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Gasgeflillte Entladungsröhre.
Die Erfindung betrifft gasgefüllte Röhren, wie Gleichrichterröhren, Queckilberdampflampen, Gasentladungsröhren, Vakuumkondensatoren u. dgl., in denen das Gas sehr stark verdünnt ist oder einen verhältnismässig hohen Druck aufweist.
Der Zweck der Erfindung ist, zu verhüten, dass unerwünschte Entladungell durch das Gas oder Gasentladungen z. B. zwischen den Zuleitungsdrähten auftreten. Die Erfindung soll mit anderen Worten verhüten, dass Gasentladungen in mit Gas gefüllten Röhren auftreten, oder in jenen Fällen, wo Gas- entladungen in den Röhren betriebsmässig stattzufinden haben, zu verhüten, dass unerwünschte Entladungen z. B. zwischen den Zuleitungsdrähten oder an den Elektrodenrändern auftreten.
Tauchen zwei Elektroden in ein Gas, so dass die Entladung zwischen ihnen auf den zwischen ihnen liegenden Raum beschränkt ist, z. B. indem die Wände des Glasbehälters bis dicht an die Elektroden reichen, so wächst die Spannung, bei welcher Glimmentladung zwischen den Elektroden auftritt, sehr rasch mit abnehmendem Abstand zwischen den Elektroden, sofern der Abstand unter einem von der Art des Gases und seinem Druck abhängigen Mindestwert liegt. Man kann daher eine Entladung durch das Gas zwischen den beiden Elektroden oder die Gasentladung dadurch verhindern, dass man den Abstand zwischen den Elektroden hinreichend klein macht.
Es ist jedoch notwendig, eine Gasentladung von solcher Art hintanzuhalten, dass die Elektronen und positiven Ionen der Entladung den auseinanderstrebenden elektrostatischen Kraftlinien an den Kathodenrändern folgen, weil diese Bahnen lang sind und in ihrer Länge bloss durch die Gefässwände begrenzt werden, d. h. die Entladung muss, wenn sie stattfinden soll, auf den zwischen den Elektroden liegenden Raum beschränkt werden. Bei den über diese Erscheinung durchgeführten Versuchen ist die Entladung auf den zwischen den Elektroden liegenden Raum durch entsprechend angeordnetes Isoliermaterial begrenzt worden. Eine solche Anordnung ist mit verschiedenen Pbelständen verbunden.
Erstens ist die kurze Strecke Isoliermaterial zwischen den Elektroden an der Oberfläche sehr stark beansprucht, woraus viele unerwünschte Wirkungen entstehen, es tritt z. B. Oberflächenstreuung ein, das Isoliermaterial wird stark geladen und es tritt eine sekundäre Elektronenemission aus dem Isoliermaterial ein ; das ist deshalb bedenklich, weil, damit die Röhre eine hohe Spannung aushalten könne, der Zwischenraum zwischen den Elektroden verringert werden muss, um eine Gasentladung zu verhindern, während, um ein Überschlagen an der Oberfläche des Isoliermaterials zu verhindern, der Zwischenraum vergrössert werden muss.
Darum ist die Spannung, welcher eine solche Anordnung ausgesetzt werden kann, beschränkt. Zweitens muss der Raum ausserhalb der evakuierten Vorrichtung beträchtliche Länge aufweisen, um ein Überschlagen zu verhindern. Infolgedessen entspricht die Beanspruchung ausserhalb der Wände des isolierten Behälters nicht der Beanspruchung innerhalb der Wände, und das bringt eine unerwünschte Querbeanspruchung mit sich.
Gemäss der Erfindung wird der Zwischenraum zwischen den Elektroden u. dgl. klein genug gemacht, um Gasentladungen zu verhüten oder, wenn Gasentladungen betriebsmässig stattfinden sollen, schädliche Gasentladungen hintanzuhalten. Der Elektrodenzwische11l'aum in der Nähe des Isoliermaterials ist ausreichend gross gehalten, um die Aufhebung der Isolierfähigkeit der Oberfläche des Isoliermaterials und das Überschlagen ausserhalb des Rohres zu verhüten. Zu dem Zweck werden Schirme verwendet, welche derart angeordnet sind, dass sie den langen Zwischenraum unterteilen und eine Anzahl von in Reihe geschalteten Zwischenräumen bilden.
