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Elektrische Entladungsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Dampfeß:itladungsvorrichtungen mit einer becherartigen Kathode und betrifft insbesondere
Vorrichtungen dieser Art mit verbesserten Zündeigenschaften.
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Man hat schon versucht, dielektrische Zündvorrichtungen für elektrische
Entladungsapparate mirt Becherkathode zu verwenden, bei denen die Zündelektrode
aus einem von einem Isolator oder dielektrischen Material, wie z. B. Glas oder einem
keramischen Stoff, umgebenen Leiter besteht. Diese Zündvorrichtungen haben jedoch
im allgemeinen nicht befriedigt. Sire benötigen eine hohe Zündspannung und haben
eine zu kurze Lebensdauer, als daß sie für techmi#sche Zwecke geeignet wären. Man
'hat auch. vielfach versucht, die Lebensdauer der Vorrichtungen zu erhöhen und die
Zündspannung herabzusetzen. Diese Bemühungen ergaben Zündvorrichtungen verschiedener
Zusammensetzung mit sehr dünnwandigen dielektrischen Überzügen. Keiner dieser Versuchet
hat jedoch zu einem wirklichen Erfolg geführt, und die Erklärung für dien. Fehlschlag
dieser bisherigen Versuche liegt möglicherweise darin, @daß die Vorrichtungen eine
Zündspannung erforderten, welche der Durchschlagsspannung des Dielektrikums ziemlich
nahe kommt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsvorrichtung,
welche aus einem Mantel, einer Anode und einer Quecksilbernapfkathode, die innerhalb
des Mantels mit Abstand voneinander und gegeneinander isoliert angeordnet sind,
einer Zündelektrode mit einem in die Kathode eingetauchten und einem über die Oberfläche
der
Kathode hinausragenden Teil besteht, wobei diese Elektrode einen
sich unter die Oberfläche der Kathodenflüssigkeit erstreckenden Leiter besitzt,
der gegenüber der Kathodenflüssigkeit durch eine äußere Schicht geines feuerfesten,
elektrisch isolierenden Materials vollständig isoliert ist. Gemäß der Erfindung
wird dem Quecksilber zwecks Herabsetzung der zwischen. Zündelektrode und Kathode
anzulegenden Zündspannung ein thermoiK)nisch inaktives Benetzungsmi'ttel zugesetzt,
welches der Zusammensetzung des die Zündelektrode umgebenden Isoliermaterials angepaßt
ist und eine Benetzung dieses lsoliermateri,als durch das Quecksilber bewirkt.
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Der Ausdruck thermoionisch inaktiv soll bedeuten, daß das Material
.entweder einte Austrittsarbeit besitzt, die über derjenigen der üblicherweise als
stark emittierend bekannten Stoffe, wie z. B. Barium, Strontum, Calcium oder die
Oxyde dieser 'Stoffe, liegt, oder ,daß das Material einen genügend hohen Dampfdruck,
also einen niedrigen Verdampfungspunkt, besitzt, so daß es bei einem Niederschlag
auf beliebigen Teilen der Röhre verdampft wird, bevor es eine Temperatur erreicht,
bei der gerne wesentliche thermoionische Emission von Elektronen stattfindet.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß das Isoliermaterial ein
Oxyd von Zixkoniumoder Aluminium und das Benetzungsmittel Magnesium in der Größenordnung
von i : 500 000 bis i : i 000 000 der Quecksilbermenge enthält.
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Ferner kann zweckmäßig das Benetzungsmittel in der flüssmgen, z. B.
durch Quecksilber gebildeten Kathode aas einem Gemisch von Magnesium und Nickel
bestehen.
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Es ist zwar bekannt, bei einer mit Quecksilberdampf arbeitenden Entladungseinrichtung
der Quecksilberkathode geringe Mengen -eines Metalls oder Metallioids, wie z. B.
Nickel, Kupfer, Aluminium, zuzusetzen, welche eine Benetzung der Kolbenwand bewirken,
um durch Verflachung .des Meniskus des Quecksilbers die Oberfiächendchte der statischen
Ladung zu vergrößern und dadurch die Zünc1eigenschafben der Vorrichtung zu verbessern.
