DE442988C - Entladungsroehre und aehnliche Einrichtungen mit Gasfuellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 14. APRIL 1927

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 g GRUPPE 13

(R59515

Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. in London.

Entladungsröhre und ähnliche Einrichtungen mit Gasfüllung. Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. Oktober 1923 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf Entladungsröhren und ähnliche Einrichtungen, z. B. Glühkathodenröhren, Quecksilberdampflampen, Gasentladestrecken, Vakuumkondensatoren u. dgl., bei denen das Vakuum nicht vollkommen ist, d. h. in denen sich noch Gas vorfindet, das entweder stark verdünnt sein oder sich sogar auf einem verhältnismäßig hohen Druck befinden kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Verhütung von unerwünschten Gasentladungen, die in solchen Vorrichtungen beispielsweise zwischen den Einführungsdrähten eintreten können. Die Erfindung ist, mit anderen Worten, zur Anwendung bei Entladungsröhren o. dgl., und zwar zu dem Zwecke bestimmt, Gasentladungen darin zu verhindern; in solchem Falle, in dem für die Arbeit der Vorrichtung Gasentladungen nötig sind, sollen durch die Erfindung Entladungen an unerwünschten Stellen, z. B. zwischen den Einführungsdrähten oder an den Kanten ihrer Elektroden, verhindert werden.

Betrachtet man den Fall, in welchem zwei Elektroden sich in einem gasgefüllten Raum befinden und die Entladung zwischen den Elektroden durch irgendein geeignetes Mittel, wie beispielsweise einen dicht auf die Elektroden passenden Glasbehälter, auf den Raum zwischen den Elektroden beschränkt 'ist, so wächst die Spannung, die zwischen den Elektroden angewendet werden kann, bevor eine Glimmentladung eintritt, rasch, wenn der Abstand zwischen den Elektroden vermindert wird, sofern die Länge des Spaltes unterhalb eines bestimmten Mindestwertes liegt, der sich nach der Natur des Gases und nach dem Gasdruck richtet. Daraus ergibt sich, daß eine Gasentladung zwischen den beiden Elektroden bei einem teilweise evakuierten Apparat dadurch verhütet werden kann, daß man den Abstand zwischen den Elektroden klein genug macht. Es ist vor allem notwendig, eine Gasentladung zu verhindern, welche dadurch hervorgerufen wird, daß die Elektronen und die positiven Ionen der Entladung den. Bahnen des begrenzenden elektrostatischen Kraftlinienflusses zwischen den Rändern der Elektroden folgen, weil diese Bahnen lang und in ihrer Länge lediglich durch die¹

Wandungen des Vakuumbehälters begrenzt sind; d. h. die Entladung muß, wenn ihr Eintreten gestattet wird, auf den Raum zwischen den Elektroden begrenzt werden. Bisher ist S bei Versuchen, die über dieses Phänomen angestellt worden sind, die Entladung auf den Zwischenelektrodenraum durch geeignet angeordnetes Isoliermaterial begrenzt worden. Eine derartige Anordnung leidet an verschiedenen Mängeln. Erstlich unterliegt die geringe Länge des Isoliermaterials zwischen den Elektroden einer hohen Beanspruchung an ihrer Oberfläche, und daher ergeben sich mannigfache unerwünschte Wirkungen. Beispielsweise tritt Oberflächenverlust ein, das Isoliermaterial wird aufgeladen, und es tritt eine Sekundäraussendung von Elektronen vom Isoliermaterial ein. Diese Wirkung ist von Wichtigkeit, weil bei gashaltigen Röhren, die eine hohe Spannung aushalten sollen, der Spalt zwischen den Elektroden vermindert werden muß, um die Gasentladung zu verhindern, während im Hinblick auf die Aufgabe, ein Durchschlagen des Isolierstoffes zu verhüten, der Spalt vergrößert werden müßte. Demnach ist ein Grenzwert für die Spannung vorhanden, die bei einer solchen Anordnung angelegt werden kann. Zweitens muß der Weg außerhalb der evakuierten Vorrichtung lang sein, um einen Überschlag- zu verhindern. Infolgedessen ist die Beanspruchung an der Außenseite der Wandung des isolierenden Behälters nicht entsprechend der Beanspruchung an der Wandungsinnenseite; das Ergebnis ist eine unerwünschte Querbeanspruchung.

