DE2319538C3 - Gasentladungsröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungsröhre mit einer eine Glühkathode aufweisenden Kathodenstruktur und einer eine ebenfalls beheizte Anode aufweisenden Anodenstruktur, ferner mit einem Steuergitter zum Zünden einer Gasentladung von der Kathode zur Anode und mit einer in der Anodenstruktur vor der Anode angeordneten und gegenüber dieser positiv vorgespannten Hilfselektrode.

Die meisten bekannten Wasserstoffthyratrons leiten normalerweise nur in einer Richtung, und wenn eine derartige Röhre umgepolt wird. ^ ~teht die Gefahr einer Elektrodenbeschädigung ini^.ge von Kathodenzerstäubung. Es gibt jedoch denkbare Anwendungsgebiete für in beiden Richtungen betreibbare Gasentladungsröhren, z. B. als Schalter in einer Oszillationsschaltung. Ein solcher Schalter muß im offenen Zustand

Spannungen in entgegengesetzten Richtungen ohne die Gefahr eines Durchschlags standhalten können, andererseits aber für Ströme in beiden Richtungen leitend gemacht werden können.
Gemäß der deutschen Offenlegungsschrifft 21 48 141 soll eine Umpolung eine Gasentladungsröhre der eingangs beschriebenen Art ohne die Gefahr einer Elektrodenzerstäubung dadurch möglich gemacht werden können, daß man der beheizten Anode ebenfalls ein Steuergitter zuordnet, über welches eine Zündung der Röhienleitfähigkeit in Gegenrichtung erfolgt. Die besagte Hilfselektrode und eine weitere ähnliche Hilfselektrode vor der Kathode, die jeweils positiv gegenüber der jeweils benachbarten Hauptelektrode vorgespannt sind, sollten dazu dienen, den Stromfluß der Röhre nach dem jeweiligen Zündvorgang zu erleichtern.

Diese bekannte Röhre hat den Nachteil, daß sie bei einem Wechsel der Polung neu gezündet werden muß. Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in der Schaffung tiner zündbaren Gasentladungsanordnung, die nach erfolgter Zündung Strom in beiden Richtungen zu leiten vermag.

Bei einer Gasentladungsröhre der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine derartige Vorspannung der Hilfselektrode, daß sie gegenüber der Anode als Entladungselektrode wirkt, um zwischen diesen beiden Elektroden ein Plasma aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung dient also die Vorspannung der Kilfselektrode nicht einfach zur Erleichterung des Stromflusses in der jeweils gezündeten Richtung, sondern zur Bildung eines beständigen Plasmas an der Anodenstruktur. Wird die für einen Elektronenfluß von der Kathode zur Anode gezündete Röhre umgepolt, dann leitet sie wegen des an der Anode aufrechterhaltenen Plasmas sofort in Gegenrichtung. Mit der Erfindung erhält man also einen schnell wirkenden auslösbaren Schalter, der bis zur Auslösung für Spannungen in beiden Richtungen

sperrt, nach seiner Auslösung jedoch Strom in beiden Richtungen zu leiten vermag. Wegen des an der Anode durch die Entladungselektrode gebildeten Plasmas wird außerdem die Wirkung ankommender hochenergetischer Teilchen durch Neutralisierung gedämpft, so daß diebeheizie Anode vor Beschädigung bewahrt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwischen dem Steuergitter und υ er Anodenstruktur ein oder mehrere Zwischenelektroden angeordnet, die mit Abgriffen eines zwischen Kathoden- und Anodenstruktur geschalteten Spannungsteilers verbunden sind, der sie im Einsatz der Röhre auf solche Potentiale legt, daß vor dem Zünden der Röhre zwischen keinem Paar bpnachbarter Elektroden der Röhre eine zum Durchschlagen ausreichende Spannung herrscht. Der später noch im einzelnen zu erläuternde Wirkungsmechanismus solcher Zwischenelektroden und des zugeordneten Spannungsteilers hilft mil, einerseits die Gefahr eines Durchschlagens der Röhre infolge des vorhandenen Plasmas zu vermindern, andererseits aber den gewünschten Durchschlag nach der erfolgten Zündung zu unterstützen.

