DE898490C

DE898490C - Discharge vessel for generating or amplifying high-frequency alternating currents

Info

Publication number: DE898490C
Application number: DES14879D
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Siebertz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1939-01-20
Filing date: 1939-01-20
Publication date: 1953-11-30

Description

Entladungsgefäß zur Erzeugung oder Verstärkung hochfrequenter Wechselströme Zur Steuerung von Gasentladungen bei hohen Frequenzen, z. B. mehr als ro ooo Hz ist es bekannt, Sonderkonstruktionen zu benutzen, bei welchen die Entionisierungszeit möglichst klein ist und durch die angelegte Spannung wirksam beschleunigt werden kann. Dies wird durch eine geeignete Gasfüllung (Gas oder Dampf mit niedrigem Atomgewicht) erreicht sowie vor allem dadurch, daß der gesamte Entladungsraum so eng gehalten wird, daß auch bei höherer Ionenkonzentration mit ertmäglichen Spannrungen an den Elektroden, insbesondere am Steuergitter, der ganze Entladungsraum oder wenigstens ein möglichst großer Teil davon von so kräftigen Feldern durchsetzt wird, daß die Ionen genügend rasch aus dem Raum verschwinden. Die Bedingung dafür ist, daß bei den im Betrieb erreichten Ionenkonzentrationen die Dicke der Raumladungsschichten beim Anlegen. negativer Spannungen an die Elektroden vergleichbar ist mit den Elektrodenabständen.Discharge vessel for generating or amplifying high-frequency alternating currents To control gas discharges at high frequencies, e.g. B. more than ro ooo Hz it is known to use special constructions in which the deionization time is as small as possible and effectively accelerated by the applied voltage can. This is achieved by a suitable gas filling (gas or steam with a low atomic weight) achieved and above all by the fact that the entire discharge space is kept so narrow becomes that even with higher ion concentration with tolerable tensions on the Electrodes, especially on the control grid, or at least the entire discharge space as large a part of it as possible is interspersed with fields so strong that the Ions disappear from space quickly enough. The condition for this is that at the ion concentrations achieved during operation, the thickness of the space charge layers when putting on. negative voltages on the electrodes is comparable to the electrode spacing.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Verbesserung eines derartigen Entladungsgefäßes und schlägt, vor, als Elektronenquelle für das Steuersystem (ein oder mehrere Steuergitter, Anode). ein Gasentl:adungsplasm@a vorzusehen.. Es kann zweckmäßig sein, das als Elektronenquelle dienende Gasentladungsplasma durch ein leitendes gitterartiges Gebilde von dem Steuersystem zu trennen. Gegebenenfalls kann: man das die Hilfsentladung abtrennende Gitter auch als Anode der Hilfsentladung benutzen. Die Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich auf Grund folgender Überlegung: Wählt man den Gasdruck im Entladungsgefäß allein unter Berücksichtigung der Entladungsbedingungen im Steuerraum, dann kommt man zu verhältnismäßig niedrigen Drucken; denn eine Erhöhung des Gasdrucks führt zu einer Begrenzung der Frequenzen, bei welchen das Entladungsgefäß noch betriebssicher arbeitet. Wählt man den Gasdruck so, daß die Steuerung noch bei hohen Frequenzen sicher arbeitet, dann zeigt sich, daß bei der Verwendung der Glühkathoden die Lebensdauer merklich herabgesetzt ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Entladung schon so weit behindert ist, daß die Brennispannung wesentlich ansteigt, dabei etwa Werte von 5o bis 8o- Volt erreicht und die Kathode durch die mit ziemlich hoher Geschwindigkeit auftretenden Ladungsträger zerstört wird. Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man gemäß der Erfindung als Elektronenquelle ein Gasentladungsplasma benutzt. Es ist auf diese Weise möglich, die zur Aufrechterhaltung der Gasentladung dienende Elektronenquelle, z,. B. Glühkathode, gegen den Beschuß mit schnellen Ladungsträgern zu schützen.The invention is concerned with an improvement of such a discharge vessel and proposes as an electron source for the control system (one or more control grids, anode) . a gas discharge plasma @ a to be provided. It can be useful to separate the gas discharge plasma serving as electron source from the control system by a conductive grid-like structure. If necessary: the grid separating the auxiliary discharge can also be used as the anode of the auxiliary discharge. The advantages of the subject matter of the invention result from the following consideration: If one selects the gas pressure in the discharge vessel solely taking into account the discharge conditions in the control chamber, then one arrives at relatively low pressures; because an increase in the gas pressure leads to a limitation of the frequencies at which the discharge vessel still works reliably. If the gas pressure is chosen so that the control still works reliably at high frequencies, then it becomes apparent that the service life is noticeably reduced when using the hot cathodes. The reason for this is that the discharge is hindered to such an extent that the burning voltage increases significantly, reaching values of around 50 to 80 volts and the cathode is destroyed by the charge carriers occurring at a fairly high speed. This disadvantage can be avoided if, according to the invention, a gas discharge plasma is used as the electron source. It is possible in this way, the serving to maintain the gas discharge electron source, z. B. hot cathode to protect against bombardment with fast charge carriers.

