DE910703C - Gasgefuellte Verstaerkerroehre - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 6. MAI 1954

R 7687 VIII c 12ig

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenentladungsröhren, in welchen ein ionisierbares Medium als Träger der Entladung dient.

Es sind schon verschiedene Anordnungen für Gasentladungsröhren vorgeschlagen worden mit dem Ziel, eine Steuerelektrode zu einer stetigen Steuerung der Entladung zu befähigen.

Es ist bereits eine solche Gasentladungsröhre vorgeschlagen worden, bei welcher die Erregerspannung, die zur Erzeugung eines Übergangs des Hauptstromes von einer Hauptkathode zu einer Anode oder Hauptanode erforderlich ist, stets unterhalb des zur Erzeugung einer Ionisierung nötigen Wertes liegt. Bei dieser Röhre wird eine besondere ionisierende Elektronenentladung, nämlich eine sogenannte Hilfsentladung, zur Bewerkstelligung der Ionisation mit einer höheren Spannung erregt. Durch diese Hilfsentladung wird die Gasfüllung der Röhre ionisiert, und es wird durch Umwandlung der neutralen Gasatome in positive Ionen und abgetrennte freie negative Elektronen ein leitfähiges Plasma hergestellt. Das Plasma umgibt die Hauptkathode und füllt auch den Raum, in welchen der Hauptsfrom übergeht, aus. Infolgedessen wird die Elektronenraumladung, welche die Kathode umgibt, durch positive Ionen neutralisiert und das Plasma .wirkt wie eine leitende Verbindung von geringem Widerstand zwischen der Kathode und der Anode, wobei eine Steuerelektrode den übergehenden Belastungsstrom stetig zu steuern vermag.

Der Belastungsstrom oder Hauptstrom kann bei einer derartigen Röhre leicht das Mehrhundertfache des ihn erzeugenden Hilf sentladungsstroms betragen.

Jedoch ist bei einer solchen Röhre, wenn sie auch mittels ihres Gitters stetig gesteuert werden kann,

die Anodenstrom-Gitterspannungs-Kennlinie, wenn sich das Gitter zwischen der Hauptkathode und der Hauptanode befindet, merklich nichtlinear und die erreichbaren Innenwiderstandswerte der Röhre sind zwar viel geringer als bei gewöhnlichen Verstärkerröhren, sind jedoch immer noch dadurch begrenzt, daß das Gitter einen sehr großen Strombetrag unmittelbar steuern muß.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, in einer ίο Verstärkerröhre mit Gasfüllung, welche eine zusätzliche ionisierende Hilfsentladungsstrecke besitzt, die Anodenstrom-Gitterspannungs-Kennlinie in ihrer Linearität zu verbessern und vorzugsweise auch den Innenwiderstand der Röhre noch zu verkleinern.

Gemäß der Erfindung wird das Steuergitter an einer solchen Stelle angebracht, an der es die Größe des Hilf sentladungsstromes zu beeinflussen gestattet, statt unmittelbar den Hauptstromübergang in der so Röhre zu steuern. Der ionisierende Elektronenstrom wird demnach amplitudenmoduliert Der Zweck dieser Maßnahme besteht darin, den Belastungsstrom der Röhre mittelbar durch Beeinflussung der Dichte des Plasmas zu steuern. Da die Ge- »5 schwindigkeit mit welcher sich die Plasmadichte verkleinern kann, von der Entionisierungszeit abhängt und daher gewissen Grenzen unterworfen ist, wird bei dieser Art von Steuerung die obere Grenzfrequenz der Röhre herabgesetzt. Jedoch wird eine bessere Linearität der Anodenstrom-Gitterspannungs-Kennlinie erreicht und dabei die mögliche obere Grenzfrequenz immerhin noch genügend hoch gehalten, um die Röhre für Tonfrequenzzwecke verwenden zu können. Ferner wird, da die unmittelbare Steuerung des verhältnismäßig kleinen ionisierenden Stromes eine mittelbare Steuerung des verhältnismäßig großen Belastungsstromes bewirkt, der erreichbare Innenwiderstand durch multiplikative Wirkung vergrößert, ähnlich wie bei der Sekundäremission von Elektronenvervielfachern. Es sind tatsächlich schon äußerst geringe Innenwiderstände, nämlich Werte von 1 Ohm oder weniger erreicht worden.

