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Stromrichteranordnung, enthaltend eine Ionenentladungsröhre mit lichtbogenartiger Entladung und niedrigem Gas- oder Dampfdruck.
Die Erfindung betrifft eine Glühkathodenstromrichteranordnung, in der eine Ionenentladungsröhre mit lichtbogenartiger Entladung verwendet wird und besteht in der Formgebung der aktiven Kathodenfläche im Zusammenhang mit der Auswahl eines bestimmten Druck- und Belastungsbereiches.
Unter aktiver Kathodenfläche ist hiebei eine den Kathodendraht röhrenartig umgebende Umhüllungsfläche kreisförmigen Querschnittes zu verstehen, deren Durchmesser dem grössten Durchmesser des fertigen Kathodendrahtes gleich ist. Die kleinen Unregelmässigkeiten in der Oberfläche des gegebenenfalls aus mehreren Einzeldrähten zusammengesetzten Kathodendrahtes sind für die nachfolgende Überlegung'unwesentlich und werden deshalb nicht berücksichtigt.
Bei den sogenannten gasfreien Entladungsröhren ist es gebräuchlich, den Kathodendraht auf eine derartige Weise auszuspannen, dass benachbarte Kathodenteile nicht allzunahe beisammenliegen, da sonst die negative Raumladung der Elektronen an der Kathode eine Emission an den weniger frei gelegenen Teilen der Kathodenoberfläche verhindert.
Auch bei Röhren mit einer Gasfüllung von sehr niedrigem Druck, z. B. mit einem Gasdruck
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ladung in der Nähe der Kathode befindet, wurde dies bereits berücksichtigt. Die Stromdichte lag in diesem Falle erheblich unterhalb 0'050 A/cm2.
Bei Glühkathodenröhren mit höherem Betriebsdruck, in denen das Potentialgefälle zwischen Anode und Kathode auf eine sehr dünne Raumladungssehicht an der Glühkathode beschränkt ist (Bogenentladung), verwendet man die genannte Bauart hingegen nicht, sondern man windet den Kathodendraht in kompakter Schraubenform, um unnötige Wärmeverluste an die umgebende Gasfüllung zu vermeiden. Positive Ionen zur Neutralisierung der Raumladung sind hiebei auch in den Spalten und Aushöhlungen der Kathode in hinreichendem Masse vorhanden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass es ein Gebiet der Druck-und Strombelastungswerte gibt, bei denen auch für die lichtbogenartige Entladung eine durchbrochener Bauart vorzuziehen ist. Dieses Gebiet erstreckt sich für Argon von 0'02 mm Hg abwärts bis zu einer Grenze von ungefähr ein Fünf- undzwanzigstel dieses Wertes ;
hinsichtlich des Verhältnisses von Höchstwert und Mindestwert gilt für die andern Edelgase und für Quecksilberdampf dasselbe, die Höchstwerte Pmax betragen jedoch für :
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<tb>
<tb> Helium <SEP> 100. <SEP> 10-" <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> Neon <SEP> 70. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> Argon <SEP> 20. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> Krypton.............................. <SEP> 12. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> Xenon............................. <SEP> :
.. <SEP> 10. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb> Quecksilberdampf...................... <SEP> 8. <SEP> 10-3 <SEP> mm <SEP> Hg
<tb>
Die den hier angegebenen pmax-Werten für Edelgase und Quecksilberdampf entsprechenden Werte der freien Weglänge der Atome sind alle der gleichen Grössenordnung.
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zentimeter aktiver Kathodenfläche betragen, bei geringeren Belastungen ergibt eine durchbrochener Form der Kathode keine nennenswerten Vorteile mehr.
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Für das genannte Gebiet der Drücke und Strombelastungen ergibt sich eine erhebliche Zunahme der Lebensdauer der Röhre, wenn dafür Sorge getragen wird, dass die gegenseitige Entfernung benachbarter Kathodenteile ein bestimmtes Mindestmass nicht unterschreitet. Es zeigt sich in der Praxis, dass zugleich mit dieser Zunahme der Lebensdauer eine Herabsetzung der Bogenspannung der Entladung eintritt, welche wahrscheinlich infolge der dadurch bedingten Verringerung der Kathodenzerstäubung als Ursache der längeren Lebensdauer zu betrachten ist.
