DE918647C - Gasentladungsgefaess mit Steuergitter - Google Patents

Gasentladungsgefaess mit Steuergitter

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DE918647C
DE918647C DEN1145D DEN0001145D DE918647C DE 918647 C DE918647 C DE 918647C DE N1145 D DEN1145 D DE N1145D DE N0001145 D DEN0001145 D DE N0001145D DE 918647 C DE918647 C DE 918647C
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Ing Karl Nowak
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02Details
    • H01J17/04Electrodes; Screens
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Description

  • Gasentladungsgefäß mit Steuergitter Zusatz zum Patent 912 976 Die Erfindung betrifft ein Gasentladungsgefäß mit Steuergitter nach Patent 912976 und besteht darin, daß anodenseitig vor dem Steuergitter eine mit der Kathode in leitender Verbindung stehende Vorelektrode, zweckmäßig ein massives Gitter mit für die gegebenen Betriebsbedingungen (Gasdruck) zu wesentlicher stetiger Entladungsbeeinflussung ungeeigneter (größerer) Maschenweite, angeordnet ist, welche vorteilhaft gegenüber dem umgebenden Entladungsraum stärker oder mindestens annähernd gleich stark negativ ist wie das Steuergitter.
  • Wie im Hauptpatent beschrieben, ist mittels geeignet ausgebildeten und angeordneten Steuergitters eine kontinuierliche Beherrschung einer Gasentladung auch hoher Gas- bzw. Stromdichte möglich, indem durch ein gegenüber dem umgebenden Entladungsraum negatives Gitterpotential der Entladungsstrom weitgehend beeinflußbar (der bei der minimalen Brennspannung auftretende Vollaststrom verminderbar) ist.
  • Bei der Beeinflussung brennender Gasentladungen hat der Erfinder jedoch den Übelstand festgestellt, daß die Steuerung dadurch unwirksam werden kann, daß sich eine Entladung mit dem Steuergitter als Kathode zwischen diesem und der Anode ausbildet, insbesondere wenn der Strom mittels des Gitters vermindert werden soll, vorzugsweise bei sehr rasch verlaufenden derartigen Stromverminderungen. Die Ursache hierfür liegt nach Ansicht des Erfinders darin, daß unter höheren Spannungsgefällen positive Ionen, die hierbei nur in geringem Maße raumladungsgebunden sind, auf das Gitter mit großer Wucht auftreffen und insbesondere an solchen Stellen, wo das Gitter durch den Stromdurchgang schon höher erhitzt ist, eine thermische Emission auslösen, so daß eine Lichtbogenansatzstelle am Gitter entsteht. Liegt ein höherer Sicherheitswiderstand im Gitterkreis, so bricht die negative Gitterspannung dadurch zusammen, und das Gitter wird positiv, d. h. die Gitterwirkung scheidet aus; außerdem wird das Gitter meist auch zerstört (es schmilzt ein Loch ins Gitternetz). Besonders zu befürchten sind solche Erscheinungen bei höheren Stromdichten (nicht allzu geringen Gasdrücken) und den dabei zweckmäßigen feinmaschigen Gitternetzen. Feinmaschige Gitter, die hohe Stromdichten zu beherrschen und insbesondere große Steilheiten der Einwirkung zu erzielen gestatten, wirken insofern diesbezüglich nachteilig, als einerseits der dünne Draht solcher Gitternetze sich leichter erhitzt und auch leichter abbrennt, andererseits auch eher Ungleichmäßigkeiten im Gitternetz bestehen (es sind untereinander ungleiche Maschenweiten in verhältnismäßig höherem Maße zu erwarten), wodurch sich die Entladung ungleichmäßig verteilt, d. h. auf Stellen größerer Maschenweite stärker konzentriert und dort stärker erhitzend wirkt, wodurch die vorgenannten Verhältnisse begünstigt werden. In besonderem Maße machen sich übrigens alle diese Übelstände bei Röhren für Wechselstrombetrieb bemerkbar, wo das Gitter in einer Halbwelle infolge dann positiven Potentials eine der Anode ähnliche Wirkung besitzt.
  • Der Erfinder hat nun gefunden, daß dieser Übelstand dadurch wesentlich zu bekämpfen ist, daß anodenseitig vom Steuergitter, zweckmäßig möglichst in der Nähe desselben, eine Elektrode angeordnet wird, die stets ein stärkeres oder mindestens gleich starkes negatives Potential besitzt wie die Steuerelektrode: Man sollte nun zunächst glauben, daß eine solche Elektrode eineu durch Erhitzung erfolgenden Bogenansatz am Steuergitter nicht verhindern könnte. Tatsächlich ist jedoch eine solche Wirkung gegeben, indem nämlich offenbar schon primär diese Erhitzungswirkung dadurch gemildert wird, daß das größte Potentialgefälle stets zwischen der Anode und dieser Hilfselektrode liegt. Durch zweckmäßige Ausbildung der Hilfselektrode ist ein sehr weitgehender Schutz des Steuergitters erzielbar.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch veranschaulicht. Es zeigt die Fig. i ein Prinzipschema des Erfindungsgegenstandes, Fig. 2 eine Ausführungsform mit gitterförmiger Vorelektrode und Spannungsabgriff von einem Kathodenwiderstand, Fig. 3 einen mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehenen Wechselrichter, etwa für Energiel übertragung mittels hochgespanntem Gleichstrom; in der Fig. q. ist eine weitere Schaltungsart der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, bei der die Spannung der Vorelektrode vom Steuerkreis geliefert wird, in der F ig. 5 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines etwa für Beleuchtungszwecke dienenden, in beiden Richtungen leitenden Entladungsgefäßes (Leuchtröhre od. dgl.) für Wechselstrombetrieb; die Fig. 6 zeigt halbschematisch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Stromrichtergefäß, die Fig. 7 und 8 besondere Ausführungsformen der Vorelektrode und die Fig. g ein mit einer weiteren besonderen Ausführungsform der Vorelektrode versehenes Entladungsgefäß in schematischer Darstellung.
