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Gasentladungsröhre Diese Erfindung betrifft eine Gasentladungsröhre
mit geheizter Kathode, deren zylinderförmiger Heizkörper zumindest teilweise von
einer koaxial angeordneten, gleichfalls im wesentlichen zylindrischen Metallhülle
umschlossen ist, die als Kathode geschaltet und mit nach innen in Richtung auf den
Heizkörper vorstehenden, den Heizkörper jedoch nicht berührenden, radial verlaufenden
Rippen versehen ist, deren Oberflächen mit Aktivierungsmaterial versehen sind und
als großflächige, Elektronen emittierende Kathodenfläche dienen.
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Röhren dieser Art sind bekannt, bei denen der Heizkörper nicht selbst
aktiviert ist und beim Betrieb keine beträchtliche Menge an Elektronen emittiert.
Die Anordnung ist so.-getroffen, daß die radialen Rippen der Metallhülle 'Elektronen
nach einem thermionischen Vorgang im Betrieb emittieren.
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Bei solchen bekannten Röhren muß eine große Wärmemenge dem Heizkörper
im Betrieb zugeführt ,werden, um die radialen Rippen, auf eine ausreichende Temperatur
zu bringen, bei der sie thermionisch Elektronen emittieren, und der Betrieb der
Kathode ist entsprechend leistungsfähig.
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Mit der Konstruktion der vorliegenden Erfindung hat es sich als unnötig
erwiesen, eine solche große Wärmemenge an die Kathode im Betrieb zu liefern, um
einen äquivalenten Spitzenanodenstrom 'irr der Röhre zu erzeugen. Die vorliegende
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Metallhülle ninschlosse
ne Heizkörper als .thermionische;- aktivierte Kathode ausgebildet ist und die Rippen
der Metallhülle durch Aufdampfen von Aktivierungsmaterial von der thermionischen
Kathode während der Herstellung der Röhre zumindest über eine Fläche aktiviert sind,
die doppelt so groß ist wie die ,aktivierte Oberfläche der thermiönischen Kathode,
wobei die thermionische Kathode und die mit den Rippen- versehene Metallhülle elektrisch
miteinander verbunden sind, so daß sowohl die thermionische Emission der geheizten
Kathode als auch die Emission von den kälteren Rippenflächen der Metallhülle zum
Gesamtanödenstrom der Röhre beitragen.
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Vorzugsweise ist bei der Röhre nach der Erfindung die aktivierte Oberfläche
der Rippen mindestens viermal so groß und vorzugsweise mindestens , zehnmal so groß
wie die aktivierte Oberfläche der thermionischen Kathode.
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Darüber hinaus ist vorzugsweise die Röhre nach der Erfindung mit Wasserstoff.
gefüllt.
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Weiterhin ist vorzugsweise in der Röhre nach der ; Erfindung die thermionische
Kathode eine imprägnierte Kathode. Unter einer imprägnierten Kathode wird eine thermioniselie'
Kathödt verstanden; bei der der Elektronen emittierende ° Abschnitt durch' einen
Körper aus porösem; 'hitzebeständigem Metall gebildet wird, wobei in#,deü.Eoref
des@'Metälls mindestens eine Erdalkalinetallverlüfrduiig verteilt ist., Mit dieser
Anordnung wurde gei'unden, daß" Spitz.enanodenströme' ähnlich den vorher erzielten
Strömen bei einer stark verringei en Heizleistung erreicht werden können; wobei
der'größere Tefl der Emission der. Kathode von den aktivie?rten Oberflächen der
radialen Rippen beigetragen wird, obwohl deren Teinperatur beträchtlich niedriger"äls
die für eine normale thermionische Emission' erforderliche Temperatur ist.
