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Unstetig steuerbarer Gasentladungsapparat zur Erzeugung von Schwingungen
hoher Frequenz Die Erfindung betrifft unstetig steuerbare elektrische Gasentladungsapparate
zur Erzeugung von Schwingungen hoher Frequenz mit Steuergitter und Glühkathode.
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Bekanntlich werden zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme vielfach
besondere elektrische Maschinen verwendet, deren Herstellung und Betrieb mit mancherlei
Nachtelen verbunden ist. Die Anschaffungskosten solcher Maschinen sind hoch und
auch ihr Betrieb ist teuer, da sie ständiger Wartung und Überwachung bedürfen. Es
wurde schon deshalb mehrfach versucht, Hochfrequenzmaschinen durch ruhende Apparate,
und zwar durch Hochvakuumglühkathodenröhren oder durch Gasentladungsröhren zu ersetzen,
welche in der Lage sind,. Gleichstrom in Wechselstrom irgendeiner Frequenz in solchen
anderer, beispielsweise höherer Frequenz umzuwandeln. Die Hochvakuumröhren haben
den Nachteil, daß sie infolge der auftretenden Raumladung hohe Anodenverluste aufweisen,
so daß diese Geräte nur für die Schwachstromtechnik brauchbar sind. Die bekannten
Gasentladungsapparate wiederum, welche an sich zur Beherrschung größerer Ströme
geeignet sind, haben den Nachteil, daß mit ihnen im allgemeinen nur Ströme von verhältnismäßig
niedriger Frequenz erzeugt werden können. Bei solchen Entladungsapparaten gelingt
es in der Regel höchstens, Frequenzen von mehreren ioo Hz bis zu aooo Hz zu erzielen.
Versucht man z. B. bei Wechselrichtern mit der Frequenz höher zu gehen, so zeigt
es sich, daß nach dem Kommutieren das betreffende Rohr die erforderliche Sperrfähigkeit
nicht schnell genug erreicht und daher kein sicheres Löschen erzielt wird. Der Verlust
der Sperrfähigkeit hat aber erhebliche Betriebsstörungen zur Folge, die zum Kippen
des Wechselrichters führen können, womit häufig auch Kurzschlüsse und evtl. Zerstörung
des Entladungsapparates verbunden sind. Nur in einzelnen Fällen ist bisher der Betrieb
von Gasentladungsröhren von ganz besonderer Bauart bei höheren Frequenzen, insbesondere
bis etwa ioo ooo Hz, gelungen.
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Die Erfindung betrifft nun eine unstetig steuerbare Gasentladungsröhre
mit Steuergitter und Glühkathode, bei der die genannten Nachteile vermieden sind,
und welche sich
dadurch auszeichnet, daß sie einerseits ohne fühlbaren
Zeitverlust in Betrieb gesetzt werden kann und andererseits mit ihrer Hilfe sehr
hohe Frequenzen verarbeitet werden können. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
daß man eine direkt beheizte, aus bandförmigem Material hergestellte großflächige
Glühkathode verwendet und ihre wirksame Oberfläche so ausbildet und die Form der
andern Elektroden der Form der wirksamen Kathodenoberfläche so anpaßt, daß der Feldverlauf
im Raum zwischen Gitter und Kathode überall praktisch der gleiche ist. Es hat sich
nämlich gezeigt, daß es bei den bisherigen gasgefüllten Entladungsgefäßen deswegen
unmöglich war, sehr hohe Frequenzen zu erzeugen, weil der Raum zwischen Gitter und
Kathode nach dem Verlöschen der Entladung (also während der Zeit, in der die Anodenspannung
unter Null sinkt, oder in der Phase der Anodenwechselspannung, in der die Anode
negativ ist) nicht genügend schnell durch Abführung der restlichen Ionen entionisiert
werden kann. Diese Entionisierung wird, wie weitere Versucli-edes Erfinders ergeben
haben, bei den Entladungsgefäßen der bisherigen Bauarten dadurch verzögert, daß
sich zwischen Gitter und Kathode Raumteile befinden, in denen die elektrische Feldstärke
nach dem Umpolen der Anodenspannung und der damit erfölgten Abschaltung der Entladung
besonders gering ist. Das ist z. B. der Fall in den Hohlräumen einer strahlungsgeschützten
Glühkathode, über deren Stirnseite sich ein Gitter befindet. Weiterhin kommen solche
Räume zwischen Gitter und Kathode vor, wenn etwa das Gitter topfförmig über der
Kathodenöffnung oder über einer Wendelkathode angeordnet ist. Solche für den vorliegenden
Zweck nicht brauchbare bekannte Anordnungen zeigen beispielsweise die Abb. i und
2. Abb. i zeigt die Elektrodenanordnung für ein topfförmiges Gitter mit einer Wendelkathode,
Abb. 2 eine strahlungsgeschützte Glühkathode, über deren Stirnseite sich ein Gitter
befindet. Überhaupt ist jedes Entladungsgefäß, bei dem die Kathode wendelförmig
ausgebildet ist, für die Durchführung der Erfindung nicht geeignet, da sich in den
Windungen der Kathodenwendel Raumteile befinden, die während der Rückphase nur sehr
langsam entionisiert werden können, Bei Röhren gemäß der Erfindung ist es vielmehr
notwendig, die Kathode als mit seiner ganzen wirksamen Oberfläche dem Gitter frei
gegenüberstehende Körper auszubilden. Bei Röhren, welche mit indirekt geheizten
