DE750696C - Entladungsroehre mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren dazwischen-liegenden Gitterelektroden fuer die Zwecke der Verstaerkung, Schwingungserzeugung oderGleichrichtung - Google Patents

Description

• Entladungsröhre mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren dazwischenliegenden Gitterelektroden für die Zwecke der Verstärkung, Schwingungserzeugung oder Gleichrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung der Elektrodensysteme von Entladungsröhren. Die Elektronenströmung in den Entladungsröhren wurde bisher als Strömung eines kontinuierlichen Mediums (des Elektronengases) von der Kathode durch die Steuerelektrode zur Anode .betrachtet. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, daß ein Elektronenstrom, der eine durchbrochene Elektrode (Gitter) durchsetzt, sich unter gewissen Voraussetzungen in diskrete, scharf voneinander getrennte Einzelstrahlbündel oder -büschel auflöst, sie sich bei genügend hohen Geschwindigkeiten und hinreichend kleiner Stromdichte entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Elektronenoptik verhaIten.
• Tritt .ein Elektron mit der Geschwindigkeit UI, zwischen zwei Äquipotentialflächen von der Spannung U, des inhomogenen Feldes an der Öffnung einer durchbrochenen Elektrode, so wird es je nach deren Vorzeichen gegen das Einfallslot zu oder vom Einfallslot weggebrochen. Für den Raum, in den das Elektron .nach Durchlaufen der beiden Äquipotentialflächen gelangt, gilt dann der Brechungsindex Auf Grund dieses elektronenoptischen Brechun;gsgesetzes lassen sich die einzelnen Elektronenbahnen beim Durchlaufen der Äquipotentialflächen in den Öffnungen durchbrochener Elektroden in Analogie zu dem Verhalten.eines Lichtstrahles in einem inhomogen brechenden Medium rechnerisch und graphisch verfolgen.
• Wesentlich für die im folgenden beschriebene Erfindung ist die Erkenntnis, daß die elektronenoptischen Gesetzmäßigkeiten nicht nur, wie bisher bekannt, für hohe Elektronengeschwindigkeiten und relativ kleine Ströme vorhanden sind, sondern daß sie trotz der elektrostatischen Abstoßung der Elektronen untereinander auch noch für die relativ kleinen Spannungen und relativ großen Ströme gelten, welche bei gewöhnlichen Verstärkerröhren vorkommen. Legt man dort den gebrauchten Elektrodensystemen nicht die bisher übliche hydrodynamische, sondern die :elektro-:

  neuoptische Betrachtungsweise zugrunde j

  erkennt man, daß die Elektronen an den z

  nungen der einzelnen durchbrochenen

  troden annähernd zylinderförmige oder kalot5'

  tenförmige Äquipotentialflächen vorfinden, welche wie kleine Linsensysteme auf sie einwirken und zur Folge haben, daß hinter jeder Öffnung einer durchbrochenen Elektrode ein kleines definiertes Strahlbündel oder -büschel entsteht, dessen Querschnitt und Verlauf von der Form und Größe der Öffnung abhängt.
• Die Erfindung betrifft eine Entladungsröhre mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren dazwischenliegenden Gitterelektroden für die Zwecke der Verstärkung, Schwingungserzeugung oder Gleichrichtung. Sie ist gekennzeichnet durch eine derartige Formgebung, gegenseitige Lage und Wahl der Potentiale der Gitterelektroden bzw. der Kathode, daß der in einzelne Elektronenbiindel gleicher Brennweite aufgelöste Entladungsstrom vermöge elektronenoptischer Linsenwirkungen an den Metallteilen betriebsmäßig auf positivem Potential arbeitender Gitter vorbei und durch die Gitteröffnungen hindurchgeführt wird und diese Elektroden im wesentlichen unbelastet bleiben. Durch die vorhin erwähnte Ausbildung elektrischer Linsen in den Öffnungen der durchbrochenen Elektroden entstehen hinter denselben Brennpunkte, in denen sich die Elektronen sammeln. Man ist in der' Lage, die Brennpunkte mit den Öffnungen der folgenden durchbrochenen Elektroden zur Deckung zu bringen, so daß der Übergang von Elektronen auf diese vermieden wird. Daraus ergibt sich eine weitgehende Entlastung solcher Elektroden, welche besonders dann von Vorteil ist, wenn es sich um Hilfselektroden auf hohem positivem Potential handelt, wie dies bei Schirmgittern und Raumladegittern der Fall ist. Weiterhin kann man dadurch, daß die Elektronen genau in den Öffnungen einer Steuerelektrode konzentriert werden können, eine Erhöhung der Steuerschärfe bzw. der Steilheit der Röhre erreichen. Durch absichtliche Verlagerung der Brennpunkte aus der Mitte er Öffnung der darauffolgenden durchbrochenen Elektrode ist man ferner in der Lage, die Kennlinie zu verflachen und dieser jeden beliebigen Verlauf zu geben, z. B. auch einen exponentiellen oder logarithmischen Verlauf Herbeizuführen. Erteilt man weiterhin der Kathodenoberfläche eine Form, die mit derjenigen der durch eine durchbrochene Elektrode erzeugten Äquipotentialflächen übereinstimmt, so ergibt sich insbesondere bei kleinen Gitterabständen die Möglichkeit, die Kathode gleichmäßiger zu belasten, aus dieser bei gleicher Steuerspannung eine größere Emission zu ziehen und damit die Steilheit

