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Elektrische Entladungsröhre mit Gasfüllung Elektrische Entladungsrölhren
müssen zum Betreiben mit sehr hohen Spannungen besonders beschaffen sein. Manchmal
wird bei solchen Röhren die zwischen den Hauptelektroden liegende Spannung durch
leitendeKörper unterteilt. Diese Spannungsunterteilung bezieht sich einerseits auf
die Wand des Entladungsgefäßes, an der die Elektroden befestigt sind. So ist es
bekannt, bei einer Entladungsröhre für sehr hone Spannungen die den Entladungskanal
umgebende Gefäßwand aus leitenden und isolierenden, miteinander abwechselnden Ringen
bestehen zu lassen. Die Spannung, welche von einem derartigen Rohr ausgehalten werden
kann, ist viel größer als die Spannung, welche ein gleich langes Isolierrohr auszd'hallten
vermag, andererseits bezieht sich die Spannungsunterteilung auf den von dieser Wand
des Entladungsgefäßes umschlossenen Raum. Man macht hierbei von der Erscheinung
Gebrauch, daß die Durchbruchsspannung einer Gasstrecke bei kleinerer Länge der Gasstrecke
größer wird.
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Handelt es sich um gasgefüllte. Glühkathodenröhren zum Gleichrichten
von hoch.gespanntein Wechselstrom, so hat man es nicht allein mit der Durdhsdhlagsgefa;hr
während der Halbwellen, bei denen der Strom gesperrt werden soll, zu tun, sondern
man stößt auch auf die Schwierigkeit, daß die Spannung, bei der die Röhren zünden,
sehr hoch wird. Um die Zündspannung herabzusetzen und zu bewirken, daß die Röhre
regelmäßig arbeitet, setzt man nach einem weiteren Vorschlag die die Entladungsbahn
umgebende Wand der Röhre aus miteinander abwechselnden leitenden und isolierenden
Teilen zusammen, wobei durch geeignete Verteilung der Spannung über die Gasstrecke
der Entladung die Zündung der Röhre erleichtert wird. Auch werden nach einem anderen
Vorschlag .derartige leitende Wandteile als Steuerelektrode benutzt.
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Die vorliegendeErfindung betrifft eine Verbesserung auf dem Gebiete
der elektrischen Entladungsröhren mit Bogenentladung, die zum Gleichrichten von
hochgespanntem Wechselstrom (in der Größenordnung von mehr als io kV) geeignet sind.
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Bei der mit Gasfüllung, vorzugsweise Quecksilberdampf, und einer eine
Bogenentladung hervorrufenden Kathode versehenen Entladungsröhre gemäß der Erfindung
wird von der an sich bekannten Unterteilung der Spannung Gebrauch gemacht. Die Wand
eines die Anodenkammer mit der Kathodenkammer verbindenden Entladungs.kana:les ist
durch in der Richtung der Ent°ladungsba;hn hintereinander angeordnete, mit einer
Durc'htrittsöffnung für die Entladung versehene blendenartige leitende Einsätze,
denen von außen Spannungen zugeführt sind, spannungsunterteilt,
die
über Röhren-,vandungsteile ausreichender Isolierlänge miteinander in Verbindung
stehen.
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Die Forderung nach einer ausreichenden Isolierlänge der zwischen den
Einsätzen liegenden Wandun.gsteile bedingt bei der üblichen Bauart solcher Röhren,
daß bei einer bestimmten Anzahl der Unterteilungen der Abstand der metallischen
Einsätze um so größer ist, je größer die Spannung zwischen den Einsätzen ist. Das
bringt aber wesentliche @acliteile mit sich. So werden hierdurch die Zündspannung
und der Spannungsabfall an der Röhre in der normalen Durchlaßrichtung erhöht. Ferner
entsteht die Gefahr, daß Rückzündungen zwischen den leitenden Einsätzen auftreten.