Die bekannte Einrichtung besitzt jedoch keine Zündelgektrorde der obererwähnten
Bauart, so daß sie für die Lösung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden
Problems keine Anregung ;geben konnte. Dieses Problem betrifft die Verminderung
der Spannung, welche an eine Zündelektrode anzulegen ist, deren Leiter sich in und
oberhalb der Quecksilberfüllung erstreckt und durch eine keramische Hülse oder einen
keramischen überzug umgeben. ist. Gemäß der Erfindung wird zur Lösung dieses Problems
ein Benetzumgsmittel zugesetzt, das eine Benetzung dieser keramischen Hülse bewirkt,
wähnend leine Benetzung :der Kolbenwand nicht erforderlich ist.
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Der durch. die Erfindung erzielte Fortschritt besteht also darin,
daß bei Entladungsvorrichtungen mit einer Zündelektrode der angegebenen Bauaxt die
für die Zündung -erforderliche -Spannung und Energie beträchtlich herabgesetzt und
dadurch die Lebensdauer der Zündelektrode und somit der ganzen RÜhre auf eine praktisch
unbegrenzte Dauer verlängert werden kann.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendem.
Beschreibung und der Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
In der Zeichnung ist Fig. i seine teilweise im Schnitt di,rgestellte'Seiten.-ansicht
ieAner elektrischen Entladungsvorrichtung gei maß der Erfindung, Fig. z ein Schnitt
nach Linie 2-2 in Fig. i, Fig.3 ek Schema Beines 'Speisestromkreises für die Zündelektrode
einer Entladungsvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. q. ein senkrechter Schnitt
durch eine. abgeänderte Ausführungsform der gerfindungsgemäßen Entladungsvorrichtung.
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Die in. den; Fig. i und z gezet@e Entladungsvorrichtung gemäße der
Erfindung besitzt Beinen Glasmantel i und Beine leitende Flüssigkeitsmasse 2, welche
zweckmäßig aus Quecksilber besteht und die am Beinen Ende des .Mantels befindliche
Kathode bildet. Fernerhin besitzt die Vorrichtung eine Anode 3, gdie am anderen
Ende des Mantels an einem tragenden Leiter ¢ taufgehängt ist. Der Leiter q. steht
mit einer ton dem Mantel i hermetisch abgedichteten Durchführung 5 in Verbindung,
an die ein Anodenldter 6 angeschlossen ist. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist
die Anode 3 ein Graphitkörper, obwohl gegebenenfalls hierfür auch ein anderes geeignetes
Material, wie z. B. Nickel, Verwendung finden kann. Der Leiter 7 bildet den äußeren
Stromanschluß und die 'Stromeinführung zu der Kathode 2 und isst unterhalb des Spiegels
.der Kathodenflüssigkeit mit Abdichtung durch den Mantel hindurchgeführt.
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Der Mantel. besitzt an seinem unteren Ende in der Mitte eine nach
innen vorspringenden Teil 8, mit welchem Beine Hülse 9 aus Isolierstoff in dichter
Verbindung steht. Die. Hülse erstreckt sich ein erliebliches Stück über die Kathodenmasse
und umgibt eine zweite Stromeinleitung i o, welche in der Achse der Hülse 9 mit
Abdichtung durch den Mantel hmdurchgefülirt isst. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Raum zwischen dem Leiter io und der Wand der Hülse 9 mit eiinem geeigneten
leitenden: Stoff ausgefüllt. Es hat sich gezeigt, dal3 dieser Raum mit Metallwelle,
wie z. B. einer Stah.1-wällrriasse i i, ausgefüllt werden. kann., so daß. zwischen
den Innen- und Außenwänden :dies isolierenden Zylinders 9 bei Vorhandensein einer
Spannung zwischen den Leitern 7 und i o ebenfalls ein Spannungsunterschiied besteht.
Die Hülse 9 kann ganz allgemein aus irgendeinem geeigneten dIelgektrischen Material
einschließlich Glas und keramischen Stoffen gefertigt sein: Die Vorteile der Erfindung
werden jedoch am besten dann erreicht, wenn die Hülse aus seinem geeigneten keramischem.
Material, wie z. B. Alurninium-Zirkoniiumoxyd oder Zirkonumsi:l:icat; besteht.
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Obwohl im, der dargestellten bevorzugten Ausführungsform die dielektrische
Umhüllung des Leiters der Zündelektrode von einer besonderen Hülste gebildet wird,
so kann doch -die Umhüllung
im Rahmen. der Erfindung auch aus einem
unmittelbar auf dien. Leiter der Zündelektrode aufgebrachten Überzug bestehen.