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Beim Betrieb werden die Schirme durch einen schwachen Streustrom geladen, der der anfänglichen Ionisation des Gases zuzuschreiben ist. Diese Ladung kann in der nachstehend beschriebenen Weise ergänzt werden. Sind die Schirme gleichmässig geladen, so wird die Spannung in jedem Zwischenraum verringert. Überdies wird die Länge jedes solchen Zwischenraumes kleiner, so dass nicht nur jeder einzelne Zwischenraum einer grösseren Spannung widerstehen kann, sondern auch die Spannung in jedem Zwischenraum kleiner wird. Bei einem Rohr für eine Spannung V wird durch Anordnung von A'Schirmen
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gebracht. Ferner wird, wie bemerkt, die Spannung vergrössert, bei welcher die Isolation in jedem Zwischenraum aufgehoben wird.
Die Anbringung einer genügenden Zahl von in Reihe geschalteten Widerständen ermöglicht es, die Vorrichtung für jede praktisch in Betracht kommende Spannung zu isolieren.
Als Beispiel für die Wirkung dieser Einrichtung diene der einfache Fall einer Glimmentladung in einem Rohr, in dem die Elektroden 70 CM voneinander abstehen und dicht an die Rohrwände passen, so dass die auftretende Entladung auf den Raum zwischen den Elektroden beschränkt ist, wobei das Rohr mit Quecksilberdampf von 0. 002 Atm. gefüllt ist. Dabei zeigt sich, dass die Entladung bei 3 bis 5 ItS eintritt ; diese Entladungsspannung bleibt praktisch dieselbe, wenn man den Abstand selbst bis auf 6 cm herabbringt. Nachher steigt sie mit weiterer Verringerung des Zwischenraumes. Dieser aufsteigende Teil der Kurve wird jedoch dadurch verschleiert, dass der Widerstand der Glasoberfläche niederbricht.
Bei einem Elektrodenabstand von 70cm und 20 Schirmen, also 21 Zwischenräumen, vertrug das Rohr 150 Er ohne Anzeichen von Niederbruch.
Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig. 1 zeigt einen Gleichrichter gemäss der Erfindung im Schnitt, Fig. 2 und 3 zeigen Teile der Anordnung nach Fig. 1 in zwei Abänderungen, Fig. 4 zeigt zur Hälfte im Schnitt, zur Hälfte in der Ansicht eine weitere Abänderung der Erfindung, Fig. 5 ist ein Schaltungsschema und Fig. 6,7, 8 zeigen verschiedene Anordnungen von Schutzringen.
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sind. Die Anode besteht aus einem geschlossenen Kupferrohr, das in das Glasrohr 6 bei 5 eingeschmolzen ist. Das Kupfer kann unmittelbar in das Glas eingeschmolzen sein oder es kann das Metall in der Nähe der Einschmelzstelle einen Ausdehnungskoeffizienten haben, der dem des benützten Glases nahekommt.
In das Rohr 6 ist ein in dasselbe hineinreichendes Rohr 7 eingesetzt, das ein Metallrohr 9 und die Einschmelzstellen für die Zuleitungsdrähte trägt. Die Rohre 1, 6,7 bilden die Wände des Gleichrichters. Die Kathode 2 besteht am besten aus einem Wolframrohr, das durch geeignete Mittel erhitzt wird, z. B. durch Einwirkung von Thermionen ; sie wird von Stäbchen 3 getragen, die in geeigneter Weise in einem Metallring am Metallrohr 9 befestigt sind, das auf dem Glasrohr 7 festsitzt. Das von den Elektroden abgekehrte Ende des Rohres 9 kann einen bis an das Glasrohr 6 reichenden Flansch tragen oder auch, wie die Zeichnung zeigt, mit dem obersten Schirm 10 leitend verbunden sein. Wie ersichtlich, ist der Zwischenraum zwischen den Elektroden klein und der Zwischenraum in der Nähe der isolierenden Röhre ist gross.
