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Entladungsgefäß zur Verstärkung, Gleichrichtung oder Erzeugung von
Schwingungen Es ist bekannt, in Entladungsgefäßen zur Verstärkung, Gleichrichtung
und Erzeugung von elektrischen Schwingungen die gewöhnlich verwendete Glühkathode
durch eine sog. Gaskathode zu ersetzen. Unter Gaskathode sei eine Entladungsstrecke
verstanden, in welcher sich ionisiertes Gas öder Dampf befindet, also beispielsweise
eine Glimm- oder Bogenentladung. Aus dieser Entladung werden Elektronen herausgezogen
und durch Hilfselektroden gesteuert; genau wie in einer Hochvakuumröhre. Das Problem
bei , allen derartigen Gasverstärkern -liegt darin, eine Trennung der Elektronen
und Ionen zu erhalten, d. h. zu erreichen, daß man möglichst reine Elektronen, nicht
aber positive Ionen zu der Steuerelektrode bekommt. Die Fig. i zeigt eine der bekannten
Lösungsformen. In einem Entladungsgefäß r befindet sich eine Glimmkathode 2, beispielsweise
eine Hohlkathode. Es handelt sich dabei um eine unterteilte Kathode, bei welcher
die einzelnen Teile derart und in einem derartigen Ab-Stande einander gegenüber
angebracht sind, daß die von einem Kathodenteil durch Auftreffen positiver Ionen
-frei werdenden Elektronen in den Kathodenfallraum des gegenüberliegenden Kathodenteils
hineingeschossen und in diesem Fallraum abgebremst werden, bevor in den Hohlräumen
der Kathode eine Anreicherung an Elektronen und damit eine Herabsetzung des Kathodenfalles
stattfindet. Die Oberfläche der Kathode kann beispielsweise mit elektronenemittierenden
Stoffen überzogen sein, und es erweist sich unter Umständen als vorteilhaft, zusätzliche
Mittel zur Erzeugung von Elektronen in den Hohlräumen der Kathode vorzusehen. Anstatt
der Hohlkathode kann auch eine Glühkathode gebräuchlicher Bauart verwendet werden.
Ferner ist eine gitterartig gebaute Anode 3 vorgesehen, welche im folgenden als
Emissionsgitter bezeichnet werden soll. Dieses Emissionsgitter schließt den Elektronenerzeugungsraum,
in dem sich die Glimmentladung von der Kathode-- zur Anode 3 erstreckt, in zweckmäßiger
Weise völlig vom Verstärkerraum ab. In dem Verstärkerraum befinden sich eine Verstärkeranode
q. sowie ein Steuergitter 5. Die Kathode 2 ist über einen Begrenzungswiderstand
6 und eine Batterie 7 mit dem Emissionsgitter 3 verbunden. Bei geeigneter Bemessung
der Spannung der Batterie 7 wird die Gas- oder Dampffüllung der Entladungsröhre,
beispielsweise eine Edelgasfüllung, in dem Raum zwischen 2 und 3 ionisiert, d. h.
es treten positive Ionen und freie Elektronen auf. Inwieweit Ionen und Elektronen
durch die Maschen oder öffnungen des Emissionsgitters 3 in den oberen Raum des Entladungsraumes
eintreten, hängt stark von der Wahl der Spannungsverhältnisse ab. Die Elektrode
3 ist deswegen Emissionsgitter genannt, weil sie einmal zweckmäßig
gitterartig
ausgebildet ist und dann gleichsam als der Punkt zu gelten hat, an dein die Emission
erfolgt. Auch scheidet sich hier der Elektronenerzeugungsraum vom eigentlichen Verstärkerraum.
Man kann das Emissionsgitter, rein schaltungstechnisch betrachtet, mit der Oberfläche
einer Glühkatliode vergleichen. Für die Verstärkerschaltung usw. kann man das Emissionsgitter
auch als Bezugspunkt (Null) betrachten. Mit dem Emissionsgitter ist über eine Batterie
8 und einen Verbraucherwiderstand 9 die Verstärkeranode .l verbunden. In den Weg
zwischen Emissionsgitter 3 und Verstärkeranode q. ist das Steuergitter 5 gelegt,
welches über die Sekundärspule 1 o eines Übertragers 11 an die Batterie 7 derart
gelegt ist, daß es eine negative Vorspannung gegenüber dem Emissionsgitter 3 aufweist,
beispielsweise die Spannung von minus 1 o V. Die Wirkungsweise einer derartigen
Anordnung ist nahezu identisch mit der einer normalen Verstärkerröhre.
