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Gas- oder dampfgefülltes Entladungsgefäß mit Wandung aus Isolierstoff
. für hohe Betriebsspannungen Die Erfindung bezieht sich auf gas- oder dampfgefüllte
Entladungsgefäße, bei welchen eine Entladung zwischen einer Elektronenquelle und
einer oder mehreren Anoden übergeht und welche zur Steuerung oder Umformung von
hochgespannten Strömen benutzt werden können. Bei derartigen Entladungsgefäßen sind
besondere Maßnahmen erforderlich, um trotz der hohen Betriebsspannung Rückzündungen
oder Durchzündungen mit Sicherheit zu vermeiden. Es ist für diesen Zweck bereits
bekannt, durch Zwischenelektroden, die zwischen Elektronenquelle und Anode liegen,
für eine gleichmäßige Spannungsverteilung längs der Entladungsbahn zu sorgen. Die
Erfindung betrifft eine besondere Ausbildung der Anordnung derartiger Zwischenelektroden,
durch welche eine besonders gute Spannungsfestigkeit der Entladungsstrecke während
der Sperrphase erzielt wird.
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Bei Entladungsgefäßen der betrachteten Art entstehen zwischen benachbarten
Zwischenelektroden kammerartige Räume, welche zum Teil von der Entladung durchsetzt
sind: Die Erfindung will nun erreichen, daß vereinzelte Ladungsträger, die während
der Sperrphase noch in der Entladungsbahn vorhanden sind, auf kürzestem Wege an
Auffangflächen geführt werden, damit sie nicht die Möglichkeit
haben.
sich auf einem längeren. in einem elektrischen Feld durchlaufenen Wege auf so hohe
Geschwindigkeiten zu beschleunigen, daß sie heim Auftreffen auf Metallteile dort
Sekundärelektronen auslösen. Diese Gefahr bestelit bei den bekannten Entladungsgefäßen
mit Zwischenelektroden. Bei diesen sind die Zwischenelektroden, die z. B. die Trichterform
besitzen, so angeordnet, daß die eigentliche Entladungsbahn durch :Mittelöffnungen
der Zwischenelektroden hindurchführt, so daß die dort während der Sperrphase noch
vorhandenen Ladungsträger geradlinig durch sämtliche Zwischenelektroden hindurchfliegen
und sich dabei auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen können. Ein Herausziehen
dieser Ladungsträger aus der Etitladungsbalin findet dabei nicht oder nicht in nennenswertem
Maße statt, weil in der Entladungsbahn bzw. in den von der Entladung durchsetzten
Teilen der zwischen den Zwischenelektroden liegenden kammerartigen Räume die elektrischen
Feldlinien, welche zwischen den einzelnen Zwischenelektroden übergehen, im wesentlichen
parallel zur Entladtingsbalin verlaufen.
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Im Gegensatz hierzu werden gemäß der Erfindung die Zwischenelektroden
derart angeordnet und ausgebildet, daß in den Teilen der zwischen ihnen entstehenden
kammerartigen Räume, «-elche von der Entladung durchsetzt sind, praktisch alle von
den einzelnen Zwischenelektroden ausgehenden Feldlinien schräg zur Entladungsbahn
stehen. Das hat zur Folge, -daß in der Entladungsbahn vorhandene restliche Ladungsträger,
gleichviel ob sie positiv oder negativ geladen sind, auf kürzestem Wege einer benachbarten
Zwischenelektrode zugeführt und dort unschädlich gemacht werden. Diese Ladungsträger
können also nicht mehr zu einer unerwünschten Ionisation der Entladungsbahn führen.