  er Kennlinie weiterhin zu erhöhen.

  'T. Zur besseren Klarstellung des Erfindungs-

  genstandes wird dieser an Hand von 5 Ab-

  liildungen erläutert:

  In der Abb. r ist ein schematischer Längsschnitt durch das Elektrodensvstem einer Vierelektrodenröhre gezeichnet, «-elches aus einer Kathode 1Z, einem Raumladegitter Rg, einem Steuergitter St, und einer Anode A besteht. Beide Gitterelektroden sollen beispielsweise als Maschenelektroden ausgeführt sein, d. h. aus einem Metallgeflecht bestehen. Da sich alle Teile derselben Elektrode auf dem gleichen Potential befinden, bildet sich die eingetragene Feldverteilung aus, wobei die dünn ausgezogenen Linien den Verlauf der Äquipotentialflächen andeuten. Man erkennt ohne weiteres, daß die Potentialflächen zwischen zwei Gitterdrähten der Form einer bikonkaven Linse bzw. die Umgebung eines einzelnen Gitterdrahtes der Form einer bikonvexen Linse ähnlich sind. Ob diese Potentialflächen die .eine oder die andere Wirkung auf die Elektronen ausüben (also sammeln oder zerstreuen), hängt von dem Vorzeichen des Potentialgradienten in der betr. Niveaufläche ab, cla die Elektronen in dein einen Fall angezogen und .in dem anderen abgestoßen werden. Entsprechend dem positiven Potential des Raumladegitters sammeln sich die von der Kathode ausgehenden Elektronen in Strahlbüscheln h, welche genau hinter den Drähten des Rauniladegitters liegen. Das Steuergitter besitzt voraussetzungsgemäß ein negatives Potential, und daher wirken in diesem Falle die Zwischenräume zwischen dessen Drähten als zweite Sammellinse und vereinigen die Elektronen auf den Drahtstegen der Anode A. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Einzelstrahlbündel nur dann ohne Störung ihrer Bahn das Steuergitter .durchsetzen, wenn die Öffnungen jedes Gitters untereinander völlig gleich sind. Diese Forderung kann auf verschiedene Weise realisiert «erden. z. B. da-,durch, daß in einem Blech gleichmäßig verteilte Löcher gleicher Form ausgestanzt werden (Lochgitter). Die Öffnungen können auch die Form von Schlitzen, die parallel zur Kathode verlaufen, besitzen (Stabgitter). Annähertingsweise erfüllen auch die sog. Maschengitter aus Drahtgeflecht diese Bedingung, wobei es sich allerdings empfiehlt, das Flechtwerk flach zu walzen, so daß es durchwegs gleiche Dicke aufweist. Die Forderung einer gleichmäßigen Dicke der durchbrochenen Elektroden, soweit sie von .dem Elektronenstrom durchsetzt sind, ist wesentlich für die gleichmäßige Ausbildung der Strahlbüschel. Deshalb' erscheinen die an Haltestreben befestigten Gitter der bisherigen Ausführungen unter diesem Gesichtspunkte ungünstig. Spiralgitter sind an sich zulässig, denü man kann sie als schraubenförmig gewundene Zylinderlinsen .auffassen, jedoch darf diese Gleichmäßigkeit nicht durch die Anwesenheit von Haltestreben gestört werden. Aus der dargestellten Elektronenverteilung ersieht man, ,daß bei Herstellung der Anode aus einem Drahtgeflecht bestimmter Abmessungen einerseits eine gute Wärmeabstrahlung möglich ist, während andererseits, wenn die Strahlbündel ;genau auf die Anodenfläche treffen, keine Elektronen in den Raum hinter der Anode gelangen und dort zu mannigfachen Störungen Anlaß geben können.
