Elektrische Entladungsröhre mit Glühkathode und Gasfüllung. Die sich auf eine elektrische Entladungs= röhre mit einer Glühkathode und einer Gas füllung beziehende Erfindung bezweckt in der Hauptsache, die Kathode in einer solchen Entladungsröhre für grosse Entladungsströme geeignet zu machen.
Unter "Gasfüllung" ist hier auch eine Füllung mit einem Dampf oder einem Dampf-Gasgemisch zu verstehen.
Die Gasfüllung in Entladungsröhren der vorgenannten Art wird namentlich dazu an gewendet, um sehr grosse Stromstärken ohne grosse Verluste zu ermöglichen, da durch die Ionisation des Gases die Raumladung aufge hoben wird, und die Gasionen an der Strom führung teilnehmen. Die Entladungsröhren können zum Beispiel als Gleichrichter An wendung finden, mit denen grosse Ströme mit einem geringen Spannungsverlust, also mit günstigem Wirkungsgrad gleichgerichtet werden können. Ferner können die Röhren, auf welche sich die Erfindung bezieht, für mancherlei andere Zwecke, zum Beispiel als Relaisröhren und für Beleuchtungszwecke verwendet werden. Die Entladung hat im all gemeinen einen Lichtbogencharakter.
Wenn nun die Glühkathode in solchen Entladungsröhren für sehr grosse Stromstär ken geeignet gemacht werden soll, so be stehen verschiedene Schwierigkeiten. Wenn die Kathode zum Beispiel<B>1000</B> Amp. oder mehr liefern soll, so muss eine grosse emittie rende Oberfläche vorhanden sein. Wenn die Kathode direkt geheizt werden soll, was immer die einfachste Lösung ist, so ist es erforderlich, die Kathode sehr lang zu ge stalten.
Infolgedessen muss eine hohe Heiz- spannung angelegt werden, und es machen sich sämtliche davon herrührenden Schwie rigkeiten bemerkbar, unter andern. auch jene hinsichtlich der Isolierung, der Entladungs gefahr zwischen verschiedenen Teilen des Glühdrahtes, des Unterbringens einer gro ssen Drahtlänge usw. Wenn man diese Heiz- spannung herabzusetzen wünscht, so muss die Kathode einen sehr grossen Querschnitt haben, und im Zusammenhang damit ent stehen grosse bauliche Schwierigkeiten.
In Radioröhren wurden bereits früher Kathoden mit parallel geschalteten Teilen verwendet, die sich alle parallel zu einer um gebenden Anode erstreckten, aber die Anwen dung solcher Kathoden in gasgefüllten Ent ladungsröhren führte die grosse Schwierig= keit herbei, dass sich die Entladung auf einer einzigen der parallelen Kathoden konzen trierte und die Kathode somit sehr ungleich mässig belastet wurde. In der Praxis haben sich deshalb solche Kathoden für gasgefüllte Entladungsröhren nicht bewährt.
Die Erfindung beruht nunmehr auf der Erkenntnis, dass eine Bemessung der Katho denteile möglich ist, bei der eine zufällig bei einem Teil eintretende Vergrösserung des emittierten Stromes keine oder wenigstens keine bedeutende Erhöhung der Temperatur dieses Teils zur Folge hat, wodurch somit eine örtliche Konzentrierung des Entladungs bogens vermieden wird. Diese Erkenntnis wird wie folgt erläutert.
Die Erhitzung eines Teils eines Katho dendrahtes mit einer Länge dx wird durch vier verschiedene Ursachen bedingt, und zwar: 1. durch den von aussen her durch den Glühdraht hindurchgeschickten Reizstrom If. Wenn der Widerstand des Elementes dx mit dr bezeichnet wird, so beträgt die demzufolge erhaltene Wärmemenge je Zeiteinheit lf2 # dr;
2. durch die aus dem Entladungsbogen an der Kathode freiwerdende Wärme, die eine Funktion der Bogenspannung Eh(,) im betrachteten Punkt und dem durch das er wähnte Element emittierten'Strom dlem pro portional ist. Die hierdurch erreichte Er hitzung des Elementes kann also mit /'(E,, <I>( ) -</I> dI "m angegeben werden.
3. es entsteht weiter eine Abkühlung des Kathodenelementes durch die für die Aus trittsarbeit p benutzte Energie, die wieder dem durch das Element emittierten Strom proportional ist und folglich mit (p <I>.</I> dIem an gegeben werden kann; 4. schliesslich spielt für die Erhitzung des Elementes die Summe der verschiedenen Ströme<I>dl""</I> eine Rolle. Dieser Verlauf ist in Fig. 4 der Zeichnung näher erläutert. Es gehen diese Elementarströme dIem jeweils von den auf einer Entfernung x von dem be trachteten Element der Glühkathode dx ge legenen Punkten der Kathodenoberfläche aus.