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Bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Zwischenelektroden ist es in
der Nähe der Rotationsachse nicht möglich, zu erreichen, daß die Feldlinien schräg
zur Entladungsbahn verlaufen. Es ist deshalb zweckmäßig, den in der Nähe der Rotationsachse
von der einen zur anderen Hauptelektrode führenden Weg durch eingesetzte Blenden
für den Durchtritt von Ladungsträgern überhaupt zu sperren. Wenn eine solche Sperrung
des mittleren Weges aus irgendeinem Grund nicht möglich oder unerwünscht sein sollte,
kann man die auf dieser Bahn fliegenden Ladungsträger, die also eine verhältnismäßig
hohe Geschwindigkeit erreichen werden, auch dadurch unschädlich machen, daß man
sie in eine im wesentlichen feldfreie Höhlung der Anode hineinleitet, so daß die
dort von ihnen ausgelösten Sekundärelektronen infolge des Fehlens elektrischer Felder
keine Ionisation der Entladungsstrecke bewirken können.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Zwischenelektroden so auszubilden,
daß eine Anzahl Kanäle entsteht, deren Abmessungen quer zur Entladungsbahn verhältnismäßig
klein sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß Ladungsträger, welche in dem einen
oder anderen Sinn abgelenkt sind, nach verhältnismäßig kurzer Wegstrecke gegen einen
metallischen Teil treffen. Werden die Zwischenelektroden oder Teile davon z. B.
wabenförmig ausgebildet, so wird zweckmäßig die Länge der einzelnen Kammern des
wabenförinigen Teils gleich oder größer gensacht als ihre Breite.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, die Zwischenelektroden so auszubilden,
daß die von der Entladung durchsetzten Teile der zwischen ihnen befindlichen kammerartigen
Räume gegenüber der isolierenden Gefäßwandung abgeschirmt sind. Dieses Ziel kann
in an sich bekannter Weise dadurch erreicht werden, elaß die Ränder der einzelnen
Zwischenelektroden einander übergreifen. Es wird so eine unerwünschte Aufladung
der Gefäß%vandung verhindert, die andernfalls die gleichmäßige Spannungsaufteilung
auf die Entladungsstrecke empfindlich stören könnte.
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In den Abb. i und 2 ist ein Paar von Zwischenelektroden für Entladungsgefäße
gemäß der Erfindung dargestellt. Die Zwischenelektroden bestehen aus einem wabenförmigen
Teil i, der, wie Abb. 2 zeigt, aus einem zylindrischen Rohr 2 verhältnismäßig großen
Durchmessers und mehreren von diesem Rohr umschlossenen kleineren Rohren 3 zusammengesetzt
ist. An den wabenförmigen Teil i schließt sich ein zylindrischer Teil d größeren
Durchmessers an, welcher den wabenförmigen Teil des darüberliegenden Elektrodensystems
umschließt. Der zwischen den einander benachbarten Zwischenelektroden entstehende
kammerartige Raum ist durch diese Ausbildung gegen die Gefäßwand fast völlig abgeschirmt.
Die mittlere Zone des wabenförmigen Teils ist verlängert und steht gegenüber der
vorangehenden Elektrode in dem kammerartigen Raum zwischen beiden hervor. Hierdurch
wird in dem Teil des kammerartigen Raumes, der von der Entladung durchsetzt ist,
eine Feldverteilung erreicht, welche sich der Feldverteilung nähert, die zwischen
zwei benachbarten Kugelschalen entstehen würde. Durch feinere Unterteilung des wabenförmigen
Teils und geeignete Staffelung der einzelnen Zonen kann man die entstehende Feldverteilung
derjenigen zwischen zwei Kugelschalen weitgehend nähern.
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Die Feldverteilung ist in Abb. i durch die zwischen den Elektroden
eingezeichneten
dünnen Linien angedeutet. Wesentlich ist dabei,
daß in dem Teil des kammerartigen Raumes, welcher von der Entladung durchsetzt ist,
die Feldlinien überwiegend schräg zur Entladungsbahn verlaufen. Lediglich in der
Nähe der Achse verlaufen bei der dargestellten rotationssymmetrischen Elektrodenausbildung
die Feldlinien im wesentlichen parallel zur Entladungsbahn, so daß in diesem Bereich
die angestrebte Wirkung nicht voll erreicht wird. Durch die zwischen den benachbarten
Elektroden verlaufenden, schräg die Entladungsbahn durchsetzenden Feldlinien werden
Ladungsträger, einerlei ob sie positiv oder negativ geladen sind und unabhängig
davon, ob sie gegen die Anode oder die Kathode des Entladungsgefäßes fliegen, abgelenkt
und treffen dabei gegen leitende Flächen der Zwischenelektroden. Sie werden auf
diese Weise unschädlich gemacht. An Stelle des w abenförmigen Teils können auch
mehrere konzentrische Zylinder benutzt werden.
