DE631934C - Gasentladungsroehre mit mehr als zwei Elektroden zur Gleichrichtung und Verstaerkung von elektrischen Stroemen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß man an Stelle einer Glühkathode auch eine Gasentladung als Elektronenquelle für Gleichrichter- und Verstärkungssysteme verwenden kann; das wichtigste Problem hierbei besteht darin, das Eindringen von Ionen in das Gleichrichter- bzw. Steuerfeld möglichst zu verhüten. Man pflegt sich zu diesem Zwecke geeignet angeordneter Schirme zu bedienen; als besonders günstig hat es sich erwiesen, die Anode der elektronenliefernden Entladung selbst so auszubilden, daß sie die Gleichrichter- bzw. Steuerzone gegenüber eindringenden Ionen abschirmt. Es diffundieren dann nur die wesentlich leichter beweglichen Elektronen in diese Zone hinein.

Bei solchen Gasentladungsröhren ging man ursprünglich von ebenen, plattenförmigen Kathoden aus. Hierbei ergibt sich jedoch ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad, da die im Mittelfeld solcher Platten entstehenden Elektronen unmittelbar zu der die Gleichrichter- bzw. Steuerzone gegen die Entladung abschirmenden Anode wandern und nur die Randgebiete der kathodischen Glimmbedeckung an der Belieferung der genannten Zone mit Elektronen teilnehmen. Dieser geringe Wirkungsgrad wird auch dann nicht günstiger, wenn man nach einem neueren Vorschlage zur Erhöhung der Glimmstromstärke eine rohrförmige Hohlkathode benutzt, in deren Innerem das Glimmlicht erzeugt wird und deren Öffnung durch die senkrecht zur Kathodenachse stehende flächenförmige Glimmentladungsanode voll abgedeckt wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich die Elektronen auch im gasgefüllten Raum im wesentlichen geradlinig in Richtung des Feldes bewegen und daß man unter Ausnutzung dieser Tatsache einen erheblich größeren Teil der im Gas erzeugten Elektronen in die Steuerzone hineinzuführen vermag, als dies bisher möglich war. Man erreicht dies nach der Erfindung durch Benutzung einer senkrecht zur Achse der Kathode angeordneten und dem Querschnitt der Kathode ähnlich geformten Entladungsanode in Verbindung mit einer zylinderförmigen Entladungskathode solcher Größe, solchen Aufbaues und solchen Abstandes von. der Entladungsanode und den die Entladung umhüllenden Wandungen, daß von der Kathode aus ein schlauchförmiger, auf den ungefähr in der Verlängerung der zylindrischen Kathodenfläche liegenden Rand der Anodenfläche gerichteter Elektronenstrahl entsteht, der durch eine oder mehrere vor oder hinter der Entladungsanode liegende Elektroden (Saugbzw. Steuerelektroden) gesteuert wird.

Die erfindungsgemäß zur Ausnutzung gelangenden Vorgänge erkennt man am besten an Hand von Abb. 1. In dem rohrförmigen, vorzugsweise mit Edelgas von weniger als 5 mm Druck gefüllten Entladungsgefäß 1 ist kon-

