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Elektronenentladungseinrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronenentladungseinrichtungen, insbesondere solche, bei denen ein oder mehrere Gitter eine ungleichmässige Steigung bzw. ungleichmässige Maschen besitzen.
Die Elektronenentladungseinrichtungen gemäss der Erfindung lassen sich in ihrer Leistung leicht durch Anlegen einer Steuerspannung an ein Gitter steuern. Daher betrifft die Erfindung teilweise auch Modulatorröhren, deren Umformungsleistung in der genannten Weise leicht gesteuert werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist eine Viergitterröhre. Als erstes Gitter wird das am nächsten an der Kathode befindliche Gitter bezeichnet.
Es ist bekannt, dass zur Leistungssteuerung eine Charakteristik gut geeignet ist, bei welcher der Logarithmus des Anodenstromes eine lineare Funktion der Gitterspannung ist. Steuergitter, welche eine solche Abhängigkeit ergeben, sind als Exponentialgitter bekannt.
Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass die geringste Abweichung von
EMI1.1
EMI1.2
Bei einer graphischen Darstellung kann man dem log pm als Funktion von log m auftragen ; bei Einhaltung obiger Beziehung ist diese Funktion linear.
Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Elektronenentladungseinrichtung gemäss der Erfindung dar. Ein Teil der Glashülle ist weggeschnitten, um die Lage der Elektroden in der Röhre deutlicher zu zeigen.
Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt dieser Einrichtung, welcher im einzelnen die Konstruktion und die Lage der Elemente erkennen lässt.
Fig. 3 ist eine abgebrochene perspektivische Darstellung der Bestandteile und zeigt gleichzeitig die Art und Weise, wie die Arbeitsspannungen anzulegen sind.
Fig. 4 ist ein Horizontalschnitt der Elektrodenkonstruktion, Fig. 5 ist, teilweise im Schnitt, eine vergrösserte Darstellung der Kathode und der Einrichtungen für die Heizung derselben. und Fig. 6 stellt eine ideale Kennlinie dar.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Art und Weise, wie man die Form eines Gitters ermittelt, welches eine gewünschte Kennlinie haben soll, etwa eine solche nach Fig. 6.
Fig. 1 veranschaulicht eine Elektronenentladungseinrichtung mit einer besonderen Form des Steuergitters. Die Einrichtung enthält einen evakuierten Glaskolben 10, dessen Fuss in eine Bakelithülle 11 eingepasst ist, welche sieben vorspringende Stifte 12-18 trägt und welche in einem entsprechenden Röhrensockel eingesetzt werden kann. Ein achter Anschluss 19 ist zweckmässigerweise an der Spitze des Kolbens in Gestalt einer metallischen Kappe vorgesehen, welche mit der Glashülle fest verbunden ist. Die Elektroden der Einrichtung werden getragen von einer Reihe von vertikalen Tragdrähten, die in einen Glasfuss 20 eingebettet sind. Dieser Fuss 20 sitzt auf einem zurückspringenden Teil 21 des Glaskolbenfusses (Fig. 2). Um die Tragdrähte fest in ihrer aufrechten Stellung zu halten, sind zwei flache Führungsteile 22 und 23 aus Isoliermaterial vorgesehen, z.
B. aus Glimmer, durch welche die Tragdrähte hindurchragen. Der obere Führungsteil 22 ist so ausgebildet, dass er sich dem domartige Ende des Glaskolbens anpasst.
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Die Elektroden sind wie folgt ausgebildet :
Eine Kathode 1 ist als eine Manschette von sehr schmalem Durchmesser zentral in dem Kolben angeordnet. Die Manschette ist vorzugsweise aus Nickel hergestellt mit einem Überzug von Strontiumund Bariumoxyden, damit sie bei Erhitzung reichlich Elektronen emittiert. Zur Erheizung der Kathodenmanschette ist innerhalb der Manschette ein dünner Heizdraht 38, vorzugsweise aus Wolfram, angeordnet, welcher mit keramischer Isolation umgeben ist und der innerhalb der Manschette in Form eines"W" hin-und hergezogen ist, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Enden des Heizdrahtes sind mit den Steckerstiften 12 und 13, deren Durchmesser gegenüber den andern (zwecks Unverwechselbarkeit) beträchtlich gross sein kann, verbunden.
