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Indirekt geheizte Glühkathode für Entladungsröhren.
Die Erfindung bezweckt, indirekt geheizte Glühkathoden für Entladungsröhren zu schaffen, bei welchen die Heizung mit einer im Vergleich zu den heute praktisch üblichen Spannungen hohen
Spannung erfolgt, insbesondere unmittelbar mit der vollen Netzspannung. Es wurden bereits verschiedentlich Vorschläge gemacht, um die Heizung von indirekt geheizten Glühkathode unmittelbar mit der vollen Netzspannung zu ermöglichen, doch haben diese Vorschläge keinen Eingang in der Praxis gefunden, offenbar deshalb, weil entsprechend diesen Vorschlägen ausgebildete Röhren entweder überhaupt nicht funktionsfähig gewesen wären oder aber, insoweit sie an sieh funktionsfähig wären, hinsichtlich Ökonomie, Anlaufzeit und Lebensdauer der Röhren nicht jenen Anforderungen entsprechen können,
die man heute an eine Röhre mit indirekt geheizter Kathode zu stellen gewohnt ist.
Durch die Erfindung gelingt es nun, eine unmittelbar mit hoher Spannung, insbesondere unmittelbar mit der vollen Netzspannung, indirekt beheizte Kathode zu schaffen, welche in allen Belangen den bekannten indirekt geheizten Röhren für Niederspannung ebenbürtig ist, aber dabei die grossen Vorteile verwirklichen lässt, welche in der direkten Anschlussmöglichkeit an die volle Netzspannung gelegen sind.
Das Erfindungsprinzip, das dieses Ziel zu erreichen gestattet, liegt darin, dass der sehr dünn gewählte, u. zw. im Durchmesser wesentlich unter 0-1 mm gehaltene spiralisierte Heizfaden, dessen Länge in der spiralisierten Form ein Mehrfaches der Kathodenlänge beträgt, innerhalb eines Isolerkörpers von so geringen Abmessungen untergebracht ist, dass der zur Umschliessung dieses Isolierkörpers erforderliche Kathodenmantel durch eine annähernd in der Grössenordnung der bei Niedervoltkathoden üblichen Gesamtheizenergie liegenden Heizenergie eine Heizleistung von mindestens 1 bis 1-5 Watt pro Quadratzentimeter dieses Kathodenmantels erhält.
Dieses Prinzip, nach welchem der Heizfaden in so "konzentrierter" Form als möglich innerhalb einer Kathode angeordnet wird, d. h. so angeordnet wird, dass von dem Kathodenhohlraum ein möglichst grosser Teil von dem Heizfaden, hingegen ein möglichst geringer Teil von Isoliermaterial in Anspruch genommen wird, wobei die Kathode ihrerseits wieder auf jene Grösse beschränkt wird, die zur Aufnahme dieses konzentriert angeordneten Heizfadens erforderlich ist, führt zu einer Kathode von ungefähr den bei Niedervoltkathoden üblichen Abmessungen, deren Oberfläche also in der Grössenordnung von etwa 4 cm2 oder darunter liegt.
Das Prinzip der möglichst konzentrierten Anordnung des Heizfadens innerhalb des durch den Kathodenmantel bestimmten Hohlraumes lässt sich auch durch das Verhältnis der Oberfläche des
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Um zu diesem Prinzip zu gelangen, musste mit jenen Ansehauungen gebrochen werden, welche vor der Erfindung in der Fachwelt hinsichtlich der Möglichkeiten der Verwendung einer hohen Heizspannung für Kathodenbeheizung als riehtig, galten. Die Fachleute waren nämlich der Meinung, dass die Einführung einerhohen Heizspannung in eine indirekt geheizte Kathode besonders starke Isolierungen innerhalb der Kathode erforderlich ma hen, u. zw. um so stärkere, je höher die Spannung gewählt wurde.
Die Folge dieser Auffassung war, dass man schon für die Unterbringung der als notwendig erachteten starken Isolierschichten, gleichgültig ob diese durch feste Isolierstoffe oder durch das Vakuum gebildet sein sollten, grosse Kathodenvolumina für nötig erachtete, ohne dabei aber für den Heizdraht selbst nennenswerten Raum schaffen zu können. (Vgl. die amerikanische Patentschrift Nr. 1599180 und die britische Patentschrift Nr. 326617).