  • In der Fig. i ist mit 16o ein Gasentladungsgefäß bezeichnet, das eine Anode, eine Kathode, ein zwischengelegenes Steuergitter und eine anodenseitig des Steuergitters angeordnete Hilfselektrode enthält. An das Steuergitter ist eine Steuerspannung E5, zweckmäßig in Verbindung mit einer von der Spannungsquelle 161 gelieferten Vorspannung, gelegt. Die Vorelektrode erhält zweckmäßig ein von der Spannungsquelle 162 geliefertes Potential, das vorteilhaft so hoch ist, daß dieselbe auch beim höchsten während des Steuervorganges auftretenden negativen Steuergitterpotential negativer oder mindestens gleich stark negativ ist wie das Steuergitter, dies je relativ zum Potential des umgebenden Entladungsraumes dieser beiden Elektroden oder zweckmäßig auch relativ zur Kathode (der Entladungsraum in der Umgebung der Vorelektrode ist ja positiver als in der Umgebung des Steuergitters).
  • Die Steuerelektrode liegt zweckmäßig, wie im Hauptpatent beschrieben, in den kathodischen Entladungsteilen einer zwischen Kathode und Anode übergehenden selbständigen oder halbselbständigen, insbesondere lichtbogenartigen Gasentladung (im negativen Glimmlicht oder Faradayschen Dunkelraum, insbesondere in dem zwischenliegenden Grenzgebiet dieser Entladungsteile, bezogen zweckmäßig auf die noch unbeeinflußte Entladung, d. h. bei unangeschlossener Steuerelektrode oder insbesondere dem umgebenden Entladungsraum entsprechendem Potential derselben), vorzugsweise vor einer Glühkathode; sie ist dabei zweckmäßig feinmaschig ausgebildet (Gittermaschenweite in der Größenordnung des Langmuirschen Dunkelraumes um die Gitterelektrode beim gegebenen Gasdruck, offenbar zweckmäßig bei den in Frage kommenden Gitterspannungen gleich oder kleiner als dieser). Der Druck der Gasfüllung der Gefäße besitzt etwa die bei Stromrichtern od. dgl. üblichen Werte, liegt z. B. für eine Edelgasfüllung in der Größenordnung einiger Torr, etwa zwischen o,i bis 3o Torr, insbesondere zwischen i und io Torr; für eine Quecksilberdampffüllung beispielsweise in der Größenordnung io-s bis io-2 Torr. Auch für eine Edel-"asfüllung kann nach den Feststellungen des Erfinders der Gasdruck um so höher gewählt werden, je leichter das Füllgas ist. Die Maschenweite des Steuergitters in Millimetern wird vorteilhaft in der Größenordnung einiger Zehntelmillimeter gewählt; beispielsweise haben sich praktische Ausführungen .mit folgenden Gitternetzen vorzugsweise gut bewährt: zehnMaschen je Zentimeter aus Draht mit 0,25 mm Durchmesser (Maschenweite o,75 mm), fünfzehn Maschen je Zentimeter aus Draht von o,2 mm Durchmesser (Maschenweite 0,5 mm), fünfundzwanzig Maschen je Zentimeter aus Draht von o,i5 mm Durchmesser (Maschenweite 0,25 mm), vierzig Maschen je Zentimeter aus Draht von 0,1 mm Durchmesser (Maschenweite o,i5 mm) aus Nickel, Nickeleisen oder vorzugsweise, insbesondere für die feineren Netze, Molybdän oder Wolfram. Besonders bewährt hat sich eine Form des Steuergitters, bestehend aus einem Gewebe aufeinander senkrechter Stäbe verschiedener Stärke und verschiedenen Abstandes, und zwar stärkeren Stäben und senkrecht dazu in diese geflochtenen dünneren Drähten, wobei letztere einen größeren gegenseitigen Abstand (Maschenweite) besitzen als die stärkeren Stäbe; bei zylindrischen Gittern bilden dabei die stärkeren Stäbe zweckmäßig die Erzeugenden des Gitterzylinders. Das Steuergitter kann jedoch auch, wie vorgenannt, als gleichmäßiges Gewebe (überall gleiche Drahtstärke und Maschenweite) ausgeführt sein.
  • Steuergitter undVorelektrode liegenzweckmäßig der Anode so nahe, daß an denselben eine Glimmentladung nicht zünden kann mangels Raumes -für die kathodischen Entladungsteile derselben.