In geringem Abstand wird die Kathode von einer inneren Gitterelektrode 2 umgeben, welche die Gestalt eines elliptischen Zylinders hat, der aus feinem Draht gewunden ist und an zwei senkrechten Tragdrähten 24 und 25 befestigt ist. Diese Gitterelektrode hat vorzugsweise die Form einer Wendel und besitzt Windungen mit verhältnismässig geringer Steigung (Abstand zwischen benachbarten Windungen) und ist gleichförmig über seine ganze Länge ausgebildet. Die Konstruktion dieses Gitters ist indessen nicht besonders kritisch. Fig. 4, welche die Elektrodenkonstruktion im Horizontalschnitt zeigt, lässt die elliptische Form der Gitterelektrode 2 erkennen und ebenfalls um diese herum die übrigen Elektroden, die noch beschrieben werden sollen. Die grosse Achse jeder Ellipse ist nur wenig grösser als die kleine Achse.
Eine zweite gitterähnliche Elektrode 3, hier als innerer Schirm bezeichnet, ist hergestellt in der Form eines elliptischen Zylinders, welcher um das erste Gitter 2 herumgewunden ist. Die zweite gitter- ähnliche Elektrode wird von zwei Tragdrähten 26 und 27 getragen. Diese zweite Wendel hat feine Maschen, d. h. eine geringe Steigung, und ist ebenfalls vorzugsweise über ihre ganze Länge gleichförmig ausgebildet.
Die Röhre der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch eine besondere Konstruktion der dritten Gitterelektrode 4 aus. Dieses dritte Gitter umgibt die Elektrode 3 und ist ebenfalls als Drahtwendel ausgebildet, in Gestalt eines elliptischen Zylinders, welcher von Tragdrähten 28 und 29 getragen wird.
Wesentlich ist jedoch, dass die Steigung bzw. die Gittermaschen nicht über die ganze Länge gleichförmig gemacht sind. Da es sich hier um das Gitter handelt, dem die Vorspannung erteilt werden soll, welche die Umwandlungsleistung der Röhre steuert, ist es wünschenswert, dass dieses Gitter so ausgebildet ist, dass ein allmähliches Abschneiden erzielt wird, in der Weise, wie man es allgemein bei Röhren mit ver- änderlichem Durchgriff kennt, so dass ein grosser Steuerbereich möglich ist, ohne die Eigenschaften der Röhre in unzulässiger Weise zu verändern.
Der Zweck der vorliegenden Gitterkonstruktion, die im folgenden beschrieben werden soll, ist die Erzielung der vorteilhaftesten Röhrencharakteristik. Wie oben ausgeführt, ist die günstigste Charakteristik jene, bei der der Logarithmus des Anodenstromes eine lineare Funktion der Gitterspannung ist.
Die gewünschte Abhängigkeit ist in Fig. 6 dargestellt, in welcher als Abszisse die negative Gitterspannung und als Ordinate der Logarithmus des Anodenstromes bzw. des Leitwertes in Mikromhos aufgetragen ist. Der schräg verlaufende Teil der Kurve ist die sogenannte Exponentialkurve und stellt die ideale Charakteristik dar, welche über den ganzen benutzten Bereich der Gittervorspannungen herrschen sollte.
Daran schliesst sich der (für den idealisierten Grenzfall) vertikale Teil der Kurve, als scharfer Abschneidebereich"bezeichnet, mit einem Knick, der gewöhnlich in stärkerem oder geringerem Masse bei allen Vakuumröhren beobachtet wird. Er liegt im vorliegenden Fall ausserhalb des benutzten Gitterspannungsbereiches.
Obgleich es bekannt ist, dass die Kennlinie von der Form bzw. der Steigung der einzelnen Windungen des Steuergitters abhängt, war es bisher noch nicht bekannt, in welcher Weise man diese Charakteristik vorausbestimmen kann. Dementsprechend wurde bisher die Ausbildung des Gitters rein nach Versuchsmethoden vorgenommen. Dennoch gelang es gewöhnlich nicht, eine genügende Annäherung an die gewünschte Charakteristik zu erzielen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung lässt sich die gewünschte Kennlinie erreichen, wenn die Beziehung zwischen der Ordnungszahl der Gitterwindungen und der Steigung der Windungen linear ist, wenn man sie in log-log-Koordinaten aufträgt. Um zu der gewünschten Abhängigkeit zu gelangen, wird die betrachtete Ordnungszahl der Gitterwindungen erhalten, wenn man die Gitterwindungen nach abnehmenden Steigungen ordnet, ungeachtet der Lage der einzelnen Windungen in dem Gitter.
