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Tetrode zum Schalten von hohen Spannungen Die Erfindung betrifft eine
Tetrode zum Schalten von hohen. Spannungen mit Hilfe einer niedrigen Steuerspannung,
die eine Kathode, eine Anode, ein Steuergitter und ein Schirmgitter in koaxialer
Anordnung aufweist.
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Die üblichen Hochspannungsgleichrichterröhren, wie sie bisher allgemein
als elektronische Hochspannungsschalter verwendet worden sind, steuern im allgemeinen
die Richtung des Elektronenstromes in der Weise, daß die Elektronen in einer Richtung
frei fließen können, während sie in der anderen Richtung vollständig blockiert sind.
Bei einer Anzahl von Anwendungen, beispielsweise bei der Röntgenphotographie, bei
der eine Schaltröhre zur Steuerung der Belichtungszeit einer Röntgenröhre verwendet
wird, ist es sehr erwünscht, entweder den freien Durchgang der Elektronen in einer
Richtung im Einklang mit einem von einer geeigneten Zeitsteuereinrichtung ausgehenden
Schaltsignal zu blockieren oder zu gestatten.
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Wenn auch eine solche Wirkung mit Hilfe der üblichen Trioden, wie
sie beispielsweise bei der Radioübertragung verwendet werden, erreicht werden kann,
so sind solche. Trioden doch nicht zur Steuerung von Hochspannungsröntgenröhren
oder kadarstromkreisen geeignet, und zwar teils wegen der Unmöglichkeit, die sehr
hohen auftretenden Spannungen zu steuern, und teils wegen der erforderlichen Steuerkreischarakteristik.
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Es ist bekannt, die Hochspannungseigenschaften von Röntgenröhren mit
den Steuergittermerkmalen einer Triode zu kombinieren, um so eine Hochspannungsschaltröhre
zur Steuerung von Röntgenbelichtungen zu erhalten. Solche Röhren sind auch bis zu
einem gewissen Grad in Verbindung mit umständlichen und, komplizierten Einrichtungen
für die Röntgenphotographie bekannt. Das Ziel, eine Röhre mit einer geringen Steuerenergie,
niedrigen Steuerspannungen und einem einfachen Steuerstromkreis zu schaffen, ist
jedoch nicht erreicht.
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Da bei den bekannten Röhren. üblicherweise solch hohe Spannungen nicht
bewältigt werden müssen, wie dies bei der unten beschriebenen Röhre der Fall ist,
sind bis jetzt im allgemeinen Trioden zur Steuerung der betreffenden Röntgeneinrichtungen
verwendet worden. Mit dem Auftreten von Hochspannungskreisen bei bestimmten. Röntgen-
oder Radareinrichtungen ist es jedoch erforderlich, eine Schaltröhre vorzusehen,
die auch bei hohen Spannungen zuverlässig arbeitet.
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Im Einklang hiermit wurde festgestellt, daß eine Tetrode erforderlich
ist, um diesen Anforderungen voll zu entsprechen. Die meisten bekannten Tetroden,
soweit sie für Hochspannungskreise gebaut sind, besitzen jedoch ziemlich große und
sperrige Abmessungen und sind infolgedessen schwierig zu handhaben. Diese Nachteile
werden bei einer Tetrode zum Schalten von hohen Spannungen mit Hilfe einer niedrigen
Steuerspannung, die eine Kathode, eine Anode, ein Steuergitter und ein Schirmgitter
in koaxialer Anordnung aufweist, vermieden, wenn die wirksamen Flächen der Kathode
und der beiden Gitter meniskusartige Form aufweisen; deren Wölbungen der ebenen
Anode zu gerichtet sind. Durch die Anordnung der Elektroden wird eine gedrängteKonstruktion
erreicht, die auch bei sehr hohen Spannungen, beispielsweise bis zu 100 kV und darüber,
sicher schaltet, und die Wölbung der Elektroden ergibt eine verhältnismäßig große
wirksame Fläche. Die gemeinsame Richtung der Wölbungen hat dabei den Vorteil, daß
bei Erwärmen und entsprechender Ausdehnung der Elektroden der gegenseitige Abstand
erhalten bleibt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der beschriebenen Anordnung
dargestellt, es zeigt Fig.1 einen Axialschnitt durch eine Schaltröhre, Fig. 2 einen
Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht nach Linie 3-3 der Fig. 1,
Fig.4 einen; Teilschnitt durch die Gitter und die Kathode entsprechend Fig. 1, jedoch
in größerem Maßstab.