Gemäß der Erfindung wird der Spalt zwischen den Elektroden o. dgl. klein genug gemacht, um Gasentladungen zu verhindern oder bei Vorrichtungen für Gasentladungen Gasentladungen an unerwünschten Stellen zu verhüten, und der Spalt wird dort, wo er sich in der Nähe von Isoliermaterial befindet, groß genug gemacht, um einen Durchschlag des Materials und ein Überschlagen außerhalb der Röhre zu verhüten. Zu diesem Zweck werden Schilde oder Schirme angewendet, die so angeordnet sind, daß sie den langen Spaltraum unterbrechen und eine Mehrzahl von Spalten schaffen, die in Reihe hintereinanderliegen.

Im Betriebe werden die Schilde durch das Fließen eines kleinen Übergangsstromes in ihrer Spannung abgestuft, der von in Gasen vorhandener anfänglicher Ionisierung herrührt. Diese Abstufung kann in einer im folgenden noch näher beschriebenen Weise unterstützt werden. Vorausgesetzt, daß die Verhältnisse derart liegen, daß die Schilde gleichförmig abgestuft sind, wird die Spannung durch die Spalte unterteilt. Weiter 1 wird die Länge jedes Spaltes herabgesetzt und somit die Anzahl der Spalte vergrößert, so daß nicht allein jeder einzelne Spalt für sich einer höheren Spannung Widerstand zu leisten vermag, sondern daß auch die Spannung, die quer zu jedem Spalt auftritt, kleiner wird. Beispielsweise werden bei einer Röhre, bei welcher die gesamte Spannung über die Vorrichtung V ist, bei Anwendung von N Schilden N + 1 Spalten gebildet werden; die Spannung über jedem Spalt ist dann

V " ■ Weiter wird, wie auseinandergesetzt, die Durchschlagspannung jedes Spaltes vergrößert. Infolgedessen wird es durch Anordnung einer genügenden Zahl von Spalten in Reihe möglich, die Vorrichtung für jede beliebige praktisch auftretende Spannung zu isolieren. ^

Als Beispiel für die Wirksamkeit der Anordnung sei folgendes angeführt:

Bei dem einfachen Falle einer Glimmentladeröhre mit Elektroden in 70 cm Abstand, die bis dicht zu den Röhrenwandungen reichen, so daß die eintretende Entladung auf den Zwischenelektrodenraum beschränkt ist, sowie mit Quecksilberdampffüllung von einem Druck von 0,0015 ^mm Hg zeigt sich, daß ein Durchschlag der Röhre bei etwa 3000 bis 5000 Volt eintritt. Diese Durchschlagsspannung bleibt im wesentlichen konstant, wenn der Abstand nach und nach bis auf 6 cm fällt; dann steigt sie mit weiterer Abnahme des Spaltes. Dieser ansteigende Teil der Kurve tritt jedoch im allgemeinen nicht in Erscheinung, weil die Oberfläche des Glases der Spannung nicht standhält. Bei Elektroden mit 70 cm Abstand und 20 eingefügten Schilden, derart, daß 21 Spalten in Reihe entstanden, hielt die Röhre 150000 Volt aus, ohne irgendwelche Anzeichen des Durchschlagens zu geben.

Zur eingehenderen Verdeutlichung der Erfindung sei Bezug genommen auf die Abbildüngen, in welchen

Abb. ι zum Teil im Schnitt, zum Teil in Ansicht eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vakuumröhre zeigt.

Abb. 2 und 3 sind Teilschnitte der Anord- no nung nach Abb. 1, die zwei weitere Ausführungsformen wiedergeben.

Abb. 4 ist eine halb im Längsschnitt und halb in Ansicht gehaltene Anordnung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Abb. 5 bis 7 zeigen verschiedene Anordnungen von Schutzringen.

