DE1044985B - Gas- oder dampfgefuellte, elektrische Entladungsroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre mit zwei im Innern der Röhre liegenden und zwei weiteren außerhalb der Röhre liegenden, als Kondensatorplatte ausgebildeten Elektroden, an die eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist.

Derartige Entladungsröhren werden dazu benutzt, um mechanische oder sonstige physikalische Vorgänge, z, B. Bewegungen, Verstellungen, Drücke usw., in elektrische Signale umzuwandeln. Zu diesem Zweck wirken die mechanischen oder sonstigen physikalischen Vorgänge so auf die außerhalb der Röhre liegenden, als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden ein, daß das Feld dieser an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Elektroden und damit die durch das Feld hervorgerufene lonisationsverteilung innerhalb der Entladungsröhre entsprechend verändert wird.

Diese Änderung des Feldes bzw. lonisationsverteilung hat eine Änderung der Spannung zwischen den zwei im Innern der Röhre liegenden Elektroden zur Folge. Diese Spannung an den im Innern der Röhre liegenden Elektroden bzw. die Änderung dieser Spannungen ist das gewünschte elektrische Signal, das eine bestimmte Funktion des mechanischen oder sonstigen physikalischen Vorganges darstellt und sich beispielsweise linear mit einer Größe dieser Vorgänge ändert.

Bei den bisher bekannten Ausführungsformen der erwähnten Art von Entladungsröhren befinden sich die im Innern der Röhre liegenden und das elektrische Signal liefernden Elektroden ganz oder teilweise in dem Bereich der Röhre, den das Feld der außerhalb der Röhre angeordneten und mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Elektroden und damit der ionisierte Teil des Gases oder Dampfes einnimmt. Allen diesen bekannten Entladungsröhren ist das Merkmal gemeinsam, daß die im Innern der Röhre liegenden Elektroden mindestens teilweise in die durch das Feld der äußeren Elektroden ionisierte Gassäule hineinragen.

Die Erfahrung hat uns gezeigt, daß diese bekannten Entladungsröhren zwar zufriedenstellend arbeiten, daß aber von den inneren Elektroden sehr leicht Elektrodenmaterial abgeschleudert wird. Das abgeschleuderte Elektrodenmaterial, meistens ein Metall, lagert sich auf der Innenwand des Röhrenkolben ab und ruft Veränderungen in der Feldverteilung innerhalb der Röhre hervor, durch die die Eichung der Röhre hinfällig wird. Wenn die metallische Ablagerung auf der Innenseite der Kolbeuwand im Laufe des Betriebes zunimmt, so wird schließlich ein Punkt erreicht, wo die durch die äußeren Elektroden hervorgerufene Entladung aufhört. Praktisch bedeutet das, daß durch das Abschleudern des Elektrodenmaterials die nutz-

Gas- oder dampfgefüllte, elektrische
Entladungsröhre

Anmelder:

Kurt Siegfried Lion,
Belmont, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Müller-Börner,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68,

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 23,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7, Dezember 1955

Kurt Siegfried Lion, Belmont, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

bare Lebensdauer der Gasentladungsröhre verkürzt wird.

Außerdem hat bekanntlich die Ablagerung von Metall auf der Innenseite des Glaskolbens eine ähnliche Wirkung wie ein Getter, so daß im Laufe des Betriebes der Gasdruck in der Röhre allmählich nachläßt, was wiederum die Kennlinie der Röhre beeinflußt und ein öfteres Nacheichen erforderlich macht. Diese Erscheinungen sind oft recht störend und verhindern die Verwendung der bekannten gas- oder dampfgefüllten Entladungsröhren für solche Anwendungszwecke, bei denen Stabilität und lange Betriebsdauer erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhren der geschilderten Art so zu verbessern, daß die dargelegten Mängel nicht mehr vorhanden oder doch stark gemindert sind und daß sich stabile Betriebsbedingungen und eine wesentlich längere Betriebsdauer ergeben.
Eine gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungslehre mit zwei im Innern der Röhre liegenden und zwei weiteren außerhalb der Röhre liegenden, als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden, an die eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist,wird gemäß der Erfindung dadurch verbessert, daß das

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Feld der an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Elektroden außerhalb des Bereiches der im Innern der Röhre liegenden Elektroden liegt.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß alle oben erläuterten Mangel der bekannten Entladungsröhre nahezu vollständig verschwinden, wenn die im Innern der Röhre liegenden Elektroden einerseits und die außerhalb der Röhre liegenden, als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden andererseits so zueinander angeordnet sind, daß das Feld der an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen äußeren Elektroden vollständig außerhalb des Bereiches der im Innern der Röhre befindlichen Elektroden liegt. Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, daß die im Innern der Röhre liegenden Elektroden im Gegensatz zu allen bisherigen Ausführungsformen nicht in das Feld der äußeren Elektroden und damit nicht in den ionisierten Teil des Gases oder Dampfes hineinragen.

