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Gasgefüllte Gleichrichterröhre Die Erfindung betrifft eine gasgefüllte
elektrische Gleichrichterröhre mit zwei etwa im Abstand der mittleren freien Weglänge
des Füllgases voneinander angeordneten, abwechselnd als kalte Kathoden arbeitenden
Elektroden, die in einer Richtung nichtleitend ist und durch die Wirkung eines inhomogenen
Magnetfeldes in der anderen Richtung leitend wird.
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Es ist bereits eine Gleichrichterröhre mit koaxialer Elektrodenanordnung
bekannt, bei welcher ein Magnetfeld durch eine die äußere Elektrode umgebende Spule
erzeugt wird. Die Gleichrichterwirkung wird bei dieser Röhre in erster Linie dadurch
erzielt, daß die von der äußeren Elektrode kommenden Elektronen durch das Magnetfeld
an der stabförmigen, in der Achse der Röhre liegenden, als Anode wirkenden Elektrode
vorbeigelenkt und so zu einer Pendelbewegung veranlaßt werden, ehe sie schließlich
die Anode erreichen, während in der anderen Periode, wenn die stabförmige Axialelektrode
als Kathode arbeitet, die von ihr ausgehenden Elektronen den umgebenden Zylinder
der äußeren Elektrode auf einer zwar gekrümmten, aber direkten Bahn erreichen. Wird
der Elektrodenabstand bei der bekannten Röhre etwa gleich der mittleren freien Weglänge
des Füllgases gewählt, so bewirken die von der Zylinderelektrode ausgehenden, hin-
und herpendelnden Elektronen eine Stoßionisation, während die von der Axialelektrode
ausgehenden Elektronen die sie umgebenden Zylinderelektrode ohne Stoß erreichen;
es findet also eine Gleichrichtung statt.
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Die bekannte Gleichrichterröhre ist jedoch nicht zur Verwendung in
Leistungskreisen geeignet, da sie keine starken Ströme zu liefern vermag.
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Um auch den Anforderungen in Leistungskreisen zu genügen, kennzeichnet
sich die Gleichrichterröhre der obengenannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß
zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, dessen stärkste Kraftlinienkonzentration
nahe derjenigen Elektrode liegt, die während der leitenden Periode der Röhre als
Kathode arbeitet, eine Vielzahl von dicht nebeneinanderliegenden Magneten, insbesondere
von Permanentmagneten, nahe der Oberfläche der während der leitenden Periode der
Röhre als Kathode arbeitenden Elektrode außerhalb des Entladungsraumes so angeordnet
ist, daß sich nur in unmittelbarer Nähe dieser Elektrode ein die Bahnen der von
dieser Elektrode ausgehenden Elektronen beeinflussendes Magnetfeld ergibt, welches
im wesentlichen parallel zur Elektrodenoberfläche verläuft und seine Richtung fortlaufend
umkehrt.
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Zwar kann auch bei der obenerwähnten bekannten Gleichrichterröhre
im Streubereich zu beiden Seiten der das magnetische Feld erzeugenden Spule im Bereich
des als Kathode wirkenden Elektrodenzylinders ein etwa stärkeres Feld als im Bereich
der stabförmigen Anode vorhanden sein. Der auf diese Weise erzeugte Gleichrichtereffekt
ist jedoch außerordentlich schwach und stellt nur eine unbeabsichtigte Nebenwirkung
dar.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Gleichrichterröhre gemäß
der Erfindung, bei welcher die beiden Elektroden koaxial zueinander angeordnet sind,
ist vorgesehen, daß die Konzentrierung des wirksamen magnetischen Feldes an der
inneren Elektrode erfolgt. Als Permanentmagnete werden bevorzugt Ferritmagnete verwendet.
