Elektrisches Entladuugsgefäss mit Glühhathode und gasförmiger Füllung. Die Erfindung bezieht sieh auf Glüli- kathodenröhren mit Gas- oder Dampffül- lung, die ausser den Hauptelektroden, zwi- sellen denen eine lichtbogenähnliche Entla dung stattfindet, noch eine Steuerelektrode zur Steuerung besitzen.
Entladungsgefässe, die mit Steuerelek troden versehen sind, können in zwei Haupt klassen eingeteilt werden: <B>1.</B> Entladungsgefässe, in denen im we sentlichen eine Elektronenentladung statt findet, die durch Änderung der Spannung der Steuerelektrode stetig, geändert. werden kann. In gewissen Fällen enthalten derartige Röhren genügend Gas, so dass durch dessen Ionisierung der Elektronenstrom entspre chend dem besonderen Verwendungszweck, zum Beispiel für die GleicUrichtung von Hochfrequenzwellen, geändert wird. Doch ist die Ionisierung des Gases', allgemein gespro chen, bei dieser Klasse von Röhren eine Nebenerscheinung.
Der Spannungsabfall an solchen Röhren nimmt mit wachsendem Strom zu, das heisst die Spannungsstrom- 2D Charakteristik ist positiv.
2. Entladungsgefässe. bei denen eine ge- ,ügend hohe negati ve Spannung an der Steuerelektrode den Entladungsstrom voll kommen verhindert, jedoch eine geringere negative oder positive Gitterspannung das Einsetzen des Stromes zwischen den Haupt elektroden einleitet, wobei dann nach Ein setzen des Stromes die Gitterspannung keinen Einfluss mehr ausübt.
Der Strom kann bei dieser Art von Entladungsgefässen lediglich durch Entfernen der Anodenspan- iluno, unterbrochen werden, was cewöhiil'eh dadurch geschieht, dass'die Anode mit Wech selstrom gespeist wird. Das Gitter wird da bei lediglich dazu benutzt, um infolge der ihm gegebenen Vorspannung den Punkt zu bestimmen, an dem während jeder Halb periode der Anodenspannung der Anoden strom einsetzt, das heisst, das Gitter wirld lediglich als Auslöser.
Solche Gefässe ent halten Gas oder Dampf von so hohem Druck, dass durch ihre Ionisation die Raumladung aufgehoben wird und die Röhren mit einem Spannungsabfall zwischen Anode und Ka thode arbeiten, der nicht merklich höher ist als die Ionisierungsspannung des Gases. Die Stromspannungs-Charakteristik solcher Ge fässe verläuft im allgemeinen flach oder schwach negativ, das heisst der Spannungs abfall nimmt mit wachsendem Strom ab. Die Entladung besitzt also eine lichtbogenähn- lielie Charakteristik.
Die Erfindung bezieht sich nun auf Ent ladungsgefässe der zweiten Art mit gesteuer ter, bogenähnlicher Entladung. Solche Ent- ladungsgefäss-e sollen im folgenden als gitter gesteuerte Entladungsgefässe mit Glühka- thode und Gas- oder Dampffüllung oder kurz als Entladungsgefässe mit Gas- oder Dampffällung bezeichnet werden. Für die Steuerel-ektrode solcher Röhren hat man be reits verschiedene Konstruktionen vorge schlagen. Bei gewissen Ausführungsformen ist die Steuerelektrode als Drahtnetz ausge bildet, das quer zur Entladun-#sstrecke in dem Glasgefäss' angebracht ist.
Bei andern Ausführungsformen umgibt das Gitter die Anode, wieder bei andern die Kathode.
Alle diese Konstruktionen weisen aber cr. W Ce isse Nachteile auf. Bei den beiden zu erst genannten Ausführungsformen muss erstens das Gitter positiv sein, damit die Ent ladung einsetzt.
Infolgedessen ist der Ener- crieverbrauch für die Steuerung sehr be- trächtliell. Zweitens wird bei diesen Aus führungsformen die Steuerwirkung des Git ters unbestimmt infolge der zufälligen Span- nunuen, die bei Fehlen eines Elektronen- fän--ers zwischen Kathode und Gefässwand an letzterer auftreten. Diese Spannungen hängen vom Ionisationsgrade, Dampfdruck und andern Faktoren ab.
Bei der Ausfüh rungsform, wo das Gitter die Kathode um- t' 1.ibt und dieses wiederum von der Anode umgeben ist, treten diese Nachteile nicht auf vielmehr besitzt eine solche Röhre eine ein deutig reproduzierbare Charakteristik mit negativen Werten der Gitterspannung, so dass zur Steuerung nur ein sehr geringer Energiebetrag nötig ist.
Jedoch ist bei diesen Röhren der !Xi--"#,imalstrom., der überhaupt ge steuert werden kann, begrenzt durch den Wert, bei dem das Gitter so weit erhitzt wird, dass es Elektronen aussendet. Mit an- (lern Worten, bei Anordnung des Gitters in der Nähe der Kathode verliert es seine Wirk samkeit, die es durch diese Anordnung ge wonnen hat, zum Teil wieder durch die er höhte Wärmeabsorption, infolge deren das Gitter selbst Elektronen aussendet.
In Röh ren mit Kathoden mit Bariumüberzug beträgt dieser Grenzstrom, bei dem noch eine zuver lässige Steuerung bei geringem Energiever brauch möglicli ist, 0,2 bis 0,25 Ampere pro cm' der CTit.t.eroberfläehe. Bei allen diesen bisherigen Konstruktionen besteht das Git ter aus einem Dralitnetz oder einem durch löcherten Blech, durch dessen Offnuncen die Entladuno- hindurch stattfinden muss.
<B>C</B> Erfindungsgemäss werden alle diese Nach teile dadurch -vermieden, dass die Steuerelek trode als Metallhohlkörper, der leicht gekühlt werden kann, ausgebildet. tind in solcher Länge in der Röhre angeordnet wird, dass sie die Entladungsstrecke zwischen Anode und Kathode vollständig umschliesst. Der Zylinder kann von der Gefässwand getrennt sein oder auch mit ihr vereinigt werden. In letzterem Falle kann das Gefäss, in dem die Elektroden untergebracht sind, aus Metall hergestellt werden, wobei dann Vorsorge ge troffen ist, dass Kathode, Anode und Gitter gegeneinander isoliert sind.
Durch eine der artige Steuerelektrode kann das Einsetzen der Entladung genau so ausgelöst werden, wie durch ein Drahtnetz, das zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Jedoch treten hier nicht die Nachteile, dieser Konstruktion auf.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungs gemässen Konstruktion besteht darin, dass sie leicht gekühlt werden kann, so dass einer schädlichen Elektronenemission des Gitters vorgebeugt werden kann und infolgedessen wesentlich yrössere Ströme als bisher ge steuert werden können.
Es muss hier beson- ders hervorgehoben werden, dass bei einer reinen Elektronenentladung im Hoelivakuum zwar das Problem der Elektronenemission durch das Gitter eine gewisse Bedeutung be sitzt, dass aber bei Röhren mit Bogenent ladung sieh die Emission des Gitters in ganz anderer Weise schädlich auswirkt, indem nämlich schon bei geringer Emission der Hauptbogen zündet, selbst wenn die Gitter- vorspannung sehr grosse negative Werte be sitzt.
Denn augenscheinlieh sind die vom Gitter ausgesandten Elektronen, soweit der Zündvorgang in Frage kommt, gleichbedeu tend mit Elektronen, die von der Kathode ausgehen, und falls ihre Zahl genügend gross ist, um die Zündung zu bewirken, kann hin terher keine negative Spann1--ing mehr die Entladung verhindern oder steuern. Wenige Mikroampere Gitteremission reichen im all gemeinen vollständig aus, um die Steuerung bei<B>110</B> Volt Anodenspannung zu verderben, während bei Hoclivakuumröhren eine um das Vielfache grössere Emission des Gitters die Wirksamkeit der Steueruno, nicht beein- träclitigt.
<B>in</B> Die Erfindung soll anhand der Zeieli- nung, in der zwei Ausführungsbeispiele dar gestellt sind, näher erläutert werden.
Das gas- oder dampfgefüllte Entladungs gefäss der Abb. <B>1</B> besteht aus einem längli chen Glasgefäss<B>1,</B> in dem sieh die Kathode 2 und die Anode<B>3</B> befinden. Die Anode zeigt bech#erförmige Gestalt, kann aber auch die Form einer Scheibe oder eines Stabes haben und kann zum Beispiel aus Nickel bestehen. Weiterhin ist eine elektrostatisch wirkende Steuerelektrode 4 vorgesehen, die auch aus Nickel bestellen kann und im folgenden kurz als Gitter bezeichnet wird. Der Entladungs raum enthält ein verdünntes Gas, zum Bei spiel Argon von einem Druck von<B>5</B> bis<B>250</B> Mikron H"r oder Dampf, der von einem klei nen Quecksilberkügelellen in der Röhre her rührt.
Wenn Queeksilberdampf benutzt wird, sollte ein Teil der Gefässwand auf einer genügend hohen Temperatur gehalten wer den, um einen Dampfdruck von weniger als <B>1</B> mm zu erzeugen, Die Kathode aus Nickel oder Eisen um- fasst ein Mittelteil<B>5,</B> innerhalb dessen sich eine Heizspirale<B>7</B> aus Wolfram oder derglei- clien befindet und an dessen Aussenseite Flügel<B>6</B> angeschweisst sind. Das Heizele ment<B>7</B> ist in der Hülse<B>5</B> isoliert -angebracht, um einen Kurzschluss während des Betriebes zu vermeiden. Es besitzt die Zuleitungen<B>9.,</B> <B>10.</B> Ein Ende der Heizspirale kann mit der Hülse<B>5</B> verschweisst sein.
Konzentrisch um die Hülse<B>5</B> ist ein äusserer Zylinder<B>11</B> an geordnet, der an dem von der Anode abge wandten Ende geschlossen ist. Er dient da zu, die Wärmeverluste der Flügel<B>6</B> herabzu setzen und so die Kathode bei geringer Heiz- leistung auf einer genügend hohen Tempera tur zu halten. Die Flügel<B>6</B> und die Innen seite der Hülse,<B>11</B> sind in an sich bekannter Weise mit einem hochemittierenden Material, wie zum Beispiel seltenen Erde oder Erd- alkaliverbindungen, wie Bariumkarbonat. bedeckt, so dass, wenn die Kathode zum Bei spiel mit Wechselstrom geheizt wird, Elek tronen in Richtung auf die Anode ausge sandt werden.
Die Kathode wird zweck- mä,ssio-erweise durch Erhitzen im Vakuum bis dicht unter den Schmelzpunkt des Nickels formiert, wobei das entw-eieliende Gas abge pumpt wird.
Die Anode<B>3</B> besitzt eine Zuführung 12. die in den Glasfuss<B>13</B> eingesehmolzen ist. Das Gitter ist nun als Metallzylinder 4 ausgebildet und konzentrisch um Kathode und Anode in solcher Länge angeordnet, dass es diese Elektronen im wesentlichen bis an ihre hintern Flächen umgibt. Das Gitter wird durch die Drähte 14 getragen, von denen einer mit der Zuleitung<B>15</B> verbunden ist. Da das Gitter sich ausserhalb der Ent ladungsstrecke Kathode-Anode befindet, bleibt seine Temperatur verhältnismässig niedrig, so dass heine Elektronen von ihm ausgesandt werden und seine Steuerwirkung infolgedessen sehr gut ist.
Infolge der an- ,gebenen ge Anordnung 2# bildet das Gitter aber auch zugleich einen Schirm für die Glas wand, so dass sich diese nicht aufladen kann und infolgedessen einzig und allein das Git- C -ter die Rolle als Steuerorgan ausübt. Es hat sich herausgestellt, dass ein so ausgebildetes und angeordnetes.
Gitter, wenn es eine nega tive Vorspa-nnung, sei es nun eine Gleich spannung oder eine Wecliselspannung von gegen die Anodenspannung geeigneter Phase erhält, die Entladung zwischen den Haupt elektroden ohne wesentlichen Energiever- -brauch steuert. Zur Vergrösserung der Wärmeabstrahlung und damit Herabsetzung der Möglichkeit, Elektronen auszusenden, kann die äussere Fläche des Steuerzylinders noch mit Kühlfahnen versehen sein oder, wie in Abb. 2 dargestellt ist, direkt der Luft aus gesetzt werden.
In Abb. 2 bildet das Gitter 4 einen Teil der Gefässwand zwischen den Elektoden 2 <B>und 3,</B> die durch Glasteile<B>16</B> voneinander isoliert sind. Die Anode<B>3</B> ist als Graphit stab dargestellt, der mittelst Schrauben- gewind-e an der Zuführung<B>17</B> befestigt ist, die ihrerseits in die Metallkappe<B>18</B> eingelas sen ist.
Es ist augenscheinlich, dass die hier be schriebene Ausbildung der Steuerelektrode als Zylinder, der die Kathode und Anode ausserhalb der Entladungsstrecke umgibt, nicht für Hochvakuumröliren in Frage kommt, wegen der bei diesen Röhren auf tretenden hohen Raumladung, die den Strom bei den praktisch in Betracht kommenden Spannungen auf Werte begrenzt, die äusserst klein sind im Verhältnis! zu dem bei gitter gesteuerten Entladungsgefässen mit Gas- oder Dampffüllung erhaltenen Strömen. So ist bei den Röhren der Abb.' <B>1</B> und 2 der maximale, reine Elektronenstrom nach dem bekannten.
Langmuirse,lien Raumladungsgesetz abhän <B>gig</B> von dem Verhältnis von Steuerzylinder- durchmesser zu Abstand Kathode-Anode. Um eine genügende Steuerwirkung zu erzie len, darf dieses Verhältnis nicht grösser als 2/:; sein. Bei diesem Verhältnis beträgt der Maximalstrom bei<B>100</B> Volt etwa ein Milli- ampere. Dieser Wert ist sehr klein, vergli- ehen mit den Strömen, wie sie bei den übli- Aen Röhren mit reiner Elektronenladung er- halten werden.
Dagegen liefern Röhren ge mäss, der Abb. 2 mit Gas- oder Dampffüllung mit geeignetem Druck Ströme von<B>800</B> Am pere bei 12 Volt. Diese Ströme können mit der gleichen Energie und der gleichen Zu verlässigkeit wie der Strom von einem Milli- ampere bei reiner Elektronenentladung ge steuert werden.
Liegt zum Beispiel eine Spannung von 20000 Volt an Anode und Ka thode, sor genügt eine negative Gitterspan nung von 20 Volt, um den Stromfluss zu unterbinden, während eine negative Gitter spannung von<B>19</B> Volt die vollen<B>800</B> Am pere durchlässt. Es kann also eine Leistung von 6000 Kilowatt durch eine Spannungsän- derun- des Steuergitters von<B>1</B> Volt zuver lässig gesteuert werden, bei einem Energie verbrauch von etwa einem Mikrowatt.
Die Kathode 2 der Abb. 2 ist ganz ähn lich konstruiert, wie die der Abb. <B>1.</B> Sie -wird durch den.hohlen Metallzylinder<B>19</B> in der geeigneten Entfernung von der Anode gehalten. Dieser Zylinder<B>19</B> dient gleich zeitig als eine Kathodenzuführung, während die andere durch den Leiter 20 gebildet wird. der im Innern des Zylinders<B>19</B> verläuft.
Entladungsgefässe der beschriebenen Art können, wenn sie mit Wechselstrom geeigne ter Spannung betrieben werden. so dass eine lichtbogenähnliche Entladung entsteht, als Relais und überall da Verwendunc finden, wo grosse Ströme, das heisst Ströme von vie len Ampere, benötigt werden. Diese Ströme lassen sich dann durch Anlegen von Gleich- oder Wechselspannung an das Gitter des Ge fässes bei einem Energieaufwand von einem Bruchteil eines Mikrowatt zuverlässig steuern.