Die vorlie"ende Erfindung hat zum <I>in</I> Gegenstand die passende Dimensionierung einer Elektronenröhre mit mindestens drei Gittern. Die im nachfolgenden besehrieben -# Dirnensionieruno- der Elektroden verleiht der Röhre besonders vorteilhafte Eigenschaften z ur -Verwendunc, n in Schaltuncsanordnungen, zn bei welchen man sich durch geeignete Aus- bilduno,
der Stromkreise und entsprechende Wahl der Betriebsspannungen Elektronen- stromverteilungen zunutze macht, bei denen ausserhalb der Glühkathode eine Äquipoten- tialfläehe mit dem Potential Null sich aus bildet. Eine solche Fläche des Potentials Null kann als Ort einer virtuellen Kathode aufge- fasst werden, welche sich gegenüber einer Steuerelektrode in gleicher Weise verhält wie eine reelle Kathode; und wenn sie in nächster Nähe des Steuerorganes sich aus bildet, gestattet die Schaltung die Erzielung ganz ausserordentlicher Verstärkungen.
C, Zum Verständnis, inwiefern die erfin- clungsgemässen konstruktiven Merkmale einer Röhre in dieser Richtung Vorteile bedingen, sei zunächst die Wirkungsweise der vorge nannten Schaltunoen beschrieben.
In einer --ewöhnlichen Raumladegitter- röhre, welche eine sättigungsfähige Kathode, ein positives Raumladegitter und eine Anode enthält, ist der Potentialverlauf zwischen RaumlaJegifter und Anode von der Strom dichte in diesem Gebiet und den Spannungen an den Grenzen dieses Raumes, nämlich an Raumladegitter und Anode, abhängig. Bei schwacher Emission tritt keine merkliche Raumla,dung zwischen beiden auf und der Potentialverlauf ist im wesentlichen nur durch die Spannungen bedingt.
Mit zuneh- eD mender Elektronenemission wird das Poten tial zwischen Raumladegitter und Anode durch die Anwesenheit von negativen Elek trizitätsträgern gesenkt und kann unter Um- ständen den Wert Null erreichen. Diese Stelle des Potentialminiinums Null kann als Ort einer virtuellen Kathode betrachtet -werden. Eine virtuelle Kathode verhält sich gegen über dem Steuergitter genau so wie eine reelle Kathode.
Bei der Steuerung des von einer Glüh kathode ausgehenden Stromes durch ein Steuergitter besteht ein selbstverständliches Mittel, um die Wirksamkeit zu verbessern, in einer Verkleinerung des Abstandes zwi- sehen Kathode und Gitter. Dies hat seine praktischen, insbesondere konstruktiven Grenzen, -welche beieiner virtuellen Kathode fortfallen, denn, wie man zeigen kann, lässt sich die Lage der virtuellen Kathode durch Veränderung der herrschenden Elektronen dichte und Spannung verschieben und be liebig dein Steuergitter nähern.
Eine Röhre, -welche zur Ausbildung einer solchen virtuellen Kathode geeignet ist, muss mindestens die in Fig. <B>1</B> schematisch gezeich neten Elemente besitzen. Es bedeutet K eine Glühkathode mit SIttigungseigenschaft, <B><I>G</I></B> das Steuergitter,<B>A</B> die Anode und B eine auf positivem Potential befindliche Gitter elektrode, welche als Beschleunigungsgitter bezeichnet -werden soll. Unter einer Kathode mit Sättigungseigenschaften ist eine solche Kathode zu verstehen, deren Emission nur von der Temperatur, nicht aber von den Span nungen der benachbarten Elektrode abhängt.
Indem man die Spannung an B und die Emis sion von K (durch Temperaturregelung) pas send zueinander abgoleicht, kann man die Aus bildung einer virtuellen Kathode in unmittel barer Nähe von<B>G</B> herbeiführen. Solche An ordnungen erweisen sich jedoel-i für den vor liegenden Z-weck aus verschiedenen Gründen als unzureichend. Die Regelung der Elek- tronendiehte muss durch Änderung der Kathodentemperatur erfolgen und kann nicht in so feinen Stufen vorgenommen werden, wie es wünschenswert wäre. Es fehlt prak tisch die Möglichkeit, die Elektronendichte und Elektronengeschwindigkeit hinreichend zu beeinflussen.