Die Intregrierung all dieser Elementar ströme dIe", über dem Intervall von o bis<I>x,</I> von dem Längenelement dx aus gemessen, ist also nach dem Joule'schen Gesetz als Wärmemenge in der Formel
EMI0002.0036
<I>'</I> dr aus zudrücken, wobei dr 'den Widerstand des betrachteten Längenelementes der Kathode darstellt.
Wenn-man die Gesamtwärmezufuhr eines Elementes mit dZVT bezeichnet, so bekommt man die folgende Gleichung:
EMI0002.0041
Da die vom Glied I i'<I>.</I> dr herrührende Wärmezufuhr konstant bleibt, und der Ein fluss der im Bogen freiwerdenden Wärme f(Eb(p verhältnismässig gering ist und sich auch praktisch wenig verändert, ist sofort ersichtlich, dass die Glieder, in denen 99 und in denen dr <I>.</I> dI Zem vorkommt, die wichtigste Rolle für die Erhitzung spielen.
Da die Austrittsarbeit p für eine Kathode bestimmter Zusammensetzung feststeht, ist es nicht möglich, die gegenseitigen Grössenver hältnisse des (dr <I>.</I> dI2em) und des (-gp) ent- haltenden Gliedes durch Änderung des Wertes zu beeinflussen.
Es lassen sich jedoch die erwähnten positiven und negativen Glie der dadurch gegeneinander aufheben, dass dr so klein gewählt wird, dass das (dr. dl'ei") enthaltende Glied von derselben Grösse ist, wie das negative Glied mit (-g@). Dieses ist damit gleichbedeutend, dass das Kathoden element einen entsprechend geringen Wider stand hat, da der Ausdruck dr <I>.</I> dl'"" durch den Faktor d7-, das heisst durch den Wider stand beherrscht wird.
Offensichtlich braucht man dabei nicht so weit zu gehen, dass das 92 enthaltende Glied überwiegt, so dass bei Zunahme des emittier ten Stromes eine Abkühlung des Kathoden elementes auftritt, denn es mag die Tempe ratur eines Kathodenelementes bei grösseren emittierten Strömen wohl zunehmen, wenn nur nicht die Temperatur, bei der das Ele ment Schaden erleidet oder sogar schmilzt, überschritten wird.
Bei einer günstigen Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung geht man in der Tat mit der Verringerung des Widerstandes der parallel geschalteten Teilkathoden so weit, dass sich diese Teile bei einer emittier ten Stromstärke, welche die normal zulässige übersteigt, abkühlen, was auch visuell wahr nehmbar ist.
Diese Erscheinung wird mit "Ablichten" der Kathodenteile bei grösserer Stromstärke bezeichnet.
Den geringen Widerstand der Kathode bei einer bestimmten emittierenden Ober fläche kann man dadurch erhalten, dass die parallel geschalteten Kathodenteile kurz und dick ausgebildet werden. Diese Abmessun gen kommen in der Spannung zum Aus druck, die für den Heizstrom an die Kathode angelegt werden muss. Im allgemeinen wird die Kathode derart ausgebildet, dass diese Spannung höchstens 1 Volt beträgt.
Wenn eine Anzahl parallel geschalteter Kathoden verwendet wird, so muss dafür Sorge getragen werden, dass an jede Kathode die gleiche Spannung für den Heizstrom an gelegt wird. Bei einer praktischen Ausfüh- rungsform erfolgt dies dadurch, dass die zu sammengesetzte Kathode aus zwei parallelen Scheiben oder Ringen aufgebaut wird, zwi schen welche die Teilkathoden parallel ge schaltet werden.
Jeder Ring oder jede Scheibe ist mit einigen Stromzuführungslei- tern ausgestattet, die derart angebracht sind, dass der Spannungsverlust durch die Scheibe oder den Ring von der Befestigungsstelle des Stromzuführungsleiters weg bis zu jedem Be festigungspunkt einer Kathode praktisch gleich ist. Dies kann man somit gleichzeitig dadurch fördern, dass die Scheiben oder Ringe hinreichend dick ausgebildet werden.
In der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Gegenstandes der Erfin dung dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Aus führungsform der Kathode für eine Entla dungsröhre gemäss der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine Entladungsröhre mit einer etwas anders ausgeführten Kathode; in Fig. 3 ist die Kathode gemäss Fig. 2, ge sondert in vergrössertem Massstab schaubild lich dargestellt, und Fig. 4 dient zur Erläuterung der mathe matischen Formeln.