Bei der Anordnung gemäß Abb. 1 besitzt die Vakuumröhre eine Anode 1 und eine Kathode 2, zwischen denen sich ein enger Spalt befindet. Die Anode besteht aus einer geschlossenen Kupferröhre, die in die Glas-

röhre 6 bei 5 eingeschmolzen oder eingekittet ist. Die Dichtungsstelle kann beispielsweise ein gewöhnlicher Kupfer-Glas-Verschluß sein, oder statt dessen kann das Metall in der Nähe der Dichtungsstelle einen Ausdehnungskoeffizienten gleich dem des angedichteten Glases erhalten. Die Glasrohre 6 ist verbunden mit einer einspringenden Röhre 7, welche die Metallröhre 9 und die Abdichtungen bzw. Einschmelzstellen für die verschiedenen Einführungsdrähte der Vorrichtung trägt. Die Gesamtheit der Röhren 1, 6 und 7 bildet die auf Unterdruck gebrachte Umkleidung der Vakuumröhre. Die Kathode 2 besteht vorzugsweise aus einem Wolframrohr, welches durch geeignete Mittel, beispielsweise Tonenaufprall, erhitzt wird. Sie wird von Stangen 3 getragen, die in geeigneter Weise in einem Metallhalter sitzen, den das Metallrohr 9 trägt, das seinerseits so ausgeführt ist, daß es das einspringende Glasrohr 7 übergreift. Das

Φ von den Elektroden entfernte Ende des Rohres 9 kann flanschartig umgebogen sein, so daß es die isolierende Glasrohre 6 unmittelbar berührt, oder es kann, wie in der Abbildung dargestellt, statt dessen so angeordnet sein, daß es in elektrizitätsleitender Verbindung mit dem Schild 10 ist. Ersichtlich ist der Spalt zwischen den Elektroden klein, während der Spalt in der Nähe der isolierenden Röhre lang ist. Die Beanspruchung quer über diesen langen Spalt ist auf den Endschild 11 und den Schild 10 dadurch begrenzt,, daß der Schild ir mit der Anode verbunden ist; im dargestellten Beispiel wird dies durch die kegelige Röhre 12 bewirkt, die mit dem Schild 11 aus einem Stück besteht und so bemessen ist, daß sie für die Abdichtungsstelle 5 einen Schirm gegen elektrostatische Beanspruchung bildet. Die die Kathode tragenden Stangen 3

• können gegen elektrostatische Beanspruchung mittels des Schildes 4 gesichert werden. Da der Spalt zwischen den Schilden 10 und 11 lang ist, würde normal eine Glimmentladung

eintreten. Gemäß der Erfindung wird die Glimmentladung durch Zwischenschaltung einer Mehrzahl von Schilden 13 verhindert, welche den Spalt zwischen 10 und n in eine Mehrzahl inReihe liegender Spalte unterteilen.

Dadurch, daß eine genügende Spaltlänge zwischen den Schilden 10 und 11 und die erforderliche Anzahl von Schilden zur Verhinderung des Eintritts der Glimmentladung vorgesehen wird, kann die Röhre so ausgeführt werden, daß sie einer sehr hohen Spannung widersteht. Schilde oder" Schutzringe wie 18 und 19 können außerhalb der Vorrichtung und in elektrisch leitender Verbindung mit den Endschilden 10 und il vorgesehen werden, um herbeizuführen, daß die elektrische Beanspruchung außerhalb der Röhre der elektrischen Beanspruchung im Röhreninnern entspricht, und um die Einschmelzstellen gegen elektrostatische Beanspruchung zu sichern. Die Schilde 13 und ebenso die End-Schilde IO und 11 sind zweckmäßig umgebördelt und mit abgerundeten Rändern versehen, um die Elektronen wirksam abzufangen und örtliche Beanspruchungen im Glas oder in dem Dampfrückstand in der Röhre zu verhindern, wodurch eine Entladung eingeleitet werden könnte. Scharfe Kanten, von welchen j die Elektronen infolge starker Konzentration j des elektrostatischen Kraftlinienflusses herausgezogen werden könnten, sind gleichfalls vermieden. Ein zweckmäßiger Querschnitt ! für diese Schilde ist in den Abbildungen dargestellt.