Obwohl bei der erfindungsgemäßen Anordnung der inneren und äußeren Elektroden die bisherigen Nachteile der bekannten Entladungsröhren vermieden werden, hat die erfindungsgemäße Entladungsröhre die gleichen günstigen Eigenschaften hinsichtlich der Umwandlung mechanischer oder sonstiger physikalischer Vorgänge in elektrische Signale. Dies ist insofern überraschend, als die das elektrische Signal liefernden inneren Elektroden nicht mehr in den ionisierten Teil der Gas- oder Dampffüllung der Entladungsröhre hineinragen.

Die Umwandlung mechanischer oder sonstiger physikalischer Vorgänge in elektrische Signale mittels der erfindungsgemäßen Entladungsröhre kann in verschiedener Weise vorgenommen werden. Beispielsweise können die an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen äußeren Elektroden einen Zwischenraum zwischen sich und der Röhre aufweisen und relativ zur Röhre beweglich sein, so daß die Ionisationsverteilung durch Bewegung der äußeren Elektroden verändert wird. Auf diese Weise lassen sich mechanische Bewegungen unmittelbar in elektrische Signale überführen.

In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Entladungsröhre kann auch eine Vorrichtung verwendet werden, die die durch das Feld hervorgerufene Ionisationsverteilung verändert, so daß sich hierdurch die an den inneren Elektroden liegende Spannung ändert. Diese Vorrichtung kann aus mindestens einer veränderbaren Impedanz bestehen. Diese Impedanz bzw. Impedanzen liegen zwischen den äußeren Elektroden einerseits und einer oder beiden inneren Elektroden andererseits. Die Impedanzen können durch mechanische Bewegungen oder durch die sonstigen in elektrische Signale umzuwandelnden Vorgänge gesteuert werden, so daß diese in entsprechende Spannungen an den inneren Elektroden umgewandelt werden.

Als Wechselspannungsquelle für die äußeren, als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden dient zweckmäßigerweise eine hochfrequente Spannung.

Die Erfindung besteht grundsätzlich darin, daß die in einem ionisierbaren Medium, etwa in einer gas- oder dampfgefüllten Röhre, erzeugte Ionisation auf einen Bereich der Röhre begrenzt wird, der in der Nähe, jedoch außerhalb des Bereiches zweier im Innern der Röhre Hegender Elektroden vorhanden ist. Die inneren Elektroden sind_ also in einem Raum außerhalb des Entladungs- oder Ionisationsplasmas in der Röhre angeordnet. Mit dem Ausdruck Plasma soll nicht nur die positive Säule der Entladung oder des ionisierten Bereiches, sondern auch jeder andere Teil der Entladung oder des ionisierten Bereiches bezeichnet werden, der eine wesentliche Konzentration positiver oder negativer Träger enthält.

Weitere Einzelheiten, Ausführungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasentladungsröhre mit ihrer Schaltung.

Fig. 2 bis 5 entsprechende schematische Darstellungen ähnlicher und abgewandelter Ausführungsformen und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Arbeitskennlinie nach Fig 5.

In Fig. 1 ist eine Gasentladeröhre 1 aus Glas dargestellt, die ein Gas geringen Druckes enthält. Die Röhre hat eine langgestreckte Form und enthält zwei längliche und etwa parallele innere Elektroden 3

ao und 5, die mit zwei Ausgangsklemmen 2 und 4 in Verbindung stehen, an die ein beliebiger Ausgangskreis gelegt werden kann. Außerhalb der Röhre 1 sind nahe den inneren oder linken Enden der inneren Elektroden 3 und 5 zwei als Kondensatorplatten ausgebildete Elektroden 6 und 7 angeordnet, die zwischen sich und der Röhre 1 je einen kleinen Luftraum 8 und 9 aufweisen.

Die äußeren Elektroden 6 und 7 sind mit einer Wechselspannungsquelle oder einem Oszillator 10 verbunden, dessen Spannung und Frequenz so gewählt sind, daß eine elektrodenlose Glimmentladung in dem linken, gestrichelten Bereich der Röhre entsteht und aufrechterhalten wird. Für die Erfindung ist es von Bedeutung, daß die Entladung oder Ionisierung nicht nennenswert auf den rechten Bereich der Röhre 1 übergeht, in dem sich die inneren Elektroden 3 und 5 befinden. Dadurch, daß die Elektroden 6 und 7 nicht — wie in den bekannten Röhren — die Elektroden 3 und 5 ganz oder auch nur teilweise überlappen und daß eine geeignete, vorzugsweise hochfrequente, Ionisierungsspannung 10 verwendet wird, die eine scharfe Begrenzung des ionisierten Gasbereiches in der Röhre 1 gewährleistet, bleibt der ionisierte Bereich praktisch auf den links der Linie A-A liegenden Bereich der Röhre beschränkt.

