DE529646C - Elektronen-Entladungsroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronen-Entladungsröhren für drahtlose Telegraphic und Telephonic und insbesondere auf Röhren mit einer Kathode, einer Anode, einer Steuerelektrode und einer Füllung aus Gas oder einem Gasgemisch unter solch einem Drucke, daß der Gitterstromkreis einen niedrigen, in weiten Grenzen regelbaren negativen Widerstand erhält.

Der Hauptzweck dieser Erfindung ist, die Kennlinien des negativen Widerstandes derartiger Röhren zu verbessern und insbesondere die Steilheit sowie die Lange des dem negativen Widerstand an den Eingangsklemmen entsprechenden Abschnittes dieser Kennlinien zu vergrößern.

Gemäß vorliegender Erfindung wird zunächst die Steuerelektrode so geformt, daß sie mit großer Wahrscheinlichkeit von den positiven Ionen getroffen wird und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, von den von der Kathode ausgehenden Elektronen getroffen zu werden, eine geringe ist. Gearbeitet wird mit einer Kathode, einer Anode und einer Steuerelektrode sowie mit einem Gas, welches, wie an sich bekannt, unter einem bestimmten Drucke ionisiert und der Röhre in bezug auf ihren negativen Widerstand Eigenschaften gibt, die die Röhre innerhalb eines weiten Bereiches leicht und gleichmäßig steuern lassen, während der Wert für den negativen Widerstand hinreichend niedrig bleibt, um Stromkreisen (z. B. Schwingungskreisen) mit den in der drahtlosen Telegraphic und Telephonie üblichen Werten von L, C und R eine Dämpfung gleich Null zu verleihen., Die Röhre kann entsprechend einreguliert als Detektoroder Gleichrichterröhre sowie auch als Verstärkerröhre benutzt werden.

Elektronen-Entladungsröhren, welche Spuren von Gasen oder Dämpfen noch in dem Maße aufweisen, daß ihre elektrische Wirkung nennenswert beeinflußt wird, zeigen unter bestimmten Verhältnissen eine fallende Gitterstromspannungskurve; jedoch wird der dieser fallenden Kurve entsprechende Widerstandswert, zahlenmäßig und in Ohm ausgedrückt, für gewöhnlich viel zu groß sein, um für Stromkreise mit den üblichen Werten von L, C und R praktisch von irgendwelchem Nutzen zu sein. Um solchen Gitterstromspannungskurven eine nennenswerte Steilheit zu geben, wurden bisweilen ungewöhnliche hohe Anodenspannungen verwendet. Im übrigen gibt die Entwicklung eines negativen Abfalles in der statischen Gittercharakteristik, wenn man sie Punkt für Punkt nach den gewöhnlichen Beobachtungsverfahren aufzeichnet, keine Garantie dafür, daß eine solche Röhre eine nennenswerte Verminderung der Dämpfung eines auf hohe Frequenz abgestimmten Schwingungskreises bewirkt.

»29646

Die verlangten Eigenschaften werden gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß eine oder mehrere Steuerelektroden mit großer Oberfläche verwendet und so gestaltet und angeordnet werden, daß sie, wie schon erwähnt, von den positiven Ionen mit größter Wahrscheinlichkeit getroffen werden müssen, hingegen die Wahrscheinlichkeit, von den von der Kathode ausgehenden Elektroden getroffen zu werden, eine geringe ist. Die Steuerelektroden werden nun so gestaltet und/oder so gesetzt, daß ihre Seitenflächen im großen und ganzen parallel zum Elektronenstrom liegen und speziell diese Flächen im Vergleich mit der zum Elektronenstrom quer liegenden Fläche der Steuerelektrode verhältnismäßig groß sind. Vorteilhaft werden diese Steuerelektroden bis in die Zonen reichster Ionisation hineingeführt.