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"Es waren auch vorher Kathoden bekannt,' bei denen das mittlere Heizteil
als `eine aktivierte thermionische Kathode entworfen "War. Bei diesen vorher bekannten
Kathoden stehen jedoch im Gegensatz zu den Kathoden gemäß der vorliegenden Erfindung
die aktivierten radialen Rippen der Metallhülle in direktem thermisch leitendem
Kontakt mit dem mittleren Heizteil, und dementsprechend werden sie im Betrieb auf
eine Temperatur erwärmt; die ähnlich der des mittleren Heizteiles ist, d: h: ausreichend
hoch, damit eine thermiönische Emission an "den Rippen sattfinden kann; wobei dies
wiederum eine Verschwendung an Heigeistung zur Folge hat.
Eine Anordnung
gemäß der Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen ist F i g. 1 eine Teilschnittansicht, die teilweise
weggebrochen gezeigt wird, eines Thyratrons, welches in der Lage ist, mit einem
Anodenspitzenstrom von etwa 2500 Ampere zu arbeiten, und F i g. 2 eine Schnittdraufsicht
des Thyratrons, wobei der Schnitt gemäß der Linie I1-11 der' F i g. 1 vorgenommen
wurde.
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Wie die Zeichnungen zeigen, besitzt das Thyratron ein Entladungsgefäß
1 aus Metall, das mit Deuterium bei einem Druck von 0,3 mm Quecksilbersäule gefüllt
ist, wobei der Hauptkörper des Entladungsgefäßes 1 die Form eines kreisförmigen
Zylinders mit einem Innendurchmesser von etwa 6 cm und einer Länge von etwa 10 cm
aufweist. Das Elektrodensystem des Thyratrons ist in dem Hauptkörper des Entladungsgefäßes
1 untergebracht und enthält eine Anode 2, eine Steuerelektrode 3 und eine thermionische
Kathode 4.
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Die Anode 2 hat die Form einer Metallscheibe von 5 cm Durchmesser,
die nahe dem einen Ende des Hauptkörpers des Entladungsgefäßes 1 angeordnet ist,
wobei ihre Hauptflächen senkrecht zur Achse des Entladungsgefäßes 1 stehen. Ein
elektrischer Kontakt für die Anode 2 ist in Form eines Metallstabes 5 vorgesehen,
dessen eines Ende an einem Mittelbereich der Anode 2 befestigt ist, wobei sich der
Stab 5 durch .ein Verschlußteil 6 erstreckt, welches dazu dient, das entsprechende
Ende des Enladungsgefäßes 1 abzuschließen. Das Verschlußteil 6 enthält eine elektrisch
isolierende Stütze 7, die dazu dient, die Anode 2 elektrisch gegen das Entladungsgefäß
1
zu isolieren.
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Die Steuerelektrode 3 enthält drei Metallscheiben 8, 9 und 10, deren
Hauptflächen senkrecht zur Achse des Entladungsgefäßes 1 stehen, wobei die Umfangsflächen
der Scheiben 8, 9 und 10 an der Wand des Hauptkörpers des Entladungsgefäßes
1 befestigt sind und die Hauptflächen derMittelscheibe 9entsprechend mit
den benachbarten Hauptflächen der anderen Scheiben 8 und 10 in Berührung
liegen. Ein Paar gekrümmter Schlitze 11 ist symmetrisch in jeder der Scheiben
8, 9 und 10 ausgebildet; wobei die Schlitze 11 in der Mittelscheibe
9 breiter als die anderen Schlitze 11 sind und die Schlitze 11 in der Scheibe 8,
die am nächsten zur Anode 2 angeordnet ist, näher zur Mitte des Entladungsgefäßes
1 als die Schlitze 11 in der Scheibe 10 angeordnet sind. Zweck der Schlitze 11 ist
es, einer Entladung, die zwischen der Kathode 4 und der Anode beim Betrieb der Röhre
auftritt, zu ermöglichen, durch die Steuerelektrode 3 hindurchzufließen. Eine Stauscheibe
12 von 3,7 cm Durchmesser ist auf der Seite der Steuerelektrode 3 angeordnet, die
von der Anode 2 entfernt liegt, und ist mit der Scheibe 10 mit Hilfe einer elektrisch
isolierenden Stütze 13 befestigt, wobei die Hauptflächen der Stauscheibe 12 anordnungsgemäß
senkrecht zur Achse des Entladungsgefäßes 1 liegen.