  • Ohne Einwirkung des Steuergitters, solange dieses nicht negativ gegenüber dem Potential des umgebenden Entladungsraumes ist, besitzt das Entladungsgefäß seine Ruhebrennspannung, z. B. io bis 20 Volt, und es fließt etwa der durch einen Vorschaltwiderstand od. dgl. eingestellte Vollaststrom (dies z. B. bei einem Gefäß für Verstärkerzveclce usw., bei einem Netzventil natürlich der vom Verbraucher bestimmte momentane Belastungsstrom). Wird nun das Steuergitter fortschreitend negativer gemacht, so steigt der innere Widerstand des Gefäßes, was sich in einer gegenläufigen Veränderung von Brennspannung und Gefäßstrom (die Brennspannung steigt, und im gleichen Maße fällt der Belastungsstrom, der sich aus der Differenz von Betriebs- und Brennspannung, gebrochen durch den äußeren Widerstand des Stromkreises, ergibt) äußert. Die Brennspannungssteigerung (das zusätzliche Spannungsgefälle) liegt dabei nach den Feststellungen des Erfinders im wesentlichen zwischen Steuergitter und Anode. Bei einem bestimmten Brennspannungswert würde eine Glimmentladung mit dem Steuergitter als Kathode und der Anode zünden. Steuergitter und Vorelektrode werden jedoch, wie vorerwähnt, zweckmäßig so angebracht, daß dies nicht möglich ist. Indessen fliegen nichtsdestoweniger auch dann positive Ionen in dem zunehmenden Spannungsgefälle kathodenwärts, und es ist die Aufgabe der Vorelektrode, diese möglichst an sich zu ziehen und dadurch vom Steuergitter abzuhalten. Da die Vorelektrode keinen Steueraufgaben dient, kann sie leicht derart massiv ausgebildet werden, daß infolge guter Wärmeableitung sich Lichtbogenansätze auf Grund örtlicher thermischer Prozesse schwerlich entwickeln können. Ist dieselbe, wie in Fig. i angedeutet, etwa als einfacher Stab, Platte od. dgl. ausgebildet, so ist es zweckmäßig, wenn sie in einiger, nicht zu geringer Entfernung vor dem Steuergitter angeordnet ist. Als Material für die Vorelektrode kann z. B. Nickeldraht in einer Stärke von i bis 1,5 mm, wie üblicherweise für Elektrodenhalterung benutzbar, Verwendung finden, der etwa auch in einer Ebene spiral- oder wellenförmig usw. gebogen werden kann, also dann eine Art Gitterfläche bildet. Die Vorelektrode kann aber auch eine größere Tiefenausdehnung besitzen, etwa können Vorelektroden formen, wie vorgenannt, statt aus einfachem Draht auch aus Drahtwendeln geformt sein. Gemäß Fig. i ist im Steuerkreis nochein Sicherheitswiderstand 163 vorgesehen.
  • Gemäß Fig.2 ist in einem Gasentladungsgefäß 164 anodenseitig vor dem Steuergitter eine gitterförmige Vorelektrode angebracht. Die Gitterform hat jedoch hier nicht den Zweck, die Brennspannung oder den Strom des Gefäßes zu beeinflussen, d. h. einen Steuereinfluß auszuüben; sondern soll lediglich das Steuergitter gegen die Entladungseinwirkung abschirmen. Es handelt sich hier aber nicht um eine statische Abschirmung, sondern um eine neue Schutzwirkung, nämlich die Abschirmung gegen dynamische Einwirkung der positiven Ionen der Entladung. Das Vorgitter ist demzufolge mit relativ großen Gittermaschenweiten ausgeführt, die mehrfach, etwa mehr als doppelt, zweckmäßig zwei- bis fünffach, insbesondere bis zehnfach und mehr, größer sind als die Maschenweiten des Steuergitters, und desgleichen auch mit entsprechenden Gitterstabstärken, die in einem zweckmäßig gleichen oder ähnlichen Verhältnis, wie vorgenannt für die Maschenweiten angeführt, zu den Steuergitterdrahtstärken stehen. Beispielsweise besteht eine praktische Ausführung des Vorgitters aus parallelen Stäben (Rostgitter) von etwa o,8 bis i mm Durchmesser, die in ähnlichem oder etwas größerem gegenseitigem Abstand angeordnet (Maschenweite z. B. i bis 1,5 mm) und zweckmäßig beiderseits in massiven Halterungen befestigt sind. Der Abstand einer genannten gitterförmigen Vorelektrode vom Steuergitter ist zweckmäßig gering, wodurch die Schutzwirkung derselben gesteigert werden kann, offenbar, weil sodann fast alle positiven Ionen, die nicht raumladungsgebunden sind, von dieser Hilfselektrode abgefangen werden. Auch der Steuergitterstrom (Steuerleistung) ist nach den Feststellungen des Erfinders dadurch verminderbar, und die normale Gitterzerstäubung der Entladungseinwirkung wird verringert, beides sowohl durch Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorelektrode an sich als insbesondere auch bei entsprechender Anordnung und Ausbildung derselben. Die Steuergittervorspannung und Spannung für die Vorelektrode werden in der Fig. 2, welche Anordnung etwa für Verstärkerzwecke dient, von einem Kathodenwiderstand 165, zweckmäßig unter Benutzung von Glättungskondensatoren 166 und 167, abgenommen.
