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Vakmunentladprohre.
An Vakuumentladeröhren mit verdünnter Gas-oder Dampffüllung kann beobachtet werden, dass mit von kleinen Werten wachsender Stromstärke der Spannungsabfall über die Röhre zuerst abnimmt, um dann bei sehr hohen Stromstärken wiederum anzusteigen. Dieser Anstieg ist besonders ausgeprägt und liegt bei noch zulässigen Stromstärken, wenn die Anode in eine Kammer eingeschlossen wird, welche nur durch eine kleine blendenförmige Öffnung mit dem übrigen Innenraum des Entladungsgefässes in Verbindung steht. Je kleiner der Inhalt dieser Kammer ist, und je enger die kommunizierende Öffnung zwischen Kammer und übrigem Inhalt der Röhre gewählt wird, umso steiler ist der Anstieg der Stromspannungscharakteristik oberhalb einer gewissen Strombelastung, und umso kleiner ist die Stromstärke, von der an die Charakteristik wieder ansteigt.
In der Fig. 1 ist das Stromspannungsdiagramm einer solchen Gasentladungsröhre dargestellt.
Die genauere Untersuchung ergibt, dass, wenn man die Stromspannungscharakteristik weiter verfolgt bis zu der Stelle, an der sie anzusteigen beginnt, man einen Ast erreicht, der senkrecht aufsteigt. Dies bedeutet, dass der Strom J Sättigung erreicht. Die Sättigungsstromstärke ist abhängig vom Gasdruck im Innern der Röhre.
In Fig. 2 ist eine Röhre der erwähnten Art dargestellt. A ist die Anode, B die Blende, welche die Anode umgibt, und die vorzugsweise aus leitendem Material besteht. Die Kathode K kann eine Quecksilberkathode oder eine Glühkathode sein. Im Fall der Quecksilberkathode muss, um den Erregerlichtbogen nach der Kathode K hin aufrecht zu erhalten, eine Erregeranode E angebracht sein. Bei genügend hoher Stromentnahme aus der Kathode wird jedoch die Erregeranode überflüssig.
Die Sättigungsstromstärke für den von der Kathode zur Anode übergehenden Strom kommt in folgender Weise zustande : In der Blendenöffnung bildet sich eine sogenannte Striktionskathode, welche alle von der Kathode ausgehenden Elektronen passieren müssen. An ihrer Stelle besteht eine feste Beziehung zwischen dem Elektronenstrom, der von der Kathode nach der Anode geht, und dem positiven Ionenstrom, welcher in umgekehrter Richtung von der Anode nach der Kathode geht, u. zw. muss das Verhältnis des Elektronenstromes zum lonenstrom J'mp sein, wobei mp die Masse der positiven Ionen, me die Masse der P V me Elektronen ist. Für Quecksilberdampf ergibt sich hiefür ein Wert von 605, d. h. der Elektronenstrom, der von der Kathode nach der Anode geht, ist 605 mal grösser als der entgegengesetzt gerichtete Ionenstrom.
Da die durch B gebildete Kammer die Anode dicht abschliesst von dem übrigen Teil des Vakuumgefässes, so müssen notwendigerweise die durch den positiven Ionenstrom Jp durch die Blendenöffnung aus der Kammer in den Entladungsraum 0 austretenden positiven Ionen in irgendeiner Weise nachgeliefert werden. Dies geschieht dadurch, dass neutrale Queeksilberatome aus der Entladungsröhre durch die Blendenöffnung in das Innere der Kammer hineindiffundieren. Diese Diffusion hat ihre Ursache in der Temperaturbewegung der Queeksilberatome. Bekanntlich ist die Zahl der neutralen Gasteilchen, welche bei niedrigem Gasdruck durch eine Blendenöffnung hindurchdiffundieren, nur abhängig von der Zahl der Teilchen in der Volumeneinheit und der Temperatur, d. h. der Intensität der Bewegung dieser Teilchen.
Solange die Gasdichte, insbesondere die Queeksilberdampfdichte und die Temperatur des
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Verwendung finden.
Zur Steuerung des Elektronenstrahles können auch im Innern der Kammer B Elektroden D zur Erzeugung eines Querfeldes angeordnet werden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.
Um eine Modulation mit Hilfe des gesteuerten Elektronenstromes zu erzielen, wird zweckmässig die Anode in zwei Teile geteilt A1 und 212 (Fig. 4), welche dann je nach der angelegten Spannung an den Hilfselektroden D den ganzen, einen Teil oder gar nichts von dem Elektronenstrom aufnehmen.
