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Gasgefüllte elektrische Kaltkathodenentladungsröhre mit mehreren Entladungsstrecken
Die Erfindung befaßt sich mit elektrischen Kaltkathodenentladungsröhren. Hierunter
werden im allgemeinen Einrichtungen mit einer mit ionisierbarem Gas reduzierten
Druckes gefüllten Umhüllung verstanden, welche eine oder mehrere Entladungsstrecken
enthalten, die entsprechend ihren Längen und sonstigen Dimensionen als Glimmentladungsstrecken
(im Gegensatz zur Bogen- oder Funkenentladung) wirken.
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Es ist nun bekannt, daß bei einer Kaltkathodenentladung die Brennspannung
im allgemeinen unter dem zur Zündung der Entladung (Zündspannung) notwendigen Wert
bleibt, solange die Glimmentladung nicht die gesamte vorgesehene Kathodenfläche
bedeckt. In diesem Fall wird die Entladung als normal bezeichnet. Wird dagegen die
ganze Kathodenfläche von der Glimmentladung bedeckt, so beginnt die sogenannte anomale
Entladung mit einem entsprechenden Spannungsanstieg, wobei diese Spannung mehr als
proportional zu dem Anstieg des Kathodenstromes wächst, bis schließlich eine Bogenentladung
eintritt. Für viele Anwendungsfälle wird gefordert, daß die normale Entladung irgendeiner
bestimmten Kathode auf eine vorgeschriebene Fläche begrenzt ist. Dies ist insbesondere
der Fall bei Folgeentladungsröhren. Eine derartige Einrichtung sieht eine Vielzahl
von Kathoden mit einer oder mehreren zugehörigen Anoden vor. Diese sind so eingerichtet,
daß durch die Ionisation, die bei Glimmentladung irgendeiner Strecke eintritt, die
Zündspannung der benachbarten Strecke herabgesetzt wird. Werden über alle
Strecken
Spannungsimpulse angelegt, so werden sich also die Entladungen nacheinander von
Kathode zu Kathode fortsetzen.
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Zum Zweck der befriedigenden Wirkungsweise einer solchen beispielsweise
als Zähler dienenden Röhre wird vorgezogen, im Gebiet der anomalen Glimmentladung,
jedoch weit unterhalb des Gebietes der Bogenentladung zu arbeiten. Aus diesem Grund
haben die Kathoden nur eine kleine Fläche. Ferner sind zu diesem Zweck Nickelstangen
mit Aluminium oder sonst einem die Entladung verhindernden Stoff bedeckt mit Ausnahme
einer kleinen Fläche, die die geforderte Kathodenfläche darstellt und unmittelbar
der Anode gegenübersteht. Ein Nachteil einer derartigen Bedeckung besteht darin,
daß das den Entladungsansatz verhindernde Material an den Rändern der Entladungsfläche
sich während des Betriebs der Röhre zu verändern neigt. Weiterhin bewirkt die Zerstäubung
des leitenden Materials auf der von Glimmbedeckung frei zu haltenden Fläche ein
allmähliches Anwachsen der wirksamen Kathodenoberfläche, wodurch eine unstabile
Wirkungsweise der Röhre hervorgerufen wird.
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In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß es für Folgeentladungsröhren
sehr vorteilhaft ist, gleiche Materialien, im allgemeinen reines Metall, sowohl
für Kathode als auch für Anode zu verwenden. Ferner hat es sich als notwendig erwiesen,
auf die Reinheit des Füllgases und die Sauberkeit der anderen in die Röhre eingeführten
Stoffe größte Sorgfalt zu verwenden. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß bei solchen
Röhren, bei denen also Anode und Kathode aus dem gleichen Material bestehen, völlig
verschiedene Arbeitsbedingungen erzielt werden, wenn diese Elektroden in der Schaltung
vertauscht werden, denn wenn nur die Anodenoberfläche in ihrer Ausdehnung begrenzt
ist, kann das Kathodenglimmlicht während der normalen Glimmentladung über die ganze
Fläche der Kathode wandern, wodurch eine undefinierte Ionisationskopplung zwischen
den Strecken hervorgerufen wird.