  • Die Fig.3 zeigt die Anwendung der Erfindung an einem Wechselrichter z. B. für die Verwendung bei einer Energieübertragung mittels hochgespanntem Gleichstrom oder für ähnliche Zwecke. Es bezeichnet EH= die Speiseglechspannungsquelle, 97 die Zuführungsleitung, 99 die Primär- und rot die Sekundärwicklung eines Ausgangsleistungsübertragers, von dem die Wechselspannung EN- abgenommen werden kann, ior den taktgebenden Schwingungskreis. Das verwendete Gasentladungsgefäß 168 ist reit mehreren zusammenwirkenden Steuergittern ausgestattet, wie es für die Beherrschung hoher Spannungen zweckmäßig ist; die Steuergitteranordnung erhält von einem Abgriff der Spannungsquelle 169 eine geeignete negative Vorspannung, die volle Spannung der letzteren wird jedoch, zweckmäßig über einen Sicherheitswiderstand z7o (Strombegrenzungswiderstand), einer zweckmäßig gitterförmigen Vorelektrode der Röhre 168 zugeführt, so daß diese stets stärker oder mindestens ähnlich stark negativ ist wie das Steuergitter. Sie schützt das letzte anodenseitige Gitter der Steuergitteranordnung und damit im wesentlichen diese als Ganzes. Gerade für höhere Betriebsspannungen ist die erfindungsgemäße Maßnahme besonders wichtig, da hier die eingangs geschilderten Übelstände in besonderem Maße zu befürchten sind.
  • In der Fig. q: ist eine Anordnung dargestellt, bei weicher der Vorelektrode eine stets höhere Spannung wie dem Steuergitter dadurch erteilt wird, daß dieselbe von der Steuerspannung mit beeinflußt wird. Der Vorelektrode wird die volle, an der Sekundärwicklung eines Wandlers 177 auftretende Spannung zugeführt, dem Steuergitter jedoch nur ein Teil derselben. Eine wesentliche zusätzliche Steuerungswirkung tritt dadurch natürlich, mit Rücksicht auf die nach völlig anderen Gesichtspunkten wie beim Steuergitter erfolgende konstruktive Gestaltung der Vorelektrode, in der Regel nicht auf und wird auch nicht angestrebt. Auch hat die Schaltung den Nachteil, daß die in die Vorelektrode einfließenden Ionenströme den Wirkungsgrad der Steuerung verschlechtern (höhere Steuerleistung erforderlich).
  • Die Fig:5 zeigt ein röhrenförmiges Gasentladungsgefäß, etwa für Beleuchtungszwecke, mit zwei Glühkathoden für Wechselstrombetrieb mit Stromdurchgang in beiden Richtungen ausgebildet (Leuchtröhre höherer Leistung) und zur Erzielung einer steigenden Charakteristik mittels Steuergitter, wobei die erfindungsgemäße Maßnahme ebenfalls mit Vorteil zur Anwendung gelangt. Es sind mit 2 die Glühkathoden und mit 7 die beeinflussenden Steuergitter bezeichnet. Von Kathodenwiderständen 38 werden, etwa über Widerstände 37, die Stabilisierungsspannungen für die Steuer- '' gitter abgenommen, wodurch auch ein direkter Netzbetrieb des Entladungsgefäßes möglich wird. Vor den Steuergittern 7 ist jeweils eine Torelektrode F angebracht, zweckmäßig gitterförmig ausgebildet, welcher je über einen Widerstand 170 ein das Steuergitterpotential übersteigendes negatives Potential erteilt wird. Die brennende Entladung wird dadurch zwar nicht wesentlich beeinflußt, wie dies auch nicht beabsichtigt ist, wohl aber werden die Steuergitter dadurch wesentlich geschützt. Da die Vorelektrode durch den Spannungsabfall am Widerstand 38 ihr negatives Potential erhält, d. h. vor Zündung Kathodenpotential besitzt, behindert sie auch den Entladungseinsatz nicht merklich. Neben der schon eingangs geschilderten Funktion der Vorelektrode F besteht hier noch eine weitere günstige Wirkung derselben insofern, als nämlich ohne diese Vorelektrode jeweils das Steuergitter 7 in der einen Halbwelle als Anode wirken würde und der sich zumeist ungleichmäßig ansetzende Anodenfall besonders gute Vorbedingungen für das Ansetzen einer Bogenkathodenstelle am Steuergitter in der Wirkphase schaffen würde. So setzt jedoch der Anodenfall jeweils im wesentlichen an der Vorelektrode F an, was wegen deren massiverer Konstruktion ungefährlich ist; die Widerstände 170 werden auch aus diesem Grunde zweckmäßig relativ gering, die Widerstände 37 wesentlich höher gewählt, und es können die Verhältnisse gegebenenfalls mit Vorteil so gewählt werden, daß praktisch der gesamte Strom in der einen Phase von der als Anode wirkenden Vorelektrode aufgenommen wird. Auch ein Ansetzen einer Glimmentladung am Steuergitter, das wegen der hier größeren Entfernung der Elektroden in Frage kommen könnte, ist durch die Vorelektrode F vermeidbar, indem die Glimmentladung wegen des stärker negativen Potentials der Vorelektrode und geringen Vorschaltwiderstandes 170 im wesentlichen an der Vorelektrode ansetzen würde. Im vorliegenden Fall kann es auch wieder zweckmäßig sein, den Abstand von Steuergitter und Vorelektrode etwas größer zu wählen.
