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Verfahren zum Betrieb von Elektronenröhren mit zylindrischer Anode
Bei Glühkathodenröhren ist man oftmals gezwungen, den Heizfaden innerhalb der zylindrischen
Anode mehrmals hin und her zu führen, einerseits um die Elektronenemission des Glühfadens
zu vergrößern, anderseits um die magnetischen Wirkungen des Stromes im Heizfaden
zu beseitigen. Es ist dann nicht mehr möglich, den Heizdraht in die Achse des Anodenzylinders
zu legen, sondern man muß ihn exzentrisch anordnen. -AM. i zeigt eine derartige
bekannte Anordnung. i ist der Anodenzylinder, a sind die beiden Glühkathodenfäden.
Wird nun eine derart ausgebildete Elektronenröhre mitHochspannungbetrieben, so werden
infolge des nunmehr auftretenden starken elektrostatischen Feldes auf die Heizdrähte
mechanische Kräfte ausgeübt, die eine unerwünschte Beanspruchung des Glühfadens
bedeuten.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren bei einer derartigen Elektronenröhre
mit zylindrischer Anode, mit außerhalb der Zylinderachse angeordneter Glühkathode
und innerhalb des Anodenzylinders angeordneten ein oder mehreren Hilfselektroden,
bei dem die Hilfselektroden derart ausgebildet und angeordnet und auf ein derartiges
Potential gegenüber der Anode aufgeladen sind, daß die von der Anode auf die Glühkathode
verlaufenden elektrostatischen Kräfte im wesentlichen durch das Feld der Hilfselektrode
aufgehoben werden. Die Röhre erweist sich daher für den Betrieb mit Hochspannung
als geeignet. Die Höhe des Potentials des Innenkörpers kann dabei mit dem der Außenanode
übereinstimmen oder auch wesentlich davon abweichen.
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Bei einer Glühkathode nach Abb. i kann dies z. B. bereits dadurch
erreicht «-erden, daß man gemäß Abb. a in dem zylindrischen Innenraum zwei zu den
Glühfäden parallele Leiter 3 und 4. anbringt und diese mit einem derartigen positiven
Potential auflädt, daß sie den anziehenden Wirkungen der den Glühkathodenfäden benachbarten
Zylinderwandungen gerade das Gleichgewicht halten.
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In den Abb. 3 und q. sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Die zur Aufhebung der elektrostatischen Kräfte angebrachte zylindrische
Hilfselektrode 3 ist an der Mantelfläche mit Einbuchtungen versehen, wobei die Einbuchtungen
rnit den gegenüberliegenden Stellen des Anodenzvlinders Räume bildet, in deren kräftefreien
Zentren die einzelnen Glühfäden oder Fädengruppen der Kathode angeordnet sind.
An
sich ist es bekannt, zylindrische Hilfselektroden mit Einbuchtungen zu versehen,
die der Anode zugewandt sind, und innerhalb dieser Einbuchtungen Glühfäden anzuordnen,
jedoch dient bei diesen bekannten Anordnungen die Hilfselektrode einem anderen Zweck
und ist gegenüber der Anode nicht auf das Potential gemäß der Erfindung aufgeladen.
In Abb. 3 sind zwei Glühkathodenfäden vorgesehen. Dementsprechend bildet der zylindrische
Innenkörper 5 mit den beiden Teilen des Anodenzylinders i zwei derartige Räume.
In Abb. 4 sind vier Glühfäden 2 vorgesehen, und der Innenkörper 5 ist entsprechend
geformt.
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Abb. 5 zeigt eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung.
Die Röhre kann mit sehr hohen Spannungen, wie etwa ioo ooo Volt und mehr, betrieben
werden, außerdem ist auch die Stromstärke infolge der großen Glühkathodenoberfläche
eine große. Der Innenkörper 5 und die Glühkathode :2 bilden hier die Mantelflächen
zweier zur Außenanode i konzentrischer Zylinder. Eine derartige Anordnung ist an
sich bekannt, der Innenkörper dient jedoch dabei als Elektrode für die Steuerung
des Anodenstromes und nicht zur Aufhebung elektrostatischer Kräfte. Der Innenkörper
ist z. B. als vollwandiger Hohlzylinder ausgebildet, und die Glühkathode besteht
aus einzelnen zur Zylinderachse nahezu parallel verlaufenden Glühfäden, die etwa
in der Art, wie dies bei gewöhnlichen Glühlampen bekannt ist, in Zickzack geführt
sind und an Haltegestellen befestigt sind. Der Innenkörper ist mit einem geeigneten
Potential zur Aufhebung der elektrostatischen Kräfte aufgeladen. Es läßt sich nun
je nach der Höhe der Spannungen Ei (Außenanode) und E2 (Innenkörper bzw. Anode)
und den Zylinderradien r1 und r2 (s. das Diagramm im unteren Teil der Abb. 5), die
die beiden Anoden besitzen, ein bestimmter Kathodenradius ro angeben, in dem die
elektrostatischen Kräfte auf die Kathodendrähte sich gerade aufheben. Bedingung
hierfür ist, daß die elektrischen Feldstärken an der Grenze des äußeren und inneren
Kathodenraumes entgegengesetzt gleich sind.