Es ist für die Erfindung unwesentlich, in welcher Weise das als Elektronenquelle dienende Gasentladungsplasma erzeugt wird. Es kann beispielsweise das Plasma einer Bogensäule sein, die selbst aus einer Glühkathode oder aus einer kalten Kathode (Glimmkathode) gespeist wird. Es ist ferner möglich, die Anode der Hilfsentladung in Form eines Netzes oder einer gelochten Platte so anzuordnen, daß sie das Steuersystem vom Gasentladungsplasma trennt. Man hat nur dafür zu sorgen, daß durch ausreichende Bemessung der Abstände der Elektroden der Hilfsentladung im Hinblick auf den Druck im Entladungsgefäß solche Verhältnisse geschaffen werden, daß die Hilfsentladung bei genügend niedriger Brennspannung aufrechterhalten werden kann. Bei der Bemessung des Drucks im Entladungsgefäß genügt es, dafür zu sorgen, daß die Entladung im Steuerraum ohne Schwierigkeiten aufrechterhalten werdenkann. Man kann dabei relativ hohe Brennspannungen im gesteuerten System zulassen, da hierdurch keine Schädigung der Kathode zustande kommt. Man darf also mit dem Gasdruck so weit herunter gehen, als es zur Erreichung höchster Steuerfrequenzen erwünscht ist, d. h. mit anderen Worten ausgedrückt, daß die freie Weglänge vergleichbar oder sogar etwas größer werden; darf als die Abstände im Steuersystem, wenn nur der Hilfsentladungsraum größer ist als die freie Weglänge. Der Druckbereich ist nach unten nur dadurch begrenzt, da.ß in dem gesteuerten System noch eine Entladung gezündet werden soll. Durch diese Druckbegrenzung nach unten unterscheidet sich die Röhre gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten Kopf- oder Wandstromverstärkern, welche einen ähnlichen Aufbau aufweisen, bei welchen, jedoch die Abstände im Steuersystem in einem solchen Verhältnis zum Gasdruck stehen, daß keine Zündung der Entladung zur Verstärker:anode eintreten kann, d. h. die freie Weglänge muß klein gegenüber den Dimensionen des Steuersystems sein.It is unimportant for the invention in which way this is used as an electron source serving gas discharge plasma is generated. For example, it can be the plasma of a Be an arc column that consists of a hot cathode or a cold cathode itself (Glow cathode) is fed. It is also possible to use the anode of the auxiliary discharge in the form of a net or a perforated plate to be arranged in such a way that they control the control system separates from the gas discharge plasma. One only has to ensure that there is sufficient Dimensioning of the distances between the electrodes of the auxiliary discharge with regard to the pressure such conditions are created in the discharge vessel that the auxiliary discharge can be maintained at a sufficiently low operating voltage. When dimensioning of the pressure in the discharge vessel, it is sufficient to ensure that the discharge takes place in the control room can be sustained without difficulty. You can use relatively high operating voltages allow in the controlled system, since this does not result in any damage to the cathode comes. So you can go down as far with the gas pressure as you can achieve it highest control frequencies is desired, d. H. in other words, that the free path becomes comparable or even slightly larger; allowed than the distances in the control system if only the auxiliary discharge space is greater than the free path. The downward pressure range is only limited by the fact that in the controlled system another discharge is to be ignited. Through this pressure limitation downwards differs the tube according to the invention compared to the known head or Wall current amplifiers, which have a similar structure, but in which the distances in the control system are in such a relationship to the gas pressure that no ignition of the discharge to the amplifier: anode can occur, d. H. the free Path length must be small compared to the dimensions of the control system.

