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Gasentladungseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf Gasentladungseinrichtungen und betrifft insbesondere Glimm- entladungseinrichtungen mit Kaltkathoden.
Gasentladungseinrichtungen, die nur zwei Elektroden aufweisen, haben im allgemeinen eine Strom-
Spannungs-Kennlinie, die einen Kurventeil negativen Widerstandes enthält, der unmittelbar an den
Zündpunkt anschliesst und sich auf einen sehr schmalen Bereich von ziemlich niedrigen Strömen in der
Grössenordnung von Mikroampere beschränkt. Ferner ist dieser Kurventeil negativen Widerstandes ziem- lich instabil, so dass es fast unmöglich ist, eine Gasentladungseinrichtung in einem bestimmten Punkt dieses Kennlinienteiles zu betreiben. Im Anschluss an den negativen Anfangsteil ist die Kennlinie im
Gebiet der abnormalen Entladung im allgemeinen positiv, d. h. die Spannung wächst mit zunehmendem
Strom durch die Entladungseinrichtung an.
Im abnormalen Entladungsgebiet der Kennlinie ist die Kathode vollständig mit Glimmlicht bedeckt und bei Erhöhung des Kathodenstromes bzw. der Kathodenstromdichte wächst gewöhnlich der Spannungsabfall in der Kathodenregion ebenfalls an.
Es wurde jedoch gefunden, dass auch bei relativ hohen Betriebsströmen innerhalb eines beschränkten
Strombereiches und eines weiten Frequenzbereiches ein stabiler, reproduzierbarer Kennlinienteil negativen Widerstandes erhalten werden kann, wenn die Kathode eine besondere Gestalt hat und die Kathodengestalt, die Anodenanordnung und der Gasdruck in bezug aufeinander in bestimmter Weise gewählt werden.
Einrichtungen dieser Art können mit besonderem Vorteil in Schaltnetzwerken für Telephonanlagen verwendet werden, bei welchen Gasdioden Kreuzungspunkte im Netzwerk bilden und die Sprechwege über das Netzwerk durchschalten. Bei solchen Netzwerken hängt die zulässige Anzahl der Stufen und damit die mögliche Anzahl der durchschaltbaren Sprechwege sowie die Anzahl von Teilnehmer- und Gruppenleitungen, die durch das Schaltnetzwerk verbunden werden können, zum Teil von den zur Verhinderung einer falschen Auslösung einer Gasdiode verfügbaren Spannungsspielräumen an den einzelnen Kreuzungspunkten ab. Um diesen Spannungsspielraum zu erhöhen, soll die Zündspannung hoch und der Unterschied zwischen Zündspannung und Bremsspannung bei jeder Gasdiode so gross wie möglich sein.
Wenn der Unterschied zwischen der Zünd- und der Brennspannung nicht gross ist, so wird die Anzahl der Gasdioden, die in einem Schaltnetzwerk angewendet werden kann, durch die Möglichkeit fehlerhafter Zündungen von Kreuzungspunktdioden im Netzwerk infolge kummulativer Abweichungen der Brennspannungen von gezündeten Gasdioden im Netzwerk beschränkt.
Die Zündspannung einer Gasentladungsdiode hängt sowohl vom Diodenaufbau als auch von den Betriebsbedingungen ab. Insbesondere nimmt die Zündspannung ein Minimum an, wenn die Gasdiode im pd-Minimum der Paschen-Kurve betrieben wird, das gewöhnlich als Paschen-Minimum bezeichnet wird. Dieser Punkt minimaler Zündspannung wird durch das Produkt von Anoden-Kathoden-Abstand d und Gasdruck p in der Kathodenregion bestimmt. Es würde daher zunächst zweckmässig erscheinen, solche Gasdioden in einem vom Paschen-Minimum entfernt liegenden Arbeitspunkt zu betreiben. Hiebei ist jedoch noch ein anderer Gesichtspunkt zu berücksichtigen ; die richtige Arbeitsweise des Schaltnetzwerkes hängt weitgehend davon ab, dass die Brenn- und Zündspannungen der im Netzwerk verwendeten Dioden untereinander gleich und konstant sind.
Nun wird aber nur innerhalb des Paschen-Minimums die Zündspannung durch geringe Schwankungen des Anoden-Kathoden-Abstandes d oder des Gasdruckes p in der
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Kathodenregion nicht nennenswert beeinflusst. Es ist zwar möglich, den Anoden-Kathoden-Abstand d innerhalb der verschiedenen Gasdioden sehr genau und reproduzierbar festzulegen, etwa durch ionische Ätzung der Anodenoberfläche, und es ist auch möglich, die Kathoden so zu haltern, dass eine Kompensation der Druckänderungen des Gases in der Region unmittelbar an der Kathode infolge der Erhitzung des Gases in dieser Region erreicht wird, etwa indem die Kathode an einem entsprechend bemessenen wärmeempfindlichen Kompensationsglied befestigt wird.
Die Herstellung von Gasdioden und ihr Aufbau wird jedoch vereinfacht, wenn im Paschen-Minimum die Zündspannung hoch genug und der Unterschied zwi- schen der Zündspannung und der Brennspannung gross genug ist, um einen Betrieb im Paschen-Minimum zu ermöglichen.
Da ferner bei Verwendung solcher Gasdioden in Schaltnetzwerken für Telephonanlagen die Dioden zweckmässig in den über das Netzwerk hergestellten Sprechwegen verbleiben sollen, kommt der auswertbaren Lebensdauer der Gasdioden, die praktisch mit der Lebensdauer ihrer Kathoden übereinstimmt, besondere Bedeutung zu. Die in solchen Entladungseinrichtungen verwendeten Kathoden haben die allgemein als Hohlkathoden bezeichnete Gestalt, d. h. es handelt sich um Kathoden, die einander gegen- überliegende emittierende Oberflächen aufweisen, so dass die von der einen Oberfläche emittierten Elektronen, welche durch den Kathodenfall dieser Oberfläche wandern, sich im Bereich des Kathodenfalles der andern Oberfläche befinden. Demgemäss sind solche Kathoden sehr ergiebig und können mit hohen Strömen betrieben werden.
Hinsichtlich der Lebensdauer haben sich aber besonders wegen der Zerstäubung der Kathodenoberfläche Schwierigkeiten ergeben.
Die Erfindung zielt darauf ab, verbesserte Gasentladungsdioden zu schaffen, die im abnormalen Entladungsgebiet einen stabilen Kennlinienteil negativen Widerstandes haben. Ferner befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, die Zündspannung von Gasentladungseinrichtungen zu erhöhen, so dass solche Einrichtungen in Schaltnetzwerken im Paschen-Minimum betrieben werden können. Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, bei Entladungseinrichtungen mit einem Kennlinienteil negativen Widerstandes den Anoden-Kathoden-Abstand zwecks Erzielung eines rauschfreien Betriebes zu erhöhen und die Lebensdauer zu vergrössern. Schliesslich befasst sich die Erfindung noch mit der Aufgabe, den Strombereich zu vergrössern, in dem innerhalb des abnormalen Entladungsgebietes ein Kennlinienteil negativen Widerstandes auftritt.
Bei speziellen Ausführungsformen der Erfindung besteht die Gasentladungseinrichtung aus einem Hüllgefäss mit einer Gasfüllung, wobei das verwendete Gas oder Gasgemisch und der Gasdruck zu den übrigen Parametern der Einrichtung in solcher Beziehung stehen, dass eine Kennlinie negativen Widerstandes erzielt wird. Innerhalb des Hüllgefässes sind eine Anode und eine als Elektronenquelle hoher Emissionsdichte ausgebildete Kathode angeordnet. Nach einem Merkmal der Erfindung ist zwischen der Kathode und der Anode ein körperlicher Sperrteil vorgesehen, in dem sich eine Öffnung befindet, die dazu dient, die Strömung der Entladung zwischen der Kathode und der Anode einzuschnüren.
Es wurde gefunden, dass eine solche Einschnürung in Verbindung mit einer geeigneten Wahl der übrigen Elemente einen Kennlinienteil negativen Widerstandes mit verbesserten Eigenschaften gegenüber solchen Kennlinienteilen negativen Widerstandes ergibt, die ausschliesslich durch die Kathodengestalt und die richtige Anordnung und Wahl der übrigen Elemente bzw. Parameter erzielt sind. Diese Vorteile werden später noch erläutert.
Der mit der Öffnung versehene Sperrteil ist elektrisch mit der Kathode verbunden und soll eine höhere Brennspannung als die Kathode haben. Da der Sperrteil zwischen der Kathode und der Anode eingefügt ist, wird die Zündung zuerst zu ihm hin erfolgen. Wegen der erwähnten Differenz der Brennspannungen wird jedoch die zum Sperrteil hin eingeleitete Entladung durch die Öffnung des Sperrteiles hindurch zur Kathode verschoben werden. Der Sperrteil kann mit Vorteil aus einem Stück mit der Kathode hergestellt und die Öffnung durch eine Mündung im Sperrteil gebildet werden. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung kann die Kathode als ein kleiner Hohlraum in einem metallischen Körper ausgebildet sein, der über dem Hohlraum in den Sperrteil übergeht.
