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Glühkathodenröhre, welche noch derartige Gasreste enthält, daß beim
Betriebe Stoßionisation eintreten kann Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumröhren
mit Elektronen aussendenden Kathoden, wie sie beispielsweise in den sogenannten
Glühkathodengleichrichtern und -ventilen in der drahtlosen Telegraphie und Telephonie
benutzt werden, und will eine Bauart, bei welcher trotz eines verhältnismäßig hohen
Druckes der Restgase in der Röhre die Ionisation in einfacher und wirksamer Weise
unterdrückt oder auf einen Mindestbetrag heruntergesetzt wird.
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Gemäß der Erfindung sind die Kathode und die Anöde in geringem Abstand
voneinander angeordnet; die Anode ist derart ausgebildet, daß der Entladungsraum
zwischen den Elektroden klein ist, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, um die
Entladung auf diesen Raum zu beschränken.
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Bei den gebräuchlichen elektrischen Ventilen dieser Art wird die Ionisation
hauptsächlich durch die Elektronen bestimmt, welche auf nach allen Richtungen gestreuten,
also wesentlich längeren Bahnen laufen, als der Abstand von Anode und Kathode beträgt,
weil erstens die Ionisation der Bahnlänge proportional ist und zweitens die Anwesenheit
von Gas (und folglich von Ionisation) den Widerstand der Streuungswege mehr heruntersetzt
als den Widerstand der unmittelbaren Bahnen, so daß bei Anwesenheit von Gas ein
größerer Anteil des Elektronenstromes durch die gestreuten Bahnen fließt. Daher
wird bei einem Ventil mit wesentlichem Gasgehalt der Hauptteil des Stromes längs
der gestreuten Bahn fließen, und zwar in um so höheremGrade, je größter der Raum
des Gefäßes ist, in welchem sich diese gestreuten Bahnen ausbilden können. Nun wird
gemäß der Erfindung dieser Raum, durch welchen der Elektronenstrom fließen kann,
auf einen kleinen Betrag herabgesetzt, und zwar derart, daß-der Strom im wesentlichen
auf den Elektrodenzwischenraum beschränkt ist, welcher seinerseits, wie weiter unten
festgesetzt, klein gemacht wird. Es kann dann der Druck der Restgase in der Röhre,
ohne daß eine Ionisation reintritt, weist größter sein, als sonst bei derartigen
Ventilröhren zulässig ist.
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Der Elektronenstrom kann auf den Raum zwischen den Elektroden durch
passend angebrachte Schirme oder Schilder begrenzt werden, welche durch mechanische
oder elektrostatische Abschirmung oder durch beides zugleich einen Elektronenstrom
außerhalb der Grenze dieses Raumes unterbinden. Es können aber auch die Kanten und
sonstigen Teile -der die Elektronen aussendenden
Elektroden, von
denen iin allgemeinen vor allein Elektronen aus dem Raum zwischen Elektroden herausdringen,
auf hinreichend niedrigerer Temperatur erhalten werden, so daß sie keine erheblichen
Mengen von Elektronen aussenden. Dies wird entweder dadurch erreicht, daß den genannten
Kathodenstellen weniger Heizstrom zugeführt wird, oder dadurch, daß diese Stellen
eine ausgedehnte, die Wärme wirksam ausstrahlende Oberfläche erhalten, oder durch
Vereinigung dieser beiden Verfahren. Ein weiteres Mittel, den Raumstrom auf den
Raum zwischen den Elektroden zu beschränken, liegt darin, daß die Stelle oder die
Stellen der Kathodenfläche, von welcher Elektronen ausgesendet werden, die das Bestreben
haben, über gestreute Wege nach der Anode zu fließen, aus einem Material angefertigt
werden, welches eine niedrige Elektrönenaussendefähigkeit besitzt. .Wenn beispielsweise
bei einer zylindrischen Röhrenkathode, die ihre wirksame Fläche außen besitzt, die
Röhre aus Wolfram angefertigt und ihre Außenfläche mit Thorium überzogen ist, so
wird der Thoriumüberzug nicht bis an die Kanten geführt und die Röhre mit einer
Temperatur betrieben, bei welcher die Elektronenabgabe des Wolframs vernachlässigt
werden kann. Ist in dieser Weise der die Elektronenemission auf den inneren Teil
der Kathode beschränkt, so wirken die inaktiven Teile der Kathode als elektrostatische
Schirme, welche eine Ausbreitung des Elektronenstromes auf die äußeren Räume verhindern.