Beim Entladungsgefäß gemäß . der Erfindung lassen sich ohne Nachteile so kleine Elektrodenabstände bei genügend kleinem Druck einstellen, da es möglich ist, eine bereits gezündete Bogenentladung mittels des Gitters zu steuern und durch stark negative Gitterspannung wieder zum Erlöschen zu bringen.For the discharge vessel in accordance with. the invention can be without disadvantages Set the electrode gaps as small as possible at low enough pressure as possible is to control and through an already ignited arc discharge by means of the grid to extinguish strongly negative grid voltage again.

In den Fig. i bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die übereinstimmenden Teile der Figuren tragen: die gleichen Bezugszeichen. Mit i ist ein Entladungsgefäß bezeichnet, daß aus isolierendem Werkstoff oder auch aus Metall hergestellt sein kann. 2 ist eine kalte Kathode, 3 eine Anode.Exemplary embodiments of the invention are shown in FIGS. The corresponding parts of the figures have: the same reference numerals. With i is a discharge vessel that is made of insulating material or made of Metal can be made. 2 is a cold cathode, 3 is an anode.

Zwischen 2 und 3 wird eine Hilfsentladung niedriger Brennspannung aufrechterhalten, aus deren Plasma Elektronen für das Steuersystem entnommen werden. Das Steuersystem besteht aus der Anode 4 und der Steuerelektrode 5. Zur Abtrennung des Plasmas von dem Steuersystem 4, 5 kann noch ein weiteres Gitter 6 vorgesehen sein, welches zweckmäßig auf einem Potential gehalten wird, welches dem Potential des benachbarten Teils des Entladungsplasmas entspricht.Between 2 and 3 there is an auxiliary discharge with a low operating voltage maintained, from whose plasma electrons are taken for the control system. The control system consists of the anode 4 and the control electrode 5. For separation Another grid 6 can be provided for the plasma from the control system 4, 5 be, which is expediently kept at a potential which corresponds to the potential of the adjacent part of the discharge plasma corresponds.

Bei der in Fig.2 dargestellten Röhre wird die Hilfsentladung mit Hilfe einer Glühkathode 7 erzeugt. Das -vor dein Steuersystem liegende Gitter 6 dient als Anode für die Hilfsentladung.In the tube shown in Fig.2, the auxiliary discharge is with the help a hot cathode 7 is generated. The grid 6 in front of your control system is used as an anode for the auxiliary discharge.

Unter Umständen ist es zwecl,[mäßig, zwei oder mehrere Steuersysteme (ein oder mehrere Steuergitter, Anode) in einem gemeinsamen Hilfsentladungsplasma unterzubringen. Unter Anwendung von Symmetrierwiderständen ist es auch möglich, jedes Steuersystem mit einer besonderen Anode für die Hilfsentladung zu versehen.It may be two or more tax systems (one or more control grids, anode) in a common auxiliary discharge plasma accommodate. Using balancing resistors, it is also possible to provide each control system with a special anode for the auxiliary discharge.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in F'ig. 3 dargestellt. Die Elektroden des zweiten Steuersytems sind mit 4, 5' und 6' bezeichnet.An embodiment of this type is shown in FIG. 3 shown. The electrodes of the second control system are labeled 4 , 5 'and 6'.