Die elektrostatische Beanspruchung über diesen Zwischenraum beschränkt sich auf die Endschirme 10 und 11, indem der Schirm 11 mit der Anode verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch das konische Rohr 12, das mit dem Schirm 11 in einem Stück hergestellt und so angeordnet ist, dass er die Einschmelzstelle gegen elektrostatische Beanspruchung schützt. Die die Kathode tragenden Stäbchen 3 können gegen elektrostatische Beanspruchung durch den Schirm -1 abgeschirmt werden. Da der Zwischenraum zwischen den Schirmen 10 und 11 lang ist, würde für gewöhnlich eine Glimmentladung auftreten.
Gemäss der Erfindung wird diese Glimmentladung dadurch vermieden, dass man eine Anzahl von Schirmen wie. M zwischen die Endschiime 10, 11 einsetzt, so dass der Zwischenraum zwischen letzteren
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vorsieht, um eine Glimmentladung zu verhindern, kann die Röhre sehr hohe Spannungen aushalten. Ausserhalb der Vorrichtung können Schirme oder Schutzringe-M,.
M angeordnet und mit den Schirmen 10 und 11 verbunden werden, um die elektrostatische Beanspruchung ausserhalb des Rohres jener innerhalb des Rohres gleich zu machen und die Einschmelzstellen vor elektrostatischen Beanspruchungen
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um die Elektronen wirksam aufzufangen sowie um örtliche Beanspruchungen oder Spannungen im Glas oder in dem verbleibenden Dampf des Gleichrichters hintanzuhalten, die eine Entladung einleiten könnten. Auch scharfe Kanten sind vermieden, aus welchen Elektronen durch hohe Konzentration der elektrostatischen Beanspruchung herausgezogen werden könnten. Ein geeigneter Querschnitt dieser Schirme ist veranschaulicht.
Um die Röhren einfach zusammenstellen zu können, sind die aus Ringen bestehenden Schirme 1.'3 und die Endschirme 10, 11 durch drei Glasstäbe 14 und gläserne Stehbolzen 15 starr miteinander verbunden. Die Stäbe 14 sind an einem Ende mit Knöpfen 16 ausgestattet und die Schirme und Stehbolzen durch Metallringe 17 an den anderen Enden der Glasstäbe festgemacht. Das ganze Schirmsystem wird dann in die Röhre eingeführt, bevor das einwärts reichende Rohr 7 eingeschmolzen wird, und nach abwärts
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gedrückt, so dass der Schirm 11 in leitende Berührung mit der Anode 1 tritt. Sodann wird das Rohr 7 eingeschmolzen.
In Fig. 2, welche eine Abänderung der Einrichtung nach Fig. 1 in der Nähe des unteren Endes der Kathode veranschaulicht, welche sich besonders dann eignet, wenn die Vorrichtung während des Betriebes ständig ausgepumpt wird, ist das untere Ende der Anode mit einer Pumpe, zweckmässig einer Quecksilberluftpumpe, verbunden. Die Kathode 2 ist mit einem Schirm 24 ausgestattet, um die Ionisation zu verringern, wie in der britischen Patentschrift Nr. 195691 angegeben, Der Ring 22 ist an der Scheibe 21 durch Stäbchen wie 2. 3 befestigt und diese Kombination bildet einen Schirm, der die Ausbildung einer Gasentladung wirksam verhindert und Gas durchzupumpen gestattet.
Der Schirm steht in leitender Verbindung mit der Anode 1 und wird von dem Stab 25 getragen, der selbst wieder von einem Ring 26 getragen wird, der in eine Verstärkung der Anode bei 28 eingeschraubt ist. Der Ring 26 wird durch einen als Gegenschraube wirkenden Ring 27 festgestellt. Die Ringe 26 und 27 sind mit Löchern versehen, um das ausgepumpte Gas hindurchgehen zu lassen.
Der Schirm am Ende der Anode könnte INch rostartig ausgeführt sein oder aus einer Blechscheibe mit feinen Löchern bestehen. Zwei oder mehr solcher Schirme mit gegeneinander versetzten Löchern könnten verwendet werden, wie Fig. 3 zeigt, wobei die Löcher des Schirmes. 30 gegen jene des Schirmes 31 versetzt sind.