Dieser Übelstand kann vermieden -werden, wenn man Röhreia <B>-</B> verwendet, bei denen nach Fig. <B>22</B> zwischen der Kathode K und dem Beschleunigungsgitter B ein weiteres Gitter<B>D</B> angeordnet ist, das zur Regelung- der Elektronendichte benutzt werden kann, in dem man es an ein positives Potential legt, welches kleiner als das Potential des Be schleunigungsgitters B ist. Die in der Fläche des Gitters<B>D</B> 'herrschende Elektronendichte kann dann durch Wahl der anliegenden Span nung nach Bedarf eingestellt werden.
Um ein befriedi 'gendes Arbeiten einer solchen Schaltung zu gewährleisten, müssen bei dem Elektrodenaufbau der verwendeten Röhren<U>bestimmte</U> konstruktive Gesetz mässigkeiten befolgt sein, die den Gegenstand der Erfindung bilden.
Gemäss der Erfindung besteht der Elektrodenaufbau aus einer ;#quipotentialkathode und mindestens drei zwischen Kathode und der äussersten Elek trode anmordneten Gitterelektroden und ist dabei so dimensiouiert, dass eine zwischen der äussersten Elektrode und dem von der Ka thode aus gerechnet zweiten Gitter gelegene (-'vitterelel-,tro,Je in bezug auf ihre Nachbar elektroden derart ausgebildet und angeordnet ZD ist,
dass das ihr auf der der Kathode abge kehrten Seite benachbarte Gitter auf 'das kathodenseitig benachbarte Gitter einen Durchgriff von<B> < NA</B> besitzt. Nur solche Röhren eignen sich in hervorragender Weise für Schaltungen der beschriebenen Art. Einerseits ist für optimale Steuerfähigkeit die örtliche Gleichmässigkeit der Emission der Kathode sowie die Spannungsverteilung län(rs der Kathode von Wichtigkeit.
Aus die- sein Grund ist stets eine Äquipotential- kathode, mit indirekter Heizung zu verwen den, weil in diesem Falle die Ausbildung der virtuellen Kathode mit der notwendioen Gleichmässigkeit über die ganze Elektroden- länce zustande kommt.
Anderseits haben auf die Regelung des Elektronenstromes nach Dichte und Geschwindigkeit natürlich noch die andern in der Röhre vorhandenen Elek- trodenpotentiale Einfluss. Dieser Einfluss muss nach ]Nlöglichkeit herabgesetzt werden, ohne dabei von den im Hinblick auf die spezielle Verwendung und Leistung festgelegten Span- en ZD nungen abzugehen.
Beispielsweise hätte die Verwendung hoher Anodenspannungen ohne entsprechende Abschirmung oder geeignete Formgebun,- der Anode grosse Effektivpoten tiale in der Nähe der virtuellen Kathode zur Folge, und es bedürfte dann einer sehr gro ssen Stromdiehte, um die Ausbildung einer Minimumpotentialfläche in der oben be schriebenen Weise zu erzielen. Es sind zum Beispiel mit normalen Pentoden, welche an sich die erforderliche Mindestzahl von drei Gittern besitzen, derartige Effekte bei für praktische Zwecke in Frage kommenden Spannungen nicht zu erzielen.
Solche Pen- toden (Schirmgitterröhren mit Fanggitter zwischen Schirmgitter und Anode zur Ver meidung des Über.-an.-es von Sekundär elektronen von der Anode zum Schirmgitter), bei denen man das Sehirmgitter als Austritts fläche der Elektronen und das Fanggitter als Steuergitter betreiben könnte, sind so dimen sioniert, dass sich möglichst wenig Raum ladungen primärer, vom Schirmgifter kom mender Elektronen um das Fanggitter stauen, da dies eine ungünstige Verteilung von Schirmgitter- und Anodenstrom zur Folge hätte.
Sie haben infolgedessen auch Fang- gitterdurehgriffe von im allgemeinen mehr als 20%. Dies würde bei einer Anodenspan nung von beispielsweise<B>300</B> Volt am Schirm gitter ein Effektivpotential von<B>60</B> Volt er geben.
Im Gegensatz dazu ist bei einer Drei- gitterröhre, die gemäss der Erfindung gebaut ist, der Durchgriff der Anode durch das Steuergitter auf das von der Kathode aus zweite Gitter so klein gehalten, dass die Anodenspannung zu dem an demselben auf tretenden Effektivpotential einen Beitrag von nur wenigen Volt liefert, welcher in der Grösse des in Volt ausgedrückten Aussteuer bereiches liegen möge.