Fig. ι zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung; die Schnittebene verläuft dabei längs der Linie 1-1 in Fig. 2 und in einer Ebene, welche parallel zu den Achsen der zylindrischen Kathoden liegt;

Fig. 2 zeigt einen anderen Längsschnitt durch diese Aus führungsform, und zwar einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 in einer Schnittebene, die senkrecht zu der in Fig. 1 benutzten verläuft; Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Tonfrequenzverstärkers unter Benutzung einer Gasentladungsröhre nach Fig. 1 und 2.

Die Gasentladungsröhre 10 in Fig. 1 und 2 besitzt einen rechteckigen gasdichten Kolben 11, in welchem der Hauptstrom von einer Hauptelektronenquelle ausgeht, die aus zwei indirekt geheizten Kathoden 12 So und 13 besteht und ferner aus einer Hauptanode 14 sowie einem Beschleunigungsgitter 15. Als Elektronenquelle für eine ionisierende Entladung dient die Hilfskathode 16. Diese Hilfskathode arbeitet mit einer Anzahl von weiteren Elektroden zusammen und bildet mit diesen zusammen eine Hilf sdreipolentladungsstrecke. Diese weiteren Elemente sind ein Steuergitter 17, welches in dem dargestellten Beispiel die Form eines halbzylindrischen Drahtgitters aufweist, eine Hilfsanode 18 mit einem Spalt 20 und eine Abschirmung 19. Zwischen der Anode 18 und dem Beschleunigungsgitter 15 ist ein Schirmgitter 29 vorgesehen. Beim Betrieb zieht die Hilfsanode oder Beschleunigungsanode 18 Elektronen aus der Hilfskathode 16 heraus, wobei diejenigen Elektronen, weiche den Spalt 20 durchlaufen in den Bereich des Hauptentladungsstromes der Röhre hineingezogen werden.

Die Hauptanode 14 und die Abschirmung 19 sind auf den Stäben 21 und 22 befestigt, welche durch die beiden Stirnwände des Kolbens 11 hindurchkufen und als Anschlußklemmen sowie zur mechanischen Halterung dienen. Das Gitter 17 ist auf zwei Drähten 23 und 24 befestigt, von denen der letztere durch die Bodenwand des Kolbens hindurchläuft und als Anschlußklemme dient. Die Hauptkathode und die Hilfskathode sind an Drähten befestigt, welche in die obere Wand des Kolbens eingeschmolzen sind, nämlich an den Drähten 25 bis 28. Wie üblich dient der eine dieser Drähte als Anschlußklemme für die Kathodenhülse und ferner als Anschlußklemme für das eine Ende der Heizwicklung, während der andere als Anschluß für das andere Ende des Heizdrahtes benutzt wird. Die mit einem Schlitz versehene Anode 18 ebenso wie das Beschleunigungsgitter 15 und das Schirmgitter 29 sind sowohl an der oberen wie an der unteren Kolbenwand 11 befestigt, wie die Fig. 1 erkennen läßt. Einige von diesen Drähten laufen durch die untere Kolbenwand hindurch und bilden Anschlußklemmen für diese Elektroden.

Die Kathoden können in beliebiger für diesen Zweck geeigneter bekannter Weise ausgeführt werden. Im allgemeinen sind insbesondere für die Hauptkathoden indirekt geheizte Ausführungen aus mehreren Gründen zu bevorzugen, nämlich wegen ihrer größeren Festigkeit gegenüber Glühdrahtkathoden und wegen ihrer größeren Freiheit von Mikrophonstörungen. Außerdem besteht bei Wechselstromheizung eine geringere Brummgefahr und eine größere Emissionsstromstärke.

Die erfindungsgemäße Röhre kann in beliebiger geeigneter bekannter Weise hergestellt und mit einer Gasfüllung versehen werden. Dabei kann man jedes geeignete Gas oder jede geeignete Gasmischung verwenden. Der Gasdruck muß dabei so gewählt werden, daß eine selbständige Ionenentladung ermöglicht wird. Einige gemäß der Erfindung ausgeführte Röhren haben mit einer Heliumfüllung von etwa 750 Mikron befriedigend gearbeitet. Man kann jedoch auch andere Gase und andere Drucke benutzen, d. h. Gasdrucke, welche zwischen 100 Mikron und einigen Millimetern Quecksilberdruck liegen.