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Erfindungsgemäß wird nur der durch eine große Länge der isolierenden
Wandungsteile bedingte Nachteil beseitigt, und zwar dadurch, daß die leitenden Einsätze
derart geformt sind, daß die sie verbindenden Wandungsteile gegen die Entladung
abgedeckt bzw. elektrostatisch abgeschirmt sind. Gleichzeitig sind die abschirmenden
Teile der Einsätze einander bis auf einen Abstand genähert, der so gering ist, daß
er von der an den einander benachbarten Einsätzen liegenden Spannungsdifferenz nicht
durchschlagen werden kann.
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Bei der Höhe nach der Erfindung können also einerseits die isolierenden
Teile, welche die leitenden Einsätze miteinander verbinden, so lang und gleichzeitig
die gegenseitigen Abstände dieser Einsätze so kurz gehalten werden, daß unerwünschte
Entladungen vermieden werden. Ferner können elektrische Ladungen auf den isolierenden
Wandteilen die Entladungserscheinungen in der Röhre nicht beeinträchtigen, so daß
die Zündung erheblich erleichtert wird. Die Erfindung gestattet es ferner, mit einer
relativ geringen Anzahl von Unterteilungen auszukommen.
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Eine mit Rücksicht auf eine bequeme Herstellung besonders zweckmäßige
Ausführung der Röhre nach der Erfindung wird erreicht, wenn man die Wand des Entladungs.kanales
in an sich bekannter Weise aus Metallringen herstellt, die mit zwischengeschmolzenen
Glasstrecken abwechseln, wobei jeder dieser Metallringe einen leitenden Einsatz
umgibt und abstützt: die leitenden Einsätze erstrecken sich hierbei über einen größeren
Abstand in der Län:gsriclitung der Röhre als die sie umgebenden '--\Tetallringe,
so daß die Glasstrecken der Wandung länger sind als die Abstände der aufeinanderfolgenden
leitenden Körper.
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Die Metallringe können mit dem von ihnen umgebenen leitenden Einsatz
aus einem Metallstück hergestellt werden. Die Herstellung aus einem Stück hat aber
ihren Nachteil. Bei der Abschmelzung wird der Schmelzrand des Meta,lles bis zur
Glut erhitzt. Das Metall bedeckt sich daher unter Umständen mit einer Otvdhaut,
die sich in größerem oder kleinerem Maße über den ganzen Körper erstreckt. Beim
-Betriebe zerstäuben allmählich Teilchen dieser Schicht und bilden einen -Niederschlag
auf den Glasteilen der Wand, die dadurch ihre Isolierfähigkeit verlieren. Führt
man die Metallringe als Einzelteile für sich aus, in die die leitenden Einsätze
nach erfolgter Abschmelzung eingesetzt werden, so verhütet man die Bildung eines
solchen Niederschlages.
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Es kann noch ein zweiter Grund zu dieser getrennten Ausfii,llrungbQstehen.
WirdQuecksilber a'ls den Dampf liefernder Stoff benutzt, so ist es unerwünscht,
daß sich Tröpfchen dieser Flüssigkeit an -dem leitenden Einsatz sammeln, weil sie
Rückzündung veranlassen können. Man wählt darum in diesem Falle für die Einsätze
ein Material, das nicht von Quecksilber benetzt wird, beispielsweise Kohlenstoff
oder Zirkonium, oder man versieht sie mit einem überzog aus einem solchen Material.
Metallringe und lose eingesetzte Buchsen aus Kohlenstoff sind eine vorzügliche Kombination.
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Um die richtige Spannungsverteilung aufrechtzuerhalten, können die
leitenden Einsätze durch Impedanzen, vorzugsweise Kondensatoren, außerhalb der Röhre
miteinander verbunden werden. Diese Impedanzen können aber auch ganz oder teilweise
durch die gegenseitige Kapazität der Körper ersetzt werden. Um zu diesem Zwecke
die, Kapazität zu vergrößern, können die leitenden Körper derart ausgebildet und
angeordnet werden, daß sie einander, gegebenenfalls zwei-oder mehrfach, überlappen.
_ Es hat sich ergeben, daß, wenn der innere Durchmesser der leitenden Einsätze sieh
über ihre Länge ändert, die Zündung in dem richtigen Sinne leichter erfolgt, wenn
die engste Seite der Anodenkammer zugewandt ist.