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung unter Benutzung logarithmischer Koordinaten m für die
Ordnungszahlen der Windungen und logarithmischer Koordinaten p (in mm) für die Steigungen der einzelnen Windungen (mit der Ordnungszahl m). Die strichpunktierte Linie 50 stellt die gewünschte log-log-Abhängigkeit dar (dies entspricht der log-linear Exponentialkurve der Gitterspannung in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit entsprechend Fig. 6). Solange jeweils nur eine einzelne Windung der
Gitterwendel betrachtet wird, wird die genannte Kurve durch die unregelmässige Linie 51 dargestellt.
In Wirklichkeit gibt es jedoch keine scharfen Knicke in der Röhrencharakteristik ; denn es ist allgemein bekannt, dass bei Vakuumröhren scharfe Knicke beim Übergang von einer Gitterwindung oder einer
Gruppe von Windungen zu einer andern nicht auftreten.
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Es ist vorteilhaft, jedoch nicht notwendig, dass die mit einer niedrigen Ordnungszahl bezifferten Windungen in der Mitte des Gitters angeordnet sind und die Windungen mit höheren Ordnungszahlen in Gruppen abwechselnd nach den beiden Enden des Gitters hin geordnet sind, so dass die geringste Steigung an den Enden auftritt. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 7 angedeutet. Mit o und u sind entsprechende Windungsgruppen bezeichnet. Die Bezeichnung o gibt an, dass die Windungsgruppe oberhalb eines Bezugspunktes, welcher beispielsweise der Mittelpunkt des Gitters sein kann, liegt, und die Bezeichnung u gibt an, dass die betreffende Windungsgruppe unterhalb des Bezugspunktes liegt.
Die Anordnung der verschiedenen Windungsgruppen des Gitters wird noch klarer durch die folgende Tabelle, in der die Gruppen nach ihrer Lage vom obersten zum untersten Ende des Gitters geordnet sind, wobei die Werte der Fig. 7 benutzt sind.
EMI3.1
<tb>
<tb>
Ordnungszalil <SEP> iit <SEP> Zahl <SEP> der <SEP> Windungen <SEP> Steigung <SEP> der <SEP> Windungen <SEP> Axiale <SEP> Länge <SEP> einer
<tb> einer <SEP> Gruppe <SEP> einer <SEP> Gruppe <SEP> in <SEP> 111m <SEP> Gruppe <SEP> in <SEP> mm
<tb> 17-32 <SEP> 16 <SEP> 0-480 <SEP> 7.700
<tb> 5-8 <SEP> 4 <SEP> 0'810 <SEP> 3.000
<tb> 2 <SEP> 1 <SEP> 1'370 <SEP> 1.370
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1-750 <SEP> 1.750
<tb> 3-4 <SEP> 2 <SEP> 1-040 <SEP> 2.080
<tb> 9-16 <SEP> 8 <SEP> 0-630 <SEP> 5. <SEP> 070
<tb> 32 <SEP> 20.970
<tb> (Gesamtzahl <SEP> der <SEP> (Länge <SEP> des <SEP> Gitters)
<tb> Windungen)
<tb>
Das Gitter 4 der Fig. 2 und 3 ist entsprechend der obigen Tabelle ausgeführt. Bei noch feinerer Unterteilung des Gitters in Gruppen verschiedener Steigung werden naturgemäss die Stufen der Kurve 51 ebenfalls kleiner und eine noch grössere Annäherung an Kurve 50 wird erzielt.
Man braucht nicht unbedingt die Windungen gleicher Steigung je in Gruppen zusammenzufassen, wie dies in der vorstehenden Tabelle zu Fig. 7 geschehen ist, sondern man kann z. B. die Windung mit der Ordnungszahl 1 in der Mitte des Gitters anordnen und die übrigen Windungen entsprechend ihrer Ordnungszahl abwechselnd nach beiden Enden hin ordnen. Die Lage der Ordnungszahlen von einem Ende zum andern würde dann folgendem Schema entsprechen :
31,29, 27... 5,3, 1, 2,4, 6... 28,30, 32.
Auch könnte man das Gitter in der Weise ausbilden, dass man je zwei Sätze mit gleichen Ordnungzahlen benutzt, wobei man in der Mitte des Gitters mit der Ordnungszahl 1 beginnt und nach den beiden Enden hin in symmetrischer Weise fortschreitet. Die Ordnung der Windungen kann z. B. sein : ... 4. 3,2, 1, l, 2,3, 4,... oder ... 4, 3,2, 1, 2,3, 4,...