Es hat sich gezeigt, dass im Rahmen der Erfindung zweckmässig Hohlkathoden verwendet werden, u. zw. insbesondere solche, bei welchen der Hohlraum im wesentlichen Kugelgestalt hat.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei welchen eine zwischen Kathode und Anode angeordnete Einschnürung der vorstehend beschriebenen Art verwendet und das Ausmass dieser Einschnürung in geeignete Beziehung zur Gasfüllung, zum Gasdruck und zur Elektrodenanordnung gebracht wird, um im abnormalen Entladungsgebiet im wesentlichen den gleichen negativen Widerstand wie bei älteren Ent-
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gegenüber diesen älteren Einrichtungen erzielt. Insbesondere ist bei Ausführungen gemäss der Erfindung der Anoden-Kathoden-Abstand, ausgedrückt als das Produkt von Druck und Abstand, gegenüber den bei
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älteren Hohlkathoden ohne erfindungsgemässer Einschnürung der Entladung erzielbaren Werten vergrössert, wodurch ein rauschfreier Betrieb erzielt wird.
Ferner kann auf diese Weise die Zündspannung erheblich erhöht werden, wodurch die Arbeitsspielräume in Schaltnetzwerken, welche solche Einrichtungen ver- wenden, vergrössert werden. Bei einer Einrichtung ohne körperlichen Sperrteil und ohne Einschnürung der
Entladung hat der Anodenspaltgrenzwert, d. i. jener Abstand der Anode von den nächstgelegenen Rändern der Kathode, bei dem der negative Widerstand verschwindet, das pd-Produkt bei einer speziellen Röhre auf 7 mm Hg. cm beschränkt, wobei sich eine Zündspannung von 210 Volt ergab. Bei einer erfindungs- gemässen Ausbildung mit Einschnürung der Entladung, im übrigen aber gleichen Betriebsbedingungen war das pd-Produkt 12 mm Hg. cm und die Zündspannung betrug 240 Volt.
Überdies wurde gefunden, dass bei erfindungsgemässen Einrichtungen die induktive Komponente ver- mindert ist, wodurch sowohl die Übertragungs- als auch die Schalteigenschaften verbessert sind. Ferner ist auch der Verlust an Kathodenmaterial, der infolge der Zerstäubung beim Auftreffen von positiven
Ionen entsteht, und die damit verbundene Beeinflussung des Gases herabgesetzt, weil zwischen der Anode und der Kathode der Sperrteil liegt, wobei aber dennoch infolge der Einschnürung der Entladung der gewünschte Kennlinienteil negativen Widerstandes erhalten bleibt.
Ein weiterer, durch die Anwendung der Erfindung erzielter Vorteil liegt darin, dass die reinigende Wirkung der Glimmentladung auf Flächen ausserhalb der Kathode selbst, nämlich auf die Umgebung der Einschnürung, in solcher Weise ausgedehnt wird, dass am Sperrteil die für eine konstante und reproduzierbare Zündung erforderliche reine Oberfläche aufrechterhalten wird.
Ein weiterer Vorteil von erfindungsgemässen Einrichtungen gegenüber älteren Gasdioden mit fallendem
Kennlinienteil besteht darin, dass die Brennspannung bei gleichem Kathodenstrom und gleichem Gasdruck vermindert ist. Dieser Unterschied der Brennspannungen liegt zwar nur in der Grössenordnung von 4 bis 6 Volt, ist aber perzentuell ausgedrückt und im Hinblick auf die erforderlichen spannungspielräume in Schaltungsnetzwerken gewertet, dennoch von erheblicher Bedeutung.
Die Kathoden und der mit der Einschnürung versehene Sperrteil können verschiedene körperliche Formen haben. Nach einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Vorteil eine Kathode verwendet, die einen oder mehrere Metallkörper aufweist, welche einen kleinen kugeligen Hohlraum bilden, der mit der Anoden-Kathoden-Strecke durch eine kleine Mündung an einem Rand der Kathoden in Verbindung steht. Der kugelige oder im wesentlichen kugelige Hohlraum definiert dabei die Kathodenquelle hoher elektronischer Emissionsdichte, während der obere, abschliessende Metallteil des kugeligen Hohlraumes den körperlichen Sperrteil bildet, der zwischen der Kathode und der Anode liegt.
Die enge Mündung, welche zwischen dem Innenraum des kugeligen Hohlraumes und der Anoden-Kathoden-Strecke verläuft und daher den körperlichen Sperrteil durchsetzt, dient zur Einschnürung der Entladung und zur Gewährleistung eines befriedigenden Kennlinienteiles mit negativem Widerstand. Die Grösse der Mündungsöffnung und die Abmessungen des Hohlraumes in der Kathode werden in Abhängigkeit vom Füllgas, vom Gasdruck und in zweiter Linie in Abhängigkeit von der Anodenanordnung festgelegt, damit eine stabile Kennlinie negativen Widerstandes bei den gewünschten starken Strömen, d. h. im Bereich der abnormalen Glimmentladung, erreicht wird.
Die Grössenordnung dieser Abmessungen geht aus einem speziellen Ausführungsbeispiel hervor, bei dem die lichte Weite der Öffnung 0, 17 mm, die Tiefe des Hohlraumes 0, 75 mm und die grösste Weite des Hohlraumes 0, 7 mm betragen, wobei der Hohlraum im wesentlichen Kugelgestalt hat. Die relativen Abmessungen der einzelnen Elemente sind zwar kritisch, um die günstigsten Ergebnisse der Erfindung zu erzielen, doch hat sich gezeigt, dass beträchtliche Abweichungen einzelner Parameter zulässig sind, wenn die übrigen Parameter der Einrichtung kompensierend geändert werden, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen die Quelle hoher Elektronenemission im wesentlichen die Gestalt einer in einem Metallkörper vorgesehenen Hohlkugel hat, die sich in unmittelbarer Nähe der einschnürenden Mündung befindet, etwa indem diese beiden Teile aus einem Stück ausgeformt sind, die Einschnürung vorzugsweise einen Kreisquerschnitt mit einem Durchmesser zwischen 1/2 und 1/10 des Kugeldurchmessers der Kathodenquelle haben soll. Die verschiedenen im Rahmen der Erfindung erzielbaren Vorteile, von denen einige vorstehend angegeben worden sind, werden ferner gefördert, wenn das Verhältnis von Mündungsdurchmesser zu Durchmesser des Kathodenhohlraumes im Bereich zwischen 1/3 und 1/6 liegt.
Der Durchmesser der einschnürenden Mündung steht nicht nur zum Durchmesser des kugeligen Hohlraumes in Beziehung, sondern auch zum Gasdruck. Es wurde gefunden, dass das Produkt von Mündungsdurchmesser do und Gasdruck p innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches liegen soll. Das Produkt pdo
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Vorteile der Erfindung ohne Aufopferung der gewünschten Kennlinie negativen Widerstandes erzielt werden. In diesem Sinne wurde der Bereich von 0, 6 < pdo < 5 als befriedigend ermittelt, wobei p in mm Hg-Säule und do in cm ausgedrückt ist.
Wenn die vorstehend erläuterte Quelle hoher Emissionsdichte ein kugeliger Kathodenhohlraum ist, ergibt sich demgemäss für befriedigenden Betrieb eine analoge Beschränkung hinsichtlich des Produktes von Kathodenhohlraumdurchmesser dc und Gasdruck p. Hiefür wurde der Bereich 4 < pdc < 30 als brauchbar gefunden, wobei p wieder in mm Hg-Säule und d in cm ausgedrückt ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei welcher die Kathode und der Sperrteil aus einem Stück hergestellt und die Kathode durch einen kugeligen Hohlraum definiert sind, besteht die Kathode aus einem Metallkörper, der selbst aus einem einzigen Stück hergestellt oder aus mehreren Stücken zusammengesetzt sein kann. Beispielsweise kann die Kathode aus Wolfram, Tantal, Niobium, Molybdän oder einem andern für diesen Zweck bekannten Metall bestehen. Der kugelige Teil kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung durch Bohren eines Loches in einen Stab und durch Durchleiten eines Entladungsstromes durch den Stab während einer hinreichend langen Zeit, etwa während mehrerer Stunden, hergestellt werden, wobei eine vollständige Selbstformung der Kathode eintritt, wie dies später noch genauer beschrieben wird.
Die Kathode kann auch die Form einer Hohlkappe haben, die eine zentrale Öffnung aufweist, über das Ende eines Stützstabes aufgeschoben ist und mit diesem den kugeligen Hohlraum bildet.