Vorzugsweise enthält die Ka'.hodenstruktur der Entladungsröhre ebenfalls eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, und zwar mit einer der Glühkathode benachbarten und dieser gegenüber positiven Entladungselektrode. Ferner kann in vorteilhafter Ausgestaltung ein weiteres Steuergitter vor der Anodenstruktur und der anodcnseitigen Entladungselektrode vorgesehen sein. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, daß die Kathoden- und die Anodenstruktur praktisch gleich ausgebildet sind, wodurch die Herstellungsmethoder wesentlich vereinfacht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Vorhandensein eines Plasmas an der Kathodenstruktur beim Leiten der Röhre in Gegenrichtung einer Zerstäubung der Kathode entgegenwirkt, da die dort ankommenden hochenergetischen Teilchen durch Neutralisation gedämpft werden.

Zur Sicherhstellung des gewünschten anodenseitigen oder auch kathodenseitigen Plasmas ist es hilfreich, wenn beim Zusammenbau der Röhr; die Einhaltung des Abstandes zwischen der Anoden- bzw. Kathodcnstruktur und den jeweils zugeordneten Errtladungsclektroden erleichtert wird. In einer vorteilhaften Ausfübrungsform der Erfindung sind daher die Kathoden- und Anodenstrukturen jeweils mit ihren zugeordneten Entladungselektroden an entsprechenden Endplatten angeordnet, welche zusammen mit einem zylindrischen lsolicrglied den Kolben der Röhre bilden.

Vorzugsweise liegt die Entladungselektrode der Anodenstruktur und/oder der Kathodenstruktur an einem ersten Gleichspannungsanschluß, während eines der Steuergitter an einem zweiten Gleichspannungsanschluß liegt, der ein negativeres Potential als der erste Gleichspannungsanschluß hat und dem Triggerimpulse zum Zünden der Hauptentladungsstrecke zwischen Kathode und Anode überlagerbar sind. Das andere Steuergitter kann mit demselben Gleichspannungsanschluß wie die ihm benachbarte Entladungselektrode jeweils über einen gesonderten Widerstand verbunden sein.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung erläutert, deren Figur teilweise aufgeschnitten eine Gasentladungsröhre mit zugeordneten Schaltungselementen zeigt.

In der Beschreibung werden die Ausdrücke »Anode« und »Kathode« verwendet, um Elektroden zu beschreiben, die zumindest vor der Zündung der Rohre an positiver bzw. negativer Spannung liegen. Hs ist jedoch zu beachten, daß diese beiden Elemente strukturell voneinander nicht unterscheidbar sind, so daß im Fall einer Umpolung der Röhre die Funktion dieser E'ekiroden umgekehrt ist, d. n. was zuvor Anode war, ist nunmehr Kathode und umgekehrt.

Die Röhre ist strukturell symmetrisch bezüglich einer mittleren Querebene 1-1, die senkrecht zum Elektronenfluß der Röhre liegt. Die Röhre hat einen Kolben 10, der aus mehreren z.B. zylindrischen "Teilen 10a und 106 gebildet ist und mit Wasserstoff gefüllt ist, wobei dieser Ausdruck die Isotope Deuterium und Tritium umfassen soll. Benachbarte Abschnitte sind voneinander durch kreisringförmige Flansche 12 und 14 getrennt, die mit innerhalb des Kolbens angeordneten Elektroden verbunden sind, um einen elektrischen Kontakt mit diesen Elektroden herzustellen. Der die Anoden- bzw. Kathodenstruktur 18 enthaltende Endabschnitt des Kolbens ist durch eine Deckplatte 16 verschlossen.

Die Anoden- und Kathodenstrukturen 18 sind jeweils auf einer Plattform 20 angeordnet, welche durch die Stirnplatte 16 des Kolbens gestützt wird. Die Plattform trägt eine thermionische Elektrode 22, welche ein Heizelement 24 umgibt und durch dieses beheizt wird. Die thermionische Elektrode 22, die im folgenden als Glühkathode bezeichnet wird, ist von einem auf derselben Spannung liegenden Wärmeschirm 26 umgeben. Axial in Linie mit der Glühkathode 22 ist eine Entladungselektrode 28 angeordnet, welche von der Kathode isoliert und am Wärmeschirm 26 durch in der Zeichnung nicht gezeigte Streben mechanisch gestützt wird. Elektrischer Kontakt mit der Entladungselektrode 28 wird durch einen gesonderten Draht 30 hergestellt, der sich durch die Stirnplatte 16 hindurch erstreckt.