  • Was ganz allgemein die konstruktive Anbringungsart der Vorelektrode des Erfindungsgegenstandes an sich betrifft, so kann dieselbe etwa ähnlich einem Steuergitter behandelt werden, insbesondere bei ihrer zweckmäßigen gitterförmigen Ausbildung. Werden mehrere Steuergitter angewendet, so folgt die Vorelektrode am einfachsten nur auf das letzte derselben (vgl. Fig. 3 der Zeichnung), gegebenenfalls kann aber natürlich auch anodenseitig zu jedem einzelnen Steuergitter eine Vorelektrode angebracht werden. Sind das oder die Steuergitter z. B. als eine zylindrische Kathode umgebende Zylindermantelflächen ausgeführt (vgl. z. B. Fig. q. des Hauptpatents), so wird die Vorelektrode etwa ebenso als entsprechend weitmaschigeres massiveres Gitter oder als entsprechende Drahtwendel, gegebenenfalls auch als zentraler, einfacher Drahtring usw., ausgebildet. Ist hingegen etwa eine topf- oder blockförmige Kathode verwendet, die von einem oder mehreren Steuergittern haubenförmig, gegebenenfalls allseitig umgeben wird (vgl. z. B. Fig. r des Hauptpatents ), so wird ebenfalls am besten eine den Steuergittern ähnliche Vorelektrodenform bei dabei entsprechend massiverer, weitmaschigerer Ausbildung der Vorelektrode gewählt.
  • Ein Gasentladungsgefäß für Stromrichterzwecke, bei dem eine besondere Anordnung der Vorelektrode angewendet ist, zeigt die Fig. 6. Das Gefäß i enthält eine auf einem Quetschfuß angeordnete Glühkathode 2 und eine getrennt von derselben im oberen Gefäßteil angebrachtekolbenförmigeAnode 3. Die Kathode 2 wird von einem Zylinder 171 insbesondere aus Metall umgeben, in welchem Steuergitter G1, G2 angebracht sind, die seine obere Öffnung abschließen; die untere Zylinderöffnung kann frei oder gegebenenfalls auch mittels eines Keramikteiles od. dgl. abgeschlossen sein. Dieser Zylinder wirkt gleichzeitig auch als Wärrnestrahlungsschutz für die Glühkathode sowie dient etwa auch als Stromzuführung zu den z. B. miteinander verbundenen Steuergittern; in letzterem Fall kann durch einen Isolierüberzug der Zylinderwand, etwa durch Emaillierung derselben oder zusätzliche, in den Zylinder eingeschobene bzw. auch außen über diesen gelegte Keramikrohre, eine Vergrößerung des Gitterstromes durch die Zylinderfläche zweckmäßig vermieden werden. Zwischen Steuergitteranordnung und Kathodenableitung ist die Steuerspannung ES, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Hilfsspannung 161, angelegt. Die Anode 3 wird, analog der Kathode, von einem Zylinder 172 umgeben, der gemäß Darstellung an einem Keramikteil 173 befestigt ist. Dieser Keramikteil od. dgl. sitzt zweckmäßig auf der Anodenableitung, etwa, wie dargestellt, von der Anode mittels eines auf diese Ableitung aufgeschobenen Rohrstückes (Muffe) aus Quarz. Keramik od. dgl. distanziert. Der Anodenzylinder 172 wird von der Vorelektrode F, die als massives, weitmaschiges Gitter ausgebildet ist, abgeschlossen. Der Zylinder 172 dient dabei gegebenenfalls zweckmäßig zur Stromzuführung zur Vorelektrode F, er kann dabei ohne Isolierbelag seiner Wände ausgeführt werden. Die Vorelektrode F dient hier als Schutz für das Steuergitter G2 und damit im wesentlichen für die ganze Steueranordnung G1, G2. Was die zweckmäßigen Abstände der Vorelektrode F von Anode und Steuergitter betrifft, so hat sich eine relativ große Annäherung derselben an die Anode, etwa bis zu einem Abstand von einigen Millimetern, z. B. 3o bis 5 mm, als zweckmäßig erwiesen. Der Abstand Vorelektrode-Anode erscheint im wesentlichen zur Vermeidung von unmittelbaren Entladungserscheinungen zwischen diesen Elektroden wichtig. Der Abstand von Vorelektrode F und letztem Steuergitter G2, der für gute Schutzwirkung wichtig erscheint, soll ebenfalls nicht zu groß sein und wird etwa gleichfalls in der Gegend von einigen Millimetern, z. B. zwischen 5 bis 3o mm, gewählt. Oft können auch noch kleinere Abstände, z. B. 2 bis 3 mm, zweckmäßig sein, wofür aber dann gegebenenfalls auch eine andere Systemkonstruktion gewählt wird, bei welcher das Vorgitter etwa schon auf einer Kathodenhülle 171 od. dgl. (entsprechend isoliert) vom Steuergitter genau distanziert angebracht ist. Im übrigen können gegebenenfalls z. B. auch zwei Vorgitter anodenseitig zum Steuergitter G2, etwa eines auf der Anoden- und eines auf der Kathodenhülle, gleichzeitig angewendet werden. Das Vorgitter F ist gemäß Fig. 6 über einen Sicherheitswiderstand Uo an die von der Spannungsquelle 161 bestimmte Gittervorspannung gelegt. Die Stromdichte im Querschnitt der Steuerelektrode bzw. Vorelektrode (d. h. maximale Gesamtstromstärke gebrochen durch die Fläche des Entladungsquerschnitts, also die gesamte Gitterfläche) beträgt z. B. 0,4 bis o,5 bis i Amp./cm2, gegebenenfalls auch mehr oder weniger.
  • Die Anwendung der Vorelektrode gemäß der Erfindung ermöglicht auch die Verringerung oder Weglassung eines Strombegrenzungswiderstandes im Steuergitterkreis, wodurch die Steuerwirkung sicherer und weitgehender wird.
  • Die Oberfläche der Vorelektrode ist zweckmäßig größer als die der Steuerelektrode.
  • Die Fig. 7 und 8 zeigen besondere Ausbildungsarten der erfindungsgemäßen Vorelektrode.
