DE1539280A1 - Zusammengesetztes rohrfoermiges Bauteil,insbesondere fuer thermionische Wandler,und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DlPL-INQ. DIETER JANDER DR.-INQ. MANFRED ΒΟΝΙΝβ 539280

PATENTANWÄLTE

1 BERLIN 33 (DAHLEM)

HOTTENWEG 15

Telefon: 76 13 03

Telegramme: Consideration Berlin

17· September 1966 816/12524 DE

Pat entanmeldung

des

COMMISSARIAT A I¹ ENERGIE ATOMIQUE
29, rue de la Federation
Paris, Frankreich

"Zusammengesetztes roIirfSrmiges Bauteil« inabesondere für thermionische Wandler, und Verfahren au seiner Herstellung"

Pie Erfindung betrifft ein zusammengesetztes rohrfUrmiges Bauteil, das es gestattet, den Aufbau von thermlonisohen Wandlern zu vereinfachen, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauteil· unter Auswahl geeigneter Materialien.

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6AD ORIGINAL

DIPL.-INO. DIETER JANDER DR.-INC/. MANFRED BONI.NQ PATENTANWÄLTE

Das erfindungsgemäße Bauteil ist insbesondere für den Bau von thermionisohen Wandlern geeignet, die in Reihe geschaltete Plasmadioden haben, von denen jede eine Kathode oder einen aus einem ummantelten Kernstab bestehenden Emitter und eine Anode oder einen Kollektor besitzt, der den Emitter umgibt, wobei der Hingraum zwischen den beiden Elektroden vom Plasma eines .Alkalimetalls, beispielsweise Zäsium, ausgefüllt ist.

Ein derartiger Wandler ist beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 382 968 beschrieben, die das Einreiohungsdatum 3.September 1963 trägt.

Bei Geräten dieser Art muß die Abdichtung des Raums, der das Plasma umschließt, absolut gesichert sein; außerdem müssen die beiden Ausgänge aus dem Gerät mindestens in einem gewissen Umfang voneinander isoliert sein, wie dies später noch näher beschrieben wird. Auch die Elektroden der zum Gerät gehörenden Dioden müssen voneinander isoliert sein. Es ist bekannt, diese Isolierung mit Keramikteilen vorzunehmen. Eine solche lösung bietet aber erhebliche Nachteile, und zwar insbesondere folgende: erhebliche mechanische Sprödigkeit (Zerbrechlichkeit), schlechte Festigkeit gegen stoßartige thermische Beanspruchungen, die Notwendigkeit, Metall -Keramik« Verschmelzungen bei hoher , Temper atur vor zunehmen, und schließ lieh die Tat eache, daö_ derartige Verschmelzungen der Korrosion durch die - -

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Zäsiumdämpfe einen nur sehr geringen Widerstand entgegensetzen können·

Zweck der Erfindung ist es, Geräte der in Frage stehenden Art so zu verbessern, daß sie den Anforderungen an Dichtheit und Isolation genügen und die Nachteile vermeiden, die. sich aus der Anwendung von Keramikteilm. ergeben, und daß außerdem die Konstruktion vereinfacht und die Sicherheit μ erhöht wird. ■

Das zusammengesetzte rohrförmige Bauteil nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es zwei koaxiale zylindrische Hülsen aus feuerfesten Metallen oder legierungen aufweist, daß das Metall oder die Legierung der inneren Hülse ein guter elektrischer Leiter ist, während das Metall oder die Legierung der äußeren Hülse "bei der Betriebstemperatur einen gewissen spezifischen Widerstand vorgegebener Größe hat, und daß die beiden Hülsen durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind, die der elektrischen und thermischen Isolation dient und aus einem feuerfesten pulverföimigen Material, beispielsweise aus einem feuerfesten " Oxid, aus reinem Aluminiumoxid oder aus Aluminiumoxid mit Yttriumoxid, besteht·