Die Schaltung nach Fig. 1 erzeugt an den Ausgangsklemmen 2, 4 eine Ausgangsspannung, die im Gegensatz zur Ionisierungsspannung 10 als Gleichspannung bezeichnet werden kann, und eignet sich zur Um-Wandlung einer relativen Bewegung zwischen der Röhre 1 und den Elektroden 6 und 7 in elektrische Signale, indem die Spannungsgradienten in dem Feld der Elektroden 6, 7 und die von dem Feld hervorgerufene Ionisationsverteilung entsprechend variiert werden. Dies bringt entsprechende Änderungen der Ausgangsspannung an den Klemmen 2, 4 mit sich, deren Größe und Polarität von der Größe und Richtung der relativen Bewegungen zwischen der Röhre 1 und den Elektroden 6, 7 abhängen.

Bei der abgeänderten Ausführungsform nach Fig. 2 liegen die als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden 6 und 7 am Röhrenkolben an. Eine veränderbare Impedanz in Form eines Kondensators 11, der durch eine beliebige Kraft oder Bewegung gesteuert werden kann, liegt zwischen den Elektroden 3 und .6 und verändert das Wechselstrompotential der Elektrode 6 relativ zu dem der Elektrode 7 und dementsprechend die Ionisationsverteilung in dem Feld der Elektroden 6, 7. Größe und Polarität des Ausgangssignals hängen von dem Kondensator 11 ab und ändern

sich außerdem mit den Erdungsbedingungen des Oszillators 10 und/oder der Ausgangsanschlüsse 2 und 4.

Es ist zweckmäßig, die Elektroden 6, 7 gerade etwas außerhalb der inneren Elektroden 3, 5 anzuordnen. Ein größerer Abstand der äußeren Elektroden 6, 7 von den Elektroden 3, 5 setzt die Empfindlichkeit der Röhre als Wandler herab und steigert dessen Ausgangsimpedanz, gleichzeitig wächst aber auch die nutzbare Lebensdauer der Gasentladungsröhre. Man hat deshalb beim Bau der Entladungsröhre die Möglichkeit, eine empfindlichere Arbeitsweise bei entsprechend kürzere Lebensdauer oder umgekehrt zu wählen.

Es ist ferner zweckmäßig, die äußeren Elektroden 6 und 7 so zylindrisch zu biegen, daß sie etwa ein Drittel des Außenumfanges des Glaskolbens umgeben. Zwei dieser Elektroden können mittels eines nicht dargestellten Isolatorringes zusammengehalten und gegen die Glaswand gepreßt werden. Durch geringes Drehen und geringe Längsverschiebung der Elektroden 6, 7 kann man den JNTullwert an den Ausgangsanschlüssen 2 und 4 einstellen. Die Elektroden 6,7 können aber auch aus einfachen Drähten oder aus leitfähiger, auf die Glaswand der Röhre aufgemalter oder aufgespritzter Farbe bestehen.

An Stelle eines einzigen Kondensators 11 oder einer sonstigen Impedanz können nach Fig. 3 zur Erzeugung des Ausgangssignals an den Anschlüssen 2 und 4 auch zwei oder mehr Kondensatoren 11, 12 verwendet werden. Die Schaltung nach Fig. 3 ist der nach Fig 2 ähnlich mit der Ausnahme, daß ein zweiter Drehkondensator 12 zwischen der Elektrode 6 und der Elektrode 5 liegt. Das Ausgangssignal bei 2, 4 ist jetzt abhängig von der Größe der Kondensatoren 11 und 12 und ebenfalls von den Erdungsbedingungen des Oszillators 10.

Obwohl die Elektroden 6 und 7 in den Fig. 1 bis 3 in zur Ebene der Elektroden 3, 5 parallelen Ebenen liegen, können sie, wie beispielsweise in Fig. 4 angedeutet, in einem Winkel dazu angeordnet sein. Die Elektroden 6 und 7 sind nach Fig. 4 so gerichtet, daß das elektrische Feld zwischen ihnen etwa senkrecht zu der von den Elektroden 3 und 5 gebildeten Ebene gerichtet ist. Wenn eine ausreichend hohe Spannung 10 an den Elektroden 6 und 7 liegt, so wird zwischen diesen eine Entladung erzeugt. Der ionisierte Bereich ist auf das links von den inneren Elektroden 3 und 5 liegende Gebiet der Röhre beschränkt.

