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Elektrische Entladungsröhre.
Die Erfindung betrifft eine gas-oder dampfgefüllte elektrische Entladungsröhre mit positiver Säulenentladung mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren Sammelelektroden und mit vorgespanntem Gitter. Eine solche Röhre eignet sich besonders als Detektor oder Gleichrichter.
Bei dieser Art von Röhren verläuft die Entladung zwischen Kathode und Anode, und die Sammelelektrode wird, wie ihr Name oagt, dazu verwendet, einen Teil der Entladung zu sammeln und diese in einem äusseren Stromkreis zu verwenden. Üblicherweise wird der Ausgang der Röhre zwischen der Kathode und der Sammelelektrode angeschlossen.
Bisweilen ist bei Entladungsröhren, die bei der Detektion und Gleichrichtung von radiofrequenten Impulsen verwendet werden, eine praktisch lineare Charakteristik erwünscht. Es ist auch erwünscht, dass die Impedanz der Röhre während der einen Halbperiode gering und während der andern Halbperiode hoch ist. Ferner muss die der Kathode zugeführte Heizleistung mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad verhältnismässig klein sein.
Gemäss der Erfindung ist zwecks Erzielung einer solchen Wirkungsweise die Sammelelektrode stabförmig und in der Nähe der Anode angeordnet und parallel zur Anode und zur Kathode, die gegebenenfalls von einem mit ihr leitend verbundenen Schirm umgeben sein kann.
Gemäss der Erfindung besteht die Anode ferner vorzugsweise aus einem Stab oder mehreren leitend verbundenen Stäben, die parallel zur Kathode und in gleichen Abständen von ihr derart angeordnet sind, dass die Entladung nahe bei den Sammelelektroden zusammengedrängt erfolgt, wobei der ganze Elektrodenaufbau von einem umschliessenden zylindrischen Käfig umgeben ist, der teilweise aus Drahtgeflecht besteht und mit der Anode elektrisch leitend verbunden ist.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemässen Entladungsröhre. Fig. 2 ist ein Aufriss eines Teiles der Fig. 1 und zeigt den Aufbau der Elektroden und ihre Halterung. Fig. 3 stellt einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2 dar, aus dem Abstandsverhältnis und Anordnung der Elektroden hervorgehen. Fig. 4 und 5 sind Schaubilder anderer Formen von Entladungsröhren nach der Erfindung. Fig. 6 ist ein vergrösserter Querschnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 2 durch die Äquipotentialkathode. Fig. 7 zeigt schematisch eine Schaltung mit einer Entladungsröhre. Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit zwischen Spannung und Strom der Sammelelektrode.
Fig. 9 zeigt die typischen Kennlinien für die Röhre ; Fig. 10 ebenfalls Kennlinien für Röhren mit Sammelelektroden mit verschiedener wirksamer Oberfläche, Fig. 11 Kennlinien für Röhren mit verschiedenen Elektrodenabständen. Fig. 12 zeigt die Potentialverteilung in einer Entladungsröhre.
Die Entladungsröhre (Fig. 1) besteht aus dem Glasgefäss 20, das in den Sockel 21 aus Isoliermaterial befestigt ist ; der Sockel ist mit Stiften 22 für den Anschluss der Röhre versehen. Das Glasgefäss 20 enthält ein im wesentlichen rechteckiges Füsschen 23, das alle Elektroden trägt. Zwei in dem Füsschen 23 eingeschmolzene Metallstäbe bestehen aus einem auswärts und weiterhin aufwärts gebogenem Teil 24 und einem geraden Teil 25. Zwei Metallscheiben 26 und 27 mit gegeneinander gerichteten umgebogenen Rändern 28 und 29 sind in bestimmtem Abstand voneinander zwischen den parallelen Teilen 25 der Metallstäbe angebracht und halten eine zylindrische Gitterelektrode 30, deren Enden in den umgebogenen
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Rändern 28 und 29 der Scheiben 26 und 27 gelagert sind.
Die Scheibe 26 ist in der Mitte mit einer kreisförmigen Öffnung 31 versehen, wie Fig. 2 besser erkennen lässt, und trägt eine Scheibe 32 aus Isoliermaterial. Die Scheibe 27 ist aussen mit einem ringförmigen Vorsprung 33 versehen, der eine Öffnung abgrenzt, in der ein zylindrisches Stück 34 aus Isoliermaterial gelagert ist. Eine gerade Äquipotentialkathode ragt durch die Mittelöffnung des Isolierstückes 34 ; sie besteht aus einem durchbohrten Quarzstab 35 (Fig. 8), durch den der vorzugsweise aus Wolfram bestehende Heizdraht 36 geführt ist, und aus einer Metallhülse 37, vorzugsweise aus Nickel, die um den Quarzstab 37 gepresst und mit thermionisch aktivem Material, z. B. Oxyden der Erdalkalimetalle, überzogen ist.