Die Grösse der Kathodenstützeist, abgesehen von den Abmessungen des Hohlraumes und der Mündung, nicht kritisch. Die Stütze soll vorzugsweise eine relativ grosse Oberfläche darbieten oder mit Flügeln versehen sein, um die Wärmeabstrahlung zu begünstigen. Anderseits soll sie aber sehr geringe Masse haben, um allfällige Verzögerungen von Einschaltvorgängen durch die Erhitzung der Kathode bei der Zündung der Entladung herabzusetzen.
Die Anode der Entladungseinrichtung ist dem dichten Plasma der Kathodenregion hinreichend nahe angeordnet, um das Auftreten eines Anodenrauschens zu vermeiden ; sie kann, wie schon dargelegt wurde, so angeordnet werden, dass sie im pd-Minimum der Paschen-Kurve oder von diesem Arbeitspunkt weiter entfernt betrieben wird, um die Zündspannung zu erhöhen. Die Anode kann an sich beliebige Gestalt haben, beispielsweise durch eine Platte oder einen Draht gebildet sein. Bei einer Anode, die durch den Endteil eines Drahtes oder eines Stabes gebildet wird, werden jedoch hinsichtlich der Erhöhung der Zündspannungen gewisse Vorteile erzielt. Ferner kann eine Stabanode leicht gegen die Mündung des Kathodenhohlraumes versetzt angeordnet werden, was den zusätzlichen Vorteil bietet, dass ein "Wachsen" der Anode infolge der Zerstäubung von Kathodenmaterial vermieden wird.
Ein Wachsen der Anode während der Gebrauchsdauer der Entladungseinrichtung würde eine Änderung der Zündspannung herbeiführen und könnte sogar zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode Anlass geben, weil der Abstand dieser Elektroden nur sehr gering, etwa in der Grössenordnung von 0, 12 mm, ist.
Die Kathodenzerstäubung ist bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung tatsächlich sehr gering, was eine Erhöhung der Lebensdauer der Kathode und der gesamten Gasentladungseinrichtung mit sich bringt. Das meiste Material, das an einem Teil der Innenfläche des kugeligen Hohlraumes zerstäubt wird, schlägt sich an einem andern Teil des Hohlraumes nieder. Wie schon erwähnt, findet bei richtiger Rohformgebung des Hohlraumes eine mehr oder weniger ausgeprägte Selbstformung des Hohlraumes statt, durch die der Hohlraum durch Zerstäubung von Material an bestimmten Teilen und Niederschlagdieses Materials an andern Teilen von selbst die für ein bestimmtes Gas und den wirksamen Gasdruck optimale Gestalt annimmt.
Nach dieser Selbstformung hat der Hohlraum das Bestreben, die erreichte Gestalt ziemlich konstant beizubehalten, indem fernerhin zerstäubtes Material an den verschiedenen inneren Flächenteilen so abgeschieden wird, dass dadurch eine merkliche Änderung der Hohlraumgestalt nicht mehr eintritt. Wegen der geringen Abmessung der Mündung wird sehr wenig Material aus der Kathode heraus zerstäubt, und wenn dieses Material ionisch geladen ist, kann es zur Aussenfläche der Kathode hin gezogen werden.
Wegen der Zwischenschaltung der Einschnürung zwischen der Kathode und der Anode werden auch praktisch alle innerhalb des Kathodenraumes gebildeten Ionisationsprodukte, wie Ionen, metastabile bzw. angeregte Atome oder Photonen, im Kathodenraum zurückgehalten und sie erhöhen dadurch den Wirkung grad der Kathode.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die einschnürende Mündung im wesentlichen kreisförmig auszubilden, weil dadurch ein hoher Grad von Symmetrie erzielt wird. Eine Kennlinie mit negativem Widerstand und die übrigen Vorteile der Erfindung können jedoch auch erreicht werden, wenn die einschnürende Mündung eine andere Form hat. Ebenso kann der körperliche Sperrteil entweder dünn oder dick sein, wobei dann die Einschnürung entweder relativ kurz oder lang ist.
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In vorbekannten Gasentladungseinrichtungen, bei welchen die Kennlinie negativen Widerstandes durch entsprechende Abstimmung von Gestalt und Abmessung der Kathode bezüglich der übrigen Elemente der Einrichtung gewonnen wird, ergibt sich ein negativer Widerstand im abnormalen Entladungsgebiet nur innerhalb eines beschränkten Strombereiches. Dieser Bereich, der etwa von 8 bis 16 mA reichen kann, umfasst zwar die für Kreuzungspunktschalter in Schaltnetzwerken interessierenden Stromwerte ; bei
Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen die Kennlinie negativen Widerstandes offensichtlich vor- wiegend durch die Einschnürung im Sperrteil bestimmt wird, lassen sich jedoch Kennlinien mit negativem
Widerstand für praktisch alle Stromwerte erzielen, die sich nach der Zündung einstellen.
Bei speziellen
Ausführungen mag der Widerstand nicht bei allen möglichen Stromwerten negativ sein ; durch Änderung des Gasdruckes innerhalb der Einrichtung lassen sich jedoch stets verschiedene Strombereiche einstellen, innerhalb welcher ein negativer Widerstand auftritt. Es wurde gefunden, dass der Strom und der Druck bei erfindungsgemässen Einrichtungen in solcher Beziehung zueinander stehen, dass ein negativer Wider- stand erzielbar ist, wenn das Produkt aus Strom i in Ampere und Druck p in mm Hg-Säule innerhalb des Bereiches von 0,2 < ip < 2,8 liegt. Dieser Bereich kann durch Änderung des Druckes so eingestellt werden, dass er praktisch alle auswertbaren Ströme im abnormalen Entladungsgebiet umfasst.
Dementsprechend können Entladungseinrichtungen gemäss der Erfindung mit einer einschnürenden
Mündung im Entladungsweg bei praktisch beliebigen Stromwerten ausgenutzt werden, nur dass die Ströme nicht in dem instabilen negativen Widerstandsbereich bei den sehr schwachen Strömen liegen sollen, die unmittelbar auf den Zündpunkt folgen. In diesem Bereich sind die Entladungsvorgänge für die praktische Auswertung zu instabil. Es sei erwähnt, dass man früher annahm, dass dieser instabile Bereich der einzige negative Widerstandsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinie sei. In der österr. Patentschrift Nr. 180634 wurden erstmalig Entladungseinrichtungen angegeben, die eine Kennlinie negativen Widerstandes in beschränkten Strombereichen aufweisen, welche im abnormalen Entladungsgebiet liegen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, diesen Bereich negativen Widerstandes über einen grossen Strombereich im abnormalen Entladungsgebiet auszudehnen.
Im Rahmen der Erfindung können zahlreiche Gase oder Gasgemische, wie sie für Entladungseinrichtungen bekannt sind, verwendet werden und ebenso kann die Kathode aus verschiedenen bekannten Kathodenmaterialien hergestellt werden. vorzugsweise soll die Kathode jedoch aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit bestehen, das auch einen niedrigen Dampfdruck aufweist. Beispiele für ein solches Kathodenmaterial sind Molybdän, Tantal, Wolfram, Niobium, Zirkon usw., wobei dieses Material auch als Überzug angewendet werden kann.
Nach einem Merkmal der Erfindung wird in Gasentladungseinrichtungen ein stabiler negativer Widerstandsbereich bei hohen Werten des Betriebsstromes durch Einschaltung eines körperlichen Sperrteiles zwischen der Kathode und der Anode erzielt, wobei der Sperrteil eine Öffnung aufweist, welche die Entladung zwischen Kathode und Anode einschnürt. Nach einem andern Merkmal der Erfindung ist die Kathode als eine Quelle hoher Stromemission ausgebildet. Insbesondere wird im Rahmen der Erfindung mit Vorteil eine Kathode verwendet, welche einen kugeligen Hohlraum enthält.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung bzw. bestimmter Ausführungsformen derselben liegt darin, dass die Kathode und der Sperrteil aus einem Stück hergestellt sind, wobei die Kathode einen im wesentlichen kugeligen Hohlteil hat, der nahe einem Randteil der Kathode liegt und durch eine enge Mündung mit der Kathoden-Anoden-Strecke in Verbindung steht. Der Randteil der Kathode bildet dabei den körperlichen Sperrteil zwischen der Kathode und der Anode, und die darin vorgesehene Mündung dient als einschnürende Austrittsöffnung für die Entladung.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Kathode und der körperliche Sperrteil elektrisch miteinander verbunden und die Brennspannung ist zur Kathode hin geringer als zur Oberfläche des der Anode zugekehrten Sperrteiles hin, so dass die Entladung nach der Zündung zum Sperrteil durch die Mündung in die Kathode hinein verschoben wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung hat der Kathodenhohlraum kugelige oder kugelähnliche Gestalt, um die gewünschte hohe Elektronenemission zu erzielen, wobei diese Kugelgestalt oder kugel- ähnliche Gestalt in solcher Beziehung zum Gasdruck und dem äquivalenten Durchmesser der einschnürenden Mündung steht, dass eine Kennlinie negativen Widerstandes erzielt wird. Insbesondere soll das Produkt von Mündungsdurchmesser do und Gasdruck p im Bereich von 0, 6 < pdo < 5 liegen und das Produkt von Durchmesser d des Kathodenhohlraumes und Gasdruck p im Bereich von 4 < pdc < 30 liegen, worin der Druck in mm Hg-Säule und der Durchmesser in cm ausgedrückt ist.
