Verfahren zum Betrieb von Gasentladungsgefässen mit vor den in Anodenschutzrohren befindlichen Anoden angeordneten Teilhülsen. Es ist bei Entladungsgefässen, insbeson dere Quecksilberdampfgleichrichtern, sowie sonstigen Stromrichtern bereits bekannt, vor den von Anodenschutzrohren umgebenen Anoden Teilhülsen anzuordnen, welche die Aufgabe haben, die Belastbarkeit von Va kuumentladungsapparaten mit Gas- oder Dampffüllung wesentlich zu erhöhen, ohne dass die Gefahr von Rückzündungen oder hochfrequenten Schwingungen auftritt.
Gemäss der Erfindung werden derartige Entladungsgefässe derart betrieben., dass der Druck in dem Gefäss ständig oberhalb der Grenze gehalten wird, bei welcher der vom Druck abhängige Sättigungsstrom pro Teil hülse seinen Höchstwert erreicht.
Bei Entladungsgefässen mit zusätzlicher Edelgasfüllung wird vorteilhaft zur Auf rechterhaltung des gewünschten Gasdruckes eine selbsttätig wirkende Vorrichtung zum Nachfüllen von Edelgas vorgesehen. Anhand der beiliegenden Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
F'ig. 1 zeigt beispielsweise einen Queck- silberdampfgleichrichter zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung; Fig. 2 stellt in vergrösserter Darstellung eine Draufsicht auf die Teilhülsen dar, und Fig. 3 stellt den Sättigungsstromwert in Abhängigkeit von dem Gasdruck dar.
1 ist das Vakuumgefäss des Quecksilber dampfgleichrichters, 2 ist die Kathode und 3 sind die Anoden, die mittels eines Isolators 4 eingeführt und mit einem Anodenschutz rohr 5 umgeben sind. In dieses Anoden schutzrohr sind die Teilhülsen 6 leitend oder isoliert eingesetzt, deren Querschnittsform. wie in Fig. 2 dargestellt, bienenwabenförmig ist.
Selbstverständlich können die Teilhülsen aber auch irgendeine andere Querschnitts form besitzen, ferner können sie in Form ein facher Roste ausgeführt werden. 7 ist ein Schauloch, durch welches die Teilhülsen<B>6</B> beobachtet werden können. 8 ist der Kon densationsdom, der ebenso wie das Gleich- riclhtergefäss mit Kühlräumen 9 umgeben ist. 10 bezeichnet ein in die Kathode eingesetztes Schutzrohr.
Rechnung und Versuch haben nun erge ben, dass für die Stromstärke, mit der die Anode belastet werden kann, ohne da3 Rück zündungen eintreten, zwischen der Länge L, die dem Abstand von der Anodenoberfläche bis zum untern Rand der Teilhülsen ent spricht, und dem Gas- oder Dampfdruck im Innern des Vakuumgefässes 1 ein bestimmter Zusammenhang besteht, der gewahrt werden muss. Dies ergibt sich aus folgendem.
Es sei zunächst angenommen, dass der Gasdruck auf einem ganz bestimmten Wert konstant gehalten wird, zum Beispiel da durch, dass die Temperatur des Vakuumge fässes, insbesondere die Temperatur .der Wände, welche für den Quecksüberdampf- druck im Anodenraum massgebend ist, kon stant bleibt oder dadurch, dass, in das Va- kuumentladungsgefäss ein indifferentes Gas, zum Beispiel ein Edelgas, eingefüllt und auf einem konstanten Druck gehalten wird.
Be obachtet man nun durch das Schauloch 7 die Teilhülsenfläche und regelt die Stromstärke, die über die Anode 3 fliesst, von kleinen zu höheren Werten, so erkennt man, dassi bei kleinen Stromstärken für die Stromaufnahme der Anode nur eine einzige von den vielen Teilhülsen 6r in Anspruch genommen wird.