Die Fig. 3 zeigt eine Schaltung, welche für die Benutzung einer gasgefüllten Röhre nach Fig. 1 und 2 geeignet ist. Das Potential der geschlitzten

Anode i8 wird positiv gegenüber der Hilfskathode 16 gewählt, aber nicht so stark positiv, daß eine Ionisierung zwischen diesen beiden Elektroden eintritt.

Ein gewisser Anteil der Elektronen, welche von der Hilfskathode 16 zur Anode 18 wandern, tritt durch den Schlitz 20 hindurch und kommt in die Nähe derjenigen Elektroden, zwischen denen der Laststrom oder Nutzstrom übergeht. Da die sogenannte Hilfsdreipolentladungsstrecke mit einer so niedrigen Anodenspannung, daß keine Ionisierung auftritt, betrieben wird, zeigt sie das Verhalten einer Hochvakuumröhre und nicht einer Gasröhre. Dies bedeutet, daß man mit ihrem Steuergitter den Anodenstrom innerhalb eines erheblichen Bereichs linear steuern kann.

In Fig. 3 sind zwei Gleichspannungsquellen enthalten, und zwar eine Quelle niedrigerer Spannung 30 und eine Quelle höherer Spannung 31. Die Gleich-

ao Spannungsquelle 30 hat den Zweck, die kleine Potentialdifferenz zu liefern, welche zwischen den Kathoden 12 und 13 einerseits und den den Hauptstrom führenden Elektroden andererseits, nämlich dem Beschleunigungsgitter 15 und der Hauptanode 14 liegen muß. Die Spannungsquelle 30 kann aus einer Reihe von Trockenelementen von 1V2 Volt in Serienparallelschaltung, aus einem Akkumulator oder aus einer anderen genügend hoch belastbaren Spannungsquelle bestehen. Sie muß nämlich nicht nur eine ausreichende Spannung liefern, sondern dem Verbraucher 37 auch einen Signalstrom zuführen können, der 1 oder mehrere Ampere beträgt. Die Spannungsquelle 31 muß jedoch eine verhältnismäßig viel höhere Spannung besitzen, braucht aber nicht ununterbrochen hohe Gleichströme liefern zu können. Die Spannungsquelle 31 dient vielmehr hauptsächlich zur Speisung der ionisierenden Entladung und außerdem zur Lieferung einer Reihe von verschiedenen Spannungen. Diese Spannungsquelle 31 besteht aus einer Batterie 32, die eine merklich größere Spannung besitzt als sie zur Ionisierung der Gasfüllung der Röhre 10 nötig ist, und liegt an einem Spannungsteiler 33 mit einer Reihe von verstellbaren Anschlußklemmen. Eine Erdverbindung 34 ist an einer solchen Stelle der Spannungsquelle 31 angebracht, daß sowohl eine negative Vorspannung für das Gitter 17 als auch eine Reihe von einstellbaren positiven Spannungen abgenommen werden kann. Die Vorspannung des Gitters 17 ist so gewählt, daß die Hilfsentladungsstrecke wie ein A-Verstärker arbeiten kann, und es wird ferner dem Gitter 17 beispielsweise über einen Transformator 36 noch ein Eingangssignal von einer Signal quelle 35 zugeführt.