Die Erfindung soll nunmehr zum besseren Verständnis an Hand der Zeichnungen an Ausführungbeispielen und verschiedenen Diagrammen näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Gasentladungseinrichtung gemäss der Erfindung mit einem kugeligen Hohlraum in der Kathode und einem
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damit aus einem Stück hergestellten Sperrteil, der eine Einschnürung im Entladungsweg bildet. Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Hohlkathode nach Fig. l. Fig. 3 stellt den allgemeinen Verlauf der StromSpannungs-Kennlinie verschiedener Ausführungsformen der Erfindung dar. Fig. 4 stellt für ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung in Diagrammform die Abhängigkeit der Brennspannung vom Gasdruck dar.
Das Diagramm nach Fig. 5 gibt für die Ausführungsform nach Fig. 4 den negativen Widerstand in Abhängigkeit vom Strom bei einem bestimmten Gasdruck und bei verschiedenen Frequenzen an. Das Diagramm nach Fig. 6 stellt den negativen Widerstand der Ausführungsform nach Fig. 4 bei einer bestimmten Frequenz, aber verschiedenen Gasdrücken dar. Fig. 7 ist ein Diagramm, welches für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4, 5 und 6 den negativen Widerstand und den Blindwiderstand bei verschiedenen Frequenzen und Betriebsströmen, aber bei dem dem Diagramm nach Fig. 5 zugrundeliegenden Gasdruck veranschaulicht.
In Fig. 8 ist für ein anderes typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung die Abhängigkeit des negativen Widerstandes von Anoden-Kathoden-Abstand bei einer Frequenz, aber ver-
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findung in Diagrammform den negativen Widerstand in Abhängigkeit von der Grösse der einschnürenden
Mündung bei verschiedenen Frequenzen, aber konstantem Gasdruck und Strom dar. Fig. 10 ist ein Schnitt durch eine Hohlkathode vor deren Selbstformung und Alterung gemäss der Erfindung, wobei die endgültige Kathodenform mit gestrichelten Linien angedeutet worden ist. Fig. 11 ist ein Schnitt durch einen falsch geformten Kathodenhohlraum, bei dem das Verhältnis von ursprünglicher Zylinderbohrung zur Bohrungs- tiefe zu gering war ; die ursprüngliche Bohrung ist in gestrichelten Linien dargestellt.
Fig. 12 ist ein
Schnitt durch eine andere Kathode mit falsch geformtem Hohlraum, bei der das Verhältnis von ursprünglicher Zylinderbohrung zur Tiefe der Bohrung zu gross war ; die ursprüngliche Bohrung ist wieder in gestrichelten Linien angegeben. Fig. 13 ist eine Schnittansicht einer Gasentladungseinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 14 ist eine in grösserem Massstab gehaltene Darstellung der Anoden-Kathoden-Strecke und zeigt den Kathodenaufbau der Ausführungsform nach Fig. 13 im Zuge seiner Herstellung, aber vor der Ausbildung des kugeligen Hohlraumes. Fig. 15 ist ein Querschnitt durch die Kathode der Ausführungsform nach Fig. 13 nach dem Alterungsvorgang und lässt besonders den bereits ausgebildeten kugeligen Hohlraum der Kathode erkennen.
Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungseinrichtung gemäss der Erfindung hat ein Glasgefäss 20, das mit einem Gas, etwa Neon, Helium oder einem Gemisch dieser Gase, gefüllt ist. Durch den Basisteil des Hüllgefässes sind zwei Zuleitungen 21 und 22 hindurchgeführt. Die Zuleitung 21 stützt ein Getter 23 ab, das vorzugsweise aus Barium besteht. Die Zuleitung 21 trägt einen Kathodenstab 24, der aus Molybdän, Tantal, Wolfram oder einem andern bekannten Kathodenmaterial hergestellt ist. In der oberen Stirnfläche 25 des Kathodenstabes ist die Hohlkathode 26 ausgebildet, die am besten in Fig. 2 erkennbar ist.
Diese Kathode wird durch einen im wesentlichen kugeligen Hohlraum 28 gebildet, der mit der Stirnfläche 25 des Kathodenstabes 24 und daher auch mit der Anoden-Kathoden-Strecke durch eine enge Mündung 29 in. Verbindung steht.
Die Anode 31 ist ein Draht oder Stab aus geeignetem Material, etwa ein 0,07 mm starker Molybdän- Draht, der der Stirnfläche 25 der Kathode gegenüber abgestützt ist. Im gezeigten Beispiel ist der Anodendraht 31 durch Schweissung an der Innenseite eines Fingers 32 befestigt, welcher selbst einen Teil eines Metallröhrchens 33 bildet. Das Röhrchen 33 besteht vorzugsweise aus Kovar, um das Einschmelzen in das Hüllgefäss 20 zu erleichtern, und wird vorteilhaft auch als Pumpröhrchen und zum Einfüllen des Gases oder Gasgemisches verwendet, worauf es verschlossen, z. B. am Ende verschweisst, wird.
Durch die Verbindung der Anode 31 mit der Innenseite des Fingers 32 wird eine exzentrische Anodenhalterung erreicht. Die Anode 31 befindet sich nämlich nicht direkt gegenüber der Mündung 29 des Kathodenhohlraumes 26, sondern ist vorteilhafterweise nach einer Seite versetzt, so dass die Möglichkeit, dass sich daran zerstäubtes, aus dem Kathodenhohlraum austretendes Kathodenmaterial niederschlägt, wesentlich herabgesetzt ist. Der Anodenabstand entspricht dem Abstand des Endes des Anodendrahtes 31 vom nächstliegenden Teil der Kathodenstirnfläche 25 ; er wird zweckmässig so gewählt, dass das Zündpotential im pd-Minimum der Paschen-Kurve liegt.
Durch eine Seitenwand des Hüllgefässes 20 ist eine weitere Leitung 36 geführt. Diese Leitung 36 reicht so weit in das Hüllgefäss hinein, dass sie Kontakt mit dem Bariumüberzug 37 an der Innenwand des Hüllgefässes 20 herstellt, der durch das Verdampfen des Getters 23 entsteht. Das Getter wird vorteilhaft im Hüllgefäss in üblicher Weise während des Pumpvorganges knapp vor der Einführung des Füllgases verdampft. Die Anordnung des Getters ist so getroffen, dass sich der Hauptteil des Bariumdampfes am Hüllgefäss niederschlägt und einen Überzug 37 bildet.
Der Überzug 37 wirkt sodann als eine lichtempfindliche Fläche, die bei geeigneter Verbindung mit der Kathode unter der Einwirkung des Lichtes aus der Umgebung eine remanente Ionisation im Anoden-
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Kathoden-Spalt herbeiführt und dadurch eine Schnellzündung bewirkt. Die Verbindung mit der Kathode wird vorzugsweise über einen hohen Widerstand in der Grössenordnung von 50 Megohm vorgenommen, um den Ionenstrom herabzusetzen, der zum Überzug 37 fliesst, wenn die Hauptentladungsstrecke leitend ist, weil Ströme in der Grössenordnung von einigen Mikroampere für die lichtempfindliche Fläche schädlich sind und mit der Zeit zu einer Verschlechterung ihrer Wirkung führen würden.
Es versteht sich jedoch, dass auch andere bekannte Massnahmen zur Erzeugung einer remanenten Ionisation angewendet werden können, dass also die Erfindung nicht auf die Anwendung der Photoemission von einer Kathode als Quelle für den Anfangsstrom zur Verminderung der statistischen Verzögerung der Zündung der Röhre beschränkt ist. So können für diesen Zweck auch radioaktive Stoffe verwendet werden. Wenn aber eine grosse Anzahl solcher Entladungseinrichtungen verwendet werden soll, wie dies in umfangreichen Schaltnetzwerken der Fall ist, so kann die Gesamtmenge an radioaktivem Material, das dann in allen Entladungseinrichtungen vorhanden ist, eine unerwünschte, störende Strahlung nach aussen verursachen.
Beim Betrieb von Entladungseinrichtungen gemäss der Erfindung erfolgt die Zündung zwischen der Anode 31 und der Oberfläche des körperlichen Sperrteiles, der zwischen der Anode und der Kathode eingefügt ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Oberfläche 25 des Kathodenstabes. Es ergibt sich daher eine vorteilhaft hohe Zündspannung. Die Entladung verbleibt dann jedoch nicht zum Sperrteil hin, sondern geht zu der Kathodenquelle hoher elektronischer Emissionsdichte über, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch den kugeligen Hohlraum 26 gebildet wird. Es ist deshalb erwünscht, dass die Brennspannung zur Kathode niedriger als jene zum Sperrteil ist, was durch Verwendung von Material mit kleinerer Austrittsarbeit oder durch entsprechende Formgebung der Kathodenquelle erreichbar ist.
