DE1065097B

DE1065097B - Gas discharge tubes

Info

Publication number: DE1065097B
Application number: DEW20885A
Authority: DE
Inventors: Gerald Edward Jacoby; Raymond Waibel Ketchledge
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1956-05-07
Filing date: 1957-03-30
Publication date: 1959-09-10
Also published as: GB814634A; CH345081A; US2929962A; FR1174044A; BE557027A

Description

Die Erfindung betrifft Gasentladungsröhren, insbesondere Vorkehrungen zur Herabsetzung der Ionisationszeit solcher Röhren.The invention relates to gas discharge tubes, in particular to provisions for reducing the ionization time such tubes.

Bei der Verwendung von Gasentladungsröhren als elektronische Schalter, z. B. in Fernsprechzentralen, macht sich die Verzögerung störend bemerkbar, die dadurch entsteht, daß der normale Betriebsstrom erst einige Zeit nach Anlegen der Spannung an die Röhre erreicht wird. Die Verzögerung beträgt bei einer Röhre größenordnungsmäßig 1 bis 4 Millisekunden; durch die große Zahl von in Serie liegenden Gasentladungsröhren ergeben sich hierdurch jedoch beträchtliche Verzögerungen.When using gas discharge tubes as electronic switches, e.g. B. in telephone exchanges, the delay becomes noticeable, which arises from the fact that the normal operating current only occurs is reached some time after voltage is applied to the tube. The delay is for one Tube on the order of 1 to 4 milliseconds; due to the large number of gas discharge tubes in series however, this results in considerable delays.

Die Verzögerung läßt sich auf zwei physikalische Ursachen zurückführen. Der Zeitpunkt, zu dem die Bildung einer selbständigen Entladung nach Anlegen der Zündspannung eingeleitet wird, hängt von der zufälligen Anwesenheit eines Ions oder eines Elektrons zwischen den Elektroden der Gasentladungsstrecke ab. Die sich hieraus ergebende Verzögerung ist als statistische Verzögerungszeit bekannt. Des weiteren vergeht eine gewisse Zeit, bis nach Beschleunigen des zufällig vorhandenen Ions oder Elektrons und der damit sich ergebenden Stoßionisation sich eine selbständige Entladung gebildet hat. Die hierzu erforderliche Zeit wird als Bildungsverzögerungszeit bezeichnet. Diese hängt von gewissen physikalischen Gegebenheiten ab, z. B. von Art und Druck des Gases, von der geometrischen Gestalt der Elektroden und ferner von der an die Elektroden angelegten Überspannung. Die Überspannung ist diejenige Spannung, die das Ionisationspotential übersteigt, das an die Elektroden gelegt wird, um die Ionisation der Gasentladungsstrecke zu gewährleisten.The delay can be traced back to two physical causes. The time at which the Formation of an independent discharge after application of the ignition voltage is initiated depends on the accidental presence of an ion or an electron between the electrodes of the gas discharge path. The resulting delay is known as the statistical lag time. Furthermore, a certain time elapses until after acceleration of the accidentally present ion or electron and the resulting impact ionization has formed an independent discharge. The time required for this is called the education lag time designated. This depends on certain physical conditions, e.g. B. the type and pressure of the gas, on the geometrical shape of the electrodes and also on the overvoltage applied to the electrodes. The overvoltage is the voltage that exceeds the ionization potential applied to the Electrodes is placed to ensure the ionization of the gas discharge path.

Zur Verringerung oder tatsächlichen Vermeidung der statistischen Verzögerungszeit sind schon verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden. Dazu gehört die Ausnutzung des fotoelektrischen Effektes, indem die Kathode mit Röntgenstrahlen oder mit ultraviolettem Licht, auch mit Gammastrahlen mittels in die Gasentladungsröhre eingebrachten radioaktivem Material, bestrahlt wird. Eine weitere Möglichkeit liegt darin, zwei oder mehr gleiche Gasentladungsröhren parallel zu schalten, wobei eine mittlere Verzögerung entsteht, die etwa gleich der mittleren Verzögerung einer einzigen Röhre, geteilt durch die Anzahl der parallelen Röhren, ist.There are already various ways of reducing or actually avoiding the statistical delay time Possibilities have been suggested. This includes the use of the photoelectric effect, by means of the cathode with X-rays or with ultraviolet light, also with gamma rays radioactive material introduced into the gas discharge tube, is irradiated. One more way is to connect two or more identical gas discharge tubes in parallel, with a medium delay which is roughly equal to the mean delay of a single tube divided by the number of the parallel tubes, is.