zentrisch die zylindrische Kathode 2 angeordnet; ihr steht die kreisscheih^enförmige Entladungsanode 3 gegenüber. Der Rand dieser; Anode liegt etwa in Verlängerung des jJ& denzylinders 2. Hinter der Entladungsanoc ist die Gleichrichteranode 4 angeordnet, Innenseite des Kathodenzylinders 2 ist mit Glimmer 0. dgl. abgedeckt, so daß nur auf seiner Außenseite die gestrichelt angedeutete zylindrische Glimnischicht 5 entsteht. Die von der Kathode 2 ausgehenden Elektronen unterliegen zunächst dem Sog der von der Glimmschicht 5 gebildeten positiven Raumladung (gasförmige Anode); sie treten also senkrecht aus der Kathodenoberfläche aus. Nach Durchstoßen der Glimmschicht 5 werden sie von der Entladungsanode 3 angezogen und wandern daher in Richtung der gestrichelt eingezeichneten Pfeile auf deren Rand zu. Sorgt man hierbei in bekannter ao Weise dafür, daß auf dem Wege 5 bis 3 keine weitere Ionisation stattfindet (Unterdrückung einer positiven Säule und eines Anodenlichtes), so erhält man einen auf. die beiden Anoden 3 und 4 hin gerichteten, praktisch ionenfreien Elektronenstrahl, und es hat sich überraschender Weise gezeigt, daß dieser Elektronenstrahl, sofern auch der Abstand der Entladungselektroden von der Gefäßwandung geeignet gewählt wurde, verhältnismäßig gut zusammengehalten ist und sich mit Hilfe einer in seinem Wege, d. h. etwa in der Verlängerung der Kathodenfläche liegenden Steuerzone 3, 4 durch minimale Spannungen lenken läßt.

Die die Steuerzone bildenden Randlinien der Elektroden 3 und 4 brauchen dabei nicht genau in der Verlängerung der Kathodenfläche zu liegen, sondern es sind zuweilen, insbesondere unter Berücksichtigung der Wandladungen und des Kathodenfalles, hiervon Abweichungen zweckmäßig.

Eine noch bessere Zusammenhaltung des beschriebenen schlauchförmigen Kathodenstrahles erhält man, wenn man Mittel vorsieht, um die zentripetale Diffusion der Elektronen herabzumindern. Diese Mittel können z. B. •aus entsprechend geformten Richtkörpern bestehen (vgl. Abb. 6, Teil 22, 23); als einfachstes Mittel hat sich jedoch erwiesen, die der Kathode zugewendete Fläche der Anode bis nahezu an ihren Rand mit einem Jsolator, z. B. einem Glimmerblatt, zu bedecken. Die Oberfläche dieses Isolators lädt sich dann in bekannter Weise negativ auf und wirkt auf ihr Feld aufblähend auf den Elektronenschlauch. Die Wir-' kung einer solchen Anordnung ist so günstig, daß man bei ihr sogar das auf der Innenseite des Kathodenzylinders entstehende Glimmlicht mit ausnutzen kann.

Ein Ausführungsbeispiel für eine in dieser Weise ausgestaltete erfindungsgemäße Röhre zeigt Abb. 2. Innerhalb des gasgefüllten Entladungsrohres ι befinden sich die rohrförmige Kathode 6 und die senkrecht zu ihr angeordneten, dem Querschnitt der Kathode 6 geometrisch ähnlich geformten, d.h. kreisscheiben-%fQjäldgen Annoden 7 und 8. Die erste Anode 7 sj||'auf ihrer Vorderseite durch ein Glimmerblatt ^bIs nahe an ihren Rand hin abgedeckt. Da sich die Oberfläche dieses Isolators im Betrieb negativ auflädt, wirkt sie abstoßend auf Elektronen und sorgt gemeinsam mit den Wandladungen des Gefäßes 1 für die Zusammenhaltung des von der Kathode ausgehenden schlauchförmigen Elektronenstrahles.