Der Sperrteil und die Kathodenquelle sind elektrisch miteinander verbunden, wodurch die eben beschriebene Arbeitsweise hinsichtlich der Zündung und der Dauerentladung erzielt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Sperrteil und die Kathode aus einem Stück hergestellt.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine spezielle Hohlkathode 26 dargestellt, der durch eine mikrophotographische Aufnahme des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gewonnen werden kann. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Emitter hoher Elektronendichte durch eine Hohlkathode gebildet, welche im wesentlichen die Gestalt eines kugeligen Hohlraumes 28 hat. Zwischen diesem Hohlraum und der Anode oder dem Hauptteil der Anoden-Kathoden-Strecke befindet sich ein körperlicher Sperrteil, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch die obere Stirnfläche des Stabes 24 gebildet wird.
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erläuterten verbesserten Bedingungen hinsichtlich des negativen Widerstandes von Gasentladungseinrichtungen gemäss der Erfindung vermittelt, ist die Öffnung 29 in der Stirnfläche 25.
Gemäss der Erfindung sind die Abmessungen des kugeligen Hohlraumes 28 und der Mündung 29 in bezug aufeinander sowie in bezug auf den Gasdruck in bestimmter Weise gewählt, um eine Kennlinie zu erzielen, die in einem weiten Strombereich einen stabilen negativen Widerstand ergibt. Insbesondere wurde gefunden, dass der Mündungsdurchmesser do zwischen 1/2 und 1/10 des Durchmessers dc des kugeligen Hohlraumes liegen soll und dass ferner die verschiedenen Vorteile der Erfindung am stärksten hervortreten, wenn das Verhältnis von Mündungsdurchmesser zu Durchmesser des Hohlraumes im Bereich von 1/3 bis 1/6 liegt. Diese und andere, nachstehend angegebene Beziehungen basieren auf im wesentlichen kreisförmigen Öffnungen und im wesentlichen kugeligen Hohlräumen.
Bei Ausführungsformen, bei welchen die Mündungen oder Hohlräume von diesen Formen abweichen, sind die angegebenen Zahlenverhältnisse auf die Durchmesser von äquivalenten Kreisen bzw. Kugeln anzuwenden.
Die Abmessungen der Kathode können auch je nach dem Gasdruck geändert werden. Sowohl der Durchmesser der einschnürenden Mündung als auch der Hohlraumdurchmesser können nämlich bei Verminderung des Gasdruckes vergrössert werden, ohne dass dabei die Arbeitsweise der Einrichtung wesentlich beeinflusst wird. Insbesondere wurde gefunden, dass befriedigende Kennlinien mit negativem Widerstandsbereich erhalten werden, wenn die Durchmesser von Mündung und Hohlraum einerseits und der Gasdruck anderseits in solcher Beziehung zueinander stehen, dass das Produkt aus Mündungsdurchmesser und Gasdruck im Bereich von 0,6 < pdo < 5 und das Produkt aus Hohlraumdurchmesser und Gasdruck im Bereich von 4 < pdc < 30 liegt, wobei der Druck in mm Hg-Säule und die Durchmesser in cm ausgedrückt sind.
Wenn ein Gasgemisch verwendet wird, so ist der Gesamtdruck des Gemisches einzusetzen.
Die verschiedenen Vorteile der Erfindung lassen sich an Hand der Diagramme nach den Fig. 3-9 genauer erläutern. Fig. 3 stellt den allgemeinen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie verschiedener Ausführungsformen der Erfindung dar und zeigt insbesondere den erweiterten Kennlinienteil negativen Widerstandes bei stabilen Betriebsströmen im abnormalen Entladungsgebiet. Die Zündspannung liegt beim Punkt 40 und von diesem Punkt bis etwa zum Punkt 41 ist der Widerstand der Entladungseinrichtung
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stark negativ. Es handelt sich hiebei jedoch um einen instabilen Widerstand bei ausserordentlich niedrigen Strömen, der für die praktische Verwertung kaum in Betracht kommt. Das Vorhandensein dieses Kennlinienteiles negativen Widerstandes ist natürlich bekannt.
Dieser erste instabile negative Widerstandsbereich würde sich bei normalen Gasentladungseinrichtungen bis zum Punkt 41 fortsetzen, bei dem die minimale Brennspannung der Einrichtung vorhanden wäre.
Früher war man der Meinung, dass von dieser minimalen Brennspannung an die Kennlinie wieder positiv verlaufen muss, d. h., dass die Spannung mit ansteigendem Strom zunehmen muss, bis eine hinreichend hohe Spannung bei sehr hohen Strömen erreicht wird, bei welcher eine Bogenentladung erfolgt. Durch Anwendung der Elektrodenformen gemäss Patent Nr. 180634 wurde zum ersten Male ein stabiler negativer Widerstand bei verwertbaren Betriebsströmen im abnormalen Entladungsbereich erzielt. Wie in diesem Patent auseinandergesetzt wird, wächst bei den darin beschriebenen Entladungseinrichtungen die Spannung zunächst von der minimalen Brennspannung an mit zunehmendem Strom, bis ein bestimmter Stromwert erreicht wird.
Bei diesem bestimmten Stromwert und innerhalb eines beschränkten Bereiches höherer stromwerte sinkt die Spannung wieder ab, so dass sich wieder ein negativer Widerstand ergibt. Diesem negativen Widerstandsbereich der Kennlinie folgt abermals ein positiver, der ähnlich wie bei den älteren Entladungseinrichtungen verläuft.
Bei Einrichtungen nach dem genannten Patent wird die fallende Kennlinie durch Kombination einer speziellen Kathodenform und besonderer Kathodenabmessungen erzielt, die zueinander und zum Gasdruck sowie zum Anodenabstand bestimmte Bedingungen erfüllen. Bei den Entladungseinrichtungen gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Kennlinie negativen Widerstandes hingegen vorwiegend durch die einschnürende Mündung erzeugt, die zwischen der Kathode und der Anode vorgesehen ist, und erst in zweiter Linie durch den Kathodenaufbau und den Gasdruck, obgleich diese Grössen innerhalb bestimmter Grenzen in Beziehung zu dem Mündungsdurchmesser stehen müssen, um den negativen Widerstandsbereich zu erzielen.
Durch Zwischenschaltung eines körperlichen Sperrteiles und einer einschnürenden Mündung zwischen Kathode und Anode bei Einrichtungen nach dem Patent Nr. 180634 werden die Arbeitsweise dieser Einrichtungen und die Kennlinie negativen Widerstandes wesentlich verbessert. Das lässt sich zum Teil aus Fig. 3 erkennen.
Im Gegensatz zu den früher erzielten Kennlinien, die im gesamten abnormalen Entladungsgebiet durchwegs positiv verliefen, und zu der Kennlinie gemäss Patent Nr. 180634, welche als erste auch im abnormalen Entladungsgebiet, allerdings nur innerhalb eines beschränkten Strombereiches, einen negativen Widerstand ergab, zeigen Einrichtungen gemäss der Erfindung einen negativen Widerstand innerhalb eines sehr weiten Strombereiches, und durch geeignete Wahl des Gasdruckes kann dieser negative Widerstandsbereich praktisch über das gesamte auswertbare abnormale Entladungsgebiet ausgedehnt werden.
Das lässt sich ebenfalls bei einer Betrachtung der Fig. 3 erkennen. Es ist nämlich ersichtlich, dass sich das normale Entladungsgebiet bis zum Punkt 41"minimaler Brennspannung"erstreckt. Bei den Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch die Kennlinie von diesem Punkt ab weiterhin negativ oder für einen engen Strombereich leicht positiv und sodann wieder negativ, so dass die Brennspannung tiefer liegen kann als der dem Punkt 41 entsprechende Wert. Diese verminderte Brennspannung ist auch zur Erhöhung des Spannungsspielraumes in Kreuzungspunktschaltern für Schaltnetzwerke von Bedeutung. Der negative Widerstand bleibt innerhalb eines weiten Strombereiches erhalten und geht erst dann in einen positiven über.
Der genaue Stromwert, bei dem die negative Kennlinie beginnt, sowie der genaue Stromwert, bei dem die Kennlinie wieder positiv wird, kann zum Teil durch den Gasdruck festgelegt werden.
Insbesondere wurde gefunden, dass die Kennlinie negativ ist, wenn das Produkt aus Gasdruck p in mm HgSäule und Strom i in Ampere innerhalb des Bereiches von 0, 2 < pi < 2, 8 liegt.
