Natürlich können Röhren nach der Erfindung auch auf andern Anwendungsgebieten gute Dienste leisten, z. B. in der Radiotelegraphie und für Kraftübertragung.
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einander eingreifende Trichter ausgebildet sind, an deren Ränder die Glaswand.) 7 angeschmolzen ist.
Es hat sich, wie bereits erwähnt, gezeigt, dass die Durchschlagsfestigkeit der Röhre in der Sperrphase grösser ist, wenn das engste Ende der leitenden Körper der Anode zugewendet ist. Auch ist der Spannungsabfall dabei geringer als bei umgekehrter Anordnung. Dasselbe ist der Fall, wenn bei einer Ausführung, bei der die Zwischenkörper einander nicht überlappen, der innere Durchmesser auf der einen Seite, wie in Fig. 6 angegeben, kleiner ist als auf der andern Seite.
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