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Elektronenröhre mit mindestens drei zwischen einer äußersten Elektrode
und der Kathode angeordneten Gittern Die Erfindung hat zum Gegenstand die passende
Dimensionierung einer Elektronen. röhre mit mehr als drei Gittern. Die im nachfolgenden
beschriebene Dimensionierung der Elektroden verleiht der Röhre besonders vorteilhafte
Eigenschaften zur Verwendung in Schaltungsanordnungen, bei welchen man sich durch
geeignete Ausbildung der Stromkreise und entsprechende Wahl der Betriebsspannung
Elektronenstromverteilungen zunutze macht, bei denen sich außerhalb der Glühkathode
eine .Äquipotentialläche mit dem Potential Null ausbildet. Eine solche Fläche des
Potentials Null kann als Ort einer virtuellen Kathode aufgefaßt werden, welche sich
gegenüber einer Steuerelektrode in gleicher Weise verhält wie eine reelleKathode,
und wenn sie sich in nächster Nähe des Steuerorgans ausbildet, gestattet die Schaltung
Erzielung ganz außerordentlicher Verstärkungen.
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Zum Verständnis, inwiefern die erfindungsgemäßen konstruktiven Merkmale
einer Röhre in dieser Richtung Vorteile bedingen, sei zunächst die Wirkungsweise
der vorgenannten Schaltungen beschrieben.
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In einer gewöhnlichen Raumladegitterröhre, welche eine sättigungsfähige
Kathode, ein positives Raumladegitter und eine Anode enthält, läßt sich zwar ebenfalls
eine virtuelle Kathode in der Nähe des Steuergitters erzeugen, wobei der- Potentialverlauf
zwischen Raumladegitter und Anode von der Stromdichte in diesem Gebiet und den Spannungen
an den Grenzen dieses Raumes, nämlich an Raumladegitter und Anode, abhängt. Eine
solche Röhre, welche an sich zur Ausbildung einer virtuellen Kathode geeignet ist,
müßte demnach mindestens die in Abb. z schematisch gezeichneten Elemente besitzen.
Es bedeutet K eine Glühkathode mit Sättigungseigenschaft, G das Steuergitter, A
die Anode und B eine auf positivem Potential befindliche Gitterelektrode, welche
als Beschleunigungsgitter bezeichnet werden soll. Unter einer Kathode mit Sättigungseigenschaften
ist eine solche Kathode zu verstehen, deren Emission nur von der Temperatur, nicht
aber von den Spannungen der benachbarten Elektrode abhängt. Indem man die Spannung
an B und die Emission von K (durch Temperaturregelung) passend zueinander abgleicht,
kann man die Ausbildung einer virtuellen Kathode in unmittelbarer Nähe von G herbeiführen.
Für den vorliegenden Zweck erweisen sich solche Anordnungen jedoch aus verschiedenen
Gründen als unzureichend. Die Regelung der -Stromdichte muß durch Änderung .der
Kathodentemperatur erfolgen und kann nicht in so feinen Stufen vorgenommen
werden,
wie es wünschenswert wäre. Es fehlt praktisch die Möglichkeit, die Elektronendichte
und Elektronengeschwindigkeit hinreichend zu beeinflussen. Dieser übelstandkann
vermieden werden, indem man Rohre}i nach Abb. a verwendet, bei denen zwischef der
Kathode K und dem Beschleunigungs Bitter B ein weiteres Gitter D angeordnet
ist, das zur Regelung der Stromdichte dient und ein positives Effektivpotential
führt, welches kleiner als das Potential des Beschleunigungsgitters B ist.
Die in der Fläche des Gitters D
herrschende Stromdichte kann durch Wahl der
anliegenden Spannung nach Bedarf eingestellt werden.
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Außer der einfachen Vierelektrodenröhre mit Raumladegitter sind auch
schon Dreigitterröhren bekannt, bei deren Ausbildung jedoch ebenfalls keine Rücksicht
auf die Erzeugung einer virtuellen Kathode genommen wurde: Z. B. wurden Röhren mit
Raumladungs- und Schutzgitter, zwischen denen sich -das Steuergitter befindet, beschrieben;
ferner hat man ohne nachhaltigen Erfolg eine zweimalige Steuerung des Entladungsstromes
mit derselben Steuerspannung versucht, indem man zwischen zwei miteinander verbundenen
Steuergittern ein Raumladegitter anordnete.