Erzeugt man eine Glimmentladung von etwa 50 M. A. Stromstärke zwischen den Elektroden 6 (Kathode) und 7 (Anode) und nimmt man dann unter Benutzung der Schaltung Abb. 2 für die zweite Anode 8 eine Stromspannungscharakteristik mit Spannungswerten aus der Umgebung des Potentiales der Anode 7 auf, so erhält man die in Abb. 3 wiedergegebenen Kurven. In dieser Darstellung ist der Spannungswert der Anode 7 mit Null angenommen. Kurve I ergibt sich bei fehlendem Glimmerblatt 9. Man erkennt, daß der an der Anode vorbeischießende Teil des von der Kathode ausgehenden Kathodenstrahles noch mit fast 1,5 M. A. gegen eine negatische Vorspannung von 1 Volt anläuft. Bei 2 Volt negativer Vorspannung sinkt er auf go Null. Es ergibt sich also eine Detektorcharakteristik mit sehr scharfem Knick und einer Steilheit von mehr als 1,5 M. A. pro Volt. Kurve II ist unter Benutzung des in Abb. 2 eingezeichneten Glimmerblattes 9 aufgenommen. Man erkennt bereits an der fast 17 Volt betragenden Verschiebung des Knickpunktes nach negativen Werten hin, daß nunmehr der überwiegende Teil der von der Kathode 6 ausgehenden Elektronen an der Anode 7 vorbeischießt. Die Steilheit der Detektorcharakteristik wächst auf etwa 5 M. A. pro Volt, und ebenso steigt die relative Ausbeute in bezug auf den zur Verfügung stehenden Gesamtstrom (50 M. A.).

Es hat sich gezeigt, daß man die erzielbaren Steilheiten weiterhin dadurch ganz wesentlich erhöhen kann, daß man die Elektrode 8 nicht kreisscheibenförniig ausbildet, sondern ihr die Gestalt eines Drahtringes oder eines schmalen Blechzylinders gibt und so gewissermaßen nur no die Randzone benutzt. Es genügen dann bereits sehr geringe Steigerungen ihrer negativen Vorspannung, um die an ihr vorbeischießenden Elektronen wieder von rückwärts auf die Anode 7 zurückzulenken. Mit Entladungsröhren dieser Art konnten unter den oben beschriebenen Verhältnissen Steilheiten von 14 bis 20 M. A. pro Volt erzielt werden, so daß diese Röhren vorzügliche Detektoren darstellen.

In der beschriebenen Schaltung ist die Gleichrichterwirkung eine nahezu absolute. Man kann das Potential der Elektrode 8. vom Knick der

dargestellten Charakteristik aus um 20 bis 50 Volt und mehr nach negativen Werten hin verschieben, ohne zu einer Ionenaufnahme zu gelangen, die über Mikroampere hinausgeht.

Wesentlich größere Steilheiten bei allerdings nicht so absoluter Gleichrichterwirkung erhält man, wenn man die Glimmentladung zwischen den Elektroden 6 (Kathode) und 8 (Anode) erzeugt und unter Vertauschung der Anschlüsse für die Elektroden 7 und 8 in der in Abb. 2 skizzierten Schaltung die Stromspannungscharakteristik der Elektrode 7 aufnimmt. Es ergibt sich dann (ohne das Glimmerblatt 9) eine Kurve der in Abb. 4 dargestellten Form, welche eine Steilheit von fast 50 M. A. pro Volt aufweist. Man erkennt, daß eine negative Vorspannungsänderung der Elektrode 7 von etwa ι Volt gegenüber der Lage des Knickes ausreicht, um den von der Kathode ausgehenden schlauchförmigen Kathodenstrahl so weit aufzublähen, daß fast kein Elektron mehr diese Elektrode 7 erreicht, während eine Spannungsverschiebung um nur 1 Volt nach positiven Werten hin bereits zur Aufnahme fast des gesamten Entladungsstromes führt.

In der zuletzt beschriebenen Schaltung kann das erfindungsgemäße Entladungsrohr mit Vorteil als Spannungsstabilisator verwendet werden. Dabei lassen sich ohne weiteres mehrere Spannungen abgreifen, wenn der Kathode 6 an Stelle von nur einer Saugelektrode 7 deren mehrere in entsprechenden Abständen gegenübergestellt werden. Die erzielte Spannungskonstanthaltung ist jeder bisher auf anderem Wege erreichten überlegen.