Fig. 3 stellt den allgemeinen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie von erfindungsgemässen Einrichtungen dar und bezieht sich insbesondere auf eine Ausführungsform mit einem Gasdruck von 48. 5 mm Hg-Säule. Wenn die Zündspannung und die Zünd-Kennlinie, einschliesslich der sogenannten TownsendEntladung (s. Patent Nr. 180634), vor der Zündung und der normalen Glimmentladung genauer untersucht werden sollen, empfiehlt es sich, den Strom und/oder die Spannung logaritmisch aufzutragen. Die genaue Strom-Spannungs-Kennlinie für dieses spezielle Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 innerhalb des üblicherweise ausgewerteten Strombereiches für verschiedene Gasdrücke dargestellt, wobei die Spannung logarithmisch und der Strom linear aufgetragen ist.
Es sei erwähnt, dass auch in einigen der nachfolgenden Figuren logarithmische oder halblogarithmische Skalen verwendet werden, was an der Beschriftung der Achsen erkennbar ist.
Das speziell behandelte Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf welches sich die Kurven nach den Fig. 3 und 4 und einige der nachfolgenden Figuren beziehen, hat eine Kathode und eine Einschnürung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art ; die Kathode ist ein Molybdänstab, der an einem Ende einen
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kugeligen Kathodenhohlraum mit einem Durchmesser dc = 1, 25 mm aufweist. Die Mündung ist kreisförmig und hat einen Durchmesser von 0, 3 mm. Als Füllgas wird Neon verwendet.
In Fig. 4 sind vier verschiedene Kurven 45 - 48 dargestellt, die für vier verschiedene Gasdrücke gelten, nämlich der Reihe nach für die Gasdrücke von 33, 5 mm, 41, 5 mm, 48, 5 mm und 51, 8 mm Hg-Säule. Die Produkte aus Druck p und Durchmesser d bzw. do sind für diese Einrichtung und die angeführten vier Kurven nachfolgend zusammengestellt :
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<tb>
<tb> Kurve <SEP> : <SEP> Druck <SEP> :
<SEP> pdc <SEP> pdo <SEP> do/dc <SEP>
<tb> (mm <SEP> Hg-Säule) <SEP> (mm <SEP> Hg-Säule <SEP> x <SEP> cm) <SEP>
<tb> 45 <SEP> 33,5 <SEP> 4, <SEP> 25 <SEP> 1,03 <SEP> 0, <SEP> 266
<tb> 46 <SEP> 41,6 <SEP> 5, <SEP> 28 <SEP> 1,41 <SEP> 0,266
<tb> 47 <SEP> 48, <SEP> 5 <SEP> 6, <SEP> 16 <SEP> 1, <SEP> 64 <SEP> 0, <SEP> 266 <SEP>
<tb> 48 <SEP> 51,8 <SEP> 6, <SEP> 58 <SEP> 1, <SEP> 75 <SEP> 0,266
<tb>
Die Kurven sind innerhalb des Strombereiches etwa von 8 bis 18 mA dargestellt. Ein negativer
Widerstand kann aber auch innerhalb eines viel weiteren Strombereiches erzielt werden. So wurde bei einem Druck von 48,5 mm Hg-Säule ein auswertbarer negativer Widerstand im Strombereich von etwa 4 bis über 20 mA festgestellt, wie aus Fig. 3 hervorgeht.
Fig. 5 zeigt den Einfluss der Frequenz eines Wechselstromsignals, das etwa über die Einrichtung geleitet wird, wenn sie in einem Übertragungsweg, z. B. in einem Signal- oder Schaltnetzwerk, verwendet wird. Jede dieser Kurven stellt Betriebsdaten der vorstehend in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten Einrichtung mit einem Druck von 48,5 mm Hg (Kurve 47) dar. Die verschiedenen Frequenzen, welchen die Kurven 50-53 entsprechen, betragen der Reihe nach 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz und 20 kHz. Es ist zu beachten, dass die in Fig. 4 dargestellten Kurven Gleichstrom-Kennlinien sind.
In Fig. 6 ist der Einfluss des Gasdruckes auf den negativen Widerstand bei einer Einzelfrequenz von 2 kHz dargestellt, wobei sich die drei Kurven auf verschiedene Gasdrücke beziehen, nämlich die Kurve 55 auf einen Gasdruck von 33, 5 mm, die Kurve 56 auf einen Gasdruck von 48,5 mm und die Kurve 57 auf einen Gasdruck von 51,8 mm Hg-Säule. Auch diese Kurven gelten für die in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Einrichtung.
Man erkennt, dass der negative Widerstand innerhalb des dargestellten Strombereiches ungefähr im Bereich von 100 bis 1000 Ohm variiert, wobei der jeweilige Widerstand bei einem bestimmten Stromwert etwas vom Gasdruck und von der Frequenz abhängt. Wie schon erwähnt, beziehen sich diese Daten auf eine Ausführungsform, bei der als Füllgas Neon verwendet wird. Bei andern Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein Gemisch aus Helium und Neon verwendet wird und die Anode etwas gegen die Mündung versetzt ist, wie dies in Fig. 1 dargestellt wurde, ist der negative Widerstand innerhalb eines weiten Strombereiches im wesentlichen konstant, und es wird ein Anodenglimmlicht beobachtet, das den Anodendraht wie eine Hülle umgibt. Trotz des Vorhandenseins dieses Glimmlichtes wird jedoch ein rauschfreier Betrieb erzielt.
Wird jedoch die Anode direkt der Mündung gegenüber angeordnet, so verschwindet das Anodenglimmen und die Widerstands-Strom-Kennlinie der mit einem Neon-HeliumGemisch gefüllten Einrichtung verläuft dann im wesentlichen gemäss den Fig. 5 und 6, die für eine Einrichtung mit reiner Neonfüllung gelten.
Fig. 7 stellt in Diagrammform den Blindwiderstand und den negativen Widerstand des vorstehend in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, bei dem die Gasfüllung aus Neon besteht. Im Diagramm nach Fig. 7 sind die Einflüsse von Stromstärke und Frequenz bei einem bestimmten Gasdruck, nämlich 48,5 mm Hg-Säule, angegeben.
Jede der Kurven 60 - 64 bezieht sich auf konstanten Strom (Parameter) und jede der Kurven 65 - 72 auf konstante Frequenz (Parameter), u. zw. nach folgendem Schema :
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<tb>
<tb> Kurve <SEP> : <SEP> Strom <SEP> : <SEP> Kurve <SEP> : <SEP> Frequenz <SEP> : <SEP>
<tb> 60 <SEP> 10 <SEP> mA <SEP> 65 <SEP> 3 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 61 <SEP> 12 <SEP> mA <SEP> 66 <SEP> 5 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 62 <SEP> 14mA <SEP> 67 <SEP> 7 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 63 <SEP> 16 <SEP> mA <SEP> 68 <SEP> 10 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 64 <SEP> 20 <SEP> mA <SEP> 69 <SEP> 12 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 70 <SEP> 14 <SEP> kHz <SEP>
<tb> 71 <SEP> 17kHz
<tb> 72 <SEP> 20 <SEP> kHz <SEP>
<tb>
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Einer der durch die erfindungsgemässe Anwendung einer einschnürenden Mündung im Entladungsweg zwischen der Hohlkathode und der Anode erzielbaren Vorteile ist die
Verwirklichung eines negativen Widerstandes bei grösseren Anoden-Kathoden-Abständen und dementsprechend erhöhten Zündspannungen.
Wie in dem vorstehend erwähnten Patent Nr. 180634 genauer dargelegt wird, besteht eine kritische Beschränkung hinsichtlich der Erzielung eines negativen Widerstandes bei der in diesemPatent erläuterten Kombination darin, dass die Anode von der Kathode einen Abstand haben muss, der kleiner ist als der Anodenspaltgrenzwert ; dieser Grenzwert wird ziemlich nahe der Kathode erreicht. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen eine einschnürende Mündung verwendet wird, wurde nun gefunden, dass der Anodenspaltgrenzwert zwar noch vorhanden ist, aber wesentlich weiter von der Kathode entfernt liegt. Dies lässt sich unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutern, welche den Widerstand als Funktion des Anoden-Kathoden-Abstandes dg, gemessen durch das Produkt pdg, für verschiedene Gasdrücke bei ein und derselben darstellt.
Diese Ausführungsform, die im allgemeinen mit der in Fig. 1
EMI10.1
EMI10.2
<tb>
<tb> in <SEP> Fig. <SEP> 2 <SEP> veranschaulichte <SEP> Anode <SEP> hat,Kurve <SEP> : <SEP> Druck <SEP> : <SEP> pdc <SEP> pdo <SEP> do <SEP> c
<tb> (mm <SEP> Hg-Säule) <SEP> (mm <SEP> Hg-Säule <SEP> x <SEP> cm)
<tb> 80 <SEP> 100, <SEP> 2 <SEP> 7, <SEP> 13 <SEP> 1, <SEP> 73 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP>
<tb> 81 <SEP> 105, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 50 <SEP> 1, <SEP> 82 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP>
<tb> 82 <SEP> 110, <SEP> 0 <SEP> 7, <SEP> 82 <SEP> 1, <SEP> 90 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP>
<tb>
Wie man erkennt, bleibt der Widerstand innerhalb eines weiten Bereiches der Anodenabstände negativ und hat er ferner innerhalb eines grossen Teiles dieser Bereiche auch konstanten Wert.