Um bei Hochfrequenzen Erscheinungen wie z. B. jede zeitliche Verzögerung soweit als möglich zu vermindern, wird zweckmäßig ein Gas mit geringem Molekulargewicht verwendet, wenngleich es wahrscheinlich ist, daß für die Röhre bei den höchsten Frequenzen hauptsächlich diejenigen Ionen nützlich sind, welche aus den in der Nähe der Steuerelektrode befindlichen Gasmolekülen gebildet werden. Hier wäre zu bemerken, daß das Gas in Elektronen-Entladungsröhren auf irgendeine bis jetzt noch nicht recht erklärliche Art und Weise verschwindet, dieses Verschwinden aber bei Heliumgas, solange die Entladungsspannung relativ niedrig ist, sehr langsam vor sich geht, so daß der Druck für lange Zeit konstant bleibt und Helium als ein immunes Gas bezeichnet werden kann, d. h. als ein Gas, welches nicht wie andere Gase schon nach kurzer Zeit verschwindet. Aus diesen Gründen wird man also zweckmäßig Heliumgas verwenden.

Bei Vergleich zweier Elektronen-Entladungsröhren gleicher Konstruktion und gleicher Abmessungen, von welchen die eine Röhre ein Gemisch von ungefähr 95 °/₀ Helium und 5 °/₀ Neon, möglicherweise noch mit Spuren anderer Gase, und die zweite Röhre ungefähr 80 % Neon und 20 °/₀ Helium, möglicherweise auch mit Spuren von Unreinigkeiten enthielt, und welche im negativen Widerstand bei einer Frequenz von io^e Perioden gleich waren, d. h. bei dieser an sich normalen Frequenz gleiche Steilheit zeigten, fand man, daß die statische Charakteristik der neongefüllten Röhre mehr als zweimal so steil war als die der heliumgefüllten Röhre. Dies könnte aber auch im umgekehrten Sinne dargestellt werden. Angenommen, beide Röhren werden so eingerichtet, daß sie mit Bezug auf ihre statischen Kennlinien in der Wir-. kung einander gleich sind, so würden sie, bei hohen Frequenzen, d. h. im normalen Funkbetrieb, vollkommen ungleich, sein, der negative Widerstand in der heliumgefüllten Röhre würde dann der weitaus günstigere sein.

Die bei den Versuchen angewendeten Anodenspannungen waren gleich; die Hochfrequenzwiderstände wurden durch Kontrolle der Heizströme reguliert. Der Gesamtdruck im heliumgefüllten Rohr war größer als der im neongefüllten Rohr. Angenommen wird, daß das Verhältnis Ladung : Masse für die meisten in der Entwicklung des Abfalles des negativen Widerstandes eine wichtige Rolle spielenden Ionen in der mit Neon gefüllten Röhre etwas kleiner ist als in der hauptsächlich rnit Helium gefüllten Röhre; denn angenommen, Neon und Helium würden einer einfachen Ionisation unterworfen, so ist es, wenn berücksichtigt wird, daß das Atomgewicht des Heliums 3,99 und das Atomgewicht des Neons ungefähr 20,2 beträgt, ganz selbstverständlich, daß das Verhältnis der Ladung zur Masse für Neon kleiner als für Helium ausfallen muß, da das Gewicht einer gegebenen Zahl Moleküle des Neons viel größer ist als das Gewicht der gleichen Zahl Moleküle des Heliums. Es wäre möglich, daß bei Aufnahme der statischen Kennlinien in der Elektronenemission zufolge des allmählichen Überganges von einer Gitterspannung zur anderen eine Änderung eintritt und daß dies mit die Ursache für Änderungen in der Steilheit der Kennlinien sein kann.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sollen nunmehr mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.

Abb. ι und 2 stellen eine konstruktive Ausführungsform der Erfindung schematisch im Querschnitt und in Ansicht dar.

Abb. 3 und 4 zeigen verschiedene Kurven für eine Vorrichtung nach Abb. 1 und 2.