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Wise aus der Zeichnung ersichtlich, benetzt die Kathodenflüssigkeit,
bei der es sich zweckmäßig um Quecksilber handelt, zwar die isolierende Hülse 9,
bewirkt jedoch nicht eine Benetzutng der Glaswand des Mantels. Dieses Ausmaß, der
Benetzung ist zwar nicht entscheidend, hat sich jedoch als besonders vorteilhaft
erwiesen, um den Spannungswert herabzusetzen, welcher durch die Wand der Hülse g
hindurch vorhanden, sein muß, tun den Kathodenfleck zur Entstehung zu bringen. Die
Menge des eine solche Benetzung hervorrufenden, der Quecksilbermasse zuzugebe;n:den
Benetzungsmittels hängt von der Natur dar Außenfläche der Hülse 9 und ihrer Zusammensetzung
.sowie von dien Benetzungsmitteloder der Kombination solcher Mittel ab. Wein der
Mantel und der dielektrische Überzug der Zündelektrode ,aus dem gleichen Stoff bestehen,
so wird das Quecksilber selbstverständlich sowohl die Wand des Mantels als auch
den Überzug der Zündelektrode benetzen. Man kann eine große Anzahl von Benetzungsmitteln
verwenden, wie z. B. Magnesium, Nickel, Blei, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Zinn,
Indium, Zirkonium, Tantal und Titan, welche sich alle als geeignet erwiesen haben.
Weiterhin hat sich herausgestellt, da.ß Mischungen von. Benetzungsmitteln zur Erzielung
der gewünschten Benetzungswirkung leistungsfähiger sind. Die mit einer großen Anzahl
verschiedner keramischer Zusammensetzungen angestellten Versuche ergaben besonders
gute Ergebnisse, weil einer der Benetzungsstoffe Magnesium war. Wenn der Quecksilberkathode
Magnesium in einer Menge von I : 500 ooo bis i : i ooo ooo und eine ä'hnlkhe Menge
eines der anderen Mittel, wie z. B. Nickel, zugegeben. wurden, so erzielte man eine
ausreichende Benetzung der dielektrischen oder isolierenden Hülse, derart, daß die
Zündspannung die gewünschte Verminderung erfuhr, wenn das dielektrrische Material
der Hülse aus einem keramischen Stoff, wie z. B. aus dem Oxyd oder Silikat von,
Zirkonium oder aus dem Oxyd des Aluminiums, bestand. Bei anderen keramischen Stoff-en
oder bei verschiedenem Glassorten sind unterschiedliche Mengten der Benetzungsmittel
erforderlich.
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Die Abmessungen der Isolierhülse der Zündelektrode sind nicht entscheidend,
im allgemeinen wurde jedoch eine Hülse mit einem Durchmesser verwendet, der größer
ist als .der Durchmesser der bisher üblicherweise benutzten Tauchzündelektroden.
Bei seiner gut arbeitenden. Röhre gemäß der Erfindung hatte die Hülse einen Durchmesser
von etwa 7,938 mm und eine Wandstärke von 0,5o8 bis 0,762 mm. Andere brauchbare
Zünder hatten eine Wandstärke von 0,254 bis I,52q.mm. Wenn die Wandstärke größear
ist, so ist eine höhere Spannung erforderlich, und wenn man die Wandstärke vermindert,
so erhöht sich idie Möglichkeit eines Durchschlages des cielektrischerl Überzuges
oder Mantels durch die ansteigende, bei der Zündung an die Hülse aalgelegte Spannung.
Durch die Benetzungsmittel war es möglich, die bei einer bestimmten Röhre zur Erzeugung
eines Kathodenfleckes erforderliche, zwischen dem Leiter der Zündelektrode und der
Kathodenmasse anzulegende Spannung von einem Wert von 5ooo bis 6ooo V auf einen
Wert von 50o biss i ooo V herunterzudrücken. Man, kann annehmen, daß die Vorzüge
der Entladungsvorrichtungen gemäß, der Erfindung rüber den bekannten Vorrichtungen
in- einem erheblichen, Ma:ßie auf dieser Verminderung der Zündspannung auf einen
Wert beruhen, der wesentlich unterhalb der Durchschlagsspannung des für die Hülse
verwendeten Materials liegt. Um die Beanspruchung der Hülse g während des Zündvorganges
weiterzuvermindern, wird der Leiter i o der Zündelektrode mit dem Innern der Entladungsvorrichtung
oberhalb des Spiegels der Kathodenflüssigkeit in Verbindung ,gebracht, so daß bei
durch die Bildung eines Kathodenfleckes auftretender Ionisierung ein die Hülse der
Zündvorrichtung nebenschließender Weg von geringer Impedanz entsteht und die Energie
des mit der Zündelektrode verbundenen Stromkreises diesen Nebenschlußweg nimmt.