Es hat sich gezeigt, daß man die erfindungsgemäßen Röhren auch zur Entnahme von exakt stabilisierten Gleichspannungen aus Wechselstromnetzen verwenden kann. Eine Anordnung dieser Art zeigt schematisch Abb. 5. In dem Entladungsrohr 10 befindet sich die Anode 11 zwischen den beiden Rohrkathoden 12 und 13. In den Entladungsweg sind zu beiden Seiten der Anode die Saugelektroden 14 und 15 eingefügt. Die Anode 11 liegt am Mittelabgriff, die beiden Kathoden 12 und 13 an gegenüberliegenden Wicklungsenden des Transformators 16. Die Anode 11 kann in einzelnen Fällen fortgelassen werden, da die beiden Rohrkathoden sich auch abwechselnd gegenseitig als Anode zu dienen vermögen. Die stabilisierte Gleichspannung wird von den Klemmen 17 zwischen dem Transformator-Mittelabgriff und den miteinander verbundenen Saugelektroden 14,15 abgenommen. Zur Abglättung reicht wegen der Stabilisatorwirkung bereits der Kondensator 18 allein in den meisten Fällen aus.

Die bisher angegebenen Steilheiten bezogen sich sämtlich auf einen bestimmten primären Glimmstrom (50 M, A.). Steigert man den pri-

mären Glimmstrom, so wachsen die Steilheiten im allgemeinen etwa proportional. Eine solche Steigerung läßt sich in' besonders hohem Maße dadurch erzielen, daß man die Kathode mit 6g einem emissionsfähigen Überzug versieht und beheizt. Zweckmäßig läßt man dabei die Ent- · ladung zwecks Vermeidung unnötiger Wärmeverluste von den Innenwandungen der zylinderförmigen Kathode ausgehen. Zur Erzeugung eines definierten Kathodenstrahles kann man dabei entweder ein entsprechend ausgeschnittenes Verschlußblech am Vorderende des Kathodenrohres oder auch unmittelbar den das Heizelement enthaltenden Kern verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Art zeigt Abb. 6. Das Entladungsgefäß 19 enthält die Rohrkathode 20., welche durch ein in ihrem Kern 21 enthaltenes Heizelement erwärmt wird. Ihre Vorderseite ist bis auf eine schmale Randzone durch die Platte 22 verschlossen, auf welcher der Kragen 23 sitzt. 24 ist ein elektrisch getrennt zugeführter Wärmeschutzschirm, der über die Öffnung der Kathode 20 hinausgeführt ist, so daß zwischen ihm und dem Kragen 23 ein bandringförmiger Spalt entsteht, der auf den Kathodenstrahl eine Richtwirkung ausübt. Der Kathode gegenübergestellt sind die beiden Anoden 25 und 26, welche in der oben beschriebenen Weise geschaltet und verwendet werden können. Der betriebsmäßige Spannungsabfall an einem solchen Rohr beträgt etwa 15 bis 25 Volt; zur Zündung wird dem Wärmeschutzschirm 24 kurzzeitig ein positives Potential aufgeprägt. Steilheiten bis zu mehreren Ampere pro Volt lassen sich leicht erreichen. Alle bezüglich Leitung und Ausnutzung des gewonnenen Kathodenstrahles im vorausgehenden oder nachfolgenden berichteten Erfahrungen lassen sich natürlich ohne weiteres auch auf solche Rohre übertragen.

Ein wichtiges Kennzeichen der erfindungsgemäß gewonnenen Gleichrichtercharakteristiken ist ihre Ähnlichkeit mit denjenigen einer reinen Glühkathodenentladung im Hochvakuum. · Man erkennt hieraus, daß es sich im wesentlichen' um rein elektronische Vorgänge handelt und daß Ionen nur in der unmittelbaren Umgebung der Kathode eine Rolle spielen.

