DE3019760A1

DE3019760A1 - Gasentladungs-schaltroehre mit gekreuzten feldern

Info

Publication number: DE3019760A1
Application number: DE19803019760
Authority: DE
Inventors: Robin J Harvey
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-12-11
Also published as: GB2053558B; FR2458888B1; JPS55161334A; DE3019760C2; GB2053558A; FR2458888A1; US4247804A; JPS6021462B2

Description

Anmelderin: Stuttgart, I9. Mai I98O

Hughes Aircraft Company P 3061} S/Zr

Centinela Avenue and Teale Street
Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - SpH lh
Patentanwälte
Hohentwielstraße ί|1
7000 Stuttgart 1

Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungs-Schaltröhre mit gekreuzten Feldern mit drei Elektroden, die eine Anode, eine Kathode und eine Hilfselektrode bilden und zwei Entladungsräume, nämlich einen Hauptentladungsraum und einen Zündentladungsraum, begrenzen, von denen der Ziindentladungsraum zwischen der Hilfselektrode und einer der anderen Elektroden angeordnet ist und mit dem Hauptentladungsraum über den Durchtritt von Ladungsträgern zulassenden Öffnungen in der den Z'indentladungsrauxn vom Hauptentladungsraum trennen-

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den Elektrode in Verbindung steht, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb des von den Elektroden begrenzten Bereichs mit einer zu den Elektroden parallelen Komponente, das im Zusammenwirken mit einem zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Feld dazu geeignet ist, eine Gasentladung aufrechtzuerhalten.

Üie Technik und die zeitliche Entwicklung solcher Gasentladungs-Schaltröhren mit gekreuzten Feldern ist den US-PSen 3 638 061, 3 61^1 3öl+, 3 &0k 977, 3 558 96O, 3 678 289, 3 769 537 und 3 7J4.9 978 zu entnehmen. Von diesen Druckschriften beschreibt die US-PS 3 638 061 eine Gasentladungsschaltröhre, die sich während Zeiten vernünftiger Dauer im leitenden Zustand befinden kann, ohne daß ein Abschalten infolge von Gasverlusten stattfindet.

Die US-PS.3 6I1.I 381; beschreibt eine spezielle Elektrodenanordung, bei der die Elektroden in Serie geschaltet werden können, um im nichtleitenden Zustand die Spannungsfestigkeit zu verbessern, und die auch parallel geschaltet werden können, um im Leitungsfall eine höhere Stromkapazität zu erzielen.

Aus der US-PS 3 60l| 977 ist eine solche üchaltröhre mit zwei Elektroden bekannt, die von einem festen Magnetfeld Gebrauch macht, dessen Feldstärke oberhalb des eine Stromleitung ermöglichenden kritischen Wertes liegt. Eine der Elektroden wird dazu benutzt, ein Gegenfeld zu erzeugen, um dadurch zum Abschalten die Feldstärke unter den kritischen Wert abzusenken.

Die US-PS 3 558 96O befaßt sich mit einer Anordnung zum Aufrechterhalten des Gasdruckes in einer solchen Schalt-

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röhre zum Zweck der Beeinflussung des Leitungszustandes.

In der US-PS 3 678 289 ist eine Anordnung zum Abschalten einer solchen Schaltröhre durch vorübergehende Reduzierung des Magnetfeldes auf einen Wert beschrieben, bei dem die Schaltröhre nichtleitend wird.

Aus der US-PS 3 769 537 ist eine Sehaltröhre mit zwei Elektroden bekannt, von deren Elektroden eine perforiert ist. Benachbart zu einigen der Öffnungen sind Prallbleche oder

Schirme in einer solchen Lage angeordnet, daß die Länge des maximalen Elektronenweges bei Fehlen eines Hagnetfeldes begrenzt wird, um eine Verminderung der Spannungsfestigkeit zu vermeiden oder wenigstens zu begrenzen.

In der US-PS 3 7^9 978 ist die Verwendung von nacheinander entladenen Kondensatoren beschrieben, die an eine Abschalt-Impulsspule angeschlossen sind, um das magnetische Feld für die Dauer einer gewünschten Zeit unterhalb des kritischen Wertes zu halten.

Die US-PS RE 27 507 beschreibt ein Netzwerk von nacheinander geschalteten Gasentladungs-Schaltröhren zur Erhöhung des Kreiswiderstandes.