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Für zylindrische koaxiale Anordnungen ist die Feldstärke für jeden
Radius r gegeben durch
wobei C eine Konstante bedeutet. Das Potential jedes Punktes ist dann bestimmt durch
E - Clnr. (2)
Für Kräftefreiheit sämtlicher Kathodendrähte auf dem
Radius y, müssen die Konstanten daher der Bedingung genügen
oder auch Cl -f- C_ = o . (4)
Nun sind die Spannungen der Anodenzylinder
i und 5 gegenüber der Kathode 2 nach Gleichung (2)
und wenn man die Beziehung (q.) einführt, so erhält man als Bedingung für Kräftefrei-
8a heiz
Wenn man den Kathodenradius ro in bezug auf die Anodenradien r1 und r2 als gegeben
ansieht, so folgt hieraus ein ganz bestimmtes Verhältnis der Spannungen der beiden
Anoden, nämlich
Sieht man jedoch das Spannungsverhältnis als gegeben an, so ergibt sich -ein ganz
bestimmter Kathodenradius als notwendig, den man durch einfache Umformungen aus
Gleichung (6) erhält zu
Für die Verwendung der Röhre ist es am bequemsten, die beiden Anodenspannungen einander
gleichzumachen, so daß man sie bereits innerhalb der Röhre parallel schalten kann.
Für diesen Fall ergibt sich der kräftefreie Kathodenradius aus Gleichung (8) zu
7o = yi 7.2 , (9)
er ist also gleich dem, geometrischen Mittel der
beiden Anodenradien.
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Die Ausbildung der Elektronenröhre derart, daß Glühkathode und Innenkörper
zwei konzentrische Zylinder bilden, hat noch den weiteren Vorteil, däß die Röhre
verhältnismäßig leicht gekühlt werden kann, indem man sowohl die Rückseite der Außenanode
als auch in an sich bekannter Weise die des hohlen Innenkörpers mit einer Kühlflüssigkeit
umgibt.
In Abb. 6 ist eine derartige Elektronenröhre dargestellt. Der konzentrisch zur Außenanode
i angeordnete Innenzylinder ist topfartig ausgebildet. Da der Innenzylinder und
die Außenanode mit derselben Spannung gespeist werden, so gehen beide an der unteren
Stirnseite unmittelbar ineinander über. Die Elektronenröhre ist mit einem Kühlmantel
6 umgeben, den eine Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, im Sinne der eingezeichneten
Pfeile durchströmt. Um die Kühlflüssigkeit besonders wirksam an die Innenseite des
Zylinders 5 heranzubringen, ist noch ein Rohr 7 vorgesehen. Die Außenanode i ist
in bekannter Weise mit einem Glasfuß 8 verschmolzen. Dieser Glasfuß trägt an einem
nach innen gerichteten Teil die Haltevorrichtung für die Befestigung der fade:iförmigcn
Glühkathode.
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Die beschriebenen elektrischen Anordnungen sind sowohl für Ventilröhren
wie für sonstige Zwecke der Hochvakuumtechnik verwendbar. Um sie als Steuerröhren
zu verwenden, braucht man nur zu beiden Seiten des z. B. zylindrischen Glühfadengitters
je ein Steuergitter einzubauen. Wenn durch dieses Steuergitter die Potentialverteilung
im Rohr erheblich geändert wird, so ist es ein leichtes, an Hand der hergeleiteten
Beziehungen für die im Betriebszustand im Rohr vorhandene Spannungsverteilung den
für die Kräftefreiheit der Glühdrähte günstigsten Radius zu bestimmen.
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Man kann den Glühdraht auf der Zylinderfläche mit dein Radius r, in
beliebiger Weise anordnen, am einfachsten so, daß man ihn parallel oder angenähert
parallel zur Achse des Zylinders führt oder daß man ihn spiralig in Richtung des
Zylinderumfanges führt. Selbstverständlich kann man die einzelnen Teile des Glühdrahtes
nach Bedarf in Serie oder Parallele schalten, um keine gar zu hohen Spannungsunterschiede
längs des Glühdrahtes mit ihren ungleichen Wirkungen auf die Elektronenemission
zu erzielen.
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Wenn die kräftefreie Lage der Glühdrähte nicht exakt eingehalten wird,
so ergeben sich natürlich gewisse Kräfte, die unter der Wirkung der hohen elektrostatischen
Spannung die Glühkathode aus ihrer Lage zu verschieben suchen. Um diese Kräfte aufzunehmen,
ist es zweckmäßig, die Glühdrähte in gewohnter Weise federnd zu halten, so daß sie
unter einer gewissen mäßigen Längsspannung stehen und kleinen seitlichen Kraftwirkungen
durch geringe Ausbauchung nachgeben können. Die Haltevorrichtung für den Glühdraht
der Kathode kann in an sich bekannter Weise zugleich als Träger für den Innenkörper
dienen.
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In den Ausführungsbeispielen besitzen die verschiedenen Elektroden
kreisförmigen Auerschnitt. Selbstverständlich können aber die Elektrodenzylinder
auch beliebige andere Ouerschnittsformen, wie etwa vieleckige oder elliptische oder
noch kompliziertere Formen, aufweisen. Auch prismatische Elektroden sind den zylindrischen
völlig gleichwertig.