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Ist eine Kathode von einem den Entladungsansatz an unerwünschten Stellen
verhindernden Material, etwa Glimmer oder Metall, umgeben, aber von diesem derart
getrennt, daß der Abstand zwischen der Elektrode und diesem Material kleiner ist
als die Ausdehnung des Kathodenfalls, so wird die Glimmentladung, wie festgestellt
wurde, nicht zwischen Elektrode und umgebenden Material hindurchtreten, solange
keine anomale Entladung eingesetzt hat. Aber auch nach dem Beginn der anomalen Glimmentladung
bleibt die Beschränkung der Glimmentladung in ihrer Flächenausdehnung für einen
gewissen Bereich der Entladungscharakteristik der Strecke aufrechterhalten.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nicht zu verwechseln
mit dem Vorgang, der in Gleichrichterröhren zur Vermeidung von Rückzündungen zwischen
Leitern während der Sperrspannungsspitzen ausgenutzt wird. Es ist lange bekannt,
daß der Durchbruch der Strecke zwischen zwei Leitern verhindert wird, wenn diese
sich in einem ionisierbaren Gas befinden in einem Abstand. der kleiner ist als die
freie Weglänge eines Elektrons. Für eine typische Gasmischung, wie sie in den Einrichtungen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beträgt die freie Weglänge nur o,oo8
mm, und es ist unpraktisch, derartig kleine Abstände für den vorliegenden Zweck
zu verwenden. Anderseits sind Abstände in der Größenordnung der Länge des Kathodenfalls
(in. dem gleichen Gas o,18 mm) praktisch verwendbar.
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Die Erfindung schlägt deswegen eine elektrische gasgefüllte Kaltkathodenröhre
mit mindestens einer Entladungsstrecke zwischen einer Kathode und einer Anode vor
und ist gekennzeichnet durch einen aus Isoliermaterial oder Metall bestehenden Ring,
der die Kathode ohne sie zu berühren umgibt und einen Abstand von dieser aufweist,
der einerseits größer ist als die freie Weglänge eines Elektrons in dem verwendeten
Gas, anderseits aber wenigstens für Entladungsströme, die kleiner als ein gegebener
Wert im Gebiet der anomalen Glimmentladung sind, so bemessen ist, daß die Entladung
im wesentlichen auf eine Seite dieses Ringes beschränkt ist.
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Ein solcher Ring ist meist als flache Materialscheibe um eine der
Elektroden des Elektrodenpaares einer Entladungsstrecke ausgebildet, die von der
Fläche dieser Elektrode einen Abstand aufweist, der größer ist als die freie Weglänge
eines Elektrons in dem Gas, aber kleiner als die Länge des Kathodenfalls für normale
Kathodenglimmentladüng von dieser Elektrode.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die gasgefüllte
Kaltkathodenröhre eine Vielzahl von Entladungsstrecken auf, die von getrennten Kathodenoberflächen
einerseits und wenigstens eine als Anode dienenden Elektrode anderseits gebildet
werden, und dabei ist eine die Kathodenflächen nicht berührende Scheibe aus Isoliermaterial
oder Metall neben diesen Kathodenflächen mit einem solchen Abstand von diesen angebracht;
daß eine anomale Glimmentladung eintritt und sich nicht die Kathodenglimmbedeckung
über eine vorgesehene begrenzte Fläche jeder dieser Kathodenoberflächen ausdehnt.
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Weiterhin kann die Entladungsröhre nach der Erfindung eine Anode oder
Anoden und eine Vielzahl von Kathodenstiften aufweisen, die durch die Aussparungen
einer Scheibe aus Isoliermaterial oder Metall hindurchragen, wobei der Abstand zwischen
diesen Stiften und der sie umgebenden Scheibe größer ist als die freie Weglänge
eines Elektrons in dem Gas, aber kleiner als die Ausdehnung des normalen Kathodenfalls
in jeder dieser Entladungsstrecken.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, die eine beispielsweise
Ausführung dieser Erfindung darstellen, näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Entladungsstrecke nach der
Erfindung und Fig. a eine Entladungsröhre des Folgeentladungstyps entsprechend der
vorliegenden Erfindung.