Bei allmählicher Steigerung der Stromstärke geht dann bei einem ganz bestimmten Strom wert i der Strom plötzlich auf zwei Teil hülsen über und bleibt auf diesen Teilhül sen, bis für jede der beiden Teilhülsen der selbe kritische Stromwert erreicht ist, mit welchem vorher eine Teilhülse belastet war.
Bei jeder weiteren .Steigerung der Strom stärke nehmen dann drei Teilhülsen am Stromtransport teil, und zwar wiederum so lange, bis auf jede dieser Teilhülsen derselbe kritische Wert i entfällt wie vorher beim Be trieb mit einer bezw. zwei Teilhülsen, das heisst mit andern Worten, die Zahl der am Stromtransport teilnehmenden Teilhülsen ist proportional der Gesamtstromstärke an der Anode, und zwar ist:
Die Gesamtstromstärke <I>1=</I> 7a <I>. i.</I>
In dieser Formel ist "n" die Zahl der am Stromtransport beteiligten Teilhülsen, "i" der pro Teilhülse maximal übertragene Strom und "1" die Gesamtstromstärke.
Bei weiterer Steigerung der Gesamt stromstärke erreicht man den Zustand, bei welchem sämtliche Teilhülsen am Strom transport beteiligt sind. Von dieser Strom stärke an muss bei weiterer Steigerung der Belastung der Anode pro Teilhülse ein grö sserer Strom übertragen werden als der kri tische Wert irrt.
Von grosser Bedeutung ist nun, wie die ser kritische Stromwert vom Gasdruck ab hängt. Hierbei wurde festgestellt, dass diese Abhängigkeit nach der in der Fig. 8 dar gestellten Kurve erfolgt.
Diese Kurve zeigt, dass bei kleinen Gasdrücken die Aufnahme fähigkeit einer Teilhülse 6, wie sie im Strom i zum Ausdruck kommt, klein ist und bei Steigerung des Gasdruckes zunimmt. Bei einem bestimmten Gasdruck wird ein Maxi mum erreicht, worauf ein Abfall erfolgt. Offenbar sind diese Beobachtungen folgen dermassen zu erklären.
Durch die an der untern Öffnung der Teilhülse vor sich gehende intensive Ionisie- rung des Gases entsteht ein sogenanntes Plasma im Innern der Teilhülse, in welchem Elektronen nach dem an. die betreffende Teil hülse angrenzenden Bezirk der Anodenober fläche diffundieren. Bei niedrigen Gasdrüli:- ken wird die Diffusion der Elektronen durch das Gas wenig behindert.
Bei Steigerung der Stromstärke tritt dann aber im Innern der arbeitenden Teilhülse eine Ionenver- armung und damit eine über die Teilhülse zunehmende Spannung auf. Von diesem Au genblick an setzt eine zweite Teilhülse ein, die beim Stromtransport mithilft, bis über beide Hülsen wiederum die Sättigungsstrom- stärke erreicht ist, so dass bei weiterer Stei gerung der Stromstärke eine dritte, vierte usw. Teilhülse herangezogen werden.
Stei- gert man nun den Gasdruck, so kann offen bar so lange der Sättigungsstrom gesteigert werden, bis durch das im Innern einer Hülse vorhandene Gaspolster eine Behinderung der Diffusion der Elgktronen von der vordern Öffnung der Teilhülse nach der Anodenober fläche erfolgt. Sobald diese Behinderung der Diffusion bemerkbar wird, hat eine weitere Steigerung des Gasdruckes keine Zunahme des Sättigungsstromes mehr zur Folge, son dern der über eine Teilhülse mögliche Sät tigungsstrom nimmt ab, das heisst man be findet sich auf dem absteigenden Ast der in Fig. 3 .dargestellten Kurve.