Bei der oben beschriebenen Gitterkonstruktion gelten ausser der bereits angegebenen Gleichung
EMI3.2
die folgenden Beziehungen :
EMI3.3
worin m = Ordnungszahl jeder einzelnen Windung, geordnet nach abnehmender Steigung, n = Gesamtzahl der Windungen, p = Steigung einer Windung, Pn = Steigung der Windung mit der geringsten Steigung (der n-ten Windung),
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p, = Steigung der m-ten Windung, pi = Steigung einer einzelnen Windung mit der grössten Steigung (m = 1),
Pa = durchschnittliche Steigung, b = npa = axiale Länge des Gitters, c = Exponent, welcher der inversen Steigung der gestrichelten Linien in Fig. 7 entspricht.
Der Exponent c muss kleiner sein als die Einheit, sonst gelten die obigen Gleichungen nicht. Dieser Exponent soll möglichst zwischen den Werten 0'3 und 0'4 liegen. In dem Beispiel der Fig. 7 können folgende Werte gewählt werden : e = 0'36 ; n = 32 ; b 210 mm. In diesem Falle nimmt also die Gleichung (1) die Form an :
EMI4.1
Der Exponent von m ist also praktisch = 1/3'Dies entspricht der Kubikwurzel.
Um das dritte Gitter herum und von Tragdrähten 30 und 31 getragen ist eine vierte gitterartige Elektrode 5 angeordnet, die hier als äusserer Schirm bezeichnet wird ; sie ist ebenfalls als eine Wendel in Form eines elliptischen Zylinders hergestellt. Diese vierte gitterartige Elektrode hat vorzugsweise ein verhältnismässig feines Maschennetz, welches über seine ganze Länge gleichförmig ist.
Schliesslich ist eine Anodenplatte 6 in Form eines Zylinders vorgesehen, welche die ganze Gitterkonstruktion umgibt und von Drähten 32 und 33 getragen wird. Die Anode ist vorzugsweise aus karbonisiertem Nickel hergestellt, und ihre axiale Länge ist nicht ganz so gross wie die der übrigen Elektroden (vgl. die Fig. 1, 2,3).
Vorteilhafte Konstruktionsdaten für die Elektroden, mit Ausnahme der dritten Gitterelektrode 4, sind die folgenden :
Inneres Gitter 2...... grosse Achse 3'2 mm, kleine Achse 2'5 mm,
25 Windungen von 0'1 mm Drahtdurchmesser mit einer gleichmässigen Steigung von 0'86 mm.
Innerer Schirm 3..... grosse Achse 6'2 mm, kleine Achse 4'4 mm,
33 Windungen von O'l mm Drahtdurchmesser mit einer gleichmässigen Steigung von 0-65 inin.
Äusserer Schirm 5.... grosse Achse 12'8 mm, kleine Achse 12 mm,
33 Windungen von O'l mm Drahtdurchmesser mit einer gleichmässigen Steigung von 0'65 nun.
Es ist im allgemeinen vorteilhaft, die innere Wand des Glaskolbens bzw. Gefässes zu karbonisieren, wie dies in Fig. 1 (die teilweise Punktierung des Glases) angedeutet ist. Dies ist indessen eine Verbesserung, die auch weggelassen werden kann.
Der Anschluss der Arbeitsspannungen, insbesondere für den Fall, dass die Röhre als Modulator benutzt werden soll, ist in Fig. 3 dargestellt worden. An die Steckerstifte 12 und 13 ist eine Batterie. 34 angeschlossen (oder eine andere Heizstromquelle), welche dazu dient, den W-artigen Heizfaden 38 innerhalb der Kathodenmanschette zu heizen. Die genannte Kathode selbst ist unmittelbar geerdet durch die Erdverbindung bei 14. Batterie 35,36 und 37 oder andere Gleichstromquellen sind zwischen Erde und die Anschlüsse 16, 17 und 18 gelegt, um eine positive Spannung dem inneren Schirm 3, dem äusseren
Schirm 5 und der Anode 6 zuzuführen. Eine negative Gittervorspannungsbatterie 39 liegt zwischen Erde und Kappe ss, wodurch dem äusseren Gitter 4 mit der ungleichmässigen Steigung eine negative
Vorspannung erteilt wird.