Diese Druckschriften sind als Hintergrund-Information von allgemeinem Interesse, weil sie das Gebiet, in dem Gasentladungs-Schal tr öhr en mit gekreuzten Feldern zum Einsatz kommen, Einzelheiten des Aufbaues und der Eigenschaften sowie die Schaltmechanismen bei Gasentladungs-Schaltröhren mit zwei Elektroden beschreiben.

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Eine Gasentladungsschaltröhre der eingangs beschriebenen Art, also mit drei Elektroden, ist aus der US-PS l\ 03i[ 260 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltröhre ist eine Steuerelektrode vorhanden, die als Gitter bezeichnet werden kann und getastet wird, um die Röhre elektronisch in einen leitenden Zustand zu bringen. Dabei muß das Magnetfeld sowohl in dem Gitter-Kathoden-Raum als auch dem Anoden-Gitter-Raum vorhanden sein, um ein einwandfreies Triggern und eine einwandfreie Stromleitung zu gewährleisten, üin Abschalten erfolgt durch Unterdrücken oder Abschalten des Magnetfeldes. Bei dieser Anordnung kann das Magnetfeld keinen festen Wert haben, sondern muß für wiederholtes Ein- und Abschalten einen Zyklus durchlaufen können.

Gewisse Analogien mögen zu üblichen Vakuumröhren oder zum Thyraton gezogen werden. Bei diesen Anordnungen handelt es sich jedoch um Schalteinrichtungen mit Glühkathoden anstatt mit Kaltkathoden. Glühkathoden besitzen spezielle Beschichtungen, die in der Wärme Elektronen freisetzen. Daher ist ein Heizelement erforderlich, um die Elektronen aus der Kathode auszutreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungsschaltröhre der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie mit konstantem Magnetfeld betrieben werden kann und trotzdem das Schalten von starken Strömen mit sehr kurzen Verzögerungszeiten gestattet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das erzeugte Magnetfeld im wesentlichen auf den Zündentladungsraum beschränkt ist, so daß der Zündentladungsraum eine Quelle für Ladungsträger bildet, die durch die Öffnungen der perforierten Elektrode in den Hauptentladungsraum ein-

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treten und unter der Wirkung eines zwischen Kathode und Anode liegenden elektrischen Feldes einen „,tromfluß zwischen Anode und Kathode ergeben.

Bei der erfindungsgemäßen Gasentladungsschaltröhre handelt es sich tatsächlich um eine gittergesteuerte Kaltkathoden-Gasentladungsröhre mit gekreuzten Feldern, die ein festes Magnetfeld besitzt und bei welcher das Plasma vornehmlich in dem ZUndentladungsraum vorliegt, wenn an der als Gitter dienenden Hilfselektrode eine geeignete Spannung anliegt, so daß dieeea Plasma eine Ladungsträger-Quelle bildet. Die Hilfselektrode, die im folgenden auch als Quellengitter bezeichnet wird, kann als perforierte Platte, Drahtgewebe oder andere offene, metallische Netz- oder St^abstruktur ausgebildet sein, die für Ladungsträger, also Elektronen oder Ionen, in einem Maße durchlässig ist, um eine hohe Verstärkung des Gitterstromes zu erzielen. Die Anordnung erlaubt eine lineare Steuerung des Anodenstromes als Funktion des Gitterstromes bis zu einer festen Grenze.

Durch die Erfindung wird demnach eine verbesserte Schaltröhre mit gekreuzten Feldern geschaffen, die das Schalten und/oder Verstärken starker Ströme in kurzen Zeiten und bei hohen Spannungen in programmierter Weise ermöglicht. Da es sich um eine Kaltkathoden-Anordnung handelt, wird ein Heizelement nicht benötigt. Daher kann der Schalter ohne Vorheizzeit eingeschaltet werden. Es wird auch kein getastetes Magnetfeld benötigt, um wiederholt arbeiten ai können. Eine Steuerung ist entweder durch Einstellen des Quellenplasmastromes oder durch Anwendung zusätzlicher Steuer- und Schirmgitter möglich.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen AusfUhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern nach dem Stande der Technik mit zwei zylindrischen Elektroden,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Leitungsbedingungen bei einer solchen Schaltröhre veranschaulicht,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern nach dem Stand der Technik, insbesondere nach der US-PS ι}. 03I4- 260, mit drei zylindrischen Elektroden,

