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Die dargestellte Anordnung ist zwar die einfachste und daher für die Erläuterung geeignetste, erweist sich jedoch praktisch als unzureichend, da die Regelung der Elektronendichte hier durch Änderung der Kathodentemperatur erfolgen muss, was nicht in so feinen Stufen vorgenommen werden kann, als es wünschenswert wäre. Daher fehlt bei einer so einfachen Anordnung praktisch die Möglichkeit, die Elektronendichte und Elektronengeschwindigkeit in genügend feiner Weise zu beeinflussen.
Dieser Übelstand wird dadurch vermieden, dass zwischen Kathode J und Beschleunigungsgitter B
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(Fig. 2). Zu diesem Zweck wird es an ein positives Potential gelegt, welches kleiner als das Potential des Beschleunigungsgitters B ist. Die in der Fläche des Gitters D herrschende Elektronendichte kann dann durch Wahl der anliegenden Spannung nach Bedarf eingestellt werden.
Das befriedigende Arbeiten einer solchen Schaltung erfordert die Einhaltung bestimmter konstruktiver Gesetzmässigkeiten bei dem Elektrodenaufbau der Röhren. Gemäss der Erfindung besteht daher der Elektrodenaufbau aus einer Äquipotentialkathode und aus mindestens drei zwischen Kathode und der äussersten Elektrode angeordneten Gitterelektroden, von denen folgendes gelten muss : Eine zwischen der äussersten Elektrode und dem von der Kathode aus gerechnet zweiten Gitter gelegene Gitterelektrode ist in bezug auf ihre Nachbarelektroden derart ausgebildet und angeordnet, dass das ihr auf der der Kathode abgekehrten Seite benachbarte Gitter auf das kathodenseitig benachbarte
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Weise für Schaltungen der beschriebenen Art.
Einerseits ist für optimale Steuerfähigkeit die örtliche Gleichmässigkeit der Emission der Kathode sowie die Spannungsverteilung längs der Kathode von Wichtigkeit. Aus diesem Grund ist stets eine Äquipotentialkathode mit indirekter Heizung zu verwenden, weil in diesem Falle die Ausbildung der virtuellen Kathode mit der notwendigen Gleichmässigkeit über die ganze Elektrodenlänge zustande kommt. Anderseits haben auf die Regelung des Elektronenstromes nach Dichte und Geschwindigkeit natürlich noch die andern in der Röhre vorhandenen Elektrodenpotentiale Einfluss. Dieser Einfluss muss nach Möglichkeit herabgesetzt werden, ohne dabei von den im Hinblick auf die spezielle Verwendung und Leistung festgelegten Spannungen abzugehen.
Beispielsweise hätte die Verwendung hoher Anodenspannungen ohne entsprechende Abschirmung oder geeignete Formgebung der Anode grosse Effektivpotentiale in der Nähe der virtuellen Kathode zur Folge, und es bedürfte dann einer sehr grossen Stromdichte, um die Ausbildung einer Minimumpotentialfläehe in der oben beschriebenen Weise zu erzielen. Es sind z.
B. mit normalen Pentoden, welche an sich die erforderliche Mindestzahl von drei Gittern besitzen, derartige Effekte bei für praktische Zwecke in
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der Anode zum Schirmgitter), bei denen man das Schirmgitter als Austrittsfläche der Elektronen und das Fanggitter als Steuergitter betreiben könnte, sind so dimensioniert, dass sich möglichst wenig Raumladungen primärer, vom Schirmgitter kommender Elektronen um das Fanggitter stauen, da dies eine ungünstige Verteilung von Schirmgitter-und Anodenstrom zur Folge hätte. Sie haben infolgedessen auch Fanggitterdurchgriffe von im allgemeinen mehr als 20%. Dies würde bei einer Anodenspannung von beispielsweise 300 Volt am Schirmgitter ein Effektivpotential von 60 Volt ergeben.