Ein Vergleich dieses Bereiches mit dem Anodenspaltgrenzwert von Einrichtungen nach dem Patent Nr. 180634 lässt erkennen, dass bei einer Einrichtung ohne einschnürende Mündung der negative Widerstand zwar ungefähr
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bei Ausführungsformen gemäss der Erfindung also zur Oberfläche des Sperrteiles bzw. zur Stirnfläche der Kathode selbst. Der Druck ist wieder in mm Hg-Säule angegeben und der Abstand in cm.
Fig. 9 erläutert den Einfluss verschiedener Mündungsdurchmesser und dementsprechend verschiedener Verhältnisse von d,/dc und verschiedener Produkte pdo bei einem andern typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Hohlraumdurchmesser, der Gasdruck und der Strom konstant gehalten sind.
Dieses Ausführungsbeispiel hat ebenfalls den in Fig. 1 dargestellten Aufbau und eine Kathode gemäss
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mit Neon unter einem Druck von 48, 5 mm Hg-Säule gefüllt. Der Hohlraumdurchmesser dc beträgt 1, 75 mm und das pdc-produkt hat daher den Wert 8,62. Die in Fig. 9 dargestellten Werte wurden bei einem stro von 16 mA aufgenommen.
Die vier Kurven veranschaulichen als Ortskurven die Beziehung zwischen dem negativen Widerstand und dem Blindwiderstand bei verschiedenen Frequenzen für die folgenden vier Mündungsdurchmesser :
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<tb>
<tb> Kurve <SEP> : <SEP> do <SEP> pdo <SEP> pdc <SEP> do/dc
<tb> mm <SEP> (mm <SEP> Hg-Säule <SEP> X <SEP> cm)
<tb> 85 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 1,35 <SEP> 8,62 <SEP> 0,169
<tb> 86 <SEP> 0, <SEP> 32 <SEP> 1, <SEP> 44 <SEP> 8, <SEP> 62 <SEP> 0, <SEP> 180 <SEP>
<tb> 87 <SEP> 0, <SEP> 348 <SEP> 1, <SEP> 57 <SEP> 8, <SEP> 62 <SEP> 0, <SEP> 196 <SEP>
<tb> 88 <SEP> 0, <SEP> 376 <SEP> 1, <SEP> 71 <SEP> 8, <SEP> 62 <SEP> 0, <SEP> 213 <SEP>
<tb>
Die Frequenzen, bei welchen die Messungen erfolgten, sind in der Zeichnung angedeutet worden.
Die Erfindung ist hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine bestimmte Kathodenform, nämlich die ; emäss Fig. 2, beschrieben worden, doch versteht sich, dass auch andere Kathodenaufbauten im Rahmen ier Erfindung verwendet werden können. Ferner kann die Kathode auch andere als Kugelgestalt haben, olange es sich nur um eine Quelle hoher elektronischer Emissionsdichte und niedriger Austrittsarbeit
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Entladungsweg zwischen der Elektronenquelle hoher Emissionsdichte und der Anode eingefügt ist, nicht aus einem Stück mit der Kathode bestehen, wenngleich diese Ausführung wegen der sehr kleinen Ab- messungen, die hier in Betracht kommen, bevorzugt wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die in Fig. 2 dargestellte und vorstehend erläuterte
Hohlkathode in vorteilhafter Weise durch ein Selbstformverfahren hergestellt werden. Danach wird die
Kathode, nachdem die gesamte Einrichtung mit einer Rohkathode angefertigt worden ist, so behandelt, dass sie die gewünschte Kennlinie negativen Widerstandes annimmt. Die Kathode erreicht dabei durch
Selbstformung ihre optimale Gestalt.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Kathodenstabes 90 aus Molybdän, der eine enge zylindrische
Bohrung 91 aufweist, welche von einem Ende her in axialer Richtung verläuft. In diesen Zustand wird der
Kathodenstab vor seinem Einbau in die Entladungseinrichtung als Rohkathode gebracht. Es wurde nun gefunden, dass sich die zylindrische Bohrung 91 durch einen Alterungsvorgang von selbst in einen Kathodenhohlraum 26 verformt, der im wesentlichen eine kugelige emittierende Oberfläche 28 und eine einschnürende Mündung 29 aufweist, wie sie vorstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden ist.
Der diese Selbstformung herbeiführende Alterungsvorgang kann durch Anwendung verschiedener Stromwerte und verschiedener Bearbeitungszeiten erzielt werden, die teils von der Grösse der Bohrung 91, vorn Gasdruck, von den endgültigen Abmessungen der Kathode und der Einschnürung sowie von der Menge des zu beseitigenden Materials, d. h. von der tatsächlichen Grösse der Kathode, abhängen.
Bei einem speziellen und typischen Formgebung-un Alterungsvorgang gemäss der Erfindung hatte die zylindrische Bohrung 91 einen Durchmesser von 0, 35 mm und eine Tiefe von 1, 0 bis 1, 05 mm. Die Entladungseinrichtung, in welche diese Rohkathode eingebaut worden war, wurde mit einem Gas unter einem Druck von 125 mm Hg-Säule gefüllt. Die Einrichtung wurde zuerst für eine Stunde mit einem Strom von 30 mA betrieben, um den Hohlraum 26 auszubilden, und sodann für etwa 100 Stunden bei dem normalen Betriebsstrom von 10 mA, um den negativen Widerstand und die Übertragungseigenschaften des Hohlraumes zu stabilisieren. Dieses Beispiel soll ein Verfahren mit relativ hohen Strömen erläutern, bei dem der Hohlraum in verhältnismässig kurzer Zeit ausgebildet wird.
Nach einem andern typischen Formgebung-un Alterungsverfahren gemäss der Erfindung, bei dem die zylindrische Bohrung 91 einen Durchmesser von 0, 041 mm und eine Tiefe von 0, 97 bis 1, 0 mm hatte, wurde der Hohlraum 26 geformt, gealtert und in seinen Eigenschaften stabilisiert, indem die Einrichtung während 300 Stunden mit einem Strom von 10 mA betrieben wurde. Dies stellt ein Beispiel für ein mit relativ niedrigem Strom arbeitendes Verfahren dar, das jedoch eine wesentlich längere Bearbeitungszeit beansprucht.
Damit während des beschriebenen Alterungsverfahrens eine Selbstformung eintritt, muss die vorgeformte Bohrung 91 geeignete Abmessungen haben, und insbesondere muss das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser zu Tiefe der Bohrung so gewählt sein, dass die Selbstformung in gewünschtem Sinne verläuft. In diesem Zusammenhang hat sich für dieses Verhältnis der Bereich von l : 2 oder 1 : 3 als befriedigend erwiesen.
Die Fig. 11 und 12 stellen die Gestalten von Hohlräumen dar, die erzielt werden, wenn dieses Verhältnis nicht geeignet gewählt ist. Gemäss Fig. 11 wurde ein Loch 93 in den Kathodenstab 90 gebohrt, das in bezug auf seinen Durchmesser zu lang war, um die richtige Selbstformung zu gewährleisten. In diesem Falle war also das Verhältnis von Durchmesser zu Tiefe der Bohrung zu klein. Wenn versucht wird, einen solchen Hohlraum durch Alterung zu verformen, entstehen mehrere Hohlräume. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel hat sich am Boden der Bohrung 93 ein geschlossener Hohlraum 95 ausgebildet, der oben einen Deckenteil 96 aufweist. Ferner ist an der Oberseite dieses Deckenteiles 96 ein zweiter Hohlraum 97 entstanden. Es ergab sich in diesem Falle kein Verbindungsweg zwischen den beiden Hohlräumen.
Die gewünschte Einschnürung wurde im allgemeinen beim Hohlraum 97 nicht erhalten, vielmehr entstand an der Oberseite des Stabes 90 ein Materialzuwachs aus dem Hohlraum in Form einer Lippe 99.
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Falle war der Durchmesser der Bohrung 101 in bezug auf die
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ähnlichem Aussehen.
Das in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Hüllgefäss, das vorzugsweise aus Glas hergestellt ist und drei elektrische Zuleitungen 22,36 und 113 aufweist, die durch das Glas geführt sind. Im Hüllgefäss befindet sich eine Gasatmosphäre, etwa Neon unter einem Druck in der Grössenordnung von 70 bis 120 mm Hg-Säule, doch sind auch andere Gase und Gasgemische mit abweichenden Drücken verwendbar.