Fig. 4 zeigt gleichzeitig, wie ein solches Entladungsgefäss in der bei Elektronenröhren üblichen Weise als Gegentaktverstärker verwendet werden kann. Werden den Hilfselektroden D über die Eingangsleitung E Steuerspannungen zugeführt, so können diese verstärkt am Ausgang A wieder abgenommen werden.
Verbindet man die Eingangs-und Ausgangsleitungen bei entsprechender Polung miteinander, so wirkt das Entladungsgefäss als Gegentaktgenerator, dessen Schwingungsfrequenz in der in der Funktechnik üblichen Weise durch Ausbildung des Eingangs oder Ausgangs als Resonanzkreis in weiten Grenzen geändert werden kann.
Eine weitere Anwendung des beschriebenen Entladungsgefässes besteht darin, dass es zur Strombegrenzung benutzt wird. So lange der Gasdruck einen bestimmten Wert innehält, kann-wie dies in der Kennlinie von Fig. 1 zum Ausdruck kommt-die Stromstärke nicht über den im Punkt B vorhandenen Wert ansteigen. Die Röhre kann also als Vorschaltwiderstand vor Apparaturen verwendet werden, welche beispielsweise unabhängig von der speisenden Spannung stets mit einer ganz bestimmten Stromstärke betrieben werden sollen. Für diesen Zweck sind Glühkathodenröl1ren bekannt geworden.
Im Gegensatz zu diesen ermöglicht aber die Erfindung, mit einfachen Mitteln und geringem Leistungsaufwand erhebliche Stromstärken in dieser Weise konstant zu halten. Als Kathode K für die Entladung zur Bildung der eigentlichen Plasmakathode in. der Öffnung F der Blende B kann in üblicher Weise eine Glühkathode oder aber eine Quecksilberkathode gegebenenfalls zusammen mit der Erregeranode B verwendet werden. Bei Verwendung einer Quecksilberkathode ist es wünschenswert, den Quecksilberdampfdrue. k in der Nähe der Blendenöffnung konstant zu halten, was beispielsweise durch Einbau der Röhre in einen Thermostaten geschehen kann.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Röhre mit einem Edelgas von so hohem Druck zu füllen, dass der Quecksilberdampfdruck im Vergleich dazu keine Rolle mehr spielt. Je höher der Gasdruck gewählt wird, umso kleiner muss bei vorgegebener Sättigungsstromstärke die Blendenöffnung gemacht werden.
Eine weitere Anwendung der Anordnung bietet sich in den Fällen, wo Gasentladungslampen im Anschluss an ein Netz ohne Vorschaltwiderstand oder Vorschaltdrosseln betrieben werden sollen. Durch den Fortfall der Vorschaltwiderstände und Drosseln lässt sich die sonst erforderliche Verlust-oder Blindleistung ersparen und dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen. Diese Röhren sind besonders vorteilhaft in der Beleuchtungstechnik anzuwenden, da sie die Ausbildung von sehr einfachen und leicht zu handhabenden Leuchtröhren, die unmittelbar an das Netz angeschlossen werden können, ermöglichen.
Soll in dieser Weise irgendeine Vorse. haltimpedanz in Serie mit dem elektrischen Entladegefäss vermieden und letzteres direkt an das Netz angeschlossen werden, so genügt es auch nicht, dass der Spannungsabfall zwischen der Blende und der Anode mit wachsender Stromstärke wächst. Es ist vielmehr nötig.
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dass dieser Spannungsabfall so stark wächst, dass er gegenüber den mit wachsender Stromstärke weiter- hin abnehmenden Teilspannungsabfällen der Gasentladung so stark wächst, dass der gesamte Spannung- abfall zwischen Anode und Kathode mit wachsender Stromstärke zunimmt.
Die Erfindung ist also von besonderer Bedeutung für diejenigen elektrischen Entladegefässe, 'welche als Verbraucher, insbesondere als selbständige Verbraucher von elektrischer Energie verwendet werden. Als selbständige Verbraucher elektrischer Energie kommen hauptsächlich Gasentladungsstrecken in Betracht, die zur Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen, z. B. Wärme, Licht oder irgendwelche weitere Strahlungsarten benutzt werden.
