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Gasgefüllte Gleichrichterröhre Die Erfindung bezieht sich auf gasgefüllte
Gleichrichterröhren für Hochspannung und insbesondere auf solcheGleichrichter, in
welchen ein magnetisches Feld auf die Gleichrichterröhre einwirkt, um eine 1?lektronenfalle
zu bilden.
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Bei den bisherigen gasgefüllten Gleichrichterröhren wurde ein Kompromiß
geschlossen zwischen dem Gasdruck und den Arbeitsbedingungen bezüglich der Spannung
zwischen Kathode und Anode sowie bezüglich der Frequenz der gleichzurichtenden Ströme.
Bei einer solchen gasgefüllten Gleichrichterröhre war es wesentlich, daß das Gas
eine ausreichende Dichte besaß, damit genügend Moleküle für die Ionisation zur Verfügung
standen. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit, die Röhre mit einem verhältnismäßig
hohen Gasdruck zu betreiben. Derartige Röhren sind aber wegen der langen Diffusionszeit
der Ionen auf die Gleichrichtung niedriger Frequenzen beschränkt. Außerdem haben
solche Röhren niedrige Sperrspannungen, da die freie Weglänge der Moleküle gering
ist und selbst bei geringen Spannungen Rückzündungen auftreten können.
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Eine der bisherigen gasgefüllten Gleichrichterröhren besteht aus einer
Kathode in Form eines langen Zylinders, welcher die konzentrisch zu ihr liegende
zylinderförmige Anode umgibt. Diese Röhre besitzt ebenfalls ein axial verlaufendes
magnetisches Feld. Die Sperrspannung dieser Röhre ist aber so niedrig, daß man sie
zur Gleichrichtung
von Hochspannung überhaupt nicht verwenden kann.
Auch zurHochfrequenzgleichrichtung sind sie nicht geeignet.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Grund für die beschränkte
Verwendbarkeit dieser bekannten gasgefüllten Röhren in der gegenseitigen Anordnung
der Elemente der Röhre zu suchen ist. Durch Umkehrung der gegenseitigen Lage der
Kathode und Anode in einer derartigen Röhre mit Magnetfeld und durch Umänderung
der Form des langen Kathodenzylinders in einen kurzen Zylinder von einer toroidähnlichen
Form oder durch Umänderung der Anode aus einem langen Zylinder zu einem Ring, der
nahe der Kathode liegt, sowie durch Beschränkung der Ionisation auf einen gewissen
Bereich des gasförmigen Mediums wird eine magnetische gasgefüllte Gleichrichterröhre
erreicht, die bei niedrigem Gasdruck und bei hohen Frequenzen sehr befriedigend
arbeitet und starke Ströme bei hohen Spannungen gleichrichten kann.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Kathode aus einem
kreisförmigen Zylinder, auf welchen an beiden Enden flache Scheiben aufgesetzt sind,
so daß eine Art von Spulenkörper gebildet wird. Die Anode besitzt die Form eines
Ringes und befindet sich vorzugsweise in der Mitte zwischen den beiden flachen Teilen.
Das magnetische Feld verläuft konaxial mit der Röhrenachse.. Bei einer im folgenden
genauer beschriebenen Ausführungsform traten keine Rückzündungen bis zu 25 ooo Volt
bei Frequenzen von iookHz mehr auf. In der Durchlaßphase können Spitzenströme von
4o Ampere bei 2000 Volt mittels einer Röhre von verhältnismäßig kleinen Abmessungen
beherrscht werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat die Kathode die
Form einer Hohlkehle von beliebigem Querschnitt und ist in ihrer Mitte von einer
konaxialen Ringanode umgeben.