Die Arbeitsweise der Zündelektrode ergibt sich noch klar-er aus dem in Fig. 3 gezeigten,
Schal.tscbem;a.
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Bekanntlich verfolgt die Heröeiführung des Leitungszustandes einer
Entladungsvorrichtung mit einer Tauchzündelektrode dadurch, daß man, zwischen dem
Leiter der Zümdelektrodie und der flüssigen Kathodenanasse einen; Spannuings- oder
'Stromimpuls erzeugt, der zur Bildung einfies Kathodenfleckes ausreicht. Fig. 3
zeigt ein Schaltschema für Entladungsvorrichtungen gemäß der Erfindung. Die Entladungsvorrichtung
ist schematisch durch einen Mantel 12, eine Anode 13, eine Flüssigkeitskathode 14
und eine Zündelektrode 15 dargestellt, die erfindungsgemäß, entsprechend der Fig.
i ausgebildet ist. Die Anode 13 und die Kathode 14 sind an Leiter 16 bzw. 17 angeschlossen,
die zu einer Spannungsquelle und einem Nutzstromkreis führen. Die Zündelektrode
erhält einen geeigneten Impuls, der einen Lichtbogenkreiserzeugt. WienusdemSchaltschema,ersichtlich,
wird ein Kondensator 18 von einem Wechselstromspeisekreis: über einen die Sekundärwicklung
20 eines Transformators 21, wen Gleichrichter 2 z und die Primärwicklung 23 'eines
Leistungstransformators 24 enthaltenden Kreis aufgeladen. Die Primärwicklung 21a
des Transformators 21 ist an den Speisekreis 19 angeschlossen, wähnend die Sekundärwicklung
24a des Transformators 2¢ zwischen der Zündelektrode 15 und der Kathode 14 der Entladungsvorrichtung
12 liegt. Bei dien Transformator handelt es sich zweckmäßig um einen solchen mit
einem Luft- oder Eisenpulverkern, wie er in ähnlicher Ausführung zur Erzeugung von
kurz dauernden Hochspannungsimpulsen. in Radarsystemen, Verwendung findet. Er kann
zur Erzielung einer hohen. Ausgangsspannung ein übersetzungsverhältnis .in der Größenordnung
i : i o haben. Die Erzeugung dieses Spannungsimpulses ergibt sich aus der Entladung
das Kondensators 18 durch die Wicklung 23 Lund den Entladungsweg einer elektrischen
Entladtmg-svorrichtung
27, welche den Entladungsstromkreis dies
Kondensators 18 durch die Wicklung 23 vervollständigt. Die Entladung der Vorrichtung
27 ist mit der Spannung des Wechselstromkreises i g, weicher biet der normalen Verwendung
der Röhre 12 auch die Spieisespaanung des Anioden-Kathoden-Kreises der Röhre liefert,
synchronisiert. Diese Synchronisierung verfolgt durch seinen Phasenschiieberkreis
28, der von dem Kreis i g gespeist -wird und an das Gitter und diele Kathode der
Vorrichtung 27 angeschlossen ist. Ferner liegen in dem Kreis in Reihe mit dem Regelelement
gee:gnete Mittel für eine negative Vorspannung, wie z. B. seine Batterie 29. In
Verbindung mit der von dem Phasenschieber gelieferten phasenveränderlichen Spannung
bestimmen dann diese Mittel den Augenblick, in welchem der Elektrode 15 ein
Impuls zugeführt wird.