Auf Grund dieser vor der Erfindung bestandenen Anschauungen
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erreichbar und es bedurfte. wie erwähnt, einer vollständigen Abkehr von den früheren Auffassungen. um zu der Erfindung zu gelangen.
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eine bestimmte Röhrentype (Verstärkerröhre, Gleichrichterröhre, Leuchtröhre usw. ) mit einer Energie- zufuhr aus, die nicht grösser zu sein braucht als die Energiemenge, die bei der gleichen Röhrentype bzw. für die gleiche nutzbare Kathodenleistung bei indirekter Heizung mit Niederspannung (2 bis 6 Volt) üblich ist.
Aber auch wenn man nicht an die äusserste Grenze des nach der Erfindung Erreichbaren geht, so erhält man noch immer viel günstigere Verhältnisse, als sie bei irgendeinem der früheren Vor- sehläge für indirekte Hoehspannungsheizung vorlagen. Worauf das überraschend günstige Arbeiten der nach der weiter oben gegebenen Lehre ausgebildeten Kathoden zurückzuführen ist. ist noch nicht in allen Punkten klargestellt, doch dürfte der folgende an Hand der Erfindung gegebene Erklärung- versuch zumindest jene Faktoren berücksichtigen, die für die Wirkungsweise der Kathode bzw. der mit dieser Kathode ausgestatteten Röhre in erster Linie bedeutsam sind :
Wird entsprechend der vorher
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geringen Kathodenoberfläche das Auslangen zu finden, so wird anzustreben sein, dass vom Heizfaden selbst eingenommene Volumen möglichst klein zu halten. Das Heizfadenvolumen wird klein, wenn der Durchmesser des Heizfadens möglichst klein gehalten wird. und ferner, wenn auch seine Länge möglichst klein ist. Diese beiden Erfordernisse begegnen einander, da die für eine vorgegebene Spannung erforderliche Heizfadenlänge um so kleiner wird, je kleiner der Heizfadendurchmesser ist. Im Sinne der Erfindung wird man daher vor allem mit einem möglichst dünnen Heizfaden zu arbeiten trachten.
Zweckmässig verwendet man einen Heizfaden, dessen Durchmesser weniger als 0-06 mm. vorzugsweise
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nicht die erforderliehe Lebensdauer haben würde, erweist sich bei der Durchführung des Gedankens der, . Konzentration" des Heizfadens als nicht berechtigt, da sich nämlich zeigt, dass es bei der erfindung- gemässen konzentrierten Heizfadenanordnung gar nicht nötig ist, den Heizfaden auf jene hohen Temperaturen zu erhitzen, die er insbesondere mit Rücksicht auf das ihn umgebende Isoliermaterial nicht dauernd aushalten würde, sondern dass man die Emissionstemperatur der Kathode schon mit einer vergleichsweise sehr niedrigen Heizfadentemperatur erzielen kann.
Der verwendete dünne Heizfaden führt bei der gegebenen Spannung nur einen verhältnismässig geringen Strom, so dass die von diesem Heizfaden verarbeitete Leistung auch nur klein ist. Diese geringe zugeführte Leistung reicht beim Erfindungsgegenstand gleichwohl aus, um die Kathode zur Emission zu bringen, u. zw. deswegen, weil in diesem Falle auf jeden Quadratzentimeter der Kathodenoberfläche ein viel grösserer Teil der Länge des Heizfadens entfällt, als bei den vorbekannten Anordnungen, d. li. zur Aufheizung jedes Quadrat- zentimeters der Kathodenoberfläche ein viel grössere Heizfadenlänge und damit auch Fadenoberfläche zur Verfügung steht, als bei nicht konzentriert angeordneten Heizfaden. Dies hat zur Folge, dass.
um einen Quadratzentimeter der Kathodenoberfläche auf die Emi8sionstemperatur zu bringen, jede Einheit der Heizfadenoberfläehe nur eine verhältnismässig kleine Wärmemenge aufzubringen hat. dass es also genügt, wenn der Heizfaden mit einer verhältnismässig niedrigen Temperatur betrieben wird. Wegen dieser sich so ergebenden niedrigen Temperatur findet man aber weiterhin auch mit sehr dünnen Isolierschichten das Auslangen.