Hiermit wird zwar die Verzögerung beträchtlich herabgesetzt, die Verwendung von ionisierenden Strahlen bringt jedoch eine Gefährdung des Bedienungspersonals mit sich, es ist jedoch auch unwirtschaftlich, nur zur Verkürzung der Verzögerungszeit jeden Kreis mit mindestens der doppelten Anzahl Gasentladungsröhren zu bestücken. Die Bestrahlung der GasentladungsröhreAlthough this considerably reduces the delay, the use of ionizing Blasting, however, poses a risk to the operating personnel, but it is also uneconomical only to shorten the delay time each circuit with at least twice the number of gas discharge tubes to equip. The irradiation of the gas discharge tube

Anmelder:Applicant:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N.Y. (V.St.A.)Western Electric Company, Incorporated, New York, N.Y. (V.St.A.)

Vertreter: DipL-Ing. H. Fectit, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21Representative: DipL-Ing. H. Fectit, patent attorney,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beansprudite Priorität: V. St. v. Amerika vom 7. Mai 1956Claimed priority: V. St. v. America 7 May 1956

Gerald Edward Jacoby, Madison, Ν. J.,
und Raymond Waibel Ketchledge, Whippany, N. J.
(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt wordenGerald Edward Jacoby, Madison, Ν. J.,
and Raymond Waibel Ketchledge, Whippany, NJ
(V. St. A.),
have been named as inventors

Kathode hat aber ferner den Nachteil, daß häufig die Ionisierungsspannung herabgesetzt wird, wodurch im Betrieb Fehler auftreten können.However, the cathode also has the disadvantage that the ionization voltage is often reduced, which im Operation errors can occur.

Zu anderen Zwecken wurde bereits elektrische Hochfrequenz in Kombination mit Gasentladungsröhren benutzt. Das geschah zwecks Zündung der Entladungsstrecke, zwecks Herabsetzung der Ionisierungsspannung oder zur Aufrechterhaltung einer Gasentladung in einer Röhre, die keine Elektroden enthielt. Ferner wurde Hochfrequenz zur Steuerung des Entladungsstromes benutzt. Die Erfindung geht demgemäß von einer Gasentladungsröhre aus, bei der ein Paar von Elektroden eine Hauptentladungsstrecke mit einer vorbestimmten Ionisationsspannung begrenzt und in der eine Hochfrequenzentladung mit geringer Leistung im Kolben der Entladungsröhre an einer einzigen ortsfesten Stelle aufrechterhalten wird. Bei einer solchen Gasentladungsröhre besteht jedoch die Gefahr, daß die Hochfrequenzentladung die Ionisationsspannung herabsetzt, was für die Verwendung einer solchen Röhre in komplizierten Systemen unerwünscht ist.Electrical high frequency in combination with gas discharge tubes has already been used for other purposes used. This was done in order to ignite the discharge gap, in order to reduce the ionization voltage or to maintain a gas discharge in a tube that does not have electrodes contained. Furthermore, high frequency was used to control the discharge current. The invention works accordingly from a gas discharge tube in which a pair of electrodes form a main discharge path limited with a predetermined ionization voltage and in which a high frequency discharge with low Power in the bulb of the discharge tube is maintained at a single fixed point. at such a gas discharge tube, however, there is a risk that the high-frequency discharge increases the ionization voltage reduces what is undesirable for the use of such a tube in complicated systems is.

Die Erfindung empfiehlt demgemäß, die Gasentladungsröhre so auszubilden, daß die Hochfrequenzentladung von der Hauptentladungsstrecke entfernt liegt und daß ein Paar von Sondendrähten außen in der Nähe des Kolbens angeordnet ist, wobei die Hochfrequenzentladung innerhalb des Kolbens nur unmittelbar bei den Drähten stattfindet, so daß die Ioni-The invention accordingly recommends that the gas discharge tube be designed so that the high-frequency discharge from the main discharge path and that a pair of probe wires is outside in is arranged in the vicinity of the piston, the high-frequency discharge within the piston only immediately takes place in the wires, so that the ionic

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sationszeit der Gasatmosphäre innerhalb der Einrichtung herabgesetzt wird, ohne daß die Ionisationsspannung wesentlich beeinflußt wird. sationszeit the gas atmosphere is reduced within the device without the ionization voltage is significantly affected.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Erläuterung und den Zeichnungen.Further advantages and features of the invention emerge from the following, which go into detail Explanation and the drawings.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Gasentladungsröhre, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, wobei der Kolben der Röhre im Schnitt gezeichnet ist; ίο Fig. 1 is a side view of a gas discharge tube which is an embodiment of the invention, with the bulb of the tube drawn in section; ίο

Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Kolbens einer Gasentladungsröhre gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; 2 is a section of the bulb of a gas discharge tube according to another exemplary embodiment of the invention;

Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Kolbens einer Gasentladungsröhre gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;3 is a section of a bulb of a gas discharge tube according to a further exemplary embodiment the invention;

Fig. 4 zeigt eine Kurve der Beziehung zwischen dem Abstand der Drähte und der hochfrequenten Spannung, die an diese Drähte angelegt ist, um eine Ionisation innerhalb der Gasentladungsröhre zu erzeugen; Fig. 4 is a graph showing the relationship between the spacing of the wires and the high frequency Voltage applied to these wires to produce ionization within the gas discharge tube;

Fig. 5 zeigt Schaltzeit-Überspannungskennlinien für gewisse Gasröhren, bei denen diese Erfindung benutzt wird.Figure 5 shows switching time overvoltage characteristics for certain gas tubes employing this invention will.

In Fig. 1 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gasentladungsröhre gezeichnet, die einen Kolben 10, eine durch die Elektroden 11 und 12 definierte Hauptentladungsstrecke, ein Paar von Sondendrähten 14 in der Nähe des Kolbens und eine Quelle 15 für hochfrequente Spannungen, die an die Drähte 14 angeschlossen ist, enthält. Die besten Ergebnisse bei der Herabsetzung der statistischen Verzögerungszeit erhält man, wenn durch diese hochfrequente Spannungsquelle eine symmetrische hochfrequente Spannung an die Sondendrähte 14 angelegt wird. Dies kann erreicht werden, indem man einen Transformator zur Kopplung der Drähte mit der Quelle der hochfrequenten Energie verwendet. Es kann auch ein Gegentaktoszillator benutzt werden, um die symmetrische hochfrequente Energie an die Drähte 14 zu liefern. Die Gesamtverzogerungszeit kann weiter verringert werden, indem man an die Elektroden eine Überspannung anlegt, die die Bildungsverzögerungszeit, wie oben beschrieben wurde, verringert. An die Elektroden 11 und 12, die die Hauptentladungsstrecke bilden, ist eine Quelle 16 für Ionisations- und Brennspannungen angeschlossen. Diese Spannungen können in irgendeiner Form angelegt werden, z. B. als Gleichspannungen oder als Impulse, die an eine oder an beide Elektroden angelegt werden.In Fig. 1, according to an embodiment of the invention, a gas discharge tube is drawn, which has a bulb 10, a main discharge path defined by the electrodes 11 and 12 , a pair of probe wires 14 in the vicinity of the bulb and a source 15 for high-frequency voltages that are applied to the Wires 14 is connected, contains. The best results in reducing the statistical delay time are obtained when a symmetrical high-frequency voltage is applied to the probe wires 14 by this high-frequency voltage source. This can be achieved by using a transformer to couple the wires to the source of the high frequency energy. A push-pull oscillator can also be used to provide the symmetrical high frequency power to the wires 14 . The overall lag time can be further reduced by applying an overvoltage to the electrodes which reduces the formation lag time as described above. A source 16 for ionization and burning voltages is connected to electrodes 11 and 12, which form the main discharge path. These voltages can be applied in any form, e.g. B. as DC voltages or as pulses that are applied to one or both electrodes.

Das Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die Drähte 14 bewirkt, daß ein örtliche Entladung innerhalb des Kolbens der Gasentladungsröhre an einer Stelle stattfindet, die von den Elektroden, die die Hauptenladungsstrecke bilden, entfernt ist, wobei die Stelle vorteilhafterweise in der Nähe des Bodens des Kolbens liegen kann, wie es in Fig. 1 gezeichnet ist. Da diese Entladung mit kleiner Leistung in einem kleinen Gebiet aufrechterhalten wird, das von den Elektroden 11 und 12 entfernt liegt, reicht die Ionisation nicht aus, um den Wert des Ionisationspotentials, das für die Elektroden der Hauptentladungsstrecke erforderlich ist, wesentlich zu ändern. Durch Benutzen dieser hochfrequenten Entladung zur Aufrechterhaltung einer lokalisierten Ionisation innerhalb des Kolbens, ist die statistische Wahrscheinlichkeit des Auftretens des obenerwähnten zufälligen Ereignisses stark vergrößert. Bei einer Ausführung der Erfindung, bei der eine Gasdiode verwendet wird, ist das 097The application of a high-frequency voltage to the wires 14 causes a local discharge to take place within the bulb of the gas discharge tube at a location which is remote from the electrodes which form the main charge path, the location advantageously being near the bottom of the bulb can, as it is drawn in FIG. Since this low-power discharge is sustained in a small area distant from the electrodes 11 and 12 , the ionization is insufficient to significantly change the value of the ionization potential required for the electrodes of the main discharge path. By using this high frequency discharge to maintain localized ionization within the envelope, the statistical likelihood of the aforementioned random event occurring is greatly increased. In an embodiment of the invention in which a gas diode is used, this is 097