Damit die den Querschnitt der Entladung einengende Blende od. dgl. einen mit der Stromstärke wachsenden Spannungsabfall zur Folge hat, ist es vorteilhaft, dass ihre Entfernung bis zur aktiven Anoden- oberfläche innerhalb gewisser Grenzen bleibt. Ist diese Entfernung nämlich zu gross, so bildet sieh aller- dings in der Blendenöffnung eine Striktionskathode, welche von der Blendenöffnung ins Innere des an die aktive Anodenoberfläche angrenzenden Raumes eine langsame Kathodenstrahlung zur Folge hat.
Solange aber die kinetische Energie dieser Elektronenstrahlung bei Zusammenstössen mit den zwischen
Blende und Anode vorhandenen Gasteilchen zur Bildung neuer lonenpaare voll ausgenutzt werden kann, besteht keine Veranlassung, dass mit wachsender Stromstärke der Spannungsabfall in dem Raumteil zwischen Blende und Anode infolge der Blende zunimmt.
Erst dann, wenn die von der Blende ausgehende langsame Kathodenstrahlung auf die Anodenoberfläche auftrifft, bevor sie in der Lage war, ihre kinetische
Energie für die Bildung neuer lonenpaare voll nutzbar zu machen, also erst dann, wenn die verminderte
Zahl der Zusammenstösse der von der Blende ausgehenden weichen Kathodenstrahlung mit Gasteilchen anfängt, die Ausnutzung der kinetischen Energie dieser Strahlung zu limitieren, beginnt der Spannung- abfall zwischen Blende und Anode mit wachsender Stromstärke zu steigen. Es ist also vorteilhaft, dass der Weg der Elektronenstrahlung von der Blende od. dgl. bis zur aktiven Anodenoberfläche nicht zu gross sei und, wie Versuche zeigen, höchstens einige mittlere freie Elektronenweglängen in den Gas oder
Dampf betrage.
Eine weitere Behinderung der Rückdiffusion neutraler Gas-oder Dampfteilchen lässt sich dadurch erzielen, dass die Entladung von der Blende od. dgl. bis zur Anodenoberfläche in einem Kanal verläuft, dessen Durchmesser mit dem Durchmesser der Blende vergleichbar ist, und der in der Nähe der Anoden- oberfläche endet. Die rückdiffundierenden Teilchen sind bei dieser Anordnung gezwungen, über mehrere
Weglängen sich im Innern eines Kanals zu bewegen, dessen Durchmesser ebenfalls mit der Weglänge vergleichbar ist. Aus den Gesetzen der kinetischen Gastheorie ist bekannt, dass ein derartiger Kanal die freie Bewegung der Teilchen umsomehr behindert, je länger er ist.
Die durch den bis zur Anodenober- fläche sich erstreckenden Kanal verlängerte Blendenöffnung wirkt aber auch deswegen im Sinne vorliegender Erfindung besonders günstig, weil die von der Blendenöffnung in Richtung nach der Anode verlaufende weiche Elektronenstrahlung einen relativ engen Raum vorfindet für Zusammenstösse mit neutralen Gasteilchen zur Bildung neuer Ionenpaare.
Statt einer Blende F können im Boden des Blendenkörpers B auch eine Mehrzahl von Blenden- öffnungen beispielsweise schachbrett-oder bienenwabenartig angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, der Boden des Blendenträgers B aus einem von Kanälen durch-
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mit einer Entladung derselben Art gleichzeitig bestehen kann.
Da an der Blende selbst infolge der hohen Stromdichte eine beträchtliche Erwärmung möglich ist, kann es nötig sein, die den Querschnitt einengende Blende od. dgl. aus einem hochschmelzenden Material herzustellen.
Im allgemeinen wird es schwierig sein, ohne besondere Erregeranode die Entladung von der Anode A nach der Kathode K zum Zünden zu bringen, indem durch die Blendenöffnung F eine erhebliche Vergrösserung des Funkenpotentials eintritt. Es empfiehlt sich deswegen, die den Querschnitt der Entladung einengende Blende B od. dgl. aus einem Leiter vorzusehen, der dann, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, durch eine besondere Stromzuführung H über einen Widerstand J mit dem Anodenpotential verbunden werden kann. Sobald die Anode positive Spannungswerte annimmt, zündet zunächst eine Entladung zwischen dem Blendenkörper B und der Kathode.