Fig. If einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltröhre nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Diagramm, das die Elektronen- und Ionenwanderung in der Umgebung von Anode, Gitter und Kathode der Schaltröhre nach Fig. \\ veranschaulicht, und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Wanderung eines an der Kathode gefangenen Elektrons bei einer erfindungsgemäßen Schaltröhre veranschaulicht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung erscheint eine kurze Betrachtung des Standes der Technik zweckmäßig. Schalt-

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röhren mit gekreuzten Feldern, die zwei Elektroden aufweisen, sind in den oben angeführten US-Patentschriften behandelt. Diesen Patentschriften können Einzelheiten über den Aufbau und die Wirkungsweise solcher Schaltröhren entnommen werden.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch die konzentrische Anordnung von Anode A und Kathode K einer üblichen Schaltröhre mit gekreuzten Feldern. Diese Elektroden haben eine zylindrische Gestalt. Normalerweise sind diese Elektroden in ein unter niedrigem Druck stehendes Gas eingetaucht, welches den Raum zwischen den Elektroden ausfüllt. Diese Röhre wird leitend gemacht, indem ein axiales magnetisches Feld angelegt wird, das in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden durch das Symbol B bezeichnet ist. Es erstreckt sich parallel zu den einander gegenüberstehenden Elektrodenflächen. Dieses Feld ist mit dem radialen elektrischen Feld E gekoppelt, das sich quer durch den Elektroden-Zwischenraum erstreckt, so daß sich eine klassische Entladungs-Anordnung mit gekreuzten Feldern ergibt.

Die Leitungsbedingungen sind in dem Diagramm nach Fig. 2 veranschaulicht, das die Beziehungen zwischen der Anoden-Rathoden-Spannung V auf der Ordinate und der magnetischen Feldstärke B auf der Abszisse wiedergibt. Beispielsweise veranlaßt bei einer Anoden-Kathoden-Spannung V, da3 Anlegen eines Magnetfeldes der Stärke B_Q ein Leiten der Röhre. Für höhere Anoden-Kathoden-Spannungen sind höhere magnetische Feldstärken erforderlich.

Wie bei der Behandlung des technischen Hintergrundes in der US-IS U O3I4- 260 dargelegt, werden Verbesserungen angestrebt, weil die Verwendung eines getasteten Magnetfeldes

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hoher Feldstärke erhebliche Verzögerungszeiten, bedeutende Schwankungen (jitter) beim Zünden und durch das Magnetfeld induzierte Stromverluste in den Elektroden zur Folge hat. Weiterhin tragen Hochleistungs-Magnetfeld-Impulse erheblich zu den Kosten einer solchen Schaltröhre bei.

Durch die in der US-PS I4. 03ij. 1\.βΟ beschriebene Erfindung wurden die Eigenschaften solcher Schaltröhren bedeutend verbessert, indem das Einschalten in Gegenwart von Magnetfeldern geringerer Feldstärke möglich wurde, wodurch der Bedarf für eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern befriedigt werden konnte, die bei Anliegen von Anoden-Kathoden-Spannungen in der Größenordnung von 10 bis 100 kV eine relativ geringe Stärke des Magnetfeldes in der Größenordnung von 0,01 Tesla oder 100 Gauas erforderte. Die in der US-PS I4. 03U 260 offenbarte Verbesserung umfaßt die Addition einer Steuerelektrode oder eines Gitters G in der Nähe der Kathode K, welches das elektrostatische Einschalten durch Tasten des Gitters ermöglicht (s. Fig. 3)· Das Vorliegen eines Magnetfeldes ist sowohl in dem Gitter-Kathoden-Raum als auch in dem Anoden-Gitter-Raum für einwandfreies Zünden und einen einwandfreien Leitungszustand erforderlich. Das Abschalten erfolgt durch impulsförmiges Abschalten des Magnetfeldes. Eine wiederholte Betätigung dieser Schaltröhre erfordert also das Tasten des Magnetfeldes.

Die nachstehend beschriebene Erfindung macht von einer Elektrodenvorspannung zur Erzeugung eines Elektronenstromes Gebrauch. Es versteht sich, daß Ionen als Ladungsträger erzeugt werden können, indem die Plasmaquelle auf Anodenpotential gehalten wird.