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Durch einen kleinen Zwischenraum zwischen den Elektroden wird dafür
gesorgt, daß die Bahnen der Elektronen zwischen der Kathode und der Anode kurz sind.
Die angewendeten Schirme usw. schaffen die Gewißheit, daß die Entladung diesen kurzen
Bahnen folgt und verhüten einen Strom jenseits der Kante der Elektrode über die
langen Streuungswege.
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Als Kathoden werden für die Ventile an sich bekannte Elektronenquellen
verwendet, die längs ihrer wirksamen Fläche möglichst geringe Unterbrechungen aufweisen,
z. B. Bleche aus Wolfram irgendwelcher Gestalt, z. B. Röhren, welche durch Elektronenbombardement
oder durch Wärmestrahlung erhitzt sein können.
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Die wirksame Fläche der Kathode ist ferner von Unterbrechungen frei,
wenn die Kathode aus einem einzelnen geradlinigen Draht besteht.
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Eine Kathode, welche nahezu dieselbe Wirkung besitzt, wie die obenerwähnten
Bleche, kann auch aus einer Drahtwicklung bestehen, deren Windungen dicht beisammen
. liegen. Wählt man den Querschnitt des Drahtes rechteckig, so kann man die Drahtwindungen
besonders nahe zusammenrücken und dadurch nahezu dieselbe Wirkung erzielen wie mit
einer Kathode, deren Fläche nicht unterbrochen ist.
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Die Anode erhält am besten dieselbe Gestalt wie die Kathode und wird
so angebracht, daß sich ein über die wirksame Fläche der Kathode überall gleich
enger Spalt zwischen der Anode und der Kathode ergibt.
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Die Abbildungen stellen Röhren nach der Erfindung in beispielsweisen
Ausführungsformen dar, und zwar zeigen: Abb. i und 2 die Wirkung der Verminderung
des Elektrodenabstandes in einer Anordnung, Abb.3 bis 7 fünf verschiedene Ausführungen
der Erfindung.
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In Abb. i stellt a eine Drahtkathode und b eine röhrenförmige Anode
.dar. Die Elektronen wandern teils direkt längs der Wege c, teils indirekt längs
der Entladewege d und e.
Die Länge des Weges e wird durch das nichtgezeichnete
Ventilgehäuse beschränkt.
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Die Stromverteilung längs der verschiedenen Wege hängt von dem Abstand
der Elektroden und ihrer Größe ab.
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Die Abb. 2 zeigt den Verlauf des Stromes bei einer Röhre, deren Anode
aus zwei parallelen Platten und deren Kathode aus einem z. B. V- oder U-förmig
gebogenen Drahte besteht. f zeigt die Bahn der direkt von dem einen die einzelnen
Drahtteile zur Anode gelangenden Elektronen, g und h die Strombahnen, auf -welchen
sich gleichfalls Elektronen bewegen. Wie man aus der Abbildung ohne weiteres sieht,
hat eine Verringerung des Anodenabstandes keinen nennenswerten Einfluß auf die Länge
der Bahnen g und h. Würde man jedoch die Drähte dicht beieinander anordnen, so daß
sie nahezu eine ununterbrochene Fläche bilden, so würden die Bahnen g stark verkürzt,
so daß eine Verkleinerung des: Anodenabstandes zur Wirkung kommt. Indessen wird,
wenn den Drahtwindungen oder den Schenkeln eine dichte Beisammenlage erteilt ist,
eine annähernd gleiche Wirkung wie bei einer Kathode mit ununterbrochener Fläche
erzielt, so daß, wenn der Spalt zwischen der Kathode und der Anode klein gemacht
ist, der Zwischenelektrodenraum klein ausfällt, wie dies weiter unten mit Bezug
auf Abbildung q. auseinandergesetzt wird.
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Einrichtungen gemäß der Erfindung, um den jenseits der über die Enden
der Elektroden fließenden Strom zu beseitigen, zeigen die Abb.3 und 3A bei einem
Gleichrichter mit zylindrischer Kathode. Die Kathode i bildet eine Elektronenquelle
mit - ünunterbrochener
Fläche. Sie wird von einer Drahthilfskathode
j durch Elektronenbombardement beheizt. Die Kathode i ist innerhalb einer zylindrischen
Anode k angeordnet, die mit ihr gleichachsig ist und nur eine sehr kleine Entfernung
von ihr hat.