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Mit 10 ist ein Glasgefäß bezeichnet, das ein zylindrisches Mittelstück
11 aufweist, das den Raum zwischen den Elektroden umgibt und im wesentlichen koaxiale
Gefäßteile 12 und 13 von kleinerem Durchmesser
miteinander verbindet.
Der Teil 12 des Glasgefäßes hat einen koaxialen Abschnitt 14, der bei 15 mit einem
rohrförmigen metallischen Anodenträger 16 dicht verbunden ist.
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Ein Abschirmrohr 17, das sich in Längsrichtung des Glasgefäßes koaxial
zum Träger 16 erstreckt, umgibt den Hauptteil des Trägers 16 in einem vorbestimmten
Abstand. Das eine Ende des Abschirmrohres 17 erstreckt sich über die Abdichtstelle
15 hinaus in den Raum zwischen den Glasteilen 12 und 14 hinein und dient zur Abschirmung
der Abdichtstelle 15 gegen ein unerwünschtes Elektronenbombardement. Der andere
Endteil 17a des Abschirmrohres weist einen etwas kleineren Durchmesser auf und ist
mit seinem äußerenEnde mit derKupferanode 18 vakuumdicht verbunden. Die wirksame
Oberfläche der Anode 18 ist eben und kann gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten
Überzug aus Wolfram, Molybdän oder einem anderen Material mit einem höheren Schmelzpunkt
als Kupfer versehen sein.. Die Anode besitzt ferner eine ringförmige Umfangsnut
19 zurAufnahme des Endes des Abschirmrohres 17, wobei eine durch die Nut gebildete
Schulter 20 gegen die Stirnseite des Abschirmrohres anliegt und sich so eine glatte
Oberfläche ohne scharfe Kanten ergibt, an denen sonst Spitzenentladungen auftreten
könnten.
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Die Anode 18 weist nach außen ragende koaxiale Zylinderstücke 21 und
21 a auf, die die Abgabe der Anodenwärme verbessern und außerdem dazu dienen, die
Röhre in ihrer Betriebsstellung festzuhalten.
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Beim Zusammenbau der Anodenkonstruktion mit dem Glasgefäß 10 wird
die Anode 18 zuerst mit dem Abschirmrohr 17 verbunden. Dann wird der Träger 16,
an dem der Einstülpteil 14 befestigt ist, in das Abschirmrohr 17 axial so weit eingesteckt,
bis das Ende des Trägers 16 auf einer Ringwulst 22 aufsitzt, die an der Innenwand
des verengten Teiles 17 a des Abschirmrohres 17 gebildet ist: Das Ende des Trägers
16 wird dann. mit dem Abschirmrohr 17 hart verlötet oder sonstwie gasdicht befestigt.
Zum Schluß wird der Einstülpteil 14 mit dem benachbarten Ende des Glasgefäßes durch
in der Glastechnik bekannte Verfahren dicht verbunden.
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Der Gefäßteil 13 des Glasgefäßes 10 ist ebenfalls mit einem Einstülpstück
23 versehen, das in eine dreiteilige Konstruktion ausläuft, die drei getrennte koaxiale
und rohrförmige Träger 24, 25 und 26 besitzt. Der innere Träger 24 weist einen verhältnismäßig
kleinen Durchmesser auf und endigt in einem mit dem Träger einstückigen Quetschfuß
27, der zusammen mit dem Träger 24 einen Teil des Glasgefäßes bildet und dessen
Ende abdichtet.
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Ein Paar von Kathodenträgerstangen 28 und 29 durchdringen den Quetschfuß
27 und können mit einer geeigneten Stromquelle außerhalb der Röhre, beispielsweise
über die Leitungen 28a und 29a, verbunden werden.. Von den Trägerstatigen.28 und
29 wird eine Kathode 30 getragen, die aus einer spiralförmig gewickelten Heizspule,
vorzugsweise .aus thoriertem Wolframdraht, besteht, der bei Erwärmung in ausreichendem
Maß Elektronen emittiert. Die wirksame Fläche der Kathode 30 und auch die später
noch beschriebenen Gitterelektroden weisen eine Meniskusform auf, so daß der mittlere
Teil der Spule etwas näher an der Anode als die Umfangsteile sind, wie dies besonders
deutlich aus Fig. 4 hervorgeht.
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Die Enden 31 und 32 (Fig. 4) des Heizfadens sind nach unten zu in,
bezug auf die allgemeine Ebene der Kathode abgewinkelt und an den inneren Enden
der Kathodenträger 28 und 29 befestigt. Eine bevorzugte Art der Befestigung der
Enden an den Trägern besteht darin, daß die Enden 31 und 32 mit Wicklungen 33 bzw.34
aus einem Wolframdraht versehen sind, die Wicklungen dann mit den Trägern 28 und
29 verschweißt werden, wodurch die Wicklungen 33 und 34 mit den Enden 31 und 32
zugleich unter Bildung einer festen Verbindung zwischen den Wicklungen und den Trägern
stoffschlüssig verbunden. sind.
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Eine oder auch mehrere der einzelnen Heizspulen der Kathode 30 können
einzeln durch einen verhältnismäßig dünnen Draht 35 getragen sein, der einmal um
die Spule herumgewunden ist und dessen Enden an einem winkelförmigen Haltedraht
36 befestigt sind, der vom Quetschfuß 27 gehalten ist. Dies hilft dazu, eine Beschädigung
der Kathode durch Schwingungen oder einen mechanischen Stoß zu vermeiden, und außerdem
ergibt sich so noch ein zusätzlicher Halt, um die Meniskusform der Spule zu erhalten.
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Der auf dem Gefäßteil 23 angeordnete Mittelträger 25 trägt eine Steuergitterkonstruktion
40 und endigt zu diesem Zweck in einer Ringkante, mit der das eine Ende eines koaxialen,
das Gitter tragenden Metallzylinder 37 dicht verbunden ist, der vorzugsweise aus
einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt ist. Mit dem anderen Ende des Zylinders
37 ist das eine Ende einer Hülse 38 verbunden, die vorzugsweise aus Nickel besteht
und an ihrem anderen Ende einen nach innen gerichteten Flansch 39 aufweist. Auf
dem Flansch 39 ist die Stenergitterkonstruktion 40 angeordnet, die ein Gitter 41
aufweist, das zwischen zwei Ringen 42 und 43 gehalten ist. Die Ringe bestehen vorzugsweise
aus Molybdän und das Gitter aus platinüberzogenem Molybdän, wobei der Platinüberzug
der Gitterdrähte dazu dient, die Gitteremission während des Betriebes der Röhre
herabzusetzen.
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An das Steuergitter 40 kann nun über ein Metallverbindungsstück 44
ein geeignetes elektrisches Potential angelegt werden. Das Verbindungsstück 44 (vgl.
Fig. 2) ist mit seinem einen Ende mit dem Zylinder 37 aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
und mit seinem anderen Ende mit einer Stange 45 verbunden, die den Quetschfuß 27
durchdringt.