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Die vorliegende Erfindung ergibt eine G sntladungs-Schaltröhre mit verbesserten Eigenschaften durch eine strukturelle Organisation und Betriebsart, welche die Notwendigkeit zum Tasten des Magnetfeldes für einen periodischen Betrieb vermeidet. Dies ist ein bedeutender Vorteil bei hohen Schaltfolgen, da die Anodenspannung ohne Abschalten des Magnetfeldes erneut angelegt werden kann. Weiterhin ist die Zeit, die zum Überführen der Schaltröhre in den leitenden Zustand erforderlich ist, durch die elektrostatische Freigabe von Ladungen über einen magnetfeldfreien Raum reduziert. Dies ist wichtig für den Betrieb mit Impulsen von weniger als einer Mikrosekunde .uauer.

Eine Gasentladungs-Schaltröhre, welche die verbesserten Schalteigenschaften besitzt, ist in Fig. Ij. dargestellt. Diese Schaltröhre S umfaßt vier im wesentlichen konzentrische, zylindrische Elektroden, nämlich eine innere Anode A, ein Quellengitter G„, ein Steuergitter G_c und eine äußere Kathode K. Unter vermindertem Druck stehendes Gas füllt alle Räume zwischen den Elektroden aus. Wie in der US-PS ij. O3I4- 36O gezeigt, kann die Elektrodenanordnung in einem gasgefüllten! Behälter oder Kolben angeordnet sein. Statt dessen kann, wie in Fig. k gezeigt, die Kathode K als Kolben benutzt und durch das Ventil V evakuiert sowie mit Gas gefüllt werden. Helium mit einem Druck von etwa 50 Millitorr hat sich als geeignetes, gasförmiges Milieu für die Glimmentladung erwiesen. Isolatoren 1, 2 und 2a tragen die Anode A und die Gitter G und G in der darge-

S C

stellten, konzentrischen Zuordnung. Eine Anordnung von Spulen G, die in Fig. i| rechts dargestellt ist, oder eine Anordnung von Permanentmagneten M, die in Fig. i| links dargestellt ist, um_wgibt die Kathode und erzeugt ein

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Magnetfeld P, das eine axiale Komponente aufweist, die in dem Raum zwischen Kathode und Quellengitter zu den Oberflächen der Elektroden im wesentlichen parallel verläuft. Leitungen 3 und Ij. bilden elektrische Anschlüsse zur Anode A bzw. Kathode K. Elektrische Anschlüsse für die Gitter G„ und G_G werden von den Leitungen 5 bzw. 6 gebildet.

Bei der dargestellten Ausführungβform der Erfindung sind die Anordnungen zur Erzeugung des Magnetfeldes so ausgebildet, daß das Magnetfeld F im Idealfall sich nur bis in den Kathoden-Quellengitter-Raum erstreckt, wie dargestellt, und nur wenig oder gar nicht in die übrigen Räume eindringt. Abweichend von der Schaltröhre nach der US-PS Ij. 031; 260, welche ein Eindringen des Magnetfeldes in die beiden Elektrodenräurae erfordert, ist das Magnetfeld P bei der erfindungsgemäßen Schaltröhre niemals stark genug, um in dem Raum zwischen Anode und Steuergitter ein Plasma aufrechtzuerhalten, selbst bei niedriger Anodenspannung. Dies bedeutet, daß die Anodenspannung wieder angelegt werden kann, ohne das Magnetfeld in dem Kathoden-Quellengitter-Raum abzuschalten. Eine Tastung des Magnetfeldes ist also vermieden, da nur ein festes Magnetfeld benötigt wird.

Der Mechanismus der Anodenleitung besteht nicht länger in der Auslösung einer Gasentladung in einem Raum mit gekreuzten Feldern, die durch das Eindringen von Plasma in den Anoden-Gitter-Raum von dem Kathoden-Gitter-Raum ausgelöst wird. Statt dessen bildet das Plasma in dem Kathoden-Gitter-Raum eine effektive Quelle von Elektronen (und Ionen), die mittels der Gitter G₃ und G_Q gesteuert wird.

Wie in Fig. k dargestellt, sind die zylindrischen Gitter G_Q und Q_n perforiert, um diese Gitter in einem solchen Maße

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für Elektronen durchlässig zu machen, wie es für eine hohe Verstärkung des dem Gitter zugeführten Treiberstromes erforderlich ist. Es kann nun der Anodenstrom mit dem Steuergitter linear gesteuert werden, wie bei einer Vakuumröhre, bis zum Erreichen eines festen Grenzwertes.