Um die Röhren in einfacher Weise zusammenzustellen, werden die Schilde 13, die aus Ringen bestehen, und die Endschilde 10 und il durch drei Glasstangen 14 und röhrenförmige, aus Glas bestehende Abstandhalter 15 fest miteinander verbunden. Jede Stange 14 ist an einem Ende mit einem Knopf oder einer Verdickung 16 ausgerüstet, und Schilde und Abstandsstücke werden mit Hilfe von Metallringen 17 gehalten, die auf die anderen Stangenenden aufgeklemmt oder sonstwie befestigt sind. Man läßt dann das ganze Schirmsystem in die Röhre hineingleiten, bevor man das einspringende Rohr 7 an das äußere Rohr anschmilzt, und drückt es so weit hinein, daß der Schild 11 in leitende Berührung mit der Anode 1 gelangt. Darauf wird das einspringen de Rohr an das äußere Rohr angeschmolzen.

Abb. 2 zeigt eine Abänderung der Röhre nach Abb. 1 in der Nähe des Bodenendes der Kathode; diese Abänderung ist dann zweckmäßig, wenn die Relaiseinrichtung dauernd während des Arbeitens evakuiert wird. Das untere Ende der Anode 1 ist an eine Luftpumpe angeschlossen, die beispielsweise eine Ouecksilberdampfpumpe sein kann. Die Kathode 2 ist mit einem Schild 24 zwecks Verminderung der Ionisierung ausgerüstet. Ein Ring 22 ist an der Scheibe 21 mittels Stangen 23 befestigt, und diese Vereinigung liefert einen Schild, der wirksam die Bildung einer Gasentladimg verhindert und das Hindurchsaugen von Gas gestattet. Der Schild ist. in elektrischem Kontakt mit der Anode 1 und wird durch die Stange 25 gestützt, die ihrerseits durch einen Ring 26 getragen wird, der bei 28 in eine Erweiterung der Anode eingeschraubt ist. Dieser Ring 26 wird in seiner Lage durch einen Sicherungsring 27 gehalten. Die Ringe 26 und 27 sind mit Löchern ausgerüstet, damit das angesaugte Gas hindurchtreten kann.

Bei einer anderen Ausführungsform kann

der Schild am Ende der Anode eine gitterartige Gestalt haben oder aus einem Metallblech mit einer Anzahl feiner Löcher bestehen. Es können zwei oder mehr solche Schilde angewendet werden, deren Löcher gegeneinander versetzt sind. Abb. 3 veranschaulicht solche Vorrichtung. Der Schild 30 besitzt eine Reihe von Löchern, die zu den Löchern im Schild 31 versetzt sind. Die Abb. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vakuumröhre der erfindungsgemäßen Bauart. Es ist wieder die Anode mit ι und die Glasrohre mit 6 bezeichnet. Der Schild 34 schützt die Einschmelzstellen 5 gegen elektrostatische Beanspruchung; er ist in elektrisch leitender Verbindung mit der Anode i. Der Spalt zwischen dem Schild 34 und der Röhre 9 ist eng genug gemacht, um die Bildung einer Gasentladung zu verhindem. Schilde 33, die aus mit Flanschen ausgerüsteten Metallröhren bestehen, sind in der dargestellten Weise eingeführt; sie werden im richtigen Abstande durch Glasröhren wie 39 gehalten. Ein weiterer Schild 36 ist durch ein biegsames, vorhangartiges Schirmstück in elektrisch leitender Verbindung mit der Röhre 9; diese Bauart ist angenommen, um eine leichte Zusammensetzung der Vorrichtung zu ermöglichen. Die Gesamtheit der Schilde in der gläsernen Abstandsröhre wird in ihrer Lage dadurch gehalten, daß ein Klemmring 38 gegen den konischen Schild 34 gepreßt wird, der selbst durch den konischen Endteil der Glasrohre 6 gehalten wird. Der Klemmring 38 kann beispielsweise aus einem sich im Innern der Glasrohre 6 spreizenden Metallring bestehen; er wird in geeigneter Weise in seiner Lage festgehalten.

Wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, wird gemäß der Erfindung das Glasmaterial zwischen den beiden Elektroden derart ausgebildet, daß längs des Glasmaterials von der einen zu der anderen Elektrode ein langer Weg entsteht, und auf dem langen Wege wird durch die Anordnung der Schilde die Ionisierung verhütet. Es sei bemerkt, daß bei Anwendung der genügenden Anzahl von Schilden die Verteilung des elektrischen Feldes in der Vorrichtung sich nicht sehr wesentlich gegenüber der Verteilung ändert, die vorhanden wäre, wenn keine die Entladung verhindernden Schilde benutzt würden.

Die Schilde, die in der teilweise evakuierten

Röhre benutzt werden, werden ein gewisses ihrer Lage im Felde entsprechendes Potential annehmen, d. h. die Spannung längs der Röhre wird abgestuft, oder, allgemein gesprochen, die Schilde werden abgestuft werden. Durch geeignete Mittel kann diese Abstufung der Schilde gleichmäßig gemacht werden, um eine möglichst wirksame Bemessung von Röhre und Schilden bezüglich der Verhinderung von Gasentladung zu erzielen. Bei konstanten Spannungen wird die Abstufung selbsttätig annähernd gleichmäßig werden, und zwar infolge des Verluststromes, der in der Röhre infolge der von Anfang an vorhandenen Ionen fließt. Bei einem Verfahren zur Unterstützung dieser natürlichen Abstufung können die Schilde mittels hoher Widerstände mit den Elektroden und miteinander verbunden λνεΓαεη. Die Schilde können an Abzweigpunkte eines hohen Widerstandes geschaltet werden, der an die beiden Elektroden angeschlossen ist, derart, daß sie auf ein bestimmtes Potential aufgeladen werden. Dieser hohe Widerstand kann aus einem Niederschlag leitenden Stoffes auf einen isolierenden Träger wie Glas oder Quarz bestehen. Der Niederschlag kann aus Kohle oder aus Gold, Wolfram, Molybdän, Nickel oder einem sonstigen geeigneten Metall bestehen und kann auf Glasträger o. dgl. niedergeschlagen sein, die besonders für diesen Zweck vorgesehen sind, ~ oder er kann auf den isolierenden Wandungen der Vakuumvorrichtung selbst niedergeschlagen sein, und die Schilde können dann so angeordnet sein, daß sie in leitender Verbindung mit den Wandungen stehen. Widerstände dieser Art sind an sich in der Technik bekannt. Wo sich der Niederschlag auf einem besonderen Glasträger befindet, werden die Schilde in leitender Verbindung mit diesem Träger stehen.

Wenn Wechselströme benutzt werden, so können andere geeignete Verfahren zur Erzielung des Potentialabfalls benutzt werden, beispielsweise die Abzweigung von einer Induktanz, die in Brücke zu den beiden Elektroden geschaltet ist. Vorzugsweise wird bei Benutzung von Wechselstrom die Anordnung getroffen, daß die Schilde durch Veränderung ihrer elektrischen Kapazität gegen jede der Elektroden und gegeneinander abgestuft werden. Durch richtige Veränderung der Kapazitäten der Schilde kann eine gleichförmige oder beliebige sonst gewünschte Abstufung erzeugt werden. — Die Kapazitäten der Schilde gegeneinander sind im folgenden als Teilkapazitäten bezeichnet. — Durch Veränderung der Teilkapazitäten kann die Abstufung der Schilde nach Wunsch verändert werden ; vorzugsweise wird sie gleichförmig gemacht. Den Teilkapazitäten können die gewünschten Werte durch geeignete Bemessung der beiden Schutzringe gegeben werden, die mit den Elektroden in Verbindung stehen, sowie auch durch die Abmessungen der Schilde selbst; die Bemessung der ersterwähnten

rröße ist im allgemeinen die wichtigste. gleichzeitig kann die Abstufung durch Anordnung einer viel größeren Zahl von Schil-