Die Enden des Heizdrahtes 36 sind an einem Zuführungsdraht, der in dem Fuss eben 23 eingebettet ist, angeschweisst und mit einem Paar der Stifte 22 verbunden ; ein anderer ebenfalls in dem Füsschen 23 eingebetteter und mit einem der Stifte 22 verbundener Zuleitungsdraht 39 ist mit einem vorspringenden Streifen 40 verbunden, der aus einem Stück mit der Hülse 37 besteht. Ein anderer ebensolcher Streifen 41 ist an den Draht 43 angeschweiss, der durch die Öffnung 31 in der Scheibe 26 und durch eine Öffnung in der Mitte des Isolier- stückes 32 ragt und an einen dünnen biegsamen Draht 44 angeschweisst ist, der wieder mit einem in der Scheibe 32 eingebetteten gebogenen Draht 45 verschweisst ist.
Die Sammelelektrode besteht aus einem einzigen festen Stab, der in dem Füsschen eingebettet ist und einen auswärts und aufwärtsgebogenen Teil 46 nahe dem Füsschen hat und einen geraden Teil 47, der durch eine Öffnung in der Scheibe 27 ragt und parallel zur Kathode liegt.
Zwei parallele starre Drähte 48 sind zwischen den Isolierstücke 32 und 34 angebracht und tragen einen Schirm 49, der die Form eines spiralförmigen Gitters haben kann, wie in Fig. 1, 2 und 3, oder die einer zylindrischen Abschirmung aus Drahtgeflecht. Die mit der Kathode leitend verbundene Kathodenabschirmung 49 hat beim Betrieb der Röhre zwei Aufgaben, nämlich die Geschwindigkeit der von der Kathode ausgesandten Elektronen zu verringern und die empfindliche emittierende Oberfläche gegen das Auftreffen positiver Ionen zu schützen. Die Kathodenabschirmung verringert auch den erforderlichen Ionisationsstrom.
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Bindung unerwünschter Gase und Dämpfe im Gefäss 20 enthält, ist mittels eines Armes 51 an der Scheibe 27 angebracht.
Bei der Herstellung der Röhre wird das Gefäss 20 hoch evakuiert und Quecksilberdampf oder ein neutrales Gas, z. B. Argon, unter niedrigem Druck eingefüllt. Auch andere Gase oder Dämpfe, wie Caesium-oder Natriumdampf, können verwendet werden.
Bei einer andern Form der Röhre, die sich für Vollweggleichrichtung eignet, sind zwei Sammelelektroden verwendet, von denen jede einen geraden Teil 47 hat, die parallel zur Kathode in gleichem Abstand von dieser stehen.
Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 4 ; die Röhre besteht aus dem äusseren Gefäss 20 und dem Isoliersockel 21 mit den Stiften 22. In dem Gefäss befindet sich ein rechteckiges Füsschen 23, auf dem die Äquipotentialkathode 52 und eine Sammelelektrode 53 in Form eines einzigen geraden Drahtes oder Bandes parallel zur Kathode angebracht sind. Die Elektroden sind in geeigneter Weise mit einzelnen der Stifte 22 durch die Zuführungsdrähte 54 und 55 verbunden. Bei dieser Ausführungsform hat die Anode die Form eines rechteckigen Rahmens mit vertikalen Stäben 56, die zueinander und zur Sammelelektrode und Kathode parallel sind und mit zwei Querstäben 57, die an die vertikalen Stäbe 56 am Ende oder nahe dem Ende angeschweisst sind.
Die Anode wird über dem Füsschen 23 durch gebogene in dem Füsschen eingeschmolzen Stäbe 58 getragen ; einer dieser Stäbe ist mit einem der Stifte 22 durch einen Draht 59 verbunden.
