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Gasentladungsröhre Die Erfindung betrifft eine elektrische Gasentladungsröhre.
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Bei elektrischen Entladungsröhren treten im allgemeinen elektrische
Schwingungen, genannt »Rauschen«, auf, die die Verwendung solcher elektrischer Entladungsröhren
nicht nur im allgemeinen bei Geräten der drahtlosen übertragungstechnik verbieten,
sondern auch bei genauen Experimenten und Messungen. So werden z. B. das Untergrundrauschen
bei Leuchtstofflampen und die Verminderung des Verhältnisses S/N bei Entladungsröhren
in Telefonschaltungen verursacht durch Rauschen und Schwingungen, die bei der Entladung
auftreten.
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Die bisher gegen solches Rauschen und gegen solche Schwingungen angewandten
Gegenmaßnahmen erschöpften sich in der Verwendung von Kapazitäten und Induktivitäten;
diese in aller Regel in äußeren Schaltungskreisen. Diese Maßnahmen waren jedoch
so ungenügend, daß sie dem Problem nicht abhalfen, und waren besonders unwirksam
gegen niederfrequente Schwingungen.
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Es ist auch bereits eine elektrische Gasentladungsröhre bekannt, mit
einem als Vorelektrode dienenden Gitter, das wenige Millimeter vor einem Steuergitter
liegt, wobei dieses Steuergitter seinerseits im negativen Glimmlicht, im Faradayschen
Dunkelraum oder im Grenzgebiet zwischen diesen kathodischen Entladungsteilen liegen
soll. Das als Vorelektrode dienende Gitter liegt somit in der Gegend zwischen der
positiven Säule oder, anders ausgedrückt, dem Plasmabereich und dem Raumladungsbereich,
der durch das negative Glimmlicht und den Faradayschen Dunkelraum gegeben ist. Diese
bekannte Entladungsröhre sollte für die Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen besonders
geeignet sein.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Rauschen
und Schwingungen in elektrischen Gasentladungsröhren zu unterdrücken. Dabei geht
die Erfindung aus von der Erkenntnis, daß die Lage der Grenzschicht zwischen der
Raumladungszone und der Plasmazone der Entladung bei dem geringsten Anstoß zu schwingen
beginnt; es ist deshalb Ziel der Erfindung, den Entladungsmechanismus zu stabilisieren.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im
Bereich der Grenze zwischen der positiven Säule und dem Faradayschen Dunkelraum
bzw. dem Anodendunkelraum ein elektrisch nicht angeschlossenes, auf schwebendem
Potential befindliches Gitter angeordnet ist, als Mittel zur Verhinderung der Erzeugung
von störenden Hochfrequenzschwingungen bzw. Rauschen. Zur Unterdrückung des Rauschens
und von störenden Hochfrequenzschwingungen war es bekannt, innerhalb der Röhre um
die Elektroden angeordnete statische Abschirmungen zu verwenden, die über einen
Schutzkondensator an einer Netzphase liegen. Diese Maßnahmen sind angesichts der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen sehr einfachen Lösung vergleichsweise kompliziert;
sie konnten im übrigen den Erfindungsvorschlag wegen der grundsätzlichen Verschiedenheit
der angewandten Lösungsmittel nicht nahelegen.
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Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen Röhre das Gitter durch einen
Magneten von außen her in der Röhre in Richtung der Entladungsstrecke verschiebbar.
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Die Zeichnungen erläutern die Erfindung an Hand von Beispielen. Es
stellt dar Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrische
Entladungsröhre, Fig. 2 die Ansicht einer Gitterbaugruppe zur Verwendung in elektrischen
Entladungsröhren gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Entladungsröhre, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer
Gitterbaugruppe für eine Entladungsröhre gemäß Fig. 3,
Fig. 5 das
Verhalten einer Entladungsröhre gemäß Fig: 3.
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In Fig. 1 erkennt man eine erfindungsgemäße Entladungsröhre. Es handelt
sich um eine Röhre mit festem Gitter, wie sie z. B. für Leuchtstofflampen geeignet
ist. Mit 1 ist der Lampenkolben bezeichnet. 2 ist eine Elektrode. 3 ist eine Gitterbaugruppe.
Die Gitterbaugruppe 3 umfaßt das eigentliche Gitter 5 und einen Rahmen 4. Das Gitter
ist 10 mm von der Elektrode entfernt. Der Abstand der einzelnen Gitterelemente voneinander
ist 4 mm.