Bei hohen Elektronenströmen tritt eine Begrenzung durch Raumladungen ein. Das Ansammeln von Elektronen in dem Anoden-Steuergitter-Raum zieht neutralisierende Ionen durch das Steuergitter nach, wodurch das Gitter in Plasma eingebettet wird. Die Steuerwirkung des Gitters kann dann verlorengehen. Sobald die Stromzufuhr zur Anode und zum Steuergitter unterbrochen wird, erlischt das Plasma und der Schalter kehrt zu seinem ursprünglichen, nichtleitenden Zustand zurück. Während dieses ganzen Zyklus wurde das Magnetfeld nicht verändert. Durch Anlegen einer Spannung an die Anoden- und Kathodenklemmen des Schalters wurde eine Stromleitung in Gegenwart des festen magnetischen Feldes in dem Kathoden-Quellengitter-Raum durch die Steuerwirkung des elektrischen Feldes erzielt, die das Quellengitter hat und die das Übertreten von Elektronen aus dem Kathoden-Quellengitter-Plasma in den Steuergitter-Quellengitter-Raum verursacht.

uas Steuergitter ist für die Funktion nicht wesentlich. Wenn es auf Anodenpotential gehalten wird, wird es vom Elektronenstrom unmittelbar erreicht, so daß der Schalter den leitenden Zustand annimmt, sobald sich die l· lasma-iuelle bildet. Das Bilden der Flasmaquelle erfordert eine endliche Zeit (in der Größenordnung von 0,1 /ts\ und, wenn die Ansprechzeit der Schaltungsanordnung kürzer ist, wird der Stromanstieg durch den Schalter begrenzt. Indam das Steuergitter negativ gehalten wird, während das Quellenplaema angeregt wird, kann der Beginn der Stromleitung verzögert

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werden, bis genügend Plasma vorliegt, um den vollen Kreisstrom zu tragen. Das Steuergitter wird dann positiv getaktet und ermöglicht, daß der Einsatz des Anodenstromes sehr viel schneller oder mit programmierter Anstiegszeit erfolgt. Die erforderliche Stärke des Magnetfeldes liegt im Bereich von Permanentmagneten, die anstelle von Feldspulen verwendet werden können, wie es bei M in Fig. I4. dargestellt ist. Es ist erkennbar, daß eine zusätzliche Steuerung einer solchen Schaltröhre dadurch möglich ist, daß der Quellenplasmastrom eingestellt wird, um dadurch die Plasmaemission oder Elektronenausbeute zu verändern, oder daß zusätzliche Hilfsgitter eingesetzt werden, wie beispielsweise Brems- oder Schirmgitter, wie sie ais der Technik der Vakuumoder Gasröhren bekannt sind.

Die nachfolgenden analytischen Betrachtungen sollen dazu beitragen, daa Verständnis der Erfindung zu unterstützen.

Einleitung

Fig. 6 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Hälfte einer zylinder symmetrischen Anordnung mit drei Elektroden. Es könnte sich auch um ein· Struktur mit ebenen Elektroden handeln. Unter der Annahme, daß eine Anodenspannung anliegt und ein lokales, stationäres Magnetfeld verwendet wird, kann durch Erhöhen dee Quellengitter-Potentials eine Gasentladung bei gekreuzten Feldern in dem Raum zwischen der äußeren Kathode K und dem Quellengitter G₃ ausgelöst werden. Das Quellengitter Gg ist perforiert, um für einfallende Elektronen durchlässig zu sein. Sobald sich das Plasma gebildet hat, wird von der Anode ein Elektronenstrom eingefangen. Die Stärke dieses Stromes ist eine starke Funktion der Elektronen-Durchlässigkeit des Quellengitters. Bei ausreichend großer

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Durchlässigkeit fließt ein Anodenstrom ohne jeden Gitterstrom. Nach Überschreiten dieses Punktes bleibt der Anodenstrom bestehen, selbst wenn das Gitter geerdet wird.

Bei hoher Dichte des Elektronenstromes erfolgt eine Begrenzung der Entladung durch Raumladung-Effekte, und es werden Ionen von dem Quellenplasma in dem Gitter-Kathoden-Raum in den Anoden-Gitter-Raum entrissen. Hierdurch entsteht eine Ladungsdichte auf Plaemapotential bis dicht zur Anode. Die Zeit, die zum Erreichen dieses Gleichgewichtes erforderlich ist, wird durch die Ionen-Transitzeit beherrscht. Daher werden ultrajiohe Schaltgeschwindigkeiten mit einer Dreielektroden-Anordnung am besten unterhalb der durch Raumladungs-Effekte tedingten Grenzen erreicht.