Beispielsweise eignet sich eine Widerstands-Legierung auf der Basis von Titan ait 2 bis 8^ eines Haupt zuschlage und mit noch Q bis 5 i> eines Bekundären zusätzlichen Zuschlags. Der Hauptsusciilag kann aus Aluminium, Yttrium oder Beryllium und der sekundäre Zuschlagstoff aus Molybdän, vanadium oder Zirkonium bestehen.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Bauteils nach, der Erfindung "besteht die äußere Hülse aus einer Legierung von Titan und Aluminium mit 6$ Aluminium, dessen spezifischer Widerstand 162 Mikro-Ohm « cm bei 20⁰C und 210 Mikro-Ohra . cm bei der Betriebstemperatur von 600⁰C betrug. Bei einer anderen Ausführungsform gelangte eine legierung aus Titan, Aluminium, Vanadium mit 6j£ Aluminium und 2$ Vanadium zur Anwendung, deren spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur 164 läikro-Ohm _o cm betrug.

Die innere Hülse besteht vorzugsweise aus Molybdän oder aus Mob.

Ein derartiges zusammengesetztes Bauteil muß so hergestellt werden, daß die isolierende Zwischenschicht sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei der vorgesehenen Betriebetemperatur einem Restdruck von seit en der äußeren Hülse ausgesetzt bleibt, derart, daß das Bauteil gute elektrische Isolationseigenschaften und einen guten thermischen Eontakt garantiert.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Bauteils. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schmiedevorgang oder einen ähnlichen Prozeß umfaßt, der bei einer Temperatur erfolgt, die mindestens gleich oder vorzugsweise höher ist als diejenige, die beim Betrieb des Geräts, für den das Bauteil bestimmt ist, auftritt, derart, daß bei einer

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Abkühlung des !zusammengesetzten. Bauteils die äußere Hülse eine elastische Vorspannung aufrechterhält·

Eine derartige Verarbeitung läßt sich mit den verschiedensten Mitteln und nach den verschiedensten Verfahren durchführen, beispielsweise durch einen magnetischen Schmiedevorgang, ein isostatisches Preßverfahren oder ein Walzverfahren.} vorzugsweise besteht das Verfahren aber in einem Zusammenschmieden, welches mit Hilfe einer Reduzier- oder Hämmermaschine durchgeführt werden kann.

Die Zwischenschaltung der pulverfö'rmigen Isolierschicht kann nach einem der nachstehenden Verfahren ausgeführt werden?

a) Einsetzen von vorher (teilweise oder völlig) gesinterten Ringen in einen Rohling, der die vorgeformte äußere Hülse und das vorgeformte innere Rohr umfaßt. In diesem Fall erhält man die pulverförmige Beschaffenheit durch das Brechen im laufe der transversal gerichteten Kontrakt ion j

b) Einlegen und Zusammenpressen in longitudinaler Richtung eines ausgewählten feuerfesten, isolierenden Pulvers in eine Halterung, die während des Herstellungsverfahrens die innere und die äußere Hülse fest miteinander verbindet ; diese Zusammendrückung kann im kalten oder im warmen Zustand mit Hilfe zweier ringförmiger Kolben vorgenommen werdenj '

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e) Vorheriges Bespritzen des innenliegenden Teils mit einem Belag des ausgewählten Materials. Dieses Ver~ fahren läßt sich ohne wesentliche Unterschiede mit Hilfe einer Plasmafackel, einer Schoop¹sehen Spritzpistole oder auf andere Weise durchführen. Der Belag wird anschließend bearbeitet, beispielsweise durch Schleifen, um exakt definierte Abmessungen zu bekommen. Das so ψ gewonnene Element wird mit einem zylindrischen Rohling

bedeckt und dem Schmiedevorgang unterworfen.