Kathoden ausgerüstet sind, ist dies hin und wieder schon verwirklicht, doch eignen
sich solche Röhren für besondere Zwecke, insbesondere für die weiter unten angegebenen
praktisch nicht, da die Anheizzeit dieser Glühkathoden zu groß ist und somit eine
solche Röhre nur sehr langsam ihre Betriebsbereitschaft gewinnt. Verwendet man andererseits
als Katliode, wie es auch schon bekannt ist, nur einen einzelnen gestreckten, direkt
beheizten Glühdraht, der konzentrisch von den anderen Elektroden umhüllt ist, dann
ist wieder die Elektronenausbeute eine geringe, und man erzielt nur verhältnismäßig
kleine Anodenströme. Man bildet daher bei Röhren gemäß der Erfindung die Kathode
in Form eines direkt beheizten Bandes aus und bringt die Form der einzelnen Elektroden
in die bereits erwähnte Übereinstimmung. Das ermöglicht, den Abstand zwischen Kathodenoberfläche
und Gitter sehr gleichmäßig zu halten, wodurch die Gradlinigkeit der Kraftlinien
gewährleistet wird. Wenn z. B. zur Vergrößerung der emittierenden Oberfläche bei
dein vorhandenen Raum eine Wellung der Kathode erforderlich ist, so ist es im Sinne
der Erfindung notwendig, auch die den gewellten Flachen gegenüberliegenden Elektroden
dieser Form anzupassen und im besonderen die Steuerelektrode sinngemäß in Wellenform
auszubilden, derart, daß ihre Wellungen den Wellungen der Bandkathode folgen. Dann
ist auch in diesem Falle der gradlinige Verlauf der elektrischen Kraftlinien vom
Gitter zur Kathode gewährleistet und damit bei gegebener Potentialdifferenz an allen
Stellen eine möglichst große Feldstärke und der gleiche Feldverlauf erzielt.
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Derart aufgebaute Röhren haben den Vorteil, daß die Feldverteilung
zwischen den einzelnen Elektroden und Hilfselektroden überall so gleichmäßig ist,
daß die gesamten in der Nähe der Elektroden liegenden Räume auf schnellstem Wege
vollständig entionisiert werden. Es können also im Elektrodensystem keine Restladungen
verbleiben, und sämtliche Ionen werden in kürzester Zeit unschädlich gemacht. Daher
können solche Röhren auch bei höchsten Frequenzen betrieben werden, da jederzeit
die Zündbereitschaft schnellstens wiederhergestellt wird. Die Verwendung der bekannten
Entionisierungsgitter erfordert zusätzliche Hilfseinrichtungen, die bei den neuen
Hochfrequenzgasentladungsröhren entbehrlich sind. Diese sind daher besonders einfach
und billig herzustellen.
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Zweckmäßigerweise wird der Abstand zwischen Gitter und Kathode möglichst
klein gemacht, so daß die Feldstärke möglichst hoch wird. Da jedoch in der Brennphase
zwischen den Elektroden die Bildung von Ionen erfolgen muß, darf der genannte Abstand
nicht so klein gewählt werden, daß er unterhalb der freien Elektronenweglänge liegt
In
der Zeichnung (Abb. 3 bis 5) sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Abb. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Gasentladungsapparat mit
Bandkathode, Abb. 4 einen Schnitt nach der Linie II-II der Abb. 3. In Abb. 5 ist
eine gewellte Bandkathode mit dem zugehörigen Gitter in Seitenansicht dargestellt.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 und 4. befindet sich in dem aus
Glas bestehenden Entladungsgefäß i eine ovale Anode a, die ein Steuergitter 3 umschließt.
In der Symmetrieebene des Steuergitters 3 liegt die mit Hilfe der Stütze 4 gehaltene
Bandkathode 5. Die der wirksamen Kathodenoberfläche gegenüberhegenden Flächen von
Steuergitter und Anode verlaufen hier im wesentlichen parallel zur Kathodenoberfläche,
so daß der Feldverlauf im Raume zwischen Gitter und Kathode überall praktisch der
gleiche ist, In Abb. 5 ist eine Ausführungsform der Kathode als gewelltes Band 6
dargestellt. Die Steuerelektrode 7 folgt iri ihrer Form den Wellungen der Bandkathode.
Die anderen (in der Abbildung nicht gezeichneten) Elektroden sind der Form der Elektroden
6 und 7 so anzupassen, daß auch in diesem Falle der Feldverlauf im Raume zwischen
Gitter und Kathode überall praktisch der gleiche ist.
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In besonders vorteilhafter Weise können die neuen Hochfrequenzröhren
für Unterwasserschallsender verwendet werden. Besonders empfehlenswert ist auch
ihre Anwendung für Flugzeugschallsender, insbesondere für Echolote, bei welchen
Frequenzen in Frage kommen, die mit Hilfe der Röhren nach der Erfindung ohne Schwierigkeit
erzeugt werden können. Da die notwendige Anodenspannung gering ist, erspart man
es sich, schwere Akkumulatorbatterien mitzuführen, so daß die ganze Einrichtung
trotz ihrer Leistungsfähigkeit nur ein geringes Gewicht besitzt. Durch die hohe
Stromentnahme, welche bei den Röhren nach der Erfindung möglich ist, sind diese
auch für Hochfrequenzöfen mit Vorteil anwendbar.