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Die Zuleitung 22 erstreckt sich durch den Basisteil des Hüllgefässes 20 und ist in diesen einge- schmolzen. Sie besteht vorzugsweise aus Kovar, das mit Glas eine gute Einschmelzverbindung ergibt.
Am Ende der Zuleitung 22 ist durch Stumpfschweissung ein Drahtstück 115 aus einem für Kaltkathoden geeigneten Material, etwa Molybdän, befestigt. Auch hiefür können andere Materialien verwendet werden. Der Draht 115 und die Zuleitung 22 bilden zusammen die Kathodenzuleitung. Der Draht 115 ist ein Volldraht und hat vorzugsweise ursprünglich während der Fertigstellung der Einrichtung ein abge- flachtes Ende 116, wie dies in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist.
Am Ende des Drahtes 115 ist nahe der Oberfläche 116 eine Kappe 117 mit einer Öffnung 118 auf- geschoben, die sich vorzugsweise auf der Achse des Drahtes 116 befindet. Die Kappe 117 hat einen halbkugeligen Teil 119 und daran anschliessende zylindrische Seitenteile 120, durch die sie mit der Zuleitung 115, etwa durchfestkerben, wie dies bei 121 in Fig. 14 der Zeichnung dargestellt ist, verbunden wird. Die Kathodenkappe 117 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Draht 115, also beispielsweise aus Molybdän ; sie kann aus einer Kathodenhülse gebildet werden, die in einem Gesenk derart bearbeitet wird, dass eines ihrer Enden zu dem halbkugeligen Teil 119 mit einer zentralen kleinen Öffnung 118 eingezogen wird.
Hernach wird die Kathodenkappe 117 so weit über den dichtpassenden Draht 115 geschoben, dass zwischen dem halbkugeligen Teil 119 der Kappe und dem Ende 116 des Drahtes 115 direkt unter der Öffnung 117 ein Hohlraum verbleibt. Die Aussenfläche der Kathodenkappe 117 wird vorteilhaft mit einem dünnen Überzug aus Aluminiumoxyd oder einem andern bekannten Material versehen, das der Tendenz des Röhrchens, ausserhalb der Kathode Strom zu leiten, entgegenwirkt. Dieser Überzug hat also das Bestreben, die Glimmentladung in den Hohlraum hineinzuzwängen, der durch den halbkugeligen Teil 119 der Kappe und das Ende 116 des Drahtes 115 definiert wird.
Dieser Hohlraum hat eine solche Grösse, dass bei einem Ionenbombardement infolge einer Erosion am Ende 116 des Drahtes 115 und einer Materialanlagerung an den Hohlraumwänden ein Hohlraum von kugeliger Gestalt entsteht, wie dies in Fig. 15 veranschaulicht worden ist. Diese Figur, die als Mikrophotographie eines Querschnittes der tatsächlichen Kathodenform gemäss der Erfindung aufgefasst werden kann, zeigt insbesondere die konkave Gestalt des Endes 116 des Drahtes 115 nach dem Alterungszyklus. Ein spezieller Alterungszyklus, der zur Selbstformung der Kathode aus der in Fig. 14 dargestellten Gestalt zu der Gestalt nach Fig. 15 angewendet werden kann, besteht darin, dass durch die Röhre nach deren Abschmelzen während einer Zeit von etwa 240 Stunden ein Strom von 0,01 A geleitet wird. Dies entspricht dem normalen Betriebsstrom der Entladungseinrichtung.
Die Anode besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Drahtstück 31, das durch Schweissung an dem Röhrchen 113 befestigt wurde ; das innere Ende 126 dieses Röhrchens wurde abgeflacht, um eine geeignete exzentrische Anordnung der Anode im Abstand 127 von der Kathode zu erzielen, wie dies aus Fig. 14 hervorgeht. Der Anodendraht 31 kann aus Molybdän bestehen, doch sind auch andere Metalle verwendbar. Die Anodenstütze 113 wird zweckmässig aus Kovar hergestellt, um das Einschmelzen in das Hüllgefäss 20 zu erleichtern. Das Anodenröhrchen dient nicht nur als Stütze für die Anode, sondern auch als Pumpröhrchen, und wird, wie bei 129 dargestellt ist, am Ende zusammengeschweisst, um einen vakuumdichten Verschluss zu bewirken.
Der Anodendraht 31 ist vorzugsweise exzentrisch angeordnet, d. h. nicht mit der auf der Achse des Drahtes 115 und des Röhrchens 113 liegenden Öffnung 118 eingefluchtet, um so zu verhindern, dass das beim Kathodenbombardement während des Betriebes der Einrichtung zerstäubte Molybdän an der Anode abgesetzt wird. Die Anode befindet sich in solchem Abstand 127 von der Kathodenkappe 117, dass eine günstige Zündspannung erhalten wird, und die Stärke des Drahtes 31 ist in ähnlicher Weise unter Bedachtnahme auf die gewünschte Zündspannung bemessen.
Die Zuleitung 36 kann ebenfalls ein Kovardraht sein, der sich durch die Seitenwandung der Röhre erstreckt und unmittelbar neben dem Getter 131 endet. Das Getter kann aus Barium bestehen und von einem U-förmigen Stützglied 132 getragen werden, das durch ein kurzes Drahtstück 133 an der Zuleitung 22 befestigt ist. Demnach ist das Getter 131 an der Kathodenzuleitung befestigt und so angeordnet, dass beim Verdampfen ein Niederschlag 37 an der Innenwandung des Hüllgefässes 20 nahe dem Spalt zwischen der Kathode und der Anode entsteht. Dieser Niederschlag 37 stellt einen Kontakt mit der seitlich herausgeführten Leitung 36 her. Da der Getterniederschlag sowohl gegen die Kathodenzuleitung 22 als auch gegen die Anodenzuleitung 113 isoliert sein soll, sind an diesen Zuleitungen Ösen 136 und 137, z.
B. aus Nickel, durch Schweissen od. dgl. derart befestigt, dass sie die Glas- und Metallverbindungen abdecken, so dass an den Enden der Zuleitungen keine Kriechweg entstehen.
Der Getterniederschlag 37 wirkt als eine lichtempfindliche Oberfläche, die bei Verbindung mit der Kathode über die Leitung 36 und einen äusseren Widerstand, der in der Grössenordnung von 50 Megohm liegen kann, unter der Einwirkung des Aussenlichtes eineremanente Ionisation imAnoden-Kathoden-Spalt
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herbeiführt und dadurch eine Schnellzündung ermöglicht. Vorteilhaft soll die Verbindung zwischen dem Getterniederschlag 37 und der Kathode über einen hohen Widerstand erfolgen, um den Ionisationsstrom herabzusetzen, der zum Niederschlag 37 fliesst, wenn der Hauptspalt leitend ist.
Ströme in der Grössen- ordnung von einigen Mikroampere können nämlich die lichtempfindlichen Eigenschaften des Getter- niederschlages vermindern und mit der Zeit eine merkliche Schädigung herbeiführen.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 13 dargestellt ist, beträgt der
Aussendurchmesser des Hüllgefässes 20 ungefähr 7,21 mm und die Länge des Hüllgefässes liegt in der
Grössenordnung von 3,85 cm. Die Drähte 22 und 115 haben einen Durchmesser von 0,79 mm, und der
Hohlraum, der sich ursprünglich unter dem halbkugeligen Kappenteil 119 befindet, hat einen Durch- messer von 0,76 mm, gemessen vom flachen Ende 116 des Drahtes 115 zur äusseren Fläche des halb- kugeligen Teiles 119 nahe der Mündung 118. Die Kappe 117 ist 0, 125 mm dick und die Mündung 118 hat einen Durchmesser von 0, 15 mm.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Anodendraht 31 etwa 0,076 mm stark und besteht aus Molybdän. Sein Abstand 127 von der Kathode beträgt etwa 0, 128 mm. Das Hüllgefäss 20 ist mit reinem Neon unter einem Druck von 95 mm Hg-Säule gefüllt und der Betriebsstrom beträgt etwa 0,01 A.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasentladungseinrichtung mit einer Kennlinie negativen Widerstandes im abnormalen Entladungs- gebiet, bestehend aus einem Hüllgefäss mit einer Gasfüllung, einer Anode und einer der Anode gegen- überliegenden Elektronenquelle hoher Emissionsdichte, gekennzeichnet durch einen körperlichen, leitenden Sperrteil, der sich zwischen der Anode und der Elektronenquelle in der Nähe der Elektronenquelle befindet, mit dieser elektrisch verbunden ist und sich über sie hinweg erstreckt, so dass er die Anode gegen die Elektronenquelle abschirmt, wobei der Sperrteil eine Öffnung aufweist, welche die zwischen der Elektronenquelle und der Anode stattfindende Entladung einschnürt und einen wirksamen Durchmesser hat, der so bemessen ist, dass das Produkt aus Öffnungsdurchmesser in cm und Gasdruck in mm Hg-Säule im wesentlichen im Bereich von 0,
6 bis 5 liegt.