Der Gedanke. durch möglichste Zusammendrängung der erforderlichen Heizfadenlänge auf einen kleinen Raum die Kathode möglichst klein zu erhalten, schafft also in weiterer Folge die Möglichkeit, für eine nochmalige Verkleinerung der Kathode. Wie weit man nun in der Praxis diese durch die Erfindung möglich gewordene Verkleinerung der Kathode treiben will, hängt natürlich von verschiedenen Umständen ab, wie beispielsweise von der Art des verwendeten Isolier- materials.
von der Höhe der Heizfadentemperatur, die man innerhalb der mit Rücksicht auf eine entsprechende Lebensdauer bei dem jeweils verwendeten Isoliermaterial noch zulässigen Grenzen
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zugehen nicht mehr zweckmässig wäre, von der Leistung der Kathode, die für eine bestimmte Röhrentype gefordert wird, und anderem mehr.
Jedenfalls ist, wie aus dem vorstehenden ersichtlich. anzustreben, dass das Verhältnis der Heiz- fadenoberfläche zu der wirksamen Kathodenoberfläche möglichst gross ausfällt. Dazu bedarf es. wie bereits erwähnt, eines kleinen Volumens der Kathode, aber ilberdies auch noch der Ausbildung der Kathode in solcher Weise, dass dieses kleine Kathodenvolumen in eine Form gelangt, in welcher es eine möglichst kleine Oberfläche aufweist. Es wird daher im Sinne der Erfindung nicht zweckmässig sein. beispielsweise eine einzige geradlinige Spirale zu verwenden, da der zur Aufnahme dieser geradlinigen Spirale erforderliche lange Kathodenzylinder eine im Verhältnis zum Volumen dieses Zylinders ungünstig grosse Oberfläche aufweisen würde.
Ein wesentlich verbessertes Verhältnis der Kathoden- oberfläche zum Volumen und damit ein verbessertes Verhältnis zwischen Heizfadenoberfläche und Kathodenoberfläche wird man aber beispielsweise dadurch erreichen können, dass man den spiralisierten
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in einer entsprechend kleinen Kathode auch durch eine andere Formgebung des Fadens als der in mehrfach hin-und hergeführten Spiralen, z. B. durch nochmalige Spiralisierung der Drahtspirale od. dgl., ausführen lässt.
Dabei ergibt sich ein neues überraschendes Moment, nämlich das, dass die Verhältnisse mit zunehmender Spannung nicht ungünstiger, sondern im Gegenteil günstiger werden, u. zw. deshalb, weil sich mit zunehmender Spannung das Verhältnis der Heizfadenoberfläche zu der zur Umschliessung des Heizfadens erforderlichen Kathodenoberf@äche vergrössert.
Die Erfindung ist in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer Glühkathode, bei welcher ein zylindrisches, mit einer emittierenden Schicht überzogenes Röhrchen durch einen spiralisierten und mehrmals hinund hergeführten Draht beheizt wird. wobei jeder Abschnitt sich innerhalb eines beonderen Isolier- röhrehens befindet, während gemäss Fig. 3 und 4 die einzelnen Abschnitte des Heizdrahtes innerhalb von Kanälen eines keramischen Isolierkörpers verlaufen, der den Hohlraum der Glühkatode ausfiillt.
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schicht von einem kastenförmigen, sich im wesentlichen in zwei Ebenen erstreckenden Träger getragen wird.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte, indirekt beheizte Glühkathode bestellt aus einem hohlen
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wird. Dieser Heizfaden ist, wie früher erläutert. von so grosser Länge, dass sein Widerstand ausreicht, um bei verhältnismässig hohen Spannungen die gewünschte Heizleistung bei der gewünschten, nicht zu hohen Temperatur abzugeben. Zur gedrängten Unterbringung dieser Fadenlänge innerhalb des von der zu beheizenden Fläche eingeschlossenen Raumes wird der Heizfaden durchgehend spiralisiert und überdies in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in vier mäanderförmigen Windungen im Innern
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mässig ausfüllen.