Stromgleiehgewicht im Quellenplasma

Die Berechnung der Wirkung des Quellengitterstromes I auf den Anodenstrom I erfordert die Betrachtung der wichtigsten, beteiligten Prozesse. Es wird hier der stationäre Zustand betrachtet. In dem Diagramm nach Fig. 5 ist der Weg eines einzigen, energiereichen Sekundärelektrons betrachtet, das von der Kathode infolge von Ionenbeschuß emittiert wird und mit neutralen Gasmolekülen kollidiert, wodurch neue Ladungen erzeugt werden. Damit die Entladung aufrechterhalten wird und im stationären Zustand bleibt, muß das durchschnittliche Elektron sich während seiner Lebensdauer genau selbst reproduzieren. Sobald es einmal die dünne Kathodenschicht in Fig. 6 passiert hat und Energie Εφ gewinnt, ist es unwahrscheinlich, daß es genau zur Kathode K zurückkehrt und dort gefangen wird. Dies liegt daran, daß das Magnetfeld gewöhnlich eine kleine Normalkomponente hat, welche die Bahn leicht von der Kathode ablenkt, und

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daß beim Durchlaufen des Plasmas stets etwas Energie verlorengeht. Daher ist es durch Krümmen der Bahn im Magnetfeld auf der Anodenseite der Kathodenschicht und durch Reflexion an dem abstossenden Potential des Kathodenfalles auf der anderen Seite gefangen.

Wie Fig. 5 veranschaulicht, verliert das Elektron Energie durch Kollisionen, die häufig eine Ionisation zur Folge haben. Die Gesamtzahl der N der ionisierenden Kollisionen kann unter der Annahme geschätzt werden, daß jede Kollision im Elektron die energie eV. entzieht, wenn V. das mittlere Ioniaationspotential ist. Ein Bruchteil (E/2) dieser Kollisionen kann aus strahlenden Kollisionen oder Wandungs-Wechselwirkungen (einfangen an Gitter oder Anode) bestehen, so daß

Empirisch ist ΕϊΜ. Diese Kollisionen erzeugen eine äquivalente Anzahl von Ion-Elektron-Paaren (es werden hier nur erste Ionisationen angenommen). Die Ionen driften sowohl zur Kathode als auch zum Quellengitter, wo sie eingefangen werden. Die Elektronen driften zum Gitter, wo ein Bruchteil (1-S) gefangen wird, während der Hauptteil (S) das Gitter durchdringt und in den Bereich großer Feldstärke im Gitter-Anoden-Rau» eintritt und dann von der Anode gefangen wird. Das Diagramm nach Fig. S zeigt schematisch die verschiedenen Flüsse, die von den geladenen Teilchen gebildet werden, e bezieht sich dabei auf Elektronen und i auf Ionen. Um eine Ladungs-Neutralität des Plasmas zu erhalten, muß die Netto-Stromdichte an der Kathode durch die Stromdichte nahe dem Gitter ausgeglichen werden, d.h.

^Jik ⁴ ^Jek ^{= J}eg " ^Jig

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- γ- a.

Der Koeffizient Y" der Sekundäremission wird gewöhnlich durch die Gleichung

definiert. Da durch eine ionisierende Kollision die Geschwindigkeit eines ursprünglich neutralen Atome nicht merklich verändert wird, haben die resultierenden Ionen eine willkürliche Verteilung und bewegen sich in gleichen Zahlen sowohl zur Kathode als auch zum Gitter, wenn das Potential gleichförmig ist. Die Wahrscheinlichkeit einer Neutralisierung an diesen Elektroden hängt von dem Einfallswinkel, der Energie und anderen geometrischen Faktoren ab, insbesondere am Gitter, wo manche Ionen das Gitter passieren und vom Feld der Anöde reflektiert werden können. Alle diese Faktoren werden berücksichtigt, indem eine Größe Q zwischen -1 und +1 definiert wird, derart, daß

Typischerweise kann J. infolge eines kleinen Potentialgefälles und von Reflexionen an dem Gitter geringfügig größer sein als J-y.. Demnach hat Q einen kleinen, aber positiven Wert.