Es ist an sich bekannt, die Kathode in einer Röhre mit Gasfüllung als Hohlraumkathode auszubilden, d. h. die Kathodenwindungen mit einem derartigen gegenseitigen Abstand anzuordnen oder ihnen einen solchen Durchmesser zu geben, dass auch die innere Oberfläche der Kathode an der Emission teilnimmt. Die der Erfindung zugrunde liegende Erscheinung ist jedoch eine andere, es gelingt dabei nämlich, mit einer die obenstehenden Bedingungen erfüllenden Kathode noch einen erheblichen weiteren Fortschritt zu erzielen, u. zw. in dem genannten Gebiet der Strombelastungen und des Gasdruckes.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Lebensdauerversuche an Entladungsröhren mit gleichem Druck und gleich beschaffenen schraubenförmig gewundenen Kathoden, deren Windungen jedoch mehr oder weniger auseinandergezogen waren, haben gezeigt, dass es zur Erzielung des bei der Erfindung beabsichtigten Gewinnes an Lebensdauer erforderlich ist, die gegenseitige Entfernung benachbarter drahtförmiger Kathodenteile (z. B. Schleifen oder Windungen) mindestens auf ungefähr das Doppelte des Wertes zu bringen, bei dem der ganze Umfang des Kathodendrahtes an der Emission teilnimmt.
Es ist zu bemerken, dass für die Erzielung des erfindungsgemässen Effektes Kathoden aus bandförmigem Material ungeeignet sind, da bei diesen bereits eine viel grössere Konzentration der emittierenden Oberflächen vorhanden ist als bei einem Kathodenkörper, welcher aus einem Runddraht hergestellt ist. Diese Zusammendrängung der emittierenden Flächen einer bandförmigen Kathode im Vergleich zu einer aus Runddraht hergestellten ist offensichtlich, da man sich die erstere aus einer Anzahl von parallel zueinander zusammengerückten Drahtkathoden gebildet vorstellen kann, von denen die einander zugewendeten Oberflächenteile durch das Zusammenrücken zum grössten Teil in Fortfall gekommen sind.
Auch sieht man ohne weiteres, dass ein emittierender Punkt auf der Oberfläche einer bandförmigen Kathode einen erheblich kleineren Räumwinkel zur Verfügung hat, innerhalb dessen er die erforderlichen Ionen aus der Gasfüllung beziehen kann, als einer auf einer Kathode mit kreisförmigem Querschnitt.
Der erfindungsgemässe Effekt wird bei einem aus Runddraht schraubenförmig gewundenen Kathodengebilde in günstiger Weise erzielt, wenn die gegenseitige Entfernung der Oberflächen benach-
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steigert.
Eine Entladungsröhre zur Verwendung in einer Stromrichteranordnung kann sowohl mit Edelgasen als auch mit Querksilberdampf oder einem Gemisch aus beiden gefüllt werden. Es ergibt sich jedoch bei der Verwendung von Quecksilberdampf der Vorteil, dass das Vorhandensein des erforderlichen Dampfdruckes in der Röhre zu jeder Zeit gewährleistet ist, wenn man in an sich bekannter Weise einen zur beständigen Erneuerung der Dampffüllung dienenden Quecksilbertropfen in dem Entladungsgefäss anordnet.
Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung bilden Sehaltvorrichtungen für grosse Stromstärken, mittels derer kurzzeitige Ströme über die Hauptentladungsbahn einer mit Queck- silberdampf gefüllten Entladungsröhre geleitet werden können. Bei kurzzeitigen Schaltvorgängen hat nämlich der Queeksilberdajnpfdruck keine Zeit, einen höheren Wert durch Erwärmung der Röhre zu erreichen, und es ergibt sieh bei dem niedrigen Druck eine starke Kathodenzerstäubung, d. h.
eine kurze Lebensdauer der Röhre, so dass der durch die Erfindung möglich gewordene Gewinn an Lebensdauer hier besonders wertvoll ist..'