Im Gegensatz dazu ist bei einer Dreigitterröhre, die gemäss der Erfindung gebaut ist, der Durchgriff der Anode durch das Steuergitter auf das von der Kathode aus zweite Gitter so klein gehalten, dass die Anodenspannung zu dem an demselben auftretenden Effektivpotential einen Beitrag von nur wenigen Volt liefert, welcher in der Grösse des in Volt ausgedrückten Aussteuerbereiches liegen soll.
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die dem Betrag nach etwas grösser ist als die Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen. Um die oben geforderte geringe Rückwirkung der Anodenspannung auf die Austrittsfläche der Elektronen sicherzustellen, ist es, wie bereits gesagt, erforderlich, dass der Durchgriff der Anode durch das Steuergitter kleiner als 10% sein muss.
Für den Fall, dass ein Schirmgitter zwischen Steuergitter und Anode vorhanden ist, wird diese Forderung sinngemäss auf den Durchgriff des Schirmgitters durch das Steuergitter übertragen.
Vorteilhaft ist ferner Symmetrie der Anordnung, wobei dem konzentrisch symmetrischen Aufbau der Vorzug vor der ebenen Anordnung zu geben ist, da in diesem Falle das Auftreten von die Ausbildung der virtuellen Kathode störenden Randinhomogenitäten auf ein Mindestmass herabgesetzt wird.
Gewisse Abweichungen können in diesem Punkte nur dann zugelassen werden, wenn für bestimmte Anwendungsgebiete der Röhre ein weicher Verlauf der Kennlinie erwünscht ist. In diesem Fall kann,
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gegenüber dem Steuergitter sogar zur Stabilisierung der virtuellen Kathode beitragen. Zweckmässig für die Homogenität des Elektronenstromes und die zur Erzielung grösster Steuerempfindlichkeit notwendige Schärfe der Minimumpotentialzone ist auch die örtliche Gleichmässigkeit der wirksamen Gitterelektroden.
Beispielsweise wäre ein weitmaschiges Steuergitter wegen der dann eintretenden Ungleich- formigkeit der Effektivpotentialfläche ungeeignet.
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verlangten Wert des Durchgriffes durch eine Elektrode auch dadurch zu erhalten, dass man statt einer einzigen Elektrode zwei unmittelbar hintereinanderliegende Elektroden anordnet, welche leitend miteinander verbunden sind. Die Verbindung wird vorteilhafterweise bereits innerhalb der Röhre hergestellt, so dass für jedes Elektrodenpaar nur eine Zuleitung und ein Stecker im Sockel erforderlich ist. Nach Massgabe konstruktiver Forderungen kann die Verbindung entweder im Vakuumgefäss oder innerhalb des Sockels vorgenommen werden. Unter Umständen ist es vorteilhaft, die beiden Gitter durch eine fortlaufende, in zwei Flächen verteilte Wicklung herzustellen.
Man kann also jedem der zu einem Elektrodenpaar gehörigen Gitter einen erheblich grösseren Durchgriff geben, um auf den verlangten resultierenden Wert zu kommen. Dieser Umstand ist insbesondere von Vorteil hinsichtlich der Stromaufnahme eines derartigen Doppelgitters. Infolge des multiplikativen Zusammenwirkens der beiden Gitterteile hinsichtlich ihrer Steuerwirkung und der nur additiven Vergrösserung der Gesamtoberfläche ist die Summe der in der Strombahn befindlichen Elektrodenflächen kleiner als die Fläche eines einzigen Gitters, welches denselben resultierenden Durchgriff besitzt. Deshalb ist auch die gesamte Stromaufnahme einer derartigen Doppelelektrode kleiner und es kann ein grösserer Entladungsstrom mit geringeren Verlusten hindurch befördert werden.
Es sei ausdrücklich hervorgehoben, dass hinsichtlich der Zählung und der Durchgriffsangabe eine derartige Doppelelektrode einer einfachen Elektrode gleichzusetzen ist, wobei Durchgriffangaben sich auf den resultierenden Durchgriff durch die Doppelelektrode beziehen.