• In der Abb. a ist ein Querschnitt durch eine Vierelektrodenröhre gezeichnet, welche eine Kathode K, ein Steuergitter St- und eine Anode A enthält. Außerdem befindet sich zwischen dem Steuergitter und der Kathode ,eine Hilfselektrode Hg, welche aus im folgenden näher zu erörternden Gründen so aus-(Sel)ildet ist, daß ihre Öffnungen sich genau mit den Öffnungen des Steuergitters decken. ,Das Hilfsgitter wird auf gleiches oder nega. tives Potential gegenüber der Kathode gebracht. Infolgedessen wirken die Zwischenräume zwischen den Gitterdrähten als Sammellinse und konzentrieren die Elektronen in dem Zwischenraum zwischen den Drähten des ,Steuergitters. Die Elektronen haben dadurch keine Möglichkeit, das Steuergitter selbst zu treffen. Dieser Umstand erscheint insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn die Röhre im Bereich positiver Gitterspannungen betrieben wird, da dann kein Gitterstrom auftreten kann und eine Belastung der Steuerspannungsduelle vermieden wird. Naturgemäß bleiben in diesem Falle die sonst mit dein Arbeiten im positiven Gitterspannungsgebiet verbundenen Verzerrungen aus.
• Diese Konstruktion ist insbesondere auch für Senderöhren von größter Bedeutung, .da dort infolge der höheren Betriebsspannung einerseits viel größere Gitterströme auftreten und andererseits infolge der großen Abmessungen des Elektrodensystems die Möglich-]zeit eines exakten Aufbaues gemäß der ein- !, gangs gestellten Forderung (genaue Deckung der Gitteröffnungen) noch besser gegeben ist.
• Die Anwendung eines zusätzlichen Hilfsgitters bei einer Raumladegitterröhre veranschaulicht die Abb. 3. Das Elektrodensystem besteht aus der Kathode K, dem Hilfsgitter Hg, dem Raumladegitter Rg, ,dem Steuergitter Stg und der Anode A. Es ist zu beachten, daß sich die Öffnungen von Raumlade-gitter und Hilfsgitter genau decken; während die Drähte des Steuergitters genau mit der Mitte dieser Öffnung zusammenfallen. Das Hilfsgitter wird wieder auf gleiches oder negatives Potential gegenüber der Kathode gelracht, während das Raumladegitter, wie üblich, an eine positive Vorspannung ,gelegt Wird. Dadurch wird einerseits erreicht, daß das Raumladegitter nicht wie in Abb. z von Elektronen getroffen wird. Infolgedessen kommt der erhebliche Leistungsverbrauch, welcher bisher mit der Anwendung eines Raumladegitters verbunden war und der Verbreitung dieser Röhrentype hinderlich im Wege stand, in Fortfall. Andererseits können die Elektronen durch das Raumladegitter in den Steuergitteröffnungen konzentriert werden und unterliegen dort .der größtmöglichen Steuerwirkung.
• Die Abb. d. stellt einen Querschnitt durch das Elektrodensystem einer gchirm,gitterröhre mit der Kathode K, dem Steuergitter Stg, dem Schirmgitter,Sclag und der Anode .#I dar. Die beiden Gitter bestehen beispielsweise aus einem Blechzylinder. in welchem parallel zur Kathode verlaufende Schlitze gestanzt sind. D:e beiden durchbrochenen Elektroden sind derart zueinander angeordnet, daß sich die Öffnungen genau decken. Das Potential des Steuergitters soll stets negativ gegenüber der Kathode bleiben. Auf diese Weise wirken die Öffnungen des Steuergitters wie zylindrische Sammellinsen und konzentrieren die Elektronen in die Öffnungen des Schirmgitters, so daß das Schirmgitter praktisch Strom= los gemacht werden kann. Der Erfolg ,dieser ;Maßnahmen liegt nicht bloß in der Stromersparnis durch die Unterdrückung des Schirmgitterstrom:es, sondern auch in dem Umstand, daß die Röhre gleichmäßig ausfällt, während es bisher dem Zufall überlassen blieb, ob die :Maschen des Schirmgitters Elektronen auffingen oder nicht, und deshalb ziemlich bedeutende Differenzen hinsichtlich der Schirmgitterströme auftraten. Diese Toleranzen machten sich insbesondere dann unangenehm bemerkbar, wenn die Schirmgitterspannung von einem Spannungsteiler .abgegriffen @vürde.
