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Gasentladungsröhre Die Erfindung betrifft eine Gasentladungsröhre,
deren Röhrenkolben aus einem endseitig geschlossenen Keramikzylinder besteht und
die außer einer Kathode eine napfförmige, in den Keramikzylinder hineinragende Anode
enthält, der eine gleichfalls napfförmige Gitterelektrode in geringerem Abstand
gegenübersteht, deren freies Ende, seitlich in Flanschform durch die Keramikwand
hindurchgeführt, nach außen ragt.
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Gasentladungsröhren werden zu den verschiedenartigsten Zwecken verwendet,
zu denen auch Schalt-oder impulsgebende Funktionen in Schaltungen gehören, die zum
Zünden von Hochspannungs-, Hochstrom- und Hochfrequenzblitzlichtlampen für stroboskopische
Blitzlichtaufnahmen oder zu artverwandten Zwecken, zum Auslösen von Radarsendern
mit Impulsen im Mikrosekundenbereich u. dgl. die erforderlichen Impulse liefern,
wie beispielsweise in den USA.-Patentschriften 2 518 879 und 2 592 556 beschrieben.
Typische Daten für eine Gasentladungsröhre dieser Art, beispielsweise für ein Wasserstoffthyratron,
sind eine Anodenspannung von 20 kV, ein Spitzenstrom von mehreren hundert Ampere
und eine Frequenz von mehreren Kilohertz. Zur Verhinderung von unerwünscht langstreckigen
Entladungen wird in solchen Röhren der Abstand zwischen der Anode und der Gitterelektrode
sehr gering, beispielsweise in der Größenordnung von 1,5 mm gehalten. Es hat sich
jedoch herausgestellt, daß bei einigen Anwendungsfällen solcher Röhren die an der
Anoden-, Kathoden-und Gitterelektrode, insbesondere beim Betrieb mit hoher Impulsfrequenz,
erzeugte Wärme eine Verkürzung der effektiven Lebensdauer zur Folge hat. Im allgemeinen
ist die Anode nach außen nur über einen dünnen Draht oder Steg verbunden, der keine
nennenswerte Wärmemenge ableitet und außerdem der Beschädigung durch Stoß oder Schwingung
ausgesetzt ist. Die Gitterelektrode ist in gleicher Weise von wärmeableitenden Einrichtungen
isoliert und kann deshalb beim Betrieb der Röhre bis auf Emissionstemperatur erwärmt
werden.
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Es sind Röhren zur Erzeugung oder Verstärkung elektrischer Schwingungen
mit einer Gas- oder Dampfentladung als Elektronenquelle bekannt, bei denen die napfförmige
Anode den stirnseitigen, mit der Außenluft in freiem Wärmeaustausch stehenden Teil
des Röhrenkolbens bildet. Bei diesen bekannten Röhren wurde jedoch das Problem der
Vermeidung von Außenüberschlägen in einer wenig befriedigenden Weise dadurch gelöst,
daß die Röhre eine abgesetzte Bauweise aufweist, die mehrfache Unterteilungen ihrer
Außenoberfläche und damit leichte Staubansatzmöglichkeit, geringe Reinigungsmöglichkeit
und erhöhte Zerbrechlichkeit bedingt.
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Ferner sind napfförmige Gitterelektroden für Gasentladungsröhren bekannt,
die mit der Napföffnung von der Anode abgewendet angeordnet sind und die Kathode
umhüllen. Die bekannten, mit diesen Gitterelektroden ausgerüsteten Gasentladungsröhren
sind jedoch mit einer vom Röhrenkolben gänzlich umschlossenen Anode ausgebildet.
Die Gitterelektrode ist dabei ebenfalls nur in der üblichen Weise am Röhrensockel
befestigt. Irgendeine Wärmeabfuhr von der Anode oder der Gitterelektrode aus dem
Röhrenkolben heraus war bei diesen bekannten Gasentladungsröhren nicht möglich.