Die Kombination der Gleichungen (2), (3) und (Ij.) ergibt

J_eK = 2 + T (1 + Q) J_iK

Verstärkung

Die Verstärkung ist definiert als das Verhältnis des Anodenstroms zum Gitterstrom. Wird die Größe der Oberflächen mit A bezeichnet, so lassen sich der Anodenstrom und der Gitterstrom wie folgt definieren:

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Daher

- γ- /It

= ^Jecj^A - ^Jig^{A =} ^Jeg^h

A = ^SJog^A

¹A ^{= 1}K

1 -

(1 - Q) 1 + Ύ (1 + Q)J

^LK -^

A
S

1 -

(1 - Q)

2 + Y(I + Q)

2 + γ(1 + Q)

- I,

(1 - Q)
'2 + γ (1 + Q)

Endlich kann dann die Verstärkung der Anordnung durch das folgende Verhältnis erhalten werden:

(1 - Q)

2 + Y(I + Q) S (2 + Y(I + Q))

-1

Ό " 2 + γ (1 + Q) -

Die Verstärkung hat demgemäß einen toi bei einem Transmietionskoeffizienten des Gitters, der kleiner ist als Dies bedeutet, daß unter Anwendung eines kleinen Gitterstrome β ein beliebig großer Anodenstrom erzeugt werden kann.

Wenn S größer ist als der kritische Wert, ist die Ver-

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Stärkung negativ. Da der Anodenstrom seine Richtung nicht umkehren kann, muß der Gitterstrom umkehren. Eine Situation, bei der Strom von der Anode und aus dem Gitter und der Kathode fließt ist analog zu einer Hohlkathoden-Entladung. Dies ist die gewöhnliche Situation, die bei hohem Anodenstrom im stationären Zustand beobachtet wird. Wenn der Gitterstrom unterbrochen wird, dann steigt das Gitterpotential an, bis der Ionenstrom zum Gitter reduziert wird, das Einfangen der Elektronen verstärkt stattfindet und die Entladungsströme ausgeglichen sind.

Plasmapotential

Die Anzahl der Kollisionen ist gegeben durch

^Jeg= <^{N + 1}>^Jek oder

^{N =} TU +Q) *

Das Plasmapotential φ wird durch Einsetzen von U aus Gl.(1) erhalten:

2 V₁" - γΤΓ+ Q) "

^φ E γ (I + Q)

Wenn, wie oben angegeben, der Gitter-Ionenstrom unterdrückt wird, nimmt S zu. Hierdurch wird andererseits das Hasmapotentlal reduziert, da der Ionenbeschuß der Kathode nun die bei der Entladung gebildeten Ionen wirksamer ausnutzt.

Raumladungs-Begrenzung

Es wurde gezeigt, daß die Zufuhr eines Gitterstromes einen Fluß von Elektronen in Richtung auf die Anode zur Folge hat.

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Dieser Elektronenstrom wird durch Raumladungs-Effekte reguliert. Der durch Raumladungen begrenzte Strom ist in plastischer Weise gegeben durch

τ _ 2.33 x 10"⁶ (V - h) ^3/2 (MKS Einheiten) J_sc - -^ ^

wenn d der Gitter-Anoden-Abstand ist.

Wenn dieser Strom durch den Elektronenstrora SJ überschritten wird, entsteht ein Überschuß an negativer Ladung, der seinerseits durch Ionen neutralisiert wird, welche durch das Gitter hindurchwandern. In Abhängigkeit von der Dynamik dieses Prozesses kann das Plasmapotential zeitweilig positiv gepulst werden. Das Plasma wird endlich den Raum überbrücken, einen beliebig hohen Strom liefern und das Anodenpotential auf einen relativ niedrigen Wert zwingen, bei dem das Plasma aufrechterhalten bleibt.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der Anodenstrom einer Kaltkathoden-Anordnung, die von einer Gasentladung in gekreuzten Feldern als Plasmaquelle Gebrauch macht, kontrolliert werden kann. Die Stromverstärkung hängt von der Elektronendurchlässigkeit des Gitters und dem effektiven Koeffizienten der Ionenreflexion von Gitter und Kathode ab. Die Verstärkung besitzt eine Singularität bei einem endlichen Wert der Durchlässigkeit. Jenseits dieses Wertes geht die Steuerwirkung des Gitters verloren.