Alle einen höheren Strom führenden Elektroden, d. h. die beiden Hauptkathoden 12 und 13, die Hauptanode 14 und das Beschleunigungsgitter 15 können zusammen als eine beschleunigende Endanode für die ionisierende Entladung angesehen werden. Dementsprechend werden alle diese Elektroden zusammen verhältnismäßig stark positiv vorgespannt, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Das Schirmgitter 29 erhält ein Potential, welches zwischen demjenigen der Hilfsanode 18 und der Hilfskathode 16 liegt. Der Grund für diese Wahl der Schirmgitterspannung geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Im Betrieb der Röhre 10 soll eine Wanderung von Ionen aus dem rechten Teil der Röhre durch den Schlitz 20 in den Raum zwischen den Hilfselektroden verhindert werden, da ihre Anwesenheit dort die Hilfsentladung beeinträchtigen könnte. Aus diesem Grunde werden für die positiven Ionen zwei Potentialfallen vorgesehen, aus denen sie kaum in die Hilfsdreipolentladungsstrecke eintreten können. Die erste dieser Potentialfallen kann an der geschlitzten Anode 18 dadurch gebildet werden, daß man das Potential des Schirmgitters 29 zwischen dasjenige der Hilfskathode und dasjenige der geschlitzten Anode 18 legt. Wenn also Elektronen durch den Spalt 20 mit Geschwindigkeiten hindurchtreten, die zu niedrig sind, um eine Ionisierung hervorzurufen, werden sie durch den Schirm 29 verzögert, aber nicht vollständig abgebremst, so daß sie rechts vom Schirmgitter 29 langsamer sind als links desselben. Die nächste Elektrode im Wege dieser Elektronen ist das Beschleunigungsgitter 15, welches auf einer etwas höheren Spannung liegt als auf dem Ionisierungspotential der Gasfüllung G. Bei dieser Anordnung werden wenigstens einige der sich dem Beschleunigungsgitter 15 nähernden Elektronen vor der Erreichung dieses Gitters ionisierende Zusammenstöße erfahren, d. h. links vom Gitter 15 in Fig. 3 bilden sich positive Ionen. Eine Bewegung dieser Ionen nach links wird jedoch dadurch begrenzt, daß diese Ionen größtenteils sich in der Potentialfalle des Schirmgitters 29 fangen. Die Trägheit einiger Ionen ist natürlich groß genug, um sie bis auf die Hilfsanode 18 durchtreten zu lassen. Jedoch wird ein großer Teil dieser Ionen einen merklichen Bruchteil seiner Energie beim Zusammenstoß mit Gasatomen verlieren. Von den Ionen, die bis zur Hilfsanode 18 gelangen, wird aber wiederum der größte Teil durch Aufprall auf die festen Teile der Anode 18 abgebremst, so daß nur ein verschwindend kleiner Teil durch den Schlitz 20 hindurchtritt. Die langsameren Ionen werden Schwingungsbewegungen um das Schirmgitter 29 herum ausführen, so daß sie also in der Ionenfalle gefangen bleiben, um schließlich auf das Schirmgitter selbst aufzutreffen und dort neutralisiert zu werden. Der größte Teil der ionisierenden Zusammenstöße findet in der zweiten Potentialfalle statt, d. h. rechts vom Beschleunigungsgitter 15, wo demnach ein dichtes Plasma gebildet wird. In diesem Plasmagebiet ist der größte Teil der durch Thermoemission gebildeten Elektronen vorhanden. Die Elektronenquelle für diese Thermoemission besteht bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus den indirekt geheizten Kathoden 12 iao und 13. Die Hauptanode 14 liegt rechts von diesen Kathoden. Sie kann ebenso vorgespannt werden, wie das Beschleunigungsgitter 15, während die beiden Kathoden 12 und 13 ein um einige Volt niedrigeres Potential erhalten, d. h. ein Potential, welches etwas unterhalb des Potentials der Elek-

troden 14 und 15 liegt. Hierdurch wird die zweite Potentialfalle zwischen dem Beschleunigungsgitter 15 und der Hauptanode 14 gebildet, in welcher sich die meisten positiven Ionen fangen. Während des Betriebs der Röhre wird der aus dem Schlitz 20 austretende Elektronenstrom durch das Gitter 17 mit der Signalspannung moduliert.

Die Röhre in Fig. 1 und 2 kann auch so abgeändert werden, daß sie im Gegentakt betrieben werden kann. Zu diesem Zweck wird die Abschirmung 19 auf der linken Seite durchbohrt, und es wird links von der Hilfskathode 16 jeweils eine weitere Elektrode 17, 18, 29, 15, 12, 13 und 14 angebracht, wie sie in der Zeichnung rechts von der Hilfskathode 16 dargestellt sind. Die ganze Anordnung umfaßt bei Gegentaktbetrieb dann also zwei Dreipolhilisentladungsstrecken, von denen jede ihr eigenes Steuergitter und ihre eigene geschlitzte Anode besitzt, jedoch beide Hilfsentladungsstrecken unter Benutzung derselben Kathode arbeiten.

Bei der bisher beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind bestimmte Elektroden, nämlich die Elektroden 12, 13, 14 und 15, dem Laststromverlauf und dem Hilfsentladungsweg gemeinsam. Diese Elektroden arbeiten nämlich zusammen als Anode für die Hilfsentladung. Jedoch ist es durchaus möglich, eine getrennte Anode als Sammelelektrode für die Elektronen der Hilfsentladung zu benutzen, und es ist ebenfalls möglich, getrennte Elektroden zur Bildung der Potentialfallen längs der Entladungsbahn vorzusehen. Man könnte eine derartige Anordnung so ausbilden, daß der Hauptentladungsweg und der Hilfsentladungsweg einander kreuzen, wobei der ganze Hauptentladungsweg in demjenigen Bereich der Hilfsentladung liegt, in dem eine große Ionendichte auftritt. Es ist auch denkbar, den Hilfsentladungsweg neben dem Hauptentladungsweg verlaufen zu lassen, so daß die ionisierten Gase von dem einen in den anderen hinüberdiffundieren können.

Claims (7)

1. Patentansprüche:
2. i. Gasentladungsröhre mit einem abgeschmolzenen Kolben, welcher eine Gasfüllung, eine Hauptkathode und eine Hauptanode zur Erzeugung eines Hauptstromes oder Laststromes durch die Röhre enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfskathode mit begrenzter Raumladung eine ionisierende Elektronenentladung erzeugt zum Zwecke, ein leitfähiges Plasma zwischen der Hauptkathode und der Hauptanode zu bilden, und daß in der Nähe der Hilfskathode ein Steuergitter zur Steuerung der ionisierenden Entladung und daher zur Beeinflussung der Plasmadichte vorhanden ist. 2. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode mit begrenzter Raumladung so angeordnet ist, daß eine ionisierende Elektronenentladung längs eines Entladungsweges erzeugt wird, welcher einen Teil des Laststromes enthält oder nahe benachbart zu einem Teil dieses Laststromes verläuft, jedoch nicht über seine ganze Länge 6g mit diesem Laststromweg zusammenfällt, zum Zwecke, die ionisierende Entladung die Hauptkathode umspülen zu lassen und sich über die ganze Länge des Hauptstromweges zu erstrecken.
3. 3. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ionenfangeinrichtungen an einer von der Hilfskathode entfernten Stelle vorgesehen sind und sich über einen Teil der Bahn der ionisierenden Entladung erstrecken, zum Zwecke, einen Eintritt eines erheblichen Teiles der gefangenen Ionen in den Raum zwischen der Hilfskathode und dem Steuergitter zu verhindern.
4. 4. Gasentladungsröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenfangeinrichtungen eine Elektrode auf niedrigem Potential zur Bildung einer Ionenfalle an einer von der Hilfskathode entfernten Stelle der Hilfsentladungsbahn enthalten.
5. 5. Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenfangeinrichtung außerdem eine erste Beschleunigungselektrode zwischen dem Steuergitter und der erwähnten Elektrode niedrigen Potentials enthält, daß diese erste Beschleunigungselektrode Elektronen aus der Raumladung der Hilfskathode herauszieht und sie durch die Elektrode niedrigen Potentials hindurchbefördert und daß eine weitere Beschleunigungselektrode auf der von der ersten Beschleunigungselektrode abgewandten Seite der Elektrode niedrigen Potentials vorhanden ist, sowie daß diese weitere Elektrode Elektronen aus der Umgebung der Elektrode niedrigen Potentials in den Hauptentladungsweg mit solchen Geschwindigkeiten hineinbefördert, bei welchen eine Ionisierung auftreten kann.
6. 6. Gasentladungsröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beschleunigungselektrode aus einer geschlitzten Anode besteht.
7. 7. Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hauptkathode und der Hauptanode eine Spannung liegt, die niedriger ist als das Ionisierungspotential und daß eine durchbohrte Beschleunigungselektrode zwischen dem Steuergitter und dem Hauptentladungsstromweg vorhanden ist, wobei dieses Gitter und die durchbohrte Elektrode gegenüber der Hilfskathode um weniger als das Ionisierungspotential vorgespannt sind und eine Beschleunigungselektrode zwischen der durchbohrten Beschleunigungselektrode und dem Hauptstromweg dazu dient, Elektronen aus der Hilfskathode auf Ionisierungsspannungen in der Nähe der Hauptkathode zu beschleunigen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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