Das Steuergitter selbst hat dabei eine, negative, Vorspannung gegen- Über der Elektronenaustrittsfläehe, die dem Betrag nach etwas grösser ist als die Aus- trittsgeschwindigkeit der Elektronen.
Um, die oben geforderte geringe Rückwirkung der 2D zz Anodenspannuno, auf #die Austrittsfläelle der Elektronen sicher zu stellen, ist es, wie be reits gesagt, erforderlich-, dass der Durühgriff der Anode durch das Steuergitter kleiner als <B>10,%</B> sein muss. Für den Fall, dass ein Schirm.- e,
(ritter zwischen Steuergitter und Anode vor- handen ist, wird diese Forderung sinngemäss auf den Durchgriff des Schirmgitters durch das Steuergitter übertragen.
Vorteilhaft ist ferner Symm rie der An ordnung, wobei dem konzentrilseh symTne- trischen Aufbau der Vorzug vor der ebenen Anordnung zu geben ist. Gewisse<B>Ab-</B> weichungen können in diesem Punkte nur dann zugelassen werden, wenn für bestimmte Anwendungsgebiete der Röhre ein weicher Verlauf der Kennlinie erwÜnscht ist. In die sem Falle kann, wie später auseinandergesetzt werden wird, eine exzentrische Anordnung des Beschleunigungsgitters gegenüber dem Steuergitter sogar zur Stabilisierung der virtuellen Kathode beitragen.
Zweckmässig für die Homogenität des Elektro#nenstromes und die zur Erzielung grösster Steuerempfind- liehkeit notwendige Schärfe der Minimum- potentialzone ist auch die örtliche Gleich mässigkeit der wirksamen Gitterelektroden. Beispielsweise wäre ein weitmasel-ii,-es Steuer gitter wegen der dann eintretenden Ungleich förmigkeit der Effektivpotentialfläche unge eignet.
Es ist bekannt, dass der wirksame Durch griff durch zwei hintereinander liegende Elektroden gleich ist dem Produkt der Durchgriffe durch jedes einzelne Gitter. Man hat es nun in der Hand, den verlangten Wert des Durchgriffes durch eine Elektrode auch dadurch zu erhalten, dass mam statt einer einzigen Elektrode zwei unmittelbar hinter- einanderliegende Elektroden anordnet, wel- Z, ehe leitend miteinander verbunden sind.
Die Verbindung wird vorteilhafterweise bereits innerhalb der Röhre hergestellt, so dass; für jedes Elektrodenpaar nur eine- Zuleitung und ein Stecker im Sockel erforderlich ist. Nach Massgabe konstruktiver Forderungenka.un die Verbindung entweder im Vakuumgefäss oder innerhalb des Sockels vorgenommen -werden. Unter Umständen ist es vorteilhaft, die beiden Gitter durcheine fortlaufende, in zwei Flä chen verteilte Wicklung herzustellen.
Man kann also jedender zu einem Elektrodenpaar gehörigen Gitter einen erheblich grösseren Durchgriff geben, um auf den verlangtan resultierenden Wert zu kommen. Dieser Um stand ist insbesondere von Vorteil hinsichtlich der Stromaufnahme eines derartigen Doppel gitters.
Infolge des multiplikativen Zu- samrnenwirkens der beiden Gitterteile hin sichtlich ihrer Steuerwirkung und der nur addifiven Vergrösserung der Gesamtüber- fläche ist die Summe der in der Strombahn befindlichen Elektrodenflächen kleiner als die Fläche eines einzigen Gitters, welches denselben resultierenden Durchgriff besitzt.
Deshalb ist auch die gesamte Stromaufnahm-e einer derartigen Doppelelektrode kleiner und es kann ein grösserer Entladungsstrom mit geringeren Verlusten hindurchbefördert war- den. Es sei ausdrücklich hervorgehoben, dass hinsichtlich der Zählung und der Durch- griffsangabe eine derartige Doppelelektrode einer einfachen Elektrode gl-eichzusetzen ist, wobei Durchgriffsangaben sich auf den resu!- tierenden Durchgriff durch die Doppelelek trode beziehen.
Im allgemeinen wirdeine Einwirkung der Beschleunigungsspannung durch das Ver dichtungsgitter hindurch auf die Emission und somit Elektrünendichte in<B>D</B> stattfinden, dem durch entsprechende Wahl der zugehö rigen Spannung des Verdichtungsgitters<B>D</B> Rechnung getragen wird.