Damit der von einer Anode geführte Strom sieh gleichmässig über sämtliche Teil hülsen der betreffenden Anode verteilt und so eine gleichmässige Erwärmung dieser Anode zur Folge hat, ist es erforderlich, dass die betriebsmässig auftretenden grösseren Stromstärken oberhalb der in Fig. 31 mit einem Maximum verlaufenden Stromstärke i"it in Abhängigkeit des Gasdruckes sich be finden. Fliesst über die betreffende Anode der Strom i,rit, so tritt nur eine einzige Teil hülse in Funktion.
Wird der Strom über diesen Wert hinaus gesteigert, so setzt eine zweite Teilhülse ein und trägt zusammen mit der ersten den Strom bis zum Erreichen des Wertes 2 i"it. Wird der Strom über diesen Wert hinaus gesteigert, so beteiligt sich eine dritte Teilhülse am Stromtransport, bis der Wert '3 i"it erreicht ist.
Damit der von einer Anode geführte Strom sich gleichmässig über sämtliche Teilhülsen der betreffenden Anode verteilt und so eine gleichmässige Erwär mung dieser Anode zur Folge hat, ist es also erforderlich, dass die betriebsmässig auftre tenden Stromstärken Werte erreichen, die, falls N die Gesamtzahl der Teilhülsen be zeichnet, den Wert N . i"it überschreiten.
Da man sich aber anderseits von der Grenze, bei der Ionenverarmung auftritt, fernhalten muss, um V;berspannungen, hochfrequente Schwin gungen und .die dadurch verursachten Rück zündungen zu vermeiden, ergibt sich, dass der Gasdruck des Apparates stets auf einer Höhe gehalten werden muss, die oberhalb der Grenze liegt, bei welcher die Sättigungs- stromstärke pro Teilhülse ihren Höchstwert erreicht, das heisst man muss immer in dem dem absteigenden Ast der Kurve -entspre chenden Druckbereich arbeiten.
Eine bei spielsweise günstige Einstellung dieses Gas druckes ist gegeben durch den Wert P = w, in Fig. 3, denn bei diesem Gasdruck kann zunächst .die Stromstärke der Anode auf einen Wert I, <I>=</I> i, <I>. N</I> gesteigert werden, wobei i, die Sättigungsstromstärke pro Teil hülse, N die Gesamtzahl der Teilhülsen pro Anode bedeuten. Mit Erreichen dieser Strom stärke 1, nehmen sämtliche Teilhülsen der be treffenden Anode am Stromtransport teil. Steigert man die Stromstärke der Anode über diesen Betrag 1, hinaus, so werden die Teilhülsen gezwungen, oberhalb ihres Sätti gungswertes liegende Ströme zu führen.
Ein Nachteil tritt dabei nicht auf, da der Ucht- bogenabfall im Innern der Teilhülse äusserst langsam mit der Stromstärke zunimmt, aller dings nur bis zu dem Moment, in dem Ionen verarmung im Innern sämtlicher Teilhülsen eintritt.
Dieser Moment wird erreicht bei einer Stromstärke I, <I>= N .</I> i:, worin i, durch die Verlängerung des ansteigenden Astes der Kurve (Fig. 3:) gegeben ist und die Grenze bedeutet, bei der pro Teilhülse die Ionenver- armung einsetzt.
Dass diese Kurve die Ver längerung des ansteigenden Astes der Kurve (Fig. 3) darstellt, hat seinen Grund darin, dass massgebend .für die Sättigungsstrom stärke pro Teilhülse im aufsteigenden Ast der Kurve (Fig. 3) die pro Teilhülse auf tretende Ionenverarmung ist.
Im praktischen Gleichrichterbetrieb wird man nun den Druck P, derart wählen, dass I2 <I>= 4 . N</I> die höchsten Stromstärken dar stellen, welche betriebsmässig auftreten, ohne dass Störungen sich zeigen dürfen.
Man hat also ein Interesse daran, den Gasdruck P, derart hoch zu wählen, dass bereits bei ver hältnismässig kleinen Belastungen der Anode, nämlich bei 1/4 bis 1/2 der Normallast die Verteilung .des Anodenstromes über sämt liche Teilhülsen .gleichmässig auftritt, also die Stromstärke I, relativ klein ist gegen,- über dem normalen Belastungsstrom des Ap parates und auch gegenüber dem Höchst werte der Stromstärke, der durch das Maxi mum der Kurve (Fix. 3) gegeben ist.