Abb. 5, 6 und 7 stellen andere Ausführungsformen der Erfindung dar.

In Abb. 8 ist ein Schwingungskreis in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstande gezeigt.

Zunächst werden die Abb. 1 und 2 beschrieben. Die Anode 1 ist zylindrisch und wird auf dem Halter 2 getragen. Der Kathodenhalter 3 trägt einen Wolframfaden 4, der eine Stärke von ungefähr 0,06 mm besitzt. Die dritte Elektrode, das Gitter 5, ist dazu symmetrisch angeordnet und wird vom Halter 6

etragen. Die eingetragenen Abmessungen haben sich in der Praxis als gut geeignet erwiesen, jedoch ist es selbstverständlich, daß die Abmessungen für die einzelnen Teile, falls notwendig und erwünscht, auch geändert werden können. Bei der Konstruktion nach den Abb. ι und 2 ist eine dritte Elektrode mit sehr großer Oberfläche vorhanden, und zwar

liegt die Fläche, wie aus der Zeichnung ersichtlich, im großen und ganzen parallel zu dem in nächster Nähe von der Kathode ausgehenden Elektronenstrom.
Die in Abb. 3 dargestellten Kurven zeigen, wie sich Anoden- und Gitterstrom.bei Änderung der Gitterspannung und bei verschiedenen Werten für die Anodenspannung, und zwar für Anodenspannungen von 105, 100,

jo 95, 90 und 85 Volt, verändern. Diese Kurven geben nur Aufschluß darüber, wie die Röhre bei Verwendung für niedrige Frequenzen arbeitet. Für hohe Frequenzen haben die Kurven keine Geltung. Wenn unter derartigen Frequenzen die quantitative Leistung ermittelt bzw. bestimmt werden soll, so ist es wichtig, den negativen Widerstand für diejenige Frequenz zu bestimmen bzw. zu messen, unter welcher die Vorrichtung arbeiten soll. Zu diesem Zwecke wird ein Stromkreis, bestehend aus parallel geschalteter Selbstinduktion und Kapazität mit Vorrichtungen zur Veränderung bzw. Einstellung des gesamten effektiven Widerstandes eines derartigen Schwingungskreises, zwischen Gitter und Gitterbatterie oder Potentiometer oder zwischen Gitter und negatives Heizfadenende geschaltet, und dann wird der Widerstand im abgestimmten Kreise so lange verändert, bis Schwingungen erhalten werden. Die totalen effektiven Werte für L, C und R mit der im abgestimmten Kreis abgeschalteten Heizung werden nunmehr bestimmt, und der Wert von L, C, R mag als Maß für den negativen Widerstand unter der abgestimmten Frequenz verwendet werden. In dieser Weise unter io⁸ Perioden vorgenommene Messungen geben für die Vorrichtung, deren Charakteristiken dargestellt sind, einen Widerstandswert vori ungefähr minus 37 300 Ohm, wenn Ea = 105 Volt, Bf = 4,3 Volt und Eg = ο Volt. Diese Werte weichen von den aus den statischen Charakteristiken errechneten sehr stark ab. Bei anderer Regulierung können jedoch für den negativen Widerstand wesentlich bessere Werte als die obigen erzielt werden. Bei £a = iio Volt, Ef = 4,9 Volt und Eg = 0 Volt wurde unter io° Perioden ein negativer Widerstand von 18 800 Ohm gemessen.

go Bei sorgfältiger Regulierung wurden mit einer Vorrichtung dieser Art Frequenzen von ι o⁷ Perioden pro Sek. erzielt. Dabei war keine überwiegende Rückkopplung vorhanden und ein Kondensator von 1 Mikrofarad mit so kurz wie möglich gehaltenen Leitungen war zwischen Anode und negatives Heizfadenende geschaltet, damit unbeabsichtigte, auf Induktion der im Anodenkreis vorhandenen Leiter zurückzuführende Rückkopplungserscheinungen vermieden wurden.