Ionisationspotential durch das Vorhandensein der hochfrequenten Entladung nur um etwa 1 bis 2 Volt verändert. Dies stellt eine Änderung von weniger als 1 °/o der Spannung dar, die bei Nichtvorhandensein einer lokalisierten hochfrequenten Entladung erforderlich ist.Ionization potential only changed by about 1 to 2 volts due to the presence of the high-frequency discharge. This represents a change of less than 1% in the voltage that would occur in the absence of a localized high frequency discharge is required.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei nur ein kleiner Teil des Röhrenkolbens 10 gezeichnet ist. Die Punkte 18 stellen hochohmige Glasstücke in der Wand des Röhrenkolbens dar. Diese Stücke koppeln die hochfrequente Energie kapazitiv von den Drähten 14 in einen vorbestimmten Bereich innerhalb des Röhrenkolbens. Das Anlegen dieser Energie verursacht eine Entladung zwischen den Stücken 18 innerhalb des Kolbens.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 2, only a small part of the tubular piston 10 being drawn. The points 18 represent high-resistance pieces of glass in the wall of the tube bulb. These pieces capacitively couple the high-frequency energy from the wires 14 into a predetermined area within the tube bulb. The application of this energy causes a discharge between the pieces 18 within the envelope.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, wobei wieder ein kleiner Teil des Röhrenkolbens 10 dargestellt ist, bei dem auf einem Paar von hochohmigen Glasstücken 18 auf dem Kolben 10 metallische Stücke 20 aufgebracht sind. Beim Anlegen von hochfrequenter Energie von der Quelle 15 an die Sondendrähte 14 findet eine örtliche Entladung auf der Innenwand des Kolbens in einem Gebiet zwischen den metallischen Stücken 20 statt.Fig. 3 shows another embodiment of the invention, again a small part of the envelope 10 is shown, are applied at the metal on a pair of high-resistance glass pieces 18 on the plunger 10 members 20. When high-frequency energy is applied from the source 15 to the probe wires 14 , a local discharge takes place on the inner wall of the bulb in an area between the metallic pieces 20 .

Fig. 4 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Abstand der Sondendrähte 14, wie sie in Fig. 1 verwendet werden, und dem EfFektivwert der hochfrequenten Spannung, die an diese Drähte angelegt ist, um die örtliche Entladung zu erzeugen. Dieser graphischen Darstellung kann man entnehmen, daß der optimale Abstand der Drähte 14 im Bereich von 0,33 bis 0,36 cm liegt und daß die optimale Spannung in der Größenordnung eines Effektivwertes von 550 bis 650Volt liegt; jedoch wird aus der graphischen Darstellung klar, daß auch andere hochfrequente Spannungen und andere Drahtabstände verwendet werden können.Fig. 4 graphically shows the relationship between the spacing of the probe wires 14 as used in Fig. 1 and the effective value of the high frequency voltage applied to these wires to create the local discharge. It can be seen from this graph that the optimal spacing of the wires 14 is in the range of 0.33 to 0.36 cm and that the optimal voltage is of the order of magnitude of an effective value of 550 to 650 volts; however, it is clear from the graph that other high frequency voltages and other wire spacings can be used.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Überspannung, die an die Elektroden der Hauptenladungsstrecke angelegt sind, und der Schaltzeit, die zur Herstellung einer stabilen Entladung in jeder der drei verschiedenen Gasdioden erforderlich ist. Bei Nichtvorhandensein irgendwelcher Mittel zur Verringerung der Verzögerungszeit würden diese Dioden im wesentlichen gleichförmige Verzögerungszeiten aufweisen. Die Kurve 1 stellt die Kennlinie einer Gasdiode mit einem geringen Radiumgehalt dar. Die Kurve 2 stellt die Kennlinie einer anderen Diode mit einem hohen Radiumgehalt dar. Die Kurve 3 stellt die Kennlinie einer weiteren Diode dar, die kein Radium enthält und an die eine hochfrequente Entladung entsprechend der Erfindung angelegt ist.5 shows a graphical representation of the relationship between the overvoltage which is applied to the electrodes of the main charging path and the switching time which is required to produce a stable discharge in each of the three different gas diodes. In the absence of any means of reducing the delay time, these diodes would have substantially uniform delay times. Curve 1 shows the characteristic of a gas diode with a low radium content. Curve 2 shows the characteristic of another diode with a high radium content. Curve 3 shows the characteristic of a further diode which does not contain any radium and to which a high-frequency discharge is applied according to the invention.