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Durch die geschilderte Anordnung läßt sich jedoch eine vollständige
Trennung von Ionen und Elektronen noch nicht erreichen, so daß immer noch positive
Ionen aus dem Elektronenerzeugungsraum in den Verstärkerraum gelangen. Dies ergibt
sich aus folgender Betrachtung: Man bringt bekanntlich das Emissionsgitter so nahe
an die Kathode heran, daß die positive Säule und der Faradaysche Dunkelraum verschwinden,
während das negative Glimmlicht, mindestens jedoch noch ein etwa den Glimmsaum umfassender
Teil des negativen Glimmlichtes erhalten bleibt, damit sich das Emissionsgitter
an einem Ort geringster Feldstärke befindet. Dann haben einerseits in dem ausgedehnten
negativen Glimmlicht die durch den Kathodenfall erzeugten schnellen Elektronen (die
schnellsten haben eine Geschwindigkeit, die dem Voltäquivalent des Kathodenfalls
entspricht) genügend ?Möglichkeit, ihre gesamte Energie unter Bildung einer positiven
Raumladung vor dem Glimmsaum durch wiederholten lonisierungsstoß oder Lichtanregungsstoß
abzugeben, da bei einer Länge des negativen Glimmlichtraumes von der 1 oo- bis q.oofachen
freien Elektronenweglänge (in reinen Edelgasen ist er meist noch 1 omal länger)
selbst bei Annahme einer 3(?,'oigen Ionisierungsausbeute der Elektronenstöße ein
3- bis 12maliger Stoß für jedes Elektron erfolgen muß; andererseits werden die Elektronen
nicht mehr beschleunigt, da die Feldstärke hinter dem Glimmsaum (zum Faradayschen
Dunkelraum zu) fast Null ist, ja sogar negative Werte annimmt. Daher befinden sich
in unmittelbarer Nähe vor dem Emissionsgitter nur noch Elektronen von einer Geschwindigkeit,
die nicht nur kleiner ist als die Ionisierungsspannung, sondern auch kleiner als
die Anregungsspannung in dem betreffenden Gase (z. B. bei Helium = 20 V; bei Neon
= 16 V; bei Argon = 11,5 V; bei Hg = 4,7 V); es könnte also keine bemerkbare
Menge positiver Ionen mehr in der Nähe des Emissionsgitters auftreten. Wird aber
jetzt ein wesentlicher Teil des Elektronenstromes infolge negativer Steuerspannung
nicht mehr in den Verstärkerraum hineingesaugt, so tritt vor dem Emissionsgitter
eine Elektronenstauung auf, eine Elektronenwolke, die eine starke negative Raumladung
bedingt. Die Elektronen treten jetzt unter Ausbildung eines Anodenfalls zwischen
dieser negativen Raumladungsschicht und dem Emissionsgitter in das letztere ein.
Die Feldstärke dieses Anodenfalls erhöht die unterhalb der Ionisierungsspannung
befindliche Elektronengeschwindigkeit zusätzlich, so daß ein Teil der Elektronen
in den Maschen des Emissionsgitters wieder eine Geschwindigkeit von der Größe der
Ionisierungsspannung erreicht. Da nun bei Elektronengeschwindigkeiten ein wenig
oberhalb der Ionisicrungsspannung beispielsweise in Argon ungefähr erst 1o% der
Stöße zu Ionisierung führen, in Helium und Neon sogar nur etwa 20/0, sind in Argon
ungefähr zehn freie Elektronenweglängen, in Helium und Neon sogar fast 5o Elektronenweglängen
zurückzulegen, bevor alle diese Elektronen von der Geschwindigkeit der Ionisierungsspannung
1 Atom ionisiert haben. Es können also noch in beträchtlicher Entfernung hinter
dem Emissionsgitter positive Ionen entstehen, zumal in Augenblicken, in denen die
resultierende Steuerspannung nur wenig negativ ist, also die Elektronen nur wenig
bremst. Diese positiven Ionen werden von dem meist negativ geladenen Steuergitter
angezogen und bedingen einen Gitterstrom, der den Wirkungsgrad der Verstärkeranordnung
erheblich herabsetzt, bei einer großen Anzahl positiver Ionen unter Umständen jede
Verstärkerwirkung aufhebt.
