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Verfahren zum Betriebe von Gasentladungsgefässen, insbesondere Quecksilberdampfgleichrichtern sowie sonstigen Stromrichter.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Gasentladungsgefässen, insbesondere von Quecksilberdampfgleichrichtern sowie sonstigen Stromrichtern. Es ist bei derartigen Entladungsgefässen bereits bekannt, vor den von Anodenschutzrohren umgebenen Anoden Teilhülsen anzuordnen, welche die Aufgabe haben, die Belastbarkeit von Vakuumentladungsapparaten mit Gas-oder Dampffüllung wesentlich zu erhöhen, ohne dass die Gefahr von Rückzündungen oder hochfrequenten Schwingungen auftritt.
Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine Weiterentwicklung von Gasentladungsgefässen dieser Art, welche darin besteht, dass der Druck in dem Gefäss ständig oberhalb der Grenze gehalten wird, bei welcher der vom Druck abhängige Sättigungsstrom pro Teilhülse seinen Höchstwert erreicht.
Die Teilhülsenlänge und die Höhe des Druckes werden hiebei erfindungsgemäss derart aufeinander abgestimmt, dass eine möglichst hohe Belastung der Anode erreicht wird.
An Hand der beiliegenden Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Gleichrichter gemäss der Erfindung, Fig. 2 stellt in vergrösserter Darstellung eine Draufsicht auf die Teilhülsen dar und Fig. 3 stellt den Sättigungsstromwert in Abhängigkeit von dem Gasdruck dar.
1 ist das Vakuumgefäss eines Quecksilberdampfgleichrichters, 2 ist die Kathode und 3 sind die Anoden, die mittels eines Isolators 4 eingeführt und mit einem Anodenschutzrohr 5 umgeben sind. In dieses Anodenschutzrohr sind die Teilhülsen 6 eingesetzt, deren Form, wie in Fig. 2 dargestellt, bienenwabenförmig sein kann ; selbstverständlich können die Teilhülsen aber auch irgendeine andere Querschnittsform besitzen, ferner können sie in Form einfacher Roste ausgeführt werden. 7 ist ein Schauloch, durch welches die Teilhülsen 6 beobachtet werden können. 8 ist der Kondensationsdom, der ebenso wie das Gleichrichtergefäss mit Kühlräumen 9 umgeben ist. 10 bezeichnet ein in die Kathode eingesetztes Schutzrohr.
Rechnung und Versuch haben nun ergeben, dass für die Stromstärke, mit der die Anode belastet werden kann, ohne dass Rückzündungen eintreten, zwischen der Länge L, die dem Abstand von der Anodenoberfläche bis zum unteren Rand der Teilhülsen entspricht, und dem Gas-oder Dampfdruck im Innern des Vakuumgefässes 1 ein bestimmter Zusammenhang besteht der gewährt werden muss. Dies ergibt sich aus Folgendem.
Es sei zunächst angenommen, dass der Gasdruck auf einem ganz bestimmten Wert konstant gehalten wird, z. B. dadurch, dass die Temperatur des Vakuumgefässes, insbesondere die Temperatur der Wände, welche für den Quecksilberdampfdruck im Anodenraum massgebend ist, konstant bleibt oder dadurch, dass in das Vakuumentladungsgefäss ein indifferentes Gas, z. B. ein Edelgas, eingefüllt und auf einem konstanten Druck gehalten wird. Beobachtet man nun durch das Schauloch 7 die Teil- hülsenfläche und regelt die Stromstärke, die über die Anode 3 fliesst, von kleinen zu höheren Werten, so erkennt man, dass bei kleinen Stromstärken für die Stromaufnahme der Anode nur eine einzige von den vielen Teilhülsen 6 in Anspruch genommen wird.
Bei allmählicher Steigerung der Stromstärke geht dann bei einem ganz bestimmten Stromwert i der Strom plötzlich auf zwei Teilhülsen über und bleibt auf diesen Teilhülsen, bis für jede der beiden Teilhülsen derselbe kritische Stromwert erreicht ist, mit welchem vorher eine Teilhülse belastet war. Bei jeder weiteren Steigerung der Stromstärke nehmen dann
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drei Teilhülsen am Stromtransport teil, u. zw. wiederum so lange, bis auf jede dieser Teilhülsen derselbe kritische Wert i entfällt wie vorher beim Betrieb mit einer bzw. zwei Teilhülsen, d. h. mit andern Worten, die Zahl der am Stromtransport teilnehmenden Teilhülsen ist proportional der Gesamtstromstärke an der Anode, u. zw. ist : die Gesamtstromstärke 1 = n. i.
In dieser Formel ist "n" die Zahl der am Stromtransport beteiligten Teilhülsen, t"der pro Teilhülse maximal übertragene Strom und Z"die Gesamtstromstärke.