Von dieser Erkenntnis ausgehend haben die Erfinder versucht, die beschriebenen Erscheinungen zu Verstärkungszwecken auszunutzen und sind hierbei zu einem vollen Erfolge gelangt. Es ist für diesen Zweck lediglich notwendig, mit Hilfe geeignet ausgebildeter und angeordneter Hilfselektroden die Zahl derjenigen Elektronen zu steuern, welche die jeweils als Saugelektrode verwendete Anode treffen. Hierbei erhält man die besteAusnutzung der zurVerfügung stehenden Gesamtemission, wenn man die der Kathode näher stehende Anode, die geringsten Gitterströme, wenn man die von der

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Kathode entfernter liegende Anode als Saugelektrode benutzt.

Ein Ausfuhrungsbeispiel für eine Steuerröhre der erstgenannten Art zeigt Abb. 7. In demEntladungsgefäß 27 stehen der innen mit Glimmer o. dgl. abgedeckten Rohrkathode 28 die beiden Anoden 29 und 30 gegenüber. Als Elektroden der primären Glimmentladung dienen die. Kathode 28 und die Anode 30, -während die Anode 29 als Saugelektrode Verwendung findet,. Sie befindet sich zu diesem Zwecke zwischen den als Steuerelektrode dienenden beiden Platten 31 und 32. Die Steuerspannung wird an die Klemmen 33 gelegt und der gesteuerte Strom an den Klemmen 34 entnommen. Röhren dieser Art zeigen einen sehr hohen Aussteuerungsbereich und erhebliche Steilheit; sie sind jedoch wegen ihrer erheblichen Gitterströme mehr für Zwecke der Regulierung als für solche der reinen ao Verstärkung geeignet.

Wechselt man die Lage der Elektrode 30 mit derjenigen des Elektrodensystems 29, 31, 32, so erhält man umgekehrt eine verringerte Aussteuerbarkeit, aber verschwindende Gitterströme. Eine auf diesem Wege gewonnene Charakteristik zeigt Abb. 8. Die Spannungsdifferenz zwischen der Glimmentladungsanode und der Sauganode betrug etwa 4 Volt. Hierbei werden von einer Primärentladung von 50 M. A. etwa 6 M.A. ausgesteuert. Die Charakteristik hat typisch parabolischen Charakter, so daß das Rohr zur selbsttätigen Amplitudenbegrenzung geeignet ist. Die maximale Steilheit beträgt, etwa i,5 Μ.Α,/Volt.

. Statt die Sauganode mit der Steuerelektrode, die natürlich auch gitterförmig gestaltet werden kann, zuumschirmen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, sie derart anzuordnen, daß der Elektronenstrahl von der Steuerelektrode aus durch Abstoßung zur Sauganode hingelenkt wird. Auf diese Weise sinken die Gitterströme mit steigendem Anodenstrom, eine Eigenschaft, die finden Bau von Verstärkergeräten von sehr großer Bedeutung ist.

' Ein Rohr dieser Art zeigt Abb. 9, seine Primaranode Abb. 10. Das Entladungsgefäß 35 enthält die Rohrkathode 36, die Entladungsanode 37 mit dem aufgelegten Glimmerblatt 38, die zylindrische Sauganode 39 und die zwecks Erzielung einer kleinen Oberfläche aus mehreren dünnen Drahtringen zusammengesetzte Steuerelektrode 40. Die Entladungsanode 37 ist mit ausgestanzten Ringspalten 41 versehen, -· zwischen denen nur schmale Versteifungsbrücken "stehengelassen sind (vgl. Abb. 10). Durch diese Spalten tritt der von der Kathode 36 ausgehende schlauchförmige Elektronenstrahl in den Zwischenraum zwischen Sauganode 39 und Steuerelektrode 40 ein; Sauganode 39 und Steuerelektrode 40 werden zweckmäßig gegen die Entladungsanode 37 um «inige Volt negativ vorgespannt. Die Sauganode 39 nimmt eine um so höhere Zahl von Elektronen auf, je stärker man die Steuerelektrode 40 negativ vorspannt.