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Mit Rücksicht darauf, daß in der Nähe der Elektrodenachse keine nennenswerte
Schrägstellung der Feldlinien zu der Entladungsbahn erreicht werden kann, ist es
zweckmäßig, den dort fliegenden Ladungsträgern den Weg durch die Zwischenelektroden
hindurch überhaupt zuversperren. Zu diesemZweckkann man beispielsweise das mittelste
der Rohre 3 durch eine Metallscheibe verschließen. Es empfiehlt sich, diese Metallscheibe,
die in Abb. i mit 5 bezeichnet ist, in der Mitte des Rohres anzubringen. Durch diese
Anordnung wird die durch die Scheibe 5 gebildete Auffangfläche für beide Auftreffrichtungen
in einen im wesentlichen feldfreien Raum gelegt, so daß dort die durch die auftreffenden
Ladungsträger ausgelösten Sekundärelektronen keine Störungen hervorrufen können.
Wenn eine solche Blende nicht vorgesehen werden kann oder soll, so kann man, wie
schon erwähnt, die in der Nähe der Achse fliegenden Ladungsträger in an sich bekannter
Weise dadurch unschädlich machen, daß man sie in eine feldfreie Höhlung der Anode
leitet.
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Um zu verhindern, daß die zentralfliegenden Ladungsträger emissionsfähige
Teile der Kathode treffen, empfiehlt es sich, vor der Kathode einen mit seiner Öffnung
gegen die Anode gerichteten Hohlkörper anzubringen, in dessen Inneres die gegen
die Kathode fliegenden Ladungsträger eintreten. 'Eine in dieser Weise geschützte
Kathode ist in Abb.3 dargestellt. 2o ist eine indirekt beheizte Hohlkathode, welche
von dem metallischen Mantel 2i umgeben ist. In diesem Mantel ist eine Kapsel beispielsweise
mit Hilfe eines durchlochten Bleches 22 aufgehängt. Man kann auch in den Zylinder
21 ein wabenförmiges Gebilde einbauen und die mittlere Kammer an ihrem der Kathode
zugewandten Ende abschließen. 23 ist eine gemäß Abb. i ausgebildete Zwischenelektrode.
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Abb.4 zeigt ein Entladungsgefäß gemäß der Erfindung. Mit 6, ; . 8,
9, 1 o und i i sind Zwischenelektroden bezeichnet, die gemäß den Abb. i und 2 ausgebildet
sind. Die Anode ist mit 12 bezeichnet und trägt in ihrem Innern die birnenförmige
Aushöhlung 13, in welche die zentral fliegenden Ladungsträger eintreten. Durch geeignete
Ausbildung der Anode 12 ist dafür gesorgt, daß die Feldlinien zwischen dieser Anode
und der benachbarten Zwischenelektrode i i ähnlich verlaufen wie zwischen den Zwischenelektroden,
so daß auch in der letzten Stufe des Rohres die gleichen Verhältnisse vorliegen.
Die Kathode ist mit 14 bezeichnet. Es sei angenommen, daß es sich hierbei um eine
Hohlkathode handelt, bei welcher Erdalkalimetalloxyde als emittierende Materialien
verwendet «-erden. An Stelle einer Glühkathode kann auch eine Hilfsentladung, insbesondere
ein Hilfslichtbogen. in Hg-Dampf dienen. In diesem Fall empfiehlt es sich, durch
geeignete Kühlanordnungen dafür zu sorgen, daß der in großer Menge entstehende ':Metalldampf
schon in der `Zähe der Kathode kondensiert wird. Vor der Kathode liegt die Steuerelektrode
15, welche einen ähnlichen Aufbau wie der untere Teil der Zwischenelektroden (Abb.