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In einer dritten und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält
die Kathode einen vollständigen toroidförmigen Körper mit rechteckigem, quadratischem,
kreisförmigem, elliptischem oder anderem Querschnitt, der eine ringförmige Anode
von gewünschtem Querschnitt einschließt. Diese Anode ist vorzugsweise in der Mitte
der lichten Querschnittsöffnung des Toroids angebracht, welches selber noch mit
einer Öffnung in seiner Wand versehen ist, durch welche die Zuleitung zur Ringanode
eingeführt ist.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es wesentlich, daß die
Anode und Kathode so angeordnet sind, daß eine Ionenfalle gebildet wird, ohne daß
dabei geringere Sperrspannungen auftreten, sowie daß der gegenseitige Abstand und
die Form der Elektroden so gewählt werden, daß sich hohe Frequenzen gleichrichten
lassen. Bei allen beschriebenen Ausführungsformen ist es ferner wünschenswert, daß
die Kathode der Anode ihre konkave Seite zuwendet. Die Anode kann an ihrer der Kathode
gegenüberliegenden Seite eben oder konvex sein und wird vorzugsweise, aber nicht
notwendig, zentral und konaxial zur Kathode angebracht.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist, eine gasgefüllte Gleichrichterröhre
zu schaffen, die bei hohen Frequenzen und bei hohen Spannungen arbeiten kann.
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Ein anderer Zweck der Erfindung Besteht darin, einer solchen Gleichrichterröhre
eine hohe Sperrspannung zu verleihen.
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Weiterhin soll durch die Erfindung eine gasgefüllte Gleichrichterröhre
mit einem magnetischen Feld und einer Ionenfalle geschaffen werden.
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Schließlich ist es noch das Ziel der Erfindung, eine Gleichrichterröhre
von geringen Abmessungen und einer im ganzen flachen Forin zu erreichen, in der
die Ionisation im Gasmedium auf einen kleinen Bereich beschränkt ist, was durch
das magnetische Feld und durch die Formgebung und Anordnung der Elektroden erreicht
wird.
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In Fig. i ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform dargestellt
und in Fig.2 ein Querschnitt durch eine andere Ausführungsform; Fig. 3 ist ein Querschnitt
durch eine Abänderung dieser zweiten Ausführungsform, in der ein Teil der Kathodenoberfläche
mit sekundäreinissionsfähigem Material belegt ist; Fig. 4 stellt eine dritte Ausführungsform
im Querschnitt dar, und Fig. 5 ist ein Längsschnitt längs der El>cne V-V der Ausführungsform
nach 4; Fig.6 ist eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Zündverzögerung
und dein Durchmesserverhältnis der Kathode zur Anode, während Fig. 7 bis io andere
:@nordnungsmöglichkeiten für die Elektroden gemäß der l?rfindung darstellen. In
Fig. i besteht die Kathode i aus einem kurzen, vorzugsweise hohlen Zylinder oder
ist spulenkörperähnlich ausgebildet. Sie soll vorzugsweise :ins nichtmagnetischem
Material gefertigt sein. An den Enden des Kathodenzylinders sind Scheiben oder Platten
2 angebracht, und zwar vorzugsweise aus magnetischem Material.
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Die Anode 3 kann die Form eines Ringes haben, dessen Durchmesser annähernd
derselbe ist wie der Außendurchmesser der Scliell)en 2. Diese Anode liegt vorzugsweise
konaxial zur Kathode i und in der Mitte des Kathodenzylinders und soll vorzugsweise
ebenfalls aus nichtmagnetischem Werkstoff bestehen sowie eine glatte Oberfläche
besitzen, damit keine Feldemission in der Sperrphase eintritt. Die Form der Anode
3 ist nicht auf einen Ring von kreisförmigem Querschnitt beschri-inkt, sondern kann
auch die Form eines kurzen, flachen Ringes oder Zylinders annehmen. Jedoch ist im
Interesse der Vermeidung einer Elektronenfalle eine konkave Form der Anode auf ihrer
der Kathode zugewendeten Seite nicht geeignet. Die Zuführungsleitungen 4 und 5 der
Kathode i und der Anode 3 sind durch die Wand 6 des Röhrengefäßes hindurchgeführt.