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Die thermionische Kathode 4 besteht im wesentlichen aus einem
zylinderförmigen Heizkörper 14 aus porösem Wolfram, das mit Erdalkalimetallverbindungen
imprägniert ist, wobei das obere Ende (in bezug auf F i g. 1) des Heizkörpers 14
geschlossen ist und der Heizkörper 14 einen Außendurchmesser von 1,2 cm und eine
Länge von 1,3 cm aufweist. Der Heizkörper 14 ist koaxial in dem Hauptkörper
des Entladungsgefäßes 1 angeordnet, wobei sein oberes Ende im Abstand von 2,5 cm
von der Stauscheibe entfernt und dieser gegenüberliegt. Eine Heizwicklung
15 ist in dem Heizkörper 14 eingeschlossen, wobei das eine Ende der
Heizwicklung 15 in dem oberen Ende des Heizkörpers 14 befestigt ist. Das andre Ende
der Heizwicklung 15 ist durch eine Metallhülse 16 abgedichtet, welche wiederum durch
eine elektrisch isolierende Scheibe 17 abgedichtet ist. Die Scheibe 17 ist an dem
unteren Ende des Heizkörpers 14 mit Hilfe einer mit einer Öffnung versehenen
Metallkappe 18 befestigt. Die gesamte Elektronen emittierende Oberflächenfläche
der thermionischen Kathode 4 beträgt etwa 6 cm2; der größere Teil davon wird
durch die gekrümmte emittierende Oberfläche des Heizkörpers 14 gebildet, die eine
Fläche von etwa 5 cm2 hat.
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Die thermionische Kathode 4 wird koaxial von einer Metallhülle
19 in Form eines kreisförmigen Molybdänzylinders umgeben, die einen Innendurchmesser
von 5,3 cm, eine Wandstärke von 0,1 mm und eine Länge von 5,0 cm aufweist, wobei
das eine Ende der Metallhülle 19 in Übereinstimmung mit dem Ende der thermionischen
Kathode 4, welches näher der Anode 2 ist, liegt. Die Metallhülle 19 wird in der
Stellung in dem Entladungsgefäß 1 mit Hilfe des Endes der Metallhülle 19 befestigt,
das fern von der Anode 2 liegt und an einer keramischen Scheibe 20 befestigt ist,
welche über dem unteren Ende des Hauptkörpers des Entladungsgefäßes 1 befestigt
ist. Das obere Ende der Metallhülle 19 ist aus einem Stück mit dem breiteren Ende
eines kegelstumpfförmigen Molybdänteiles 21 gebildet, dessen schmaleres Ende einen
Durchmesser von 3 cm hat und in einer Ebene liegt, welche sich,im Abstand von 1,5
cm von dem oberen Ende der thermionischen Kathode 4 befindet. Die Metallhülle 19
dient als Wärmeschild für die thermionische Kathode 4, während das kegelförmige
Teil 21 in Verbindung mit der Stauplatte 12 dazu dient, die Verdampfung des
Elektronen emittierenden Materials von der thermionischen Kathode 4
auf die
Steuerelektrode 3 während der Herstellung der Röhre und beim Betrieb der Röhre zu
verringern. Die thermionische Kathode 4 wird in der Metallhülle 19 mit Hilfe zweier
Metallarmkreuze 22 in der Stellung gehalten, die beide aus je drei Armen 23 bestehen,
welche durch einen mit einer Öffnung versehenen Mittelabschnitt 24 miteinander
verbunden sind, wobei die freien Enden der Arme 23 jedes Armkreuzes 22 an der Metallhülle
19 befestigt sind: Der Mittelabschnitt 24 des einen der Armkreuze 22 ist an dem
oberen Ende der thermionischen Kathode 4 mit Hilfe einer Molybdänmutter 25 und einer
Schraube 26 befestigt, während der Mittelabschnitt 24 des anderen Armkreuzes
22 an einem nach außen hervorstehenden, um den Umfang herum liegenden Flansch 27
befestigt ist, der aus einem Stück mit dem unteren Ende der thermionischen Kathode
3 geformt ist. Ersichtlich ist, daß die Armkreuze 22 auch dazu dienen, die Metallhülle
19 elektrisch mit der thermionischen Kathode 4 zu verbinden.