2) hat. An die Steuerelektrode schließen sich zwei Metallzylinder an, von welchen
der eine, 16, die Kathode, deren Zuleitungen und gegebenenfalls den OOuetschfuß
umschließt. Am oberen Teil ist mit der Steuerelektrode ein zylindrischer Ansatz
17 großen Durchmessers verbunden, welcher den wabenförmigen Teil der Zwischenelektrode
6 umfaßt. Auch die zwischen der Zwischenelektrode 6 und der Steuerelektrode 15 einschließlich
des zylindrischen Teils 17 übergehenden Feldlinien haben etwa den gleichen Verlauf
wie die Feldlinien zwischen den Zwischenelektroden. Das Entladungsgefäß kann mit
Quecksilberdampf, Edelgasen oder einem Gemisch von Edelgasen und Metalldämpfen gefüllt
sein. Insbesondere aus der Abb. d. ist zu erkennen, daß Kanten an den einzelnen
Elektroden abgerundet sind, um zu hohe Felddichten an einzelnen Stellen der Elektrode
zu vermeiden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.4 sind die wabenförmigen Teile
der Zwischenelektrode gegen die Kathode gerichtet. Man kann aber auch einen umgekehrten
Aufbau anwenden, weil auch so die im Entladungsraum fliegenden Ladungsträger, gleichgültig
welcher Polarität oder Flugrichtung, gegen metallische Flächen abgelenkt werden.
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Die im vorangehenden angestellten Betrachtungen über das Verhalten
von Ladungsträgern
im Entladungsraum sind für den Fall gültig,
daß die Entladung noch nicht gezündet hat. Sobald ein Durchbruch der Entladung stattgefunden
hat, also beispielsweise in der Durchlaßrichtung beim Gleichrichterbetrieb, oder
wenn mit Hilfe des Steuergitters bei einem gesteuerten Entladungsgefäß die Entladung
eingeleitet worden ist, findet keine wesentliche Beeinflussung der Entladung durch
die Zwischenelektroden statt, so daß die Entladung ungehindert brennen kann.
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Bei der Einrichtung nach Abb..I wurde unterstellt, daß die Zwischenelektroden
6 bis i i in ihrem mittleren Teil mit Auffangflächen gemäß Abb. i (Ziffer 5) versehen
sind. Wie bereits eingangs erwähnt, kann man sich auch mit einer Aushöhlung der
Anode begnügen. Dies gilt besonders dann, wenn man den Auftreffpunkt des in der
Sperrphase auftretenden Kanalstrahles möglichst tief in die Anode verlegt, so daß
die von der Auftreffstelle ausgehenden neutralen und geladenen Teilchen zum größten
Teil auf die Wandungen der Aushöhlung treffen und deswegen nicht in den eigentlichen
Entladungsraum gelangen. Das Material an der Auftreffstelle des Kanalstrahles wird
zweckmäßig nach dem Gesichtspunkt bestimmt, daß es eine möglichst kleine Zerstäubung
und eine kleine Sekundärelektronenemission hat. Ein derartiges Material kann auch
in eine aus anderem Material bestehende Elektrode eingebaut werden in ähnlicher
Weise, wie dies bei Antikathoden von Röntgenröhren mit Wolframblechen geschieht.
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Die Wirkung der zwischen den Zwischenelektroden herrschenden elektrischen
Felder kann natürlich nur eintreten, wenn zwischen diesen Elektroden in den Zeiten,
in welchen keine Entladung erwünscht ist, eine geeignete Spannung liegt. Mit Rücksicht
auf die Spannungsfestigkeit des Entladungsgefäßes werden den Zwischenelektroden
in an sich bekannter Weise z. B. mit Hilfe eines kapazitiven Spannungsteilers Spannungen
zugeführt, die zwischen dem Anoden- und Kathodenpotential liegen. Bei der Bemessung
dieses Spannungsteilers wird darauf Rücksicht genommen, daß wegen der Verschiedenheit
der Kapazitätsverteilung (Kapazitäten gegen Erde und Kapazitäten der Elektroden
gegeneinander) eine annähernd gleichmäßige Spannungsverteilung erzwungen wird. Ein
derartiger kapazitiver Spannungsteiler ist in Abb.5 schematisch dargestellt. Der
Übersichtlichkeit halber ist auch eine schematische Darstellung der Zwischenelektroden
gewählt. Im allgemeinen wird es erforderlich sein, den Wert der Kapazitäten des
Spannungsteilers von der Anode in Richtung gegen die Kathode abnehmen zu lassen.