Auch die beschriebenen Verstärkerröhren können natürlich statt mit kalter Glimmkathode mit einer beheizten derartigen Kathode ausgerüstet werden, und da man in verdünntem Gas aus Raumladungsgründen bekanntlich vielfach höhere Emissionsströme erzielen kann als im Hochvakuum, gelangt man auf diesem Wege zu Verstärkerröhren von ganz erstaunlicher Leistung.

Als Gasfüllung haben sich in erster Linie die Edelgase und von diesen besonders diejenigen Gase bewährt, welcher keine metastabilen Zustände aufweisen, z. B. Argon und Krypton. Ein besonderer Vorteil der Edelgase liegt in ihrer hohen Ionisationsspannung, und es empfiehlt sich daher, sie in möglichster Reinheit zu verwenden. Der Gasdruck muß niedrig sein, damit keine störende Zerstreuung des Kathodenstrahles eintritt, und es hat sich gezeigt, daß Drucke unter 5 mm Quecksilbersäule vorzuziehen sind. Bei kalter Kathode liegt das Optimale Arbeitsgebiet je nach dem verwendeten Gas und dem Kathodenmaterial zwischen 5 und etwa 0,2 mm Quecksilbersäule. Bei Benutzung beheizter Kathoden vermag man mit dem Gasdruck noch wesentlich weiter, in einzelnen Fällen bis unter eintausendstel Millimeter, herabzugehen. Wegen der besseren raumladungskompensierenden Wirkung empfiehlt sich besonders in diesen Fällen die Verwendung sehr schwerer Edelgase, wie Xenon und Krypton.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Gasentladungsröhre mit mehr als zwei Elektroden zur Gleichrichtung und Ver-Stärkung von ■ elektrischen Strömen unter Verwendung eines mit Gas erzeugten Elektronenstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer Entladungsanode (3),

   . die senkrecht zur Achse der Kathode (2) angeordnet und dem Querschnitt dieser Kathode (2) geometrisch ähnlich geformt ist, eine zylinderförmige Entladungskathode (2) solcher Größe und solchen Aufbaues verwandt und der Abstand der Entladungselektroden (2, 3) mit Bezug aufeinander und mit Bezug auf die die Entladung einschließenden Wandungen (1) derart gewählt ist, daß von der Kathode (2) aus ein schlauchförmiger, auf den ungefähr in der Verlange- υ rung der zylindrischen Kathodenfiäche (2) liegenden Rand der Entladungsanode (3) gerichteter Elektrodenstrahl entsteht, der durch eine· oder mehr als eine vor oder hinter der Anode (3) liegende Elektrode (Saug- bzw. Steuerelektrode) gesteuert wird.

   - 3. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl aus einer Glimmentladung herausgezogen wird, deren Glimmschicht (5) die Wandung einer kalten Zylinderkathode (2) bedeckt.

   3. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine beheizte Zylinderkathode (20).

   4. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode (4) im Elektronenschatten der Anode (3) angeordnet ist (Abb. 1, 2, 6, 7, 9).

   5. Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kathode (6) zugewendete Fläche der Entladungsanode (7) bis nahezu an ihren Rand heran mit einem Isolator (9) abgedeckt ist (Abb. 2, 9).

   6. Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode ringförmige Gestalt besitzt.

   7. Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsanode (37) in der Schnittlinie des sie treffenden Kathodenstrahles mit Ausschnitten (41) versehen ist (Abb. 10).

   8. Gasentladungsröhre nach Anspruch 7 mit Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerelektrode (40) und Saugelektrode (39) hinter den Ausschnitten (41) derart konzentrisch angeordnet sind, daß der durch die Ausschnitte (41) hindurchtretende Kathodenstrahl zwischen sie gelangt.

   9. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch eine vorzugweise aus Edelgas bestehende Gasfüllung von weniger als 5 mm Druck.

   10. Gasentladungsröhre nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Füllung mit einem Edelgas, das keine metastabilen Zustände aufweist (z. B. Argon, Xenon oder Krypton).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen