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Elektronenröhrenschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaltung von.
Elektronenröhren mit einer Kathode, einer Anode, mindestens zwei dazwischen angeordneten
Gitterelektroden und einem die Entladungsbahn zwischen der Anode und dein äußeren
der beiden Gitter beeinflussenden Steuerorgan.
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Es sind Schaltungen mit Mehrgitterröhren bekannt, die mit Stromverteilungssteuerung
arbeiten und bei denen zwischen der Glühkathode und dem Steuergitter zwei Gitterelektroden
vorhanden sind. Die eine davon wirkt als Raumladegitter, während die dem Steuergitter
benachbarte Elektrode über eine Impedanz mit der Anödenspannungsstelle verbunden
ist und den nicht- zur Anode hindurchgelassenen Elektronenstrom aufnimmt, so daß
an der Impedanz Spannungsschwankungen entstehen, die in Gegenphase zur Anodenwechselspannung
verlaufen. Während in dein angeführten Fall eine bessere Ausnutzung des Entladungsstromes
durch Anwendung des Gegentaktprinzips angestrebt wird, verfolgt die Erfindung andere
Ziele.
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Erfindungsgemäß werden zur Regelung des Elektronenstromes hinsichtlich
der Elektronendichte und -geschwindigkeit und zwecks Erzielung einer hohen- Steuerempfindlichkeit
die beiden Gitterelektroden auf derart gewählten, gegen die Kathode positiven, konstanten
Potentialen gehalten, daß die den Entladungsstrom bildenden Elektronen im Wirkungsbereich
des Steuerorgans abgebremst werden und eine virtuelle Kathode bilden. In einer Röhre
mit drei Gitterelektroden wird zweckmäßig das positive Potential des von der Kathode
aus gezählt zweiten Gitters größer gewählt als das des ersten Gitters und das dritte
Gitter als Steuerelektrode verwendet. Für den aus der Glühkathode und den zur Regelung
der Elektronendichte und Elektronengeschwindigkeit bestehenden Teil einer Röhre
wird die Bezeichnung Regelkathode vorgeschlagen. Zum besseren Verständnis mögen
nachfolgende Ausführungen dienen.
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Normale Glühkathoden stellen die Elektronen der Entladung geschwindigkeitslos
zur Verfügung (abgesehen von einer hier zu vernachlässigenden Anfangsgeschwindigkeit
von maximal etwa 2 Volt'. Infolgedessen können die Elektronen nur Elektroden mit
einem gegen die Kathode positiven Potential erreichen. Um sich eines auch nachher
fruchtbaren Analogons zu bedienen: Die Elektronen fallen im Potentialraum.
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Im Gegensatz dazu wird bei einer Kathode, deren Elektronenentstehungsstelle
gegenüber der Elektronenaustrittsfläche ein negatives Potential hat, der Austritt
der Elektronen mit einer durch dieses Potential definierten Geschwindigkeit
erfolgen.
Die Elektronen werden aus dieser Kathode herausgeschossen; sie
| können gegen negative Potentiale steigen o' |
| schneller als mit der allein durch das Po |
| tialgefälle bedingten Geschwindigkeit fa r".'; |
| Von diesen Überlegungen ist bereits bei "de |
Raumladegitterröhre Gebrauch gemacht wor= den. Denn die Auffassung, daß das Raumladegitter
nichts anderes darstellt als eine Kathode, deren Elektronen eine bestimmte (nämlich
dem Potential des Raumladegitters entsprechende) Geschwindigkeit haben, ist in der
Literatur wiederholt angegeben. Demgegenüber geht die vorliegende Erfindung davon
aus, daß es ausschlaggebend ist, die Regelung von Stromstärke und Geschwindigkeit
in einem willkürlichen Verhältnis vorzunehmen, was bei der Verwendung eines einzigen
Potentials nicht denkbar ist. Denn mit einem Gitter ist, wenn man von der Regelung
der Emissionsfähigkeit der Kathode durch Temperaturänderung absieht, stets Strom
und Geschwindigkeit in einem durch die geometrische Anordnung des Gitters und die
gewählte Spannung zwangsläufig bedingten Verhältnis festgelegt.
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Welche Vorteile die getrennte Regelung von Strom und Geschwindigkeit
der Elektronen hat, sei an dem in Abb. i dargestellten Beispiel näher ausgeführt:
In einem Vakuumgefäß TI stehen einer Regelkathode, d. h. einem aus der Glühkathode
k und den beiden Gittern R1, R, bestehendem System ein Gitter G und dahinter eine
Anode A gegenüber, beide z. B. auf positiven Spannungen gegen die Kathode. Konstant
gehalten werden die Anodenspannung EA und die Gitterspannung EG gegenüber der Elektronenaustrittsfläche
R., ferner durch entsprechende Einstellung der Regelkathode der Gesamtstrom
JA + JG, indem die Stromregelspannung El und Beschleunigungsspannung
E2 einander passend zugeordnet werden. Der dem Wert nach stets gleiche Gesamtstrom
JA -f-
JG
muß sich dann seiner inneren Zusammensetzung nach, d. h.
in bezug auf Elektronengeschwindigkeit v und Stromdichte O, verändern. Als eine
meßbare Auswirkung dieser Veränderung wird die Veränderung der Verteilung der Teilströme
JG und JA bzw. das Verhältnis angesehen (s. Abb. 2a, 2 b und 2c).
Man sieht aus diesen Abbildungen außerordentlich deutlich, wie bei völlig unveränderten
äußeren Bedingungen der Zustand der Strömung die Verteilung bestimmt. Während zu
kleinen Stromdichten (kleine E,) große Geschwindigkeiten (große E,) gehören und
dabei die Verteilung
fast unabhängig von Veränderungen ist, steigt bei einem kritischen Wert der Stromdichte
(E, = etwa r Volt) die Verteilung
ganz plötzlich
| =#(:bb. ab). Mit der Stromdichte fällt die Ge- |
| '.;se`i1vindigkeit zwangsläufig, ab und gleich- |
| .,7itig bilden sich Raumladungen zwiscli,.-n |
Anode und Gitter aus, die .von den langsamen Elektronen nicht mehr überwunden werden
können und daher den Strom auf das Gitter umsteuern.
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Gerade diese Zustandsänderungen sind für die Steuerung von Elektronenröhren
äußerst wichtig, da die angesammelte Raumladung bei großer Dichte gegen Beeinflussungen
außerordentlich empfindlich ist, und zwar wächst die Steuerempfindlichkeit, wenn
die Stromdichte &O jeweils in einem bestimmten Verhältnis mit v gesteigert wird.
Ehe wir aber hierauf näher eingeben, sei nur noch einmal kurz das vorbeschriebene
Experiment ausgewertet: Bei konstanten Spannungen zwischen Kathode, positivem Gitter
und Anode und konstant gehaltenem Gesamtström kann die Verteilung der Ströme auf
Gitter und Anode allein dadurch verändert werden, daß durch Regelung der Elektronenquelle
dieser konstante Strom einmal aus wenigen, aber schnellen Elektronen besteht, das
andere Mal aus vielen, aber langsamen.
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Diese Grundtatsache kann man technisch z. B. folgendermaßen ausnutzen.
Man regele die Kathode so, daß bei konstanter Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen
die Dichte und damit der Gesamtstrom zur Anode zunehmen, wobei ein vor der Anode
A liegendes Gitter G so negativ vorgespannt ist, daß es keinen Strom aufnimmt (Abb.3).
Dann ergibt sich als Funktion von o bzw. der mit Q in eindeutigem Zusammenhang stehenden
Spannung El zwischen Glühdraht h und Stromregelungselektrode R, der in Abb.q. dargestellte
Zusammenhang. Für j e eine dieser Kurven ist die Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen
aus der Kathode sowie Gitter- und Anodenspannung konstant; von Kurve zu Kurve ist
die negative Vorspannung des Gitters EG geändert. Man sieht aus den Kurven, daß
der Einfluß der Variation von EG auf die Werte EJ, EG' an den Stellen
des steilsten Abfalles der Kurven am größten ist, und zwar unvergleichlich größer
als bei anderen Betriebszuständen; anders ausgedrückt heißt das: Die Steuerfähigkeit
des Anodenstromes
ist eine Funktion der Stromdichte Q und ist auf dem abfallenden Teil der Kurve
JA = f (2)
am größten.