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Eine Schirmgitterkonstruktion 46 ist zwischen dem Steuergitter 40
und der Anode 18 in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, und ihr Gitter besteht
ebenfalls aus einem mit Platin überzogenen Molybdändraht und ist zwischen zwei Molybdänringen
48 und 49 gehalten. Diese dreiteilige Gitterkonstruktion ist beispielsweise durch
Hartlöten mit der Unterseite eines ringförmigen, nach innen gerichteten Flansches
50 starr verbunden, der an dem einen Ende einer Nickelhülse 51 vorgesehen ist. Die
Hülse 51 ist ungefähr in ihrer Mitte an einem Zylinder 52 aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
(vgl. Fig.1 und 4) befestigt, dessen ganzes entgegengesetztes Ende bei 53 mit dem
äußeren rohrförmigen Träger 26 dicht v er 'bunden ist, der den dritten Teil des
dreiteiligen el Gefäßteiles 23 des Glasgefäßes bildet. Der Teil 54 der Hülse 51,
der sich bis unterhalb der Verbindung mit dem Zylinder 52 erstreckt, ist nach außen
so ausgebaucht, daß er näher am Glasgefäß als die Hülse 51 angeordnet ist und erstreckt
sich dann so weit nach unten, daß er die Metall-Glas-Abdichtung 53 überdeckt.
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Über ein Metallverbindungsstück55, das mit seinem einen Ende an dem
Zylinder 52 aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung befestigt ist, kann nun dem Schirmgitter
46 eine geeignete elektrische Spannung zugeführt werden. Das Verbindungsstück 55,
das sich durch eine Öffnung 56 des Zylinders 37 hindurch erstreckt,
ist
mit seinem anderen Ende an einer den Ouetschfuß 27 durchdringenden Stange 57 befestigt
uniferner mit einer Spannungsquelle über eine äußere Leitung 58 verbunden. Am Teil
54 der Hülse 51 ist ferner ein geeignetes Gitter 59 (Fig. 1) befestigt.
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Auf der Seite des Flansches 50 ist entgegengesetzt zum Schirmgitter
46 ein Verstärkungsring 60 vorgesehen, um eine Deformierung des Flansches infolge
Erwärmung zu verhindern, wenn das Schirmgitter 46 in seiner Stellung hart festgelötet
wird.
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Die Gitter 40 und 46 sind im wesentlichen flächenhaft ausgebildet,
wobei die wirksamen Teile eine Meniskusform aufweisen, d. h. an der der Anode zugekehrten
Seite ähnlich wie die Kathode 30 konvex ausgebildet sind.
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Die Kathodenträgerstange 29 ist im wesentlichen auf der gemeinsamen
Achse der Elektroden angeordnet und trägt eine scheibenartige Metallabschirmung
61, die sich quer zur Röhre zwischen der Kathode 30 und der Stange 57 erstreckt,
wobei Durchgangslöcher in der Abschirmung 61 vorgesehen sind, durch welche sich
die Trägerdrähte 36 und die Kathodenträgerstange 28 hindurch erstrecken.
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Die in diesem Raum vorgesehene Abschirmung 61 dient zur elektrischen
Isolierung der Stange 57 und des benachbarten Teiles 55 gegen den emittierenden
Teil der Kathode und schirmt außerdem den Onetschfuß gegen die von der Kathode ausgestrahlte
Wärme ab.
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Die Vorteile der hier beschriebenen Röhre rühren großenteils daher,
daß die Elektroden ständig im genauen Abstand gehalten sind. Es ist deshalb wichtig,
daß der Zusammenbau der Elektroden sorgfältig überwacht wird, um so die Elektroden
von Anfang an relativ zueinander in die richtige Lage zu bringen.
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Dies wird in einer neuartigen Forrn dadurch erreicht, daß die Zylinder
37 und 52 mit Umfangsnuten 62 bzw. 63 an ihren inneren Enden versehen sind, wodurch
ringförmige Schultern entstehen, auf denen die betreffenden Enden der zugehörigen
Metallhülsen 38 und 51 ruhen. Die Hülsen sind mit ähnlichen ringförmigen Nuten an
ihren inneren Oberflächen versehen, so daß die beiderseitigen Ringenden dicht ineinander
passen.