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Weiter werden zweckmäßig Mittel zur Kühlung der Ferrite vorgesehen,
da diese gegen Wärme, wie sie in einem Leistungskreis in sehr starkem Maße auftritt,
empfindlich sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung;
in dieser zeigt Fig. 1 einen auf die prinzipielle Anordnung beschränkten Längsschnitt
eines zylindrischen Aufbaues einer bekannten Gleichrichterröhre, Fig. 2 und 3 einen
Längsschnitt und einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2 einer bevorzugten
Ausführungsform einer Gleichrichterröhre gemäß der Erfindung, Fig. 4 und 5 einen
Längsschnitt und eine Aufsicht eines ebenen Aufbaues einer Gleichrichterröhre
gemäß
der Erfindung, wobei die Darstellung auf die prinzipielle Anordnung beschränkt ist,
und Fig. 6 zur Erläuterung eine charakteristische Kurve, die ein bekanntes Gesetz
darstellt, nach dem eine Gasentladung abläuft.
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Fig. 1 zeigt im Prinzip eine aus einer axialen Elektrode 7 und einer
zylindrischen äußeren Elektrode 8 gebildete Diode. Die Polschuhe von entgegengesetzter
Polarität 9, 10 erzeugen in dem Raum zwischen den Elektroden 7, 8 ein axiales
gleichförmiges Magnetfeld. Die Zylinderwand 8 ist an den Oberflächen der Pole
9; 10 derart befestigt, daß ein abgeschlossener Raum entsteht, der mit Gas
unter geringem Druck gefüllt wird. Die Elektrode 7 wird durch ein isolierendes Teil
11 gehaltert, welches den Kanal 12 in dem Polschuh 9 abschließt, durch den
der Anschluß 3 der Elektrode 7 hindurchführt. Die Spannung wird über die Leitungen
3 und 4 an die Elektroden 7 und 8 angelegt.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand eines koaxialen Aufbaues erläutert.
Er ist als Längsschnitt in Fig.2 und als Querschnitt entlang der Linie 5-5 von Fig.
2 in Fig. 3 dargestellt. In diesen Figuren ist eine Diode von zylindrischem Aufbau
wie in Fig. 1 dargestellt.
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Die Diode besteht aus einer zylindrischen hohlen inneren Elektrode
13, die an einem Ende verschlossen ist, sowie aus einer zylindrischen äußeren Elektrode
14, die ebenfalls an einem Ende verschlossen ist. Diese Elektroden können
aus dem gleichen oder aus verschiedenen Metallen bestehen. Alle nichtmagnetischen,
für die industrielle Verwendung geeigneten Metalle können verwendet werden, z. B.
Kupfer, Molybdän, rostfreier nichtmagnetischer Stahl, Platin.
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Die Elektrode 14 ist an einem Kupferring angeschweißt, auf
welchem ein äußerer Verbindungsring befestigt wird. Danach wird das Gehäuse abwechselnd
aus einem Metallring 16, einem Glasring 17, einem zweiten Metallring 18 und einem
Verschlußteil aus Kupfer 19 aufgebaut, das außerdem die innere Elektrode 13 haltert.
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An dem Ring 17 ist ein Pumpstengel 20 vorgesehen, um den Raum zwischen
den Elektroden 13 und 14 zunächst zu evakuieren und dann das Gas, z. B. Wasserstoff,
unter niedrigem Druck, z. B. von 5 - 10`2 Torr, einzufüllen. Der Abstand D zwischen
den Elektroden 13 und 14 wird in Abhängigkeit von der Art und dem
Druck des verwendeten Gases gewählt. Zum Beispiel wählt man bei den weiter oben
angegebenen Voraussetzungen D = 22 mm; diese Wahl wird in folgendem begründet :
Der äußere Durchmesser der Elektrode 13 beträgt z. B. 43 mm und der innere Durchmesser
der Elektrode 14
etwa 87 mm.
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Auf das Teil 19 ist unter Zwischenschaltung einer Dichtung ein zweites
metallisches Teil 21 aufgeschraubt, das auf seiner Achse einen Rohrstutzen aus Messing
22 trägt, der dicht durch das Teil 21 hindurchführt. Dieser Rohrstutzen dient zur
Halterung der Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes, die aus einem Stapel
von Ferritscheiben 23 besteht, die mit den Polschuhen aus Weicheisen 24 abwechseln.