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Eine Reihe von 24 Molybdänrippen 28 - je 0,1 mm dick - ist
an der Metallhülle 19 befestigt und erstreckt sich von der Innenfläche dieser Metallhülle
radial nach innen, wobei die Rippen 28 in gleichen Abständen voneinander um die
Achse der Metallhülle 19 herum angeordnet sind. Zum Zwecke
der Übersichtlichkeit
werden in F i g. 2 nur zwei Rippen 28 gezeigt. Jede Rippe 28 erstreckt sich über
eine Länge von 3 cm von dem oberen Ende der Metallhülle 19 und hat eine Breite
von 1 cm. Auf diese Weise hat jede Rippe 28 eine Oberfläche von etwa 6 cm2,
so daß die Gesamtoberfläche der Rippen 28 etwa 144 cm2 beträgt.
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Eine Metallscheibe 29 ist über dem Innern der Metallhülle 19 in gleicher
Höhe mit den unteren Enden der Rippen 28 befestigt, wobei die Scheibe 29 als Tragstütze
für einen Eisen-Wasserstoff-Widerstand 30 dient, der in dem unteren Teil
der Metallhülle 19 eingeschlossen ist. Eine Anzahl von Löchern 31 ist in
der Wand des unteren Teiles der Metallhülle 19 ausgebildet, um die Wärmeleitung
von den Rippen 28 auf das Entladungsgefäß 1 über die Metallhülle 19 und die Scheibe
20 im Betrieb zu verringern.
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Das untere Ende des Hauptkörpers des Entladungsgefäßes 1 ist teilweise
durch die keramische Scheibe 20 geschlossen, welche den Hauptkörper des Entladungsgefäßes
1 von einer Endkammer 32 trennt, in der ein Einfüllstutzen (nicht gezeigt) für die
Gasfüllung der Röhre untergebracht ist, wobei der Hauptkörper mit der Endkammer
32 über eine Anzahl von Löchern, wie z. B. das Loch 33 in der Scheibe 20, in Verbindung
steht. Elektrische Zuführungen 34 für die thermionische Kathode 4, die Stauplatte
12, die Heizwicklung 15, den Eisen-Wasserstoff-Widerstand 30 und ein in den Einfüllstutzen
eingebautes Heizelement sind durch die Wand der Endkammer 32 abgedichtet.
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Ein Teil der Herstellung der Röhre wird jetzt beschrieben. Nachdem
die Elektrodenzusammenstellung in den Hauptkörper des Entladungsgefäßes 1 eingebaut
worden ist, wird das Entladungsgefäß 1 evakuiert, und die Elektrodenzusammenstellung
wird mehrere Stunden lang auf eine Temperatur von 700° C erhitzt. Ein ausreichender
Strom wird dann durch die Heizwicklung 15 geschickt, um die Temperatur der Kathode
auf etwa 1150° C zu erhöhen und die thermionische Kathode 4 dadurch zu entgasen.
Der Entgasungsvorgang wird 2 bis 3 Stunden lang durchgeführt, und während dieses
Vorganges wird Elektronen emittierendes Material, das Barium enthalten kann, von
der thermionischen Kathode 4 verdampft und praktisch auf der ganzen Oberfläche der
Rippen 28 und auch auf der Innenfläche der Metallhülle 19 abgelagert. Abschließend
wird das Entladungsgefäß 1 mit Deuterium gefüllt und abgedichtet.