• Eine weitere An-%vendun.gsforin des Erfindungsgedankens ist in der Abb. 5 zum Ausdruck gebracht. Es ist bekannt, daß bei sehr kleinem Abstand des Steuergitters von der Kathode die Elektronen nicht immer gleichmäßig längs der ganzen Kathodenoberfläche entnommen werden, sondern daß einzelne Teile der Kathode stark belastet werden und praktisch die gesamte Emission liefern, während benachbarte Stellen keine Elektronen abgeben. Dieser Umstand erweist sich ungünstig hinsichtlich der Lebensdauer der Kathode und begrenzt die Steilheit bei Gitter-, abständen, die kleiner als die Gitteröffnungen sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun eine derartige Ausbildung der Kathodenoberfläche, daß sie sich den durch die Gitterkonstruktion hervorgerufenen Äquipotentialflächenanschmiegt.
• Abb.5 zeigt den Längsschnitt durch das Elektrodensystem einer Dreielektrodenröhre mit der Kathode 1i, dein Steuergitter Stg und der Anode A. Der Verlauf der Äquipotentialflächen ist eingetragen. -Die Kathodenoberfläche ist mit Vertiefungen versehen, deren Form von der Gestalt der Steuerelektrode abhängt. Wenn diese beispielsweise aus einem Maschengeflecht oder einem gelochten Blech besteht, werden die Vertiefungen kalottenförmig gemacht, so daß jeder Gittermasche eine Vertiefung entspricht, «-elche genau hinter der Gitteröffnung liegt. Bei Stabgittern wird man sinngemäß Rillen parallel zur Achse der Kathode anordnen und bei schraubenförniig gewickelten Gittern eine schraubenförmige Rille miit gleicher Ganghöhe wie das Gitter.
• Statt die Kathodenoberfläche mit Vertiefungen zu versehen, kann man annähernd die gleiche Wirkung dadurch erzielen, daß die Kathode aus zwei Teilen zusammengesetzt wird, einer zvIindr,ischen Emissionsfläche der bisher üblichen Art, und dicht davor und mit dieser leitend verbunden einem Gitter, dessen Öffnungen sich mit jenen der Steuerelektrode decken.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Entladungsröhre mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren dazwischen liegenden Gitterelektroden für die Zwecke der Verstärkung, Schwingungserzeugung oder Gleichrichtung, gekennzeichnet durch eine derartige Formgebung, gegenseitige Lage und Wahl der Potentiale der Gitterelektroden bzw. der Kathode, daß der in einzelne Elektronenbündel gleicher Brennweite aufgelöste Entladungsstrom vermöge elektronenoptischer Linsenwirkungen an den Metallteilen betriebsmäßig auf positivem Potential arbeitender Gitter vorbei und durch die Gitteröffnungen hindurchgeführt wird und diese Elektroden im wesentlichen unbelastet bleiben.
2. 2. Entladungsröhre nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen je einer durchbrochenen Elektrode genau gleiche Form und Größe besitzen.
3. 3. Entladungsröhre nach Anspruch i mit zylindrischen 1:oaxialen Wendegittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhen zweier oder mehrerer Wendelgitter gleich groß sind, so ciaß die Steigung der Gitterdrähte den jeweiligen Gitterdurchmesser umgekehrt proportional ist. d.. Entladungsröhre nach Anspruch i mit -zylindrischen koaxialen Steggittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegabstände zweier Gitter sich zuennander verhalten wie ihre Durchmesser oder wie ganze Vielfache dieser Durchmesser. 5. Entladungsröhre nach Anspruch i mit ebenen Wendelgittern. dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhen zweier oder mehrerer Wendelgitter sich verhalten wie ihre Durchmesser in Richtung der Gitterdrähte (zwischen den Haltestegen), so d.aß die Steigung der Gitterdrähte benachbarter Gitter konstant bleibt. 