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Man hat die erwähnten Nachteile durch die Anordnung negativ geladener
Hilfsgitter, der sog. Ionenfanggitter, zu beseitigen versucht. Es gelingt mit den
bekannten Anordnungen zwar, den übertritt der positiven Ionen in -den Verstärkerraum
wenigstens teilweise zu verhindern; es hat sich jedoch gezeigt, daß infolge der
Wirkung der negativen Ionenfanggitter nur eine verhältnismäßig geringe Ausbeute
an Elektronen aus der Gaskathode möglich ist. Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung, welche unter Wahrung der Vorteile der bekannten Ionenfanggitter
eine größere Elektronenausbeute gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird
bei einem Entladungsgefäß zur Verstärkung, Gleichrichtung öder Erzeugung von Schwingungen,
bei dem die unter dem Einfluß eines Steuergitters stehenden Elektronen von einer
Hilfsgasentladung geliefert werden und der Steuerraum von der als Elektronenquelle
dienenden Hilfsentladung durch ein Ionenfanggitter getrennt ist, die Anode der als
Elektronenquelle dienenden Gasentladung gitterförmig durchbrochen ausgebildet, derart,
daß sie den Gasentladungsraum gegen das der Anode dicht benachbarte, ihr gegenüber
schwach negativ vorgespannte Ionenfanggitter in der Weise abschirmt, daß die Kraftlinien
des Gasentladungsraumes von der durchbrochenen Anode der Gasentladung (= Emissionsgitter)
und der Verstärkeranode und die am Steuergitter endigenden Kraftlinien sämtlich
vom Ionenfanggitter und der Verstärkeranode, dagegen nicht vom Emissionsgitter ausgehen.
Durch diese Anordnung wird ein mehrfacher Vorteil erzielt. Die den Elektronenstrom
schwächende Wirkung des negativen Ionenfanggitters wird durch die besondere Anordnung
der Emissionselektrode, welche das Ionenfanggitter abschirmt, beseitigt, so daß
die von der positiven Emissionselektrode beschleunigten Elektronen unter dem Einfluß
des durchgreifenden Verstärkeranodenfeldes aus dem Hilfsentladungsraum in den Verstärkerraum
gelangen können. Ionen dagegen, welche etwa durch die Emissionselektrode hindurchfliegen,
werden von dem auf negativem Potential befindlichen Ionenfanggitter aufgefangen
und so daran gehindert, in den Verstärkerraum zu gelangen. Dadurch, daß die vom
Ionenfanggitter ausgehendn Kraftlinien am Steuergitter endigen, Also nur zwischen
diesen beiden Elektroden ein Feld entsteht, welches auf die Elektronen eine bremsende
Wirkung ausüben könnte, die negative Spannung oder das negative Potential des Steuergitters
also nicht durch das Ionenfanggitter hindurchgreift, wird auch die bremsende Wirkung
der negativen Vorspannung des Steuergitters auf den Elektronenstrom aufgehoben.
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Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist schematisch in Fig.2
dargestellt. Zwischen dem Steuergitter 3o und dem Emissionsgitter-35 ist ein Ionenfanggitter
29 angeordnet, welches sich gegenüber dem Emissionsgitter 35 auf schwach negativem
Potential befindet. Wie man sieht, enden die vom Steuergitter 3o ausgehenden Kraftlinien
sämtlich auf dem Ionenfanggitter 29, während die Kraftlinien von der Kathode 28
sämtlich ihren Ausgangspunkt auf dem Gitter 35 haben. Ein beispielsweise bei -3y
entstehendes Ion wird auf der Kraftlinie 38 zur Kathode 28 gelangen. Für den Fall,
daß Ionen trotzdem in den Raum zwischen den beiden Gittern 29 und 35 eindringen
oder daß in diesem Raum neue Ionen gebildet werden, werden diese von dem Fanggitter
29 aufgenommen. Die Elektronen werden durch das Verstärkeranodenfeld abgesogen,
welches durch die Kraftlinie 4o versinnbildlicht ist. Die Wirkung der erfindungsgemäßen
Anordnung kann physikalisch genauer in folgender Weise erklärt werden: Die Elektronen
haben nach Durchquerung des negativen Glimmlichtes infolge Energieabgabe bei der
Ionisierung oder Lichtanregung nur noch Geschwindigkeiten unterhalb der Ionisierungsspannung
bzw. unterhalb der Anregungsspannung. Durch den Anodenfall an dem der Kathode benachbarten
Emissionsgitter 35 kann ein Teil der Elektronen wieder eine Geschwindigkeit erlangen,
die beim Passieren der Maschen dieses Gitters die Größe der Ionisierungsspännung
erreicht hat. Da nun bei Elektronengeschwindigkeiten von der Größe der Ionisierungsspannung,
beispielsweise in Argon, erst roo;o der Stöße zur Ionisierung führt, im Helium und
Neon sogar nur 2%, sind im Argon ungefähr zehn freie Elektronenweglängen, im Helium
und Neon sogar fast 50 Elektronenweglängen zurückzulegen, bevor alle diese
in den Raum 36 zwischen den beiden Gittern 29 und 35 eintretenden Elektronen ihre
Energie durch Ionisierung eines Atoms bis auf einen unschädlichen Rest wieder verloren
haben. Man muß also das Gitter 29 in dieser Entfernung hinter dem Gitter 35 anordnen.