Wenn man als konkretes Beispiel eine Teilhülsenlänge von 30 mm wählt, .das heisst der Abstand der untern Öffnung der Teil hülse bis zur Anodenoberfläche beträgt 30 mm, so zeigt es sich, dass die günstigsten CTTasdrücl;e erreicht werden, wenn die mittlere freie Elektronenweglänge des Gases, bei spielsweise von Quecksilberdampf oder irgendeinem inerten Gas, zum Beispiel Edel gas (Helium, Neon, Xenon, Argon oder Krypton) in der Gegend von 1 mm gewählt wird, das heisst die Teilhülsenlänge beträgt ungefähr das Mache der Elektronenweg länge in .dem betreffenden Gas oder Dampf.
Bei -Quecksilberdampf ergibt das Gasdrücke der Grössenordnung von 0,1 bis 0,15 mm Quecksilbersäule, bei Edelgas entsprechend den veränderten Weglängen ähnliche Zah len.
Für den Betrieb des Apparates ist nicht erforderlich, dass ein günstiger Gasdruck genau innegehalten wird. Es genügt, wie be reits erwähnt, dass, der kritische "Wert des Gasdruckes, bei welchem die Sättigungs- stromstärke pro Teilhülse ihren Höchstwert erreicht, unter keinen Umständen unterschrit ten wird. Dies hatzur Folge, dass bei Appa raten, die mit reinem Quecksilberdampf be trieben werden, .durch künstliche Heizung die Gefässe auf so hoher Temperatur gehal ten werden müssen, dass der Quecksilber dampfdruck im Innern des Gefässes, insbe sondere in der Umgebung der Anoden, ober halb des durch die Fig. 3 gegebenen kriti schen Wertes liegt.
Bei Apparaten mit zu sätzlicher Edelgasfüllung wird die Edelgas füllung derart bemessen, dass, ihr Gasdruck dem absteigenden Aste der Kurve (Fix. entspricht. Bei höherer Belastung wird das Edelgas sich mit Quecksilberdampf mischen, und der Gesamtdruck im Innern des Appa rates steigt weiter an. Ein Nachteil entsteht dadurch nicht. Im Gegenteil, mit zuneh mendem Gehalt des Edelgases an Quecksil- berdampf wird die Stromstärke bei welcher Ionenverarmung eintritt, zu immer höheren Werten verschoben.
Der in Frage kommende Wert des Gas druckes lässt sich ohne weiteres durch Ver suche feststellen, indem man Gasdruck und Stromstärke über die Anode, sowie gegebe nenfalls auch die Gefässtemperatur verändert und die Teilhülsen durch die Schauöffnung 7 beobachtet, bis der gesuchte Wert gefun den ist. Sobald dies der Fall ist, kann das Schauloch 7 endgültig verschlossen werden. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Vor nahme der Einstellung nur bei der ersten Ausführung einer neuen Gleichrichtertype nötig ist.
Die vorgenommenen Versuche haben wei ter gezeigt, dass der Gasdruck, bei welchem die maximale Sättigungsstromstärke ent sprechend Fig. 3 eintritt, von der Teilhül- senlänge bezw. von dem Abstand der Hül senöffnung bis zur Anodenoberfläche ab hängig ist, und zwar besteht zwischen dieser Länge und dem Gasdruck ein Zusammen hang dahingehend,
dass mit abnehmender Länge L .der betreffende Gasdruck zunimmt. Durch Verkleinern der Teilhülsenlänge 1 und entsprechendes Erhöhen des Gasdruckes kann man also die Strombelastbarkeit der Anode Weiter steigern, bis man die Grenze erreicht, die zum Beispiel durch die thermi sche Belastbarkeit der Anodenoberfläche ge geben ist.