6. Entladungsröhre nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Wendelgitter mehrgängig sind. 7. Entladungsröhre nach Anspruch i mit ebenen Steggittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegabstände sämtlicher Gitter untereinander gleich oder für ein Gitter ganze Vielfache der Stegabstände benachbarter Gitter sind. Entladungsröhre nach Anspruch i und 2 mit runden bzw. rechteckigen Gitteröffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Öffnungen zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender Gitter sich decken. 9. Entladungsröhre nach Anspruch i und 2 mit runden bzw. rechteckigen Gitteröffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen eines Gitters gegen die eines benachbarten Gitters so verschoben sind, @daß je eine Öffnung des einen Gitters mit dem Zwischenraum zwischen vier Öffnungen des anderen Gitters sich .deckt. io. Entladungsröhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit Vertiefungen versehen ist, deren Form dein Verlauf der von den Gitterelektroden lieraorgerufenen, annähernd halbkugelförmigen bzw. zylinderförmigen Potential-_flächen entspricht. i i. Entladungsröhre nach Anspruch i und io mit Steggittern, ,dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit parallel zu ihrer Achse verlaufenden Rillen versehen ist. 12. Entladungsröhre nach Anspruch i und io, mit Loch- oder Maschengittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit kalottenförmigen Vertiefungen versehen ist. 13. Entladungsröhrc nach Anspruch i und io mit Wendelgittern, dadurch -ekennzeichnet, daß die Kathode mit einer oder mehreren schraubenlinienförmig verlaufenden Rillen versehen ist, deren Ganghöhe de_ rjenIgen des Gitters entspricht. 14. Entladungsröhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d.aß die Kathode aus einem als Emissüonsquelledienenden Zylinder und einer damit leitend verbundenen, die Emissionsquelle unmittelbar umgebenden durchbrochenen Elektrode besteht. 15. Entladungsröhre nach Anspruch i und io mit Ringgittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit so viel Rillen senkrecht zur Achse versehen ist, als das erste Gitter entsprechend liegende Ringe besitzt. ' 16. Entladungsröhre nach Anspruch i mit Lochgitter bzw. Wendelgitter, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere'der durchbrochenen Elektroden - in dem von den Elektronen durchsetzten Bereich genau gleiche Dicke besitzen. 17. Verwendung einer Elektronenröhre nach .den Ansprüchen i bis 15, dadurch gekennzeichnet, @daß auf der der Kathode zugewendeten Seite einer auf positivem Potential gehaltenen1durchbrochenen Elektrode eine auf einem weniger positiven Potential gehaltene Hilfselektrode angebracht ist, wobei die Öffnungen beider Elektroden sich decken. 18. Entladungsröhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte der Elektronenbündel aus der Mitte der Öffnung der darauffolgenden durchbrochenen Elektrode verlagert sind, um einen verflachten, inbesondere einen exponentiellen oder logarithmischen Verlauf der auf die Spannung dieses Gitters bezogenen Entladungskennlinie zu erzielen. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vorn Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften . . . Nr. 527 449, 5843o5; . französische Patentschrift . . - 717 68o; britische - 382 540; USA.- - 1 748 175; Zeitschrift für Pysik, Bd. 78 (1937), S. 340 bis 36a; Buch »Die Elektronenröhren und ihre technischen Anwendungen« von Dr. Hans Georg Möller, 2. Aufl. (1922), S. i8 und Fig. 16 bis 23, Verlag Fr. View eg & Sohn A. G., Braunschweig.