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Uin ein befriedigendes Arbeiten einer mit virtueller Kathode arbeitenden
Anordnung zu gewährleisten, müssen bei dem Elektrodenaufbau der verwendeten Röhren
bestimmte konstruktive Gesetzmäßigkeiten befolgt sein, die den Gegenstand der Erfindung
bilden.
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Gemäß der Erfindung ist bei einer Elektronenröhre mit einem Steuergitter
und mindestens zwei'-zwischen Kathode und Steuerelektrode liegenden Gittern, die
eine virtuelle Kathode in der Nähe ,der Steuerelektrode erzeugen solleai und von
denen zumindest das der Steuerelektrode zunächst liegende eine positive Vorspannüng
erhält, als Kathode eine an sich bekannte Äquipotentialkathode vorgesehen. Weiter
ist die Steuerelektrode in bezug auf ihre Nachbarelektroden derart ausgebildet und
angeordnet, daß der Durchgriff der ihr nach der Anode zu benachbarten Elektrode
oder der Anode selbst durch das Steuergitter auf das. dem-Steuergitter nach der
Kathode zu benachbarte Gitter weniger als ro°/" beträgt.
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Nur solche Röhren eignen sich in hervorragender Weise für Schaltungen
der beschriebenen Art. Einerseits ist für eine optimale-Steuerfähigkeit einer solchen
Röhre die örtliche .Gleichmäßigkeit der Emission der Kathode sowie die Spannungsverteilung
längs der Kathode von Wichtigkeit. Aus diesem Grunde ist stets eine Äquipotentialkathode
mit indirekter Heizung vorzuziehen, weil in diesem Falle die Ausbildung der virtuellen
Kathode mit der notwendigen Gleichmäßig-,=keit über die ganze Elektrodenlänge zustande
=mmt. Andererseits haben auf die Regelung ' dÜ Elektronenstromes nach Dichte und
Ge-:s"ch@vindigkeit natürlich noch die- anderen in ' - dr Röhre vorhandenen Elektrodenpotentale
Einflüß: Dieser Einfluß muß nach Möglichkeit herabgesetzt werden, ohne dabei die
im Hinblick auf die spezielle Verwendung und Leistung festgelegte Spannung zu ändern.
Beispielsweise hätte die Verwendung höher Anodenspannungen ohne entsprechende Abschirmung
oder geeignete Formgebung der Anode große Effektivpotentiale in der Nähe der Kathode
zur Folge, und es bedürfte dann einer sehr großen Stromdichte, um die Ausbildung
einer Minimumpotentialfläche in der oben beschriebenen Weise zu erzielen. Das ist
auch der Grund, warum mit normalen Pentöden, welche an sich die erforderliche Mindestzahl
von drei Gittern besitzen, derartige Effekte bei für praktische Zwecke in Frage
kommenden Spannungen nicht zu erzielen sind. Solche Pentoden (Schirni-itterröhren
mit Fanggitter zwischen Schirmgitter und Anode zur Vermeidung des Überganges von
Sekundärelektronen von der Anode zum Schirmgitter), bei denen man das Schirm-Bitter
als Austrittsfläche der Elektronen und das Fanggitter als Steuergitter betrachten
könnte, sind gerade so ,diapensioniert, däß sich möglichst wenig Raumladungen primärer,
vom Schirmgitter kommender Elektronen uni das Fanggitter stauen, da dies eine ungünstige
Verteilung von Schirmgitter- und Anodenstrom zur Folge hätte. Sie haben infolgedessen
auch Fanggitterdurchgriffe von im a11-gemeinen mehr als 2o"/,. Dies würde bei einer
Anodenspannung von beispielsweise 300 Volt am Schirmgitter ein Effektivpotential
von 6o Volt ergeben.
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Im Gegensatz dazu ist bei einer Dreigitterröhre gemäß der Erfindung
der Durchgriff der Anode durch .das Steuergitter auf das von der Kathode aus zweite
Gitter so klein zu halten, daß die Anodenspannung zu dein am Beschleunigungsgitter
auftretenden Effektivpotential einen Beitrag von nur wenigen Volt liefert, welcher
in der Größe des in Volt ausgedrückten Aussteuerbereiches liegen möge. Das Steuergitter
selbst hat dabei eine negative Vorspannung gegenüber der Elektronenaustrittsfläche,
die dem Betrage nach etwas größer ist als die Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen.