Eine, vollkommene -Unabhängigkeit zwischen der Einstellung der Stromdichte und der Geschwindigkeit erhält man, wenn der Durchgriff des Beschleani- gungsgitters zur Kathode klein ist, sofern sich dies durch entsprechende Ausführung der Maschenweite, des Gitters<B>D</B> nicht in dem gewünschten Masse erreichen lässt, kann wie im Ausführungsbeispiel (Fig. <B>3)</B> dargestellt ist, ein Schirmgitter T zur elektrischen Tren nung der bei-den Elektroden<B>D</B> und B dienen. Dieses "Treungitter" wird beippielsweise auf Kathodenpotential gebracht.
Diese Verbin dung kann auch innerhalb der Röhre berge- stellt werden.
Das Prinzip der virtuellen Kathode kaiiii bei den bekannten Röhrentypen für alle Ver wendungszwecke angewendet werden, indem man die einfache Glühkathode durch eine Elektrodenkombination ersetzt. Man erhält auf diese Weise Röhren mit mindestens drei Gitteru, von denen ausser in Fig. 2 und<B>3,</B> in den Fig. 4 bis<B>7</B> einige weitere Ausführungs formen schematisch dargestellt sind.
Fig. 4 stellt eine Schirmgitterröhre dar, wobei<B>A</B> die Anode,<B>8</B> das Schirmgitter,<B>G</B> das Steuergitter, B das Beschleunigungsgitter und K die Kathode bedeutet. Der Durchoriff cles Schirmgitters<B>8</B> durch das Steuergitter<B>G</B> auf das Beschleunigungsgitter B soll kleiner als 10:70 sein.
Eine Weiterbildung dieser Schirmgitter- röhren zeigt die Fig. <B>5,</B> in welcher zwischen dem Besehleunigungsgitter B und dem Elek- tronendichteregelungsgitter <B>D</B> ein Trenn- gitterTeingeführt ist.
Es bezeichnet in Fig. <B>6</B> <B>A</B> die Anode, F ein zur Unterdrückung der Sekundäremission bestimmtes Fanggitter,<B>8</B> das Schirmgitter,<B>G</B> das Steuergitter, B das Beschleunigungsgitter,<B>D</B> das Elektronen- dichteregelungsgitter und K die Kathode.
Die Fig. <B>7</B> zeigt die Weiterentwicklung dieses Elektrodensystemes durch Einführung des Treungitters T zwischen den Elektroden B und<B>D.</B> In allen Fällen ist wesentlich, dass der Durchgriff durch die jeweils als Steuergitter verwendete Elektrode, bezogen auf die dieser ka,thodense-itig zunächst liegenden Elek troden, kleiner als 10% sein muss, um grin- stige Arbeitsbedingungen zu erzielen.
Es. kann u.<B>U.</B> vorteilhaft sein, die Röhre mit einer Gasfüllung zu versehen, deren Druck zweckmässig innerhalb der Grenzen von 10-2 und 10-4<U>-mm</U> Hg ge wählt wird. Durch die Formgebung und insbesondere die Wahl der Abstände zwi schen Kathode, Steuergitter und Anode ist dafür Sorge zu tragen, dass eine raumladungs- beseitigende Ionisation nur in der Nähe der Glühkathode auftritt-.
Die Kathode wird da- bei behufs Verminderung der Wärmeabstrali- lung in den Steuerraum, welche die Ionisie- rung dort begünstigen würde, und aus wärme ökonomischen Gründen zweckmässig mit einem Wärmeschirm umgeben. Man kann ent weder das zur Regelung der Stromdiellte die nende Gitter<B>D</B> oder die BeschleunigunIgs- elektrode B so ausbilden,,dass sie gleichzeitig als Wärmeschutz für die Katlio#de wirken.
Die Potentiale der übrigen Elektroden können kleiner als die Ionisierungsspannung sein, so dass eine Bildung von Ionen ausserhalb des Kathodenraumes nicht mehr stattfindet. Man kann aber auch in an sich bekannter Weise die Anodenspannung höher als die Ionisie- rungsspannung machen; dann ist der<B>Ab-</B> stand der Anode von dem benachbarten Git ter und der Glaswaud so klein zu wählen, dass die Bildung von Ionen in der Nähe der Anode unmöglich gemacht wird.