Ein Steuergitter 32 ist nahe der Entladungselektrode 28 angeordnet und weist einen kreisringförmigen Flansch 12 auf, der wie oben erwähnt, aus dem Röhrenkolben ragt. Das Steuergitter 32 hat ferner einen zylindrischen Abschnitt 34 und ein Paar radialer Platten 36 und 38, die demjenigen Ende des zylindrischen Teils 34 angeformt sind, welches von dem kreisringförmigen Flansch 12 entfernt liegt, jede der Platten 36. 38 ist mit einer kreisringförmigen Öffnung versehen, deren Außenrand durch die Platte und deren Innenrand durch eine in der Mitte befindliche zylindrische Kapsel 40 definiert wird. Die Kapsel 40 ist an der Platte 38 durch drei am Kreisumfang im Abstand voneinander angeordnete Streifen befestigt, welche elektrischen Kontakt zwischen der Kapsel 40 und den übrigen Teiien des Steuergitters herstellen. Die Gesamtstruktur des Steuergitters 32 bildet somit zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Platten, wovon jede eine kreisringförmige Öffnung aufweist, wobei der Durchmesser der einen Öffnung größer ist als der Durchmesser der anderen. Eine derartige Konstruktion wirkt einem ungewollten Durchschlagen der Röhre entgegen.

Die Zwischenelektroden 84,90 in der Röhre sind dem Steuergitter ähnlich, nur daß jede noch mit einem mittleren zylindrischen Teil 42 versehen ist, der an drei Stützstangen 44 hängt, die sich zwischen den zylindrischen Teilen 42 und den zylindrischen Abschnitten 46 der Elektroden radial erstrecken. Der Hauptzweck der zylindrischen Teile 42 ist eine Verbesserung der Kühlung der Kapsel 40 an den Zwischcnelektroden.

Jede der Plattformen 20 trägt ein Wasserstoffreservoir 50, das in der Technik an sich bekannt und geeignet

ist. Wasserstoff abzugeben, wenn eine Spannung angelegt wird. Gesonderte Zuleitungen für das Wasserstoffreservoir 50 erstrecken sich durch die Stirnplatte 16 bis zum Außenumfang des Röhrenkolbens.

Die Anode A und die Kathode K können mit irgendeiner zu steuernden Last in Reihe geschaltet werden, z. B. mit einer Resonanzschaltung. Eine Spannungsquelle 60 von 6,8 Volt ist zwischen die Kathode und das Heizelement geschaltet, um den notwendigen Heizstrom zuzuführen. Das Wasserstoffreservoir an beiden Enden der Röhre ist an eine Quelle 62 angeschlossen, um den Gasdruck in der Röhre auf die gewünschte Höhe zu regulieren. Eine gegenüber der Kathode positive Spannungsquelle +1 ist über einen Widerstand mit der Entladungselektrode 28 verbunden. Diese Spannung reicht aus, um eine konstante Entladung zwischen der Entladungselektrode 28 und der Kathode 22 aufrechtzuerhalten und somit ein Plasma im Zwischenraum zu erzeugen. Eine Gleichspannung von -150VoIt ist an das Steuergitter 32 über die Sekundärwicklung 64 eines Transformators 63 und einen Widerstand 66 angelegt. Die —150 Volt-Spannung wirkt als Sperrspannung und verhindert das Zünden der Röhre. Das die —150 Volt-Spannung empfangende Ende der Sekundärwicklung 64 des Transformators ist mit der Kathodenanschlußklemme über einen Entkopplungskondensator 68 verbunden, und das andere Ende der Sekundärwicklung ist über die Reihenschaltung eines Kondensators 70 und eines Widerstands 72 mit der Entladungselektrode 28 verbunden. Die Primärwicklung des Transformators ist mit einem Impulsgeber zur Lieferung der Triggerimpulse verbindbar, die beim Erscheinen bewirken, daß die Steuerelektrode 32 in Bezug auf die Kathode zum Zünden der Röhre positiv gemacht wird.