Abb. 4 stellt verschiedene Kurven derselben Vorrichtung dar. Diese Kurven sind bei verschiedenen Heizfadentemperaturen aufgenommen und zeigen, wie der negative Eingangswiderstand durch Regulierung der Heizspannung verändert werden kann.

In den Fällen, wo der negative Eingangswiderstand für den Stromkreis, in welchem die Vorrichtung Verwendung finden soll, ziffernmäßig nicht klein genug gemacht werden kann, wird man in irgendeiner bekannten Weise eine Rückkopplung zwischen Anoden- und Gitterströmen bewirken. Wenn zwecks besserer Verstärkung oder Detektorwirkung verlangt wird, die Vorrichtung elektrisch bis auf einen Punkt einzuregulieren, wo der negative Eingangswiderstand so niedrig wird, daß Schwingungen erzeugt werden, kann man negative oder entgegengesetzt wirkende Rückkopplungen verwenden, um entweder die Amplitude jener Schwingungen zu regeln oder zu unterdrücken.

Die Schwingungsneigung, d. h. die Annäherung zum Schwingen kann durch Veränderung des effektiven, positiven Widerstandes des Schwingungskreises gesteuert werden, z. B. mittels eines veränderlichen Kondensators, den man in Serie mit einem zum Schwingungskreis parallel geschalteten Widerstand einschaltet.

In manchen Fällen mögen die Telephone oder andere Wiedergabevorrichtungen in den Gitterkreis in Serie mit dem Hochfrequenzkreis eingeschaltet werden, in solchem Falle kann eine bessere Selektivität zu einer bestimmten Hörfrequenz dadurch erzielt werden, daß man für die Telephone geeignete konstante Werte wählt und gegebenenfalls auch einen verstellbaren Kondensator parallel zu ihnen schaltet und in diesem Falle den negativen Eingangswiderstand der Röhre sowohl die Dämpfung des Hochfrequenzkreises als auch die des Telephonkreis.es in bezug auf die betreffenden Frequenzen vermindert.

Bei der unter Abb. 5 dargestellten Ausführung wird das Magnetfeld des Heizstromes ausgenutzt und die dritte Elektrode mit vergrößerter Oberfläche durch mehrere kegelförmige Platten 7 gebildet. Die Platten werden von dem Halter 8 getragen. Die punktierte n₀ Linie 9 deutet den allgemeinen Weg der zur Anode wandernden Elektronen an, während die mit 10 bezeichnete punktierte Linie den Weg zeigt, welchen die positiven Ionen zur Sammelfläche der dritten Elektrode, des Git- n₅ ters, allgemein nehmen. Die Platten könnten auch flach oder anders gekrümmt sein.

Wenn Magnetfelder zur Korrektion der von den positiven Ionen und negativen Ladungen durchlaufenen Wege verwendet werden, so können dieselben mittels Magnete oder Leiter erzeugt werden, die man im Innern der

Röhre unterbringt. Um die Magnetfelder soweit als mö]glich auf den erwünschten. BereAdh) zu konzentrieren, werden zweckmäßig Eisenpole innerhalb der Röhre angebracht, die von außen durch Stromquellen erregt werden. Eine Gitterelektrode, speziell für den Gebrauch bei axialem Magnetfeld, wird in Abb. 6 dargestellt; die Schaufeln oder Flügel Ii sind den korrigierten Bahnen g, io entsprechend gekrümmt.

Mitunter wird außer dem eigentlichen Gitter eine besondere Elektrode in der Elektronen-Entladungsvorrichtung so angeordnet, daß sie die an das Gitter abzugebenden Ladüngen positiver Ionen sammelt. Diese Elektrode und das Gitter werden elektrisch miteinander verbunden, und zwar werden sie im Inneren oder außerhalb der Röhre unmittelbar oder durch irgendeine elektrische Kopplung verbunden, um dem Gitter Potentiale entsprechend der Aufnahme positiver Ionen durch die andere Elektrode aufzudrücken.