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Ziel der Erfindung ist, eine neue und verbesserte Gasentladungsröhre
zu schaffen, die den genannten Beschränkungen nicht unterliegt und die vielmehr
eine angemessene Kühlung der Elektroden, ohne die Gefahr von Außenüberschlägen herbeizuführen,
ermöglicht, wodurch die Betriebslebensdauer ohne Gefährdung der Betriebssicherheit
beträchtlich verlängert wird.
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Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß in Verbindung
mit einer napfförmigen Anode,
die den mit der Außenluft in freiem
Wärmeaustausch stehenden stirnseitigen Teil des Röhrenkolbens bildet, eine gut wärmeleitende,
mit ihrer Napföffnung der Anode abgewendete und die Kathode umhüllende Gitterelektrode
verwendet ist, deren freies Ende in Form einfach nach außen abgebogener flacher,
die Wärme nach außen leitender Flansche an dem hinter der Kathode gelegenen Teil
der Keramikwand nach außen geführt ist und deren Seitenwand nahe an der Innenseite
der Keramikwand verläuft.
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Zweckmäßige konstruktive Einzelheiten werden nachstehend näher erläutert.
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Der Gegenstand der Erfindung kann insbesondere als neuartige und verbesserte
Thyratronröhre verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen
beschrieben. Es zeigt Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Gasentladungsröhre, die
eine bevorzugte Bauart der Elektroden und der Durchführungen der Elektrodenleiter
durch die Keramik nach der Erfindung darstellt, und Fig. 2 eine gleiche, jedoch
teilweise Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 1 wird eine Gasentladungsröhre, beispielsweise eine mit Wasserstoff
gefüllte Thyratronröhre, gezeigt, die mit einer wärmeableitenden napfförmigen Anode
9, beispielsweise aus Kupfer, ausgestattet ist, mit einer im wesentlichen ebenen,
vorzugsweise aus Molybdän bestehenden unteren Anodenfläche 17 und einer äußeren,
vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehenden Fläche 19, die
den mit der Außenluft in. freiem Wärmeaustausch stehenden stirnseitigen Teil des
Röhrenkolbens bildet. Wie ersichtlich, ist die Anode somit der Luft an der Außenseite
des Röhrenkolbens 1 ausgesetzt, um an diese die an der Anode erzeugte und über die
verhältnismäßig große wärmeableitende Fläche des kupfernen Anodennapfes 9 geleitete
Wärme an die Außenluft abzugeben. Durch diese Bauart wird außerdem der übliche Träger
für den Anodenzuleitungsdraht oder -steg hinfällig, so daß die Röhre mechanisch
widerstandsfähiger ist und sich zum Bau mit kleineren Abmessungen besser eignet,
da die Höhe der Röhre jetzt hauptsächlich durch den äußeren Erdschlußweg für die
daran gelegte hohe Anodenspannung begrenzt wird.
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Eine Gitterelektrode 37 in Form eines umgestülpten wärmeableitenden
Napfes ist mit ihrer oberen, im wesentlichen ebenen, mit einem oder mehreren Löchern
41 versehenen Fläche 39 in unmittelbarer Nähe des Anodennapfes 9 angeordnet. Die
Seitenwandungen des Gitterelektrodennapfes 37 sind, wie die des Anodendampfes 9,
zur Verhinderung aller langstreckigen Bogenentladungen an Außenüberschlägen zwischen
der Gitterelektrode 37 und der Anode 9, entlang den Wandungen 3, dicht an den vorzugsweisen,
etwa zylindrischen Seitenwandungen 3 des Röhrenkolbens angeordnet. Mit Hilfe des
Keramikkolbens 1 ist der äußere Kriechstromweg von der Anode zur Gitterelektrode
und der Kathode möglichst lang gemacht. Das elektrische Feld fällt außerdem in diesem
kleinen Raum zwischen den Seitenwandungen der napfförmigen Elektroden und den Wandungen
3 des Kolbens 1 sehr schnell ab, und alle zur Auslösung der Zündung neigenden Elektronen
gehen schnell in die mit geringem Abstand voneinander getrennt liegenden Wandungen
3 hinein verloren, bevor sie die Möglichkeit zum Ionisieren des im Kolben 1 vorhandenen
Gases haben. In den seitlichen Wandungen des Gitterelektrodennapfes 37 kann eine
Zentrierwulst 24 vorgesehen werden. Die Wandungen 3 sind vorzugsweise aus keramischem
Werkstoff. Keramische Wandungen haben nicht nur, insbesondere bei hohen Temperaturen,
wie sie an den Elektroden von Hochfrequenzthyratronen dieser Art entwickelt werden,
bessere dielektrische Eigenschaften, die den Kriechstrom oder das Durchschlagen
bei Hochspannung, wie es bei Glas- und ähnlichen Wandungen auftritt, beseitigen,
sondern sie führen auch zu verbesserter mechanischer Stoßunempfindlichkeit und Maßgenauigkeit.