Auf der Anode befindet sich ein Isolator 60 mit zwei eingebetteten gebogenen Drähten 61 und 62, an die biegsame Verbindungsdrähte 63 und 64 angeschweisst sind. Der Draht 63 ist an das freie Ende der Kathode 52 angeschweisst und der Draht 64 an das freie Ende der Sammelelektrode 55.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Anode aus zwei parallelen vertikalen Stäben 65 besteht, die auf dem Füsschen 23 mittels gebogener Stäbe 66 angebracht sind ; einer davon ist leitend mit einem der Stifte 22 verbunden. An die Stäbe 65 ist an einem Ende ein Verbindungsstab angeschweisst.
Ein Isolatorkörper 68 ist an den Stäben 65 angebracht mit einem eingebetteten, gebogenen Draht 69, der mit einem Ende einer Äquipotentialkathode 70 verbunden ist. Eine Sammelelektrode 71 wird von dem Füssehen 23 getragen, hat einen zur Kathode und Anode parallelen Teil und ist neben letzterer und im gleichem Abstand von den Stäben 65 angebracht. Eine Scheibe 72 aus Isoliermaterial, z. B. Glimmer, wird von den Stäben 66 und einem Träger 73, die in dem Füsschen eingebettet sind, getragen und verhindert die Ausdehnung der Entladung bis zum Füsschen und zwischen die Elektrodenzuleitungen.
Man kann natürlich die Röhren der Fig. 4 und 5 mit zwei Sammelelektroden und zwei Anoden für Vollweggleiehrichtung ausführen, auch kann eine Kathodenabschirmung vorgesehen werden.
Die Arbeitsweise ergibt sich aus der Darstellung der Fig. 7. In dieser ist eine Röhre gemäss der Erfindung mit 74 bezeichnet und enthält eine 1\. quipotentialkathode 75, eine Kathodenabschirmung 76, eine Sammelelektrode 77 und eine Anode 78. Die Eingangsspannung wird an die Klemmen 79 gelegt, von denen eine mit der Kathode 75 und die andere mit der Sammelelektrode 77 verbunden ist. Eine
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Spannungsquelle 80 ist zwischen die Anode 78 und die Kathode 75 in Reihe mit einem Widerstand 81 zur Erzeugung eines Ionisationsstromes von gewünschter Grösse geschaltet. Ein Stromkreis mit einer
Spannungsquelle 82, einem Verbraucher 83 und einem Abstimmkreis mit einer Induktanz 84 und einer
Kapazität 85 im Nebenschluss ist zwischen Kathode 75 und Sammelelektrode 77 angeschlossen.
Die Belastung kann natürlich entweder eine ohmsche oder eine induktive bzw. kapazitive oder eine gemischte Belastung sein.
Die Kennlinien einer erfindungsgemässen Röhre zeigt Fig. 9, u. zw. in Kurve A die Änderung des Sammelelektrodenstromes Je in mA mit der Kathodensammelelektrodenspannung Ve. Man sieht, dass die Spannungscharakteristik des Sammelelektrodenstromes zwei geradlinige Teile enthält, die in einem stumpfen Winkel konvergieren, und dass eine im wesentlichen geradlinige Gleichrichtung mit grosser Annäherung zwischen den Punkten a und D erhalten wird. Die Sammelelektrodenvorspannung kann so gewählt werden, dass die Röhre auf einer Halbwelle der Eingangsspannung praktisch nicht leitend und auf der andern sehr stark leitend ist. Dies zeigt deutlich Fig. 8, wo die Sammelelektrodenstromschwankungen bei einer sinusförmigen Sammelelektrodenspannung von 1 Volt in Beziehung zu Fig. 9 dargestellt ist.
Die gleichbleibende Stromkomponente, die der Sammelelektrodenspannung von z. B.
16'5 Volt entspricht, ist ungefähr 1'2 mA. Bei einer Sammelelektrodenspannung von 17'5 Volt ist der
Sammelelektrodenstrom etwa 9 mA und bei 15'5 Volt ist der Strom nur 0'5 mA
Die von der Sammelelektrodenspannung abhängige Grösse der konstanten Gleichstromkomponente ist wichtig, und die Entladungsröhre kann so gebaut werden, dass diese Komponente einen Höchstwert erhält.
Die die Grösse der Sammelelektrodengleichstromkomponente beeinflussenden Faktoren zeigen die Fig. 10 und 11. Dort sind auf der Ordinate Milliampere und auf der Abszisse die Spannungsdifferenzen zwischen Sammelelektrode und Anode in Volt aufgetragen. Die Kurven F und G zeigen vergleichsweise dieselbe Charakteristik für Röhren, bei denen die Abstände zwischen Sammelelektrode und Kathode nicht gleichbleibend sind, wobei die kleinste Entfernung in einer Röhre durch die Kurve F und die grösste durch die Kurve G dargestellt ist. Man ersieht, dass die Lage der Sammelelektrode für die Form der Charakteristik im wesentlichen bedeutungslos ist.