An Hand der Zeichnung, welche den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen Gleichrichterröhre'und mit einer solchen aufgenommene Kennlinien zeigt, wird die Erfindung näher erläutert.
Die in den Fig. 1-4 gezeichneten Kennlinien zeigen die Abhängigkeit der Bogenspannung vom
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und 60. 10-3 mm Hg. Die gegenseitige Entfernung-d der aufeinanderfolgenden Drahtwindungen der Kathodenschraube ist als Parameter gewählt ; jede Figur enthält die Stromspannungskennlinien von
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Röhren, bei denen die Abstände d jeweils 0-2, 0-8, 1-6, 2-5 und 5 mm betragen. Man kann annehmen, dass bereits bei einer Entfernung von 0-2 mm der ganze Umfang des Kathodendrahtes an der Emission teilnimmt.
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<tb>
<tb>
Die <SEP> Versuchsröhren <SEP> wiesen <SEP> die <SEP> nachfolgenden <SEP> gemeinsamen <SEP> Merkmale <SEP> auf <SEP> :
<tb> Durchmesser <SEP> des <SEP> kugelförmigen <SEP> Entladungsgefässes <SEP> 90 <SEP> mm
<tb> Entfernung <SEP> von <SEP> den <SEP> Anoden <SEP> bis <SEP> zur <SEP> Mitte <SEP> der <SEP> Kathode......... <SEP> 15 <SEP> mm
<tb> Durchmesser <SEP> der <SEP> Anoden <SEP> 30 <SEP> mm
<tb> Windungszahl <SEP> der <SEP> Kathode <SEP> 6
<tb> Durchmesser <SEP> des <SEP> umsponnenen <SEP> Kathodendrahtes................ <SEP> 0'6 <SEP> mm
<tb> Innerer <SEP> Durchmesser <SEP> der <SEP> Kathodenschraube.................... <SEP> 3-3 <SEP> mm
<tb> Länge <SEP> der <SEP> Kathodenschraube <SEP> (5 <SEP> verschiedene <SEP> Werte) <SEP> 5,9, <SEP> 14,19 <SEP> und <SEP> 34 <SEP> mm
<tb> Aktive <SEP> Kathodenfläche <SEP> 1.
<SEP> 6 <SEP> em2
<tb> Schwarze <SEP> Temperatur <SEP> der <SEP> nicht <SEP> emittierenden <SEP> Kathode......... <SEP> 12000 <SEP> J <SEP> {
<tb> Wirkliche <SEP> Temperatur <SEP> der <SEP> nicht <SEP> emittierenden <SEP> Kathode......... <SEP> zirka <SEP> 13500 <SEP> K
<tb> Heizspannung <SEP> der <SEP> Kathode <SEP> ungefähr <SEP> 2 <SEP> V.
<tb>
Heizstrom <SEP> der <SEP> Kathode <SEP> ungefähr <SEP> 8-5 <SEP> A.
<tb>
Verwendete <SEP> Gasfüllung <SEP> Argon.
<tb>
Die Einstellung der Glühkathode auf den angegebenen Temperaturwert wurde bei unbelastetem Anodenkreis vorgenommen, d. h. frei von einer Beeinflussung durch Änderungen im Belastungszustand des Anodenkreises.
Die Kennlinien wurden mit Gleichstrom aufgenommen.
Aus Fig. 1-3 geht hervor, dass die Bogenspannung bei der für den erfindungsgemässen Effekt einen Mindestwert darstellenden Strombelastung von 0-08 + 0-4--../ctK2, d. h. von zirka 0-16
Pmax. bis 0. 44 A. Absolutwert, und bei geringem Windungsabstand (0-2 mm) erheblich höher liegt als bei den grösseren Windungsabständen von mehr als dem Drahtdurchmesser der Kathode (0-8 mm oder mehr).
Bei einem Druck von 0. 06 mm gemäss Fig. 4 hingegen ist der Unterschied zwischen den Bogenspannungswerten für die verschiedenen Windungsabstände nur noch sehr gering.