Weiterhin kann eine ständige Gittersteuerung nur unterhalb eines Anodenstromes aufrechterhalten werden, der durch das Auftreten einer Raumladung bestimmt ist, oder für eine Zeit, die kleiner ist als die Ionen-Transitzeit. Diese Beschränkungen stellen jedoch kein Problem für Kaltkathoden-

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Einrichtungen dar, in denen große Oberflächen zur Verfügung stehen, noch für Anwendungen, die einen schnellschließenden Schalter benötigen.

Obwohl die Erfindung anhand von Anordnungen beschrieben wurde, die von zylindrischen Elektroden Gebrauch machen, ist die Gestalt der Elektroden nicht von Wichtigkeit, solange die erforderlichen Oberflächen zur Verfügung stehen. In dieser Hinsicht sind auch ebene Elektroden anwendbar. Durch die Beschreibung und die Analyse werden funktionsfähige Gasentladungsröhren beschrieben, die von drei Elektroden und einem festen Magnetfeld Gebrauch machen, das im wesentlichen nur in den Quellengitter-Kathoden-Zwischenraum eindringt, und die durch das elektrostatische Feld des Quellengitters gesteuert werden. Eine Verbesserung der Steuerung oder weitere Steuermöglichkeiten bietet das Anbringen einer vierten Elektrode. Statt dessen ist es auch möglich, eine Gasentladungsröhre mit gekreuzten Feldern mit solchen Elektrodenspannungen zu betreiben,daß das Quellenplasma auf Anodenpotential gehalten wird und Ionen anstatt von Elektronen liefert. Allgemein kann das Quellenplasma auf einem Potential gehalten werden, das zwischen Potentialen oberhalb und unterhalb des Anoden-bzw. Kathodenpotentials liegt.

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Claims

Patentansprüche

. Gasentladungsschaltröhre mit gekreuzten Feldern mit drei Elektroden, die eine Anode, eine Kathode und eine Hilfselektrode bilden und zwei untladungsräume, nämlich einen Hauptentladungsraum und einen Zündentladungsraum, begrenzen, von denen der Zündentladungsraum zwischen der Hilfselektrode und einer der anderen Elektroden angeordnet ist und mit dem Hauptentladungsraum über den Durchtritt von Ladungsträgern zulassenden Öffnungen in der den Zündentladungsraum vom Hauptentladungsraum trennendenElektrode in Verbindung steht, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb des von den Elektroden begrenzten Bereichs mit einer zu den Elektroden parallelen Komponente, das im Zusammenwirken mit einem zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Feld dazu geeignet ist, eine Gasentladung aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Magnetfeld (F) im wesentlichen auf den Zündentladungsraum beschränkt ist, so daß der Zündentladungsraum eine Quelle für Ladungsträger bildet, die durch die Öffnungen der perforierten Elektrode (G..,) in den Hauptentladungsraum eintreten und unter der Wirkung eines zwischen Kathode (K) und Anode (A) liegenden elektrischen Feldes einen Stromfluß zwischen Anode und Kathode ergeben.

'd. Gasentladungsschaltröhre nach anapruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die islektroüen (K, G.,, G , h) zylindrisch ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind.

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3. Gasentladungs-Schaltröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Magnetfeld (P) unveränderlich i3t.

i|_. Gasentladungsschaltröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (G„) zwischen Anode (A) und Kathode (K) angeordnet ist.

5. Gasentladungs-Schal tröhre nach Anspruch Ij, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hilfselektrode (G_Q) und der Anode (A) eine weitere Elektrode in Form eines Steuergitters (Gg) angeordnet und mit dem Steuergitter eine Einrichtung zum Anlegen eines negativen Potentials an das Steuergitter bis zur Ausbildung eines Plasmas im Zundentladungsraum, das eine für den vollen Leitungszustand ausreichende Menge an Ladungsträgern zu liefern vermag, und zum pulsartigen Anheben des Steuergitters (G_n) auf ein positives Potential zum Auslösen des Leitungszustandes mittels eines Signals geringer Leistung, elektrisch gekoppelt ist.

6. Gasentladungs-Schaltröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Ladungsträger liefernde Plasma sich auf Anodenpotential befindet und als Ladungsträger für den Stromfluß Ionen liefert.

7. Gasentladungsschaltröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Ladungsträger liefernde Plasma sich auf Kathodenpotential befindet und als Ladungsträger für den Stromfluß iillektronen liefert.

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