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Die Wirkungsweise der elektrischen Entladungsröhre nach der Erfindung
wird nun erklärt: Unter der Voraussetzung, daß der Gasdruck und der Entladestrom
in der Leuchtstofflampe konstant sind, ist, wenn ein Gitter gemäß Fig. 2 im Entladungsbereich
in der Nähe der Grenze zwischen Raumladungszone und Plasmazone vorgesehen ist und
dieses Gitter sich auf schwebendem Potential befindet, das Schwebepotential Vg bestimmt
durch die Potentialverteilung und die Elektronentemperatur innerhalb der Entladungsröhre,
d. h. wenn das Potential innerhalb der Röhren gleich V ist, so gilt:
wobei k die Boltzmann-Konstante, e die Elektronen-Ladung, Te die Elektronentemperatur;
Ti die Ionentemperatur, Me die Elektronenmasse und Mi die Ionenmasse bedeutet.
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Da die Größe Vf in der Formel (1) stets positiv ist, kann angenommen
werden, daß ein festes Potential an der Stelle des Gitters im Grenzbereich zwischen
der Raumladungszone und der Plasmazone aufgebaut wird. Dieses feste Potential befindet
sich also in demjenigen Bereich, aus dem sonst die Schwingungen herrühren. Die Instabilität
der Grenzschicht zwischen Raumladungsbereich und Plasmabereich ist somit wirksam
unterdrückt und die Röhre stabilisiert.
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Das Gitter kann ein Metall oder ein Isolator sein. Der Abstand der
Gitterelemente voneinander und die Größe des Gitters hängen von den jeweiligen Entladungsbedingungen
der Röhren ab. Das Gitter kann die Elektrode ganz oder teilweise umgeben. Es ist
notwendige Voraussetzung, daß man das Potential des Gitters schweben läßt, d. h.
nicht von außen aufdrückt.
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Wenn man das Gitter mit schwebendem Potential arbeiten läßt, so kann
es mit Erfolg in dem Plasma eingesetzt werden, in welchem Elektronen und Ionen nebeneinander
bestehen. Wenn das Gitter in das Plasma eingesetzt wird, so werden diese geladenen
Teilchen auf der Gitteroberfläche niedergeschlagen, und das Gitter nimmt ein festes
Potential an, welches von dem Gitter in seiner Umgebung verschieden ist.
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Unter diesen Umständen gilt dasselbe wie im Falle der Potentialanlegung
an ein gewöhnliches Gitter, daß nämlich der Entladungszustand gesteuert werden kann.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform der Entladungsröhre
nach der Erfindung dargestellt; der Unterschied gegenüber der bisher beschriebenen
Ausführungsform liegt darin, daß das Gitter in der Röhre verschiebbar ist. Mit 6
ist der Kolben der Röhre bezeichnet. 7 ist eine direkt beheizte Kathode, 8 eine
Anode, 9 eine Gitterbaugruppe. Mit 10 ist ein Gleitrohr der Gitterbaugruppe 9 bezeichnet,
mit 11 das Gitter selbst. Der Abstand der einzelnen Gitterelemente ist 2 mm, der
Durchmesser des Gitters 30 mm. Das Gleitrohr ist aus Nickel hergestellt. Die Krümmung
der Elektrode 8 und der Gitterverlauf 9 sind der Potentialverteilung innerhalb des
Rohres angepaßt.
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Bei dieser Ausführungsform kann die Stellung des Gitters dadurch verändert
werden, daß man das Gleitrohr 10 mittels eines Magneten von außen her verschiebt.
Es kann also das Gitter jeweils in diejenige Stellung gebracht werden, in der es
Schwingungen am wirksamsten verhindert. Die hier beschriebene Ausführungsform wird
deshalb bei solchen Röhren vor allem verwendet werden, bei denen der Arbeitspunkt
der Entladungsröhren starken Veränderungen unterworfen ist.
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Fig. 4 zeigt das durch Experimente ermittelte Verhalten erfindungsgemäßer
Entladungsröhren. Der Abstand zwischen dem Gitter und der Elektrode war 20 mm entsprechend
einer Ausführungsform gemäß Fig. 3, die Gasfüllung war Helium. Aus der graphischen
Darstellung kann man das Verhältnis zwischen dem Gasdruck, bei welchem die Schwingungen
aufhören, und dem Entladungsstrom entnehmen, der an den Klemmen gemessen wird. Der
kreuzschraffierte Bereich stellt denjenigen Bereich dar, in dem keine Schwingungen
stattfinden. Der durch die Kurve I eingeschlossene Bereich B entspricht einer Stellung
des Gitters in engem Kontakt mit der Elektrode, also einem Zustand, in dem das Gitter
unwirksam ist. Der durch die Kurve II begrenzte Bereich A -1- B ent-
spricht
einer Stellung des Gitters in Abstand von 20 mm von der Elektrode. Man erkennt,
daß dann der Bereich, in dem keine Schwingungen stattfinden, stark vergrößert ist.
Außerhalb des schraffierten Teils erreichen die Schwingungen Spannungswerte von
mehreren Volt, ja sogar von mehreren -zig Volt.