Bei dieser Ausführung sind also zwei miteinander verbundene Elektroden vorhanden, von denen die eine hauptsächlich den E-lektronenstrom von der Kathode zur Anode regeln soll und die andere hauptsächlich zur Aufnahme der Ladung positiver Ionen dient. Diese beiden zusammengehörigen Elektroden können zu einer gemeinsamen Klemme oder auch zu getrennten Klemmen führen. Im letzten Falle werden die beiden Klemmen nicht unmittelbar durch irgendeinen elektrischen Leiter miteinander verbunden, sondern es wird ein Potentialunterschied an beiden Klemmen geschaffen, oder man verbindet auch beide Klemmen über miteinander verkoppelte Stromkreise.

Bei dieser Ausführung wird die Ionen-Sammelelektrode gewöhnlich außerhalb der Elektronenbahn zwischen Kathode und Anode angeordnet. Bei der einen Ausführung ist die Ionensammelelektrode z. B. in Form zweier schraubenförmig nebeneinander aufgewundener Streifen in der Anode untergebracht. Bei einer anderen Ausführung (Abb. 7) besteht die Anode 12 aus einer zylindrisch gewickelten Spirale, welche die dritte Elektrode oder das Gitter 13 umgibt. Die Anordnung liegt symmetrisch zur Kathode 4. Die vierte Elektrode, die sogenannte Ionensammelelektrode 14, ist zylinderförmig um die Anode angeordnet. Die Elektroden 13 und 14 sind innerhalb der Röhre miteinander verbunden. Das Innere der Röhre, d. h. die Innenwand des das Ganze umschließendien. Mantels, kann mit Metall überzogen werden. Dieser Metallniederschlag kann als Ionensammelelektrode dienen. Andererseits kann eine derartige Elektrode als Grenzwand längs des Elektro- _: nenstromes angeordnet werden.

Das Diagramm (Abb. 8) zeigt, wie eine erfindungsgemäße Elektronen-Entladungsvorrichtung 15 in einen Empfangskreis eingeschaltet werden kann. Die Schaltung selbst wird nicht näher erläutert.

Bei Herstellung der erfindungsgemäßen Röhre geht man so vor, als ob ein hartes Vakuum zu bilden wäre. Man wendet die üblichen Verfahren an, um die unreinen Gase zu entfernen und danach gereinigtes Gas, z. B. Helium, einzuführen und bis auf den verlangten Druck einzuregulieren. Der günstigste Druck wird sich dem Zwecke der Röhre entsprechend und je nach Ausführung und Abmessung der einzelnen Teile etwas verändern. Der Druck wird experimentell ermittelt, vorausgesetzt, daß ausreichende Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, um Sauerstoff und andere für die Emission schädliche Unreinigkeiten fernzuhalten. Solange die Röhre noch mit der Pumpe in Verbindung ist, werden die dynamischen oder statischen Charakteristiken der Röhre ermittelt. Es wurde gefunden, daß ein Gemisch, bestehend aus 950/0 Helium und 50/0 Neon, mit einem Druck von ungefähr 0,6 mm Quecksilbersäule ganz ausgezeichnete Resultate für Empfangsröhren mit den in Abb. 1 und 2 angegebenen Ausmaßen ergibt. In manchen Fällen werden die Röhren einem sogenannten Alterungsverfahren unterworfen, um dadurch etwaige Spuren von Unreinigkeiten zu entfernen. Wo minderwertige Gase als Ionisationsmittel benutzt werden, können Absorptions- elemente verwendet werden. ·.