  • Wird der Strom einer brennenden stromstarken Gasentladung mittels Steuergitters relativ rasch vermindert, so wird dadurch die Quasineutralität bzw. ganz allgemein die Raumladung im Raum zwischen Steuergitter und Anode gestört. Die Stromverminderung kommt im wesentlichen dadurch zustande, daß durch das Steuergitter der zur Anode gerichtete Elektronenstrom gedrosselt wird, während bei einem raschen Verlauf dieses Vorganges die trägeren positiven Ionen im Raum zwischen Steuergitter und Anode verbleiben und nun einerseits ein starkes positives Raumladungsfeld bilden, das noch durch das Steuergitter gelangende Elektronen stark beschleunigt und zur Stoßionisation veranlaßt, andererseits sich selbst infolge geringer Raumladungsbindung in dem entstehenden starken Spannungsgefälle zwischen Anode und Steuergitter stark beschleunigt auf das Steuergitter zu bewegen und dort zerstörend wirken können. Dieser Ionenstrom wird zweckmäßig mittels der Vorelektrode möglichst weitgehend vom Steuergitter abgeschirmt.
  • Eine Ausführungsform der Vorelektrode, welche sich offenbar aus dem vorgenannten Grunde insbesondere für rasche Steuervorgänge an stromstarken Gasentladungen eignet, ist in der Fig. 7 veranschaulicht. Die Vorelektrode F ist hier als Gitter aus Blechstreifen 17q., die zur Gitterfläche hochkant gestellt sind, ausgebildet, besitzt also eine relativ große Aufnahmefläche für den Ionenstrom. Wesentlich erscheint bei dieser Ausbildungsart, daß der Abstand der Gitterbleche 174 nicht zu gering gemacht wird, damit die Entladung sich nicht auf einen Teil der Gitterkanäle der Vorelektrode zusammenzieht, sondern durch alle Maschen derselben oder mindestens den größten Teil derselben durchtritt. Auch sollen die Lamellen dieser jalousieelektrode aus relativ stärkerem Material mit abgerundeten Kanten bestehen; damit nicht z: B. an einer Kante ein Lichtbogenansatz begünstigt wird. Soll dünneres Blech verwendet werden, so werden die Enden desselben, insbesondere an der der Anode zugewendeten Elektrodeneintrittsfläche, zweckmäßig umgebördelt; gegebenenfalls ist mit Vorteil unter Einlage eines Drahtes od. dgl. durch Umbördelung ein massiver runder Rand zu schaffen, so daß jede Kante vermieden ist. Das Steuergitter G kann in geeignetem, zweckmäßig geringem Abstand von der Vorelektrode F angeordnet werden.
  • Gemäß Fig. 8 wird die Vorelektrode F durch ein Gitter aus massiven, zweckmäßig runden, parallelen Stäben 175 gebildet, deren gegenseitiger Abstand etwa einen ähnlichen Wert wie der Gitterstabdurchmesser besitzt, z. B. gleich diesem ist, d. h. in diesem Fall Durchlaßfläche gleich 5o% der Gitterfläche, oder etwas größer oder kleiner ist. Diese Vorelektrodenausführung scheint ganz allgemein zweckmäßig, da sie weitgehenden Schutz des folgenden Steuergitters G gegen Entladungsansatz und Ionenüberschwemmung bewirkt, ohne in der Regel die Entladung im Ruhezustand wesentlich, z. B. durch Ionenentzug, zu beeinflussen. Als Material für die Vorelektrode F wird etwa Nickel gewählt (geringe Zerstäubung), für das Steuergitter G entweder Molybdän oder ebenfalls Nickel od. dgl. Für hohe Beanspruchungen ist für alle Elektroden Wolfram oder Molybdän usw. anwendbar. Die Maschenweite des Vorelektrodengitters ist zweckmäßig so groß, daß ein stetiger Steuereinfluß auf die Entladung nicht fühlbar ist, auch wenn die Vorelektrode kein festes Potential besitzen würde; z. B. ist dieselbe aus Gitterstäben von 1,5 bis z bis 5 mm Durchmesser mit Maschenweiten von 2 bis 3 bis 8 und mehr Millimeter Abstand (Maschenweite) ausgeführt, während das Steuergitter zweckmäßig als Drahtgewebenetz, z. B. aus Draht mit o,i mm Durchmesser und mit Maschenweiten von o,i5 mm, o,25 mm Durchmesser oder mit Maschenweiten 0;q. mm, 0,4 mm Durchmesser und finit Maschenweiten von o,6 mm, ausgebildet ist. Der Abstand von Steuergitter und Vorgitter voneinander kann zweckmäßig etwa 2 bis 5 und mehr Millimeter betragen, insbesondere in der Größenordnung der Maschenweite oder vorzugsweise der Materialstärke des Vorelektrodengitters liegen; gemäß Fig. 8 ist er etwa gleich oder et-,vas kleiner als der Durchmesser der Stäbe 175 des VorgittersF, welche Abstandsgestaltung sich vorzugsweise bewährt hat.