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Es wurde gefunden, daß beim Betrieb der oben beschriebenen Röhre bei
Verwendung einer Heizleistung von etwa 100 Watt die Rippen 28 beträchtlich
zum Gesamtanodenstrom der Röhre beitragen, vorausgesetzt, daß die Röhre kurze Stromimpulse
führt (die typischerweise eine Dauer von 5 Mikrosekunden haben). Tatsächlich wurde
gefunden, daß bei Impulsen dieser Dauer die Rippen 28 den größeren Teil des Anodenspitzenstromes
beitragen. Die Innenfläche der Metallhülle 19 trägt ebenfalls in gewissem Umfang
zum Anodenstrom bei, vorausgesetzt, daß die Röhre kurze Stromimpulse führt; da aber
die Fläche dieser Oberfläche beträchtlich geringer als die Fläche der Rippen 28
ist, ist der von der Innenfläche der Metallhülle 19 beigetragene Strom beträchtlich
geringer als der von den Rippen 28 beigetragene Strom. Die Temperatur der Rippen
28
erreicht nicht einen ausreichend hohen Wert, so daß die Elektronenemission
von den Rippen auf Grund thermionischer Emission auftritt, und es wird angenommen,
daß diese Emission eine photoelektrische Emission ist oder durch Beschuß mit positiven
Ionen verursacht wird.
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Es wurde gefunden, daß, wenn die oben beschriebene Röhre lange Stromimpulse
führen soll (mit einer Dauer von mehr als einer Millisekunde), es dann notwendig
ist, die Heizleistung leicht so zu erhöhen, daß die Temperatur der Rippen 28 steigt,
wenn die Rippen 28 beträchtlich zu dem Anodenspitzenstrom beitragen sollen.
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Es wurde gefunden, daß bei der oben beschriebenen Röhre die Heizleistung,
die erforderlich ist, um der Röhre zu ermöglichen, Stromimpulse mit einer Höhe von
2500 Ampere und einer Dauer von 5 Mikrosekunden zu führen, nur etwa 100 Watt beträgt.
Dies kann mit einer Gasentladungsröhre verglichen werden, die ebenfalls einen. Wärmeschild
aufweist, der die Kathode umgibt, und die Stromimpulse ähnlicher Höhe und Dauer
führen kann, bei der jedoch der Wärmeschild nicht mit irgendwelchen nach innen hervorstehenden
Abschnitten versehen ist. In diesem Fall wurde gefunden, daß die Heizleistung, die
benötigt wurde, um die Röhre in die Lage zu versetzen, solche Stromimpulse zu führen,
etwa 300 Watt betrug. Auf diese Weise ist zu ersehen, daß die vorliegende Erfindung
eine Gasentladungsröhre vorschlägt, bei der eine beträchtliche Ersparnis an Heizleistung
ohne jede Herabsetzung der Stromgröße der Röhre erzielt werden kann.
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Darüber hinaus wird anerkannt werden, daß, da die Rippen 28 in der
oben beschriebenen Röhre nicht auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden
müssen, bei der die Elektronenemission von den Rippen 28 eine thermionische Emission
ist, eine beträchtliche Ersparnis an Heizleistung gegenüber bekannten Röhren erzielt
wird, bei denen die vorgesehenen radialen Rippen auf eine für eine thermionische
Emission ausreichende Temperatur erwärmt werden.
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Selbstverständlich braucht in einer Anordnung nach einer anderen als
der oben beschriebenen Möglichkeit die Metallhülle 19 nicht innerhalb der Röhre
elektrisch mit der thermionischen Kathode 4 verbunden zu sein. Statt dessen kann
eine getrennte elektrische Zuleitung für die Metallhülle 19 vorgesehen werden, so
daß beim Betrieb die Metallhülle 19 und die thermionische Kathode 4 elektrisch außerhalb
der Röhre miteinander verbunden werden können.