Mit den obengenannten Spannungen arbeitet die Anordnung in folgender Weise : Die geheizte
Kathode 1 sendet Elektronen aus, welche infolge der positiven Spannung, die an dem Schirm 3 liegt, in der Richtung auf diesen hin angezogen werden. Die Elektronen erreichen den Schirm 3 mit einer hohen
Geschwindigkeit, so dass viele von ihnen durch den Schirm hindurchfliegen und das äussere Gitter 4 erreichen, dessen negatives Potential die Elektronen bremst und bewirkt, dass die meisten von ihnen zurück zu dem positiven Gitter 3 gezogen werden. Diese Bremswirkung ruft eine Wolke von langsam bewegten Elektronen hervor, die sich zwischen den Elektroden 3 und 4 ausbildet.
Diese Wolke kann als eine virtuelle Kathode bezeichnet werden, dass die Elektronen von dieser Wolke in ähnlicher Weise weggezogen werden können, wie dies in der Nachbarschaft der wirklichen Kathode 1 geschieht. Wenn der Schirm 5 und die Anodenplatte 6 positive Spannung besitzen, tritt dies tatsächlich ein. Ein Elektronenstrom wird von der virtuellen Kathode durch die Maschen der Gitterelektroden 4 und 5 zur Anode hingezogen.
Die Elektroden 4, 5 und 6 wirken in ähnlicher Weise wie das entsprechende Steuergitter, Schirmgitter und die Anode einer Vierelektroden-Schirmgitterröhre. Der äussere Schirm 5 besitzt gewöhnlich eine etwas geringere positive Spannung als die Anode, wie dies auch bei Schirmgittern vorteilhaft ist.
Die Elektronenentladungseinrichtung gemäss vorliegender Erfindung ist besonders vorteilhaft in den Fällen, wo eine Steuerung einer Vakuumröhre erwünscht ist, ohne dass in den Stromkreis dieser Röhre äussere Elemente eingeführt werden, welche nicht ordnungsmässig zusammenwirken würden ; z. B. kann der Verstärkungsteil der Röhre so betrachtet werden, als hätte er Eingangsklemmen in Gestalt
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des äusseren Gitters 4 und der virtuellen Kathode und Ausgangsklemmen in Gestalt der Anode 6 und der virtuellen Kathode. Da das Potential der virtuellen Kathode das gleiche ist wie das der wirklichen Kathode, stellt sich heraus, dass Zeichenspannungen, welche zwischen den Enden 14 und 19 angelegt werden, an den Enden 18 und 14 verstärkt wieder abgenommen werden können.
Die gewünschte Regelung der ankommenden Signale kann dann erzielt werden dadurch, dass man eine Regelspannung an das innere Gitter 2, d. h. an die Enden 14 und 16. legt. Diese Regelspannung kann in vielen Fällen eine einfache Wechselspannung sein, welche dementsprechend bewirkt, dass die ganze Anordnung als Modulator arbeitet.
Obwohl die oben beschriebene Form der erfindungsgemässen Ausbildung des Gitters besondere Vorteile bei einer Hexoden-Oszillator-Modulator-Röhre bietet, soll selbstverständlich diese Gitterkonstruktion nicht auf Hexoden oder Modulatorröhren beschränkt sein, sondern kann vorteilhaft auch bei allen möglichen andern Röhren Anwendung finden, bei denen eine Charakteristik mit allmählichem Abschneiden erwünscht ist. Wenn das Steuergitter auf einer virtuellen Kathode arbeitet, wie in der vorzugsweisen Oszillator-Modulator-Einrichtung, soll der Exponent c möglichst klein gehalten werden, in der Grössenordnung von 0'3-0'4. Etwas grössere Werte von c können jedoch benutzt werden, wenn das Steuergitter auf einer wirklichen Kathode arbeitet und wenn ein sehr allmähliches Abschneiden gewünscht wird.
Die graphische Methode zur Vorausbestimmung der mechanischen Abmessungen eines Gitters, welche hier an Hand von Exponentialgittern ausgeführt wurde, ist in gleicher Weise anwendbar zur Vorausbestimmung von Gittern, welche statt der exponentiellen irgendeine andere Abhängigkeit aufweisen sollen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vakuumröhre mit gitterförmigen Elektroden, von denen mindestens eine verschiedene Maschenweite (bzw. Abstand benachbarter Gitterwindungen) hat, insbesondere für die Verwendung als OszillatorModulator-Röhre, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Maschenweite einer bestimmten Gesetzmässigkeit folgt, nach welcher die Maschenweite jeder einzelnen Masche der grössten vorkommenden Maschenweite proportional ist, wobei der Proportionalitätsfaktor die umgekehrte Bruchpotenz einer der betreffenden Masche zugeordneten Ordnungszahl ist, welche man durch Ordnung der Maschen der Grösse nach erhält.