Es sind vier veränderbare Kondensatoren 15,16,17 und 18 vorgesehen, von denen die Kondensatoren 15 und 16 in gleicher Weise wie die Kondensatoren 11 und 12 nach Fig. 3 angeschlossen und die Kondensatoren 17 und 18 mit der Elektrode 7 einerseits und den Elektroden 5 bzw. 3 andererseits verbunden sind. Die zwischen den Ausgangsanschlüssen 2 und 4 entstehende Gleichspannung ist eine Funktion der Kapazität der Kondensatoren 15, 16, 17 und 18 und ändert sich entsprechend einem Signal oder einer Bewegung, die einen oder alle Kondensatoren beeinflußt. Selbstverständlich können einer oder mehrere der Kondensatoren 15,16,17 und 18 bei bestimmten Anwendungsarten weggelassen werden.

Die Streukapazität zwischen einer inneren Elektrode und einer äußeren Elektrode kann gegebenenfalls einen oder mehrere der Kondensatoren 15, 16,17 oder 18 ersetzen. In Fig. 4 können beispielsweise der Kondensator 17 durch eine Streukapazität zwischen den Elektroden 5 und 7 und der Kondensatoren 18 durch die Streukapazität zwischen den Elektroden 3 und 7 ersetzt werden. Die Kondensatoren können mechanisch gekuppelt werden, so daß beispielsweise eine gleichzeitige Vergrößerung der Kondensatoren 15 und 18 und eine gleichzeitige Verkleinerung der Kondensatoren 16 und 17 verstärkte Impedanzänderungen erzeugen können. Es können auch Ausgleichseinrichtungen oder Servoanlagen in der Weise verwendet werden, daß eine mechanische oder elektrische Anlage einen Kondensator oder einen Satz von Kondensatoren und eine weitere Anlage einen anderen Kondensatorsatz steuert, wobei ein an den Ausgangsklemmen 2 und 4 liegender Ausgangskreis Gleichheit oder Ungleichheit der auf die Kondensatoren einwirkenden Signale zu erkennen gibt.

In Fig. 5 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel dargestellt, das im Prinzip ähnlich der Fig. 4 ist. Die inneren Elektroden 3 und 5 sind über einen Differentialkondensator 19 mit einer Seite, und zwar vorzugsweise der geerdeten Seite G, der Spannungsquelle 10 verbunden. Jede Bewegung der Mittelelektrode 20 des Kondensators 19 vergrößert die Kapazität einer inneren Elektrode 3 oder 5 gegen Erde und vermindert die Kapazität der anderen Elektrode gegen Erde. Diese Einrichtung hat sich als sehr stabil erwiesen und hat eine 1000 Stunden übersteigende Lebensdauer. Die Arbeitskennlinie dieser Schaltung, d. h. die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Kapazitätsänderung Δ C des Kondensators 20, ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die Ausgangs spannung auf der von +50 bis —50Volt reichenden Ordinate und die Kapazitätsänderung AC auf der Abszisse zwischen —10 und + 1Op₁- eingetragen ist. Man sieht, daß die Ausgangsspannung über einen großen Bereich eine nahezu lineare Funktion der Kapazitätsänderung ist und nur bei äußerst starken Kapazitätsänderungen von dem linearen Verlauf abweicht.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsrö'hre mit zwei im Innern der Röhre liegenden und zwei weiteren außerhalb der Röhre liegenden, als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden, an die eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der an die Wechselspannungsquelle (10) angeschlossenen Elektroden (6, 7) außerhalb des Bereiches der im Innern der Röhre liegenden Elektroden (3, 5) liegt.

2. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Wechselspannungsquelle (10) angeschlossenen Elektroden (6, 7) einen Zwischenraum zwischen sich und der Röhre aufweisen.

3. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7) relativ zur Röhre beweglich sind, so daß die Ionisationsverteilung veränderbar ist.

4. Gas- oder dampf gefüll te, elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die durch das Feld ,hervorgerufene Ionisationsverteilung verändert, so daß sich hierdurch die an den Elektroden (3, 5) liegende Spannung ändert.

5. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Verändern der Ionisationsverteilung aus mindestens einer veränderbaren Impedanz (11,12) besteht.

6, Gas- oder dampfgefüUte, elektrische Entladungsröhre nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine veränderbare Impedanz (11,12) zwischen den Elektroden (6, T) und einer oder beiden Elektroden (3, 4) liegt.

7. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen (11,12) durch mechanische Bewegungen gesteuert werden.

so daß diese in entsprechende Spannungen an den Elektroden (3, 4) umgewandelt werden.

8. Gas- oder dampfgefüllte, elektrische Entladungsröhre nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (10) hochfrequente Spannungen liefert.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2696566, 2 696 584,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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