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Die Gasfüllung der Röhre kann aus einem für solche Röhren gebräuchlichen
Gase, wie Argon, Neon u. dgl., codereinem Gemisch derselben bestehen.
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Unter Gasfüllung ist aber in dieser Beziehung auch eine Menge eines
oder mehrerer ionisierbarer Dämpfe oder ein Gemisch eines oder mehrerer solcher
Dämpfe mit einem oder mehreren Gasen zu verstehen. Bei Benutzung von Dämpfen kann
der Druck in der Röhre durch das Vorhandensein eines Vorrats verdampfbaren Materials,
z. B. Quecksilber, Natrium, Magnesium usw., leicht aufrechterhalten werden, so daß
man besondere Vorkehrungen zum Regenerieren, wenn zu viel
Gas absorbiert
worden ist, entbehren kann. Einige solcher Stoffe, z. B. lflagnesiuin, müssen, um
einen genügend hohen Druck zu erzeugen, durch besondere Mittel angewärmt werden,
wozu unter Umständen die Glühkathode dienen kann. Andere Stoffe haben schon bei
Zimmertemperatur einen genügenden Dampfdruck und verdienen daher den Vorzug. Besonders
eignet sich Quecksilber, womit die Röhre nach der Erfindung bei einer Temperatur,
die einen Dampfdruck von o,ooi bis o,oi inm herbeiführt, gut arbeitet.
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An Hand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend
näher beschrieben.
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Fig. i ist eine Abbildung einer Entladungsröhre nach der Erfindung.
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Fig. -2 stellt einen Teil dieser Röhre im Durchschnitt dar.
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Fig.3 bezieht sich auf eine. andersartig ausgeführte Röhre, die entsprechend
demselben Hauptgedanken ausgeführt ist.
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Fig.4 und 5 dienen zur Erläuterung einer Möglichkeit des Zusaininensetzens
von Röhrenteilen.
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Fig.6 ist eine Abbildung einer der Elektroden der in Fig. i gezeichneten
Röhre. Fig. 7, 8 und 9 stellen Teile von Ausführungsbeispielen dar, bei denen .die
leitenden Einsätze einander überlappen.
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Die in Fig. i veranschaulichte Röhre weist eine Kathodenhammer i und
eine Anodenkammer 2 auf. Diese Elektrodenkammern, deren Wand aus Glas besteht, sind
durch einen Kanal miteinander verbunden, in dem in axialer Richtung liinterein.ander
vier el.ktrisch leitende, etwa metallische Einsätze 3 angeordnet sind. In der Kathodenkammer
ist eine in. Fig. 6 näher angegebene Glühkatliode 4 angeordnet. Sie besteht aus
einem schraubenlinig gewundenen Kerndraht 5 aus hochschmelzendem Material mit verhältnismäßig
hohem elektrischem Widerstand, wie z. B. Wolfram. Auf diesem Kerndraht ist ein Hilfsdraht
6, z. B. aus Nickel, schraubenförmig aufgewickelt. Die Oberfläche 7 dieses Hilfsdrahtes
ist mit einem Elektronen leicht emittierenden Stoff, beispielsweise Bariumoxyd,
bedeckt. Die Stromzuführungsdrähte8 und 9, an deren Enden der Kerndraht 5 befestigt
ist, sind zum Schutze gegen das Auftreten von Ionen von in den Quetschfuß 12 eingesetzten
Isolierröhrchen io und i i aus hitzebeständigem Material, wie Tonerde, umgeben.
Die Zuführungsdrähte sind wie üblich luftdicht im Quetschfuß eingeschmolzen und
setzen sich außerhalb der Glaswand fort. Auf ähnliche Weise ist der Zuführungsdraht
13 der Anode 14 in einem Quetschfuß i5 luftdicht durch die Wand geführt. Die Anode
besteht zweckmäßig aus Kohlenstoff oder einem anderen wenig zerstäubenden Material
oder besitzt einen überzug aus einem solchen Material. Auch dieser Zuführungsdraht
kann von einem Schutzröhrchen 16 umgeben sein, das zur Halterung der Anode dient.