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Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Entladungsvorrichtungen
mit Tauchzündung nach der USA.-Patentschrift 2 o69 283 besteht darin, daß zur Erzeugung
des Kathodenfleckes eine erhebliche. Energie ;erforderlich ist. Bei Vorrichtungen
gemäß: der Erfindung kann der Kathodenfleck dagegen durch Anlegung von über
seine Periode im Durchschnitt etwa 1/1o W erzeugt werden. Diese Speiaeenergiemenge
kann ;etwa i kW betragen, doch beträgt die Zeitspanne nur Beinen Bruchteil einer
Mikrosekunde. Die physikalische Größe dies erforderlichen Zündkreises liegt in der
Größenordnung von 1/2o ,oder weniger der physikalischen Größe, die der zur Zündung
einer vergleichsfähigen Entladungsvorrichtung nach der vorgenannten Patentschrift
benötigte Kreis haben muß.
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Der beschriebene Zündkreis wird zweckmäßig so bemessen, daß er seine
Höchstspannung liefert, welche wesentlich oberhalb der zur Erzeugung des Kathodenfleckes
erforderlichem Spannung liegt. Um nun die dielektrische Hülse des- Zünders so schnell
wie möglich von dieser Spannungsbelastung zu befreien, bleibt das obere Ende der
Hülse elektrisch offen, so daß beim Auftreten jener Ionisierung innerhalb des Mantels
für dien Kondensator 18i ein Entliädungsweg mit geringer Impedanz gebildet wird.
Wie .ahne weiteres verständlich, bewirkt ,nämlich die bei ;der Bildung des Kathodenfleckes
auftretende Ionisierung innerhalb -der Entladungsvorrichtungeine kurze Schließung
der Sekundärwi.cklung 24a des Transformators 24 über einen ironisierten Wieg, der
von dem frei lie-enden. Teil des metälli.schen Stoffes i i zu der flüssigen Kathode
führt. Auf diese Weise wird sein. von geringer Impedanz für den. Kondensator 18
durch die Primärwicklung 23 des Transformators 24 hergestellt. Bei der Entladungsröhre
gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich, im N:ebenschluß oder rin Reihe eine
einseitig leitende Vorrichtung in dem Stromkreis der Zündie:iektrode vorzusehen.
Derartige Vorrichtung n finden bei Zündelektroaden nach der USA-Patentschrift 2
o69 283 Verwendung.
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Fig:4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Entladungsvorrichtung
mit ieiriem Metallmantel, welche jedoch sonst im .allgemeinen derjenigen nach Fig.
i ähnlich ist. Der Mantel der Vorrichtung nach Fig. ¢ besteht aus napfförmigen Metallteilen
3o und 3 i, idie an ihren offenen, Enden mit nach außen vorspringenden Flanschen
32 versehen sind. Die Flairnsche berühren sich und sind z. B. durch Schweißung miteinander
verbunden, so daß sie den Mantel der Vorrichtung bilden. Die Anode 33 ist gegenüber
dem Mantel isoliert an deinem Einführungsleiter 34 iauigehängt. Der Abdichtung dient
eine Anordnung mit Metallzylindern 35 und 36, -die mit deinem Glaszylinder 37 in
dichter Verbindung stehlen und an Iden gegenüberliegenden Enden mit dem Leiter 34
bzw. idem napfförmigen Eliement 3o des Mantels verbunden sind. Anden Einführungsleiter
34 ist ein Aniodenspeiiseleiter 38 angeschlossen. Die Kathode 39 wird von: einer
Quecksilbermasse am unteren Ende dies Mantels gebildet. Diese Quecksilbermasse ist
in: der in mit Fig. i beschriebenen Weise mit ieirem oder mehreren Benetzungsmitteln.
versehen. Die Zündelektrodenanordnung ist im ,allbemeinen ähnlich, siie wird
je-
doch von -dem Mantel in unterschiedlicher Weise getragen. Der Einführungsleiter
q.o für die Zündelektrode ist mit einer Metallkippe 4 i verbunden, die mit Odem
Mantel über einen Glaszylinder 42 und einer Metallhülisie 43 in Verbindung steht.
Die isolierende Hülste 44 der Zündelektrode umgibt den Leiter 4o und ruht auf einem
Rand der Kappe 41. Zweckmäßig ist die Hülste 44 reit dem Glaszylinder 42 verbunden,
und das Innere der Hülste 44 ist mit leitendem Material 45 gefüllt, so idaßi die
Zündspannung auf die Innenseite der Hülse 44 übertragen wird.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können Änderungen erfahren, ohne
daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.