Zur Erzeugung hoher Frequenzen empfiehlt es sich, Kippschwingschaltungen zu verwenden, welche in der Lage sind, dem Steuergitter so große Energiemengen zuzuführen, daß es zwangsweise auf ein genügend stark negatives Potential gebracht werden kann.To generate high frequencies, it is advisable to use relaxation circuits to use which are able to supply such large amounts of energy to the control grid, that it can forcibly be brought to a sufficiently strong negative potential.

Eine Schaltung, welche dieser Forderung gerecht wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Schaltung sind zwei Rohre der in Fig. 2 dargestellten Art verwendet. An Stelle zweier getrennter Röhren kann man zweckmäßig auch ein Doppelsystem gemäß Fig. 3 verwenden. Die Gitter 5 und 5' der Röhren sind wechselseitig über die Kondensatoren 8 und 9 mit den Anoden der gegenüberliegenden Röhre verbunden. Die Gitter sind ferner über hohe Widerstände io und ii an die Batterie i2 angeschlossen. Mit Hilfe der Batterie 12 kann den Gittern eine negative oder positive Vorspannung erteilt werden. Von der Wahl der Gitterspannung hängt es ab, an welchen Punkten der den Spannungsanstieg am Kondensator darstellenden Kurve das Entladungsgefäß zünde. Man kann auf diese Weise den steilen Teil der Kurve ausnutzen, was für die Erzeugung hoher Frequenzen vorteilhaft ist. Die Anoden sind an eine Spannungsquelle über die Widerstände 13 und 1q. angeschlossen. 15 und 16 sind Begrenzungswiderstände für die zwischen den Kathoden 7, 7' und den Brennanoden 6, 6' übergehenden Hilfsentladungen. Die Schaltung arbeitet in folgender Weise: Beim Anlegen einer genügend hohen Anodenspannung an beide Anoden über die Begrenzungswiderstände 13 und 1q. zündet in einem der beiden Rohre die Entladung zwischen dem Plasma und der Anode zuerst. Dabei bricht die Spannung an der Anode, beispielsweise q.', von der Zündspannung auf die Brennspannung der Entladung zusammen. Dadurch wird der Kondensator 8 negativ beaufschlagt und so lange das Gitter der anderen Röhre auf einem negativen Wert gehalten, bis die Ladung des Kondensators über den Widerstand i i, teilweise auch durch den Gitterstrom, abgeführt ist. Solange das Gitter 5 der rechten Röhre genügend negativ gehalten wird, wird das Zünden der Entladung in dieser Röhre verhindert. Sobald die Ladung des Kondensators über den Widerstand i i und das Gitter abgeflossen ist, liegt nun am Gitter 5 der rechten Röhre eine kleine Vorspannung, so daß nunmehr die Entladung in dieser Röhre zünden kann. Durch den Zusammenbruch der Spannung an der Anode q. der rechten Röhre wird jetzt der Kondensator 9 negativ geladen und dadurch die Entladung in der linken Röhre gelöscht und so lange gesperrt, bis der Kondensator 9 wieder entladen .,ist, worauf sich das beschriebene Spiel wiederholt. Die Nutzspannung kann an den Kondensatoren 8 und 9 abgegriffen werden. Die Kippfrequenz ist im wesentlichen durch die Größe der Kondensatoren 8 und 9 und der Widerstände io und i i bestimmt,. Die Zündspannung und damit die Höhe der Kippspannung kann durch Änderung der Vorspannung der Gitter 5 eingestellt werden. Unter Verzicht auf die Regelbarkeit der Frequenz mit Hilfe der Widerstände io und ii kann man diese; auch weglassen, so daß die Entladung der Kondensatoren 8, 9 nur durch den Gitterstrom erfolgt.A circuit that meets this requirement is shown in Fig. 4 shown. In this circuit, two tubes are those shown in FIG Kind of used. Instead of two separate tubes, a double system can also be used use according to FIG. 3. The grids 5 and 5 'of the tubes are mutually over the Capacitors 8 and 9 connected to the anodes of the opposite tube. the Grids are also connected to battery i2 through high resistances io and ii. With the help of the battery 12, the grids can have a negative or positive bias be granted. It depends on the choice of grid voltage at which points the curve representing the voltage rise across the capacitor represents the discharge vessel over. You can walk the steep one this way Use part of the curve, which is advantageous for the generation of high frequencies. The anodes are on a Voltage source across resistors 13 and 1q. connected. 