Im allgemeinen wird eine Einwirkung der Besehleunigungsspannung durch das Verdichtungsgitter hindurch auf die Emission und somit auch auf die Elektronendiehte stattfinden, dem durch entsprechend Wahl der zugehörigen Spannung des Verdichtungsgitters D Rechnung zu tragen ist. Eine vollkommene Unabhängigkeit zwischen der Einstellung der Stromdichte und der Geschwindigkeit erhält man, wenn der Durchgriff des Beschleunigungsgitters zur Kathode klein ist. Sofern sich dies durch entsprechende Ausführung der Maschenweite des Gitters D nicht in dem gewünschten Masse erreichen lässt, kann, wie im Ausführungsbeispiel (Fig. 3) dargestellt ist, ein Schirmgitter T zur elektrischen Trennung der beiden Elektroden D und B dienen. Dieses"Trenngitter"wird beispielsweise auf Kathodenpotential gebracht.
Auch diese Verbindung kann, wenn erwünscht, innerhalb der Röhre hergestellt werden.
Das Prinzip der virtuellen Kathode kann bei den bekannten Röhrentypen für alle Verwendungszwecke angewendet werden, indem man die einfache Glühkathode durch eine Elektrodenkombination ersetzt. Man erhält auf diese Weise Röhren mit mindestens drei Gittern, von denen einige Ausführungbeispiele bereits in Fig. 2 und 3, einige weitere in den Fig. 4-7 schematisch dargestellt sind.
Fig. 4 stellt eine Schirmgitterröhre dar, wobei A die Anode, S das Schirmgitter, G das Steuergitter, B das Besehleunigungsgitter und K die Kathode bedeutet. Der Durchgriff des Srhirmgitters S durch das Steuergitter G auf das Beschleunigungsgitter B soll kleiner als 10% sein.
Eine Weiterbildung dieser Schirmgitterröhre zeigt die Fig. 5, in welcher zwischen dem Beschleunigungsgitter B und dem Elektronendichteregelungsgitter D ein. Trenngitter T eingeführt ist. Es bezeichnet in Fig. 6 A die Anode, F ein zur Unterdrückung der Sekundäremission bestimmtes Fanggitter, S das Sehirmgitter, G das Steuergitter, B das Besehleunigungsgitter, D das Elektronendichte- regelungsgitter und K die Kathode.
Die Fig. 7 zeigt die Weiterentwicklung dieses Elektrodensystems durch Einführung des Trenn-
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Elektroden, kleiner als 10% sein muss, um günstige Arbeitsbedingungen zu erzielen.
Es kann vorteilhaft sein, die Röhre mit einer Gasfüllung zu versehen, deren Druck zweckmässig innerhalb der Grenzen von 10-2 und 10-4 mm Hg gewählt wird. Durch die Formgebung und insbesondere die Wahl der Abstände zwischen Kathode, Steuergitter und Anode ist dafür Sorge zu tragen, dass eine raumladungsbeseitigende Ionisation nur in der Nähe der Glühkathode auftritt und die vor der Steuerelektrode lagernde virtuelle Kathode nicht aufhebt. Die Kathode wird dabei behufs Verminderung der Wärmeabstrahlung in den Steuerraum, welcher die Ionisierung dort begünstigen würde, verlegt und aus wärmeökonomischen Gründen zweckmässig mit einem Wärmeschirm umgeben.
Man kann entweder das zur Regelung der Stromdichte dienende Gitter D oder die Beschleunigungselektrode B 30 ausbilden, dass sie gleichzeitig als Wärmeschutz für die Kathode wirken. Die Potentiale der übrigen Elektroden können kleiner als die lonisierungsspannung sein, so dass eine Bildung von Ionen ausserhalb des Kathodenraumes nicht mehr stattfindet. Man kann aber auch in an sich bekannter Weise die Anodenspannung höher als die Ionisierungsspannung machen ; dann ist der Abstand der Anode von dem benachbarten Gitter und der Glaswand so klein zu wählen, dass die Bildung von Ionen in der Nähe der Anode unmöglich gemacht wird.
