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Verfahren und Vorrichtung zur Erniedrigung des Spannungsgefälles in
gasgefüllten Entladungsröhren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen
zur Erniedrigung des Spannungsgefälles in gasgefüllten Entladungsröhren mit einer
bei Gebrauchstemperatur festen, nicht verdampfenden Kathode, wobei gegebenenfalls
zur Regelung des zwischen Kathode und Anode fließenden Stromes eine dritte Steuerelektrode
(insbesondere ein Gitter) benutzt werden kann. Die Erfindung ist für die Verwendung
als Gleichrichter, Schwingungserzeuger, Verstärker, Detektor, Modulator usw. bestimmt.
Sie vereinigt in sich die Vorteile der Hochvakuumröhren mit jenen der gasgefüllten
Röhren, indem die Ausbildung störender Raumladungen verhindert, eine große Elektronenemission
an der Kathode und trotz ihrer Gasfüllung eine praktisch reine, aber außerordentlich
kräftige Elektronenentladung bei niedrigem Spannungsgefälle ermöglicht wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen der wirksamen
Kathodenfläche und der Anode eine enge Öffnung vorgesehen ist und daß elektrostatische
bzw. elektrotnagnetische Felder erzeugt werden, welche die durch die Entladung ionisierten
Gasmoleküle in die unmittelbare Nähe der wirksamen Kathodenfläche treiben, so daß
dort ein erhöhter Gasdruck entsteht.
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Bei einer Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist die aktive
Kathodenoberfläche innerhalb einer nahezu völlig geschlossenen Kammer angeordnet,
welche in Richtung der Anode die enge, gleichzeitig zum Durchtritt der Entladung
dienende Öffnung aufweist. Im Bereich der Entladungsöffnung herrscht ein derart
gerichtetes elektrostatisches Feld, daß positiv geladene Gasmoleküle durch die Öffnung
in die Kammer getrieben werden. Der Durchmesser jener engen Öffnung soll der mittleren
freien Weglänge der Gasmoleküle entsprechen oder kleiner sein als diese. Die Öffnung
kann auch die Gestalt eines Rohres für die Kammer erhalten, das ein höheres positives
Potential an dem äußeren Ende besitzt als am inneren. Um die Wärmeverluste seitens
der Kathode zu verringern, wird zweckmäßig diese und gegebenenfalls auch die Anode
in ein Wärmeschild eingeschlossen.
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Ferner kann gewünschtenfalls zwischen Anöde und Kathode eine dritte
Elektrode in Gestalt des bekannten Gitters angeordnet sein, um die Entladung zu
steuern. Als Gasfüllung werden thermisch leicht ionisierbare Dämpfe, z. B. ein Alkalidämpf,
vorzugsweise Caesiumdampf, verwendet. Diese Ionisierung erfolgt also fast ausschließlich
durch die Wärmewirkung seitens der heißen Kathode, und zwar vorzugsweise im Kathodenhohlraum.
In
den Abbildungen sind--einige bevorzugte Ausbildungsformen gemäß der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigen Abb. i bis 3 Mittelschnitte durch verschiedene Entladungsröhren
mit den zugehörigen Stromkreisen im Schema, Abb. 4 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform
eines Teiles der Abb. 2, Abb. 5 einen Grundriß zu Abb. 4, Abb. 6 eine Abänderung
zu Abb. 3, Abb. 7 die Anwendung der Erfindung auf eine Elektronenröhre mit einem
Gitter.
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Die in Abb. i gezeigte Ausführungsform besteht aus einer evakuierten
Röhre i, die eine Kathode 2, eine Anode 3 und ein Wärmeschild 4 enthält. Die Röhre
i ist vorzugsweise vollständig evakuiert bis auf eine kleine Menge Caesiums oder
anderen Alkalis. Das Alkali kann in fester oder Dampfform sein, ist aber gewöhnlich
wenigstens teilweise fest. 5 ist eine Elektromagnetspule, die die Röhre umgibt,
um in ihrer Längsrichtung ein magnetisches Feld zu erzeugen. Die Röhre ist in ihrer
Anwendung auf einen Gleichrichter dargestellt; sie empfängt von dem Umformer 6 Wechselstrom,
der für eine geeignete Nutzlast gleichgerichtet wird.