Die benachbarten Scheiben sind so angeordnet, daß ihre gleichen Polaritäten einander
zugekehrt sind (Nord gegenüber Nord und Süd gegenüber Süd). Die Magnetisierung der
Ferrite ist bei diesem Beispiel derart, daß das 5 mm von der Außenfläche der Elektrode
13 gemessene axiale Feld ungefähr 400 Gauß beträgt. Die Höhe des Stapels kann bei
den vorstehend angegebenen Abmessungen größenordnungsmäßig 80 mm betragen. Der Stapel
ist zwischen zwei durchbohrten Scheiben 26, 27 durch die Mutter 25 befestigt. Die
Scheibe 26 stößt gegen das Teil 28, das auf dem Rohrstutzen 22 befestigt ist. Die
magnetische Vorrichtung wird mit dem Rohrstutzen 22 in das Innere der Elektrode
13 eingeführt. Dann wird das Teil 21 auf das Teil 19 aufgeschraubt, so daß im Inneren
ein wasserdichter Hohlraum 29 entsteht. Ein Ausgangsstutzen für die Kühlflüssigkeit
30 führt durch das Teil 19 in den Hohlraum 29 hinein.
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Ein Kühlflüssigkeitsumlauf führt durch den Rohrstutzen 22 bis zu dem
abgeschlossenen Ende der Elektrode 13, dann durch die Zwischenräume zwischen den
Umfängen der Ferrite 23 und der Innenwand der Elektrode 13, durch den Hohlraum 29
und der Stutzen 30.
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Die Fig.2 stellt außerdem ein Verwendungsbeispiel der Röhre in einem
Gleichrichterkreis dar. Der Kreis weist eine Wechselstromquelle 31 auf, die mit
der zu dem Ring 15 der Elektrode 14 führenden Leitung 4 verbunden
ist; der Ausgang ist über die mit der Elektrode 13 leitend verbundene Leitung 3
mit einem Filter 32 verbunden; darauf folgt eine Gleichstrom verbrauchende Vorrichtung
33.
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In den Fig.4 und 5 sind zwei ebene parallele Elektroden durch 1 und
2 bezeichnet. Sie sind in ein nicht dargestelltes Gehäuse eingeschlossen oder in
die Wände eines solchen Gehäuses eingebaut, das mit Gas von niedrigem Druck, z.
B. von größenordnungsmäßig 10-1 bis 10-2 Torr, gefüllt ist. Über die Anschlüsse
3, 4 wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, wodurch ein senkrecht auf der
Oberfläche der Elektrode stehendes elektrisches Feld in dem Raum zwischen den Elektroden
entsteht. Gemäß der Erfindung wird z. B. in der Nähe der Elektrode 2 eine Zone gebildet,
in der eine senkrecht auf dem elektrischen Feld stehende Komponente eines magnetischen
Feldes erzeugt wird, während die der Elektrode 1 benachbarte Zone im wesentlichen
frei von einem magnetischen Feld ist. Eine derartige Zone wird z. B. dadurch gebildet,
daß unter der Elektrode 2 ein Netz von Ferritwürfeln 5 angeordnet wird, die auf
ihren an die Elektrode angrenzenden Flächen abwechselnd gegenüber den benachbarten
Würfeln entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Die Kraftlinien dieser Gesamtheit
von Ferriten, die bei 6 dargestellt sind, zeigen, daß das Feld eine parallel zu
der Oberfläche der Elektroden 1,2 liegende Komponente aufweist. Andererseits nimmt
die Stärke des magnetischen Feldes in einem derartigen System sehr schnell mit der
Entfernung von der Oberfläche der Ferritanordnung ab, d. h., sie ist groß in der
Nähe der Elektrode 2, aber sie nimmt in Richtung des elektrischen Feldes schnell
ab und wird in dem größten Teil des Raumes zwischen den Elektroden 1 und 2 etwa
gleich Null.
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Die Arbeitsweise der Röhre wird an Hand einer Stromrichterröhre unter
Bezugnahme auf die Ausführungsform nach den Fig.2 und 3 ausführlich beschrieben.