Bei den Gasdrücken nach den Fig. 1-3 ist der oben genannte Unterschied in den Bogenspannungen auch bis zu den höchsten Stromwerten vorhanden, besonders der Unterschied bei den niedrigeren Drücken von 4 und 6. 10-3 mm ist auffallend. Bei 18-10-3 mm gemäss Fig. 3 ergibt sich immer noch eine Herabsetzung der Bogenspannung von der Grössenordnung von 15 Volt, bei 60. 10-3 mm gemäss Fig. 4 ist jedoch für die höheren Stromwerte überhaupt kein Effekt mehr festzustellen.
Man kann beobachten, dass der Effekt aufhört, sobald die Kennlinien einen ausgesprochen negativen Charakter aufweisen. Anderseits ist zu bemerken, dass die Kennlinien in den Fig. 1-3 bei den kleinen Stromwerten, jeweils für die sämtlichen Windungsabstände, sichtlich einem gemeinsamen Spannungswert zustreben, woraus erhellt, dass der erfindungsgemässe Effekt für erheblich unterhalb der Mindestgrenze von 0-08 + 0-4 --A/cm2 liegende Ströme nicht mehr vorhanden ist.
Pmax.
Die Erfahrung hat gelehrt, dass eine bestimmte Beziehung zwischen der Bogenspannung und der Lebensdauer einer Entladungsröhre besteht, u. zw. in dem Sinne, dass eine verhältnismässig geringe Herabsetzung der Bogenspannung unter Umständen eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer mit sich bringt. Aus diesem Grunde ist die gemäss der Erfindung erzielbare Herabsetzung der Bogenspannung für die Lebensdauer der Röhre von ausschlaggebender Bedeutung.
Es ist z. B. Fig. 1 zu entnehmen, dass die Bogenspannung für 1 A. Entladungsstrom, welche bei 0-2 mm Windungsabstand einen praktisch unbrauchbaren Wert aufweist, bei 0-8 mm Windungsabstand auf zirka 30 V fällt, um bei einem Windungsabstand von 5 mm sogar auf zirka 20 V herunterzugehen. Dieses Ergebnis ist in Anbetracht des niedrigen Druckes von 4. 10-3 mrn Hg als ausserordentlich günstig zu betrachten, die Lebensdauer der vorerst praktisch unbrauchbaren Röhre wird dadurch vervielfacht.
Gemäss Fig. 2 fällt die Bogenspannung von oberhalb 50 V für den gleichen Stromwert von 1 A., bei den Windungsabständen von 0-8 und 5 mm auf 23 V bzw. etwa 17 V.
Aus Fig. 3 ist zu ersehen, dass bei dem gleichen Stromwert von 1 A. der anfängliche Spannungsverlust von 23 V immer noch auf die sehr günstigen Werte von 16 bzw. 14 V zurückgebracht werden kann.
Änderungen der Bogenspannung zwischen 12 und 14 V wie solche gemäss Fig. 4 bei 1 .. Entladungsstrom auftreten, üben nur noch einen für die vorliegende Erfindung unwesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Röhre aus.
Der in Fig. 5 schematisch dargestellte Aufbau der Röhren, mit denen die oben beschriebenen Kennlinien aufgenommen wurden, besteht aus einem kugelförmigen Glaskolben 1, in dessen Mitte die Glühkathode 2 und, symmetrisch zu ihr und mit ihrer Fläche senkrecht zur Kathodenachse, zwei kreisförmige Anoden 3 aus Nickelblech angeordnet sind. Die Anoden 3 wurden bei den Messungen
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parallel geschaltet. Die Glühkathode 2 ist eine Oxydkathode, und der Windungsabstand ist bei den verschiedenen Messröhren verschieden gewählt worden. Die Hauptabmessungen der Röhren sind der im Anfang der Figurbeschreibung aufgenommenen Tabelle zu entnehmen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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oder Dämpfe zwischen eine gleiche Grössenordnung der-freien Weglänge der Atome ergebenden Höchstund Mindestwerten gelegen ist und deren aus Metalldraht hergestellte Glühkathode mit einem Emis-
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drahtförmiger Kathoden'teile (z. *B. Schleifen oder Windungen) mindestens ungefähr das Doppelte jener Entfernung beträgt, bei welcher der ganze Umfang des Kathodendrahtes an der Emission teilnimmt.