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Die Kathode :2 hat die Form eines Innen-und Außenzylinders ä und 9;
der Boden des Innenzylinders ist geschlossen und der Boden des Außenzylinders bei
io offen. Die oberen Enden der beiden Zylinder sind bis auf axiale Öffnungen geschlossen,
die Mäntel sind durch einen Hals i i verbunden. Der Durchmesser des Halses i i ist
vorzugsweise kleiner als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle außerhalb der
Kathode. Leitungen 12, und 13 verbinden die unteren Enden der inneren und äußeren
Zylinder mit den Polen einer Spannungsquelle 14, welche die Kathode mittels des
Widerstandes ihrer Wandungen erhitzen und auch den erwähnten Potentialabfall längs
des Halses i i schaffen soll, zu welchem Zweck der positive Pol der Quelle über
den äußeren Zylinder an das obere Ende des Halses i i angeschlossen ist. Da die
O_nerschnittsfläche der Strombahn durch die Kathode längs des Halses i i am kleinsten
ist, wird die Hitze in diesem Teile am größten sein. Die Kathode kann aus Wolfram
oder einem anderen Material hergestellt sein. Die Anode 3 ist auch zylindrisch,
das obere Ende ist geschlossen, das untere offen. Der Durchmesser der in die Anode
führenden Öffnung ist vorzugsweise etwas größer als der Durchmesser der Öffnung
des Halses der Kathode. Die Anode wird auch am besten dicht an die Kathode herangerückt,
so daß ihre Öffnung gleichachsig mit der Kathodenöffnung liegt.
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Das Schild 4 ist so gestaltet, daß es die Kathode und Anode dicht
umschließt, um die in der Kathode durch die Quelle 14 erzeugte Wärme zu lokalisieren.
Das Schild kann beliebig gelagert werden; gemäß Abb. i ist es auf der Leitung der
Anode angebracht, in welchem Falle die Leitung natürlich verhältnismäßig starr sein
muß. Die innere Fläche des Schildes ist vorzugsweise spiegelnd, um die Wärme zu
reflektieren. Wenn das Innere der Kathode 2 erhitzt wird (z. B. über i2oo° C), dann
wird der in ihr enthaltene Dampf besonders im Bereich des Halses i i hoch ionisiert
und bei dem Potentialabfall längs des Halses i i in die Kathode gepumpt, bis ein
verhältnismäßig hoher Druck in ihr hergestellt ist. Für die Pumpwirkung kann folgende
Theorie aufgestellt werden: Als Folge der ununterbrochenen molekularen Bewegung
des Dampfes in der Röhre wandern neutrale Moleküle (d. h. nicht ionisierte Moleküle)
in den Hals der Kathode, wo sie durch die hier herrschende intensive Hitze ionisiert
werden. Die so entstehenden positiven Ionen werden in dem Hals abgefangen und in
das Innere der Kathode durch den Potentialabfall längs des Halses getrieben, dessen
oberes Ende positive Polarität hat. Diese abfangende Wirkung wird dadurch erhöht,
daß der Durchmesser des Halses i i kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der
Dampfmoleküle außerhalb der Kathode, weil im wesentlichen alle Moleküle, welche
in die Kathode einzutreten suchen, auf die Wand des Halses stoßen und infolge der
hohen Temperatur dieser Wand ionisiert werden; hierbei werden im wesentlichen alle
neutralen Moleküle, die sonst entweichen könnten, in positive Ionen umgewandelt,
die abgefangen werden. Der Druckunterschied zwischen dem Innern und dem Äußern der
Kathode kann dadurch geregelt werden, daß man die Spannung der Quelle 14 verändert.