Eine Ausführungsform hierfür ist in der Fig. <B>8</B> angedeutet. Hierin bedeutet 2 die Glühkathode, die durch einen Heizfaden <B>1</B> erhitzt wird,<B>3</B> eine Elektrode, die gleich zeitig als Wärmeschutz, zur Ionisierung des Gases und zur Regelung der El#ektronendichte dient, 4,das Hilfsgitter, das die Gesellwindig- keit der austretenden Elektronen bestimmt, <B>5</B> das eigentliche Steuergitter,<B>6</B> die Anode und<B>7</B> die Glaswand, an der die Anode un mittelbar anliegt.
Die Spannung des Ge- schwindiglieitsregulierungsgitters 4 ist -klei ner als die Ionisierungsspannung des Gases, der Abstand zwischen Steuergitter und Anode ist kleiner als die freie Weglänge der Elek tronen bei dem benutzten Gasdruch.
Es besteht auch die Möglichkeit, mit vir- weller Kathode arbeitende Röbrenals Macrne- tron zu verwenden und den Elektronenstrom durch ma#,netische Felder zu steuern. Hier bei verlaufen die magnetischen Kraftlinien parallel zur Längsachse des Elektroden- systemes, das heisst parallel zur Kathode. Es ist in diesem Fall vorteilhaft-, die Elektroden aus einem nicht ferromagnetisehen Material anzufertigen oder wenigstens die Anode durch senkrecht zur Feldrichtung verlaufend-. Spalte ringförmig züi unterteilen.
t" Die virtuelle Kathode wurde als Aqui- potentialfläche mit dem Potential Null defi niert, das heisst mit andern Worten, dass die Elektronen dort die Geschwindigkeit Null be sitzen und sich sowohl in der Richtung zur Anode als auch zurück zur Emissionsquelle bewegen können. Es besteht also, die Möglich keit, dass die Elektronen Pendelungen um die Minimumpo#tentialfaäcl-ie ausführen können, wie sie beispielsweise als Elektronentanz- schwingungen von Barkhausen und Kurz be reits bekannt sind.
In den meisten Fällen sind derartige Labilitäten jedoch unerwünscht und lassen sich dadurch beseitigen, dass das Beschleunigungsgitter mit der Kathode durch dämpfende Widerstände, wie zum Beispiel nicht verlustfreie Kondensatoren, verbunden wird. Es können derartige Mittel zur Soliwin- gungsunterdrückung bereits im Innern der Röhre eingebaut und mit den betreffenden Elektroden fest verbunden werden. Man kann auch zum gleichen Zweck den Durchgriff durch das Verdiclitungsgitter entspreelleal gross, etwa grösser als<B>10%,.</B> wählen.
Die Fortpflanzung der Elektronenpende- lungen in das Innere des Beschleunigungs gitters ist dann auch unmöglich, wenn die Elektronen beim Rückfluo, von der virtuellen Kathode nicht bis zur Emissionsquelle, son dern nur zum Beschleunigungsgitter ge langen können. Man muss in diesem Fall das Beschleunigungsgitter engmaschig ausführen, indem man beispielsweise diesem Gitter ein-In Durchgriff von weniger als<B>-5</B> % gibt.
Eine andere Möglichkeit, um zu verhin dern, dass durch die Elektronenpendelungen um die virtuelle Kathode herum eine Schwin- gungsanfacliung innerhalb des Beschleuni gungsgitters eintritt, besteht darin, dass man die Röhre unsymmetrisch aufbaut, indem das zur Steuerung bestimmte Gitter und die ausserhalb desselben liegenden Elektroden exzentrisch zu der Kathode und den innerhalb des Steuergoitters befindlichen. Elektroden an geordnet wird.
In diesem Falle liegen die Umkehrstellen für die Elektronen unsymme trisch zur Emissionsquelle, und daher voll- zieht sieh die, Pendelung an verschiedenen Stellen des Umfanges mit verschiedenen Fre quenzen und Phasen, so dass eine Anregung von Raumladungsschwingungen innerhalb des Beschleunigungsgitters niel-it mehr mög- liell ist.
Wie bereits an anderer Stelle be merkt wurde, ist eine derartige Unsymmetrie im Elektrodenaufbau jedoch nur unter Rück- sielitnabme auf die angestrebte Steilheit der Kennlinie anwendbar.