Bei weiterer Steigerung der Gesamtstromstärke erreicht man den Zustand, bei welchem sämtliche
Teilhülsen am Stromtransport beteiligt sind. Von dieser Stromstärke an muss bei weiterer Steigerung der Belastung der Anode pro Teilhülse ein grösserer Strom übertragen werden als der kritische Wert i.
Von grosser Bedeutung ist nun, wie dieser kritische Stromwert vom Gasdruck abhängt. Hiebei wurde festgestellt, dass diese Abhängigkeit nach der in der Fig. 3 dargestellten Kurve erfolgt. Diese Kurve zeigt, dass bei kleinen Gasdrücken die Aufnahmefähigkeit einer Teilhülse 6, wie sie im Strom i zum Ausdruck kommt, klein ist und bei Steigerung des Gasdruckes zunimmt. Bei einem bestimmten Gasdruck wird ein Maximum erreicht, worauf ein Abfall erfolgt. Offenbar sind diese Beobachtungen folgendermassen zu erklären.
Durch die an der unteren Öffnung der Teilhülse vor sich gehende intensive Ionisierung des Gases entsteht ein sogenanntes Plasma im Innern der Teilhülse, in welchem Elektronen nach dem an die betreffende Teilhülse angrenzenden Bezirk der Anodenoberfläche diffundieren. Bei niedrigen Gasdrücken wird die Diffusion der Elektronen durch das Gas'wenig behindert. Bei Steigerung der. Stromstärke tritt dann aber im Innern der arbeitenden. Teilhülse ê1ne Ionenverarmung und damit eine über die Teilhülse zunehmende Spannung auf. Von diesem Augenblick an setzt eine zweite Teilhülse ein, die beim Stromtransport mithilft, bis über beide Hülsen wiederum die Sättigungsstromstärke erreicht ist, so dass bei weiterer Steigerung der Stromstärke eine dritte, vierte usw.
Teilhülse herangezogen werden. Steigert man nun den Gasdruck, so kann offenbar so lange der Sättigungsstrom gesteigert werden, bis durch das im Innern einer Hülse vorhandene Gaspolster eine Behinderung der Diffusion der Elektronen von der vorderen Öffnung der Teilhülse nach der Anodenoberfläche erfolgt. Sobald diese Behinderung der
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betreffenden Anode verteilt und so eine gleichmässige Erwärmung dieser Anode zur Folge hat, ist es erforderlich, dass die betriebsmässig auftretenden, grösseren Stromstärken oberhalb der in Fig. 3 mit einem Maximum verlaufenden Stromstärke i in Abhängigkeit des Gasdruckes sich befinden.
Da man sich aber anderseits von der Grenze, bei der Ionenverarmung auftritt, fernhalten muss, um Überspannungen, hochfrequente Schwingungen und die dadurch verursachten Rückzündungen zu vermeiden, ergibt sich, dass der Gasdruck des Apparates stets auf einer Höhe gehalten werden muss, die oberhalb der Grenze liegt, bei welcher die Sättigungsstromstärke pro Teilhülse ihren Höchstwert erreicht, d. h. man muss immer in dem dem absteigenden Ast der Kurve entsprechenden Druckbereich arbeiten.
Eine beispielsweise günstige Einstellung dieses Gasdruckes ist gegeben durch den Wert P = P1 in Fig. 3, denn bei diesem Gasdruck kann zunächst die Stromstärke der Anode auf einen Wert 11 = . N'gesteigert werden, wobei die Sättigungsstromstärke pro Teilhülse, N die Gesamtzahl der Teilhülsen pro Anode bedeuten. Mit
Erreichen dieser Stromstärke 11 nehmen sämtliche Teilhülsen der betreffenden Anode am Stromtransport teil. Steigert man die Stromstärke der Anode über diesen Betrag 11 hinaus, so werden die Teilhülsen gezwungen, oberhalb ihres Sättigungswertes liegende Ströme zu führen.
Ein Nachteil tritt dabei nicht auf, da der Lichtbogenabfall im Innern der Teilhülse äusserst langsam mit der Stromstärke zunimmt, allerdings nur bis zu dem Moment, in dem lonenverarmung im Innern sämtlicher Teilhülsen eintritt.
Dieser Moment wird erreicht bei einer Stromstärke 7==N. , worin i2 durch die Verlängerung des ansteigenden Astes der der Kurve (Fig. 3) gegeben ist und die Grenze bedeutet, bei der pro Teilhülse die Ionenverarmung einsetzt. Dass diese Kurve die Verlängerung des ansteigenden Astes der Kurve (Fig. 3) darstellt, hat seinen Grund darin, dass massgebend für die Sättigungsstromstärke pro Teilhülse im aufsteigenden Ast der Kurve (Fig. 3) die pro Teilhülse auftretende lonenverarmung ist.