15 and 16 are limiting resistors for the auxiliary discharges passing between the cathodes 7, 7 'and the burning anodes 6, 6'. The circuit works in the following way: When a sufficiently high anode voltage is applied to both anodes via the limiting resistors 13 and 1q. ignites in one of the two Tube the discharge between the plasma and the anode first. This breaks the tension at the anode, for example q. ', from the ignition voltage to the burning voltage of the Discharge together. As a result, the capacitor 8 is acted upon negatively and for so long the grid of the other tube is held at a negative value until the charge of the Capacitor through the resistor i i, partly also by the grid current, discharged is. As long as the grid 5 of the right tube is kept negative enough, will prevents the discharge in this tube from igniting. Once the charge on the capacitor Has flowed through the resistor i i and the grid, is now on the grid 5 of the right tube a little bias, so that now the discharge in this tube can ignite. Due to the collapse of the voltage at the anode q. the right tube the capacitor 9 is now negatively charged and thereby the discharge in the left Tube extinguished and blocked until the capacitor 9 is discharged again., Is, whereupon the game described repeats itself. The useful voltage can be applied to the capacitors 8 and 9 can be tapped. The sweep frequency is essentially due to the size the capacitors 8 and 9 and the resistors io and i i determined. The ignition voltage and thus the level of the breakover voltage can be changed by changing the prestressing of the grid 5 can be set. Foregoing the controllability of the frequency with the help the resistances io and ii can be this; also omit, so that the discharge of the Capacitors 8, 9 only takes place through the grid current.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Schaltung isst die hoch negative und stromergiebige Beaufschlagung der Gitter, durch weiche eine wirksame Entio@nisierung erzielt wird. Dadurch wird die Erreichung hoher Prequenzen möglich. Die Schaltung stellt natürlich nur ein Beispiel zur Anwendung der beschriebenen Entladungsgefäße dar, welche auch in beliebigen anderen Schaltungen zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mittels Gasentladung Anwendung finden können.A particular advantage of the circuit described is eating the high negative and energizing the grid, through which an effective deionization is achieved. This makes it possible to achieve high frequencies. The circuit is of course only one example of the application of the discharge vessels described which can also be used in any other circuits for generating high-frequency Vibrations by means of gas discharge can be used.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Discharge vessel for generation or amplification high-frequency alternating currents through continuous or discontinuous control of a gas discharge, characterized in that the electrode spacings in the control system (anode, control electrode) are of the same order of magnitude as the thickness of the ones around the control electrodes forming space charge layers and that as an electron source for the control system a gas discharge plasma is provided, which is preferably controlled by the control system separated by a conductive perforated electrode or grid is. a. Discharge vessel according to claim i, characterized in that for several Control systems use a common discharge plasma as the electron source. 3. The Use of a relaxation circuit, in which with the aid of two tubes the control electrodes of the tubes via capacitors to the anodes of the neighboring one The vessel is coupled to generate vibrations with the aid of a discharge vessel according to claim i or z.