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Durch die metallischen Einsätze 3 in Form von Buchsen wird eine Unterteilung
des beim Betriebe zwischen den Elektroden 4 und 14. auftretenden Spannungsgefälles
über die Entladungsbahn erzielt.
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Die metallischen Einsätze 3 werden von gläsernen Verbindungsteilen
17, welche die Wand des Entladungsgefäßes bilden, in Abstand voneinander gehalten.
Die erfolgt durch Metallringe 18, weldie die Körper 3 umgeben und bei dein in Fig.
:2 angegebenen Beispiel mit diesen ein unterteiltes Metallstück darstellen. Die
Verbindungsteile 17 sind mit den Rändern der Metallringe luftdicht verschmolzen.
Eine zu diesem Zwecke für die Metallringe geeignete Legierun- bildet das wegen seiner
Verschmelzbarkeit mit Glas bekannte Chromeisen.
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Die Verbindungsteile 17 werden von den blendenartigen metallischen
Einsätzen 3 gegenüber der Entladungsbahn elelztrostatisch bzw. mechanisch abgeschirmt,
und der Abstand a (Fig. a) der Einsätze 3 ist so gering, daß er von der zwischen
den benachbarten Einsätzen liegenden Spannungsdifferenz nicht durchschlagen werden
kann. Insofern sich außerhalb der Einsätze ein ele#lctrischesI-Zraftfeld bildet,
vermag dies, wie durch die Einzeichnung der Kraftlinien in Fig. 2 und 3 angedeutet,
in dem engen Raum zwischen den metallischen Einsätzen und der Verbindungswand einen
Durchschlag nicht herbeizuführen.
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Die Röhre ist hochev ahuiert und mit einem Quecksilbertropfen i9 versehen.
Es füllt sich also der Entladungsraum mit Quecksilberdampf von einem Druck, der
durch die Temperatur der kältesten Stelle bestimmt wird, und der bei Zimmertemperatur
hinreicht, um die Zündung vor sich gehen zu lassen.
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Infolge der Abschirmung der Verbindungsteile 17 gegenüber der Entladungshahn
kann das von elektrischen Ladungen an der Wand hervorgerufene Potential nicht in
den für die Entladung bestimmten Raum eingreifen.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 treten die Metallringe 2o, welche die
metallischen Einsätze 3 stützen, nicht an die Oberfläche, sondern sind bis auf elektrische
Zuleitungen vom Glas überzogen. Die gläsernen Teile, welche die metallischen Einsätze
verbinden, setzen sich hier ineinander fort.
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Mit 31 sind in Fig. i schematisch Kondensatoren angegeben, die man,
um die richtige Spannungsverteilung zu sichern, parallel zu den verschiedenen Strecken
der Entladungsbahn schalten kann. 'Man kann auch die
gegenseitige
Kapazität der leitenden Zwischenteile vergrößern, wie es z. B. in Fig. 7, 8 und
9 dargestellt ist. In diesen Ausführungen überlappen sich die Teile 32 bzw. 33 bzw.
36, was nicht nur die Kapazität erhöht, sondern auch eine gute Abschirmung der Entladungsbahn
gegen die Glasteile 34 bzw. 35 bzw. 37 herbeiführt und die Gefahr der Rückzündungen
verringert. In Fig.8 findet die 1;Tberlappung zweiseitig statt, sie läßt sich gewünschtenfalls
auch weiter durchführen.
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Die Röhre wird am besten in lotrechter Aufstellung betrieben. Vorzugsweise
ist dabei die Kathode unten. Es entsteht dann ein aufsteigender Luftstrom, der längs
der Röhrenwand streift und diese kühlt.
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In Fig.2 ist in dem Steg zwischen der Buchse 3 und dem Ring 18 eine
Öffnung 24 vorgesehen, die dazu dient, dem etwa in den Zwischenräumen kondensierenden
O_uecksilber Gelegenheit zu geben, in die @at'hodenkamaner zu fließen.
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Falls in einer Röhre nach Fig. i die Ringe und Buchsen getrennte Teile
bilden, können sie auf beliebige Weise miteinander mechanisch verbunden sein, z.