Ein Spannungsteiler aus drei hochohmigen Widerständen 80 (z. B. jeweils 20 Megohm) ist zwischen die Hauptelektroden (Anode und Kathode) geschaltet, wobei die Abgriffe dieses Spannungsteilers mit den Zwischenelektroden der Röhre verbunden sind. So liegt der Abgriff 82 unmittelbar am Flansch 12 der Elektrode 84 und über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 86 und einem Kondensator 88 an der benachbarten Elektrode 90. Die Röhre kann eine beliebige Anzahl von Abschnitten aufweisen, deren jeder eine Elektrode wie 84 und eine Elektrode wie 90 enthält und jeweils einem Teilwiderstand des Spannungsteilers zugeord"s^ ist. Die vom Spannungsteiler an die Zwischenelektroden gelegten Potentiale sind so. daß vor dem Zünden der Röhre zwischen keinem Paar benachbarter Elektroden eine zum Durchschlagen ausreichende Spannung herrscht.

Am Anodenende der Röhre ist eine Spannungsquelle für das Wasserstoffreservoir und das Heizelement vorgesehen, wobei wiederum eine positive Gleichspannung (diesmal positiv gegenüber der Anode) für die Entladungselektrode aus einer Quelle + 2 angelegt wird. Im Gegensatz zur Anordnung am Kathodenende wird dieselbe Gleichstromquelle +2 vorzugsweise durch einen zweiten Widerstand mit derjenigen Elektrode am Anodenende verbunden, die dem Steuergitter 32 entspricht.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Die Anoden-Kathoden-Strecke der Röhre ist mit der zu steuernden Schaltung, beispielsweise einer Oszillationsschaltung, in Reihe geschaltet. Das Anlegen der Gleichspannungen an den Enden der Röhre führt zu Entladungen innerhalb der Anoden- und Kathodenstrukturen, so daß sogar vor dem Zünden Plasma innerhalb der Röhre vorhanden ist. Der gesamte gasförmige Inhalt der Röhre ist jedoch nicht ionisiert und zwar infolge der umgekehrten Vorspannung des Steuergitters 32 durch die —150 Volt-Spannungsquelle.

Wenn ein Triggerimpuls auf die Primärwicklung des

Transformators 63 gegeben wird, erscheint ein Impuls an der Sekundärwicklung 64, wodurch die Spannung des Steuergitters 32 und auch der Entladungselektrode 28

ίο steigt, da letztere über den Kondensator 70 und den Widerstand 72 ebenfalls mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Die nun positive Vorspannung am Steuergitter 32 zieht Elektronen aus dem Plasma an, wobei diese Elektronen bei ihrem Durchgang mit Wasserstoff zusammenprallen, um das Gas zu ionisieren und mehr geladene Teilchen zu erzeugen. Das erzeugte Plasma tritt in den Raum zwischen den Platten 36 und 38 des Steuergitters, und aus diesem Raum werden dann Elektronen zur benachbarten Zwischenelektrode gelangen, wo sie eine weitere Ionisierung bewirken.

Da die an der Zwischenelektrode bisher aufrechterhaltene Spannung aus einem hochohmigen Spannungsteiler kommt, führt der nunmehr eingerichtete Stromfluß zur Zwischenelektrode zu einem Abfall der Spannung gegenüber jener des Steuergitters 32. Am Kondensator 88 wird vorübergehend (bis zur Entladung des Kondensators über den Widerstand 86) eine Spannung erzeugt, die ein beschleunigendes Feld zwischen den beiden benachbarten Zwischenelektroden hervorruft, welche mit demselben Abgriff des Spannungsteilers verbunden sind. Hierdurch wird das Plasma weiter in Richtung auf die Anode ausgedehnt. Dieser Vorgang wiederholt sich an den folgenden Zwischenelektroden, bis die Elektronen an der Anodenstruktur ankommen. Nachdem sie die Anodenstruktur erreich! haben, werden die Elektroden zum Plasma angezogen welches dort durch Entladung aufrechterhalten wird. Im äußeren Anoden-Kathoden-Kreis der Röhre wird somit ein Stromfluß hervorgerufen, wobei das Plasma in der Anodenstruktur die Wirkung des Aufprallens hochenergetischer Zeichen auf die beheizte Anode stark abschwächt.