Da die Elektronenweglänge umgekehrt proportional zum Gasdruck ist, sind die Abstände
der beiden Gitter umgekehrt proportional dem Gasdruck zu wählen, und zwar im Argon
beispielsweise gleich zehn freien Elektronenweglängen. Im besonderen soll der Abstand
der Gitter so viel Elektronenweglängen betragen, als die Zahl ioo, dividiert durch
die Stoßausbeute, in dem betreffenden Füllgas ergibt (in Prozent der Stöße, bei
einer Spannung, die ein wenig oberhalb der Ionisierungsspannung liegt). Dieser Abstand
ist auf der anderen Seite so gering, daß eine selbständige Entladung zwischen Emissions-
und Ionenfahggitter nicht entstehen kann. Man erreicht durch diese Anordnung und
Abstandsbemessung, daß einerseits das die Elektronen hemmende Feld das lonenfanggitter
ausreichend vom Hilfsentladungsraum abgeschirmt wird, andererseits aber das Ionenfanggitter
dennoch verläßlich wirkt. Die Potentialdifferenz zwischen Entladungsanode und Ionenfanggitter
ist dabei kleiner als die Ionisierungsspannung des betreffenden Gases oder Dampfes
bzw. kleiner als die Ionisierungsspannung desjenigen
Gas- oder
Dampfanteils zu wählen, der die geringste Ionisierungsspannung hat.
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Gegebenenfalls kann die Wirksamkeit der Anordnung auch noch dadurch
verbessert werden, daß das durch Entladungsanode und Ionenfanggitter gebildete System
eine Tiefenausdehnung in der Richtung der durchschnittlichen Elektronenbewegung
erhält, die wesentlich größer ist als die öffnungsweite der von den beiden Elektroden
gebildeten Maschen und Schlitze. Im besonderen wird die Tiefenausdehnung des Systems
nach der gleichen Regel gewählt, wie sie vorher für den Elektrodenabstand angegeben
wurde (so viel Elektronenweglängen, als die Zahl i oo, dividiert durch die Stoßausbeute,
in dem betreffenden Füllgas ergibt).
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Die Elektr odenanordnung kann verschieden getroffen werden. Beispielsweise
kann man die Elektroden als Rotationskörper ausbilden, wobei man entweder die Kathode
oder die Verstärkeranode als Rotationsachse wählt. Denkt man sich die Verstärkeranode
als Achse, dann sind das Steuergitter, das Hilfsgitter, das Emissionsgitter und
die Kathode Zylinder, welche die Anode konaxial umgeben. Denkt man sich die Hohlkathode
als axiales Gebilde, dann sind das Emissionsgitter, das Hilfsgitter, das Steuergitter
und die Anode konaxiale Zylinder um die Kathode. Statt zylindrischer Rotationskörper
kann man auch die konaxialen Elektroden als elliptische oder kegelförmige Rotationskörper
ausbilden.
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In Fig.3 ist eine zylindrische Anordnung dargestellt. Fig. q. zeigt
einen Schnitt nach A-B einer Röhre nach Fig.3. In dem Entladungsgefäß 87 befinden
sich auf Quetschfüßen 88 und 89 eingeschmolzen die Elektroden. Der Quetschfuß 89
trägt die Hohlkathode go, welche im Innern durch Lamellen 9 i in einzelne Räume
unterteilt ist. Im Innern des freien Raumes der Hohlkathode sind die übrigen Elektroden
angeordnet, die von dem Quetschfuß 88 getragen werden. Es sind dies die Verstärkeranode
92, das Steuergitter 93 und das aus Emissionsgitter und Ionenfanggitter bestehende
System 9q.. Die von dem Quetschfuß 88 der Fig.3 getragenen Elektroden können, wie
in Fig.5 dargestellt, auch eine rechteckige Querschnittsform aufweisen.