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Weiter aber kann man sagen, daß der Abfall der JA= f (2o)-Kurven
und damit die Steuerfähigkeit weiter anwächst, wenn man
die Austrittsgeschwindigkeit
der Elektronen aus R, vergrößert und O dann auch entsprechend wieder so einstellt,
daß JA auf dem steilsten Teil der abfallenden Kurve liegt (Abb. 5). In Abb.
5 ist EG nicht verändert. Die Kurven unterscheiden sich nur durch die verschiedene
Austrittsgeschwindigkeit, für die es jeweils einen kritischen Punkt o bzw. ei zur
Einstellung auf höchste Steuerempfindlichkeit gibt.
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Es ist aber gerade das wesentlichste Merkmal der vorliegenden Erfindung,
daß zu jeder Stromdichte die zur Erreichung irgendeines Zweckes kritische Geschwindigkeit
und umgekehrt eingeregelt werden kann.
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Es sei noch ein Einwand berücksichtigt, der bereits gegen die Auffassung
des Raumladegitters als Elektronenaustrittsstelle erhoben wurde. Danach sei es nicht
angängig, das Raumladegitter als Kathode aufzufassen, da die Elektronen nicht aus
diesem Gitter als Ouelle stammten. Dazu muß man sagen, daß in einer jeden Entladungsröhre
für den sich abspielenden Vorgang die verschiedenartigen Kathoden doch nur dadurch
unterschieden sind, daß sowohl die Geschwindigkeit als auch die Anzahl der Elektronen,
welche die Kathodenoberfläche verlassen, jeweils verschieden sind. Es ist somit
für den Entladungsvorgang gänzlich unerheblich, wodurch diese Geschwindigkeit und
diese Dichte der Elektronen erreicht werden, ob z. B. durch die Temperatur oder
den chemischen Charakter der Kathode oder durch eine besondere Regeleinrichtung,
welche sowohl die Dichte als auch die Geschwindigkeit der Elektronen bestimmt. o
Die Regelung der Elektronendichte und der Beschleunigung soll natürlich voneinander
möglichst unabhängig und frei von Rückwirkungen erfolgen. Das läßt sich durch eine
zwischen dem Stromregelungs- und dem Geschwindigkeitsgitter liegende Schirmelektrode
erreichen. Diese wird auf einem festen Potential gehalten, welches niedriger als
das des Geschwindigkeitsgitters und vorzugsweise gleich dem Kathodenpotential ist.
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Es hat sich gezeigt, daß Röhren mit Regelkathode mitunter zu Labilitäten
neigen, insbesondere bei einem großen inneren Widerstand der Regelkathode. Zur Abhilfe
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zwischen dein Beschleunigungsgitter und der
Glühkathode Mittel zur Unterdrückung von Störschwingungen, z. B. nicht verlustfreie
Kondensatoren, anzulegen.
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Als Bezugspunkt für die an die Eelektroden der Röhre angelegten Spannungen
kann man in üblicher Weise die Oberfläche der Glühkathode wählen; ebenso berechtigt
erscheint aber auch eine Erdung der dem Steuergitter kathodenseitig zunächst liegenden
Elektrode, da diese nach den vorausgegangenen Ausführungen als äquivalent für eine
reelle Kathode betrachtet werden kann.
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Die Abb. 6 zeigt auf der rechten Seite die Verteilung der Potentiale
in einer Röhre mit Regelkathode bei Bezug der Spannungen auf die Elektronenaustrittsstelle
derRegelkathode, d. h. die dem Steuergitter kathodenseitig benachbarte Elektrode
als Nullpunkt, und auf der linken Seite die Verhältnisse, wenn die Glühkathode als
Bezugspunkt gewählt wird.