Im praktischen Gleichrichterbetrieb wird man nun den Druck Pi derart wählen, dass 12 = fizz N die höchsten Stromstärken darstellen, welche betriebsmässig auftreten, ohne dass Störungen sich zeigen dürfen. Man hat also ein Interesse daran, den Gasdruck PI derart hoch zu wählen, dass bereits bei verhältnismässig kleinen Belastungen der Anode die Verteilung des Anodenstromes über sämtliche Teilhülsen gleichmässig auftritt, also die Stromstärke 11 relativ klein ist gegenüber dem normalen Belastungsstrom des Apparates und auch gegenüber dem Höchstwerte der Stromstärke, der durch das Maximum der Kurve (Fig. 3) gegeben ist.
Wenn man etwa als konkretes Beispiel eine Teilhülsenlänge von 30 mm wählt, d. h. der Abstand der unteren Öffnung der Teilhülse bis zur Anodenoberfläche beträgt 30 mm, so zeigt es sich, dass
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die erfindungsgemäss günstigsten Gasdrucke erreicht werden, wenn die mittlere freie Elektronenweglänge des Gases, beispielsweise von Quecksilberdampf oder irgendeinem inerten Gas z. B. Edelgas (Helium, Neon, Xenon, Argon oder Krypton) in der Gegend von 1 mm gewählt wird, d. h. die Teilhülsenlänge beträgt ungefähr das 30-fache der Elektronenweglänge in dem betreffenden Gas oder Dampf.
Bei Quecksilberdampf ergibt das Gasdrücke der Grössenordnung von 0'1-0'15 mm Quecksilbersäule, bei Edelgas entsprechend den veränderten Weglängen ähnliche Zahlen.
Für den Betrieb des Apparates ist nicht erforderlich, dass ein günstiger Gasdruck genau innegehalten wird. Es genügt, wie bereits erwähnt, dass der kritische Wert des Gasdruckes, bei welchem die Sättigungsstromstärke pro Teilhülse ihren Höchstwert erreicht, unter keinen Umständen unterschritten wird. Dies hat zur Folge, dass bei Apparaten, die mit reinem Quecksilberdampf betrieben werden, durch künstliehe Heizung die Gefässe auf so hoher Temperatur gehalten werden müssen, dass der Quecksilberdampfdruck im Innern des Gefässes, insbesondere in der Umgebung der Anoden, oberhalb des durch die Fig. 3 gegebenen kritischen Wertes liegt.
Bei Apparaten mit zusätzlicher Edelgasfüllung wird die Edelgasfüllung derart bemessen und gegebenenfalls durch beispielsweise selbsttätige, an sich bekannte Nachfüllvorrichtungen auf einer Hohe gehalten, dass ihr Gasdruck dem absteigenden Aste der Kurve (Fig. 3) entspricht. Bei höherer Belastung wird das Edelgas sich mit Quecksilberdampf mischen, und der Gesamtdruck im Innern des Apparates steigt weiter an. Ein Nachteil entsteht dadurch nicht. Im
Gegenteil, mit zunehmendem Gehalt des Edelgases an Quecksilberdampf wird die Stromstärke, bei welcher lonenverarmung eintritt, zu immer höheren Werten verschoben.
Der in Frage kommende Wert des Gasdruckes lässt sich ohne weiteres durch Versuche feststellen, indem man Gasdruck und Stromstärke über die Anode sowie gegebenenfalls auch die Gefässtemperatur verändert und die Teilhülsen durch die Schauöffnung 7 beobachtet, bis der gesuchte Wert gefunden ist.
Sobald dies der Fall ist, kann das Schauloch 7 endgültig verschlossen werden. Hiebei sei darauf hingewiesen, dass die Vornahme der Einstellung nur bei der ersten Ausführung einer neuen Gleichrichtertype nötig ist.
Die vorgenommenen Versuche haben weiter gezeigt, dass der Gasdruck, bei welchem die maximale Sättigungsstromstärke entsprechend Fig. 3 eintritt, von der Teilhülsenlänge bzw. von dem Abstand der Hülsenöffnung bis zur Anodenoberfläche abhängig ist, u. zw. besteht zwischen dieser Länge und dem Gasdruck ein Zusammenhang dahingehend, dass mit abnehmender Länge L der betreffende Gasdruck zunimmt. Durch Verkleinern der Teilhülsenlänge L und entsprechendes Erhöhen des Gasdruckes kann man also die Strombelastbarkeit der Anode weiter steigern, bis man die Grenze erreicht, die z. B. durch die thermische Belastbarkeit der Anodenoberfläche gegeben ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betriebe von Gasentladungsgefässen, insbesondere von Quecksilberdampf- gleichrichtern und sonstigen Stromrichtern, bei denen vor den in Anodenschutzrohren befindlichen Anoden
Teilhülsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Umgebung der Anoden, ins- besondere im Innern der Teilhülsen oberhalb der Grenze gehalten wird, bei welcher der von dem Druck abhängige Sättigungsstrom pro Teilhülse seinen Höchstwert erreicht.