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In einigen Standardbüchern (beispielsweise von L. B. Loeb, »The Fundamental
Processes of Electrical Discharge through Gases«.) ist die Länge des
Kathodendunkelraumes
für verschiedene Gase angegeben. Sie kann auch erhalten werden aus der Kurve, die
das Verhältnis zwischen dem Produkt aus Gasdruck und Streckenlänge und der minimalen
Zündspannung für bestimmte Gase aufzeigt. Eine derartige Kurve gibt den Zusammenhang
zwischen dem Minimalwert des Produktes aus Druck und Streckenlänge und dem Kathodendunkelraum
an.
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In Fig. i stellt i einen Teil der Anode dar; die die Form eines Drahtes
oder einer Scheibe hat, und :2 eine Kathode, die in diesem Beispiel zylindrisch
ist. Eine Scheibe aus Metall oder Isoliermaterial, die die Kathode umgibt und entsprechend
der Erfindung die unerwünschte Ausbreitung der Entladung verhindert, ist mit 3 bezeichnet,
während die gestrichelte Linie 4 die Ausdehnung des Kathodendunkelraumes andeutet.
Auf diese Weise erhält man für eine Streckenlänge zwischen Anode und Kathode von
i mm bei Verwendung eines Gasgemisches aus 92% Ne; i % A und 7% H2 von einem Druck
von ioo mm Quecksilbersäule eine Kathodendunkelraumausdehnung von ungefähr o,183
mm um die zylindrische Kathodenfläche. Es wurde festgestellt, daß die Kathodenentladung
bei einem Abstand zwischen Kathodenfläche und der Platte 3, der kleiner ist, etwa
0,125 mm, daran gehindert wird, sich unterhalb der Platte auszudehnen, auch wenn
der Entladungsstrom Werte mitten im Bereich der anomalen Glimmentladung erreicht.
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Für höhere Werte der anomalen Glimmentladung wird der Kathodendunkelraum
kleiner, und die Entladung dehnt sich ebenfalls durch die Aussparungen aus. Dies
ist aber verhältnismäßig unwichtig, weil auch dann oberhalb der Platte noch eine
stabile Entladung erhalten wird. Auf diese Weise kann für einen Kathodenstab von
i mm Durchmesser und einer Kathoden-Anoden-Strecke von i mm Länge bei dem obenerwähnten
Ausschnittsabstand ein Strom von 7 mA von der Kathode entnommen werden, bevor die
Entladung sich beträchtlich unter die Platte ausdehnt. Es ist zu ersehen, daß die
Platte als Feldsteuerteil dient. Infolge dieser Tatsache ist, vorausgesetzt, daß
die Spannung der Platte (sofern sie aus Metall ist) kleiner ist als die Spannung,
die für die Aufrechterhaltung einer Entladung zur Kathode erforderlich ist, ihr
Einfluß auf die Wirkungsweise der Entladung zwischen Anode i und Kathode :2 vernachlässigbar,
ausgenommen für den Fall, daß sich die Glimmentladung in den Raum unterhalb der
Platte ausdehnt.
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Eine praktische Konstruktion einer Folgeentladungseinrichtung, welche
für die Verwendung als Zähler geeignet ist, zeigt Fig. 2. Die Kathodenstifte 5 sind
mittels der Einführungsdrähte 6 an einem üblichen Glaspreßformtei17 der Umhüllung8
befestigt. Eine einzige Anode 9 und eine Feldsteuerplatte io sind mit Hilfe von
Glimmerabstandsscheiben i i befestigt, die in üblicher Weise mittels Haltestäben
12 in dem Preßteil 7 befestigt sind. Es ist zu ersehen, daß nur die Spitzen der
Kathodenstäbe 5 durch die Feldsteuerplatte io hindurchragen. Bei Anwendung der Erfindung
ist es möglich, alle Materialien außer den reinen Elektrodenmetallen, Glas, Glimmer
und die notwendige Gasfüllung aus dem Innern der Entladungsröhre fernzuhalten. Als
Folge hiervon werden die Alterungserscheinungen vermindert, die Wirkungsweise stabilisiert.
Ferner führt die Kathodenzerstäubung zu nur geringer Minderung der Röhrenlebensdauer.
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Eine Röhre der Art, wie sie hier beschrieben wurde, ist zur Zählung
von i-,us-Impulsen mit 1,3 mA Strom mit einer Impulsfolgefrequenz von iokHz ununterbrochen
über mehr als 2000 Stunden verwendet worden, ohne daß irgendeine meßbare Änderung
der Charakteristik festzustellen war.