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An den offenen Enden der Kathode j sind Schilder in und
n angebracht. Es sind dieses Metallscheiben von so großem Durchmesser, wie
er, ohne einen Kurzschluß mit der Anode herbeizuführen, möglich ist. Die Schirme
sind bei der dargestellten Röhre- von der Kathode isoliert und mit der Hilfskathode
leitend verbunden, so daß sie in bezug auf die Kathode negatives Potential besitzen.
Je größer der Abstand zwischen Anode und Schutzschilden ist, um so dicker sind diese
auszuführen. Die Kathode wird durch drei Stäbe o gehalten, die die Schilder m durchsetzen.
Der Halter p für die Hilfskathode durchdringt den Schild ia.
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Die Schilde können gegebenenfalls auch aus Wolfrarndraht hergestellt
werden, der zu der gewünschten Form aufgewickelt wird, wobei sich die Einzelwindungen
zweckmäßig berühren.
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Die negativ geladenen Schilde yyz und n halten die von den Kanten
der Kathode i ausgesandten Elektronen davon ab, sich auszubreiten und außerhalb
des Zwischenraumes zwischen den Elektroden auf Streubahnen zur Anode zu gelangen.
In gleicher Weise verhindern sie, daß von der Hilfskathode g aus Elektronen in den
Raum außerhalb i-1 gelangen.
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Die Hilfskathode q wird durch die Stäbe und r gehalten. Die Schilde
sind mit den Stäben p verbunden, welche negativ gegen i geladen sind, um das zur
Heizung von i erforderliche Elektrodenbombardement zu erzielen. Es wird dadurch
eine bequeme- Methode geschaffen, um sie negativ zu der Kathode zu lassen. Die Schilder
na und n können auch isoliert sein. Sie können dann ebenfalls von dem Stabe p gehalten
werden, müssen aber mit ihm durch isolierende Knöpfe aus Quarz o. dgl. verbunden
sein. In diesem Falle wird man sie nicht unmittelbar mit dem Stabe p verbinden,
sondern an p Verlängerungen zu diesem Zwecke anbringen, damit das Isoliermaterial
nicht zu stark erhitzt wird. Die isolierten Schirme können entweder isoliert bleiben
oder an eine Negativspannung gelegt werden.
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Man kann die Kathode auch nur durch Wärmestrahlung von einem Draht
q beheizen. In diesem Falle ist es wesentlich, daß die Schirme so ausgebildet sind,
daß sie beim Betriebe eine Temperatur besitzen, bei der die Elektronenaussendung
von ihnen zu vernachlässigen ist. Dies kann z. B. durch Vergrößerung ihrer Oberfläche
erreicht werden. Wenn eine derartige Heizmethode angewand wird, können die Schirme
an. der Kathode i durch eine Anzahl dünner Stäbe gehaltert werden, um die von der
Kathode auf die Schirme -durch die Haltestäbe übertragene Wärme nach Möglichkeit
zu verringern.
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Bei Verwendung zylindrischer Elektroden kann der Schild aus einem
Rohr bestehen, dessen Länge mindestens doppelt so groß wie sein Durchmesser ist
und dessen Durchmesser so groß gewählt wird, als möglich ist, ohne daß der Schild
der Anode berührt wird.
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Abb. 4 zeigt ein Beispiel der Anwendung der Erfindung für einen Gleichrichter
mit ebenen Elektroden. Es ist der größeren Klarheit wegen nur die Kathode dargestellt.
Sie besteht aus, zwei. Platten, z. B. aus Wolfram, die parallel zueinander angeordnet
sind. Diese werden durch die Entladung einer Hilfskathode, die durch einen heizbaren
Draht t gebildet wird, erhitzt. Dieser Draht wird mittels der Halter u straff gespannt
und ist so angeordnet, daß der Abstand zwischen den benachbarten Windungen des Drahtes
möglichst klein ist. Der Elektronenstrom von der Kathode zu der nicht dargestellten
Anode ist durch den Schild v, der rund um die Seiten der Kathode angeordnet ist,
auf den Raum zwischen den Elektroden begrenzt. Der Schild ist durch einen kleinen
isolierenden Zwischenraum von der Kathode getrennt. Er wird zweckmäßig mit dem negativen
Ende der Hilfskathode verbunden. Der Schild enthält Schlitze w, die den Durchtritt
der Drahtträger zulassen. Der Schild verhindert ebenfalls ein Austreten des zwischen
Hilfskathode und Kathode fließenden Stromes in den Raum. Die Anode besteht aus zwei
Metallblechen (nicht gezeigt), die parallel zu den Platten x und y angebracht und
von ihnen durch einen kleinen Zwischenraum getrennt sind.