In Fig. 1 sind vier - parallel geschaltete Teilkathoden 1, 2, 3 und 4 dargestellt. Die Enden sind an die Zuführungsleiter 5 und 6 geschweisst. Diese erstrecken sich in ent gegengesetzter Richtung, so dass das Span nungsgefälle in den Zuführungsleitern für jede Kathode das gleiche ist und somit an jede Kathode die gleiche Spannung angelegt wird. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die parallel geschalteten Kathoden nur einige Windungen haben. Sowohl die Zuführungs leiter 5 und 6, als auch die Kathoden 1-4 bestehen aus Wolfram, das mit einer Nickel bekleidung versehen sein kann.
Auf die Ka thoden kann ferner ein Nickeldraht schrau benförmig aufgewickelt sein. Die Kathoden sind mit einem Oxyd von starker Emissions fähigkeit, zum Beispiel Bariumoxyd, über zogen und können statt eines Wolframkernes zum Beispiel auch einen Nickelkern ent halten. In Fig. 2 ist die zusammengesetzte Ka thode 7 in einem Glasgleichrichter 8 ange ordnet. Die hohle Anode 9 besteht aus Gra phit und ist auf einem AZetallröhrchen 10 an geordnet, das mit der aus Chromeisen be stehenden, an die Glaswand aasgeschmolzenen Scheibe 11 ein Ganzes bildet oder damit ver bunden ist.
Um das Rohr 10, das für die Kühlung der Anode mittels einer Flüssigkeit benutzt werden kann, ist ein Steatitröhrchen 12 angeordnet, um zu vermeiden, dass sich das Rohr 10 an der Entladung beteiligt.
Die zusammengesetzte Kathode 7 besteht aus zwölf parallel geschalteten Teilkathoden 13, von denen jede einer der Teilkathoden 1-I gemäss Fig. 1 entspricht. Die Teilkatho den 13 sind mit ihren Enden einerseits an eine Scheibe 14, anderseits an einen Ring 15 geschweisst. Der Zuführungsleiter 16 der Scheibe 14 erstreckt sich durch die -Mitte des Ringes 15. Dieser hat zwei Zuführungsleiter 17, die in gegenüberliegenden Punkten mit dem Ring 15 verbunden und in einiger Ent fernung von diesem Ring zu einem einzigen Zuführungsdraht 18 vereinigt sind.
Auf diese Weise ist es möglich, die Zuführungsleiter hinreichend gegeneinander isoliert zu halten. Die entsprechend ' bemessene Dicke der Scheibe 14, des Ringes 15 und der Befesti gungsstellen der Stromzuführungsleiter be wirken, dass der Spannungsverlust von diesen Befestigungsstellen weg bis zu den Befesti gungsstellen der Kathoden für sämtliche Ka thoden praktisch gleich ist.
Die Zuführungsleiter 16 und 18 sind durch die Wand der Entladungsröhre hin durch mittels an der Glaswand festgeschmol zener Chromeisenscheiben 19 und 20 ein geführt.
Die anhand der Fig. 2 beschriebene Ent ladungsröhre hat bei einer bestimmten Aus führungsform eine aus Quecksilberdampf be stehende Füllung, wobei flüssiges Quecksil ber vorhanden ist. Die Temperatur der Stelle, an der sich .das Quecksilber vorfindet, wird so bestimmt, dass dieses einen Druck von annähernd '/lo mm hat. Bei der hier beschriebenen Ausführungs form sind die gesonderten parallel geschalte ten Kathodenteile derart bemessen, dass bei einer Spannung von 0,8 V durch jeden Teil der erforderliche Strom von ungefähr 10 A hindurchgeht.
Es zeigt sich, dass die parallel geschalte ten Kathodenteile gleichmässig glühen, auch bei sehr grossen Entladungsströmen, zum Beispiel von 800 Amp.
Bei einer praktisch ausgeführten, mehr fachen Kathode ergaben sich nachfolgende Daten: 12 Teilkathoden aus 1,8 mm dickem be wickelten Wolframdraht mit je drei Win dungen von 10 mm äusserem Durchmesser sind auf die Art und Weise von Fig. 3 gleichmässig verteilt in einem Kreise an geordnet. Der Durchmesser dieses Kreises be trägt 40 mm, die Scheibe 14 weist ebenfalls diesen Durchmesser auf und ist 7 mm dick, der Ring 15 hat einen kreisförmigen Quer schnitt von 8 mm Durchmesser und einen äussern Durchmesser von 40 mm, die Zufüh rungen 17 weisen Durchmesser von 8 mm auf, die Leiter 16 und 18 einen Durchmesser von 12 mm.
Derartige Teilkathoden nehmen bei 0,8 Volt ungefähr 40 Amp. Heizstrom auf, so dass der totale Heizstrom zirka 480 Amp. beträgt. Diese Kathode arbeitet bei einer Temperatur von zirka<B>1000'</B> C.
hieben der erwähnten Gasfüllung sind verschiedene andere Gasfüllungen möglich, und es können auch Gemische von Gasen und Dämpfen verwendet werden.