  • Schließlich ist in der Fig. g noch ein Gasent-Ladungsgefäß schematisch dargestellt, in welchem eine besondere Ausführungsform von Vorelektrode Verwendung findet. Die Vorelektrode F besteht dort, ähnlich wie nach Fig. 7, aus Gitterplatten 176, welche jedoch schräg gelegt sind, wodurch erforderlichenfalls ein besonders guter Schutz der Steuerelektrode G erzielt werden kann, insbesondere wenn die Gitterflächen der Vorelektrode, wie dargestellt, zweckmäßig die gesamte Durchtrittsfläche senkrecht zur Gitterebene überdecken (in der Gitterebene bzw. in Draufsicht bildet die Vorelektröde F hier eine geschlossene Fläche). Es bezeichnet IL die Kathode; G das Steuergitter, F die Vorelektrode und A die Anode des dargestellten Entladungsgefäßes.
  • Gegebenenfalls kann die Vorelektrode auch als die Entladungsbahn umgebender Mantel (Zylinderfläche), in der Entladungsbahn zentral angeordneter Stern oder Platte ausgeführt werden. Am zweckmäßigsten erscheinen jedoch die beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere die Gitterform. In allen Fällen kann die Vorelektrode, ebenso wie die Anode, gegebenenfalls auch aus Graphit od. dgl. hergestellt werden.
  • Etwaige Behinderungen des Einsetzens der Entladung durch die Vorelektrode können gegebenenfalls durch den Einbau von Hilfselektroden, denen ein positives Potential erteilt wird (positive Gitter anodenseitig und/oder kathodenseitig zur Vorelektrode, insbesondere zwischen Vorelektrode und Steuergitter), beseitigt werden; in der Regel behindert jedoch eine geeignet ausgebildete Vorelektrode auch den Entladungseinsatz nicht wesentlich. Gegebenenfalls könnten auch durch die Vorelektrode (Zwischenräume derselben) durchgeführte Sonden zur Erzielung einer Durchzündung verwendet werden. Auch kathodenseitig zum Steuergitter kann etwa eine positive Hilfselektrode angewendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders vorteilhaft für höhere Ströme, z. B. i bis 5 Amp. und insbesondere darüber, vorzugsweise über io bis IOO Amp., etwa Größenordnung einiger hundert Ampere, z. B. 5oo Amp. Nach den Feststellungen des Erfinders kommt es nämlich bei den gittergesteuerten Gasentladungsgefäßen nicht allein auf die Stromdichte an der Gitterfläche an, sondern wesentlich auch auf den absoluten Wert der Stromstärke, und die Herstellung von Gasentladungsröhren, in welchen eine brennende Entladung mittels Steuergitters beeinflußt werden soll, wird mit steigendem Wert des Gefäßgesamtstromes immer schwieriger wegen auftretenden unsymmetrischen ; Gitterbeschädigungen. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet nun, diesem Übelstand weitgehend entgegenzuwirken. Ebenso aber ist die erfindungsgemäße Anordnung andererseits auch besonders vorteilhaft für höhere Betriebsspannungen (große Brennspannungserhöhungen des Entladungsgefäßes mittels Steuergitters), da hier die Energie der positiven Gasionen hoch anwächst und besondere Zerstörungsgefahr für das Steuergitter besteht. Vergleichbar erscheinen diese Verhältnisse mit denen beim Auftreten eines anomalen Kathoden- bzw. Anodenfalles, und es erscheint auch die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorelektrode vorzugsweise vorteilhaft für Spannungsgefälle zwischen Gitter und Anode, welche über den Werten des Spannungsgefälles normalen Kathodenfalles, z. B. über i5o bis Zoo V, liegen, auch wenn eine Glimmentladung zwischen Steuergitter und Vorelektrode einerseits und Anode usw. andererseits infolge geeigneter Gestaltung der Verhältnisse (Abstände usw.) nicht zünden kann. Vorzugsweise ist also der Erfindungsgegenstand vorteilhaft für Betriebsspannungen (Gefäßbrennspannungen) von etwa ioo V und darüber, z. B. 500 bis iooo V und insbesondere mehr, etwa auch zu Gefäßen für io bis ioo kV. Es erscheint der Erfindungsgegenstand, da es, wie ersichtlich, sowohl auf den Strom als auch die Spannung ankommt, für Anlagen größerer Leistungen, insbesondere über io bis ioo kW bzw. kVA, z. B. bis 5oobis iooo kW und darüber, vorzugsweise geeignet, insbesondere bei Großgefäßen für Kraftwerke, Umspannwerke, drahtlose Sender usw.
  • Das Potential der V orelektrode kann gegebenenfalls mit Vorteil auch in Abhängigkeit von Strom oder Brennspannung des Entladungsgefäßes gebracht werden, wodurch eine weitere Steigerung des Schutzes des Steuergitters erzielbar ist. Für Hochstromgefäße wird das Vorelektrodenpotential etwa ähnlich Fig. 2 (aber bei zweckmäßig konstantem Gitterruhepotential und vorteilhaft ohne Glättungskondensator) von einem Kathodenwiderstand abgenommen; für Gefäße für hohe Spannungen kann es zweckmäßig sein, eine entgegengesetzte Vorelektrodenpotentialabhängigkeit (negatives Potential der Vorelektrode mit fallendem Strom steigend), etwa unter Zwischenschaltung eines Transformators erzielt, anzuwenden.