Eine Ausführungsform dieser Art ist in der Fig. 8 angedeutet. Hierin bedeutet 2 die Glühkathode, lie durch einen Heizfaden 1 erhitzt wird, 3 eine Elektrode, die gleichzeitig als Wärmeschutz, zur Ioni- 3ierung des Gases und zur Regelung der Elektronendichte dient, 4 das Hilfsgitter, das die Geschwindig- ieit der austretenden Elektronen bestimmt, 5 das eigentliche Steuergitter, 6 die Anode und 7 die
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Glaswand, an der die Anode unmittelbar anliegt. Die Spannung des Geschwindigkeitsregulierungs- gitters 4 ist kleiner als die Ionisierungsspannung des Gases, der Abstand zwischen Steuergitter und Anode ist kleiner als die freie Weglänge der Elektronen bei dem benutzten Gasdruck.
Es besteht auch die Möglichkeit, mit virtueller Kathode arbeitende Röhren als Magnetron zu verwenden und den Elektronenstrom durch magnetische Felder zu steuern. Hiebei verlaufen die magnetischen Kraftlinien parallel zur. Längsachse des Elektrodensystems, d. h. parallel zur Kathode.
Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Elektroden aus einem nicht ferromagnetischen Material anzufertigen oder wenigstens die Anode durch senkrecht zur Feldrichtung verlaufende Spalte ringförmig zu unterteilen.
Die virtuelle Kathode wurde als Äquipotentialfläche mit dem Potential Null definiert, d. h. mit andern Worten, dass die Elektronen dort die Gesehwindigkeit Null besitzen und sich sowohl in der Richtung zur Anode als auch zurück zur Emissionsquelle bewegen können. Es besteht also die Möglichkeit, dass die Elektronen Pendelungen um die Minimumpotentialfläche ausführen können ; derartige Schwingungen sind als Elektronentanzschwingungen bezeichnet und von Barkhausen und Kurz bereits beschrieben worden. In den meisten Fällen sind nun solche labile Zustände unerwünscht. Sie lassen
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troden fest verbunden werden. Man kann auch zum gleichen Zweck den Durchgriff durch das Verdichtungsgitter entsprechend gross, etwa grösser als 10%, wählen.
Die Fortpflanzung der Elektronenpendelungen in das Innere des Beschleunigungsgitters ist dann auch unmöglich, wenn die Elektronen beim Rückflug von der virtuellen Kathode nicht bis zur Emissionsquelle, sondern nur zum Beschleunigungsgitter gelangen können. Man muss in diesem Fall das Beschleunigungsgitter engmaschig ausführen, indem man beispielsweise diesem Gitter einen Dureh- griff von weniger als 5% gibt.
Eine andere Möglichkeit, um zu verhindern, dass durch die Elektronenpendelungen um die virtuelle Kathode herum eine Schwingungsanfachung innerhalb des Besehleunigungsgitters eintritt, besteht darin, dass man die Röhre unsymmetrisch aufbaut, beispielsweise wird das Steuergitter unsym- metrisch zum Besehleunigungsgitter gelegt. In diesem Falle liegen die Umkehrstellen für die Elektronen unsymmetrisch zur Emissionsquelle, und daher vollzieht sich die Pendelung an verschiedenen Stellen
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im Elektrodenaufbau kann jedoch nur unter Rücksichtnahme auf die angestrebte Steilheit der Kennlinie dargestellt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronenröhren mit mindestens drei zwischen einer äussersten Elektrode und der Kathode angeordneten Gittern, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre eine Äquipotentialkathode besitzt und eine zwischen der äussersten Elektrode und dem von der Kathode aus gerechnet zweiten Gitter gelegene Gitterelektrode in bezug auf ihre Nachbarelektroden derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die ihr auf der der Kathode abgekehrten Seite benachbarte Elektrode auf das kathodenseitig benachbarte Gitter einen Durchgriff besitzt der kleiner als 10% ist.