Die statischen, in Abb. 3 dargestellten Kennlinien einer nach Abb. 1 und 2 und nach obigen Angaben konstruierten Röhre zeigen in den angegebenen Bereichen immer einen im großen und ganzen kontinuierlichen oder stetigen Verlauf. Im Zusammenhang mit der Veränderung des negativen Eingangswiderstandes bei verschiedenen Heiztemperaturen (Abb. 5) ist gerade dieser Verlauf von großem Vorteil, z. B. in der Steuerung eines abgestimmten Telephonieempfangskreises, da es mit entsprechenden Werten für das Anoden- und Gitterpotential, letzteres kann Null, positiv oder negativ zum negativen Heizfadenende sein, möglich ist, dem betreffenden Stromkreise irgendeinen verlangten Dämpfungswert zu geben, der, ausgehend von dem durch den positiven Widerstand des betreffenden Kreises bestimmten Wert, bis auf Null gebracht werden kann.
■ 'Wenn die erfindungsgemäße Röhre zur Erzeugung von Schwingungen verwendet wird, so kann das Durchschnittspotential des Gitters oder der Ionensammelelektrode weit stärker negativ gehalten werden, als irgendeine der Gitter spannungen, durch welche der

Gitterstromkurve ein negativer Abfall verliehen wird, oder überhaupt stärker als irgendein Gitterstrom. Unter diesen Umständen wird es mitunter notwendig, die Schwingung durch einen elektrischen Anstoß von außen, z. B. durch Anstoß der Induktion des Schwingungskreises, einzuleiten. Die Einstellung auf diese Weise, wobei das Gitter derart negativ gehalten wird, daß normalerweise kein Strom durch die Röhre hindurchgeht, wird in vielen Fällen eine günstigere Wirkung der zur Schwingungserzeugung dienenden Röhre herbeiführen, jedoch kann man unter diesen Umständen nicht die Dämpfung des Stromkreises vom normalen Wert bis herunter auf Null so glatt steuern, wie dies möglich ist, wenn das Gitter das gleiche oder wenigstens ungefähr das gleiche Potential wie das negative Heizfadenende besitzt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronen-Entladungsröhre mit einer Elektronen aussendenden Kathode, einer Anode, einer Steuerelektrode und einer Füllung mit Gas oder einem Gasg-emisch unter einem solchen Druck, daß, wenn die Röhre an geeignete Spannungen gelegt wird, der Gitterstromkreis einen niedrigen, in weiten Grenzen regelbaren negativen Widerstand besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode so geformt ist, daß sie mit großer Wahrscheinlichkeit von den positiven Ionen getroffen wird und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, von den von der Kathode ausgehenden Elektronen getroffen zu werden, eine geringe ist.

2. Elektronen-Entladungsröhre nach An-

spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre mit einem relativ leichten Gas oder mit einem Gemisch solcher Gase gefüllt ist, z. B. mit Helium, und unter einem zur Erzeugung einer großen Anzahl positiver Ionen geeigneten Drucke.

3. Elektronen-Entladungsröhre nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Steuerelektrode aus zwei Teilen, von denen der eine im wesentlichen zur Regelung des Elektronenstromes und der andere im wesentlichen zur Sammlung bzw. Neutralisation der Ladungen positiver Ionen bestimmt ist, wobei beide Teile so angeordnet sind, daß sie miteinander elektrisch verbunden werden können.

4. Elektronen-Entladungsröhre nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine perforierte Anode und durch eine Sammelelektrode, die mit Bezug auf die Anode auf einer jenseits der Kathode gelegenen Seite angeordnet ist.

5. Elektronen-Entladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelelektrode auf der Innenwand des Rohres in Form eines leitfähigen Überzuges gegeben ist.

6. Elektronen-Entladungsröhre nach Anspruch i, bei welcher die Entladung, durch ein magnetisches Feld beeinflußt wird, und zwar durch ein Feld, welches entweder der den Heizfaden speisende Strom oder irgendeine besondere V01 richtung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode aus konischen, flachen oder gekrümmten Platten besteht, deren Form dem durch das magnetische Feld geänderten Verlauf der Elektronenströmung entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen