Entladeröhre reit Gas- oder Dampffüllung. An Entladeröhren mit Gas- oder Dampf füllung von vermindertem Druck kann be obachtet werden, dass mit von kleinen Werten an wachsender Stromstärke der Spannungs abfall über die Röhre zuerst abnimmt, um dann bei sehr hohen Stromstärken wiederum anzusteigen.
Dieser Anstieg kann dadurch sehr ver stärkt und zu kleineren Stromstärken verlegt werden, dass die Anode in eine Kammer ein geschlossen wird, welche durch eine blenden- förmige Öffnung mit der. übrigen Innenraum des Vakuumentladegefässes kommuniziert. Je kleiner der Inhalt dieser Kammer ist und je enger die kommunizierende Öffnung zwischen Kammer und übrigem Inhalt der Röhre ge wählt wird, um so steiler ist der Anstieg der Stromspannungscharakteristik oberhalb einer gewissen Strombelastung und um so kleiner ist die Stromstärke, von der an die Charak teristik wieder ansteigt.
Der Anstieg des Spannungsabfalles bei grösseren Stromstärken ist vermutlich zurück- zuführen auf eine Verarmung an positiven Ionen in der Umgebung der Anode. Beim Stromdurchgang wandern nämlich die.an der Kathode austretenden Elektronen nach der Anode, die positiven Ionen aber in umgekehr ter Richtung von der Anode nach der Kathode.
Da im allgemeinen eine Nachlieferung posi tiver Ionen aus der Anodenoberfläche nicht stattfindet, reicht bei grossen Stromstärken die Dichte der positiven Ionen in der Um gebung der Anode nicht mehr aus zur Kom pensation derElektronenraumladung. Es bildet sich dann in der Umgebung der Anode eine negative Raumladung, die den Anstieg der Stromspannungscharakteristik zur Folge hat.
Versuche zeigen nun, dass auf dem an steigenden Teil der Stromspannungscharak- teristik der Röhre hochfrequente Schwingun gen auftreten können, die in dem an das Minimum anschliessenden Bereich der anstei genden Charakteristik um so intensiver sind, je grösser die Stromstärke und damit auch der Spannungsabfall gewählt werden. Diese Verhältnisse sind in der Fig. 1 dar gestellt.
J bedeutet die Stromstärke durch die Röhre, Eden Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode. Von Punkt .. in der Nähe des Leerlaufes fällt der Spannungsabfall zunächst ab bis zu einem Minimum bei B, um von da wieder anzusteigen. Im Punkt C setzen Schwin gungen ein, die dann in Richtung nach dem Punkt D an Intensität zunehmen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Ent- laderöhre mit Gas- oder Dampfinhalt von ver mindertem Druck für die Zwecke der Erzeu gung, der Verstärkung und des Empfanges hochfrequenter elektrischer Schwingungen, bei welcher erfindungsgemäss in den Weg der Ent ladung zwischen Anode und Kathode min destens ein den Querschnitt der Entladung einengendes Organ angeordnet ist, das von dem Innenraum der Röhre einen an die aktive Anodenoberfläche angrenzenden Raumteil ab trennt, das Ganze derart, dass die Röhre mit Stromstärken betrieben werden kann, bei welchen in dem an die aktive Anodenober fläche angrenzenden Raumteil ein mit wach sender Stromstärke zunehmender Spannungs abfall besteht.
An Ausführungsbeispielen solcher erfin dungsgemässer Entladeröhren wurden folgende Beobachtungen gemacht. Verkleinert man die Grösse der Blendenöffnung, so beginnt der steile Anstieg bereits vor dem Punkte B an dem Punkt<I>B'</I> und geht nach C' und<I>D'.</I> Umgekehrt verschiebt sich der Anstieg bei grossen Blendenöffnungen in Richtung nach rechts, etwa zum Punkte F hin. Liegt der Anstieg in einem Gebiet von praktisch zu lässigen Stromstärken der Röhre, so stellt man ausserordentlich kräftige kurzwellige Schwin gungen fest. Es wird vermutet, dass ihre Wel lenlänge, wenn keine besonderen Resonanz kreise vorhanden sind, von der zufälligen Lage und Gestalt der Zuleitungen abhängt oder wenigstens mitbestimmt wird.
Es wurden Wellen von m und dm Länge beobachtet, doch dürfte sich der Bereich nach längeren Wellen bis in den Rundfunkbereich erstrecken. Eine genaue Grenze ist bisher noch nicht er- rnittelt worden. Die in Fig. 1 dargestellte vollständige Kurve ist unseres Wissens von uns zuerst beobachtet worden.
Sehr wahr scheinlich ist auch bei bekannten Röhren mit Blenden in der Gegend der Anode ein Anstieg der Charakteristik wie bei B-C-D vorhan den; aber dieser Anstieg liegt, weil die Blen- denöffnung nicht genügend verengt und der Anode nicht genügend genähert ist, bei Strom stärken oberhalb des Punktes F, also in einem Belastungsbereicb, den die Röhre nicht aus hält. Erst bei genügender Kleinheit der Blende ist die Beobachtung des Stromanstieges und die Erzeugung von Schwingungen bei prak tisch zulässigen Stromstärken möglich.
Um sich ein Bild von den vorliegenden Verhältnissen zu machen, sollen diese im folgenden rechnerisch untersucht werden: Die Anode sei eingeschlossen in eine Anodenkammer, die durch eine Öffnung vom Querschnitt F mit dem eigentlichen Entla dungsraum in Verbindung steht. Fliesst nach der Anode ein Strom J, so verlassen, wie eingehende Betrachtungen über Gasentladun gen zeigen, die Anodenkammer positive Ionen, welche eineu Strom Jp repräsentieren, der im Verhältnis der Wurzeln aus den Massen von Elektronen und positiver Ionen kleiner ist als der Strom J. Die Anzahl positiver Teilchen, die pro Zeiteinheit diese Querschnitts fläche F verlässt,
ist daher
EMI0002.0022
m8 und nap sind die Masse des Elektrons bezw. des positiven Ions. e = 1,59 # 10-19 Coulomb ist die Elementarladung; für Quecksilber ist
EMI0002.0028
Für eine Entladung im Quecksilberdampf erhält man dernach
EMI0002.0030
Dieser Entzug von positiven lohen durch die Querschnittsöffnung F infolge des Stromes J hat die Erniedrigung des Druckes im Innern der Anodenkammer gegenüber dem Äussern der Anodenkammer zur Folge. Nimmt man an, dass der Gasdruck sehr niedrig ist, z. B.
0,03 mm Quecksilbersäule, und die freie Weg länge der Gasteilchen vergleichbar ist mit dein Durchmesser der Öffnung F, so lässt sich diese Druckdifferenz in einfacher Weise be rechnen.
Es muss nämlich diese Druckdifferenz so gross sein, dass die Differenz der Anzahl Teil chen, die von aussen in die Kammer eintritt, und der Anzahl, die infolge der Temperatur bewegung aus dem Innern die Kammer ver lässt, gleich ist der Anzahl der durch die Stromstärke herausgeführten positiven Ionen. Nach der kinetischen Gastheorie durchsetzen eine Querschnittsfläche F in der Zeiteinheit eine Anzahl Teilchen
EMI0003.0003
p ist dabei der Gasdruck in mm Quecksilber säule und<I>T</I> die absolute Temperatur, ,u das Molekulargewicht des Gases.
Für den Über schuss an Teilchen, die mehr hinein als aus der Anodenkammer herausströmen, ergibt sich infolge davon
EMI0003.0006
Darin bedeuten p2 und T2 den Druck und die Temperatur ausserhalb, p1 und T; die ent sprechenden Grössen innerhalb der Kammer. Für Quecksilberdampf ist ss = 200 ange nommen.
Nimmt man an, es sei Tl=T2= <B>6250</B> abs., so ergibt sich, falls plan setzt Na-Ns4-Ngi
EMI0003.0015
das heisst, rechnet man in der Querschnitts- öflnung mit einer Stromdichte von ca.100 Amp. pro cm', so hat dies zur Folge eine Druck differenz von
EMI0003.0020
mm Quecksilbersäule zwi schen innen und aussen der Anodenkammer. Diese Erniedrigung des Druckes ist bereits derart beträchtlich, dass die durch die Quer schuittsöffnung F ins Innere der Anoden kammer eindringenden Elektronen nicht mehr in genügender Zahl in der Lage sind, positive Ionen zu bilden.
Infolgedessen tritt dann die die Grundlage der vorliegenden Erfindung bildende Verarmung an positiven Ionen ein. Es entstehen eine negative Raumladung, er höhter Spannungsabfall und hochfrequente Schwingungen.
Aus den vorstehenden, einfachen physika lischen Gesetzmässigkeiten ergibt sich für jede Stromstärke und gewünschte- Druckdifferenz die Grössenordnung der Querschnittsöffnung. Die genaue Ermittlung der Verhältnisse ist Sache des praktischen Versuches.
Bei einer von uns benutzten Röhre betrog die Spannung im Punkte C ca. 200 Volt, die Stromstärke 50 Amp. und die Grössenordnung der Blende lag bei 112, cm'.
In Fig. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
1 ist die Glaswandung der Vakuument- ladungsröhre, 2 die Glühkathode, 3 die Anode, 4 ist ein metallenes Gehäuse, das, von der Anode in geeigneter Weise isoliert, diese all seitig nahe umschliesst. In der der Kathode zugekehrten Wandung des Gehäuses befindet sich die als Blende dienende Öffnung 5. 6 ist der an die aktive Anodenoberfläche angren zende Raumteil, der durch die Blende vom Innenraum der Röhre abgetrennt wird. Diese Abtrennung muss nur soweit vorgenommen werden, dass jeder andere Weg für die Ent ladung zwischen Anode und Kathode gegen über dem Entladungsweg, der die Blende durchquert, höhere Spannungsabfälle benötigt und also praktisch nicht benutzt wird.
Es kann dies in bekannter Weise durch Anord nung enger und genügend langer spaltförmiger Zwischenräume zwischen Anode 3 und Ge häuse 4 geschehen.
Da die Röhre auf dem ansteigenden Aste der Charakteristik arbeitet, ist es möglich, einer Anode eine Mehrzahl von Blenden oder dergleichen gegenüber zu stellen, so dass an ein und derselben Anode mehrere parallel geschaltete Entladungen gleichzeitig bestehen. Diese Bauart ist in Fig. 3 dargestellt, in wel cher alle Ziffern die entsprechende Bedeutung haben wie in Fig. 2. An Stelle der einen Blende 5 sind hier drei Blendenöffnungen ein gezeichnet, welche wegen der positiven Cha rakteristik gleichzeitig parallel zu einander Strom führen können.
Das metallene Gehäuse 4 der Fig. 2 ist hier durch den Schirm 4 mit den Blendenöffnungen 5, der entweder dicht mit der Glaswand der Röhre verschmolzen, oder, wie in der Figur dargestellt, wieder durch einen engen Spalt an die Wand an schliessen kann.
Als Gas- oder Dampfinhalt der Vakuum entladeröhre kommen in Betracht: Ein Edel gas, ein Metalldampf, insbesondere Queck silberdampf, oder eine Mischung verschiedener Edelgase oder Metalldämpfe.
Damit die Blende im beschriebenen Sinne wirkt, ist es notwendig, dass sie von der aktiven Anodenoberfläche eine nicht zu grosse Entfernung habe. Die von der Blende nach der aktiven Anodenoberfläche ausgehende Elektronenstrahlunz darf in dem vom Innen raum der Röhre abgetrennten Raumteil ver hältnismässig wenig ionisierende Zusammen stösse mit dem Gas- oder Dampfinhalt zur Folge haben.. Es ist also erforderlich, dass die Elektronen von der Blende bis zur aktiven Anodenoberfläche höchstens einige mittlere freie Weglängen in dem verdünnten Gas- oder Dampfinhalt zurücklegen. Die von der Blende nach der aktiven Anodenoberfläche ausge hende Elektronenstrahlung ist in den Fig. 2 und 3 mit 7 bezeichnet.
Die Kathode der Vakuumentladeröhrekann entweder eine Quecksilberkathode oder eine Glühkathode beliebiger Konstruktion sein.
Infolge der Einengung der Entladung durch die Blende oder äquivalente Organe kann bei höherer Belastung an dem Organ eine erhebliche Wärmewirkung eintreten. Es ist daher angezeigt, das Organ aus einem hoch schmelzenden Material, insbesondere einem hochschmelzenden Metall herzustellen.
Unabhängig davon, ob die Röhre zur Er zeugung, zur Verstärkung oder zum Empfang hochfrequenter Schwingungen verwendet wird, ist es in den meisten Fällen nötig, hochfre- quente Schwingkreise anzukoppeln, da sonst die Dämpfung des gesamten Systems zu gross sein würde. Es ist dies analog den gewöhn lichen Röhrenschaltungen zu betrachten, die zwar auch in manchen Fällen ohne ange koppelte Schwingungskreise zur Schwingungs erzeugung benutzt werden können, z. B. bei sogenannten Kippschaltungen, während jedoch zur Erzielung grösserer Leistungen und besserer Ausnutzung angekoppelte Schwingungskreise sehr vorteilhaft sind.
Bei Ultrakurzwellen be stehen diese schwingungsfähigen greise ge wöhnlich nicht aus Selbstinduktion und Kapa zität, wie bei längeren Wellen, sondern haben die Gestalt von Lecherdrähten oder andern, beispielsweise kreisförmigen Leitergebilden, bei denen die Länge der Leitungen in be stimmter Beziehung zur Wellenlänge steht.
Ein Beispiel, wie ein Lechersystem bei der Röhre nach Fig. 3 angewendet werden kann (als Resonanzgebilde), ist in Fig. 3 veran- schatilicht. Hier ist das aus den Drähten 8 und 9 gebildete, auf die zu erzeugende Schwin gung in seiner Länge abgestimmte Lecher- system an die Blende und an die Anode an geschlossen. Ebensogut käme für diesen Zweck aber auch eine Verbindung an Anode und Kathode in Frage. Während in dem darge stellten Beispiel die Ankopplung galvanisch erfolgt, ist es in vielen Fällen auch vorteil haft, besonders z.
B. bei Verwendung mehrerer Röhren, die zusammen auf ein gemeinsames Strahlungsgebilde gekoppelt werden sollen, die Ankopplung feldmässig vorzunehmen. Dies geschieht etwa in der Weise, dass an be stimmten Stellen des Lechersystems eine der artige Röhre zwischen die beiden Leiter ge bracht wird, .um durch die Kopplung mit den benachbarten Leitern das System zu Schwin gungen anzuregen und durch die Rückwirkung auf die Röhre selbst die Intensität der Schwin gungen zu steigern. Derartige Anordnungen sind für andere Arten von Kurzwellenröhren bekannt und sollen daher hier nicht näher erläutert werden.
Ein Hauptanwendungsgebiet vorstehend beschriebener Vakuumentladeröhre bildet die Erzeugung sehr kurzer elektrischer Wellen.