Die keramischen Wandungen 3 können beispielsweise aus Tonerde mit einem geringen
Prozentsatz an Siliciumdioxyd und anderen Substanzen bestehen.
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Die Kathode 21, die von beliebiger, beispielsweise von der in den
eingangs erwähnten Patentschriften beschriebenen Bauart sein kann, zu der auch die
oxydüberzogene Heizplattenkathode oder die bei bekannten Wasserstoffthyratronen
verwendeten Kathoden gehören, wird von einem beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-I.egierung
bestehenden, sich durch den Keramiksockel 5 der Vorrichtung bis zu den Stromzufuhrkontaktstiften
27 erstreckenden Hohlstift 23 getragen. Zum Leiten des Heizstromes zur Kathode 21
kann auch ein Heizstromzufuhrstift 33 verwendet werden.
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Es bleibt noch zu erläutern, wie der Anodennapf 9, der Gitterelektrodennapf
37 und die Kathodenstifte 23 mit den Keramikwandungen 3 und 5 verbunden und durch
diese hindurchgeführt sind.
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Hinsichtlich des Gitterelektrodennapfes 37 ist zu bemerken, daß Flansche
43 vorgesehen sind, die sich zwischen der Innen- und Außenfläche der keramischen
Seitenwandungen 3, zwischen der Unterkante 26 der Wandungen und den Außenkanten
28 des Keramiksockels 5 nach außen erstrecken. Die sich an der Gitterelektrode 37
entwickelnde Wärme wird nicht nur dem Anodennapf 9 zugeführt und dadurch in den
Raum abgestrahlt, sondern auch auf die Keramikwandungen 3 durch die Seitenwandungen
des Gitterelektrodennapfes 37 abgestrahlt und durch den Flansch 43 nach außen
abgeleitet. Der außenliegende Abschnitt des Flansches 43 kann bei Verwendung der
Röhre in bekannten Schaltungen auch zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
zum Gitter benutzt werden. Der Bereich zwischen der Unterkante 26 der Seitenwandungen
3 und der Außenkante 28 des Sockels 5, durch den sich der leitende Flansch 43 der
Gitterelektrode erstreckt, muß bei 15 zu einer Durchführung ausgebildet werden.
Die Durchführung 15 muß nicht nur mechanisch starr, sondern auch für hohe Drücke
gasdicht und für Temperaturschwankungen verhältnismäßig unempfindlich sein. Der
Werkstoff der Durchführung darf keine verunreinigenden Wirkungen haben.
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Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Röhre die Unterkante 26
der keramischen Seitenwandung 3 und dieAußenkante des Keramiksockels 5 mit einer
hinsichtlich ihrer Beschaffenheit, insbesondere ihrer Dicke, vorbestimmten Schicht
aus Titanhydrid überspritzt, die etwa 0,0025 mm dick sein kann. Darauf wird unter
Verwendung einer Silberlotscheibe von etwa 0,075 mm Dicke unter Vakuum eine ausgeglühte
Nickelscheibe oder ein sonstiges Nickelteil von vorzugsweise 0,0125 mm Dicke gelötet
oder metallurgisch damit verbunden.