In der Mehrzahl der Fälle muß man eine unterschiedliche Dehnung der äußeren Hülse und des Innenteils strikt vermeiden. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die äußeren Enden der beiden Teile durch eine geeignete mechanische Vorrichtung festhaltene

Sie Erfindung betrifft Insbesondere auch einen thermionischen Wandler mit Plasmadioden. Wird dieser Wandler nach den Lehren der Erfindung hergestellt, dann weist er für 3ede der Dioden ein Gehäuse auf, welches den Emitter umgibt und aus einem rohrförmigen zusammengesetzten Bauteil der oben beschriebenen Art besteht» Das Innere zylindrische Element dieses Gehäuses stellt den Elektronensammler der -Diode'dar und ist elektrisch mit dem Emitter einer der benachbarten Dioden dar Diodenreihe verbunden, während das außenliegend© Element an das außenliegende Element der benachbarten Diode angeschweißt ist_t um eine dichte

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kontinuierliche Ummantelung entstehen zu lassen, die einen elektrischen Widerstand bildet, feuerfest und von den Kollektoren elektrisch isoliert ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gehäuse» das von einem Teil des erwähnten rohrförmigen Bauteils gebildet wird, dessen innenliegendes Element einen Diodenkollektor bildet, während das äußere Element einen Teil der äußeren Hülse

des Wandlers bildet, wobei ein Verbindungsglied vorgesehen ä

ist, welches den Anschluß des Kollektors an den Emitter einer benachbarten Diode ermöglicht.

Die Art der Metalle oder der Metall-Legierungen, die das zusammengesetzte Bauteil'zur Herstellung eines Gehäuses dieser Art bildet, ist bereits oben erläutert wordenj im einzelnen können bei der Auswahl die Betriebsbedingungen der Diode berücksichtigt werden, von der das Gehäuse einen Teil bildete

Einerseits müssen die Metalle für die beiden Hülsen, nämlich der inneren und der äußeren Hülse, die Betriebs- \

temperatur des. Stromrichters aushalten, die größenordnungsmäßig b eispielsweise 6QO⁰C b et ragt.

Andererseits muß das Metall oder die Metall-Legierung, welche die äußere Hülse bildet, so ausgewählt und bestimmt werden, daß der spezifische Widerstand ausreicht, um eine gute Isolation !zwischen Eingang und Ausgang aus dem Eatladungsgefaß sai siehern. In der Praxis ist diese Iao- '

lierung ausreichend, wenn der Wert des Koeffizienten,

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der die Stromverluste infolge des Strcmdurchgangs in der äußeren Hülse in bezug auf den in der Plasmadiode erzeugten Ge s aast et ro» sum Ausdruck bringt, nickt größer ist als 10 bis 15 Ji. ^:

Der Wert dieses Koeffizienten für die Stromverluste kann in Abhängigkeit von den geometrischen Größen des Emitters und der äußeren Hülse berechnet werden» Er ist ferner abhängig von der Dio denspannung, der Stromdicht e b ei maximaler Leistung der Diode and vom Koeffizienten des epesifisehen Widerstands» IM gekehrt erhält man unter Zulassung eines bestimmten Wertes in der Größenordnung von 10 bis 15 "Jf für den Koeffixierten der Stromverluste für den Koeffizienten des spezifischen Widerstands einen ganz bestimmt en zulässigen Wert,

die üblichen praktisch brauchbaren Werte, der charakteristischen Merkmale der Diode erhält man für den spezifischen Widerstand einen Wert in der Größenordnung von 210 Mikro-Ghm . cm bei einer !Temperatur von 60O⁰C, also einen Wert für den spezifischen Widerstand, wie er oben für ein Beispiel einer Legierung auf der Basis von Titan angegeben worden ist·

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenetandee gehen aus der folgenden Beschreibimg hervor, in der auf die Zeichnung Bezug genommen werden wird.