Durch diese Entladung werden in genügender Menge Elektronen in die Nähe der Blendenöffnung F gebracht, so dass die Spannung der Anode dann ausreicht, um die Hauptentladung nach der Anode einzuleiten, die, wenn sie einmal besteht, weiter existiert, auch dann, wenn die Stromzuleitung nach der Blende. B unterbrochen würde. Der Widerstand J kann also relativ hoch sein, so dass, nachdem einmal die Anode A die Stromleitung übernommen hat, ein verhältnismässig nur kleiner Strom oder Nebenstrom über den Blendenträger B, den Stromleiter H und den Widerstand J fliesst. Der Widerstand J könnte natürlich auch ganz im Innern des Entladegefässes untergebracht sein, so dass eine besondere Stromausführung H sich erübrigt. Eine Sonderausführung dieses Gedankens stellt Fig. 6 dar.
Bei ihr liegt der Blendenkörper B, der mit einer Mehrzahl von Blendenöffnungen F versehen ist, vermöge eines Zwischenstückes L aus schlecht leitendem Material
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direkt auf der Anode A auf und die Blendenöffnungen F sind im Sinne der oben gemachten Erwägungen durch Kanäle M bis in die Nähe der aktiven Anodenoberfläche zur Behinderung der Rückdiffusion neu- traler Gas-oder Dampfteilchen verlängert. Dieses Zwischenstück L dient zugleich zur Abstützung des aus Metall angefertigten Blendenkörpers B. Es ist auch denkbar, dass der Blendenkörper B aus ganz schlecht leitendem Material besteht und selbst auf der Anode oder ihrem stromzuführenden Leiter auf- liegt.
Wird das elektrische Entladegefäss statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom betrieben, so soll im
Sinne vorliegender Erfindung mindestens in der Nähe des Stromscheitelwertes in dem an die aktive
Anodenoberfläche angrenzenden Raumteil ein mit wachsender Stromstärke zunehmender Spannung- abfall bestehen. Der Stromverlauf bei Wechselstrom wird dann der sein, dass nach Übersehreiten des zur Einleitung grösserer Stromstärken erforderlichen Spannungsabfalles die Stromstärke sofort auf einen
Betrag anwächst, der dem positiven Aste der Stromspannungscharakteristik entspricht, und dass, wenn dieser Ast verhältnismässig steil ansteigt, eine nur noch unwesentliche Zunahme der Betriebsstromstärke erfolgt, so dass das Liniendiagramm der Stromstärke angenähert Rechteckform hat.
Das Wesen vorliegender Erfindung ist hauptsächlich darin zu erblicken, dass es gelingt, mit relativ einfachen Einbauten in der Nähe der Anode den Spannungsabfall des Rohres derart zu beeinflussen, dass er im ganzen oder zumindest in einem Teilgebiete der Stromstärke mit letzterer wächst, so dass Vor- schaltimpedanzen, welche eine Komplikation und Verteuerung der Anlage darstellen, und welche zusätz- liche Verluste oder einen schlechten Leistungsfaktor zur Folge haben, vermieden werden können. Falls das elektrische Entladegefäss zur Erzeugung von Licht dient, ist denkbar, dass die in der Nähe der Anoden- oberfläche eingebaute Blende gleichzeitig dazu benutzt wird, die Helligkeit der Entladung oder eine an- genäherte punktförmige Lichtquelle hoher Intensität zu erzeugen.
Um greifbare Unterlagen für die Bemessung der Röhre bzw. der Blendenöffnung zu erhalten, können folgende Betrachtungen dienen :
Wie bereits eingangs erwähnt wurde, verhalten sich der nach der Anode fliessende Elektronen- strom und der den Anodenraum verlassende positive Ionenstrom zueinander wie die Wurzeln aus den
Massen der positiven Ionen und der Elektronen, d. h. also
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Die Anzahl positiver Teilchen, die pro Zeiteinheit diese Querschnittsfläche F verlässt, ist daher
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MM und tup sind die Masse des Elektron bzw. des positiven Ions. e = 1'59. 10-19coulomb ist die Elementarladung. Für Quecksilber ist
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Für eine Entladung im Queeksilberdampf erhält man demnach
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Im Innern der Kammer B entsteht durch den ständigen Abfluss von positiven Ionen ein viel höheres Vakuum als ausserhalb im Raum B.
Nimmt man an, dass der Gasdruck sehr niedrig ist, z. B. 0'03 mm Quecksilbersäule, und die freie Weglänge der Gasteilchen vergleichbar ist mit dem Durchmesser der Öffnung F, so lässt sich diese Druckdifferenz in einfacher Weise berechnen ; sie muss nämlich so gross sein, dass die Differenz der Anzahl Teilchen, die von aussen in die Kammer eintreten, und der Anzahl,
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Querschnittsfläche F in der Zeiteinheit eine Anzahl Teilchen
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p ist dabei der Gasdruck in mm Quecksilbersäule und T die absolute Temperatur, ji das Molekulargewicht des Gases.