Die Röhre wird mit einem leichten Gas, z. B. Neon, Quecksilber oder Wasserstoff,
unter einem Druck von io-3 bis io-' mm Hg gefüllt. Wie durch den Pfeil H angedeutet,
ist konaxial zur Röhre ein magnetisches Feld vorgesehen. Die Natur des Gases bestimmt
die Form und Lage der Elektroden derart,
daß eine kurze Entionisierungszeit
vor (lern Beginn der Sperrphase erreicht wird.
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Eine zweite, in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform weist eine Kathode
in Form der Hälfte eines Toroids auf, das kreisförmigen, elliptischen oder anderen
Querschnitt besitzen kann und in der Mitte von einem Anodenring 3 umgeben wird,
dessen Durchmesser etwa dem größten Durchmesser des Kathodenkörpers entspricht.
Das magnetische Feld liegt wieder konaxial zu diesen Elektroden in der Richtung
des Pfeiles H. , Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. i, in
welcher die äußere Oberfläche der spulenkörperförmigen Kathode i mit sekundäremissionsfähigem
Material 7 belegt ist, z. B. mit Aluminium. Der Anodenring 3 hat hier rechteckförmigen
Querschnitt, kann aber auch einen kreisförmigen oder einen beliebigen anderen Querschnitt
erhalten.
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In Fig. 4 und 5 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht
mit einem rechteckförmigen Toroid ohne Mittelöffnung und mit einer zentral gelegenen
Säule 8, die von einer ringförmigen Anode von praktisch kreisförmigem Querschnitt
umgeben ist. Bei einem derartigen geschlossenen Toroid umgibt der Kathodenkörper
den Anodenring vollständig und bildet gleichzeitig die Röhrenwand. Die Endscheiben
io und i i bestehen vorzugsweise aus einem magnetischen Werkstoff, so daß das magnetische
Feld sich wirksam auf den Raum zwischen den Elektroden konzentriert. Der Anodenring
3 ist auf der Anodenzuleitung 5, die durch einen Glasisolator 9 hindurchgeführt
ist, befestigt und liegt praktisch in der Mitte des Toroidhohlraumes. Der Querschnitt
dieses Toroids kann auch elliptisch, kreisförmig oder von anderer Querschnittsform
sein statt des in Fig. 4 gezeigten rechteckförmigen Querschnitts.
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Gewünschtenfalls kann bei jeder der Ausführungsformen nach Fig. i
bis 5 auch ein sekundäremissionsfähiger Überzug auf der ganzen Kathodenoberfläche
oder auf ihrem unmittelbar der Anode gegenüberliegenden Teil benutzt werden.
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Ferner braucht die Anode nicht unbedingt konaxial zur Kathode zu liegen
oder auf die Kathodenmitte eingestellt zu sein. Die Anode kann vielmehr auch näher
dem einen Ende der Kathode angebracht werden oder gegen die Kathode gekippt sein.
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Wenn beim Betrieb einer solchen Röhre das .lnodenpotential positiv
gegenüber der Kathode wird, was zu Beginn der Durchlaßphase der Fall ist, ist noch
eine ausreichende Ionisation im Gase vorhanden, so daß freie Elektronen von der
Anode angezogen werden können. Diese Elektronen werden auf dem Wege zwischen den
Elektroden unter dem Einfluß des magnetischen Feldes H eingefangen, so daß ihre
Laufstrecken über die freie Weglänge für die Ionisation von Gasmolekülen hinaus
verlängert werden. Beim Zusammenstoß eines dieser Elektronen mit einem Gasmolekül
werden andere Elektronen frei, die unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zur
Anode wandern und eine akkumulierende Ionisation hervorrufen. Ebenso werden die
ionisierten Moleküle oder Ionen von der Kathode angezogen und bewirken, wenn sie
auf das sekundäremissionsfähige Material der Kathode auftreffen, die Freisetzung
von weiteren Elektronen.
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Während der Sperrphase verlassen dagegen die freien Elektronen und
die Ionen die ionisierte Gasstrecke.