Die abgeänderte Ausführungsform gemäss Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der soeben besehriebenen Ausführungsforni dadurch, dass an Stelle der einzelnen Isolierröhrehen ein einziger keramischer Isolierkörper getreten ist, welcher das ganze Innere des hohizylindrischen Kathoden-
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Fig. 3 und 4 vier Kanäle) auf, durch welche die Heizfadenspiralen hindurchgeführt werden.
Dass eine genügende Länge des Heizfadens bei entsprechender Dicke des Fadens innerhalb der Glühkathode untergebracht werden kann, zeigt folgendes Ausführungsbeispiel'
Es sei beispielsweise die Glühkathode an ein Lichtnetz von 110-Volt-Spannung anzuschliessen.
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(was den üblichen Dimensionen entspricht). In diesem Fall wird eine Heizspirale verwendet, die aus Wolframdraht besteht, welcher einen Durchmesser von 0#02 mm aufweist. Die gesamte Heizdrahtlänge, welche in diesem Fall erforderlieh ist, um die Heizung gemäss der Erfindung durchzuführen, beträgt 170 cm.
Ein Draht von 170 cm glatter Länge wird durch Spiralisieren leicht in eine Drahtspirale um- gewandelt, die je nach dem Durchmesser der Windung 80 bis 140 111m Länge von Ende zu Ende aufweist. Diese Länge eines spiralisierten Drahtes kann innerhalb des von der Glüh- kathode eingeschlossenen Raumes leicht untergebracht werden, wenn der spiralisierte Draht höchstens viermal durch den Hohlraum hin-und hergeführt wird. An Stelle viermaliger geradliniger Hin-und Herfiihrung genügt auch ein Herumführen der Drahtspirale in einer ziemlich steilen Spiral-oder Schraubenwindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Kathodenoberfläche 0#3 cm # x # 3 cm = 2#83 cm2.
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Verhältnis von Heizfadenoberfläche zu Kathodenoberfläche 1 : 2-64. Dieses Verhältnis stellt noch keineswegs das durch die Erfindung erzielbare Optimum dar : vielmehr kann durch weitergehende Nutzbarmachung des erfindungsgemässen Gedankens der Konzentration, als dies bei dem eben behandelten Ausführungsbeispiel der Fall ist, die Kathodenoberfläche noch beträchtlich herabgedrückt und damit das Verhältnis von Heizfadenoberfläche zu Kathodenoberfläche auf einen noch wesentlich höheren Wert gebracht werden.
Bei Anwendung der Erfindung ist es somit auch bei sehr dünnen Drähten möglich, eine Heizleistung anzuwenden, welche mindestens zirka 1 bis 112 Watt pro Quadratzentimeter Kathoden- oberfläche, gewöhnlieh noch wesentlich mehr beträgt bzw. es ist möglich, bei ganz normalen Glühkathodendimensionen die üblichen Netzspannungen als Heizspannung zu verwenden.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform der Kathode zeigt einen kastenförmigen Körper, welcher sich insbesondere zur Benutzung in Verbindung mit kastenförmigen Röhrenaufbauten eignet.
In diesem Falle wird ein der Kastenform angepasster, annähernd schmalrechteckiger Isolierkörper innerhalb des Kastens vorgesehen, welcher eine grosse Zahl von Kanälen, im vorliegenden Ausführungs- beispiel sind acht Kanäle dargestellt, unterzubringen gestattet. Innerhalb dieser Kanäle wird dann der
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spiralisierte Heizdraht hin-und hergeführt. Eine derartige Glühkathode kommt hauptsächlich für hohe Spannungen zur Verwendung.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der spiralisierte Heizfaden durchwegs in mäanderförmigen Windungen hin-und hergeführt. Wie jedoch bereits erwähnt, ist es fiir die Durchführung des Gedankens der.. Konzentration" des Heizfadens nicht unbedingt erforderlieh, gerade die mäanderförmige Hin-und Herfuhrung der Heizdrahtspirale zu wählen. Vielmehr kann auch eine andere Formgebung der Drahtspirale benutzt werden, z. B. kann die Drahtspirale nochmals spiralisiert werden.