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Abb. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung bei Benutzung einer Drahtkathode.
Die Anode ist bei h gezeigt. Die Kathode i besteht aus einer enggewickelten
Spirale aus Wolframdraht, die auf der einen Seite durch den Draht r gehalten wird.
Das andere Ende ist mit dem schützenden Schirm m verbunden, der zweckmäßig aus einer
Wolfram- oder Molybdänscheibe besteht. Dieser Schirm ist am Stab p befestigt. Die
Schirme sind mit na und n bezeichnet. - Der Schirm n ist ebenfalls an dem Stab p
befestigt. Durch eine seitliche Bohrung in ihm ist der Draht r hindurchgeführt.
Der Querschnitt des Drahtes kann rund oder rechteckig sein.
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Abb. 6 zeigt eineAnwendung der Erfindung bei einem Ventil mit zylindrischen
Elektroden,
das -für hohe Spannungen geeignet ist; k ist die Anode.
Der Draht i ist zickzackförmig gewunden und jede Windung liegt annähernd parallel
zur Achse. Die Windungen werden am Ende durch metallene Federklemmen 2 gehalten,
die in eine isolierende Perle 3, beispielsweise aus Quarz, eingeschmolzen sind.
Die Quarzperlen 3 werden durch den Metallstab p gehalten. Die benachbarten Lagen
des Drahtes sind so dicht als möglich nebeneinander angeordnet. Die Schirme sind
bei m und n gezeigt. Sie werden durch den Stab p gehalten, mit dem sie verbunden
sind.-Abb. 7 und 7A zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem Dreielektrodenrohr
mit zylindrischen Elektroden, wobei die Kathode durch Elektronenbombardement von
einer geheizten Hilfskathode aus erhitzt wird. Die Hilfskathode und die Kathode
sind im wesentlichen entsprechend Abb. 3 gebaut. Die Schirme haben die Form von
Scheiben in und-za, .die mit dem Stab p verbunden sind. DieScheiben ist durchbohrt,
damit derDrahtr eingeführt werden -kann. Das Gitter besteht aus im wesentlichen
parallelen Drähten 5, die durch zwei Ringe 6 und 7 gehalten werden. Die Gitterdrähte
werden durch die Federn 8 gespannt gehalten. Der Ring 6 ist geschlitzt, damit die
Gitterdrähte frei zu den Abspannfedern hindurchtreten können. Die Ringe 6 und 7
werden .durch Stäbe 9 gehalten, die in isolierende Knöpfe io eingeschmolzen sind.
Die Ringe 6- und 7 dienen als Hilfsschirm, um den Elektronenstrom auf den Raum zwischen
den Elektroden zu begrenzen. Sie werden. zweckmäßig so ausgebildet, daß der Abstand
zwischen ihnen und der Anode so klein wie möglich wird.
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Dank der Erfmdung ist es möglich, Röhren mit verhältnismäßig hohem
Druck der Restgase herzustellen, welche sich verhalten wie hochevalcuierte Röhren.
Auf diese Weise wird die Herstellung der Röhren und -vor allem das Pumpverfahren
wesentlich vereinfacht.
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Es ist bekannt, daß die Ionisation im Raum zwischen einer Elektroden
aussendenden Kathode und einer Anode am positiven Potential um so geringer wird,
je kleiner der Zwischenraum zwischen den Elektroden gemacht wird. Die Ionisation
kann praktisch vernachlässigt werden, wenn die Entfernung zwischen den Elektroden
unter die freie Weglänge der Elektronen im Raum vermindert wird.
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Es ist ferner bekannt, Schilde anzuwenden, um das Entweichen von Elektronen
in bestimmten Richtungen zu verhindern. Es wurde aber noch niemals vorgeschlagen,
solche Schilde zu verwenden, um die Elektronen auf einen Raum zwischen den Elektroden
zu beschränken, der so gering ist, daß bei einem so hohen Gasdruck, daß in einem
größeren Zwischenraum eine starke Ionisation auftreten würde, die Ionisation unterdrückt
wird.