Wenn die Röhre mit einer Oszillationsschaltung verbunden ist, dann wird die Spannung an der Hauptelektroden (Anode und Kathode) nach einer gewissen Zeit umgekehrt, so daß ein negatives Potential an die Anode und ein positives Potential an die Kathode gelegt wird. Da sich ein Plasma bereits in der Röhre befindet, wandern nun Ionen und Elektronen in einer Richtung, die gegenüber der bisherigen Richtung entgegengesetzt ist. Das heißt. Elektronen wandern nur in Richtung auf das, was vorher Kathode war, und loner in Richtung auf das, was vorher Anode war. Die für der umgekehrten Stromfluß notwendigen Elektronen werden zunächst aus dem an der Anodenstruktur durch Entladung aufrechterhaltenen Plasma abgeleitet, wor aufhin die beheizte Anode als Glühkathode wirkt unc die Rollen, welche die Strukturen an den Enden dei Röhre spielen, umgekehrt sind.

Würde man sich damit begnügen, lediglich eine beheizte Elektrode als Anode zu verwenden, danr würde diese Elektrode durch auftreffende hochenergeti sehe Teilchen sehr beschädigt werden. Würde mar andererseits eine kalte Elektrode verwenden, so könner Elektronen für den umgekehrten Stromfluß nur durch Bombardement mit Hochenergieionen erhalten werden was wiederum zu einer dauernden Beschädigung führt Dieses Problem existiert jedoch bei der vorstehenc

beschriebenen Gasentladungsröhre nicht, da hier die beheizte Anode genügend Elektronen für den umgekehrten Stromfluß liefert, während das an dieser Elektrode vorgesehene Plasma die Wirkung der ankommenden hochenergetischen Teilchen dämpft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gasentladungsröhre mit einer eine Glühkathode aufweisenden Kathodenstruktur und einer eine ebenfalls beheizte Anode aufweisenden Anodenstruktur, ferner mit einem Steuergitter zum Zünden einer Gasentladung von der Kathode zur Anode und mit einer in der Anodenstruktur vor der Anode angeordneten und gegenüber dieser positiv vorgespannten Hilfselektrode, gekennzeichnet durch eine derartige Vorspannung der Hilfselektrode (28 bei A), daß sie gegenüber der Anode (A)a\s Entladungselektrode wirkt, um zwischen diesen beiden Elektroden ein Plasma aufrechtzuerhalten.

2. Gasentladungsröhre nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergitter (32) und der Anodenstruktur eine oder mehrere Zwischenelektroden (84, 90) angeordnet sind, die mit Abgriffen eines zwischen Kathoden- und Anodenstruktur geschalteten Spannungsteilers (80) verbunden sind, der sie im Einsatz der Röhre auf solche Potentiale legt, daß vor dem Zünden der Röhre zwischen keinem Paar benachbarter Elektroden der Röhre eine zum Durchschlagen ausreichende Spannung herrscht.

3. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstruktur ebenfalls eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas aufweist mit einer der Glühkathode benachbarten und dieser gegenüber positiven Entladungselektrode.

4. Gasentladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weitere!; Steuergitter vor der Anodenstruktur und der anodenseitigen Entladungselektrode angeordnet ist.

5. Gasentladungsröhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden- und Anodenstrukturen jeweils mit ihren zugeordneten Entladungselektroden an entsprechenden Endplatten (20) angeordnet sind, welche zusammen mit einem zylindrischen Isolierglied (10) den Kolben der Röhre bilden.

6. Gasentladungsröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter (32) und gegebenenfalls auch die Zwischenelektroden (84, 90) jeweils zwei axial im Abstand voneinander angeordnete Platten (36, 38) aufweisen, wovon jede eine kreisringförmige Öffnung hat, wobei der Durchmesser der einen Öffnung größer als der Durchmesser der anderen ist.

7. Gasentladungsröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geKennzeichnet, daß sie mit Wasserstoff gefüllt ist und zumindest ein Wasserstoffreservoir (50) aufweist, welches mit einer Spannungsquelle zur Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes innerhalb der Röhre verbindbar ist.

8. Gasentladungsröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungselektrode (28) der Anoden- und/oder der Kathodenstruktur an einem ersten Gleichspannungsanschluß ( + 2 bzw. +1) liegt und daß das kathodenseitige Steuergitter (32) an einem zweiten Gleichspannungsanschluß (-150V) liegt, der ein negativeres Potential als der erste Gleichspannungsanschluß hat und dem Triggerimpulse zum Zünden der Hauotentladungsstrecke zwischen Kathode und Anode überlagerbar (61,64) sind.

9. Gasentladungsröhre nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Entladungselektrode mit demselben Gleichspannungsanschluß ( + 2) wie die anodenseitige Gitterelektrode jeweils über einen gesonderten Widerstand verbunden ist.