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Die Zylinder 37 und 52 werden zuerst mit den zugehörigen Glasträgern
25 und 26 verbunden, und die Kathode 30 wird in den Ouetschfuß 27 eingesetzt. Dann
wird die Nut 62 am Zylinder 37 beispielsweise auf einer Drehbank in einer solchen
Tiefe angebracht, daß das Steuergitter 41 im richtigen Abstand von der Kathode gehalten
wird, wenn die Hülse 38 auf den Zylinder 37 so weit aufgesteckt wird, daß das Ende
der Hülse auf der Ringschulter 64 ruht. Der Zylinder und die Hülse werden dann in
diesen Stellungen zusammengeschweißt. Um zu erreichen, daß das Ende des Zylinders
37 gleichzeitig die an der Nut der Hülse 38 vorgesehene Schulter berührt, ist es
notwendig, das Ende des Zylinders entsprechend abzunehmen, wenn die Nut 62 gebildet
wird.
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:ach dem Zusammenbau der Steuergitterkonstruktion wird die Schirmgitterkonstruktion
in ähnlicher Weise dadurch zusammengesetzt, daß die Nut 63 eine bestimmte axiale
Tiefe 65 erhält, so daß das Schirmgitter 47 in dem gewünschten Abstand zum Steuergitter
41 angeordnet ist, wenn die Hülse 51 auf den Zylinder 52 so weit aufgesteckt wird,
bis die Endringe ineinander passen.
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An die vorbeschriebene Röhre können Spannungen bis zu 100, kV und
darüber angelegt werden. Als Beispiel für eine vorteilhafte Ausbildung einer bestimmten
Röhre sei erwähnt, daß eine Blockierung einer Röhre von 125 kV Anodenspannung bei
Anlegen einer negativen Spannung von ungefähr 300, Volt an das Steuergitter und
von ungefähr 1000 Volt an das Schirmgitter 47 erfolgt. Bei diesen Betriebsbedingungen
ist der Verstärkungsfaktor ungefähr =120. Bei diesem besonderen Beispiel ist das
Drahtgitter, aus dem die Gitter 41 und 47 gebildet sind, aus 0,127 mm starkem, mit
Platin überzogenem 1N,lolybdändraht hergestellt, und es. sind 15 Drähte pro 2,54
cm vorgesehen. Die beiden Gitter und die Kathode weisen eine Wölbung mit einem Radius
von ungefähr 3,3 cm auf. Der Abstand zwischen den am nächsten liegenden Oberflächen
der Kathode 30 und des Steuergitters 41 ist ungefähr 1,118 mm, zwischen Steuergitter
41 und Schirmgitter 47 ungefähr 1,219 mm und zwischen dem Schirmgitter 44 und der
Anode ungefähr 1,588 cm.
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Eine derartige Röhre hält sehr hohe Spannungen aus, wenn sie in einem
eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Öl zur Isolierung und Wärmeabführung
eingetaucht ist. Während die bekannten Arten von Röhren beim plötzlichen Anlegen
hoher Spannungen versagen, wie dies beispielsweise bei der Röntgenphotographie der
Fall ist, hält die hier beschriebene Röhre unter gleichen Bedingungen solchen Spannungen
stand. Die Gitter und die Kathode der vorbesehriebenen Röhre ergeben infolge ihrer
vorbestimmten Krümmung in einer gemeinsamen Richtung bei Erwärmung eine minimale
Ausdehnung in der gleichen. Richtung, ohne daß die Gefahr eines Kurzschlusses besteht.
Ferner sind die Gitterleitungen gegen die Heizspule und die Glas-Metall-Verbindungen
gegen die verschiedene Potentiale aufweisenden Elektroden wirksam abgeschirmt, und
außerdem werden die Elektroden ständig durch die Elektrodenträger starr an ihrer
vorbestimmten Lage gehalten.