den vereinfacht werden, als sie notwendig wären, um die Glimmentladung zu verhüten, so daß die Zwischenteilkapazitäten die Einwirkung der übrigen Kapazitäten ausschalten. Die Schilde können auch dadurch abgestuft werden, daß sie kapazitiv an Schutzringe gekoppelt werden, die auf der Außenseite der Röhre angebracht sind, wie in Abb, 6 dargestellt ist. In Abb. 5 sind zwei Schutzringe c und d dargestellt, die sich als geeignet für eine besondere Anordnung der Einrichtung erwiesen haben. Die Abmessungen der Schutzringe selbst für die gleiche-Vorrichtungändern sich weitgehend, je nachdem die Elektroden sich auf einem hohen oder niederen Potential gegen Erde befinden. Bei Abb. 6 sind die Schutzringe e außerhalb der Röhren angebracht, und durch ihre kapazitive Koppelung mit den inneren Schilden tragen sie weiter zur gleichförmigen Abstufung der Schilde bei, wenn sie selbst gleichförmig abgestuft sind.

Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Vereinigung dieser Abstufungsverfahren benutzt werden, da die Abstufung infolge der verschiedenen Verfahren zu ähnlichen Ergebnissen führt und die Abstufung vorzugsweise gleichförmig ist. Durch dieses Mittel wird die Abstufung die gleiche bleiben, sowohl wenn Gleichstrom- oder Wechselstromspannungen bei der Röhre angewendet werden.

Es sei bemerkt, daß es bei Verwendung von Hochfrequenz sehr wesentlich ist, die Schilde abzustufen, da sonst nur ein Spalt durchschlagen werden würde, während die anderen frei von Glimmentladung sind.

Die Röhre kann an der Außenseite mit Ummantelungen versehen werden, um den Kriechweg außerhalb der Röhre zu vergrößern. Abb. 7 veranschaulicht eine zweckmäßige Anordnung für derartige Ummantelungen. Die Röhre ist in der oben beschriebenen Weise gebaut, und Glas- oder Porzellanstücke wie / greifen bei g ineinander und sind dort miteinander verkittet; bei // sind sie mit der Röhre verkittet. Der Raum / im Innern des Alanteis ist mit Öl gefüllt.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Entladungsröhre und ähnliche Einrichtungen mit Gasfüllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt in der Nähe des isolierenden Stoffes der Röhre so lang gewählt ist, daß keine Entladung längs der Oberfläche des isolierenden Materials stattfinden kann, und daß dieser lange Spalt durch eine Mehrzahl in derartigem Abstand hintereinander angeordneter Flächen unterteilt ist, daß in diesen Teilspalten keine Ionisation stattfinden kann.
2. 2. Entladungsröhre und ähnliche Einrichtungen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte durch eine Mehrzahl von leitenden Schilden gebildet werden, welche die Spannung gleichförmig unterteilen.
3. 3. Entladungsröhre und ähnliche Einrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsabstufung mit Hilfe eines hohen Widerstandes erzielt wird, der zwischen die äußeren Schilde geschaltet ist und mit dem auch die inneren Schilde in Berührung stehen, so daß ihre Potentiale entsprechend der bekannten Potentiometerwirkung abgestuft sind.
4. 4. Entladungsröhre und ähnliche Einrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Potentiometerabstufung schaffende Widerstand aus einem Niederschlag leitenden Stoffes auf einen isolierenden Träger besteht, mit dem die Schilde und Elektroden in elektrisch leitender Berührung stehen. ⁸S
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Abstufung der Spannung durch geeignete Wahl der Teilkapazitäten der verschiedenen Schilde, Elektroden und Leiter hergestellt wird.
6. 6. Röhre nach Anspruch r oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schilde durch Glasröhren in richtigem Abstande voneinander und von den Elektroden gehalten werden.
7. 7. Entladungsröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Außenteile wie Schutzringe in solcher Weise angeordnet werden, daß eine äußere Spannungsabstufung entsteht, die der inneren Spannungsabstufung entspricht, derart, daß elektrische Querbeanspruchungen des Glases vermieden werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.