  • Die erfindungsgemäße Vorelektrode ist, wie dargelegt, für den Steuervorgang an sich nicht erforderlich, sie erhält zweckmäßig ein konstantes (oder nur belastungsabhängiges usw.) Potential und nimmt am Steuervorgang nicht teil. Zweckmäßig ist sie auch derart ausgebildet, daß mit ihr ein wesentlicher stetiger Steuereinfluß auf die Entladung bei normalen Betriebsverhältnissen gar nicht ausgeübt werden kann, da sie zwecks weitgehender Schutzwirkung für das Steuergitter zweckmäßig weitgehend massiv ausgebildet ist, im Gegensatz zu dem zweckmäßig feinmaschigen Steuergitter. Dies schließt jedoch nicht gänzlich aus, daß gegebenenfalls zweckmäßig anodenseitig zum Steuergitter auch ein feinmaschigeres Gitter mit vorteilhaft konstantem Potential, das etwa zu einem weitgehenden Steuereinfluß auf die Entladung geeignet wäre und demnach brennspannungserhöhend wirkt, angewendet wird, welches ebenfalls diese Vorelektrodenfunktion äusüben kann; eine solche Ausbildungsart erscheint jedoch nur bei geringen Belastungen möglich, und eine Brennspannungserhöhung durch die Vorelektrode ist in der Regel unerwünscht. Eine Analogie zum Schirm- oder Bremsgitter od. dgl. von Hochvakuumröhren ist in keinem Fall gegeben, da einerseits in dem Gasentladungsgefäß des Erfindungsgegenstandes die Entladung selbst (Raumladungen) statisch abschirmend wirkt und dadurch besondere Elektroden zur Verringerung der inneren Kapazitäten der Röhre überflüssig sind, andererseits ein analoges Problem der Gitterbeschädigung bei Hochvakuumröhren nicht gegeben ist. Überhaupt ist ein Vergleich mit Hochvakuumröhren nicht möglich, da die Arbeitsverhältnisse dort und bei einer steuerbaren Gasentladungsröhre grundlegend verschieden sind. Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für Gefäße mit größerem Abstand Kathode-Anode.
  • Bei Betrieb des Entladungsgefäßes mit Wechselstrom kann ebenso wie etwa für die Gittervorspannung auch für die Vorelektrode das Potential derselben gegebenenfalls durch eine Wechselspannung geeigneter Phasenlage hervorgerufen werden, derart, daß in der Wirkphase (Durchlaßzeit des Gefäßes) jeweils richtiges Vorelektrodenpotential gegeben ist (vgl. z. B. auch Fig. 5).
  • Der Durchtrittsquerschnitt der Vorelektrode, d. h. freier Gitterquerschnitt, also Summe der Gittermaschen bzw. Differenz zwischen Querschnitt des Entladungsraumes und den massiven Teilen der Vorelektrode, ist zweckmäßig größer oder mindestens gleich dem Durchtrittsquerschnitt des Steuergitters, zweckmäßig doppelt, insbesondere zwei- bis fünffach, gegebenenfalls zehnmal so groß oder noch größer als dieser. Das gleiche gilt für die Oberflächen von Vorelektrode und Steuergitter, wo die Vorelektrode ebenfalls zweckmäßig einen in vorgenannten Verhältnissen analog größeren Oberflächenwert aufweist.
  • Statt einer Vorelektrode können gegebenenfalls auch mehrere solche hintereinander angeordnet und etwa auch direkt miteinander verbunden angewendet werden, insbesondere dabei auch als Gitter mit gegen das Steuergitter (kathodenwärts) abnehmenden Maschenweiten ausgebildet sein.
  • Besonders vorteilhaft ist der Erfindungsgegenstand auch für Anordnungen mit sehr rasch verlaufenden Steuervorgängen, insbesondere bei dabei auch größerer Steuerspannungsamplitude, vor allem für die Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen, insbesondere elektrischen Kurz- oder Ultrakurzwellen in Gasentladungsröhren, vorzugsweise für größere Leistungen.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gasentladungsgefäß mit Steuergitter nach Patent 912 976, dadurch gekennzeichnet, daß anodenseitig vor dem Steuergitter (G bzw. 7) eine mit der Kathode in leitender Verbindung stehende Vorelektrode (F), zweckmäßig ein massives Gitter mit für die gegebenen Betriebsbedingungen (Gasdruck) zu wesentlicher stetiger Entladungsbeeinflussung ungeeigneter (größerer) Maschenweite, angeordnet ist, welche vorteilhaft gegenüber dem umgebenden Entladungsraum stärker oder mindestens annähernd gleich stark negativ ist wie das Steuergitter.
  2. 2. Gasentladungsgefäß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter (G bzw. 7) an einen Abgriff eines vorspannungserzeugenden Schaltungsgliedes (i65, 38, 177) angeschlossen ist, an dessen Ende zweckmäßig die Vorelektrode (F) geschaltet ist.
  3. 3. Gasentladungsgefäß nach Anspruch i und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorelektrode aus Stäben oder Platten hergestellt ist, deren gegenseitiger Abstand mindestens doppelt so groß ist wie die Maschenweite des Steuergitters (Fig. 6 bis g). q..
  4. Gasentladungsgefäß nach den Ansprüchen i bis 3 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkreis der Vorelektrode (F) ein Strombegrenzungswiderstand (170) eingeschaltet ist.
  5. 5. Gasentladungsgefäß nach den Ansprüchen i bis 4 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Vorelektrode (F) vom Steuergitter (G) gleich oder kleiner ist als die Ausdehnung der Vorelektrode in der Entladungsrichtung (Fig. 7 bis g).
  6. 6. Gasentladungsgefäß nach den Ansprüchen i bis 5 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorelektrode (F) zusammen mit anderen Abdeckungen (172, 173) die Anode (3) gänzlich umschließt (Fig. 6).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1137141B (de) * 1960-06-15 1962-09-27 Nippon Telegraph & Telephone Gasentladungsroehre

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