Ein höherer Innendruck kann auch dadurch erzeugt werden, daß man den Durchmesser
des Halses i i kleiner macht. Wenn die Kathode 2 mit hoch ionisierten Alkalidämpfen
unter beträchtlichem Druck angefüllt ist, dann wird ein Elektronenstrom aus dem
Innern der Kathode durch den Hals i i zu dem Innern der Anode leicht durch ein verhältnismäßig
niedriges Potential erzeugt, das zwischen der Anode und der Kathode liegt; der entgegengesetzt
gerichtete Strom wird bei Spannungsumkehr verhindert, weil das Innere der Anode
keinen hoch ionisierten Dampf unter Druck enthält.
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Die Raumladung nahe der inneren Oberfläche der Anode wird durch die
positiven Ionen vernichtet, welche infolge der hohen Temperatur der benachbarten
Kathode .erzeugt werden, da beide Elektroden innerhalb des gemeinsamen Schildes
liegen. Der Dampfdruck
innerhalb der Anode ist für eine nennenswerte
Stoßionisierung zu gering. Die gleichrichtende Eigenschaft der Röhre ist deshalb
nicht eine Funktion der Belastung wie bei früheren Gas- oder Dampfgleichrichtern,
so daß hohe Belastungen die Spannung nicht erheblich vermindern, welche die Vorrichtung
ordnungsgemäß gleichrichtet.
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Das längsgerichtete Magnetfeld, welches durch die Wicklung 5 erzeugt
wird, sucht den Elektronenstrom axial durch den Hals i i zu leiten und ihn an der
Berührung mit der Halswandung zu verhindern.
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Bei der in Abb.2 dargestellten Ausführungsform hat die Kathode 15
die Form eines Zylinders, der über die Enden von Leitungen 16 teleskopartig geschoben
ist und eine Öffnung 17 auf seiner Oberseite aufweist. Die Kathode wird von einem
zylindrischen Schild 18 umgeben, dessen breitere Öffnung i9 gleichachsig mit der
Öffnung 17 liegt. Die Anoden 20 und 2o' haben die Form von Platten, die in zur Kathodenachse
senkrechten Ebenen und beiderseits der Achse der Öffnungen 17, 19 in gleichem Abstande
liegen. Die Kathode 15 wird durch den in der Sekundärspule 2i durch die Primärspule
22 induzierten Strom erhitzt, und die Anoden sind an die entgegengesetzten Enden
der Sekundärspule des Umformers 23. angeschlossen. Die Mitte der Sekundärspule des
Umformers 23 ist an die Mitte der Sekundärspule 2i durch eine die Stromstärke aufrechterhaltende
Selbstinduktionsspule 24 und eine geeignete Nutzlast 25 angeschlossen. In diesem
Falle führen die Anoden 20 und 21 das positive Potential nahe der Mündung der Kathode
zu, welche den Dampf in die hohle Kathodenröhre einpumpen läßt, bis in ihr ein geeigneter
Druck herrscht. Der Elektronenstrom geht von dem Innern der hohlen Kathode aus,
tritt durch die Öffnungen 17 und i9 und von da abwechselnd während zwei aufeinanderfolgenden
Halbperioden zu den Anoden 2o bzw. 20', während die Spule 24 eine ständige negative
Polarität von 15 sichert.
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Die in Abb.3 dargestellte Ausführungsform enthält eine Kathode 41,
die an beiden Enden geschlossen ist mit Ausnahme der Ansatzstelle für einen röhrenförmigen
Hals 42 am oberen Ende, Anoden 43 in Form von Platten wie in Abb. 2, einen Ring
44 zwischen der Mündung der Kathode und Anoden von einem größeren Durchmesser als
der Hals 42, ein zylindrisches Schild 45, das die vorgenannten Teile umschließt,
und einen Heizdraht 46, dessen oberes Ende an das Schild 45 und dessen unteres Ende
durch eine Scheibe 47 an die Kathodenleitung 48 angeschlossen ist. Der positive
und negative Pol einer Quelle 49 ist an das Schild 45 und an den Ring 48 angeschlossen;
diese Quelle stellt ein positives Potential an dem Ring 44 her und erhitzt den Draht
46 bis zum Glühen.