Die auf diese Weise metallisierten
Abschnitte der Keramikwandungen werden dann unter Verwendung eines Silber-Kupfer-Zinn-
oder eutektischen Silber-Kupfer-Lots, von denen das erste einen Schmelzpunkt von
etwa 700° C hat, an den Flansch 43 aus Kupfer oder sonstigem leitfähigem Werkstoff
gelötet. Die Lötschicht ist vorzugsweise etwa 0,008 mm dick. Dieser letzte Arbeitsgang
kann ebenfalls im Vakuum ausgeführt werden. Bei einer solchen Temperatur ist der
Dampfdruck der Silber- und Kupferteile ausreichend niedrig, und es wird nur eine
geringe Menge zum Vergiften des Titanhydrids geeigneten Kohlendioxyds von der Kathode
abgelöst. Bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise der Löttemperatur von Silberlot,
findet diese Vergiftung statt, und es wird außerdem die Kathode überzogen, wodurch
ihre Emission verringert wird. Der abschließende Arbeitsgang des Zusammensetzens
der Röhre ist deshalb vorzugsweise der Lötvorgang mit Silber-Kupfer-Zinn-Lot oder
Silber-Kupfer-Lot.
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Die Evakuiereinrichtung kann eine übliche, nicht dargestellte Metalldiffusionspumpe
enthalten, bei der ein Hochvakuum-Klappventil und eine Kühlung durch inertes Gas
zur Beschleunigung des Kühlvorganges verwendet werden. Es kann eine Induktionsheizung
verwendet werden, wobei die Vorrichtung in einer Tantalmuffel in einem Kessel bekannter
Bauart eingeschlossen ist. Es können natürlich auch andere Geräte zur Metallisierung
unter Vakuum und zur Ausbildung der Durchführungen verwendet werden.
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Die Durchführung 15 enthält also auf beiden Seiten des Flansches 43
Abschnitte, die je ein auf einer Seite an einen Silbertitanhydridüberzug 4 gelötetes
Nickelglied 2 auf dem Werkstoff der Keramikwandung enthalten und mit dem vorerwähnten
Lötmittel 6 an den kupfernen leitfähigen Flansch 43 der Gitterelektrode 37 gelötet
sind. Es hat sich herausgestellt, daß selbst, wenn die Ausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Werkstoffe nicht aufeinander abgestimmt sind, die Verwendung solcher
formbaren Werkstoffe bei den Durchführungen diese weitgehenden Temperaturschwankungen
zuläßt. Wenn der kupferne Flansch 43 unmittelbar mit Silber an die keramische Wandung
gelötet worden wäre, hätte, da die Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe nicht
aufeinander abgestimmt sind, der sich ergebende, äußerst harte Werkstoff der Durchführung
die Neigung, die Keramikwandungen zu sprengen. Außerdem hat sich herausgestellt,
daß die Verwendung von Nickel das Silber-Kupfer- oder Silber-Kupfer-Zinn-Lot daran
hindert, in den Silbertitanhydridüberzug einzudringen und die metallurgische Verbindung
mit dem Keramikwerkstoff zu zerstören.
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Der Anodennapf 9 ist an seinen sich nach außen erstreckenden Flanschen
13 an der Oberkante der keramischen Seitenwandungen 3 des Röhrenkolbens 1 und der
Unterkante eines oberen keramischen Fortsatzes 3' der Seitenwandung, dessen Verwendung
eine größere Festigkeit für die Durchführung 15' gewährleistet, als wenn kein oberer
Seitenwandungsfortsatz verwendet würde, mit ähnlichen Durchführungen 15' ausgestattet.
Während die Kathode in ähnlicher Weise auf ähnlich in den Keramikwandungen der Röhre
nach Fig. 1 zu Durchführungen ausgebildeten Teilen getragen werden könnte, sind
die vorzugsweise aus t einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehenden rohrförmigen
Stiftträger 23 und 33 bei 10 an die mit Titanhydrid überzogenen, durch den Sockel
5 hindurch verlaufenden Öffnungen 32 mit Silber gelötet. Mit Hilfe des durch die
Anode 9, 17 eingeführten Rohres oder Einlasses 47 kann in an sich bekannter Weise
ein Gas, vorzugsweise Wasserstoff, bei geeignetem Arbeitsdruck eingeführt werden.