Fig. 4 zeigt eine weitere Abänderung des in Fig. 1 veranschaulichten Gleichrichters. Die Anode 1 und das Glasrohr 6 gleichen jenen in Fig. 1 ; der Schirm 34 schützt die Einschmelzstelle 5 gegen elektrostatische Beanspruchung und steht in leitender Verbindung mit der Anode 1, Der ZwiscLenraum zwischen dem Schirm 34 und dem Rohr 9 ist hinreichend klein, um eine Gasentladung zu verhindern. Die Schirme 33 bestehen aus geflanschten Röhren und sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, in die Röhre eingesetzt und werden durch als Stehbolzen wirkende Glasrohrstücke 39 auseinandergehalten. Ein weiterer Schirm 36 steht in leitender Verbindung mit dem Rohr 9 durch eine Manschette 37.
Diese Einrichtung gestattet eine leichte Zusammenstellung der Vorrichtung ; die sämtlichen Schirme und gläsernen Stehbolzen werden durch einen Ring 38 gegen den konischen Schirm 34 gedrückt und festgehalten, da der Schirm 34 selbst durch den konischen Endteil des Rohres 6 festgehalten wird. Der Ring 38 kann beispielsweise aus einem federnden Metallring bestehen, der sich innen an das Glasrohr 6 legt und in geeigneter Weise in seiner Stellung festgemacht ist.
Wie man sieht, ist gemäss der Erfindung die Glasstrecke zwischen den zwei Elektroden lang gehalten und Ionisation wird auf dem langen Wege durch die Anordnung der Schirme verhindert. Werden hinreichend viel Schirme verwendet, so weicht die Verteilung des elektrischen Feldes In der Vorrichtung nicht weit von jener ab, die sich bei Nichtbenützung der die Entladung verhindernden Schirme einstellen wurde. Die in der Röhre verwendeten Schirme werden Spannung oder Ladung annehmen, zwischen verschiedenen Stellen der Röhre oder zwischen den verschiedenen Schirmen werden Spannungsunter-
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so dass hinsichtlich der Verhütung von Gasentladungen die günstigste Anordnung der Röhre und der Schirme geschaffen werden kann.
Bei konstanten Potentialen werden die Spannungsunterschiede wegen des die Röhre infolge der von Hand aus vorhandenen, Ionen durchfliessenden Streustromes selbsttätig vergleichmässigt. Bei einer Methode, wodurch diese natürliche Abstufung der Spannungsunterschiede vervollständigt wird, kann man die Schirme durch hohe Widerstände untereinander und mit den Elektroden verbinden. Die Schirme können an Anzapfstellen eines hohen Widerstandes angeschlossen werden, der mit den zwei Elektroden verbunden ist, so dass sie auf bestimmte Potentiale geladen werden. Dieser hohe Widerstand kann aus einem leitenden Überzug auf einem isolierenden Träger, beispielsweise aus Glas oder Quarz, bestehen.
Der Überzug kann aus Kohlenstoff, Gold, Wolfram, Molybdän, Nickel oder einem anderen geeigneten Metall bestehen und kann auf dem hiefür bestimmten Träger oder auf den isolierenden Wänden der Röhre oder Vorrichtung und auf den Schirmen aufgebracht sein, die mit den Wänden in leitender Verbindung stehen sollen. Wird der Überzug auf einem besonderen Träger aufgebracht, so sind die Schirme in leitender Verbindung damit.
Man sieht, dass die Wirkung darin besteht, dass die Schirme in Punkte von bestimmtem Potential angeschlossen werden, die in dem vorstehend beschriebenen Fall durch Anzapfstellen eines mit den beiden Elektroden der Vorrichtung verbundenen Widerstandes dargestellt werden. Werden Wechselströme verwendet, so kann man andere geeignete Methoden zur Erzielung der Potentiale benützen, z. B. Anzapfstellen einer die beiden Elektroden verbindenden Induktanz oder Anzapfstellen eines Transformators.
Bei der bevorzugten Methode wird bei Verwendung eines Wechselstromes die Einrichtung so getroffen, dass die Schirmspannungen durch Änderungen der Kapazität der Schirme gegeneinander und gegen die Elektroden geändert werden. Durch Änderung dieser Kapazitäten der Schirme wird eine gleichmässige oder irgend eine andere Abstufung der Spannungen erzielt, Das entsprechende Schaltungsschema ist in Fig. 5 veranschaulicht, wo die beiden Elektroden und ihre Schutzringe bei a und b dargestellt sind. Die Kapazitäten der mit 1 bis 6 bezeichneten Schirme gegeneinander (nachstehend Teilkapazitäten genannt) sind mit C nebst voran-und nachgestellten Zahlen bezeichnet, welche den Zahlen der Kreise entsprechen.