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Zum Zwecke der Herstellung von Schwingungen ist eine Gleichstromquelle
5o mit ihrem negativen Pol an die Leitung 48 und mit ihrem positiven Pol an die
Anoden 43 durch Spulen 51 und 51' angeschlossen, denen Spulen 52 und 52' eines Schwingungskreises
53 zugeordnet sind. Eine Spule 54, entsprechend der Spule 5 gemäß Abb. i, kann angewendet
werden, um den Elektronenstrom aus dem Innern der Kathode durch den Hals 42 zu leiten;
die von Wechselstrom durchflossenen Spulen 55, deren Achsen senkrecht zu der Ebene
der Anoden liegen, können ver-" wendet werden, um die Frequenz der Schwingungen
zu regeln.
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Bei dieser Ausführungsform wird das elektrische Feld, das verwendet
wird, um .Dampf in die Kathode zu pumpen und in ihr einen Druck zu erzeugen, durch
den Ring 44 hergestellt. Der Bereich der Kathode wird durch den Draht 46 erhitzt,
anstatt durch den durch die Kathode fließenden Strom, und das Schild 45 dient dazu,
um die von dem Draht 46 kommende Hitze zu lokalisieren. .
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Anstatt einer einzigen Entladungsöffnung in der Kathode, eines einzigen
Ringes 44 und eines einzigen Anodenpaares 43 können diese Teile vervielfacht werden,
wie in Abb.4 und 5 dargestellt, wo die Kathode 41' vier Auslässe 42', der Ring 44'
vier Öffnungen hat und vier Anodenpaare 43' parallel geschaltet sind.
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Abb.4 und 5 zeigen auch einen spiralförmigen Leiter 45', der die Kathode
umgibt, in annähernd der Lage des Schildes 45 gemäß Abb. 3. Wenn Gleichstrom durch
diesen Leiter fließt, dann kann das die Elektronen leitende elektrische Feld erzeugt
werden, und durch Anwendung eines genügend starken Stromes kann der Leiter auch
dazu dienen, die Kathode und ihren Bereich zu erhitzen.
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Bei der in Abb.6 gezeigten Abänderung weist die Kathode eine Reihe
von durchlöcherten Platten 61 auf, die quer über den inneren hohlen Raum nahe ihrer
Mündung liegen. Da die Platten 61 in der Längsrichtung der Kathode im Abstand voneinander
liegen, ist ein Potentialabfall in der Längsrichtung vorhanden; die Platte, die
der Mündung am nächsten liegt, ist am meisten positiv und die unterste Platte am
wenigsten positiv.
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Abb. 7 zeigt eine von Abb. i abweichende Ausführungsform, bei der
die Röhre mit der Einrichtung verwendet werden soll, die gewöhnlich zur Regelung
bei Verstärkern, Detektoren usw. dient. 2' ist die Kathode, 3' die Anode und 65
das übliche Gitter. Die Kathode gleicht derjenigen der Abb. i, und die
Anode
hat die Form einer Platte oder Scheibe. Vorzugsweise wird kein Schild, wie bei ,4
in Abb. i, verwendet, und die Elektroden stehen «-eiter auseinander, wodurch der
Bereich der Anode und das Gitter durch die Kathode nicht hoch erhitzt werden wie
bei Abb. i, da positive Ionen nahe der Anode und dem Gitter bei einem Gittersystem
'gewöhnlich nicht erwünscht sind. Eine solche Röhre könnte auch bei jedem Verstärkerstromkreis
mit Detektor verwendet werden.
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Bei allen Ausführungsformen, bei welchen die Kathode einen verengten
Hals oder Auslaßöffnung hat und bei welchen ein magnetisches Feld in der Längsrichtung
der Entladeöffnung erzeugt wird, wird eine weitere pumpende Wirkung durch gegenseitige
Einwirkung zwischen dem magnetischen Felde und dem durch den Elektronenstrom erzeugten
Felde hergestellt.