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Zu diesem Zweck sei zunächst daran erinnert, daß Gasentladungen durch
das Paschensche Gesetz bestimmt werden, das für ebene und zylindrische Aufbauten
gültig ist und eine Beziehung zwischen
der kritischen Zündspannung
V und dem Produkt p - d herstellt, wobei p der Gasdruck und
d der Elektrodenabstand ist.
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Fig. 6 stellt eine charakteristische Kurve für ein gegebenes Gas dar,
die dieser Beziehung entspricht. Die Kurve besteht für kleinere Werte
p - d als ein bestimmter Schwellenwert (p - d),ia aus einem stark
abfallenden Ast; an der Schwelle läuft die Zündspannung durch ein Minimum, und die
Kurve setzt sich in einen langsam ansteigenden oder etwa horizontalen Ast fort.
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Unter der Voraussetzung, daß in dem zylindrischen Aufbau nach Fig.3
kein magnetisches Feld vorhanden ist, durchlaufen die Elektronen, unabhängig davon,
ob sie aus der Elektrode 13 oder 14 stammen, eine radiale Bahn, deren
Länge d gleich dem Abstand zwischen den Elektroden D ist. Das Produkt
p - d
ist also in den beiden Fällen gleich. Die Zündspannung entspricht demselben
Punkt auf der Paschen-Kurve unabhängig von der Richtung der Spannung. Es tritt praktisch
kein Ventileffekt auf.
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Gemäß der Erfindung existiert jedoch ein durch die Ferrite 23 erzeugtes
magnetisches Feld. Die Kraftlinien dieses Feldes sind bei 34 in Fig. 2 dargestellt.
Wie man erkennt, weisen sie eine axiale Komponente auf. Die Stärke dieser Komponente
nimmt mit der Entfernung von der Elektrode 13 rasch ab und ist im größten Teil des
Raumes zwischen den Elektroden 13 und 14 etwa gleich Null. Daher kann
man in erster Näherung annehmen, daß das Feld auf das Innere der ringförmigen Zone
35 beschränkt ist, die in Fig. 3 durch Kreuze dargestellt ist.
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Das Vorhandensein dieser Zone bringt eine Unsymmetrie in den Lauf
der Elektronen, die von der einen oder anderen Elektrode stammen; sie ändert die
Eigenschaften der Röhre vollständig ab. Tatsächlich werden die von der Elektrode
14 stammenden Elektronen, wenn diese eine negative Spannung hat, anfangs
radial gegen die Elektrode 13 gerichtet. Sie erfahren auf diesem Weg eine Beschleunigung,
so daß sie beim Eintritt in die Zone 35 eine genügend große Geschwindigkeit haben,
damit ihre Bahnen trotz der Anwesenheit des magnetischen Feldes nicht merklich abgelenkt
werden. Sie beschreiben also Bahnen, die bei 36 dargestellt sind, deren Länge d
sich nur wenig von dem Abstand der Elektroden D unterscheidet. Folglich ist das
Produkt p - dl fast gleich dem Produkt p - D. Die Zündspannung für
die betrachtete Stromrichtung unterscheidet sich nur wenig von derjenigen, die ohne
magnetisches Feld vorhanden wäre.
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Umgekehrt treten die aus der Elektrode 13 stammenden Elektronen, wenn
diese eine negative Spannung hat, sofort nach dem Austritt aus der Elektrode in
das magnetische Feld der Zone 35 ein, d. h. gerade mit der Austrittsgeschwindigkeit.
Unter diesen Bedingungen werden ihre Bahnen durch die axiale Komponente des magnetischen
Feldes stark gekrümmt, so daß die Elektronen, wenn das Feld größer als der kritische
Wert ist, mehrere Zykloidenbögen beschreiben.
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Jeder Zusammenstoß zwischen Elektronen und Molekülen, der sich beim
Durchlaufen der Zykloidenbahn ereignet, vermindert die Geschwindigkeit der Elektronen
oder macht sie gleich Null. Diese beginnen unter dem Einfuß des elektrischen Feldes
von neuem mit der Beschreibung einer Reihe von Zykloidenbögen mit einem größeren
Durchmesser als dem der ersten Serie. So geht es weiter, bis sie die Zone erreichen,
wo sie fast radial gegen die Elektrode 14 gerichtet sind. Sie beschreiben
also Bahnen, wie sie bei 37 dargestellt sind, deren Länge 42 sehr viel größer
als die Länge dl ist.