Das Rohr oder der Einlass 47 kann bei Erreichen des gewünschten Druckes und der
gewünschten Gaskonzentration im Röhrenkolben 1 verschlossen werden. Als typisches
Beispiel kann der Kolben 1 einen Durchmesser von etwa 7,5 cm und eine Länge von
etwa 9 cm haben. Der Abstand zwischen der Gitterelektrodenfläche 39 und der Anodenfläche
17 kann etwa 0,15 cm betragen, was bei angemessenem Fülldruck einen zufriedenstellenden
Betrieb mit Spannungen bis zu mindestens 30 kV gestattet. Die durchbrochene Fläche
39 der Gitterelektrode 37 kann mit einem einzigen Schlitz oder einer einzigen Öffnung
41 oder einer Mehrzahl von Öffnungen versehen sein. Es hat sich herausgestellt,
daß eine einzige Öffnung 41 bei hohen Stromwerten oder bei langen Impulsen, wahrscheinlich
auf Grund einer Verringerung der Anzahl der in dem Öffnungsbereich vorhandenen Gasmoleküle
als Auswirkung einer hohen Ionisierungsgeschwindigkeit in diesemBereich, einErlöschen
oder Stocken der Gasentladung verursacht. Durch Hinzufügung von zwei weiteren Öffnungen
oder Schlitzen 41 von 0,15 - 2,5 cm in einem Abstand von etwa 6 mm sind Ströme von
über 1000 A und Impulslängen von 5 Mikrosekunden in zufriedenstellender Weise durch
die Röhre geführt worden. Die Lebensdauer der Röhre ist unter Anwendung der Erfindung
selbst bei Impulsfrequenzen bis zu 50 kHz, Anodenspannungen von 30 kV und Spitzenströmen
von 500 A auf über 1000 Stunden ausgedehnt worden.
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Die Gasentladungsröhre nach der Erfindung kann gemäß den in den erwähnten
Patentschriften offenbarten impulsgebenden und schaltenden Schaltungen betrieben
werden, nach denen elektrische Hochspannungs-, Hochstromentladungen beim Anlegen
eines Zündimpulses an die Gitterelektrode zwischen der Anode und Kathode stattfinden.
Die erfindungsgemäße Röhre kann auch in anderen bekannten, von Gasentladungsröhren
Gebrauch machenden Schaltungen verwendet werden. Eine ,elektrische Verbindung mit
der Kathode 21 besteht über die Leitungen 27. Verbindungen mit der Anode 9 und der
Gitterelektrode 37 können bei 47 bzw. 43 hergestellt werden.
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In der abgeänderten Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Kanten 26
und 28 der Keramikwandungen als mit den Silbertitanhydridüberzügen 4 ausgestattet
dargestellt, jedoch sind diese Überzüge an einen Nickelleiter 20 gelötet. Dies ermöglicht
eine einstufige Lötdurchführung 15". Der Leiter 20 ist mit Hilfe eines Gliedes 22
innerhalb des Kolbens an der Gitterelektrode 37 befestigt. Wenn das Teil 22 aus
isolierendem Material bestehen würde, könnte der Nickelleiter 20 tatsächlich zum
Tragen sowohl der Kathode als auch des Gitterelektrodennapfes 37 dienen. Dies ermöglicht
eine ausgezeichnete Leiterverbindung mit niedriger Induktanz.
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. Gewünschtenfalls kann außerdem ein Schirm oder eine Fangvorrichtung
für abgeschlagene Partikel in der Bahn zwischen der Kathode 21 und der Gitterelektrodenfläche
39 angeordnet werden. Der Schirm oder die Fangvorrichtung könnte unterhalb einer
oder mehrerer der Öffnungen 41 in der Gitterelektrode angeordnet und an der Unterseite
der
durchbrochenen Gitterelektrodenflächen 39 an um die Öffnungen
41 herumliegenden Punkten befestigt sein.