Ein Vergleich der Schaltzeiten dieser drei Röhren für eine gegebene Überspannung zeigt die bedeutende Wirksamkeit der hochfrequenten Entladung im Vergleich zur Verwendung eines radioaktiven Stoffes für die Gasentladungsröhre. Zum Beispiel erfordert die Röhre mit einem geringen Radiumgehalt für eine Überspannung von 5 Volt etwa 5 Millisekunden, um eine stabile Entladung herzustellen; die Röhre mit hohem Radiumgehalt erfordert etwa 1 Millisekunde, während die Gasentladungsröhre mit einer hochfrequenten Entladung nur 200 Mikrosekunden erfordert. Bei einer Vergrößerung der Überspannung werden alle Schaltzeiten herabgesetzt. Diese Verringerung ist bei der Gasentladungsröhre mit einer örtlichen hochfrequenten Entladung viel stärker, wie durch die relativen Neigungen der Kurven angegeben wird. Zum Beispiel erfordert bei Anlegen von 10 Volt Überspannung an alle drei Röhren die Röhre mit niedrigem Radiumgehalt etwa 2V2 Millisekunden zur HerstellungA comparison of the switching times of these three tubes for a given overvoltage shows the significant one Effectiveness of the high frequency discharge compared to the use of a radioactive material for the gas discharge tube. For example, the tube with a low radium content for one requires Overvoltage of 5 volts approximately 5 milliseconds to produce a stable discharge; the tube with high radium requires about 1 millisecond, while the gas discharge tube with a high frequency Discharge only requires 200 microseconds. If the overvoltage increases all switching times reduced. This reduction is due to the gas discharge tube with a local high frequency Discharge much stronger as indicated by the relative slopes of the curves. To the For example, if a 10 volt surge voltage is applied to all three tubes, the tube with the low voltage will be required Radium content about 2V2 milliseconds to manufacture

Claims

a stable discharge. The tube with high radium content takes about 500 microseconds, while the tube with the local high frequency discharge according to the invention takes only about 53 microseconds. Curve 3 of FIG. 5 also shows that at a 20 volt overvoltage a stable current is produced in about 14 microseconds and at an overvoltage of 80 volts the delay time is only 2V2 microseconds. According to this invention, gas discharge tubes with very short switching times can advantageously be manufactured and used without the dangers of radiation from radioactive substances occurring. The switching times of any gas discharge tube can also be reduced without changing the internal structure of the tube by attaching the high-frequency wires to any suitable place in the vicinity of the bulb of the gas discharge tube. Furthermore, the application of this high-frequency discharge can be controlled by additional logic circuits, so that the delay time can easily be subjected to external control. This high frequency energy can take on impulse form, it can be applied sequentially to groups of gas discharge tubes used in cross-point switching networks to enable the establishment of a single path through the cross-point network. Thus, the switching time of gas discharge tubes can be easily controlled and easily applied to all types of gas discharge tubes. It can be achieved with relatively low performance. For example, the power required to generate the local discharge according to the characteristic of curve 3 in FIG. 5 is of the order of 2 to 10 milliwatts. Patent application:

1. Gas discharge tube in which a pair of electrodes form a main discharge path with a limited predetermined ionization voltage and in which a high frequency discharge with low Power is maintained in the bulb of the discharge tube at a single fixed point, characterized in that the high frequency discharge is removed from the main discharge path lies and that a pair of probe wires are arranged externally in the vicinity of the piston, the High-frequency discharge takes place within the bulb only directly at the wires, so that the Ionization time of the gas atmosphere is reduced within the device without the ionization voltage is significantly influenced.

2. Gas discharge tube according to claim 1, characterized in that the distance between the two Wires is approximately one inch to one inch.

3. Gas discharge tube according to one of claims 1 and 2, characterized in that a Pair of small pieces of metal are provided on the inside surface of the piston close to the wires and is capacitively coupled to the wires.

4. Gas discharge tube according to one of claims 2 to 3, characterized in that the The high frequency voltage applied to the probe wires has an effective value of 550 to 650 volts.

Considered publications:
German patent specification No. 600 402.
U.S. Patent Nos. 2,696,566, 2,696,584, 731.

1 sheet of drawings