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Die Wirksamkeit der Röhre hängt von der Zündverzögerung ts ab, die
in der Durchlaßphase auftritt, und von der Diffusionszeit für die Ionen td,. die,
wenn sie zu groß wird, während der Sperrphase Rückzündungen erzeugen kann. Es ist
festgestellt worden, daß bei leichten Gasen der Einfluß der Diffusionszeit vernachlässigbar
ist.
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Die Zündverzögerung hängt ihrerseits von den Abmessungen von Kathode
und Anode ab. Sie hängt unmittelbar zusammen mit dem Verhältnis des Durchmessers
Dl der Kathode zum Durchmesser D2 der Anode. In Fig. 6 sind zwei Kurven dargestellt,
von denen jede diesen Zusammenhang für eine bestimmte Kathodenlänge La und
Lb zeigt. Die Ordinate in Fig. 6 ist in Mikrosekunden geteilt und die Abszisse in
Werten des Verhältnisses des Kathodendurchmessers zum Anodendurchmesser zwischen
o,o und i,o. Wie ersichtlich, tritt die minimale Zündverzögerung bei beiden Kathodenlängen
ungefähr bei dem Wert 0,5 des genannten Verhältnisses auf.
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Die Wirkungsweise der Röhre hängt auch noch von anderen geometrischen
Größen der Kathoden und Anoden ab. Vermutlich sind die Eigenschaften der Röhre als
Elektronenfalle durch den kürzesten Abstand in der Äquatorialebene zwischen den
Elektroden bestimmt.
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Für einen praktischen Versuch wurde eine Röhre nach Fig. i in einen
Fernsehempfänger eingebaut und zur Gleichrichtung der Impulse an der Ausgangsseite
eines Zeilenablenktransformators, d. h. zur Herstellung einer Gleichspannung für
die zweite Anode der Bildwiedergaberöhre, benutzt. Diese Spannungsimpulse haben
eine Frequenz von 15 Zoo Hz und eine Impulsdauer, die ungefähr ioo/o der
Impulsperiodenlänge beträgt. Durch Oszillogramme wurde dabei eine befriedigende
Gleichrichtung mit vernachlässigbarer Rückzündung festgestellt. - Während die Kathode
hauptsächlich als ein bandähnlicher Zylinder i dargestellt ist, bilden die Scheiben
2 zusammen mit der Kathode einen spulenkörperähnlichen Körper.
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Es ist also eine neue Gleichrichterröhre geschaffen, bei welcher die
Kathode die Form eines kurzen, hohlen Zylinders hat, an welcher sich flache, senkrecht
zur Zylinderachse verlaufende Scheiben befinden und in welcher die Anode ringförmig
ist, dieser Ring annähernd den doppelten Durchmesser der Kathode hat, schließlich
die Anode in der Mitte der Achsenlänge der Kathode angebracht ist und sich Anode
und Kathode in einem gasförmigen Medium und unter dem Einfluß eines magnetischen
Feldes befinden.
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Bei Versuchen ist festgestellt worden, daß sich bei den Ausführungsformen
nach Fig. i bis 3 unter Umständen ein leitender Belag auf dem Hochspannungsisolator
bilden
kann, so daß die Sperrspannung der Röhre im Laufe der Zeit sinkt. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 4 und 5 war jedoch eine derartige Verschlechterung der Röhreneigenschaften
bei längerer Benutzung nicht mehr feststellbar; diese Ausführungsformen zeigten
vielmehr noch nach vielstündigem Betrieb hohe Sperrspannungen bei hohen Strömen
und Spannungen. Wegen der mechanischen Ausführung der Elektroden in Fig. 4 und 5
trat ferner eine bessere Wärmeableitung auf. Auch die Fabrikation dieser Ausführungsform
bereitet mechanisch keine Schwierigkeiten. Jedoch ist die Ausführung nach Fig. i
bis 3 in manchen Fällen möglicherweise vorzuziehen.