Diese Lage bestimmt jedoch den Sättigungspunkt und vergrössert oder verkleinert auch den Sammelelektrodenstrom um einen im wesentlichen gleichbleibenden Betrag, wobei eine Vergrösserung des Abstandes zwischen Sammelelektrode und Kathode den Strom verringert und daher den Sättigungspunkt herabsetzt. So ist es möglich, durch Entfernen der Sammelelektrode von der Kathode die konstante Gleichstromkomponente auf einen nahezu ver- nachlässigbaren Wert zu bringen.
Fig. 11 zeigt Kennlinien für. verschiedene Röhren und Sammelelektroden verschiedener Oberfläche. Die Ordinaten stellen den Strom über die Sammelelektrode in Milliampere und die Abszissen die Spannungsdifferenzen zwischen Sammelelektrode und Anode in Volt dar. Die Kurve H zeigt die Charakteristik einer Röhre mit der grössten Oberfläche und die Kurven J und K ebensolche für Röhren mit kleinerer Oberfläche. Man ersieht, dass die Oberfläche der Sammelelektrode den Sättigungsstrom und auch die konstante Gleichstromkomponente des Sammelelektrodenstromes etwas beeinflusst.
Die für jede einzelne Röhrentype in Betracht kommende Oberfläche hängt in gewissem Masse von der Eigenschaft der Sammelelektrode ab, positive Ionen während der entgegengesetzten Halbwelle der auf die Sammelelektrode aufgedrückten Zeichenspannung aufzunehmen, d. h. wenn die Sammelelektrode gegenüber der Kathode während einer Halbwelle der einlangenden Zeichenwelle negativ wird. Man fand, dass die Sammelelektrode, wenn ihr Durchmesser im Vergleich zur mittleren freien Weglänge der Dampfmoleküle in der Röhre gross ist, die unerwünschte Eigenschaft aufweist, positive Ionen während der Halbwelle der einlangenden Zeichenwelle, während welcher sie gegenüber der Kathode negativ ist, anzuziehen.
Gemäss der Erfindung ist es daher möglich, in jeder Röhre Höchstwerte für die wirksame Sammel- elektrodenfläche und den günstigsten Abstand zwischen Kathode und Sammelelektrode für jede gewünschte Verwendung der Röhre vorzusehen. Der Abstand und die wirksame Oberfläche werden weitgehend durch den maximalen Sammelelektrodenstrom bestimmt, der fallweise benötigt wird, die bevorzugte Grösse der konstanten Gleichstromkomponente des Sammelelektrodenstromes und den Sättigungspunkt der Röhre.
Eine physikalische Vorstellung der Vorgänge in Entladungsröhren gemäss der Erfindung gibt Fig. 12, die die ungefähre Potentialverteilung in einer Röhre nach Art der Fig. 1 zeigt, wobei die Abszissen D die Entfernung von der Kathode und die Ordinaten V das Potential angeben. Bei Betrieb der Röhre liegt der leuchtende Teil der Entladung zwischen der Anode E und der Kathodenabschirmung CS, und der grössere Spannungsabfall findet zwischen dem Kathodrnschirm CS und einem unmittelbar daneben liegenden Punkt R statt.
Die Sammelelektrode liegt in dem leuchtenden Teil der Entladung, und man fand es vorteilhaft, die Sammelelektrode an der positiven Seite der Entladung anzubringen, u. zw. vorzugsweise so, dass sie sich an einer Stelle befindet, wo der Spannungsgradient im wesentlichen Null ist, d. h. etwa zwischen den Punkten P und Q der Fig. 12, wo der Spannungsgradient klein oder annähernd Null ist.
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Die verschiedenen Charakteristiken, Strom-und Spannungswerte und Sammelelektrodengrossen und-abstände erscheinen nur gegeben, um das Wesen der Erfindung darzulegen, und es soll der Bereich der Erfindung hiedurch nicht beschränkt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrische Entladungsröhre, bei der eine Äquipotentialkathode und eine Anode in einem mit Gas oder Dampf gefüllten Gefäss vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Kathode, die mit einer Abschirmung umgeben sein kann, die mit der Kathode leitend verbunden ist, und zur Anode ein oder mehrere stabförmige Sammelelektroden in der Nähe der Anode angeordnet sind.
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