Die Kapazitäten zwischen den Schirmen und den Elektroden a und b sind durch die vorangestellt Zahl 1
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bzw. 2 gekennzeichnet. Die nachgestellten Zahlen der beiden Reihen von Teilkapazitäten bezeichnen die verschiedenen Schirme und die zugehörigen Teilkapazitäten. Die Teilkapazität zwischen benachbarten Schirmen ist mit L und jenen nachgestellten Zahlen bezeichnet, welche den in Betracht kommenden Schirmen entsprechen. Das Schema veranschaulicht die Schaltung nur näherungsweise ; bei genauerer Darstellung muss man auch die Teilkapazitäten zwischen nicht unmittelbar aufeinander folgenden Schirmen in Betracht ziehen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung genügt es jedoch bloss, die obenerwähnten Kapazitäten in Rechnung zu ziehen.
Durch Änderung dieser Teilkapazitäten kann die Spannungsabstufung der Schirme beliebig abgeändert werden und wird zweckmässig gleichmässig gemacht.
Den Teilkapazitäten kann man die gewünschten Werte geben, indem man die beiden mit den Elektroden verbundenen Schutzringe und die Abmessungen der Schirme selbst entsprechend bemisst, obgleich die Bemessung der ersteren im allgemeinen die grösste Wichtigkeit besitzt. Gleichzeitig kann die Abstufung vereinfacht werden, indem man eine viel grössere Zahl von Schirmen benützt, als zur Verhütung von
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ringen an der Aussenseite der Röhre koppelt, wie in Fig. 7 gezeigt. In Fig. 6 sind zwei Schutzringe e, d dargestellt, die sich bei einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung sehr gut bewährt haben. Die Abmessungen der Ringe selbst für dieselbe Vorrichtung ändern sich beträchtlich, je nachdem die Elektroden gegenüber der Erde hohes oder niedriges Potential besitzen.
In Fig. 7 sind die Schutzringe e aussen an der Röhre befestigt und tragen durch ihre kapazitive Kopplung mit den Schirmen innerhalb der Röhre noch weiter zur gleichmässigen Spannungsabstufung der Schirme innerhalb der Röhre bei, wenn sie selbst gleichmässig abgestuft sind.
Auch kann eine Kombination dieser Abstufungsmethoden benützt werden, da die Abstufung nach den verschiedenen Methoden ähnlich ausfällt, wobei die Abstufung zweckmässig gleichmässig wird. Vermöge dieser Mittel bleibt die Abstufung dieselbe, ob nun Gleich-oder Wechselstromspannung an den Gleichrichter gelegt wird.
Es ist zu beachten, dass es bei hohen Frequenzen sehr wichtig ist, für eine Spannungsabstufung der Schirme Sorge zu tragen, da sonst bloss der Widerstand eines Zwischenraumes überwunden wird, der andere Zwischenraum aber frei von Glimmentladungen bleibt. Die Röhre kann an der Aussenseite auch mit Mänteln versehen sein, um den Streuweg ausserhalb der Röhre zu vergrössern. Fig. 8 zeigt eine zweckmässige Anordnung solcher Mäntel. Die Röhre ist wie vorstehend beschrieben eingerichtet und
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Die Gestalt und Anordnung der Teile kann mannigfach abgeändert werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
PATENT-ANSPRÜCHE : l. Mit Gas unter geringem Druck gefülltes Rohr, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhütung unerwünschter Gasentladungen zwischen leitenden Teilen des Rohres der Zwischenraum zwischen diesen Teilen des Rohres in der Nachbarschaft der isolierenden Teile des Rohres (z. B. der Rohrwand) so lang gemacht ist, dass eine Entladung längs des isolierenden Teiles verhindert wird und dieser lange Zwischenraum durch leitende Flächen in eine Reihe von hintereinander geschalteten Zwischenräumen unterteilt ist, die zu klein sind, um eine Gasentladung über dieselben zu gestatten.