weil sich die Eigenkapazität der Elektroden des Entladungsgefäßes in unigekehrter
Richtung ändert. Es ist auch denkbar, die Eigenkapazitäten der Elektroden selbst
zur Spannungsteilung zu benutzen. Dieses Verfahren ist aber nur in Sonderfällen
anwendbar, und zwar nur dann, wenn die Konstruktion der Röhre eine genügend genaue
Einstellung der Kapazitätswerte zwischen den Elektroden gestattet.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Spannungsdifferenzen zwischen
Anode und der folgenden Zwischenelektrode und zwischen dem Steuergitter und der
benachbarten Zwischenelektrode etwas kleiner zu wählen als die Spannungsdifferenzen
zwischen den übrigen Elektroden. Zu diesem Zweck muß man dafür sorgen, daß die Kapazitäten
Anode-Zwischenelektrode bzw. Gitter-Zwischenelektrode größer sind als die Kapazitäten
zwischen den Zwischenelektroden. Der Grund für die erhöhte Spannungssicherheit einer
so bemessenen Anordnung liegt anscheinend darin, daß sich die bei den Schaltvorgängen
auftretenden Spannungsstöße besonders an den Enden des Entladungsgefäßes stark auswirken.
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Bei dem im vorangehenden beschriebenen Rohr wurde angenommen, daß
eine dauernd betriebsbereite Elektronenquelle in Form einer Glühkathode oder einer
Hilfsentladung vorhanden ist. Die erhöhte Spannungssicherheit des Rohres gemäß der
Erfindung läßt sich aber auch ausnutzen, wenn die Hilfsentladung jedesmal erst zum
Zweck der Zündung des Gefäßes von neuem eingeleitet wird.
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Es wurde weiter oben dargelegt, daß die Zwischenelektroden entweder
mit ihren vorstehenden Teilen gegen die Kathode oder gegen die Anode gerichtet sein
können, weil Ladungsträger unter allen Umständen gegen metallische Teile abgelenkt
werden. Eine völlige Gleichwertigkeit dieser beiden Möglichkeiten besteht jedoch
nicht. Die größere Sicherheit gegen das Einsetzen unerwünschter Entladungen ist
nämlich dann vorhanden, wenn die hervorstehenden Teile der Zwischenelektroden gegen
die im betrachteten Augenblick positive Elektrode gerichtet sind. Bei dem in der
Abb. q. dargestellten Ausführungsbeispiel wird also in der Sperrphase die größere
Sicherheit gegen das Einsetzen einer unerwünschten Entladung vorhanden sein. Es
hängt dies damit zusammen, daß die durch positive Ionen an den Zwischenelektroden
frei gemachten Elektronen nach diesen wieder zurückgelenkt werden, während im Fall
umgekehrter Stromrichtung sie auf die nächste Zwischenelektrode auftreffen und auf
dem Wege dahin ionisieren können und an der Elektrode selbst weitere Elektronen
frei machen. Man wird deshalb die Einbaurichtung
der Zwischenelektroden
so wählen, daß die größte Sicherheit gegen das Einsetzen unerwünschter Entladungen
für die Betriebszustände vorhanden ist, deren Dauer besonders groß ist. Bei einem
auf eine Gegenspannung arbeitenden, insbesondere vielphasigen Gleichrichter ist
dies für die Sperrphase der Fall. Man wird deshalb vorzugsweise die in Abb. 4 dargestellte
Einbaurichtung benutzen. Gegebenenfalls kann man auch dadurch, daß man Zwischenelektroden
in abwechelndem Sinn einbaut, für beide Stromrichtungen die gleichen Verhältnisse
schaffen.