In der Zeichnung lets

Fig· X ein. Längsschnitt durch «inen thermionisch en Wandler nach der Erfindung und

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Fig· 2 ein Längssohnitt duroh ein β in ι eines Bauteil nach der Erfindung·

Der Wandler besteht aus einer feestlernten Anaahl von Dioden DI Isle Dn, die In Reihe gesehaltet sind. Jede dieser Dioden, beispielsweise die Diode D1, besteht au.* einem Bnitter 1_t der in an sich bekannter Weise von einem Uranoxldstab 1a gebildet wird, der iron einer Umhüllung 1b aus Wolfram oder Molybdän eingeschlossen ist. FtLr den Fall, daß '

diese Umhüllung aus Molybdän besteht, ist sie gegebenenfalls mit einem Belag aus Wolfram oder Bhenium bedeckt. Der bitter 1 selbst ist von einem »ylindrischen Kollektor 2 umgeben, der die Elektrizität leitet und entweder aus Molybdän, aus Hieb oder aus Zlrkom besteht. Der fiimgraum 3 swisohen dem Emitter und dem Kollektor ist von einem ZSeiumplasma angefüllt, welches man duroh Erhitzen einer Zäsiumaarige 4 in einem Behälter 5 erhält, der mit dem Rls.grasu» la Verbindung steht·

Um den riagförmlgea Kollektor 2 herum ist koaxial su diesem ,

eine äuiert Hüls« 6 angeordnet, und seii· zylindrisches. Elemente 2 und 6 sind durch eint iseliersohickt 7 voneinander Isoliert· Jeder der KoHektöreft 2 ist über Teilt 8, f alt dem SRltttr 1a der fceaaeftbatrtsG Diode, beispielsweise der Diode B2, verbunden. Diese Verbindung*»tückβ S, f mu»- sea. elfte möglich*t grof· elektrisek· Leitfähigkeit und «ia· eö glich art kitt»« tkermiseh· IeitfEhigktit aufwtisea« Sie sind «* Kolltkt·* und a» Butter duroh Hartlötta btfestift·

Di· feil· 8 an den eins ein ta Dioden habts Löalurr 8a, duroh

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die das Zäsiumplasma in. die Ringräumeinnerhalb der verschiedenen Dioden eindringen kann.

Sie verschiedenen zylindrischen Außenwände 6 der Dioden sind nacheinander an der Stelle 10 miteinander verschweißt· Es kann dies beispielsweise durch Elektronenbombardement so erfolgen? daß man eine »ylindriseh· Hülse erhält, die an ihres. Enden durch Scheiben 12 und 13 verschlossen ist, durch welche äußere Klemmen 14 und 15 luftdicht hindurchgehen, von denen die eine am den ©Bitter der einen äußeren Diode und die andere an den Kollektor der anderen äußeren Diode angeschlössen ist. Di© beiden Klemmen 14 und 15 stehen in mechanischer Berührung mit Scheiben 12 und 1% Obwohl die Klem~ men an verschied«®» Spannung® lisgen, fließt tatsächlich durch die äußere Hülse ti nur ein Sxrcan, dessen Stärke tragbar erscheint (grSSeaordaungsaiSig beträgt er 10 bis 15 £ der Stärke de® Gesamtstress, den die Diode führt)} die Stromstärke ist durch den spezifischen Widerstand des Metalls dieser Hülse begreaat·

Die rehrf5xBlg«&.- Element» 2 ^ad S bilden erfindungagemäi sus&Bmen mit dem Isolierstoff I₉ der sie voneinander tren&t, £1· Süniselteile einer ausamm@g@setsten Hüls·· Die Sinielteile odtr Bauteile weisen, elm imnerea und ein äußeres röhr-

E3.««j»Ät auf_s die Bsltt ame Metall Hest@kda.| dabei ta el da. «■'. rein· Me teil®.ti,« mn J»eg±®?wigm handeln, die

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besteht vorzugsweise aus einer Legierung auf der Basis von Titan nit 2 bis θ ft eines Haupt «ueohlagetof ie· (Aluminium, Yttrium, Beryllium), welcher »einerseits O bis 5 3* eines sekundären Zu ach lag et off es enthalten kann (Molybdän, Vanadium, Zirkonium)ι das innenliegende Element besteht aus Nieb, aus Molybdän oder aus Zirkonium. Die elektrische isolierende Zwischenschicht besteht aus einem Pulver reinen Aluminiums oder Aluminiums mit Yttriumoxid·