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Der Abstand zwischen den Elektroden D wird so gewählt, daß er von
der gleichen Größenordnung ist wie die mittlere freie Weglänge do eines Elektrons
in dem Gas (d. h. eine freie Weglänge in einem Medium ohne magnetisches Feld). Die
mittlere freie Weglänge wird nach der bekannten Formel berechnet
wo A eine bestimmte Konstante für jedes gegebene Gas ist (do wird in Millimetern
erhalten, wenn der Druck in Torr angegeben wird).
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In dem besonderen Fall des beschriebenen Beispieles erhält man für
Wasserstoff mit A = 5 und p = 5 - 10-2 Torr do = 22,56 mm, woraus sich die
obenerwähnte Wahl des Abstandes D = 22 mm ergibt.
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Für die den Abstand dl durchlaufenden Elektronen erhält man
(ungefähr für Wasserstoff).
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Unter Bezugnahme auf die Paschen-Kurve für Wasserstoff findet man,
daß der Wert pTorr ' dmm = 1 sehr viel geringer als (p - d),ie ist, so daß
der entsprechende Punkt auf dem vertikalen Ast links der Schwelle, z. B. bei A (Fig.
6), liegt. An diesem Punkt ist die Zündspannung sehr hoch, und unterhalb dieser
Spannung läßt die Röhre keinen Strom in der betrachteten Richtung durch, was der
negativen Polarität der Elektrode 14 entspricht.
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Im Gegensatz dazu durchlaufen die Elektronen für die entgegengesetzte
Richtung eine Entfernung d2, die sehr viel größer als dl ist. Der Wert von p - d2
ist so, daß der Punkt auf der Paschen-Kurve nahe der Schwelle (p - d),ie
oder sogar rechts von der Schwelle auf dem horizontalen Ast, z. B. bei B, liegt.
Die Zündspannung ist dort sehr viel geringer als die am Punkt A, so daß die Röhre
in der betrachteten Richtung für die negative Polarität der Elektrode 13 den Strom
durchläßt, wenn die Zündspannung überschritten ist.
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Versuche haben gezeigt, daß in dem Beispiel nach Fig. 2 und 3 ein
Strom von 1 Ampere bei einer Spannung von 700 Volt durch die Röhre fließen kann,
wobei an der Elektrode 13 die negative Polarität liegt, während in der entgegengesetzten
Richtung sogar bei einer Gegenspannung von 10 000 Volt kein meßbarer Strom fließt.
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Nach der ausführlichen Beschreibung der Arbeitsweise der Röhre nach
den Fig. 2 und 3 ist die Arbeitsweise der abgeänderten Ausführungsform nach den
Fig. 4 und 5 durch analoge Überlegungen leicht zu verstehen. Nach den Figuren wird
die Unsymmetrie der Bahnen durch das magnetische Feld
hervorgerufen,
das in derselben Weise wie in den Fig.2, 3 lokalisiert ist, so daß die Arbeitsweise
dieselbe ist; abgesehen davon, daß die Wirksamkeit geringer ist, da das Fehlen der
zylindrischen Form die Bahnen, die lang sein müssen, hindert, Zykloiden mit einer
großen Zahl von Bögen zu beschreiben, bevor sie den Bereich des magnetischen Feldes
verlassen.
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Die Kühlmittel für die Ferrite nach Fig. 2 wurden vorgesehen, um Veränderungen
des magnetischen Feldes zu verhindern, die als Folge von Wärmeentwicklung bei längerem
Betrieb der Röhre entstehen können; man weiß, daß die Ferrite unter erhöhten Temperaturen
leiden, was eine Veränderung ihrer Eigenschaften mit sich bringt und sich durch
eine Verringerung des magnetischen Feldes bemerkbar macht.