Für den Überschuss an Teilchen, die mehr hinein als aus der Anodenkammer herausströmen, ergibt sich infolge davon
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Darin bedeuten pz und T2 den Druck und die Temperatur ausserhalb, pi und Ti die entsprechenden Grössen innerhalb der Kammer. Für Quecksilberdampf ist it = 200 angenommen. Nimmt man an, es sei Ti=Ti 625 abs., so ergibt sich, falls man setzt
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Anodenkammer. Diese Erniedrigung des Druckes ist bereits derart beträchtlich, dass die durch die Querschnittsöffnung F ins Innere der Anodenkammer eindringenden Elektronen nicht mehr in genügender
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Ionen ein. Es entstehen eine negative Raumladung und ein erhöhter Spannungsabfall.
Aus den vorstehenden einfachen physikalischen Gesetzmässigkeiten ergibt sich für jede Stromstärke und gewünschte Druckdifferenz die Grossenordnung der Quersehnittsoffnung. Die genaue Ermittlung ist Sache des Versuchs. Bei einer praktisch ausgeführten Röhre betrug bei einer Temperatur der Queeksilberkathode von zirka 170 0 und einem Quecksilberdampfdruck von zirka 10-3 mm Quecksilbersäule sowie einem Blendendurchmesser von 5mm die Sättigungsstromstärke etwa 1 Amp.
Wird ein Gasentladungsgefäss der erfindungsgemässen Art mit Stromstärken in der Nähe des Knickes jS (Fig. l) betrieben, in welchem die Charakteristik aus dem ungefähr horizontalen in den ungefähr vertikalen Verlauf umbiegt, und wird ein durch Probieren festzustellender Vorschaltwiderstand oder eine entsprechend bemessene Vorschaltdrossel D, R (Fig. 7) in den Stromkreis eingeschaltet, so gerät die
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Es stellt sich zunächst eine bestimmte Stromstärke ein. Unter dem Einfluss dieser Stromstärke findet eine allmähliche Evakuierung der Kammer B statt. Sobald diese Evakuierung einen bestimmten
Grad erreicht hat, reisst diese Entladung ab, da im Innern der Kammer B durch die eintretende Ionenverarmung ein Ansteigen des Stromes und der Spannung eintritt.
Mit dem Zurückgehen der Stromstärke füllt sich durch Nachlieferung von Gas aus dem Raum B im Innern der Kammer B die Kammer mit Gas auf und die Stromstärke kann nun wieder ansteigen. Dieses Spiel wiederholt sich periodisch.
Die Frequenz der Pendelschwingungen liegt in der Grössenordnung vieler Sekunden bis zu Bruchteilen einer Sekunde und kann innerhalb dieser Grenzen geregelt werden, u. zw. durch die Grösse der Kammer, durch die Kammeröffnung, durch den Gasdruck bzw. den vom Gasdruck abhängigen Wert der Sättigungsstromstärke. Auf diese Weise ist es möglich, beliebige Lampen, welche ohne irgendwelche äusseren Schaltelemente, wie z. B. Kondensatoren, Vorrichtung für einen Hilfsentladestrom usw., arbeiten, in einer vorgegebenen Unterbrecherfrequenz zu betreiben. Derartige Lampen können für Reklamezwecke, bei Signalanlagen usw. zweckmässige Verwendung finden.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Gas-oder dampfgefülltes elektrisches Entladungsgefäss, bei dem in den Weg der Entladung zwischen Anode und Kathode eine den Querschnitt der Entladung einengende Blende angeordnet ist, die von dem Innenraum des Entladungsgefässes einen an die aktive Anodenoberfläche angrenzenden Raumteil abtrennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Blendenöffnung von der Grössenordnung der mittleren freien Weglänge der Teilchen des Gas-oder Dampfinhaltes ist und dass das Entladungsgefäss mit Stromstärken betrieben wird, bei welchen infolge der Einengung der Entladung durch die Blende in dem an die aktive Anodenoberfläche angrenzenden Raumteil eine solche Verarmung an positiven Ionen eintritt,
dass in dem an die aktive Anodenoberfläche angrenzenden Raumteil ein mit wachsender Stromstärke zunehmender Spannungsabfall entsteht.