Die gesamte Anordnung bildet einen starren Block, der gegenüber mechanischen und thermiechen Stöflen außerordentlich widerstandsfähig ist, keine Metall-Keramik-Verbindung aufweist, und außerdem eine vollkommen dichte äußere Hülse besitzt·

Tie oben bereits dargelegt, ist es nicht erforderlich, zwischen den Klemmen 14 und If eine Isolierung vorzunehmen, die gesamte Anordnung enthält also keinen Keramik-Isolator·

Die zusammengesetzte rohrförmige Einheit wird in die Flüssig- ι

keit des Reaktors eingetaucht, die für die Abkühlung sorgt. Sie ist gegebenenfalls mit einer Isolierschicht bedeckt, die beispielsweise aus aufgespritztem Aluminiumoxid besteht·

Bei einer Anordnung dieser Art flieSt die Wärme des ELektronensammlers in radialer Richtung in die Kühlflüssigkeit ab» Wegen des Druckes, dem der Isolierstoff 7 in dem Ringraum zwischen den beiden r©hrfo*»igea Hülsen aus Metall auagee«t«t 1st, ist d«r DarchlaBquerschnitt für den Wiratetrom

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bemerkenswert und diesem nur ein geringer Wideretand entgegengestellt·

Die Erfindung ist nickt auf das dargestellte und beschriebene Äasfuhrungsbeispiel oder auf die erörterten Herstellungsverfahren beschrankt, die nur beispielsweise ausgewählt wurde». Insbesondere kann die zusammengesetzte rohrfSraiige Einheit nach der Erfindung auch bei anderen als dem in der Zeichnung

■■*'■■"

^w dargestellten thermionischen Wandler angewendet werden;

der Erfindungsgedanke ist auch bei thermoelelctronischen Wandlern verwertbar, bei denen sich hinsichtlich der Isolierung und der Ableitung der Wärmeströmung die gleichen Probleme ergeben.

MBiWSiKK

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Claims (1)

1. DIPL*INQ. DIETER JANDER DR.-1NQ. MANFRED BÖNINCf 53 g 2 8 O

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   HOTTENWEG 15

   Τ·Ι·Ιοη: 76 1303

   T«l»grsmm·: Conilderatlon Berlin

   17. September 1966 816/12324 DE

   Pat ent «meldung

   de» COMMISSAEIAT A L'iaiERGIE ATOMIQUE

   29, nie de la Federation \

   75 Paris, Frankreich.

   V a ten t a η · ρ r ü ο h. e t

   1J ZussaKeof esststes rofcrfäreig es Baut til, daduroh g e k β η & ill ο η η β t , da» es awei koaxiale sylindrisehe Hälsen (2,6) ans feuerfesten Metallen oder legierungen aufweist, daß das Ketal! oder die legierung der inneren Hülse (2) ein guter elektrischer Leiter ist, während das Metall oder die legierung der äugerem Httlst (€) bei der Betriebatemptratnr einen gewissen speslfisehen fUerstand vorgegebener öröSe aat_f und daJ die beiden Htasen durcit eine Zwisefeensohicht (7) voneinander getremt sind, die ύ,νχ elektrischen und theraisohen Zselatien dient und a»s eines feuerfesten pulYerfgraiges Material, Beispielsvtie· uns »Ines feuerfesten Oxid, aus reine· AlwaiaitiBexi« ed«r aus i3.«aini%Kozid alt seeteat. --

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   2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

   a elchnet » daß die Widerstands-Legierung eine Legierung auf der Basis von Titan ist.