Um die oben geforderte geringe Rückwirkung der Anodenspannung auf die Austrittsfläche
der Elektronen sicher zu stellen, wird erfindungsgemäß vorgeschrieben, claß der
Durchgriff der Anode durch das Steuergitter kleiner als zo°(o sein muß. Für
den
Fall, daß ein Schirmgitter zwischen -Steuergitter und Anode vorhanden ist, wird
diese Forderung sinngemäß auf den Durchgriff des Schirmgitters durch das Steuergitter
übertragen. Wesentlich ist ferner die Symmetrie der Anordnung, wobei dem konzentrisch
symmetrischen Aufbau der Vorzug vor der ebenen Anordnung zu geben ist. Gewisse Abweichungen
können in diesem Punkte dann zugelassen werden, wenn für bestimmte Anwendungsgebiete
der Röhre ein weicher Verlauf der Kennlinie erwünscht ist. In diesem Falle kann,
wie später auseinandergesetzt werden wird, eine exzentrische Anordnung des Beschleunigungsgitters
gegenüber dem Steuergitter sogar zur Stabilisierung der virtuellen Kathode beitragen.
Wichtig für die Homogenität des Elektronenstromes und die zur Erzielung größter
Steuerempfindlichkeit notwendige Schärfe der Minimumpotentialzone ist auch die örtliche
Gleichmäßigkeit der wirksamen Gitterelektroden. Beispielsweise wäre ein weitmaschiges
Steuergitter wegen der dann eintretenden Ungleichförmigkeit der Effektivpotentialfläche
ganz ungeeignet.
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Da das Beschleunigungsgitter durch das Dichteregelungsgitter auf die
Kathode einen gewissen Durchgriff besitzt, so übt eine Änderung der Beschleunigungsspannung
auch im allgemeinen einen gewissen Einfluß auf die Emission und damit auf die Elektronendichte
aus. Dieser Einfluß kann .durch passende Nachregelung der Spannung des Dichteregelungsgitters
D ausgeglichen werden. Eine vollkommen ausreichende Unabhängigkeit zwischen der
Einstellung der Stromdichte und der Geschwindigkeit erhält man, wenn der Durchgriff
des Beschleunigungsgitters zur Kathode klein ist. Sofern sich dies durch entsprechende
Ausführung der Maschenweite des Gitters D nicht in dem gewünschten Maße erreichen
läßt, kann, wie im Ausführungsbeispiel (Abb.3) dargestellt ist, ein Schirmgitter
T zur elektrischen Trennung der beiden Elektroden D und B dienen. Dieses Trenngitter
wird beispielsweise auf Kathodenpotential gebracht. Diese Verbindung kann auch innerhalb
der Röhre hergestellt werden.
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Das Prinzip der virtuellen Kathode kann bei den bekannten Röhrentypen
für alle Zwecke angewendet werden, indem man die einfache Glühkathode durch eine
Elektrodenkombination ersetzt. Man erhält auf diese Weise Röhren mit mindestens
drei Gittern, von denen in den Abb.d. bis 7 einige Ausführungsformen schematisch
dargestellt sind. Auf Grund der oben gegebenen Begründung für die erforderlichen
Durchgriffverhältnisse ergibt sich die Anweisung, daß der Durchgriff durch die jeweils
als Steuergitter verwendeteElektrode, bezogen auf die dieser beiderseits zunächst
liegenden Elektroden, kleiner als io°/o sein muß, um günstige Arbeitsbedingungen
zu erzielen.
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Abb. q. stellt eine Schirmgitterröhre dar, wobei A die Anode, S das
Schirmgitter, G das Steuergitter, B das Beschleunigungsgitter, D das Dichteregelungsgitter
und K die Kathode bedeutet. Der Durchgriff des Schirmgitters S durch das Steuergitter
G auf das Beschleunigungsgitter B soll kleiner als io°/" sein.