B. mit Schraubendraht, Bajonettverschluß, durch genau passenden Umfang usw.
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Eine sinnreiche Befestigungsweise wird durch Fig. q. und 5 verdeutlicht.
Dabei liegt ein auswärts federnder Ring 25, der in Fig. 5 einzeln abgebildet wird,
teilweise in einer außenseitig rings um den leitenden Körper 3 herumlaufenden Nut
26 und teilweise in einer entsprechenden Aussparung eines innerhalb des Ringes 18
liegenden Flansches 27. Dieser ist, um die Teile bequem verbinden zu können, mit
einer axial verlaufenden Aussparung 28 versehen. Darin liegt .das eine Ende 29 des
federnden Ringes, der axial und etwas auswärts abgebogen ist. Das andere Ende 30
ist in tangentialer Richtung unverschiebbar an dem leitenden Körper gehalten, zweckmäßig
dadurch, daß es etwas einwärts umgeknickt und in eine kleine Ausbohrung im Boden
der Nut hineingesteckt ist. Man kann nun .den leitenden Körper 3 mit einem eingesteckten
Werkzeug fassen und ihn in den Metallring hineinschieben, wobei darauf zu achten
ist, daß das axial umgebogene Ende 29 der Ringfeder vorn ist und in die axiale Aussparung-,28
des Metallringes hineingeschoben wird. Sodann dreht man den leitenden Körper um
die Achse in die Richtung des anderen Endes der Feder (Pfeilrichtung in Fig. 5).
Diese wird dadurch gespannt und sinkt in die Nut hinein, so daß sie nicht mehr über
den Rand des Metallringes vorsteht und der Körper ferner in den Ring hineingeschoben
werden kann. Man :läßt danach den Körper zurückdrehen und schiebt ihn so weit hinein,
bis die Feder in die ringförmige Aussparung des Metallringes einschnappt und dadurch
der Körper befestigt ist.
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Wie günstig sich die Röhren nach der Erfindung hinsichtlich ihrer
Wirkungsweise und Abmessungen unterscheiden, wird durch ein zahlenmäßiges Beispiel
illustriert: Eine Röhre, wie sie in Fig. i dargestellt ist, geeignet zum Gleichrichten
von Wechselstrom mit einer Stärke in der Größenordnung von iooo m. A. und einer
Spannung in den unwirksamen Halbperioden bis r25 11V braucht eine Gesamtlänge i
von 350 mm nicht zu überschreiten. Der Abstand a der Metallkörper 3 beträgt
z. B. 8 mm, und der Durchmesser der Verbindungsteile ist 30 mm, der innere
Durchmesser der Buchsen 3 kann annähernd gleich -dem Abstand a und die Isolierlänge
der Verbindungsteile 17 ungefähr so groß wie der Durchmesser dieser Teile genommen
werden.
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Eine solche Röhre ist als Hochspannungsventil in Röntgenanlagen wehr
geeignet, besonders wegen des geringen und von der Belastung wenig abhängigen Spannungsabfalles,
der nur ungefähr 40 Volt beträgt.
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l'NTatürlich können Röhren nach der Erfindung auch auf anderen Verwendungsgebieten
gute Dienste leisten, z. B. in der Radiotelegraphie und für Kraftübertragung.
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In Abb. 9 ist ein Ausführungsbeispiel gegeben, bei dem die leitenden
Zwischenteile 36 als ineinander schließende Trichter mit elektrischen Zuleitungen
ausgebildet sind, an deren Ränder die Glaswand 37 angeschmolzen ist.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Durchschlagsfestigkeit der Röhre
in der Sperrphase größer ist, wenn das engste Ende der leitenden Körper der Anode
zugewandt ist. Auch ist der Spannungsabfall d bei geringer als bei umgekehrter Anordnung.
Dasselbe ist der Fall, wenn bei einer Ausführung, bei der sich die Zwischenkörper
nicht überlappen, der innere Durchmesser auf der einen Seite, wie in Abb. q. angegeben,
geringer ist als auf der anderen Seite.