   3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -zeichnet, daß der Legierung ein Hauptzuschlag zugefügt ist, der aus folgenden Metallen bestehen kann:

   W Aluminium, Yttrium oder Beryllium·

   4· Bauteil nach Anspruch 3_t dadurch g e k e η η -ζ eich net , daß die auf Titan basierende Legierung aesen dem Hauptzuschlag neon eix^sekundire& ausätsliehen Zuschlag aufweist, der aus folgenden Metallen ausgewählt sein kannt Molybdän, Vanadium, Zirkon.

   3* Bauteil nach Anspruch l_f dadurch g e k en η ζ eich net» daJ eine Legierung auf der Basis von Titan und 6 Jf Aluminium Anwendung findet.

   i« -Samt all s©@k-imspr«M I₉ islmr©h g © ϊε « a m « t- i e h t& W 1* β 0^.^} ..^LQ JewläMSlaEj«!»""dSu^eiiaCiii rnSpg ukU£* ei©X £«»@ol>o VOXl

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   PATENTANWÄLTE

   daß es einen Schmiedevergaag oder einen ähnlichen ProaeS umfaßt, der "bei einer Temperatur erfolgt, die mindestens gleich oder vorzugsweise höher ist als diejenige, die beim Betrieb des Geräts, für dea asu Bauteil bestimmt igt, auf tritt, derart, daß bei einer Abkühlung des zusammengesetzten Bauteils die äußere Hülse eine elastische Vorspannung aufrechterhält· ^

   9· Verfahren nach Anspruch 8_f dadurch gekennzeichne t , daß eis. magnetischer Schmiedevorgang, ein iso st αϊ isches Preß verfahr en oder eia Walzverfahren zur Anwendung gelangt.

   10. Verfahren nach Ansprach 3, dadurch g e k e η η ζ e i chn et, daß es mit Hilfe einer Bedusiermaschine durchgeführt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzei chn β t , daß die Zwischenschaltung der pfulverförmigen Is ο lierschicht dadurch erfolgt, daß gesinterte Ringe In einen Rohling eingesetzt werden, der die vorgeformte äußere Hülse und das vorgeformte innere Bohr umfaßt«

   12· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennteichn · t , daß sum Einführen des isolierenden Pulvers eine Hoffe oder Hontagevorrichtung dient, die die Lage der äußeren und inneren Hülse während des EiEfuhrens fixiert,

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   trad da$ das BsIver im. kalter oder warmen Zustand »it Hilfe «weier riagfSmiger Kolben im Längsrichtung zusanmeiagedrttckt wird.

   Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschaltung der pulverf8zeigen Isolierschicht dadurch erfolgt, daß zunächst auf die innere Hülse einer Schicht aus Isolierstoff aufgeepr.ltst, diese anschließend mechanisch bearbeitet wird und das so gewonnene Element In einem zylindrischen Rohling eingeführt und einem Schmiedevorgang unterworfen wird.

   14· Thermionischer Wandler mit Dioden, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß jeder Emitter (1) der Dioden (D1 bis Dn) von einem Gehäuse umgeben ist, de/i mindestens teilweise von Bauteilen gemaB'Anspruch Igebillet wird, wobei die metallische innere zylindrische Hülje (2) den Elektronensammler der Diode darstellt und elektrisch mit dem Emitter (1) einer der benachbarten Dioden der Diodenreihe verbunden ist, während das aufiemliegecLde Element (6) an das außenliegende Element der benachbarten Diode angeschweißt ist, um eine dichte kontinuierliche Ummantelung entstehen su lassen, die einen elektrischen Widerstand bildet, feuerfest und von den Kollektoren elektrisch isoliert ist«

   15·* Gehäuse für Plasmaröhren, dadurch gekennsei chm e t , daß es von einem Bauteil nach Anspruch 1 gebildet wird, dessen innanliegendes Element (2) einen Diodenkollektor bildet, während das Äußere Element (6) einen TeÜ der luSerea Hülse des Wandlers bildet, und daS es ela

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   Verbindungsglied (9) aufweist, welche» den Anschluß des Blodenkollektore an den Emit tar einer ienachb art en Diode gestattet*

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