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Eine Weitenbildung dieser Schirmgitterröhre zeigt die Abb. 5, in welcher
zwischen dem Beschleunigungsgitter B und dem Elektronen.dichteregelungsgitter D
ein Trenngitter T eingeführt ist. In Abb. 6 bezeichnet A die Anode, F ein zur Unterdrückung
der Sekundäremission bestimmtes Fanggitter, S das Schirmgitter, G das Steuergitter,
B das Beschleunigungsgitter, D das Elektronendichteregelungsgitter und K die Kathode.
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Die Abb.7 zeigt die Weiterentwicklung dieses Elektrodensystems durch
Einführung des Trenngitters T zwischen den Elektroden B
und D. In beiden
Fällen ist der Durchgriff durch :das Steuergitter G kleiner als io°/o zu wählen.
In allen Fällen ist wesentlich, daß der Durchgriff durch die jeweils als Steuergitter
verwendete Elektrode, bezogen auf .die dieser kathodenseitig zunächst liegenden
Elektroden, kleiner als io°/o sein muß, um günstige Arbeitsbedingungen zu erzielen.
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Es kann unter Umständen vorteilhaft sein, die Röhre mit einer Gasfüllung
zu versehen, deren Druck zweckmäßig innerhalb der Grenzen von io-° und 1o-4 mm Hg
gewählt wird. Durch die Formgebung und insbesondere die Wahl der Abstände zwischen
Kathode, Steuergitter und Anode ist dafür Sorge zutragen, daß eine nennenswerte,
die Raumladung beseitigende Ionisation zwischen der Anode und der kathodenseitig
dein Steuergitter zunächst liegenden Elektrode nicht auftritt.
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Die virtuelle Kathode wurde als Äquipotentialfläche mit dem Potential
Null definiert, d. h. mit anderen Worten, die Elektronen besitzen in dieser Fläche
die Geschwindigkeit Null und können sich sowohl in der Richtung zur Anode als auch
zurück zur Emissionsquelle bewegen. Es besteht also die Möglichkeit, daß die Elektronen
Pendelungen um die Minimumpotentialfläche ausführen können, wie sie beispielsweise
als Elektronentanzschwingungen von Barkhausen und Kurz bereits bekannt sind. In
den meisten Fällen sind derartige Labilitäten jedoch unerwünscht und lassen sich
dadurch beseitigen, daß das Beschleunigungsgitter mit der Kathode durch dämpfende
Widerstände, wie z. B. nicht verlustfreie Kondensatoren, verbunden wird. Erfindungsgernäß
werden derartige Mittel zur
Schwingungsunterdrückung bereits im
Innern der Röhre eingebaut und mit den betreffenden Elektroden fest verbunden. Man
kann zu dem gleichen Zweck den Durchgriff durch das Ver--dichtungsgitter entsprechend
groß, etwa größer als i60!0, wählen.
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Die Fortpflanzung der Elektronenpendelungen in das Innere des Beschleunigungsgitters
ist auch dann unmöglich, wenn die Elektronen beim Rückflug von der virtuellen Kathode
nicht bis zur Emissionsquelle, sondern nur zum Beschleunigungsgitter gelangen können.
Man muß in diesem Fall das Beschleunigungsgitter engmaschig ausführen, indem man
beispielsweise diesem Gitter einen Durchgriff von weniger als 51)1, gibt.
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Eine andere Möglichkeit, um zu verhindern, daß durch die Elektronenpendelungen
um die virtuelle Kathode herum eine Schwingungsanfachung eintritt, besteht darin,
daß man die Röhre unsymmetrisch aufbaut; indem beispielsweise das Steuergitter unsymmetrisch
zum Beschleunigungsgitter liegt. In diesem Falle liegen die Umkehrstellen für die
Elektronen unsymmetrisch zur Emissionsquelle, und :daher vollzieht sich die Pendelung
an verschiedenen Stellen des Umfanges mit verschiedenen Frequenzen und Phasen, so
daß eine Anregung von Raumladungsschwingungen innerhalb des Beschleunigungsgitters
nichtmehrmöglich ist. Wie bereits an anderer Stelle bemerkt wurde, ist eine derartige
Unsymmetrie im Elektrodenaüfbau jedoch nur unter Rücksichtnahme auf die angestrebte
Steilheit der Kennlinie anwendbar.